全 文 ：浙江天童常绿阔叶林土壤的空间异质性
及其与地形的关系*
张摇 娜1,2 摇 王希华1,2 摇 郑泽梅1,2**摇 马遵平1,2 摇 杨庆松1,2 摇 方晓峰1,2 摇 谢玉彬1,2
( 1华东师范大学环境科学系, 上海 200062; 2浙江天童森林生态系统国家野外科学观测研究站, 浙江宁波 315114)
摘摇 要摇 运用地统计学方法,分析了浙江天童常绿阔叶林土壤 pH 值、全碳、全氮和全磷的空
间异质性及分布格局,并基于 RDA排序和偏回归方法定量评价了海拔、凹凸度和坡度等地形
因子对土壤性质的影响程度.结果表明: 常绿阔叶林土壤的 pH 值、全碳、全氮和全磷的变异
系数分别为 5. 18% 、42. 98% 、36. 55%和 46. 27% ;土壤性质的空间自相关范围为 81. 6 ~
54郾 5 m,pH值、全碳和全氮呈中等程度的空间自相关,而全磷存在强烈的空间自相关;pH 值、
全碳和全氮均呈零星斑块状空间分布,全磷则呈条带状分布;地形因子中,pH 值和全磷受凹
凸度的影响最大,为负相关,凹凸度能单独解释 pH值和全磷空间变异的 21. 24%和 14. 62% ;
全碳和全氮受海拔影响最大,呈正相关,海拔能单独解释全碳和全氮空间变异的 10. 54%和
10. 60% .不同地形因子对土壤性质各指标空间变异的影响程度存在差异,与本地区酸性降雨
分配及局地土壤水分含量和气温受地形的影响有关.
关键词摇 土壤性质摇 空间变异摇 地形摇 常绿阔叶林摇 排序
*国家自然科学基金青年科学基金项目(31000231)和高等学校博士学科点专项科研基金(新教师类)项目(20100076120025)资助.
**通讯作者. E鄄mail: zmzheng@ des. ecnu. edu. cn
2012鄄01鄄05 收稿,2012鄄06鄄21 接受.
文章编号摇 1001-9332(2012)09-2361-09摇 中图分类号摇 S153. 6摇 文献标识码摇 A
Spatial heterogeneity of soil properties and its relationships with terrain factors in broad鄄
leaved forest in Tiantong of Zhejiang Province, East China. ZHANG Na1,2, WANG Xi鄄hua1,2,
ZHENG Ze鄄mei1,2, MA Zun鄄ping1,2, YANG Qing鄄song1,2, FANG Xiao鄄feng1,2, XIE Yu鄄bin1,2
( 1Department of Environmental Science, East China Normal University, Shanghai 200062, China;
2Tiantong National Station of Forest Ecosystem, Chinese National Ecosystem Observation and
Research Network, Ningbo 315114, Zhejiang, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(9): 2361-
2369.
Abstract: By using geostatistical methods, this paper studied the spatial heterogeneity and distribu鄄
tion patterns of soil pH, total carbon, total nitrogen, and total phosphorus in an evergreen broad鄄
leaved forest in Tiantong of Zhejiang Province, and the effects of terrain factors (elevation, convexi鄄
ty, and slope) on the soil properties were quantified based on RDA ordination and partial regression
analysis. The coefficient of variation for the soil pH, total carbon, total nitrogen, and total phos鄄
phorus was 5. 18% , 42. 98% , 36. 55% , and 46. 27% , respectively, and the spatial dependence
of the soil properties was at a scale of 81. 6-54. 5 m. The soil pH, total carbon, and total nitrogen
had moderate spatial autocorrelation, while the soil total phosphorus had a strong spatial autocorrela鄄
tion. The soil pH, total carbon, and total nitrogen showed scattered spatial distribution, while the
soil total phosphorus presented banded type. Among the terrain factors, convexity had the strongest
effects on the soil pH and total phosphorus, both of which had negative correlation with convexity,
and the convexity could explain 21. 24% and 14. 62% of the spatial variability of soil pH and total
phosphorus, respectively. Elevation had the most powerful effects on the soil total carbon and total
nitrogen, both of which had positive correlation with elevation, and the elevation could explain
10郾 54% and 10郾 60% of the spatial variability of soil total carbon and total nitrogen, respectively.
