全 文 ：Vol. 35 No. 7
July. 2015
第 35卷 第 7期
2015年 7月
中 南 林 业 科 技 大 学 学 报
Journal of Central South University of Forestry & Technology
收稿日期：2015-01-31
基金项目：国家林业公益性行业专项项目（201304317）；国家自然科学基金项目（31170426）
作者简介：梁 贵，硕士研究生 通讯作者：项文化，教授，博士；E-mail：xiangwh2005@163.com
引文格式：梁 贵，项文化，赵仲辉 ,等 . 湘中丘陵区石栎 -青冈栎常绿阔叶林土壤钾含量空间异质性及其影响因子研究 [J]. 中南林业
科技大学学报，2015, 35(7): 88-93.
Doi:10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.07.016 http: //qks.csuft.edu.cn
湘中丘陵区石栎-青冈栎常绿阔叶林土壤钾含
量空间异质性及其影响因子研究
梁 贵 1，项文化 1，2，赵仲辉 1，2，樊刚惟 1，杨 丹 1
（1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004；2. 湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观
测研究站，湖南 会同 438107)
摘 要：钾 (K)是植物生长的必需元素之一，土壤中 K含量主要受多种因素的影响。由于森林经营活动和树种
组成不同，森林土壤中 K含量差异性较大，表现一定的空间异质性。本研究在 1hm2石栎 -青冈栎常绿阔叶林样
地内的 10 m× 10 m小样地中心位置，分采集 0～ 10、10～ 20和 20～ 30cm层的土壤样品，测定土壤中 K元
素含量，用地统计学理论分析土壤 K含量空间变异特征，研究土壤 K含量与土壤其它养分元素 (有机 C、N、P)、
地形因子 (海拔、凸凹度和坡度 )和凋落物量之间的关系。结果表明：0～ 30 cm土壤 K含量平均值为 28.04 g/kg，
为中等变异强度，具有明显的空间异质性。除 20～ 30cm土层中 K含量符合线性模型外，0～ 10\10～ 20土层
和 0～ 30 cm土层 K含量符合球状模型分布，各土层土壤 K含量具有较强的空间自相关性。0～ 10、10～ 20、
20～ 30 cm和 0～ 30 cm土层中 K含量的空间自相关变程范围分别为 37.51、25.38、39.78和 28.92 m，土壤 K
含量有较小的空间异质性尺度。各土层 K含量随地形的变化趋势较为明显，表现为斑块状空间分布，低值出现
在中下部的山脊，高值出现在上部山脊和西南角的部分沟谷。土壤 K含量与海拔高度、土壤粘粒含量呈显著的
正相关，K含量的空间异质性主要受成土母质和地形等结构因素影响。
关键词：地统计学；土壤钾含量；空间异质性；亚热带阔叶林；湘中丘陵区；地形因子；凋落物量
中图分类号：S792.18 文献标志码：A 文章编号：1673-923X(2015)07-0088-06
Spatial heterogeneity of soil potassium (K) concentration and its affecting
factors in a Lithocarpus glaber-Cyclobalanopsis glauca evergreen
broadleaved forest in central hilly area of Hunan Province, China
LIANG Gui1, XIANG Wen-hua1,2, ZHAO Zhong-hui1,2, FAN Gang-wei1, YANG Dan1
(1. Faculty of Life Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China; 2. Huitong
National Field Station for Scientifi c Observation and Research of Chinese Fir Plantation Ecosystem, Huitong 438107, China)
Abstract: Potassium (K) is one of the essential nutrient elements that support plant growth. Soil K concentration could be strongly
influenced by many factors in forest ecosystems. Thus, forest soil K concentration showed spatial heterogeneity due to different
historical management and tree species composition. In this study, soil samples at 0～ 10 , 10～ 20 and 20～ 30 cm depth were collect
at center in 10 m × 10 m subplot in a Lithocarpus glaber-Cyclobalanopsis glauca evergreen broadleaved forest. Based on geostatistics
theory and spatial analysis functions, spatial heterogeneity of soil K concentration in the forest was investigated by using semivariogram
of geostatistics. The results showed that the average K concentration of soils at 0 ～ 30 cm depth was 28.04g.kg-1 and coeffi cient
variability was at the intermediate range with an obviously spatial heterogeneity. While linear variogram function was best fi tted to soil
K concentration at 20～30cm depth, spherical variogram model was best fi tted to soil K concentration at 0～10, 10～20 and 0～30cm
depths, indicating a strong spatial dependency. The spatial correlation distances (range) of K concentrations were 37.51m for soil of 0～10
depth, 25.38m for soil of 10～ 20cm depth, 39.78m for soil of 20～ 30cm depth, and for soil of 0～ 30 cm depth. Soil K concentrations
across all layer exhibited a clear patch distribution pattern, with the lowest values at the middle and lower ridge, and the highest values
at upper and southwestern corner. Soil K concentration was signifi cantly correlated with altitude and soil clay content, implying that soil
spatial heterogeneity could be attributed to pattern material and topographical factors.
