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Spatial variation in riparian soil properties and its response to environmental factors in typical reach of the middle and lower reaches of the Yellow River.

黄河中下游典型河岸带土壤性质空间变异及其对环境的响应


土壤和植被作为河岸带生态系统服务维持的根基,其空间分布与变异对河岸带生态功能的发挥起着决定性作用.本研究以黄河中下游典型河段河岸带为研究对象,采用野外调查、实验分析与冗余分析(RDA)相结合的方法,研究了河岸带土壤理化性质空间分异特征及其对环境的响应.结果表明: 研究区土壤物理性质的横向梯度效应较为明显,随缓冲距离增大,土壤容重呈现先增后减的趋势,而土壤含水量呈相反趋势;不同缓冲区土壤的全磷(TP)、有效磷(AP)、全碳(TC)、有机碳(TOC)、全氮(TN)、铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)含量差异均不显著;不同植被类型(杨树人工林和柳树人工林)的土壤化学性质差异均不显著.相关性分析表明,研究区土壤TOC与TN、NO3--N含量均呈极显著正相关、与NH4+-N含量显著正相关,土壤TC和TOC含量均与砂粒呈极显著负相关,与粘粒极显著正相关.RDA结果显示,土壤TOC和NH4+-N含量随乔木层高度和盖度的增加而增加,土壤TP与NO3--N随乔木层树木胸径和草本层植物盖度的增加而增加,而NH4+-N含量随海拔升高呈递增的趋势,说明黄河中下游河岸带土壤性质受群落结构和海拔梯度的影响显著.

Soil and vegetation are the foundation of maintaining riparian ecosystem services, and their spatial distribution and variations can determine the effects of ecological functions. In the present study, selecting the typical reach of the middle and lower reaches of the Yellow River as the study area, the spatial distributions of riparian soil physicochemical properties and their response to environmental factors were analyzed by employing methods of field investigation, experimental analysis, and redundancy analysis (RDA). The results showed that soil particle was composed significantly of silt in the study area, with the increase of riparian buffer distance, soil bulk density increased initially and then decreased, whereas soil moisture showed the opposite pattern. Changes in total soil phosphorus (TP), available phosphorus (AP), total carbon (TC), total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN), ammonium nitrogen (NH4+-N) and nitrate nitrogen (NO3--N) contents under different riparian buffer distance showed  no statistically significant differences.  The spatial distribution of soil chemical properties was generally insignificantly different through changes between two vegetation types. Pearson correlation analysis showed that there was close relationship between soil physical and chemical properties, therein, TOC content in the study area was positively and significantly related to TN (P<0.01), NO3--N (P<0.01), and NH4+-N (P<0.05) contents, respectively. Both the TN and TOC contents were significantly negatively related to sand content (P<0.01), while was significantly positively related to clay content (P<0.01), indicating that high sand content could promote porosity and permeability of soil and then accelerate the degradation rate of organic matters in soils. In addition, the results of RDA indicated that TOC and NH4+-N contents increased with increasing the height and coverage of the tree layer. Soil TP and NO3--N contents increased with increasing the plant diameter at breast height (DBH) of the tree layer and coverage of the herb layer. Meanwhile, with the increase of elevation gradient, the content of soil NH4+-N presented an increasing trend, indicating that soil properties were significantly influenced by the effects of community structure and elevation gradient in the study area.


全 文 :黄河中下游典型河岸带土壤性质空间变异
及其对环境的响应∗
赵清贺1,2  刘  倩1,2  马丽娇1,2  丁圣彦1,2∗∗  卢训令1,2  汤  茜1,2  徐珊珊1,2
( 1教育部黄河中下游数字地理技术重点实验室, 河南开封 475004; 2河南大学环境与规划学院, 河南开封 475004)
摘  要  土壤和植被作为河岸带生态系统服务维持的根基,其空间分布与变异对河岸带生态
功能的发挥起着决定性作用.本研究以黄河中下游典型河段河岸带为研究对象,采用野外调
查、实验分析与冗余分析(RDA)相结合的方法,研究了河岸带土壤理化性质空间分异特征及
其对环境的响应.结果表明: 研究区土壤物理性质的横向梯度效应较为明显,随缓冲距离增
大,土壤容重呈现先增后减的趋势,而土壤含水量呈相反趋势;不同缓冲区土壤的全磷(TP)、
有效磷(AP)、全碳(TC)、有机碳(TOC)、全氮(TN)、铵态氮(NH4
+ ⁃N)和硝态氮(NO3
- ⁃N)含
量差异均不显著;不同植被类型(杨树人工林和柳树人工林)的土壤化学性质差异均不显著.