There existed differences in the effects of different terrain factors on the spatial variability of the soil
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 9 月摇 第 23 卷摇 第 9 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2012,23(9): 2361-2369
properties, which was related to the effects of terrain factors on the distribution of acidic rainfall in
the region and on the local soil moisture content and air temperature.
Key words: soil property; spatial heterogeneity; terrain factor; evergreen broadleaved forest; ordi鄄
nation.
摇 摇 土壤 pH 值、养分含量等普遍存在空间异质
性[1-2],影响着植物个体或种群在群落中的分布及
植被的空间分布特征[3] .了解土壤性质的空间变异
规律及影响因素,可为揭示土壤与植被间的相互关
系、生物多样性维持和共存机制奠定基础.常绿阔叶
林是我国亚热带地区生物多样性最丰富、生产力最
高的地带性植被类型之一,对保护环境、维持区域碳
平衡和人类持续发展具有极其重要的作用[4] . 因
此,对该类森林土壤性质的研究也一直受到重
视[5-6] .研究常绿阔叶林土壤性质的空间异质性及
其影响因素,对于深入分析常绿阔叶林植被分布格
局与土壤的关系,以及常绿阔叶林的保护具有重要
的科学和指导意义.
有研究表明,海拔、凹凸度、坡度等地形因子对
中小尺度土壤性质的空间变异存在明显的影
响[1, 6-7] .然而,现有的研究多侧重于分析土壤性质
的空间变异特征及定性地分析和解释地形因子对土
壤性质空间变异的影响机制[1,7-8],而综合多个地形
因子并定量评价各地形因子对土壤性质空间变异的
影响程度的研究则较少[6,9],限制了土壤与植被关
系研究的深度.数量生态学中 RDA排序和偏回归分
析以线性模型为基础,能定量评价某一特定地形因
子对土壤性质空间变异的影响程度,并以可视化排
序图直观地表达土壤性质与地形因子之间的关系.
国内诸多对土壤空间性的研究选取的采样面积
相对较小.由于不同尺度下土壤性质的变异系数、空
间自相关范围等会有较大差异[1,9],因此,过小的采
样面积不能完全表达其空间变异特征. 位于浙江省
宁波市天童国家森林公园的 20 hm2常绿阔叶林长
期动态监测样地具有较好的区域代表性,样地内植
物组成丰富、地形复杂[10],是开展常绿阔叶林土壤
性质空间变异及与地形关系研究的理想场所. 本研
究以该样地为试验平台,通过野外采样和土壤性质
测定,探讨了该样地土壤性质的空间变异性和分布
格局,并基于 RDA排序和偏回归方法定量评价了地
形因子对土壤性质的影响程度,旨在为深入分析植
被分布与土壤、地形的关系提供参考.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 样地概况
浙江天童 20 hm2常绿阔叶林动态监测样地位
于天童国家森林公园的核心保护区(29毅48. 696忆—
29毅48. 938忆 N,121毅46. 953忆—121毅47. 278忆 E),平均
海拔 447. 25 m. 样地东西长 500 m、南北宽 400 m
(图 1a),总体上北高南低,以东南坡向为主;样地内
包含两条较大的山脊,南北向纵贯样地,地形复
杂[10] .
样地所处区域属中亚热带季风气候,降水充沛,
水热同步,年均气温 16. 2 益,年均降雨量 1374. 7
mm,年均蒸发量 1320. 1 mm[11] .样地内土壤类型为
黄红壤,土层厚薄不一,坡面土壤质地较好,以中壤
至重壤为主,腐殖质层较厚.样地内常绿阔叶林物种
组成丰富,胸径逸1 cm的木本植物 152 种 94603 株,
群落成熟稳定,更新良好[10] .
图 1摇 天童 20 hm2常绿阔叶林监测样地的海拔(a)、土壤采样点(b)及地形(c)分布
Fig. 1摇 Topographic map (a), soil sampling points (b) and terrain classification (c) of the 20 hm2 Tiantong evergreen broadleaved
forest dynamic plot.
