全 文 ：第 34 卷第 18 期
2014年 9月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.18
Sep.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:中国科学院战略性先导科技专项(XDA05070404);国家自然科学基金项目(31370485, U1033004)
收稿日期:2014鄄05鄄09; 摇 摇 修订日期:2014鄄08鄄11
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: songtongq@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201405100942
李莎莎,范夫静,宋同清,黄国勤,曾馥平,彭晚霞,杜虎.西南峡谷型喀斯特区坡地土壤矿物质的空间分布特征.生态学报,2014,34(18):5320鄄5327.
Li S S, Fan F J, Song T Q, Huang G Q, Zeng F P, Peng W X, Du H.Spatial variation of soil minerals in the gorge Karst region, southwest China.Acta
Ecologica Sinica,2014,34(18):5320鄄5327.
西南峡谷型喀斯特区坡地土壤矿物质的空间分布特征
李莎莎1,2,范夫静1,2,3,宋同清1,2,*,黄国勤3,曾馥平1,2,彭晚霞1,2,杜摇 虎1,2
(1. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室,长沙摇 410125;
2. 中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站,环江摇 547100; 3. 江西农业大学,南昌摇 330045)
摘要:探明峡谷型喀斯特土壤矿物质的分布规律可以为喀斯特地区植被恢复和生态重建提供参考。 基于动态监测样地(200 m
伊300 m)的网格取样,采用经典统计分析和地统计学方法分析土壤矿物质(SiO2、Fe2O3、CaO、MgO、Al2O3、MnO)的空间分布特
征。 结果表明,研究区土壤矿物质含量差异较大,但变异系数不大,SiO2和 Al2O3占了土壤矿物质总量的 85.99%;SiO2、Al2O3、
MgO、MnO均服从正态分布,Fe2O3、CaO分别经过平方和倒数转换后也服从正态分布。 土壤各矿物质半变异函数的最佳拟合模
型均为指数模型,块金值与基台值比 C0 / (C0+C)均较小,具有中等或强烈的空间相关性,表明空间变异主要由结构性因素引
起;Al2O3和 MnO的变程较大,空间连续性较好,其它矿物质的变程较小且相近,空间依赖性较强;Kriging 等值线图表明峡谷型
喀斯特区土壤 SiO2和 MnO具有相似的空间分布,受坡位和人为干扰共同影响,基本呈现坡顶高、坡脚低的分布格局;Fe2O3、CaO
和 MgO的空间分布也相似,斑块较破碎,主要受地形的影响;Al2O3的空间格局呈单峰分布,沿海拔的升高而升高。 因此,减少
干扰、增加植被覆盖对土壤矿物质具有良好的保持和调控作用。
关键词:土壤矿物质;组成特征;空间分布;峡谷型喀斯特
Spatial variation of soil minerals in the gorge Karst region, southwest China
LI Shasha1,2, FAN Fujing1,2,3, SONG Tongqing1,2,*, HUANG Guoqin3, ZENG Fuping1,2, PENG Wanxia1,2,
DU Hu1,2
1 Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China
2 Karst Station for Ecosystem in Huanjiang, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Huanjiang 547100, China
3 Jiangxi Agricultural University, Nanchang, Nanchang 330045,China
Abstract: Spatial variation analysis of soil minerals is useful for ecological restoration and vegetation reconstruction. In this
study, the spatial variation of soil minerals over a typical sloping farmland was investigated in a gorge karst region in
southwestern China. The total study area (300 m 伊 200 m) was divided into grids of 20 m伊 20 m and included 212 sample
points. Soil minerals (SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, and MnO), in surface soil were measured. The spatial patterns of
soil minerals were analyzed with classical statistics and geostatistics methods. The differences of the content of the six
minerals were large, but the variation coefficients were small. The sum of SiO2 and Al2O3 accounted for 85.99% of the sum
of the six mineral components. SiO2, Al2O3, MgO, and MnO, while Fe2O3 and CaO were normally distributed after square
and reciprocal transformed, respectively. SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, and MnO were best fitted by an Exponential
model, with high coefficients (R2) or low residual sum of squares (RSS) indicating that the fitted models could reflect the
spatial variation of soil minerals. The nugget (C0) was low (3.0%—43.6%), indicating that the soil minerals were strongly
autocorrelated over the study region, and that their spatial patterns were influenced by structural factors. These spatial
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patterns varied over a small range (25.5—210.3 m). The spatial ranges of SiO2 and MnO were large and similar (210.3 m
and 195.9 m, respectively), and other were relatively small with strong spatial dependence. On Kriging contour maps, SiO2
and MnO had similar spatial pattern of high values on the slope top and low values on the bottom slope, and were affected
by slope position and anthropogenic disturbances; the patches of the Fe2O3, CaO and MnO were relatively homogeneous,
and were mainly influenced by topography. Al2O3 posed a unimodal distribution, increasing along elevation ascending.
