全 文 ：25卷第 2期 229～ 235页
2007年 3月 　　　　　　　　　　　
山　地　学　报
JOURNAL OFMOUNTA IN SC IENCE
　　　　　　　　　　　Vo.l 25, No. 2 pp229～ 235
M ar. , 2007
收稿日期(Received date):2006 - 10 - 13;改回日期(Accep ted):2007 - 01 - 17。
基金项目(Foundation item):广东省博士后项目 4300613、广东省科技厅项目 2004B70302006及国家自然科学基金重大项目(39899370)。 [ Sup-
ported by the Pos tdoctoral Foundation ofG uangdong P rovin ce (4300613), the Prog ram ofDepartm en t of S cience and Technology ofG uangdong
Province (2004B70302006) and the NationalN atu ral Science Foundation of Ch ina (Projects 39899370)]
作者简介(B iography):李跃林(1970 - ),男 ,湖南邵阳人 ,博士 ,已发表论文 20余篇 ,参编专著 3部 ,主要从事全球变化生物学研究。 [ Li Yue-
lin, ma le, born in 1970, Ph.D, research in terest is global ch ange b io logy.E -m ail:yu elin@ scbg. ac. cn, yuelin. li@ uni - bayreu th. de]
文章编号: 1008 - 2786 -(2007)2 -229 - 07
马占相思人工林土壤有机碳的异质性
李跃林 1 ,郎黎明 2 ,张 云 1, 3 ,林永标 1 ,韦 强 1
(1.中国科学院华南植物园 ,广东 广州 510650;2.广东省广州市梳脑林场 ,广东增城 511390;
3.湖北大学资源与环境学院 ,湖北武汉 430062)
摘　要:以鹤山站马占相思林土壤为研究对象 ,对相关土壤 、生物指标进行了分析。对马占相思人工林土壤的地
统计学研究结果表明:马占相思人工林土壤有机碳和全氮在空间分布上存在着较为显著的空间自相关性 , 即自相
关部分的空间异质性占主导地位 ,分别占总空间异质性程度的 81. 3%和 84.2%。土壤有机碳分布的空间特征与土
壤全氮分布空间特征具有较一致的空间异质性;林木根生物量的分布特征未表现出与土壤有机碳分布的一致空间
异质性 , 这说明根生物量的分布特征在表层土 0 ～ 15 cm有机碳的空间分布差异上不是主导因子 。林地碳 、氮不但
存在传统统计学上的线性相关 ,它们也具有景观层次上的空间自相关 , 指数模型的拟合表明 , 在 7. 62 m小尺度范
围内 , 土壤有机碳的空间自相关性存在 , 在 6.60 m尺度范围内 , 全氮的空间自相关性存在。
关键词:马占相思;土壤有机碳;全氮;空间异质性
中图分类号:S714　　　　　　文献标识码:A
　　土壤有其自然异质性 ,它们的性质在空间上是
连续变化的 ,其中许多性质也是随时间变化的 [ 1] 。
这种变异性源于其自然的形成过程 ,包括环境的物
理和化学特征 、生物系统的相互作用 ,以及土壤的经
营措施 。 20世纪 70年代 ,科学家们开始了土壤空
间变异性的研究 ,长期以来特别在农业和环境科学
中受到重视 [ 2, 3] 。土壤性质的变异性可以部分地被
其时间或空间的决定性过程来解释 ,但是其中也有
其随机的组分[ 4] 。然而这种随时机组分 ,由于土壤
性质的连续属性 ,很可能在样品间的时空距离上表
现出一定的独立性。地统计学提供了一个很好的工
具 ,它可以很好地来描述这种土壤性质的随机性 ,并
