全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 员圆期摇 摇 圆园员源年 远月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
中国景观生态学发展历程与未来研究重点 陈利顶袁李秀珍袁傅伯杰袁等 渊猿员圆怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市景观格局演变的水环境效应研究综述 黄摇 硕袁郭青海 渊猿员源圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
多功能景观研究进展 汤摇 茜袁丁圣彦 渊猿员缘员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
空间形态受限型城市紧凑发展研究要要要以厦门岛为例 黄摇 硕袁郭青海袁等 渊猿员缘愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
紫金山森林公园降温效应影响因素 闫伟姣袁孔繁花袁尹海伟袁等 渊猿员远怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市公园景观空间结构对其热环境效应的影响 冯悦怡袁胡潭高袁张力小 渊猿员苑怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 韵宰粤的低丘缓坡建设开发适宜性评价要要要以云南大理白族自治州为例
刘焱序袁彭摇 建袁韩忆楠袁等 渊猿员愿愿冤
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生态安全条件下土地利用格局优化要要要以皇甫川流域为例 喻摇 锋袁李晓兵袁王摇 宏 渊猿员怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎
新疆玛纳斯河流域 圆园园园要圆园员园年土地利用 辕覆盖变化及影响因素 刘金巍袁靳甜甜袁刘国华袁等 渊猿圆员员冤噎噎噎
基于 郧陨杂和 砸杂的赣江上游流域土地利用动态趋势分析 鲁燕飞袁彭摇 芳袁万摇 韵袁等 渊猿圆圆源冤噎噎噎噎噎噎噎
员怨缘源要圆园员园年三江平原土地利用景观格局动态变化及驱动力 刘吉平袁赵丹丹袁田学智袁等 渊猿圆猿源冤噎噎噎噎
基于斑块评价的三峡库区腹地坡耕地优化调控方法与案例研究 王永艳袁李阳兵袁邵景安袁等 渊猿圆源缘冤噎噎噎噎
贵州省山地鄄坝地系统土地利用与景观格局时空演变 李阳兵袁姚原温袁谢摇 静袁等 渊猿圆缘苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
中国西南地区土地覆盖情景的时空模拟 李摇 婧袁范泽孟袁岳天祥 渊猿圆远远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于移动窗口法的岷江干旱河谷景观格局梯度分析 张玲玲袁赵永华袁殷摇 莎袁等 渊猿圆苑远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于植被覆盖度的藏羚羊栖息地时空变化研究 赵海迪袁刘世梁袁董世魁袁等 渊猿圆愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
西南峡谷型喀斯特坡地土壤微生物量 悦尧晕尧孕 空间变异特征 范夫静袁黄国勤袁宋同清袁等 渊猿圆怨猿冤噎噎噎噎噎
峡谷型喀斯特不同生态系统的土壤微生物数量及生物量特征 谭秋锦袁宋同清袁彭晚霞袁等 渊猿猿园圆冤噎噎噎噎噎
长三角地区土地利用时空变化对生态系统服务价值的影响 刘桂林袁张落成袁张摇 倩 渊猿猿员员冤噎噎噎噎噎噎噎
基于视觉廊道的青藏铁路沿线旅游动态景观评价 张瑞英袁席建超袁姚予龙袁等 渊猿猿圆园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 砸杂与 郧陨杂的农村居民点空间变化特征与景观格局影响研究 任摇 平袁洪步庭袁刘摇 寅袁等 渊猿猿猿员冤噎噎噎
生态系统保护现状及保护等级评估要要要以江西省为例 樊乃卿袁张育新袁吕一河袁等 渊猿猿源员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
崇明东滩盐沼植被变化对滩涂湿地促淤消浪功能的影响 任璘婧袁李秀珍袁杨世伦袁等 渊猿猿缘园冤噎噎噎噎噎噎噎
基于气候尧地貌尧生态系统的景观分类体系要要要以新疆地区为例 师庆东袁王摇 智袁贺龙梅袁等 渊猿猿缘怨冤噎噎噎噎
黄土丘陵沟壑区景观格局演变特征要要要以陕西省延安市为例 钟莉娜袁赵文武袁吕一河袁等 渊猿猿远愿冤噎噎噎噎噎
不同干扰背景下农业景观异质性要要要以巩义市为例 张晓阳袁梁国付袁丁圣彦 渊猿猿苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
山西高原草地景观的数量分类与排序 张先平袁李志琴袁王孟本袁等 渊猿猿愿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
山区夏季地表温度的影响因素要要要以泰山为例 孙常峰袁孔繁花袁尹海伟袁等 渊猿猿怨远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
典型岩溶洼地土壤水分的空间分布及影响因素 张继光袁苏以荣袁陈洪松袁等 渊猿源园缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于移动窗口法的豫西山地丘陵地区景观异质性分析 李栋科袁丁圣彦袁梁国付袁等 渊猿源员源冤噎噎噎噎噎噎噎噎
桂西北喀斯特区域植被变化趋势及其对气候和地形的响应 童晓伟袁王克林袁岳跃民袁等 渊猿源圆缘冤噎噎噎噎噎噎
喀斯特与非喀斯特区域植被覆盖变化景观分析要要要以广西壮族自治区河池市为例
汪明冲袁王兮之袁梁钊雄袁等 渊猿源猿缘冤
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不同干扰背景下景观指数与物种多样性的多尺度效应要要要以巩义市为例
董翠芳袁梁国付袁丁圣彦袁等 渊猿源源源冤
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石栎鄄青冈常绿阔叶林土壤有机碳和全氮空间变异特征 杨摇 丹袁项文化袁方摇 晰袁等 渊猿源缘圆冤噎噎噎噎噎噎噎
湘中丘陵区南酸枣阔叶林群落特征及群落更新 易摇 好袁邓湘雯袁项文化袁等 渊猿源远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 砸月云晕的桂西北喀斯特区植被碳密度空间分布影响因素分析 张明阳袁王克林袁邓振华袁等 渊猿源苑圆冤噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿缘圆鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿远鄢圆园员源鄄园远