Key words: geostatistics; soil potassium concentration; spatial heterogeneity; subtropical evergreen broadleaved forest; hilly area of
central Hunan; topographical factor; litter biomass
89第 35卷 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报
钾 (K)是植物生长必需的营养元素之一，植物
吸收 K的数量大于除氮 (N)外的其它养分元素 [1]，
K对森林生态系统生产力和营养维持具有十分重
要的作用 [2]。K元素主要以矿物态的形式存在于土
壤中，土壤中 K元素含量及其有效性影响植物生
理活动 (如韧皮部养分运输、物质细胞渗透平衡和
光合作用 )、根系分泌物的碳转换、植物间竞争和
林木健康 [2]。在森林生态系统中，土壤 K含量与
母岩和发育时间有关，同时也受生物循环过程的
控制。森林植被与土壤之间相互作用，森林类型、
森林动态变化和经营活动导致土壤K含量的变化，
土壤 K含量差异反过来影响森林更新过程和植物
分布的空间格局。因此，森林生态系统中土壤 K
含量表现出较大的空间异质性。
土壤养分的空间异质性是指土壤养分空间分
布的不均匀性和复杂性，呈现缀块性、自相关性
和环境梯度变化 [3-5]。研究土壤养分的空间异质性
是探讨土壤养分与环境因子关系的有效方法，有
助于了解土壤形成过程、结构和功能 [6]，也可用
来外推预测没有采样点的土壤特征和进行空间插
值 [6]。国内外对大尺度和中小尺度的空间异质性研
究相对较多，而在小尺度 (群落 )水平研究土壤养
分空间异质性较少 [7-9]。本研究在具有典型丘陵地
貌的湘中丘陵区，选择代表性亚热带植被的石栎
Lithocarpus glaber- 青冈栎 Cyclobalanopsis glauca
常绿阔叶林，研究土壤 K含量空间异质性，分析
土壤 K含量与地形 (海拔、凸凹度和坡度 )、土壤
其它养分 (有机 C、N和 P)及凋落物量的关系，
为进一步研究亚热带森林植物与土壤相互作用规
律、土壤养分维持机理和亚热带常绿阔叶林的可
持续经营提供科学依据。
1 研究区概况
研究区位于湖南长沙县大山冲国有林场
（28°23 ′58″ ～ 28°24 ′58″N，113°17 ′46″ ～
113°19′08″E）。该林场地处幕阜山余脉西部边缘
的湘中丘陵地区，气候属中亚热带季风气候区，
年平均气温为 16.6～ 17.6℃，最低月均温出现在
1月（-3.2℃），最高月均温出现在 7月（39.8℃），
年降雨量为 1 200～ 1 600 mm。土壤为由板岩和
页岩基础上发育而形成红壤土。
2003年 9月在石栎—青冈栎常绿阔叶林内设
置了 1 hm2固定样地，为准确测定林木位置，将
样地划分为 100个 10 m×10 m的小样地，对胸径
大于 1cm的植株进行每木检尺，记录植物种类。
群落调查结果表明样地内胸径大于 1 cm林木密度
为 4797株 /hm2，胸径范围 1.0～ 37.6 cm，树高范
围 1.5～ 21.0 m。优势树种为青冈栎、石栎、杉木
Cunninghamia laceolata、 南 酸 枣 Choerospondias
axillaris、马尾松 Pinus massomiana和日本杜英
Elaeocarpus japonicus[10]。样地海拔为 225～ 254 m，
坡向为西北向，坡度 22°。
2 研究方法
2.1 土壤样品采集和化学分析
在石栎 -青冈栎常绿阔叶林样地内 10 m×10 m
小样地的中心位置，用土壤钻（高 10 cm，内径
5 cm）分 0～ 10 cm、10～ 20 cm和 20～ 30 cm
共 3个土层采集土壤样品，当采样点为树干时，
适当移动采样位置，记录具体坐标，共采集 300
个土壤样品。同时，设 50 cm × 50 cm样方，收集
凋落物。杨丹等 [9]已对具体采样点的位置及采样
方法进行了报道。采集样品带回实验室风干、研磨，
过 100目筛后进行化学分析，凋落物在 80ºC烘箱
内烘干，测定干重。土壤 K含量用全 K-400火焰
光度计测定 [11]。
2.2 数据统计分析
对土层（0～ 10 cm、10～ 20 cm和 20～ 30
cm）土壤 K含量及其 3个层的均值进行统计分析，