1)受干扰生境 Disturbed habitat; 2)低海拔沟谷 Low valley; 3)高海拔沟谷High valley; 4)低海拔山脊 Low ridge; 5)高海拔山脊High ridge; 6)低
海拔坡面 Low slope; 7)高海拔坡面 High slope.
2632 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
1郾 2摇 土壤采样及分析
2011 年 3 月,参照 CTFS 的土壤采样方案[3]进
行土壤采样:1)将样地划分为 500 个 20 m伊20 m 的
样方,以每个样方西南角交叉点作为采样基点,从每
个基点的正东、正西、正南、正北、东南、西南、西北、
东北 8 个方向中随机选取一个方向进行延伸采样,
在选定的方向上距离基点 2 m、5 m和 8 m处随机选
择两处作为采样点.共计 1310 个采样点,采样深度
为 0 ~ 10 cm(图 1b).
采样时,清除采样点表层枯落物和腐殖质层,在
该点周围 50 cm范围内用直径 10 cm 的土钻钻取 3
个土样,以 3 个土样的混合样作为该样点的样本.土
样带回实验室,去除小石块及细根等杂质,风干、研
磨,分别过 10 目、60 目筛后,待测.
本研究中的土壤性质指标包括 pH 值、全碳、全
氮和全磷含量. 土壤 pH 值的测定方法参照中华人
民共和国林业行业标准 LY / T 1239—1999《森林土
壤 pH值的测定》 [12] .使用元素分析仪(vario MICRO
cube,Elementar,德国)测定土壤全碳、全氮含量,使
用流动注射分析仪(SAN++,Skalar,荷兰)测定土壤
全磷含量.
1郾 3摇 地形类型的划分
为了定量比较不同地形类型下土壤性质的差
异,选取海拔、凹凸度和坡度 3 个地形参数. 样方的
海拔为样方 4 个顶点海拔的平均值;凹凸度为样方
的海拔减去该样方相邻的 8 个样方海拔的平均值,
处于样地边缘的样方的凹凸度为样方中心的海拔减
去 4 个顶点海拔的平均值,若凹凸度为正值,说明该
样方海拔比周围样方海拔高,反之则低;从样方 4 个
顶点取 3 个顶点组成一个平面,4 个顶点可以组合
成 4 个不同的平面,这 4 个平面与样方投影面夹角
的平均值为该样方的坡度[13-14] . 将研究样地的 500
个样方划分为 7 类地形(图 1c),其中样地东北角海
拔较高处靠近山脊线,样区乔木曾遭砍伐,大部分样
方林下箬竹密布,因此东北角的 41 个的样方划为
“受干扰生境冶;其余 459 个的样方划分为沟谷(凹
凸度<-2)、山脊(凹凸度逸2)和坡面( -2臆凹凸度
<2)3 类地形,在此基础上对照样方环境记录作进一
步修正.因为沟谷边坡通常较陡、坡度大,山脊(面)
一般比较平缓、坡度小,因此位于沟谷边界的样方若
坡度>45毅则划入沟谷地形,将山脊边界的样方中坡
度>45毅的划入坡面地形;再利用多元回归树(multi鄄
variate regression tree, MRT)作为地形生境划分的辅
助方法[15],对物种组成和环境参数进行多元回归,
其计算结果是把所有 500 个样方以海拔 450 m为界
分为高海拔地形和低海拔地形;最后得到受干扰生
境、低海拔沟谷、高海拔沟谷、低海拔山脊、高海拔山
脊、低海拔坡面及高海拔坡面 7 类地形,其所占的样
方数分别为 41、74、50、42、45、156 和 92 个,分别占
样地总面积的 8. 2% 、14. 8% 、10% 、8. 4% 、9% 、
31郾 2%和 18郾 4% .
1郾 4摇 数据处理
1郾 4郾 1 经典统计学分析摇 对土壤性质数据进行分析
前,首先对 1310 组数据进行了质量控制,剔除了采
样层碎石较多的采样点数据(共排除 18 组),并根
据土壤性质的数值分布确定了极端值上限和下
限[16] .其中极端值上限为(P75-P25) 伊1. 5+P75,极端
值下限为 P25-(P75 -P25) 伊1. 5(P75、P25分别为第 75
和 25 个百分位数),排除了超过极端值上限和下限
范围的数据(共排除 34 组),最后用于分析的有效
数据为 1258 组.