相关性分析表明,研究区土壤 TOC与 TN、NO3
- ⁃N含量均呈极显著正相关、与 NH4
+ ⁃N 含量显
著正相关,土壤 TC和 TOC含量均与砂粒呈极显著负相关,与粘粒极显著正相关.RDA结果显
示,土壤 TOC和 NH4
+ ⁃N含量随乔木层高度和盖度的增加而增加,土壤 TP 与 NO3
- ⁃N 随乔木
层树木胸径和草本层植物盖度的增加而增加,而 NH4
+ ⁃N含量随海拔升高呈递增的趋势,说明
黄河中下游河岸带土壤性质受群落结构和海拔梯度的影响显著.
关键词  黄河中下游; 河岸带; 土壤性质; 冗余分析
∗中国博士后科学基金项目(2014M550382, 2015T80766)、国家自然科学基金项目(41301197,41371195)和教育部黄河中下游数字地理技术
重点实验室开放基金项目(GTYR2013010)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: syding@ henu.edu.cn
2015⁃03⁃16收稿,2015⁃09⁃11接受.
文章编号  1001-9332(2015)12-3795-08  中图分类号  K903  文献标识码  A
Spatial variation in riparian soil properties and its response to environmental factors in typi⁃
cal reach of the middle and lower reaches of the Yellow River. ZHAO Qing⁃he1,2, LIU Qian1,2,
MA Li⁃jiao1,2, DING Sheng⁃yan1,2, LU Xun⁃ling1,2, TANG Qian1,2, XU Shan⁃shan1,2 ( 1Key Labo⁃
ratory of Geospatial Technology for the Middle and Lower Yellow River Regions, Ministry of Educa⁃
tion, Kaifeng 475004, Henan, China; 2College of Environment and Planning, Henan University,
Kaifeng 475004, Henan, China) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(12): 3795-3802.
Abstract: Soil and vegetation are the foundation of maintaining riparian ecosystem services, and
their spatial distribution and variations can determine the effects of ecological functions. In the pre⁃
sent study, selecting the typical reach of the middle and lower reaches of the Yellow River as the
study area, the spatial distributions of riparian soil physicochemical properties and their response to
environmental factors were analyzed by employing methods of field investigation, experimental ana⁃
lysis, and redundancy analysis (RDA). The results showed that soil particle was composed signifi⁃
cantly of silt in the study area, with the increase of riparian buffer distance, soil bulk density in⁃
creased initially and then decreased, whereas soil moisture showed the opposite pattern. Changes in
total soil phosphorus (TP), available phosphorus (AP), total carbon (TC), total organic carbon
(TOC), total nitrogen (TN), ammonium nitrogen (NH4
+ ⁃N) and nitrate nitrogen (NO3
- ⁃N) con⁃
tents under different riparian buffer distance showed no statistically significant differences. The spa⁃
tial distribution of soil chemical properties was generally insignificantly different through changes be⁃
tween two vegetation types. Pearson correlation analysis showed that there was close relationship be⁃
应 用 生 态 学 报  2015年 12月  第 26卷  第 12期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2015, 26(12): 3795-3802
tween soil physical and chemical properties, therein, TOC content in the study area was positively
and significantly related to TN (P<0.01), NO3
- ⁃N (P<0.01), and NH4
+ ⁃N (P<0.05) contents,
respectively. Both the TN and TOC contents were significantly negatively related to sand content (P
<0.01), while was significantly positively related to clay content (P<0.01), indicating that high
sand content could promote porosity and permeability of soil and then accelerate the degradation rate
of organic matters in soils. In addition, the results of RDA indicated that TOC and NH4
+ ⁃N contents
increased with increasing the height and coverage of the tree layer. Soil TP and NO3
- ⁃N contents in⁃
creased with increasing the plant diameter at breast height (DBH) of the tree layer and coverage of
the herb layer. Meanwhile, with the increase of elevation gradient, the content of soil NH4
+ ⁃N pres⁃
ented an increasing trend, indicating that soil properties were significantly influenced by the effects
of community structure and elevation gradient in the study area.