计算土壤 K含量的最大值、最小值、平均值、误
差值和变异系数，对数据进行 K-S正态分布检验
的结果表明各层土壤K含量不满足正态分布条件，
各数据运用正弦函数（sin）的平方进行转换后符
合正态分布，转换后的数据用于空间异质性分析。
选取海拔、凹凸度和坡度作为地形因子，其中
各小样地的海拔为小样地 4个角海拔的平均值，凹
凸度为小样地海拔减去该小样地相邻的 8个小样地
海拔的平均值，处于样地边缘的小样地凹凸度为小
样地中心的海拔减去 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。通过相关分析，分析各 10 m×10 m小
样地的地形因子、土壤其它养分（有机 C、N、P）
的含量、凋落物量对各层土壤 K含量的影响。所
有的统计分析在 SPSS18.0统计软件中进行。
梁 贵，等：湘中丘陵区石栎 -青冈栎常绿阔叶林土壤钾含量空间异质性及其影响因子研究90 第 7期
2.3 地统计学统计分析
用半方差函数分析不同土层土壤 K含量的空
间异质性特征，半方差函数计算公式：
n
i
ii hxZxZhN
hγ
1
2)()(
2
1)( 。 （1）
式中 γ（h）为半方差函数值，N（h）为间距
为向量 h的点对总数；Z（xi）为系统某属性 Z在
空间位置 xi处的值，Z（xi+h）是在（xi+h）处值
的一个区域化变量 [12]。半方差函数分析中样本间
距 h为最大采样间距的 1/2或 1/3内才具有统计意
义，同时步长要求不小于最小采样间距 [13]。本研
究中样本间距 h的变化范围取最大间距的 1/2，即
63.71 m，步长取最小间距，即 7.8 m。
对各土层计算的 γ（h）和 h用球状模型、指
数模型、高斯模型和线性模型进行拟合，根据决
定系数（R2）选择适合模型。拟合的模型可获得 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），
其中变程（A0）表示空间变异的尺度，在变程内表
示变量具有空间自相关性，反之则不存在空间相
关性。块金值（C0）和基台值（C0+C）的变化受
自身因素和测量单位的影响较大 [3]。特异值也称
为异常值，对变异函数的影响很大，尤其是在变
程 A0范围内的异常值将影响变异函数理论模型的
精度。本研究中采用域法来识别特异值。域法即样
本平均值加减 3倍标准差 s，在此区间（±3s）之
外的数据为特异值 [14]。基于 3次样条插值法对土
壤 K含量进行空间插值，得到青冈栎 -石栎常绿阔
叶林土壤 K含量空间分布图。地统计分析和空间
分布均在MATLAB 7.1软件上编程计算和绘制。
3 结果与分析
3.1 土壤 K含量统计特征
石栎 -青冈栎常绿阔叶林 0～ 30 cm土壤 K含
量平均值为 28.04 g/kg，变化范围在 9.45～ 56.914
g/kg，3个土壤层次 K含量的平均值随土层深度增
加而增加，从 0～ 10 cm的 27.82 g/kg增加到 20～
30 cm的 28.58 g/kg（见表 1）。一般认为，变异系
数 Cv（%）＜ 10为弱变异性，10＜ Cv＜ 100为
中等强度变异，Cv大于 100为强变异性，本研究
中各土层 K含量的变异系数在 51.03%～ 52.43%，
达到了中等变异强度。与土壤K含量的平均值相反，
0～ 10 cm土层的变异系数最大见（见表 1）。
表 1 不同土壤层次K含量的描述性统计特征 (n=100)
Table 1 Descriptive statistical characteristics of K concentrations at different soil depths (n=100)
土壤层次 /cm 最小值 (g/kg) 最大值 (g/kg) 平均值 (g·kg-1) 标准差 (g·kg-1) 变异系数 /% K-S检验 P=0.05 转换后 P=0.05
0～ 10 9.45 57.82 27.52 14.43 52.43 0.003 0.109
10～ 20 8.62 58.38 28.02 14.30 51.03 0.006 0.163
20～ 30 9.68 57.30 28.58 14.63 51.19 0.004 0.083
平均值 9.45 56.91 28.04 14.25 50.82 0.004 0,210
3.2 土壤 K含量空间异质性及空间分布
石栎 -青冈栎常绿阔叶林的土壤 K含量的半
方差函数随空间变化如图 1，对应的属性参数如表