对土壤性质的经典统计学分析包括:各指标的
最大值、最小值、平均值、标准差、变异系数及数据的
K鄄S正态分布检验.上述分析均在 R2郾 7郾 2(R Devel鄄
opment Core Team,2008)软件中完成.
1郾 4郾 2 地统计学分析摇 采用半方差函数分析土壤性
质各项指标的空间异质性特征[17-19] .通过半方差函
数得到半方差函数值随样本滞后距增加而变化的散
点图,对散点图采用球状模型、指数模型和线性模型
等理论模型进行拟合,根据决定系数(R2)判断散点
图最适合的理论模型. 模型拟合能获取 3 个用于评
价土壤性质空间变异程度的重要参数:块金值
(C0)、基台值(C0 +C)和变程(A0) [19] .其中,变程表
示空间变异的尺度,在变程内,变量具有空间自相关
性,反之则不存在空间相关性;块金值和基台值受自
身因素和测量单位的影响较大,不能用于比较不同
变量间的随机变异,但块金值与基台值之比[C0 /
(C0+C)]为结构比,体现了变量的空间依赖性,是衡
量区域化随机变量空间变异程度的重要指标[17-19] .
一般认为,结构比<0. 25 时,变量具有强烈的空间自
相关;结构比在 0. 25 ~ 0. 75 之间,变量具有中等程
度的空间自相关;结构比>0. 75 时,空间自相关性很
弱[18] .
为获取土壤性质各指标的空间分布特征,根据
上述的最适合模型类型、块金值、基台值及变程,结
合土壤采样点位置,采用 Kriging插值法分别对样地
的土壤 pH 值、全碳、全氮和全磷含量进行空间插
值,设定插值结果的空间分辨率为 20 m伊20 m,并采
36329 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张摇 娜等: 浙江天童常绿阔叶林土壤的空间异质性及其与地形的关系摇 摇 摇 摇 摇 摇
用交叉验证法评价了插值结果的均方根误差( root
mean square error, RMSE) [20]:
RMSE = 移
n
i
(So i - Se i) 2 / n (1)
式中:n为用于插值的采样点个数;So i和 Se i分别表
示第 i个采样点位置上的实际土壤性质值和预测的
土壤性质值.
半方差函数拟合采用 GS+ V5. 3. 2(Gamma De鄄
sign Software, 2002) 软件,空间插值和交叉验证使
用 ArcGIS 9. 3 软件.
1郾 4郾 3 RDA排序、偏 RDA分析及偏回归分析摇 采用
RDA排序方法直观地描述地形因子对土壤性质的
影响.使用 RDA排序时需要地形因子矩阵和土壤性
质矩阵.地形因子包括海拔、凹凸度和坡度;土壤性
质矩阵包括土壤 pH 值、全碳、全氮和全磷. 矩阵中
的各列数据为每个 20 m伊20 m 样方的地形因子和
土壤性质的平均值,后者采用了 Kriging 空间插值
结果.
RDA排序图中,每个地形因子的箭头长度表征
地形因子对土壤性质的解释量的相对大小. 各地形
因子和土壤性质指标箭头之间的夹角表征地形因子
和土壤性质的相关性大小. 当夹角角度为 0毅 ~ 90毅
时,两个变量之间呈正相关关系;当夹角角度为
90毅 ~ 180毅时,二者之间呈负相关关系;当夹角角度
为 90毅时,表示二者没有显著的相关关系[21] .
采用偏 RDA分析或偏回归分析方法定量评价
地形因子对土壤性质的总解释比例和单独的解释比
例(图 2).其中,[ a]为排除凹凸度和坡度影响后,
海拔能单独解释该土壤性质指标空间变异的比例;
[ b]为排除海拔和坡度影响后,凹凸度能单独解释
图 2摇 地形因子对土壤性质(pH值、全碳、全氮和全磷)的解
释比例
Fig. 2 摇 Variation partition of soil properties ( pH value, total
carbon, total nitrogen, total phosphorus) against the terrain fac鄄
tors.