Key words: the middle and lower reaches of the Yellow River; riparian zone; soil properties; re⁃
dundancy analysis.
    河岸带是陆地生态系统和水生生态系统进行物
质、能量和信息交换的重要生物过渡带,具有独特的
生态结构特征和多种生态功能[1-3] .河岸带土壤是河
岸带生态系统功能实现的基础,在维持河岸带稳定
性、生物多样性、迟滞沉积物、富集和过滤各种营养
元素方面起着十分重要的作用[2,4-6],其物理结构直
接影响土壤颗粒粘性、毛管的吸附力和容重等,被认
为是衡量土壤质量和土壤生产力的重要指标之
一[6],其化学性质如有机碳、氮和磷含量等,直接影
响土壤肥力,进而通过影响地表植被的生长最终影
响河岸带生态系统功能的发挥[1-2,6] .因此,研究河
岸带土壤理化性质及其对环境的响应尤为重要.
目前,有关黄河中下游典型河段河岸带的研究,
主要集中在群落结构、环境梯度、群落演替以及生理
生态等领域.例如,廖秉华[7]在黄河流域河南段运用
群落生态学的方法,通过分析不同环境梯度下植物
物种分布格局、物种流动特征等,研究了环境因子对
植物多样性动态的影响,结果显示,随着不同景观类
型中受到干扰的样地数目的增加,Simpson多样性指
数持续减小,不同季节草本优势种表现出不同的环
境依赖性的物种流.陈杰等[8]通过研究伊洛河流域
草本植物群落物种多样性及其分布格局时发现,河
岸草本植物群落物种多样性分布格局强烈地受到人
类活动的影响,物种替代速率较高.迄今,较少涉及
土壤理化性质的空间分布特征及其河岸带植被群落
结构等环境因子的相互关系研究[7-9] .黄河中下游地
区是华夏文明的发祥地,几千年来一直是我国最重
要的粮食主产区和核心区之一[10] .长期以来,黄河
中下游河岸带在人为干扰和自然因素的相互影响
下,正面临着植被面积减少、水土流失加剧、景观生
态可持续性下降等一系列问题,严重威胁着区域生
态安全和社会经济的可持续发展[8-12] .因此,本研究
针对黄河中下游河岸带土壤理化指标空间分异特征
变化及其土壤养分与环境因子的关系展开研究,以
期为黄河中下游河岸带生态系统服务的维持与可持
续管理提供理论基础.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
研究区域 ( 34° 49′—35° 01′ N, 113° 03′—
114°24′ E)地处黄河中下游河南段(图 1).黄河中下
游河南段干流长 711 km,总流域面积达 36000 km2,
研究区涉及温县、巩县、原阳市、郑州市、中牟县、封
丘县、开封市等县市.黄河中下游地区多属于暖温带
大陆性季风气候,春季干旱,风沙较大,冬季寒冷,年
均气温 12~17 ℃,主要受东亚季风的影响,降水多
集中在夏季,全年平均降水量500~900 mm,具有年
图 1  研究区及样地分布示意图
Fig.1  Schematic diagram and distribution of sampling sites in
the study area.
6973 应  用  生  态  学  报                                      26卷
际变率大、年内分布集中、空间分布不均匀的特
点[8-10] .黄河中下游地形总的趋势是由西向东海拔
逐渐降低,有山地、丘陵和平原三大不同类型,其土
壤类型以潮土、黄壤、黄沙壤、黄褐壤土为主.由于兴
建黄河下游防洪工程体系,两岸皆筑有黄河大堤,大
部分土地已被开垦,以农田居多.研究区植被以杨树
(Populus tomentosa)人工林、柳树(Salix matsudana)
人工林为主.
1􀆰 2  研究方法
1􀆰 2􀆰 1土样采集与测定方法  2014年 5 月沿黄河两
岸开展杨树人工林和柳树人工林土样的采集和植被
状况调查.本次调查共设置 11 条样线,每条样线依
据距离黄河的远近分别设置 3 ~ 6 个 20 m×20 m 的
样地,共 49个样地(图 1).由于黄河下游河岸带高
于大堤两岸堤外地表,研究样地均设置在大堤以内.