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 空间发展受限城市的厦门要要要在我国城市化进程中袁中小城市在城镇体系建设中处于中间环节袁起到了联系大城市
和小城镇的作用遥 但是袁每个城市由于发展历史尧社会经济结构尧自然地理形态等因素的不同袁都有其发展的特性袁
这些问题都必须要因地制宜地去把握遥 例如袁厦门岛相对隔离袁没有多余的发展空间袁该城市以居住功能为主袁城市
功能较为单一袁公共服务功能和商业服务功能比例较小遥 研究这样紧凑型的城市发展必须要考虑该城市结构转换
的承受力袁周边社会经济环境以及居民的生活习惯等遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 12 期
2014年 6月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.12
Jun.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家林业局林业公益性行业专项项目(201304317);国家自然科学基金资助项目(31170426)
收稿日期:2014鄄01鄄23; 摇 摇 修订日期:2014鄄04鄄23
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: xiangwh2005@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201401230170
杨丹,项文化,方晰,樊纲惟,许玉庆,文丽,邹丽梅.石栎鄄青冈常绿阔叶林土壤有机碳和全氮空间变异特征.生态学报,2014,34(12):3452鄄3462.
Yang D, Xiang W H, Fang X, Fan G W, Xu Y Q, Wen L, Zou L M.Spatial heterogeneity of soil organic carbon and total nitrogen concentrations in a
Lithocarpus glaber鄄Cyclobalanopsis glauca evergreen broadleaved forest.Acta Ecologica Sinica,2014,34(12):3452鄄3462.
石栎鄄青冈常绿阔叶林土壤有机碳和
全氮空间变异特征
杨摇 丹1,2,项文化1,3,*,方摇 晰1,2,3,樊纲惟1,2,许玉庆1,2,文摇 丽1,2,邹丽梅1,2
(1. 中南林业科技大学生命科学与技术学院, 长沙摇 410004;2. 南方林业生态应用技术国家工程实验室,长沙摇 410004;
3. 湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站, 会同摇 438107)
摘要:在 1hm2(100 m伊100 m)石栎(Lithocarpus glaber)鄄青冈(Cyclobalanopsis glauca)常绿阔叶林内 100个 10 m伊10 m小样方的中
心位置,按 0—10 cm、10—20 cm和 20—30 cm土层采集土壤样品,测定土壤有机碳(C)和全氮(N)含量。 基于区域化变量理论
和地质统计软件(GS+ Version 9)的空间分析功能,应用地统计学的半方差函数定量研究该常绿阔叶林土壤有机 C和全 N的空
间变异特征。 结果表明:该林地土壤有机 C含量平均值为 18.61 g / kg,变化范围为 9.53—39.40 g / kg,全 N含量平均值为 1.63 g /
kg,变化范围为 0.73—3.32 g / kg。 土壤有机 C半方差函数的理论模型符合球状模型,全 N 半方差函数的理论模型符合高斯模
型。 土壤有机 C和全 N的空间异质性主要是由结构性因素引起的,且空间自相关程度均为中等程度。 分形维数反映了有机 C
和全 N空间格局差异及尺度依赖特征,有机 C分形维数较大,空间格局比全 N 略为复杂。 采用 Kriging 插值方法,1hm2森林内
土壤有机 C和全 N具有相似的空间分布格局,呈现明显的条带状和斑块状的梯度变化。 土壤有机 C 含量与海拔、凹凸度呈负
相关,但相关性不显著,与林地凋落物量呈极显著正相关。 土壤全 N 含量与海拔、凹凸度呈显著负相关,与林地凋落物量呈正
相关,反映出土壤 N的淋溶特性。
关键词:地统计学;土壤有机碳;土壤养分;空间异质性;亚热带;常绿阔叶林
Spatial heterogeneity of soil organic carbon and total nitrogen concentrations in a
Lithocarpus glaber鄄Cyclobalanopsis glauca evergreen broadleaved forest
YANG Dan1,2, XIANG Wenhua1,3,*, FANG Xi1,2,3, FAN Gangwei1,2, XU Yuqing1,2, WEN Li1,2, ZOU Limei1,2
1 Faculty of Life Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China
2 National Engineering Laboratory of Applied Technology for Forestry & Ecology in Southern China, Changsha 410004, China
3 Huitong National Field Station for Scientific Observation and Research of Chinese Fir Plantation Ecosystem in Hunan Province, Huitong 438107, China
Abstract: Subtropical evergreen broadleaved forests play an important role in regional carbon balance and sustainable
development owing to their highest productivity, diverse ecosystem functions and complex habitat for abundant biological
diversity in southern China. Spatial heterogeneity of soil nutrients in subtropical forests can provide useful information for
understanding the spatial pattern of plants and for explaining to some extent, coexistence mechanism of diverse tree species.