2。空间异质性由结构方差 C和块金方差 C0组成，
空间结构比 C/(C0+C)可以用来土壤特性变量的空
间相关程度 [6]。当空间结构比 C/(C0+C)小于 25%
时，空间相关程度强，C/(C0+C)为 25%～ 75%时
为中等相关程度，当 C/(C0+C)大于 75%时空间相
关程度较弱 [14,6]。同时，相关系数 R2小于 0.5时，
土壤特性变量的空间相关性较弱 [6]。较强的空间
相关性受土壤自身特性（如母岩）的影响，相反，
较弱的空间相关性与外部条件（经营管理和森林
类型的不同）有关 [6,15]。从表 2可看出，除较深土
层（20～ 30 cm）土壤 K含量符合有块金线性模
型外，石栎 -青冈栎常绿阔叶林的上层土壤（0～
10 cm和 10～ 20 cm）和 0～ 30 cm土层 K含量
符合球状模型分布。各土层土壤 K含量的空间结
构比 C/(C0+C)大于 0.8，表明由随机因素引起的空
间异质性占总空间异质性的值小于 0.2，而且主要
表现在 7.8 m以下的小尺度上，而由空间自相关引
起的空间异质性占总空间异质性的值大于 0.8，主
要表现在 7.8～ 40.0 m的中尺度范围内。因此，
石栎 -青冈栎常绿阔叶林的土壤 K含量具有较强
程度的空间自相关性，土壤自身特性对 K含量的
影响较大。
石栎 -青冈栎常绿阔叶林土壤 K含量在土层
0～ 10 、10～ 20 、20～ 30 cm和 0～ 30 cm的
空间自相关变程范围分别为 37.51、25.38、39.78
和 28.92 m，表明土壤 K含量有较小的空间异质性
尺度见（见表 3）。一方面该森林内树种组成复杂，
91第 35卷 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报
植被和凋落物对土壤 K含量有一定的影响，另一
方面丘陵区的地形变化较大，在小尺度范围内也
影响土壤 K含量。
图 2为插值后石栎 -青冈栎常绿阔叶林各土层
土壤 K含量的空间分布。从图中可看出，各土层
土壤 K含量随地形变化趋势较为明显，表现出相
似的空间变化格局。受母岩、地形和植被等多种因
表 3 土壤K含量与地形因子、土壤其它养分和凋落物量之间的相关系数†
Table 3 Coeffecient (R) related soil total K concentrations to topography, soil properties and litter biomass
土层 /cm 海拔 凹凸度 坡度 pH值 土壤有机 C 全 N C/N 全 P 粘粒含量 凋落物量
0～ 10 0.655** 0.036 0.104 7 -0.037 0.002 2 -0.044 0 0.032 1 -0.173 2 0.230* -0.121
10～ 20 0.662** 0.079 0.142 8 -0.049 0.038 1 0.008 1 0.030 8 -0.098 1 0.289** -0.103
20～ 30 0.674** 0.127 0.140 1 -0.050 0.077 9 0.323 5** -0.356 6** -0.195 2 0.295** -0.099
0～ 30 0.673** 0.082 0.131 1 -0.046 0.042 6 0.102 3 -0.178 3 -0.189 4 0.275** -0.109
† *表示影响显著(P＜0.05),**表示影响极显著(P＜0.01)。
图 1 土壤 K含量的方差函数理论模型及分维数
Fig. 1 Semivariograms models of soil K concentrations
表 2 土壤K含量空间分析的半方差函数的模型类型及参数
Table 2 Semivariogram theoretical models and
parameters for soil nutrients
土壤层次
/cm 模型
块金值
(C0)
基台值
/(C0+C)
结构比
/C/(C0+C)
变程
/(A0) m
相关系
数 /R2
0～ 10 球状模型 0.106 0.124 0.855 37.51 0.576
10～ 20 球状模型 0.122 0.150 0.813 25.38 0.633
20～ 30 线性模型 0.120 0.129 0.930 39.78 0.219
平均值 球状模型 0.124 0.126 0.984 28.92 0.072