同时,将 49个样地根据不同的河流缓冲距离分为 4
个梯度:<1.5 km、1.5 ~ 3.0 km、3􀆰 0 ~ 4.5 km 和>4.5
km,每个缓冲距离内分别有 13、12、12 和 12 个样
地,以分析河岸带土壤理化性质的横向梯度效应.每
个缓冲距离内都包括数量不一的杨树人工林和柳树
人工林.根据样地的植物调查结果统计,黄河中下游
典型河段河岸带物种数为 86种,隶属 36个科 78 个
属.其中,菊科、禾本科、豆科、十字花科组成黄河中
下游河岸带植物群落的共优种群,是黄河中下游河
岸带的主要物种.主要的草本植物有:藜(Chenopodi⁃
um album)、酢浆草(Oxalis corniculata)、葎草(Hu⁃
mulus scandens)、中华小苦荬( Ixeridium chinense)、狗
尾草(Setaria viridis)、小蓬草(Conyza canadensis)、夏
至草(Lagopsis supina)等.研究区柳树人工林乔木层
种植密度和盖度均低于杨树人工林,而林下草本植
物种类和盖度均高于杨树人工林.另外,杨树和柳树
人工林的种植年限均为 5~15 a.
调查过程中用 GPS 定位记录野外轨迹信息.每
个样地采用梅花形布点选 5 个重复样点取样,用环
刀法分别取 0~ 10 cm 和 10 ~ 20 cm 深度的土壤,用
于土壤容重和土壤含水率的测定,在垂直方向上取
0~20 cm深度的土样混合后放入塑料袋,带回实验
室自然风干后去除杂物,过筛,用于其他指标的测
定.测定的土壤理化性质指标包括:质地、容重、含水
量、全氮 ( TN)、铵态氮 (NH4
+ ⁃N)、硝态氮 (NO3
- ⁃
N)、全碳(TC)、有机碳(TOC)、全磷(TP)和有效磷
(AP).其中,土壤容重采用环刀法测定;土壤含水率
采用烘干法测定;土壤颗粒组成采用粒径分析仪检
测.TN的测定用元素分析仪灼烧法;NO3
- ⁃N、NH4
+ ⁃
N采用 2 mol·L-1 KCl 溶液浸提进行测定,分别用
紫外分光光度法和纳氏试剂比色法测定上清液中
NO3
- ⁃N和 NH4
+ ⁃N的含量;TOC 的测定采用重铬酸
钾氧化⁃外加热法;TP 的测定用酸溶⁃钼锑抗比色
法;AP 的测定用 Olsen法[13] .
1􀆰 2􀆰 2环境因子获取   在影响土壤性质特征的空
间、植被与河流因素中,选取样地海拔、河流缓冲距
离、乔木层植物胸径、盖度和高度以及草本层盖度作
为环境影响因子进行排序分析[14] .采集土壤样品后
进行植被调查,记录群落类型、乔木层植物胸径、盖
度和高度,草本层盖度等,以及 GPS 高程.其中,胸
径数据为测量样地内所有乔木胸径后取平均值;盖
度用法瑞学派多优度与群聚度相结合的打分法和计
分法进行估测[15];乔木高度使用简易测高仪测量;
河流缓冲距离根据样地坐标,通过 ArcGIS 计算采样
地到河流中心线的距离来获取.
1􀆰 3  数据处理 
土壤理化性质分析使用 SPSS 17 和 Origin 9.0
软件进行数据统计和作图,利用 Pearson 相关系数
来评价土壤物理性质与化学性质各指标之间的相关
性.为反映环境因子对土壤质量的影响,利用 Canoco
4.5 统计软件,在对土壤数据进行去趋势对应分析
(DCA)计算排序轴梯度长度的基础上,采用冗余分
析法(RDA)对土壤化学指标与环境因子数据矩阵
进行排序分析.
2  结果与分析
2􀆰 1  典型河岸带土壤主要物理性质空间分异特征
根据河岸带横向空间的过渡性,至河流距离不
同处的高程、植被覆盖类型与盖度、地下水位等存在
明显差异,造成土壤理化性质呈现空间梯度分
布[16-17] .