进一步深化了传统统计方法对土壤自然过程的描
述 。现代生态学研究表明 ,生态系统中生物或非生
物因子在空间分布上普遍存在一定尺度上的空间异
质性[ 5 -7] 。土壤性质结构空间异质性的知识 ,可以
用来帮助定义模型模拟的可靠性程度或范围 ,同时
它也是实验设计的宝贵工具 、显著降低野外研究的
费用 ,通过恰当取样策略的定义 ,不用冒可靠性的风
险[ 8 -10] 。土壤有机碳和氮素作为土壤组成的重要
成分 ,是生态系统中极为重要的生态因子 ,土壤碳库
作为全球碳平衡研究中 “丢失汇 ”(m issing carbon)
的候选者 ,在陆地生态系统土壤碳的研究中备受重
视[ 11] 。
马占相思 (Acacia mang ium )是豆科 (Legum ino-
sae)相思属 (Acacia)的木本植物 ,原产于澳大利亚
昆士兰沿海 、巴布亚新几内亚的西南部和印度尼西
亚东部。自 20世纪 70年代引入我国 ,已在华南地
区广泛种植。具有较高的固氮能力 ,在土壤贫瘠的
山丘上能迅速生长 ,是良好的先锋造林树种。中国
科学院鹤山丘陵综合试验站 (以下简称鹤山站 )于
1984年引种了马占相思 ,随之开展了生物量与能量
分配 、群落发育过程的生理生态 、水文 、系统养分平
衡等多方面的系统研究 [ 12 -14] 。但是马占相思林地
土壤 ,特别是土壤与植被的相互作用下的土壤空间
分布特征研究甚少[ 15, 16] 。但是对于华南地区林分
DOI牶牨牥牣牨牰牥牳牴牤j牣cnki牣牨牥牥牳牠牪牱牳牰牣牪牥牥牱牣牥牪牣牥牨牳
改造结合其生态公益林的碳 “源” “汇 ”功能的评价
来说 ,土壤有机碳的空间分布格局的研究有着重要
的环境科学意义 。
在此背景下 ,以鹤山站马占相思人工林林地为
研究对象 ,应用地统计学 (Geostatistics)的原理与基
本方法 ,探讨了林地土壤有机碳 、全氮的空间分布特
征 ,马占相思林地根生物量分布特征与碳 、氮分布特
征的相关性 。
1　研究地概况与研究方法
1.1　研究地概况
试验地位于广东省南亚热带粤中丘陵地区 (行
政区属鹤山市), 112°54′E , 22°41′N。试验区为低丘
地势 ,山脊平圆 ,坡面平缓 ,最高峰 98 m。气候温
暖 、多雨 ,年平均气温 21.7℃,最热月均温 29.2℃,
最冷月均 12.6℃,年平均日照时数 1 797.8 h,年均
太阳辐量为 4 354.7M J /(m2 a)。年平均降雨量为
1 801.1mm ,其分布有明显的干湿季 [ 12] 。试验区近
年 (2003 ～ 2004年 )月降雨量和月平均气温如图 1
所示。该区年蒸发量为 1 638.8 mm ,每年还有数次
台风或热带风暴 。土壤酸性较强 ,质地较粘 ,有机质
含量大都为 0.56% ～ 1.64%[ 12] 。
图 1　鹤山站月降雨量和月平均气温
Fig. 1　Month ly precipitation and average air temperature ofHeshan station
该地区历史上为森林地带 ,顶极群落是亚热带
季风常绿阔叶林 。但由于不断增长的人类活动的影
响 ,造成植被退化 、水土流失 、土壤瘠瘦和水源枯竭 。
人为活动的干扰 ,许多地方退化为亚热带草坡 [ 13] 。
自 1984年起 ,鹤山站营造成了多种类型的人工林 ,
进行植被恢复研究。林地土壤类型为砂页岩发育而
成的赤红壤 ,林下植物种类主要有豺皮樟(Litsea ro-
tundifolia va r. oblongifo lia)、九节 (P sychotria rubra)、
白背叶(Ma llotus apelta)、木姜子 (Litsea cubeba)、春
花 (Rhaphioleais ind ica)、木荷 (Schima superba)等 。
林地 1984年造林 ,造林树种为马占相思 ,株行距 3
m ×3 m。现时平均树高 14.5±2.0 m ,平均胸径
20.9±6.5 cm.