Therefore, reducing disturbance and increasing vegetation would play good roles in protecting and regulating soil minerals.
Key Words: soil mineral; composition; spatial pattern; gorge karst region
摇 摇 土壤矿物质作为土壤的骨骼,占土壤固体部分
的 95%以上,是极其重要的组成部分[1鄄2],对土壤的
内部结构、交换能力和肥力状况等均有很大影响。
土壤矿物质主要是受结构因子(母质、气候、地形等)
和随机因子(生物、人类活动等)两种因素的综合作
用,其中受结构因子中的母质和地形因素的影响最
大[3鄄4]。 土壤中 CaCO3的含量在一定程度上与土壤
pH值具有良好的正相关关系[5]。 众所周知,植物所
需矿质元素对植物生长、发育有重要作用。 矿质元
素供应失调可引起植物生理性病害,植物体内的矿
质元素变化还会引起其他生理变化,进而影响昆虫
的取食,即能影响虫害的发生。 此外,矿质元素与作
物品质、产量有一定的关系。 因此,了解和掌握土壤
矿质元素的空间分布特征,有助于准确把握土壤发
育程度、理化性状对植物营养成分的供应状况,以及
植物生长所必需的哪些元素成为限制作物产量和质
量的重要因素。
喀斯特地区生态环境脆弱、植被少,而且高温多
雨、降雨季节集中,因而土壤淋溶强烈,水土流失严
重,土层稀薄,土壤养分含量低[6鄄7]。 加上长期以来
人为干扰的影响,导致植被严重破坏,水土流失加
剧,土地严重退化,基岩大面积裸露,整个生态系统
的功能发生改变或退化,制约了区域生态可持续发
展。 地统计学是在传统统计学基础上发展起来的空
间分析方法[8],不仅能有效揭示属性变量在空间上
的分布、变异和相关特征,还可解释空间格局对生态
过程与功能的影响[9鄄12]。 很多学者应用地统计学对
土壤属性空间变异进行大量研究[13鄄15],而对土壤矿
物质的空间异质性研究较少[16],特别是喀斯特地
区。 本文基于西南峡谷型喀斯特区坡地动态监测样
地为研究对象,用经典统计学描述了土壤矿物质的
组成特征,应用半变异函数和 Kriging 插值法分析该
区域土壤主要矿物质 ( SiO2、 Al2 O3、 Fe2 O3、 CaO、
MgO、MnO)的空间异质性和分布格局,探讨其生态
学过程,这对指导该区域乃至整个西南喀斯特地区
土壤矿物质资源的有效利用、合理施用矿质养分肥
料、促进土壤肥力提高和植被的快速修复具有重要
的理论和实践意义。
1摇 研究方法
1.1摇 研究区概况
研究区地处贵州省晴隆县孟寨河小流域,位于
北纬 25毅33忆—26毅11忆、东经 105毅01忆—105毅25忆之间,
最高海拔 2025 m,因受北盘江及其支流的强烈切割,
切深长达 500—700 m,属深切割岩溶侵蚀高原峡谷
区。 属于亚热带湿润季风气候,气候温和湿润,年平
均气温 14.0—15.9 益,年极端高温为 33.4 益,最低
气温为-6.2益,日照时数 1453 h,无霜期 280 d左右。
年降水量 1 500—1 650 mm,集中在 6—9月份,年蒸
发量 1800 mm,空气相对湿度在 50%以下。 森林覆
盖率为 25.1%,林草植被覆盖度为 27.8%,森林植被
以阔叶林为主,针叶林次之。 原生植被基本上被破
坏,现为次生林。 野生植物资源种类较多,主要有有
野生杨梅、花椒、百花刺、刺梨等。 草地以放牧利用
为主。 土壤母质以碳酸盐岩为主,土壤类型主要为
石灰土,地质结构复杂,地形起伏大,这为石漠化的
发生提供了自然基础。 该区石漠化面积 27.11km2,
其中轻度石漠化 12.80 km2、中度石漠化 6.09 km2、重
度石漠化 8.21 km2,分布广,等级程度较高,且石漠