To investigate spatial variations in soil nutrients and the causes of the variations, soil samples at 0—10 cm, 10—20 cm and
20—30 cm depth were collected at the center of each 10 m伊10 m quadrat within 1 hectare permanent plot of Lithocarpus
glaber鄄Cyclobalanopsis glauca subtropical evergreen broadleaved forest. Soil organic C and total nitrogen (N) concentrations
were determined for all samples. Based on regional variable theory and spatial analysis functions of GS+ Version 9, spatial
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heterogeneity of soil organic C and total N concentrations was examined by using semivariogram of geostatistics. The results
showed that averaged soil organic C concentration was 18.61 g / kg, ranging from 9.53 to 39.40 g / kg, and the average value
of total N concentration was 1.63 g / kg with a range between 0.73 and 3.32 g / kg. Theoretical semivariogram model of soil
organic C approached spherical model while the best semivariogram model of total N was close to Gaussian model. The
spatial variability of soil nutrient primarily resulted from the structural factors and the spatial heterogeneity degree of those
indices was moderate. Fractal dimensions from log鄄log semivariograms quantitatively described spatial pattern differences and
scale dependence of the soil organic C and total N. Fractal dimension was high for soil organic C, so soil organic C spatial
structure had strong scale dependence with a complex spatial pattern. Kriging was used to analyze the spatial distribution of
soil nutrients. Spatial distribution patterns of soil organic C and total N concentrations similarly revealed an apparent belt鄄
shaped and spot massive gradient change. Within the plot, soil organic C concentration was negatively correlated with
topographic factors ( i. e. elevation and convexity), but the relationship was not significant. Soil organic C showed very
significantly a positive relationship with litter biomass. Total soil N concentration exhibited a significant negative relationship
with topographic factors, however, positive relationship was found between total soil N and litter, indicating leaching
characteristics of soil N. Spatial variations in soil organic C and total N highlight the importance of vegetation and litter
protection in the hilly area of subtropical China.