土壤颗粒组成是影响土壤肥力的重要因素,其
固体组分的大小、数量及形状决定着土壤的质地与
结构,进而影响土壤养分差异[18-19] .由图 2 可以看
出,缓冲距离 3.0 km以内的土壤粉粒和黏粒含量较
3.0 km 以外含量低.另外,4 个梯度中,缓冲距离
3.0~4.5 km区域的黏粒和粉粒含量明显高于其他
缓冲区域,土壤颗粒体积百分比含量分别为 21.1%
和 59.1%.不同缓冲区的样地中土壤容重差异显著
(表 1),呈现先增后减的趋势,土壤含水量与土壤容
重相反,呈现先减后增的趋势,其中,1.5 ~ 3.0 km 缓
冲距离内土壤含水量最低(9.2%).另外,研究区土
壤除了<1.5 km的缓冲距离外,土壤含水量的变异
797312期                  赵清贺等: 黄河中下游典型河岸带土壤性质空间变异及其对环境的响应         
表 1  不同河流缓冲距离土壤容重和含水量的统计特征值
Table 1  Statistical characteristics of soil bulk density and soil moisture under different buffer distances
缓冲距离
Buffer distance
(km)
样方数
Plot
number
容 重 Bulk density (g·cm-3)
平均值
Mean
标准差
SD
变异系数
CV (%)
含水量 Soil moisture (%)
平均值
Mean
标准差
SD
变异系数
CV (%)
<1.5 13 1.29 0.08 5.7 12.25 4.60 35.6
1.5~3.0 12 1.32 0.07 6.2 9.21 5.19 54.9
3.0~4.5 12 1.30 0.12 8.8 11.00 5.97 52.3
>4.5 12 1.32 0.08 6.0 11.07 5.91 53.4
系数均大于 50 %(表 1),表明研究区在>1.5 km 缓
冲距离的区域土壤含水量的空间变异性较大.
2􀆰 2  典型河岸带土壤主要化学性质
为阐明河岸缓冲距离和人工林类型对土壤化学
性质的影响,对比分析了杨树人工林和柳树人工林
土壤化学性质差异及其横向梯度特征.
TN是河岸带土壤营养水平的重要指标,NO3
- ⁃
N和 NH4
+ ⁃N是两种可被植物直接吸收利用的有效
态氮,其含量变化显著影响着土壤氮的迁移与转化
过程,并在一定程度上对植物的群落组成、河岸带生
态系统的稳定与健康产生深刻的影响[6,17] .图 3 显
示,杨树人工林和柳树人工林 TN 水平差异不明显,
以柳树人工林的 TN 含量略高.由于土壤带负电荷,
土壤中的 NH4
+更易被土壤吸附,而 NO3
-较易流失,
因此两种人工林 NH4
+ ⁃N 含量均高于 NO3
- ⁃N 含量.
与杨树人工林相比,柳树人工林 NO3
- ⁃N 含量较高
且空间变异较大.对于不同缓冲区,缓冲距离 3.0 km
内的 NO3
- ⁃N 含量明显低于 3.0 km 以外的 NO3
- ⁃N
含量.
土壤 TP 代表了土壤磷素的总储量,是衡量磷
素营养水平高低的参考指标,主要来源于成土母质
和动植物残体归还,还与人类生产活动有关.研究区
图 2  不同缓冲距离的土壤颗粒组成
Fig.2  Composition of soil particles under different buffer dis⁃
tances.
Ⅰ: 黏粒 Clay; Ⅱ: 粉粒 Silt; Ⅲ: 砂粒 Sand.
杨树人工林中土壤 TP 和 AP 含量均高于柳树人工
林,但差异不显著(图 3),杨树人工林具有较大的空
间差异.由图 4 可以看出,不同缓冲距离的 TP 含量
差异较大,缓冲距离<3.0 km 的区域 TP 含量较低.
另外,3.0~4.5 km缓冲距离内 AP 含量最高,可能与
土壤质地有关.有研究表明,土壤有机磷含量与黏粒
含量呈显著正相关,而本研究区 3.0~4.5 km缓冲距
离的黏粒含量最高,可促使土壤吸附更多 AP [6,19] .
土壤有机碳是陆地生态系统碳库的重要组成部
分[6],也是反映土壤质量和土壤健康的一个重要指
标[17,20] .柳树人工林比杨树人工林中土壤和土壤有
机碳含量高,并且柳树人工林空间差异较大(图 3),
随缓冲距离的增加,土壤 TC 与 TOC 含量呈现先增
加后减少的趋势(图 4).1.5 km缓冲区内的土壤 TC
和 TOC含量偏低.