化潜在威胁大。 根据典型性、代表性原则,经反复勘
查,在研究区内选取面积为 300 m 伊 200 m的典型峡
谷型喀斯特坡地,该坡地 2008 年退耕种草放羊,由
于存在地表地下双层空间结构,小生境类型多样,且
分布有 10%—15%的不连续土被和部分裸岩石砾地
(图 1)。
1235摇 18期 摇 摇 摇 李莎莎摇 等:西南峡谷型喀斯特区坡地土壤矿物质的空间分布特征 摇
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图 1摇 研究区域和样点分布图
Fig.1摇 Maps of studied area and sample plots
1.2摇 样品采集与分析
1.2.1摇 样品采集
2011年 1 月用森林罗盘仪将其划分为 20 m 伊
20 m的方格,进行规则网格法采样,共获得 176个样
点。 采样时先去除地表凋落物,在每个样点周围 2 m
范围内随机采取 5个 0—20 cm 表层土样,采集的土
样迅速带回实验室,除去土壤中可见的动植物残体,
过 2 mm筛,混匀,风干用于土壤矿质养分的测定。
1.2.2摇 样品分析
土壤 SiO2采用碳酸钠熔融鄄盐酸提取鄄质量法测
定;Al2 O3采用碳酸钠熔融鄄盐酸提取鄄氟化钾取代
EDTA容量法测定;Fe2O3、CaO、MgO 和 MnO 钙采用
碳酸钠熔融鄄盐酸提取鄄原子分光光度法测定[17]。
1.3摇 数据处理与统计分析
描述性统计分析在 SPSS 13. 0 中完成。 本文数
据采用样本均值加减 3 倍标准差识别特异值,在此
区间外的数据均定为特异值,分别用正常的最大值
和最小值代替[18],后续计算均采用处理后的数据。
半方差函数分析在 GS+中完成,地统计学有关方法
及原理见文献[19]。
2摇 结果与分析
2.1摇 峡谷型喀斯特区坡地土壤矿物质含量经典统
计描述
由表 1 可看出,峡谷型喀斯特区坡地土壤中
SiO2、Al2 O3、Fe2 O3、CaO、MgO、MnO 的含量差异较
大,其中 SiO2占绝对优势,高达 49. 93%,其次为
Al2O3,二者占了土壤矿物质含量的 85.99%,其它矿
质含量较小;各矿物质含量的变异系数均不大,在
10郾 32%—45.60%之间,SiO2的变异系数最小,仅为
10.32%,这是由于土壤中绝大多数的硅存在于硅酸
盐结晶或沉淀中,难以分解。 土壤钙镁含量在温度
高、较湿润且风化程度高的地区,由于土壤中可溶性
钙、镁流失量大,含量较低;相反,在干燥寒冷、淋溶
低的地区,土壤中钙、镁的含量相对较高。 土壤钙镁
受土壤母质、土壤的形成过程、土壤中有机质的风化
程度及淋溶作用等因素的影响[20],变异系数较高,
分别为 45.60%和 21.90%;而钙由于受植物和水分运
动的影响较镁大[16],其变异系数大于 MgO。 铁铝的
聚集显示,在土壤的淋溶、迁移过程中,铁铝氧化物
逐渐聚集。
经典统计很好地描述了土壤矿物质含量的总体
2235 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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变化特征,概括了土壤矿物质变化的全貌,但无法反
映其局部的变化特征,不能定量描述随距离而产生
的空间变异及分布,需要进一步用地统计学方法进
行分析研究。 通过对偏度、峰度的观测及采用 K鄄S
法进行非参数检验,在 5%的水平下,峡谷型喀斯特
区坡地土壤矿质养分除 Fe2O3和 CaO 分别需要进行
平方和倒数转换后,均服从正态分布。
表 1摇 土壤矿物质的描述性统计分析
Table 1摇 Results of soil minerals for descriptive statistics and K鄄S tests
土壤矿物质
Soil minerals
最小值
Min.