Key Words: geostatistics; soil organic carbon; soil nutrient; spatial heterogeneity; subtropical region; evergreen
broadleaved forest
摇 摇 土壤有机碳(C)和氮(N)是陆地生态系统重要
养分库,构成地球生物化学循环的关键环节,同时也
是生态系统中重要的生态因子,影响植物的生长发
育。 土壤有机 C和 N 含量与土壤结构密切相关,反
应土壤质量[1]。 由于土壤有机 C 和 N 贮量较大,其
动态变化在土壤生产力和全球 C、N循环中起着十分
重要的作用[2鄄3]。 因此,对土壤有机 C 和全 N 含量
变化及影响因子的深入研究可为了解区域性森林生
态系统的土壤养分、森林 C 库管理和可持续经营提
供科学依据。
土壤养分特性受母质、气候、生物、地形、发育时
间和人为活动等多种因素的影响,常表现为缀块性
或梯度分布格局,具有高度的空间变异性[4],土壤养
分的空间变异性是土壤重要的属性。 在一个质地较
为均匀的区域内,处于同一时间、不同地点的土壤养
分,除去采样和测定的误差外,还由于土壤本身特性
的变化,导致土壤养分存在明显的差异,这种变化称
为土壤的空间异质性或土壤的空间变异性[5鄄6]。 土
壤空间异质性是多种或多层次结构的叠加[7],在不
同尺度上研究土壤养分的空间异质性,对于了解土
壤的形成过程、结构和功能、植物与土壤的关系(如
植被更新过程、土壤养分和水分对根系的影响以及
植物的空间格局等)具有十分重要的理论意义[8],有
利于提高土壤取样观测结果的准确性。
国内外在土壤养分空间异质性方面的研究已
取得了一些成果[9鄄14],并对土壤养分空间异质性的
应用地域和研究内容进行了扩展。 研究表明,土地
利用方式和地形因素对土壤有机 C和全 N有显著影
响[15],植被的不同演替阶段对土壤养分也有较大影
响[16]。 土壤养分的异质性是影响植物群落空间格
局的重要因素[17]。 我国亚热带常绿阔叶林具有生
物多样性丰富、生产力较高和生境复杂等特点,在维
持区域碳平衡和可持续发展等方面发挥着重要作
用[18]。 石栎鄄青冈常绿阔叶林是我国南方保存较少
的典型地带性植被,多分布在边远山区或丘陵地区。
由于其树种组成丰富多样[19],分布区的地形复杂多
变,林内土壤养分的空间异质性会更高,但在森林群
落尺度上研究土壤养分的空间异质性较少[20]。 因
此,本研究在森林群落尺度上分析石栎鄄青冈常绿阔
叶林土壤有机 C和全 N 的空间变异特征,探讨地形
因子(如海拔高程、凸凹度)、树种因素(如凋落物
量、株数、物种数)在引起土壤养分空间变异中的作
用,为进一步揭示亚热带森林群落物种多样性维持
和共存机理、维护土壤肥力以及森林科学经营提供
理论依据,也为不同尺度上土壤养分的空间插值、制
图和土壤研究取样设计等方法方面提供参考。
3543摇 12期 摇 摇 摇 杨丹摇 等:石栎鄄青冈常绿阔叶林土壤有机碳和全氮空间变异特征 摇
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1摇 研究区概况
本研究在湖南省长沙县大山冲国有林场(28毅
23忆58义—28毅24忆58义N,113毅17忆46义—113毅19忆08义E)进
行,研究区属中亚热带东南季风气候,气候温和,降
水充沛,雨热同期,相对湿度较大。 年平均气温为
16.6—17.6益,最冷月(1 月)的平均气温为-3.2益,
最热月(7 月)的平均气温为 39. 8益,年降雨量为
1200—1600mm,主要集中在夏初,冬季严寒少雨[21]。
该林场属幕阜山余脉西部边缘的湘中丘陵地区,土
壤为板岩和页岩发育而成红壤土。
2摇 研究方法
2.1摇 样地设置
2013年 3—4月在该林场内的石栎鄄青冈常绿阔
叶林选择代表性地段,建立面积为 1hm2 ( 100m 伊
100m)的固定样地,样地海拔为 71—128 m,坡向为
西北向,坡度为 22毅,样地分为 100个 10m伊10m的小
样方(图 1),对样地内胸径大于 1cm 的所有植物进
行挂牌编号,记录植物种类,测定胸径、树高、枝下高
和冠幅,石栎鄄青冈常绿阔叶林群落的基本特征见
表 1。
图 1摇 石栎鄄青冈常绿阔叶林 1hm2样地的等高线及采样点位置
图(样点“+冶,总数 n= 100)
Fig. 1 摇 Contour map and samplings location of 1 hectare
permanent plot of the Lithocarpus glaber鄄Cyclobalanopsis glauca
forest (“+冶 represents the sampling position, total number= 100)
表 1摇 石栎鄄青冈常绿阔叶林群落特征
Table 1摇 Stand characteristics of the Lithocarpus glaber鄄Cyclobalanopsis glauca forest
序号
No.