该土壤性质指标空间变异的比例;[ c]为排除海拔
和凹凸度的影响后,坡度能单独解释该土壤性质指
标空间变异的比例;[d]为同时被海拔和凹凸度解
释但不能被坡度解释的比例;[e]为同时被海拔和
坡度解释但不能被凹凸度解释的比例;[f]为同时被
坡度和凹凸度解释但不能被海拔解释的比例;[ g]
为同时被海拔、凹凸度和坡度解释的比例.若因变量
为 4 个土壤性质指标,为偏 RDA分析;为单个指标,
则为偏回归分析.
摇 摇 本研究首先采用多元线性回归计算了[a]+[b]
+[c]+[d]+[e] +[ f] +[ g]、[ a] +[d] +[ e] +[ g]、
[b]+[d]+[f]+[g]和[c]+[e]+[f]+[g],然后采用
偏线性回归方法计算了[a]、[b]和[c],最后得到了
[d] ~ [g]各分量的大小;如得到的分量数值小于
零,则直接归零.
最后用LSD单因素方差分析检验不同地形类型下
各土壤性质的差异(琢=0郾 05). RDA排序、偏回归分析
和单因素方差分析采用 Vegan程序包[22]在 R2郾 7郾 2(R
Development Core Team, 2008)软件中完成.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 天童常绿阔叶林土壤性质的描述性统计
由表 1 可以看出,研究样地土壤 pH 平均值
4郾 15(3郾 48 ~ 4郾 15),为弱酸性土壤,土壤 pH 值的变
异系数为 5. 18% ,其变异程度较弱;其余 3 个土壤
性质指标的变化范围较大,全碳、全氮和全磷最大值
与最小值之间相差倍数分别达到 12. 57、10. 57 和
15. 20 倍,各指标表现为中等强度变异;全磷含量的
平均值为 0. 26 g·kg-1,变异系数为各指标中最高.
K鄄S 检验结果表明,本研究样地土壤性质各指标均
符合正态分布.
2郾 2摇 天童常绿阔叶林土壤性质的空间异质性
基于半方差函数的分析表明,本样地的 4 个土
壤性质指标的空间变异特征均最适合用指数模型来
描述,模型拟合度高,决定系数为 0. 927 ~ 0. 976(表
2,图 3). pH值、全碳和全氮的结构比值均在 0. 25 ~
0. 75 之间,说明这 3 个土壤性质指标呈中等程度的
空间相关;全磷的结构比<0. 25,该指标的空间分布
在研究尺度上存在强烈的空间自相关. 半方差函数
模型的模拟结果显示,本研究样地土壤 pH 值、全
碳、全氮和全磷分别在 101. 1、81. 6、81. 6 和 154. 5
m范围内具有空间自相关性.
2郾 3摇 天童常绿阔叶林土壤性质的空间分布格局
基于Kriging插值法得到天童常绿阔叶林动态
4632 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
表 1摇 土壤 pH值、全碳、全氮和全磷的描述性统计特征
Table 1摇 Descriptive statistics characteristics of the soil pH value, total carbon, total nitrogen, total phosphorus (n=1258)
土壤性质
Soil property
平均值
Mean
最小值
Minimum
最大值
Maximum
标准差
Standard
derivation
变异系数
Variance coefficient
(% )
P
pH 4. 15 3. 48 5. 26 0. 22 5. 18 0. 001
全碳 Total C (g·kg-1) 44. 87 11. 81 148. 51 19. 29 42. 98 <0. 001
全氮 Total N (g·kg-1) 3. 21 0. 95 10. 04 1. 17 36. 55 <0. 001
全磷 Total P (g·kg-1) 0. 26 0. 05 0. 76 0. 12 46. 27 <0. 001
表 2摇 土壤性质的半方差函数的模型类型及参数
Table 2摇 Semivariogram theoretical models and parameters for the soil properties
土壤性质
Soil property
最适模型
Model type
块金值
Nugget
(C0)
基台值
Sill
(C+C0)
结构比
(C0 / C+C0)
变程
Range
(A0)
R2 RSME
pH 指数模型 Exponential model 0. 0165 0. 0498 0. 331 101. 1 0. 957 0. 1699
全碳 Total C (g·kg-1) 指数模型 Exponential model 127. 3 334. 3 0. 380 81. 6 0. 927 14. 61
全氮 Total N (g·kg-1) 指数模型 Exponential model 0. 47 1. 288 0. 364 81. 6 0. 938 0. 9012
全磷 Total P (g·kg-1) 指数模型 Exponential model 0. 00153 0. 01716 0. 105 154. 5 0. 976 0. 0610
图 3摇 土壤性质半方差函数的指数模型拟合
Fig. 3 摇 Exponential models of semivariograms of soil prosperi鄄
ties.