/ %
最大值
Max.
/ %
均值
Mean
/ %
标准差
Standard
variance
变异系数
Variance
/ %
偏度
Skew
峰度
Kurtosis
K鄄S值
Value of
K鄄S test
SiO2 29.85 78.90 49.93 5.15 10.32 0.359 6.937 0.091
Al2O3 8.35 29.20 12.99 3.12 24.03 1.733 6.636 0.123
Fe2O3 2.96 10.05 6.99 1.59 22.69 -0.678 0.100 0.047
Fe2O3* 8.76 101.02 51.35 20.73 40.36 -0.089 -0.323 0.710
CaO 0.40 3.31 1.08 0.49 45.60 2.309 5.631 <0.01
CaO# 0.30 2.50 1.05 0.33 30.99 0.372 2.69 0.283
MgO 0.51 1.39 0.90 0.20 21.90 0.336 -0.603 0.126
MnO 0.16 2.49 1.28 0.53 41.31 0.106 -0.735 0.509
摇 摇 *数据经过平方转换后服从正态分布;#数据经过倒数转换服从正态分布
2.2摇 峡谷型喀斯特区坡地土壤矿物质含量半变异
函数
如表 2 和图 2 可看出,峡谷型喀斯特区坡地土
壤矿物质 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、MnO 半变异
函数的最佳拟合模型均为指数模型,决定系数 R2在
0.026—0.952之间,结合残差平方和值(RSS),说明
理论模型较好地反映土壤矿物质含量的空间结构
特征[21]。
表 2摇 峡谷型喀斯特坡地土壤矿物质半方差函数的模型类型及参数
Table 2摇 Semivariogram theoretical models and parameters for soil minerals
土壤矿物质
Soil minerals
模型
models
块金值
C0
基台值
C0+C
块金值 /基台值
C0 / (C0+C) /%
变程
A / m
拟合优度
R2
残差平方和
RSS
SiO2 指数 3.21 27.64 11.6 34.8 0.465 8.44
Al2O3 指数 4.25 9.88 43.0 210.3 0.876 1.44
Fe2O3 指数 1.00 354.3 3.0 68.4 0.895 1363
CaO 指数 0.0046 0.1002 3.0 25.5 0.026 0.0006
MgO 指数 0.0029 0.0389 7.5 48.9 0.630 0.00003
MnO 指数 0.137 0.314 43.6 195.9 0.952 0.00049
摇 摇 一般认为,块金值与基台值的比值 C0 / ( C0+C)
<25%时,空间变量为强烈的空间自相关,在 25%—
75%之间时,为中等空间自相关;>75%为弱空间自
相关[15]。 由表 2可看出,矿物质元素含量的块金值
与基台值比(C0 / (C0 +C))在 3.0%—43.6%之间,除
Al2O3和 MnO外均小于 25%,表明 SiO2、Fe2O3、CaO、
MgO均具有强烈的空间相关性。 Al2 O3和 MnO 的
C0 / (C0+C)分别为 43.0%和 43.6%,在 25%—75%之
间,为中等空间自相关,均主要受结构因子影响。 变
程(A)反映指标的有效自相关距离,研究区 Al2O3和
MnO的变程较大且接近,分别为 210.3 和 195.9 m,
空间连续性较好,其他 4 种矿物质的变程在 25.5—
68.4 m之间,空间依赖性较强。
2.1.3摇 土壤矿物质的空间插值分析