种名
Tree species
密度
Density /
(株 / hm2)
平均胸径
Average diameter
at breast height
(DBH) / cm
平均树高
Average
height /
m
重要值
Important
value
1 石栎 Lithocarpus glaber 1802 10.4 9.6 25.60
2 青冈 Cyclobalanopsis glauca 473 12.8 10.5 11.22
3 马尾松 Pinus massoniana 146 18.1 14.2 7.31
4 红淡比 Cleyera japonica 529 5.9 5.8 6.69
5 杉木 Cunninghamia laceolata 303 8.9 8.6 5.89
6 南酸枣 Choerospondias axillaris 83 19.3 13.5 5.36
林分总计 Whole stand 4797 12.6 10.4 100
2.2摇 土壤样品采集及化学分析
2013 年 9—10 月,用土壤钻 (内径 5cm,高
10cm)在 1hm2固定样地内的每个小样方 ( 10m 伊
10m)的中心按 0—10cm、10—20cm 和 20—30cm 土
层采集土壤样品,同时在中心附近设置 50cm伊50cm
小样方,分未分解、半分解和已分解层采集样方内所
有的凋落物,称重后取 1kg 的凋落物样品装入布袋,
带回实验室进行分析。 如果中心位置有树木或大的
石块,采样点进行适当移动,记录采样的空间坐标
(图 1)。 在 100 个小样方内的 3 个土层共采集 300
个土壤样品,带回实验室风干、研磨,过 100 目筛后
进行化学分析。 凋落物样品放入烘箱于 80益烘箱内
烘干至恒重,取出后称其干重,用干重推算单位面积
林地凋落物的生物量(kg / m2)。 土壤有机 C 用浓硫
酸-重铬酸钾水合加热容量法测定,全 N用半微量凯
氏法测定[22]。
2.3摇 数据统计分析和插值
计算固定样地内土壤有机 C和全 N含量的最大
4543 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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值、最小值、平均值、误差值和变异系数,用 PAWS
Statistics 18软件对数据进行 K鄄S 正态分布检验。 用
半方差函数分析土壤有机 C和全 N含量的空间变异
特征。 通过半方差函数得到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、高斯模型和线性模型等理论模型进行拟合[6]。
根据残差平方和(RSS)来判断散点图最适合的理论
模型,残差平方和越小,模型拟合精度越高[23]。 模
型拟合能获取 3 个评价空间变异程度的重要参数:
块金值 (C0 )、基台值 (C0 +C)和变程 ( A0 )。 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。
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。 本研究用域法来识别特异值[24]。
域法即样本平均值加减 3倍标准差 s,在此区间( 軃x 依
3s)之外的数据为特异值。
半方差函数计算公式:
摇 酌(h) = 1
2 ( )N h 移
n
i = 1
Z x( )i - Z xi +( )[ ]h
2
(1)
式中,酌(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[25]。 半方差函数中的 h 和 酌(h)在双对数坐标的
回归曲线,可以确定土壤养分空间分维数 D。 分维
数是一个无量纲数,计算公式为:
D = 2 - m / 2 (2)
式中,m是变异函数值相应取样间距的双对数线性
回归方程的斜率[11]。 m 越大,分形维数越小,双对
数半方差图的直线越陡,空间格局的空间依赖性越
强,结构性越好,空间格局相对简单。 因此,分形维
数可以反映土壤有机 C和全 N含量空间格局的尺度
及层次性和空间异质性在不同尺度上的相互关系等
信息,分析不同尺度上生态因子场的差异[11,26鄄27]。
本研究根据地统计学分析中得到表达土壤养分
空间异质性特征的最适合模型类型及其相应参数
(块金值、基台值和变程等),用 Kriging 插值法[23]对
土壤有机 C和全 N进行空间插值。 半方差函数拟合
和空间插值的软件为 GS+ Version 9(Gamma Design
Software, 2008),设定插值结果的空间分辨率为 10m
伊10m。
选取海拔和凹凸度作为地形因子,各小样方的
海拔为小样方 4 个角海拔的平均值,凹凸度为小样
方海拔减去该样地相邻的 8 个小样方海拔的平均
值,处于样地边缘的小样地凹凸度为小样方中心的
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[28]。
通过相关分析,分析各 10m伊10m 小样方的地形因
子、凋落物量对各层土壤有机 C和全 N含量的影响,
统计分析在 JMP 统计软件中进行。
3摇 结果与分析
3.1摇 土壤有机 C 和全 N 含量统计特征及正态性
检验
石栎鄄青冈常绿阔叶林 0—30cm 层土壤有机 C
含量平均值为 18.61 g / kg,均值范围为 9.53—39.40
g / kg,其中 0—10cm 层为 9. 63—62. 09 g / kg, 10—
20cm层为 9.66—39.67 g / kg,20—30cm 层为 7.33—