2􀆰 3  典型河岸带土壤物理性质与化学性质的相
关性
河岸带生态系统土壤碳、氮循环过程复杂,土壤
有机碳与氮素循环之间存在密切的耦合联系.一方
图 3  河岸带杨树人工林(a)和柳树人工林(b)的土壤化学
性质分布特征
Fig.3  Distribution of riparian soil chemical properties in Popu⁃
lus tomentosa (a) and Salix matsudana plantations (b).
TC: 全碳 Total carbon; TOC: 总有机碳 Total organic carbon; TN: 全
氮 Total nitrogen; NH4 + ⁃N: 铵态氮 Ammonium nitrogen; NO3 - ⁃N: 硝
态氮 Nitrate nitrogen; TP: 全磷 total phosphorus; AP: 有效磷 Availa⁃
ble phosphorus.下同 The same below.
8973 应  用  生  态  学  报                                      26卷
图 4  河岸带不同缓冲距离土壤化学性质的空间分异特征
Fig.4  Spatial variation in riparian soil chemical properties under different buffer distances.
面土壤氮素的增加可以促进植物的生长,促进有机
碳的积累;另一方面,有机质的分解可以促进氮素的
释放与转化[1,21-22] .从表 2 可以看出,研究区河岸带
土壤 TOC与 TN、NO3
- ⁃N含量均呈极显著正相关(P
<0. 01),与 NH4
+ ⁃N 含量呈显著正相关关系 ( P
<0􀆰 05).土壤 TN主要源自于土壤的硝化作用、反硝
化作用和氨化作用.本研究中土壤 TN 与 NO3
- ⁃N 呈
极显著正相关关系,但与NH4
+ ⁃N并未呈现显著的
表 2  河岸带土壤理化性质的相关系数
Table 2  Correlation coefficients between riparian soil physical and chemical properties (n=49)
土壤含水量
Soil
moisture
容重
Bulk
density
砂粒
Sand
粉粒
Silt
黏粒
Clay
全碳
TC
有机碳
TOC
全氮
TN
铵态氮
NH4+⁃N
硝态氮
NO3-⁃N
总磷
TP
容重 Bulk density -0.490∗∗
砂粒 Sand -0.410∗∗ 0.231
粉粒 Silt 0.310∗ -0.352∗ -0.885∗∗
黏粒 Clay 0.353∗ 0.090 -0.655∗∗ 0.226
全碳 TC 0.118 0.057 -0.499∗∗ 0.239 0.655∗∗
有机碳 TOC 0.317∗ 0.023 -0.436∗∗ 0.250 0.506∗∗ 0.663∗∗
全氮 TN 0.297∗ -0.122 -0.457∗∗ 0.309∗ 0.453∗∗ 0.723∗∗ 0.921∗∗
铵态氮 NH4+⁃N -0.088 -0.030 -0.242 0.218 0.152 0.145 0.338∗ 0.254
硝态氮 NO3-⁃N 0.148 -0.094 -0.221 0.252 0.053 0.364∗ 0.471∗∗ 0.512∗∗ 0.058
总磷 TP 0.044 -0.068 -0.096 0.140 -0.027 0.299∗ 0.490∗∗ 0.437∗∗ 0.266 0.315∗
有效磷 AP -0.012 0.097 -0.037 0.083 -0.058 0.166 0.255 0.216 0.160 0.410∗∗ 0.625∗∗
∗ P<0.05; ∗∗ P<0.01.
997312期                  赵清贺等: 黄河中下游典型河岸带土壤性质空间变异及其对环境的响应         
相关关系.有研究表明,土壤有机质含量与土壤颗粒
组成有显著相关关系[23],土壤的细颗粒物质有利于
有机质在土壤中存留,因此,黏粒含量有利于有机质
的吸附,而砂粒含量则更易于有机质的解吸[24] .本
研究印证了上述观点,其中,土壤 TN、TC、TOC 与砂
粒呈极显著负相关,与黏粒呈极显著正相关.