为了能更直观地反映研究区土壤矿物质参数的
空间分布特征, 根据半变异函数模型, 利用
ArcGIS9郾 2软件进行 Kriging 插值分析,分别绘制土
壤 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、MnO 的空间分布格
局图(图 3)。 从中可以看出,研究区各土壤矿物质
均具不同的空间分布格局。 SiO2和 MnO具有相似的
空间分布,斑块较大,受坡位和人为干扰的共同影
响,坡顶含量较高,坡脚含量较低,而 MnO 在南下坡
3235摇 18期 摇 摇 摇 李莎莎摇 等:西南峡谷型喀斯特区坡地土壤矿物质的空间分布特征 摇
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出现高值区。 Fe2O3、CaO 和 MgO 的空间分布也相
似,斑块较破碎,主要受地形的影响,Fe2O3、MgO 西
南方坡脚的含量最低。 Al2O3的空间变化较平缓,斑
块较大,呈单峰分布,沿海拔的升高而升高。
图 2摇 土壤矿质养分的半方差函数图
Fig.2摇 Semivariograms of soil mineral substances
3摇 结论与讨论
3.1摇 讨论
土壤是形态和演化过程都十分复杂的自然综合
体,受气候、生物、母质、地形、成土时间等成土因素
的影响,具有复杂性和时空变异性的特点[22]。 土壤
矿物质是土壤非常重要的组成部分,其化学组成与
成土条件和成土过程密切相关,受成土母质、气候、
地形等结构因子和生物、人为作用等随机因子的综
合影响。 峡谷型喀斯特区坡地土壤主要成土母质为
碳酸盐岩,主要为石灰岩,岩石广泛出露的地层 95%
以上是石岩系的石灰岩。 石灰岩的化学组成为
CaCO3,CaO 质量分数高达 54. 3%,岩石中 SiO2和
Al2O3的质量分数很低,仅为 1.2%—2%。 岩石在化
学溶蚀过程中极易形成重碳酸钙、重碳酸镁并随雨
水流失[23]。 研究区地处亚热带湿润季风气候区,常
年高温多雨,形成了的潮湿生态环境,加速了岩石的
溶蚀过程,CaO 和 MgO 的质量分数反而很低,仅为
1.08%和 0郾 90%,变异系数较高。 SiO2的质量分数达
49.93%,且变异最小 10.32%,Al2O3为 12.99%,变异
系数为 24郾 03%,没有出现相同气候带下的地带性红
壤明显的脱硅富铝化现象,这是由于岩石溶蚀过程
中产生的重碳酸钙 /镁减缓了脱硅富铝作用和硅酸
盐结晶不易流失所致[16]。
与喀斯特木论自然保护区典型峰丛洼地土壤矿
物质相比[16],西南峡谷型喀斯特坡地土壤矿物质
SiO2、CaO、MgO含量较低,Al2O3、Fe2O3、MnO 含量较
高,表明喀斯特不同区域土壤矿物质含量也不相同,
尽管其土壤母质一致,但因其植被类型、人为干扰强
度所致。 土壤矿物质的组成在一定程度上反映了土
壤石漠化的类型和强度[5, 24鄄25]。 一般来说,土壤
SiO2> 70%、CaO>5.0%、Fe2O3 <4.0%、MgO<0.9%表
明产生了石漠化现象,土壤 SiO2 < 65%、 Fe2 O3 >
7郾 0%、MgO> 1.0%尚未发生石漠化,且随着石漠化
的加重,土壤中 SiO2明显升高,Al2O3、Fe2O3、CaO、
MgO等成分不断降低[26]。 研究区土壤矿物质的组
成,满足 SiO2<65%、Fe2O3>7.0%,但 MgO<1.0,也意
味着研究区虽然尚未发生石漠化,但属于潜在石漠
化阶段。 研究区于 2008 年开始实施退耕还林还草
养羊,人为干扰停止 3a 后,各种矿物质含量渐趋合
理,石漠化治理初见成效,还应继续减少人为干扰,
加强退耕还林还草工程的实施与植被的快速恢复,
保障石漠化治理成果。
西南峡谷型喀斯特坡地土壤矿物质含量半变异