pH: pH值 pH value; TC:全碳 Total carbon; TN:全氮 Total nitrogen;
TP:全磷 Total phosphorus.
监测样地土壤性质各指标的空间分布格局(图 4).
本研究样地土壤 pH 值呈现零星斑块状分布,低值
多出现于样地山脊线样方;土壤全碳和全氮也都呈
斑块性分布,且二者的空间分布格局极为相似,说明
二者的空间关联性较好,高值多出现在海拔较高的
样方(位于样地西北角);土壤全磷的空间分布较其
他指标连续,呈条带状分布,高值出现在位于样地中
心的沟谷样方,样地东南角山脊样方的土壤全磷值
较低.
2郾 4摇 地形与天童常绿阔叶林土壤性质空间变异的
关系
2郾 4郾 1 地形对土壤性质空间变异的影响 摇 在 RDA
约束排序图中,凹凸度对土壤性质的空间变异影响
最大,其次为海拔,坡度的影响最小(图 5);偏 RDA
分析表明,凹凸度、海拔和坡度能单独解释土壤性质
空间变异的 10. 53% 、7. 47%和 1. 62% ,地形因子对
土壤性质的总解释量为 21. 21% (表 3).
地形因子对土壤 pH值、全碳、全氮和全磷空间
变异的总解释量分别为 36. 52% 、15. 13% 、14. 44%
和 18. 73% (表 3).土壤 pH值与代表凹凸度的箭头
连线之间的夹角最小,但>90毅,说明相对其他地形
因子,凹凸度对土壤 pH值空间变异的影响最大,且
二者呈负相关关系.偏回归分析表明,凹凸度能单独
解释土壤 pH值空间变异的 21. 24% ;相对凹凸度和
坡度、全碳和全氮都与代表海拔的箭头连线之间的
夹角较小,且夹角<90毅,说明全碳和全氮的空间变
异主要受海拔的影响,并且这两个土壤性质指标都
与海拔呈正相关,海拔能单独解释全碳和全氮空间
56329 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张摇 娜等: 浙江天童常绿阔叶林土壤的空间异质性及其与地形的关系摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 4摇 天童常绿阔叶林土壤性质的空间分布格局
Fig. 4摇 Spatial distribution of soil properties of 20 hm2 Tiantong dynamic plot.
图中曲线为样地等高线 The curves stood for elevation contours in plot.
变异的 10. 54%和 10. 60% ;相对海拔和坡度,凹凸
度对土壤全磷空间变异的影响最大,且二者呈负相
关关系,凹凸度能单独解释土壤全磷空间变异的
14. 62% ;此外,全碳与凹凸度之间、全氮与坡度之间
及全磷与海拔之间的夹角都趋于 90毅,说明凹凸度
对全碳、坡度对全氮及海拔对全磷空间变异的影响
较小(图 5).