1.2　研究方法
1.2.1　土壤样品的采集
在面积为 24m ×42m的马占相思固定样地内 ,
大致按南北方向建立 3m ×3m的取样小区 ,采用均
匀取样和随机取样相对结合 ,用内径约为 3 cm的管
状土钻 ,打孔取样 ,取样深度 0 ～ 15 cm ,考虑到取样
的代表性 ,在每个 1m ×1 m的亚小区钻取 3管 ,取
混合样。尔后 ,风干样品 ,去除杂质 ,过 100目 (孔
径 0.192 mm)铜筛 ,用于土壤分析。
1.2.2　土壤样品分析方法
土壤有机碳的测定采用高温外热重铬酸钾氧化
-容量法 ,土壤全氮的测定采用硒粉 -硫酸铜 -硫
酸钾 -硫酸消煮法 。
1.2.3　单位面积根生物量的测定
实测所研究样地马占相思每木树高 、胸径和地
径 ,采用参考文献回归模型[ 17] ,获取马占相思每木
根生物量 ,同时在样地附近随机取样木三株 ,获取根
生物量(鲜重),用于回归数据的校正 。结合地径数
据 ,对林地根生物量进行加权处理获得林地单位面
积的根生物量 。
1.2.4　数据分析
运用 M icroso ft Excel 2000作常规统计分析 ,运
用 SPSS10.0进行数据的正态分布检验 ,运用地统计
学软件包 GS+5.0(G ama design so ftw are, 2001)进行
地统计学分析 [ 18] 。
设 Z (x)为区域化随机变量 ,并满足二阶平稳和
本征假设 , h为两样本点空间分隔距离 , Z (xi )和 Z
(xi +h)分别是区域化变量 Z (x)在空间位置 xi 和
xi +h上的观测值 (I=1 , 2, 3, 4, ……, N (h)),根据
变差函数的定义
γ(h)=1
2
E [ Z (x) -Z (x+h)] 2 (1)
得到半方差函数的计算公式
γ(h)= 1
2N(h)∑
N(h)
i=1 [ Z (xi) -Z (xi +h)] 2 (2)
式中　γ(h)为所有空间相距为 h的点对的平均方
差 , N(h)为在空间上具有相同间隔距离 h的点对数
目 , Z (xi)和 Z (xi +h)分别为点 xi和与点 xi相距 h
的点的某一属性或因子的观测值。以 γ(h)值为纵
230 山　地　学　报 25卷
坐标 , h为横坐标 ,绘制曲线 ,即为半方差图 ,它是空
间变异分析和结构分析的有效工具。
2　结果与分析
2.1　土壤有机碳经典统计分析
对土壤样品分析结果进行经典统计分析 ,运用
SPSS的探索性分析 ,对土壤有机碳数据进行了正态
分布检验 ,数据符合正态分布 ,其分布的 Q -Q图如
图 2 ,统计数据如表 1。
从表 1可知 ,土壤有机碳和全氮的变化范围分
别为:0.093 4 ～ 0.266 8 g /kg、0.008 0 ～ 0.019 9 g /
kg,变异系数分别为 24.59%、21.69%。再者 ,对土
壤有机碳与全氮的回归分析表明 ,它们两者之间存
在极显著的线性相关关系 ,其回归方程如下
SOC =0.0695*TN +0.0017　
R =0.98 (n =50P <0.01)
表明了土壤有机碳与全氮含量关系密切 ,土壤有
机质含量高有利于土壤养分氮素的增加。但不能从
这些计算结果中获得它们之间在空间位置上的联系 ,
即不能定量描述它们各自在空间尺度上变异特征 。
图 2　土壤有机碳正态 Q -Q图
Fig. 2　Norm alQ -Q Plot of SOC
表 1　土壤有机碳 、全氮测定结果统计分析
Tab le 1　 Summ ary of classical statist ical analys is of soil organ ic carbon and tota l nitrogen
项目
Item s
平均
M ean(g /kg)
标准误差
S tandard error
标准偏差
S tandard deviation
测定值范围
Range(g /kg)
变异系数
C oefficient of variat ion
有机碳 SOC 0. 162 8 0. 005 7 0.040 0 0. 093 4 ～ 0. 266 8 24. 59%
全氮 TN 0. 013 0 0. 000 4 0.002 8 0. 008 0 ～ 0. 019 9 21. 69%
Note:SOC stand s for conten t of soi l organ ic carbon;TN stand s for conten t of total n itrogen