32.62 g / kg。 0—30cm 层土壤全 N 含量平均值为
1郾 63 g / kg,均值范围为 0. 73—3. 32 g / kg,其中 0—
10cm层的为 0.65—4.29g / kg,10—20cm 层为 0.74—
3.37g / kg, 20—30cm 层为 0. 36—2. 87g / kg (表 2)。
0—30cm层土壤有机 C和全 N含量的变异系数分别
为 30.68%和 29.45%,均达到了中等强度变异。 土壤
有机 C的变异系数随着土层深度增加而减小,全 N
的变异系数在 10—20cm层最小(表 2)。
K鄄S正态性检验结果表明,20—30cm 层和 0—
30cm层的土壤有机 C含量数据为非正态分布,全 N
含量为正态分布。 经域法检验,土壤有机 C (0—
30cm)样本中没有特异值,全 N(0—30cm)中有一个
特异值,用正常最大值 3.00g / kg 代替。 0—10cm 层
有机 C样本中有 1个特异值,用正常最大值 43.05g /
kg代替;10—20cm层有机 C 样本中有 1 个特异值,
用正常最大值 33.51 g / kg;20—30cm 层有机 C 样本
中有 2个特异值,用正常最大值 29. 31 g / kg 代替。
0—10cm层全 N的样本中有 1 个特异值,用正常最
大值 3. 81g / kg 代替;10—20cm 样本中有 1 个特异
值,用正常最大值 3.02 g / kg;20—30cm 样本中有 2
个特异值,用正常最大值 2.74 g / kg 代替。 对数转换
后,土壤有机 C 数据服从正态分布(表 2),可进行空
间变异的地统计分析。
5543摇 12期 摇 摇 摇 杨丹摇 等:石栎鄄青冈常绿阔叶林土壤有机碳和全氮空间变异特征 摇
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表 2摇 土壤有机 C和全 N含量 的统计特征(n= 100)
Table 2摇 Descriptive statistical characteristics of soil organic C (SOC) and total N concentrations (n= 100)
土层 / km
Soil depth
指标
Items
最小值
Minimum
最大值
Maximum
平均值
Average
标准差
Standard
deviation
变异系数 / %
Variance
coefficient
K鄄S检验
P值
P value of
K鄄S test
转换后
Data
transformation
0—10 土壤有机 C(SOC) 9.63 62.09 23.98 8.49 35.40 0.25
全 N Total N / (g / kg) 0.65 4.29 1.98 0.63 31.82 0.10
10—20m 土壤有机 C(SOC) 9.66 39.67 16.94 5.83 34.42 0.16
全 N Total N / (g / kg) 0.74 3.37 1.61 0.48 29.81 0.24
20—30 土壤有机 C(SOC) 7.33 32.62 14.87 5.02 33.76 0.03 0.45
全 N Total N / (g / kg) 0.36 2.87 1.31 0.48 36.64 0.07
平均 土壤有机 C(SOC) 9.53 39.40 18.61 5.71 30.68 0.04 0.61
Average 全 N Total N / (g / kg) 0.73 3.32 1.63 0.48 29.45 0.08
3.2摇 土壤有机 C和全 N含量的空间异质性分析
半方差分析中样本间距 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[26]。 本研究中样本间距 h 的变化范
围取最大间距的 1 / 2,为 63.71m,步长取最小间距,
为 7.8m。 10—20cm层、0—30cm层的有机 C 含量的
半方差函数符合球状模型,0—10cm 层和 20—30cm
层有机 C符合指数模型(图 2)。 全 N含量的半方差
函数各土层均符合高斯模型(图 3)。 不同土层的土
壤有机 C 和全 N 的空间自相关范围差异较大(表
3),变程为 89.720—365.700m。 土壤有机 C 比全 N
具有较大的空间异质性尺度,可能是因为阔叶林内
树种较多(如阔叶树、针叶树和竹林),在小尺度范围
内影响土壤有机 C和全 N的分布。
图 2摇 土壤有机 C半方差函数理论模型
Fig.2摇 Semivariograms models of soil organic C concentrations
摇 摇 空间异质性由结构方差 C 和块金方差 C0组成。
土壤有机 C 块金值与基台值的比值为 0.300—0.417
(表 3),表明土壤有机 C 由随机因素引起的空间异
质性占总空间异质性的 30.0%—41.7%,主要表现在
7.8m以下的小尺度上;由空间自相关引起的空间异
质性占总空间异质性的 58.3%—70.0%,主要表现在
7.8—365.700m的中尺度范围内。 全 N 块金值与基
台值的比值为 0.342—0.441(表 3),表明全 N由随机
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因素引起的空间异质性占总空间异质性的 34.2%—
44.1%,主要表现在 7.8m以下的小尺度上;由空间自
相关引起的空间异质性占总空间异质性的 55.9%—
65.8%,主要表现在 7.8—110.678 的中尺度范围内。