2郾 4郾 2 不同类型地形下土壤性质的差异摇 由表 4 可
以看出,同为低海拔或高海拔地形,土壤 pH 的平均
值从小到大依次为山脊、坡面和沟谷.这与pH值同
表 3摇 地形因子(海拔、凹凸度和坡度)对土壤性质空间变异的解释比例
Table 3摇 Variation partition of soil properties against the terrain factors (elevation, convexity and slope)
自变量
Variables
[a] [b] [c] [d] [e] [f] [g] [a]+[b]+[c]+
[d]+[e]+[f]+[g]
土壤性质 Soil properties 0. 0747 0. 1053 0. 0162 0. 0046 0. 0045 0. 0040 0. 0028 0. 2121
pH值 0. 0665 0. 2124 0. 0119 0. 0516 0. 0086 0. 0066 0. 0076 0. 3652
全碳 Total C 0. 1054 0. 0003 0. 0226 0. 0053 0. 0149 0. 0004 0. 0023 0. 1513
全氮 Total N 0. 1060 0. 0622 0. 0002 0. 0000 0. 0005 0. 0007 0. 0000 0. 1444
全磷 Total P 0. 0208 0. 1462 0. 0302 0. 0000 0. 0000 0. 0083 0. 0021 0. 1873
表 4摇 不同生境下土壤性质的变化范围
Table 4摇 Variation ranges of soil properties among different terrain types (mean依SD)
地形类型
Terrain type
样方数
Subplot number
pH值 全碳 Total C
(g·kg-1)
全氮 Total N
(g·kg-1)
全磷 Total P
(g·kg-1)
受干扰生境 Disturbed habitat 41 4. 13依0. 08cd 39. 13依7. 02b 3. 33依0. 59bc 0. 35依0. 05a
低海拔沟谷 Low valley 74 4. 26依0. 17a 42. 69依9. 80b 3. 40依0. 71b 0. 32依0. 09ab
高海拔沟谷 High valley 50 4. 17依0. 08bc 51. 43依14. 13a 3. 71依0. 86a 0. 30依0. 08b
低海拔山脊 Low ridge 42 4. 07依0. 13e 41. 81依10. 64b 2. 69依0. 54e 0. 17依0. 06e
高海拔山脊 High ridge 45 4. 00依0. 11f 49. 18依11. 75a 3. 08依0. 52cd 0. 22依0. 07d
低海拔坡面 Low slope 156 4. 18依0. 14b 41. 43依11. 08b 2. 99依0. 71d 0. 25依0. 11c
高海拔坡面 High slope 92 4. 11依0. 13de 49. 66依14. 16a 3. 36依0. 75b 0. 26依0. 07c
同列不同字母表示各地形类型间差异显著 Different letters in the same row denoted significant difference between terrain types at 0. 05 level.
6632 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
图 5摇 土壤性质与地形因子的 RDA排序图
Fig. 5摇 Ordination diagram of the first two axes of the resource
description and access (RDA) analysis of the soil properties and
terrain factors.
凹凸度呈负相关关系相一致(图 5). 海拔是影响全
碳和全氮空间变异的主导地形因子,同为沟谷、坡面
或者山脊地形,高海拔样方的全碳和全氮平均值要
明显大于低海拔样方,高海拔沟谷的土壤全碳和全
氮含量最高;土壤全磷的空间变异受凹凸度影响较
大,且与之呈负相关关系,不同类型地形下土壤全磷
平均值的比较也发现,同海拔范围内,沟谷的全磷含
量要明显高于坡面和山脊.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 土壤性质的空间变异
不论从区域尺度还是中小尺度,都普遍存在土
壤性质的空间变异[6-7] .本研究结果也表明,天童 20
hm2常绿阔叶林动态监测样地土壤性质各指标都存
在空间变异,而 pH值的变异系数要明显低于全碳、
全氮和全磷(表 1),可能是土壤中的氢离子多来自
于土壤中的腐殖质或有机质、硅铝酸盐粘粒及可溶
性盐类等,而上述物质含量与成土母质密切相关.本
研究区域的成土母质均一,所以土壤 pH 值的变异
系数较小;而土壤全碳、全氮和全磷含量明显受到地
上植被类型和凋落物养分归还量的影响[23],尽管本
研究样地群落多为地带性常绿阔叶物种,但在沟谷
等不稳定性微地形上及林窗内分布有较多的落叶植
物[10],所以植被类型分布的不均匀应是土壤养分含
量的空间变异较大的因素之一. 本研究样地的土壤
全磷含量平均值(0. 26 g·kg-1)略高于浙江古田山
地的土壤全磷含量(0. 14 g·kg-1) [24],但低于中国
亚热 带 地 区 土 壤 全 磷 含 量 的 平 均 值 ( 0郾 39
g·kg-1) [25] .前人研究表明,我国热带和亚热带地
区的土壤磷素相对缺乏[24],这意味着土壤磷含量已
成为本研究区域植被生长的限制因子[5,26] .此外,其
具有较大的空间变异性(表 1),可能会对地上植被
的组成及相关的生理生态过程产生深远的影响[24] .