2.2　空间统计分析
2.2.1　土壤有机碳空间分布特征及与土壤全氮的
关系
数据验证的结果 ,有机碳 、全氮分布满足地统计
学的要求 ,运用地统计学方法 ,对土壤有机碳 、全氮
数据进行半方差分析 ,并利用克立金(K rige)局部空
间插值 ,得到土壤有机碳 、全氮变异函数理论模型及
有关参数(表 2)。
本研究引入球面 、指数 、线性及高斯 4种模型对
原始数据进行模拟 ,根据表 2列出的各种模型的拟
合参数 ,可以进一步确定变异函数的最优模型 。在
表 2的 5个参数块金方差值 、阈值 (基台值 )、变程 、
决定系数及残差中 ,最重要的是考虑决定系数 r2 ,其
次是考虑残差 RSS的大小 ,然后再考虑变程和块金
方差值的大小[ 18] 。根据这个原则 ,选择指数模型作
为土壤有机碳 、全氮的含量的变异函数理论模型并
基于该模型 ,制作相关空间分布图。考虑到分析空
间异质性的需要 ,同时也选择指数模型作异质性分
析 ,根据指数模型参数 ,土壤有机碳 、全氮空间相关
度分别为 81.3%和 84.2%,空间异质性尺度分别为
7.62 m和 6.60m ,即自相关部分的空间异质性占总
空间异质性程度均在 80%以上 ,而随机部分占总空
间异质性的程度 <20%。
根据各向同性条件下的变异函数曲线图 (方差
图)可知 ,马占相思林土壤有机碳和全氮之间的空
间分布格局具有相似性 (图 3、4),即从空间分析角
度表明了它们两者之间的极显著的线性关系 。
基于半方差图的建立 ,运用克立格空间内插法 ,
对土壤有机碳和全氮两个因子在空间上已抽样的分
析获取的数据 ,推测任一未抽样点的数值 ,进而绘制
出它们与位置有关的空间三维分布图(图 5、6)。土
壤有机碳 、全氮分布的空间分布图直观地反映了林
地土壤有机碳和全氮在空间上的分布特征 ,表现了
它们趋向于同步的变化趋势。
231第 2期　　　　　　　　　　　　　　　　　李跃林 ,等:马占相思人工林土壤有机碳的异质性
表 2　马占相思人工林土壤(0 ～ 15 cm)有机碳及全氮的变异函数理论模型有关参数
Tab le 2　S em ivariog ram m odel and param eters of so il organic carbon, soil total n itrogen on A cacia m angium fores t
模型
M odel
指数
Exponen tial
线性
Lin ear
球面
Spherical
高斯
Gau ssian
SOC TN SOC TN SOC TN SOC TN
块金方差 NuggetV ariance 3. 32×10 -4 1. 00×10 - 6 1. 34×10 - 3 7. 00×10 - 6 1. 51×10 -4 1. 00×10 - 6 3.10×10 - 4 1. 00×10 - 6
阈值 S ill 1. 77×10 -3 9. 00×10 - 6 1. 92×10 - 3 9. 00×10 - 6 1. 73×10 -3 8. 00×10 - 6 1.73×10 - 3 8. 00×10 - 6
有效变程 Ef fective range 7.62 6. 60 20. 62 20. 62 5. 10 4. 85 4. 26 4. 07
空间相关度(%) 81. 3 84. 2 29. 8 24.4 91. 3 92. 8 82. 1 83.1
决定系数 r2 0.63 0. 61 0. 57 0. 42 0. 53 0. 56 0. 53 0. 56
残差平方和 RSS 1. 65×10 -7 3.59×10 - 12 1. 88×10 - 7 5. 36×10 -12 2. 07×10 -7 4.05×10 - 12 2.10×10 - 7 4. 06×10- 12
图 3　土壤有机碳各向同性半方差图
F ig. 3　 Isotrop ic varigram of SOC
图 4　土壤全氮各向同性半方差图
Fig. 4　 Isotrop ic varigram of TN
2.2.2　土壤有机碳空间分布特征及与根生物量的
关系
土壤有机碳来源为根系分泌 、根生物量 、地下微
生物 、动物和植物凋落物 ,它包括所有分解阶段的植
物 、动物和微生物的残留物。可见根生物量也是影
响土壤有机碳分布的一个因素 ,随着林木定植后 ,经
过近 20 a的生长 ,其根在土壤中的生长是随机的 ,
因此根在土壤中的分布及其单位面积生物量 (kg /
m
2)的大小可以看成是一个随机变量 ,同时经检验