函数的最佳拟合模型均为指数模型。 决定系数 R2很
高或 RSS很小,说明拟合模型能较好地反映土壤矿
质元素的空间结构特征。 土壤矿质元素的块金值与
基台值比(C0 / (C0 +C))在 3.0%—43.6%之间,呈中
等或强烈的空间自相关,空间变异主要由结构性因
素引起[19鄄20]。 变程(A)的变化很大,Al2O3和 MnO的
4235 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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变程较大且接近,分别为 210.3和 195.9 m,空间连续
性较好;其他 4 种矿物质的变程在 25.5—68.4 m 之
间,空间依赖性较强。 Kriging等值线图表明,研究区
各土壤矿物质具有不同的空间分布格局。 SiO2和
MnO具有相似的空间分布,斑块较大,坡顶含量较
高,坡脚含量较低,MnO 在南下坡还出现了高值区;
Fe2O3、CaO和 MgO的空间分布也相似,斑块较破碎,
主要受地形的影响;Al2O3斑块较大,呈单峰分布,沿
图 3摇 土壤矿物质 Kriging等值线图
Fig.3摇 Kriging maps of spatial distribution of soil minerals
5235摇 18期 摇 摇 摇 李莎莎摇 等:西南峡谷型喀斯特区坡地土壤矿物质的空间分布特征 摇
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海拔的升高而升高。
以贵州为中心连带成片的我国西南喀斯特地区
是世界三大岩溶区域之一,受地球内动力、强烈的地
质运动、高温多雨且分布不均、碳酸盐岩溶蚀性强、
水文二维结构明显等限制特点的影响,具有天然的
高度异质性和脆弱性,环境容量小,极易退化,一旦
退化难以恢复[27鄄28]。 近年来,在人口迅速增长和人
地矛盾尖锐的影响下,形成了以强烈的人为干扰为
驱动力、以植被减少为诱因、以土地生产力退化为本
质的复合退化状况,大面积的森林已退化成灌丛或
草丛,部分地带完全石漠化[29鄄30]。 土壤矿物质作为
土壤固体组成的主要成分更易流失,因此,减少干
扰,同时实施退耕还林还草工程、增加植被覆盖将对
土壤矿物质具有良好的保持和调控作用,将促进喀
斯特脆弱生态系统植被的迅速恢复和生态重建。
3.2摇 结论
(1)峡谷型喀斯特区坡地土壤矿物质中 SiO2含
量占绝对优势,Al2O3次之,二者占了土壤矿物质含
量的 85.99%;矿物质含量顺序依次为 SiO2 >Al2O3 >
Fe2O3>MnO >CaO >MgO,各矿物质含量的变异系数
不大,均在 10.32%—45.60%之间。
(2)地统计分析结果表明,峡谷型喀斯特区坡地
土壤矿物质 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、MnO 半变
异函数的最佳拟合模型均为指数模型,呈中等或强
烈空间自相关,主要受结构性因子的影响,其中 Fe2
O3、CaO受结构因子影响最大;Al2O3和 MnO 的变程
较大,空间连续性较好,其它矿物质的变程较小且相
近,空间依赖性较强。
(3)Kriging 等值线图更直观、深刻地反映了研
究区 6 种土壤矿物质在水平空间上的分布特征,峡
谷型喀斯特区土壤 SiO2和 MnO 具有相似的空间分
布,受坡位和人为干扰共同影响,基本呈现坡顶高、
坡脚低的分布格局,MnO 在南下坡还出现高值区;
Fe2O3、CaO和 MgO的空间分布也相似,斑块较破碎,
主要受地形的影响;Al2O3的空间格局呈单峰分布,
沿海拔的升高而升高。
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