石栎鄄青冈常绿阔叶林土壤有机 C 和全 N 含量具有
中等程度的空间自相关性(表 3)。
图 3摇 土壤全 N半方差函数理论模型
Fig.3摇 Semivariograms models of total soil N concentrations
表 3摇 土壤有机 C和全 N的半方差函数的模型类型及参数
Table 3摇 Semivariogram theoretical models and parameters for soil organic C (SOC) and total N
土层 / cm
Soil depth
指标
Items
模型
Model
块金值
Nugget
(C0)
基台值
Sill
(C0+C)
块金值 /
基台值
(C0) /
(C0+C)
变程 / m
Range
(A0)
R2
残差
平方和
(RSS)
分维数
Fractal
dimension
(D)
0—10 土壤有机 C(SOC) 指数模型 Exponential model 37.300 109.210 0.342 365.700 0.874 47.100 1.887
全 N Total N 高斯模型 Gaussian model 0.227 0.515 0.441 94.397 0.993 2.065伊10-4 1.816
10—20 土壤有机 C(SOC) 球状模型 15.700 56.080 0.300 181.200 0.847 30.600 1.835
全 N Total N 高斯模型 0.125 0.319 0.392 102.711 0.963 4.015伊10-4 1.795
20—30 土壤有机 C(SOC) 指数模型 0.058 0.139 0.417 258.900 0.838 1.355伊10-4 1.895
全 N Total N 高斯模型 0.123 0.360 0.342 110.678 0.942 8.152伊10-4 1.772
平均 Average 土壤有机 C(SOC) 球状模型 0.042 0.132 0.318 170.500 0.922 7.975伊10-4 1.846
全 N Total N 高斯模型 0.109 0.318 0.343 89.720 0.982 2.897伊10-4 1.744
摇 摇 在半方差函数分析的基础上,各向同性的分维
数分析结果表明,石栎鄄青冈常绿阔叶林土壤有机 C
和全 N含量具有很好的分形特征(表 3)。 土壤指标
抽样分隔距离和变异函数值的双对数曲线具有较高
的线性关系。 土壤有机 C 的分形维数为 1. 835—
1郾 895,土壤全 N 的分维数为 1.744—1.816,土壤有
机 C的分维数均比全 N 的分维数大,表明土壤有机
C 的空间依赖性强,具有良好的结构性。 两者空间
格局存在局部变异,土壤有机 C 的空间格局比全 N
略为复杂。
3.3摇 土壤有机 C和全 N的空间分布格局
基于 Kriging插值法得到石栎鄄青冈常绿阔叶林
土壤有机 C(图 4)和全 N 的空间分布格局(图 5)。
土壤有机 C和全 N呈明显的条带状和斑块状的梯度
变化,在一些小样地内为相似的空间分布格局,说明
在某些小尺度下两者的空间关联性较好。 土壤有机
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C和全 N 的高值均出现在海拔较低的沟谷及小洼 地,低值则出现在山脊地带。
图 4摇 石栎鄄青冈常绿阔叶林土壤有机 C含量的空间分布格局
Fig.4摇 Spatial distribution of soil organic C in the Lithocarpus glaber鄄Cyclobalanopsis glauca forest
3.4摇 土壤有机 C和全 N含量变异的影响因素
土壤有机 C含量与海拔、凸凹度呈负相关,但未
达到显著水平(表 4)。 土壤全 N 含量与海拔呈负相
关,10—20cm层达到极显著水平,其它土层相关性
不显著;土壤全 N 含量与凹凸度呈负相关,0—10cm
层和 0—30cm层均值达到显著水平(表 4)。 表明低
海拔、洼地土壤有机 C 和全 N 含量较高,与 Kriging
插值的空间分布格局一致。 土壤各层有机 C 含量与
凋落物量均呈极显著正相关(表 4)。 土壤全 N 含量
与凋落物量呈正相关,10—20cm层及20—30cm层
表 4摇 土壤有机 C、全 N含量与地形因子、凋落物量及植物因子之间的相关系数
Table 4摇 Correlation soil organic C (SOC) and total N concentrations with topographic factors, stand factors
指标
Items
土层 / cm
Soil depth
海拔
Elevation
凹凸度
Convexity
凋落物量
Litter biomass
株数
Numbers
物种数
Species
土壤有机 C(SOC) 0—10 -0.124 -0.100 0.341** -0.105 -0.173
10—20 -0.166 -0.055 0.386** -0.114 -0.218*
20—30 -0.182 -0.132 0.301** -0.085 -0.153
0—30 -0.171 -0.107 0.388** -0.116 -0.205*
全 N Total N 0—10 -0.127 -0.256* 0.118 -0.096 -0.134
10—20 -0.262** -0.146 0.217* -0.168 -0.180
20—30 -0.121 -0.191 0.208* -0.069 -0.096