符合正态分布 。基于半方差函数及空间内插法 ,同
样绘制出根生物量的分布图(图 7)。
比较图 5和图 7,根生物量的空间分布与土壤
有机碳的空间分布不一致 。为了验证该结论 ,运用
根生物量空间分布模型获取相应点的根生物量值 ,
然后作相关分析(图 8)。从分析结果可知根生物量
与土壤有机碳的相关系数为 0.06 ,可见在本研究中
0 ～ 15 cm表土层土壤有机碳的分布与林木根生物
量具有不一致的空间分布格局 。已有的研究表明深
层土壤植物根系对有机碳的分布格局占主导作
用[ 19] 。本研究中 ,土壤样品局限于 0 ～ 15 cm表层
土 ,显然 ,对于表层土来说 ,从生物方面的因素来说 ,
人工林地优势种表层根的生物量与林下的灌丛 、蕨
类 、草本的根系是共同决定因素 ,再者非生物因素 ,
如林地的凋落物也是重要因子 。结合鹤山站的具体
情况 ,因为该研究样地是鹤山站的长期样地 ,凋落物
较少人为干扰 ,常常累积 2 ～ 3 cm厚度。正因为这
些原因 ,可能导致林木根生物量并不是表层土壤有
机碳空间分布格局的主导因子 。
2.2.3　模型的检验
以指数模型获得的预测值与实际的观测值进行
成对样本显著性检验 (表 3)。由表 3可知 ,土壤有
机碳及全氮含量的观测值与预测值无显著性差异 ,
证明了模型的可靠性。
232 山　地　学　报 25卷
表 3　成对样本 T检验
Tab le 3　Paired sam p les test
对
Pair
成对差值 Paired D ifferences
差值平均
M ean
标准偏差
S td.
deviation
平均标准误
S td.
E rrorM ean
95%置信区间 Confidence
In terva l of the D ifference
下限 Low er 上限 Upper
t值 自由度
d f
S ig.
(2 - tailed)
第 1对
SOC - PRED ICT
2. 29×10 -3 4. 05×10 - 2 5.73×10 - 3 - 9. 22×10 - 3 1. 38×10- 2 0. 400 49 0. 691
第 2对
TN - PRED ICT
1. 53×10 -4 2. 84×10 - 3 4.02×10 - 4 - 6. 54×10 - 4 9. 61×10- 4 0. 382 49 0. 704
3　讨论
通过对马占相思林地土壤的有机碳 、全氮的地
统计学分析 ,土壤有机碳及全氮的空间分布格局表
现出一致性 。从它们的空间位置上表明了土壤有机
碳含量与全氮含量关系密切 ,这也与已有的研究结
果土壤有机质含量高有利于土壤养分氮素的增加的
结论具有一致性[ 16] 。
鹤山马占相思林土壤有机碳的在分布格局上 ,
存在相当强的空间自相关性 , 其空间相关度为
81.3%,而随机部分只占总空间异质性的 18.7%,
SOC和 TN空间相关尺度分别为 7.62m和 6.60m。
据已有的研究报道 ,在草原土壤有机碳空间自相关
的异质性所占的百分比可达 80%左右[ 20] ;在东北
红松林土壤中 ,空间自相关的异质性所占的百分比
233第 2期　　　　　　　　　　　　　　　　　李跃林 ,等:马占相思人工林土壤有机碳的异质性
可达 58.3% ～ 83.6%[ 21] 。这表明南亚热带林地原
生植被遭破坏 ,重新垦荒造林后 ,在马占相思林地 ,
其土壤的有机碳分布格局的空间异质性已与其他类
型的稳定土壤具有较相似的性质。再者是相对于东
北红松林(树龄 200 ～ 300 a)来说 ,尽管本研究地马
占相思林龄约 20 a,马占相思已表现出对土壤有机
碳强烈的生物作用 。如果认为土壤结构的恢复中 ,
有机碳的空间相关度是衡量指标之一 ,结合生态系
统健康所要求的一定异质性来考虑 ,那么当马占相
思近 20 a树龄时 ,完全可以对林地进行植被改造 。
此外 ,据鹤山站的研究成果 [ 22, 23] ,马占相思林地在
林龄为 10 a时 ,表现出净生产力高峰 , 17 a后 ,即表
现出生产力衰退现象。因此可以说 ,对马占相思林
地土壤有机碳空间异质性的研究 ,可以应用于指导
植被改造 ,从而使马占相思树种作为先锋树种更能
发挥其生态功能和经济功能。
通过对马占相思人工林地土壤表层有机碳的分
布格局与根生物量的分布格局的比较 ,有机碳与根
生物量的分布不一定具有一致性的空间分布格局 ,
至少在 0 ～ 15 cm表土层的表现是这样 。表土层的
有机碳对土壤 -水 -植物系统与大气间气体交换作