2􀆰 4  典型河岸带土壤性质与环境因子的关系
DCA分析结果说明,河岸带土壤化学指标的最
大梯度长度为 0. 455,因此本研究采用线性模型
RDA进行排序分析.根据 RDA 的结果(表 3),排序
轴 1、2的累积贡献率为 100%,可以较好地反映土壤
指标与环境因子的关系.
RDA排序描述了研究区河岸带土壤化学指标
与环境因子的关系(图 5).结果表明,所有的土壤化
学指标均沿着第 1 轴排列,环境因子中除了高程和
缓冲距离外,其他也均沿着第 1轴排列,且都在轴的
右侧,与第 1轴正相关,表明土壤的化学指标与草本
层盖度、乔木高度、乔木盖度、胸径都有不同程度的
表 3  河岸带土壤化学指标与环境因子的 RDA结果
Table 3  RDA analysis for the riparian soil chemical pro⁃
perties and environmental factors
排序轴
Axes
特征值
Eigenvalue
土壤⁃环境
相关系数
Soils⁃environment
correlation
coefficient
土壤数据
贡献率
Cumulative
percentage of
soil data
(%)
土壤数据与
环境变化的
累计贡献率
Cumulative
percentage of
soil⁃environment
relation (%)
1 0.21 0.497 21.0 94.7
2 0.012 0.279 22.10 100
3 0 0.340 22.1 100
4 0 0.195 22.1 100
图 5  河岸带土壤化学指标与环境因子的 RDA排序图
Fig.5  RDA biplot for the riparian soil chemical properties and
environmental factors.
DisRiver: 河岸缓冲距离 Riparian buffer distance; Elev: 海拔 Eleva⁃
tion; HerbC: 草本层盖度 Herb layer coverage; TreeH: 乔木高度 Tree
height; DBH: 胸径 Diameter at breast height; TreeC: 乔木层盖度 Tree
layer coverage.
正相关关系.乔木高度、乔木盖度与土壤 TOC 呈显
著正相关关系.植物胸径、草本盖度与土壤 TP 呈显
著正相关关系,表明河岸带 TP 受群落演替阶段的
影响显著.海拔与 NH4
+ ⁃N呈显著正相关关系.另外,
植物群落中草本层盖度和植被胸径与 NO3
- ⁃N 呈显
著正相关,乔木高度和乔木盖度与 NH4
+ ⁃N 呈显著
正相关.
3  讨    论
作为重要的水生生态系统和陆生生态系统的生
态交错带,河岸带具有时空异质性强、结构复杂和干
扰因子多等特征,而作为其功能实现的基础,河岸带
土壤受研究区地形、植被、气候及水文过程等因素的
影响,亦受人类活动直接或间接的胁迫[4] .因此,厘
清河岸带土壤理化性质及其与环境因子的相互关
系,对河岸带生态系统服务的维持尤为重要.本研究
以黄河中下游河南段为例,在分析河岸带土壤理化
性质空间变异的基础上,选取河流缓冲距离和植被
类型等因子,分析河岸带土壤理化性质的限制因子.
研究区河岸带土壤物理性质的横向梯度效应较
为明显.受黄河水位变化等因素的影响,缓冲距离
3􀆰 0 km以内的土壤粉粒和黏粒含量明显低于 3.0
km以外区域,这与 3.0 km 以内的土壤受黄河水位
变化影响较大和河水涨停的冲刷造成土壤粉粒和黏
粒流失有关.其中以 3.0~4.5 km 缓冲区域的土壤黏
粒和粉粒含量最高,表明此梯度上的土壤质地最为
黏重,通透性最差[18-19,23] .随着缓冲距离增大土壤容
重呈现先增后减的趋势,这与李扬等[25]对漓江水陆
交错带植被与土壤空间分异规律的研究结果一致.
土壤含水量呈现先减后增的趋势,可能与土壤砂粒
含量有关.有研究表明,土壤砂粒含量越高,其分形
维数越高,土壤结构越松散[18-19,23] .本研究中,1.5 ~
3.0 km 缓冲区内砂粒含量最高,致使其含水量较
低;另一方面,与 1.5 ~ 3.0 km 缓冲区内分布最广的
杨树人工林生长快、耗水性高有关[26] .