0—30 -0.180 -0.222* 0.191 -0.120 -0.150
摇 摇 *表示影响显著(P<0.05),**极显著(P<0.01)
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图 5摇 石栎鄄青冈常绿阔叶林土壤全 N含量的空间分布格局
Fig.5摇 Spatial distribution of total soil N in the Lithocarpus glaber鄄Cyclobalanopsis glauca forest
达到显著水平(表 4)。 可见,土壤有机 C 量受凋落
物量的影响较大,明显受林分树种组成的影响,而土
壤全 N含量受地形因子影响较大,表现出淋溶的特
性。 土壤有机 C和全 N含量与样地内的树木株数呈
负相关,但不显著;10—20cm 土壤有机 C 含量与物
种数呈显著负相关,0—30cm 土壤有机 C 含量与物
种数呈显著负相关。 全 N含量与物种数呈负相关关
系,但不显著(表 4)。
4摇 讨论
土壤养分的空间变异无论是区域尺度还是中小
尺度,都普遍存在[29]。 本研究中,石栎鄄青冈常绿阔
叶林土壤有机 C和全 N 含量均为中等程度变异,随
着土壤深度的增加而呈现出减小的趋势,土壤表层
的变异比下层更加明显。 土壤有机 C 的空间变异程
度较大于全 N的变异程度。 本研究样地中的土壤有
机 C含量平均值(18.61 g / kg),低于亚热带平原湖区
(25.10 g / kg) [30],但略高于亚热带红壤低山地区
(17.75 g / kg)。 土壤全 N 含量平均值(1.63g / kg)略
低于浙江天童山(3.21 g / kg) [31]以及古田山(2.04 g /
kg) [32]。 本研究对象为常绿阔叶林,但在丘陵区微
地形及某些小生境内有针叶树种、落叶树种和竹类
多种植物,多种植物的不均匀分布引起土壤养分含
量空间变异。 这与天童山常绿阔叶林[31]、帽儿山水
曲柳人工林[11]和喀斯特森林[9,33]土壤养分变异性的
研究结果较为一致。 本研究中,土壤有机 C 和全 N
含量的空间变异性,可能对森林群落的树种组成及
其相关的生态功能过程产生一定的影响[32]。
土壤有机 C半方差函数模型为球状模型和指数
模型,变程为 170.500—365.700m,全 N 半方差函数
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模型为高斯模型,变程为 89.720—110.678m,较好反
映了土壤养分的空间分布特征。 有机 C 的空间自相
关范围大于全 N的空间自相关范围,说明石栎鄄青冈
常绿阔叶林土壤养分空间变异特征是结构性和随机
性因素共同作用于有机 C 和全 N 的结果[9,33],包括
小尺度的空间变异、树种组成和凋落物养分归还量
对土壤养分的影响[29]。 本研究林分内土壤有机 C
和全 N的空间分布特征均表现出中等程度的空间自
相关性。 土壤养分有效性各异的斑块在空间上呈镶
嵌分布,随着时间的变化,从而影响植物之间的相互
作用和物种共存[9]。 土壤养分的空间异质性受地形
因子和群落树种组成的影响[33]。 本研究中,海拔与
土壤有机 C、全 N呈负相关,凹凸度与全 N含量呈显
著负相关,凋落物量与土壤有机 C 呈极显著正相关,
与全 N含量相关性未达到显著水平,物种数与有机
C呈显著负相关关系。 说明影响土壤有机 C 和全 N
空间分布的因素较为复杂[15,31鄄33]。 海拔和凹凸度调
控光照、降水的空间再分配、土层厚度及局部小气
候[34],本研究样地中,土壤全 N 受凹凸度的影响较
大,且同一海拔梯度洼地的全 N含量明显高于山脊,
因为地形影响地表径流,进而对养分起到淋溶和汇
聚作用,山脊和坡面的养分(N)容易被淋失带走,因
此土壤 N的空间异质性反映了 N的淋溶特征。 一些
研究表明土壤有机 C含量与凹凸度有关[32],但本研
究中土壤有机 C含量与海拔、凹凸度呈负相关,但未
达到显著水平,可能是因为林下凋落物积累有利于
土壤有机质形成,维持了土壤有机 C 含量。 石栎鄄青
冈常绿阔叶林的林分密度大,树种组成丰富,地上凋
落物和地下细根周转在林分空间尺度上存在异质
性,导致土壤有机 C 的空间变异,随着土壤深度增
加,土壤有机 C含量变异性减少,更说明了凋落物是
影响土壤有机 C的重要因素。
亚热带常绿阔叶林生产力高,植物生物作用强
烈,旺盛的生物积累过程是土壤养分形成和维持的
基础,而土壤养分的空间变异反过来又会作用于植
物的生长发育及空间分布[33]。 研究亚热带常绿阔
叶林的土壤养分空间变异特征,对于维持区域 C 平
衡和提高 C汇功能有着积极作用。 结合土壤养分与
树种之间相互作用机理,揭示植物空间分布格局和
物种共存机理将是今后的重点研究方向。
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2643 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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标准刊号院陨杂杂晕 员园园园鄄园怨猿猿摇 摇 悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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主摇 摇 编摇 王如松
主摇 摇 管摇 中国科学技术协会
主摇 摇 办摇 中国生态学学会
中国科学院生态环境研究中心
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