用表现最活跃 ,已有研究认为最优化的植物类型有
利于碳储存 [ 19] 。因此在鹤山站继续进行林分改造
和不同林分模式下的土壤有机碳空间分布格局研
究 ,对于华南地区的林业发展模式具体科学指导意
义 ,特别表现在探讨不同功能类型的植物组合 、寻找
适合于土壤碳储存的植物模式方面 ,将为缓解全球
CO2浓度上升提供林业对策。
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SpatialHeterogene ity of SoilO rganic Carbon ofAcacia mangium
P lantation in Heshan, Guangdong, China
LI Yue lin
1 , LANG Lim ing2 , ZHANG Yun1, 3 , LIN Yongb iao1 , WEIQ iang1
(1. Sou th Ch ina B otan ica lGarden, Ch inese Academy o fS ciences, Guangzhou 510650, Ch ina;
2. Shunao Forestry Cen tre Af filia ted to Guangzhou of Guangdong P rovin ce, Z eng cheng 511390, Ch ina;
3. S chool of R esources and Environmen ta l Science, HubeiU niversi ty, Wuhan 430062, Ch ina)
Abstract:Geosta tistical techniquesw ere used to quantify the scale and deg ree of so ilheterogeneity ofAcaciamangi-
um p lantation forest land in south China. Samp les for ana ly sis of soil o rganic carbon and to tal nitrogen contentw ere
taken on an aligned grid. The con tents of soil o rganic ca rbon and tota l nitrogen w ere measu red, and root biomass
w as estimated. K rigedm aps o f C and N con tent showed a strong spatial autocorre lation. This observa tion ag reed
w ith traditional sta tistics analy sis show ing a significant linear co rre lation between C andN. The best fitting from ex-
ponentia lmode l show ed that so il o rgan ic carbon and tota l n itrogen have h igh degree o f spatial he terogeneity at the
sca les of 7.62 m and 6.60m , respec tive ly, such that 81.3% and 84.2% o f the to ta l spatial heterogeneity orig ina-
ted from the spatial autocorre lation. The co rrela tion betw een soil o rgan ic carbon and root b iom ass w as no t shown
that root biomass pe rformed as the dom inated factor in accordance w ith its ro le of sou rce of so il o rganic carbon.
Key words:Acacia mangium;so il o rganic carbon;to tal nitrogen;spatial hete rogeneity
235第 2期　　　　　　　　　　　　　　　　　李跃林 ,等:马占相思人工林土壤有机碳的异质性