本研究样地土壤性质各项指标的结构比存在差
异,全磷的空间自相关程度和空间自相关范围要明
显大于其他土壤性质指标(表 2),说明土壤全磷的
空间变异主要受地形、土壤母质、气候等自然因素
(结构性变异)的影响,而其他指标的空间变异则是
结构性因素和随机性因素共同作用的结果[1,6] . 因
此,土壤全磷也表现出更为连续的空间分布特征,明
显区别于 pH 值、全碳和全磷的空间分布格局(图
4).由于土壤性质存在空间自相关性,过小的采样
面积会掩盖部分地形引起的变异特征,不能完全表
达整个研究区域的空间变异. 本研究中虽然各指标
的空间自相关范围存在差异,但均在最大采样距离
内(640. 3 m),说明尽管各土壤性质存在一定的空
间自相关(变程在 81. 6 ~ 154. 5 m),但是都表现在
取样距离的范围内[19,27],因此,本研究所选择的采
样距离和面积是能够反映土壤性质在小尺度的空间
变异特征.
3郾 2摇 土壤性质空间异质性的影响因素
对于地形复杂地区而言,土壤空间异质性明显
受到地形因子的影响[7] .本研究发现地形因子对天
童 20 hm2 常绿阔叶林动态监测样地土壤性质的总
解释量达到 21. 21% (表 3),土壤性质指标在一定
范围内的空间自相关性,都说明地形因子是影响本
样地土壤性质空间变异的重要因素. 这与喀斯特森
林土壤空间变异影响因素的研究结果相一致[7,28],
与地形因子所包含的海拔、凹凸度及坡度等因素调
控着太阳辐射、降水的空间再分配、土壤厚度及局地
小气候等有关[28-29] .
不同地形因子对土壤性质各指标的空间变异影
响程度存在差异(图 5,表 3),暗示了不同地形因子
的影响机制的差异. 本研究样地 pH 值受凹凸度的
影响较大,且同一海拔梯度山脊和坡面的 pH 值要
明显大于沟谷(图 4,表 4),可能是地区酸性降雨严
重[30],沟谷凋落物覆盖较厚起到缓冲作用,而山脊
和坡面更容易受到酸性雨水的直接冲刷,即受冲刷
后土壤中碱性元素钙、镁等的淋溶增加,土壤中的氢
离子浓度增高.海拔对土壤全碳和全氮含量空间变
异的影响高于其他地形因子(表 3),而土壤全碳则
与海拔呈正相关(图 5),高海拔沟谷样方的土壤全
碳含量最高(表 4),可能是高海拔沟谷样方土壤易
积水,形成厌氧环境,且平均气温略低于低海拔地
区,土壤有机碳分解速率减慢,有利于土壤有机质的
76329 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张摇 娜等: 浙江天童常绿阔叶林土壤的空间异质性及其与地形的关系摇 摇 摇 摇 摇 摇
积累[31] .有研究表明,土壤碳含量与凹凸度存在相
关关系[24],但本研究中未发现二者有显著的关联
(图 5).沟谷样方的土壤全磷含量要明显高于坡面
和山脊(表 4),这与 pH 和凹凸度的关系是相同的,
与土壤中磷元素的分布和可利用性首先取决于土壤
pH值有关[24] .
土壤性质的空间异质性往往是地形、气候、土壤
母质、植被、外界干扰及其他随机性因素共同作用的
结果[6,31-32] .本研究发现,虽然地形因子可在一定程
度上解释土壤性质的空间变异(图 5,表 3、4),但还
有一部分空间变异未被解释,说明还有其他因素影
响土壤性质各指标的空间变异,如地上植被类型、林
窗以及空间因子等均会不同程度的影响土壤性
质[32-34],有待进一步研究.
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作者简介摇 张摇 娜,女,1985 年生,硕士研究生.主要从事植
被生态学研究. E鄄mail: angell0634@ 163. com
责任编辑摇 李凤琴
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