土壤 C、N、P 等养分储量和空间分异受到多种
因素的影响.研究区内不同缓冲区土壤的 TP、AP、
TC、TOC、TN、NH4
+ ⁃N 和 NO3
- ⁃N 含量差异明显,但
均不显著.随缓冲距离扩大 NO3
- ⁃N 含量增加,说明
NO3
- ⁃N较易受到河岸缓冲距离的影响.在离河岸较
近的缓冲区内,土壤含水量较高,土壤处于不同程度
的淹水或水分饱和状态,土壤孔隙中较低的空气程
度使厌氧环境加强,易促进土壤的氨化作用,而抑制
硝化作用,最终对 N 的转化和损失都会产生影
0083 应  用  生  态  学  报                                      26卷
响[27] .不同缓冲距离的土壤 TP 含量差异较大,其中
3 km以外缓冲区的含量较高,这与此区域内农业活
动的 P 输入有关.土壤 TC 与 TOC 含量随缓冲距离
的增加呈现先增加后减少的趋势.土壤水分与土壤
TOC的密切关系目前已经得到普遍证实,一方面水
分条件适宜的生境有利于植物生长,增加土壤的有
机物输入,另一方面水分通过改变微生物活性、土壤
物质循环等间接影响土壤有机碳的积累.虽然总体
上土壤 TOC 与含水量呈现正相关关系(P<0􀆰 05),
但是随缓冲距离的增加,土壤 TOC 与含水量呈现相
反趋势,说明在河岸带生态系统,土壤水分不是影响
土壤 TOC 含量的主要因素,相比于森林、草原或农
田生态系统,河岸带生态系统土壤的 C 循环过程更
为复杂[1,6,17] .另外,有研究认为,土壤 TOC 含量在
较大区域或个别尺度上的变异受气候、水文条件和
坡向等影响较大,而在小区域范围内,受植被类型的
影响更为明显[28],进一步说明不同缓冲区河岸植被
类型及其空间分布对土壤 TOC的影响.
土壤理化性质间关系密切.本研究中河岸带土
壤 TOC与 TN、NO3
- ⁃N 含量均呈极显著正相关关系
(P<0.01),这与土壤 TOC是影响反硝化速率的重要
因子[29],河岸带有机质的富集通过对地表径流的过
滤作用有效地吸收氮素并提供反硝化作用所需要的
碳源含量有关[30] .有机质在土壤中存留与土壤的细
颗粒物质组成有关.本研究中土壤 TC 和 TOC 与砂
粒呈极显著负相关,而与黏粒呈极显著正相关,表明
河岸带土壤砂粒含量越高、黏粒含量越低,越有利于
增加土壤透气性、土壤微生物的数量和活性,从而提
高土壤有机质的降解速度,降低 TOC 含量[23] .同时
也进一步印证了高砂粒含量在增加土壤透气性、提
高土壤有机质降解速度中的作用.
土壤性质受群落结构和海拔梯度的影响显著.
环境因子在研究区土壤性质的空间分异中亦扮演重
要角色.本研究 RDA 结果表明,土壤的化学指标与
草本层盖度、乔木高度、乔木盖度、胸径都有不同程
度的正相关关系.如,乔木高度、乔木盖度与土壤
TOC呈显著正相关关系,说明随着人工林群落建植
年限的增加,土壤有机质增加[31] .本研究中海拔与
NH4
+ ⁃N呈显著正相关关系,说明随着海拔增加,群
落中物种数量越来越丰富,植被覆盖度明显增加,物
种组成结构变得复杂,有机质含量逐渐增加,土壤中
NH4
+ ⁃N含量趋于增加[25,32] .另外,本研究中草本层
盖度和植被胸径与 NO3
- ⁃N 呈显著正相关,乔木高
度和乔木盖度与 NH4
+ ⁃N 呈显著正相关,表明群落
特征对土壤 N动态的影响较大,同时也表明氨化作
用、硝化作用对不同土壤 N环境有着不同的响应.这
可能与 NO3
- ⁃N较易淋失、而 NH4
+ ⁃N 易被带负电荷
的有机胶体和黏土矿物吸附而不易淋失有关.另外,
丰富的草本层对 NO3
- ⁃N的淋失也有减缓作用[33] .
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作者简介  赵清贺,男,1982 年生,博士,讲师. 主要从事景
观生态学研究. E⁃mail: zhaoqinghe@ henu.edu.cn
责任编辑  杨  弘
2083 应  用  生  态  学  报                                      26卷