素的影响，土壤 K含量成斑块状空间分布，低值
出现在中下部的山脊，K含量基本低于 17.0 g/kg；
高值出现在上部山脊和西南角的部分沟谷，K含
量高于 41.0 g/kg；中值出现在东北角的沟谷，K
含量在 17.0 ～ 41.0 g/kg之间。
3.3 土壤 K含量空间变异的影响因子分析
各土层（0～ 10、10～ 20和 20～ 30 cm）
土壤 K含量及其 0～ 30 cm的均值与海拔高度和
土壤粘粒含量呈显著的正相关，而且与海拔高度
的相关系数大于 0.6（见表 3）。20～ 30 cm层土
壤 K含量与土壤 N含量呈显著正相关，与 C/N呈
显著负相关。其他的地形因子、土壤养分和凋落
量与土壤 K含量之间的关系不显著。这些结果表
明，土壤 K元素具有较强的淋溶性，同时生物过
程也有一定的影响。
梁 贵，等：湘中丘陵区石栎 -青冈栎常绿阔叶林土壤钾含量空间异质性及其影响因子研究92 第 7期
4 结 论
青冈栎 -石栎常绿阔叶林 0～ 30 cm土壤 K
含量平均值为 28.04 g/kg，土壤 K含量均值随土层
深度增加而增加，变化范围在 8.62 ～ 58.38 g/kg，
与我国土壤全 K含量的范围（0.5～ 50.0 g·kg-1）
一致 [16]。本研究中土壤 K含量变异系数显示土壤
K含量达到了中等变异强度，具有明显的空间异质
性。通过半函数方差分析，除 20～ 30 cm土层中
K含量符合线性模型外，0～ 10 cm和 10～ 20 cm
土层和 0～ 30 cm土层K含量符合球状模型分布。
各土层土壤 K含量的空间结构比 C/(C0+C)大于
0.8，表明土壤 K含量具有较强的空间自相关性。
土壤特征值的空间变程（A0）可用来指导土壤
采样点的设置。只有在自相关距离以外，才具有
抽样的独立性。因此，用地统计学理论及方法对
土壤特性的空间异质性进行定量研究，使土壤间
变异最大，土壤内部的变异最小 [17]。对空间变异
性范围外的数据，可用经典统计学方法，而在自
相关距离以内，必须采用地统计学方法进行分析
[18]，但对数据变量进行空间变异的地统计分析时，
要求数据满足本征假设，否则要对数据进行适当
转换后才可进行空间变异分析 [19-22]。本研究的青
冈栎 -石栎常绿阔林 0～ 10 、10～ 20 、20～ 30
cm和 0～ 30 cm土层中 K含量的空间自相关变程
范围分别为 37.51、25.38、39.78和 28.92 m，表明青冈
栎 -石栎常绿阔叶林土壤K含量有较小的空间异质性
尺度。林业上森林群落调查采用 30 m×40 m样方，
可以反映土壤 K含量的总体变化情况。
本研究中各土层土壤 K含量随地形的变化趋
势较为明显，表现为斑块状空间分布，低值出现
在中下部的山脊，高值出现在上部山脊和西南角
的部分沟谷。各土层土壤 K含量与海拔高度、土
壤粘粒含量呈显著的正相关，而且与海拔高度的
相关系数大于 0.6，说明土壤 K含量的空间异质性
主要由结构因素构成，成土母质和地形等结构因
素会增强土壤 K含量的空间相关性。同时，土壤
粘粒的比表面大，含量高则吸附和维持土壤 K含
量也就高。在 20～ 30cm土层，K含量与土壤 N
含量呈显著正相关，与 C/N呈显著负相关，表明
土壤中 N和 K元素都在一定程度上受生物过程的
控制，如树种组成和凋落物养分归还等，表现一
定的相关性 [2]。利用地统计学的理论和方法对土
壤养分空间异质性进行研究，定量分析土壤养分
的变异程度、相关程度、空间结构特征及变化范围，
可为揭示土壤养分空间分布的随机性和结构性特
征及变异规律提供科学依据 [20]。在今后的研究中，
需要将土壤养分空间异质性和地上群落调查数据
结合起来，分析植被 -土壤之间的相互作用，对进
一步阐明亚热带森林生态系统内在的演变机制和
维持区域森林生态系统服务具有重要意义。
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图 2 石栎 -青冈栎常绿阔叶林不同土壤层次 K含量的空间分布格局
Fig. 2 Spatial heterogeneity of K concentrations at different soil depth in L. glaber-C. glauca evergreen broadleaved forest
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[本文编校：吴 毅 ]