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(XDA05050205, XDA05070404);国家科技支撑计划(2011BAC09B02);国家自然科学基金项目
(31370485, 31370623, 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@ isa.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201405100951
王淑彬,徐慧芳, 宋同清, 黄国勤,彭晚霞,杜虎.广西森林土壤主要养分的空间异质性.生态学报,2014,34(18):5292鄄5299.
Wang S B, Xu H F, Song T Q, Huang G Q, Peng W X, Du H.Spatial heterogeneity of the main nutrients in Guangxi forest soils.Acta Ecologica Sinica,
2014,34(18):5292鄄5299.
广西森林土壤主要养分的空间异质性
王淑彬1,徐慧芳1,2,3, 宋同清2,3,*, 黄国勤1,彭晚霞2,3,杜摇 虎2,3
(1. 江西农业大学作物生理生态与遗传育种江西省 /教育部重点实验室, 南昌摇 330045;
2. 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;
3. 中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站, 环江摇 547100)
摘要:通过对广西区 7大森林片区的 11个主要森林类型样地土壤养分含量进行分析,利用地统计学方法,研究了广西区森林主
要土壤养分的空间变异状况及分布格局,探讨了其相关的生态学过程,以期为广西区森林分区与林间采取不同措施管理提供科
学依据。 结果表明:广西区森林土壤主要养分基本属于中等变异,速效养分变异大于全量养分,其中 AP、AK 变异程度最大;广
西森林土壤主要养分的半变异函数均表现出一定的空间结构特征,TN、TP、AP 表现为中等强度的空间自相关,TK、AN、AK表现
为强烈的空间自相关;不同土壤养分空间结构不同,Kriging等值线图表明广西区氮素含量比较丰富、K 含量中等、P 含量较少,
北部片区土壤养分含量普遍大于南部片区,这可能与气候、降雨、人工种植森林树种、地形、林地管理措施等有关。
关键词:森林土壤;主要养分;空间变异;地统计学;广西
Spatial heterogeneity of the main nutrients in Guangxi forest soils
WANG Shubin1, XU Huifang1,2,3, SONG Tongqing2,3,*, HUANG Guoqin1, PENG Wanxia2,3, DU Hu2,3
1 Jiangxi Agricultural University / Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Genetic Breeding, Jiangxi Province and Ministry of Education, Nanchang
330045, China
2 Key Laboratory of Agro鄄ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha
410125, China
3 Huanjiang Observation and Research Station of Karst Ecosystem, Chinese Academy of Sciences, Huanjiang, Guangxi Zhuang Autonomous Region
547100, China
Abstract: Soil is a complex natural system with strong spatial heterogeneity of its internal properties. The properties of soil
are strongly varied even at the centimeter scale and the changes in soil properties on a large scale have a pivotal role in the
patterns of ecosystem growth. Soil fertility is one of the most important ecological functions of soil and its spatial layout and
structure directly affects the ability of plants to recover from stress as well as affecting plant height and overall ecosystem
productivity. In the fragile habitats of the Guangxi area, the spatial distribution characteristics of soil nitrogen ( N),
phosphorus (P) and potassium (K) are strongly related to the regional distribution of shrub vegetation. Studies on the
nutrient variability in forest soil of this area will help to understand the plant community structure and ecosystem energy
flows. Forest resources are very rich in the Guangxi area making it one of the most important forest areas in southern China.
Located in the southwest of China, Guangxi s forest is obviously geographically different to the rest of China. In recent
years, the forested area of Guangxi has substantially increased through the introduction of a variety of tree species. This
abundant introduced forest type is beneficial to economic development, but a lack of understanding of the nutrient
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distribution in forest soils in Guangxi has led to poor decisions regarding which tree species to introduce. This, in turn, has
led to a decline in the quality of forest soil, has wasted resources and has limited the development of the forestry industry in
Guangxi. This research investigated the main soil nutrients (N, P and K) of eleven forest types in seven forest districts in
Guangxi. Geostatistics is used to study the spatial variation and pattern of the soil nutrients, and then the ecological
implications of this were discussed to provide a scientific basis for forest division and management decisions in Guangxi. The
results showed that the main forest soil nutrients in Guangxi had an overall medium level of variability but the variability of
the soil available nutrients was larger than soil total nutrients, among which the variability of available P and K were largest.
All the semi鄄variable functions of forest soil nutrients in Guangxi showed distinct spatial structural features. Soil total N and
P and available P performed moderate spatial autocorrelation, while soil total K and available N and K performed strong
spatial autocorrelation. The spatial structures of forest soil nutrients were diverse. The kriging contour maps showed that the
soil N pool was abundant, the K pool was medium and the P pool was relatively low in Guangxi forest soils, and that the
main soil nutrient contents in the north district of Guangxi was larger overall than in the south district. The spatial pattern of
the main soil nutrients in Guangxi forests may be related to climate, precipitation, plantation forest species, topography and
forest management practices and the effect of these factors on soil nutrients requires further investigation.
Key Words: forest soil; main nutrient; spatial variability; geostatistics; Guangxi
摇 摇 森林土壤是一个无比巨大的碳汇,也是一个天
然的肥料库,能有效地协调植物生长所需的水肥气
热等条件,是影响植物生存最为重要的因素之一[1]。
土壤是一个复杂的自然综合体,内部性质存在着强
烈的空间异质性,即使在几厘米的空间距离上其性
质也存在强烈变异[2]。 因此,土壤属性较大尺度的
变化,对森林格局具有决定性作用[3]。 土壤养分的
空间分布特征为精确农业及生态建模提供依据,几
乎所有的分布式水文模型[4]、气候变化模型[5]都需
要土壤养分的空间信息。 土壤肥力是土壤最重要的
生态功能之一,其空间布局与组成结构直接影响着
土壤生产力的高低、生态系统恢复的途径与方向。
在脆弱生境中,土壤 N、P、K 的空间分布特征与灌丛
植被的分布区域具有高度相关性[6鄄7]。 因此,开展森
林土壤养分空间变异的研究对探索森植物群落结构
及其生态系统能量流动具有指导意义[8鄄9]。
广西壮族自治区位于我国西南部,森林资源非
常丰富,是中国南方重要林区之一。 属于低纬度地
区,地处中、南亚热带季风气候区,林种分布地域差
异明显,以北回归线为界,南部为具有热带特点的森
林,北部为亚热带常绿阔叶林。 近年来,森林面积有
了大幅度的增长,通过引入国外树种,森林类型更加
丰富,但缺乏广西区森林土壤养分空间分布规律的
科学认识,优势林种选择的不合理导致森林质量下
降、土壤资源浪费,限制了广西林业的发展。 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,不仅能够有效地揭示属性变量在空间上的分布、
变异和相关特征,而且可以将空间格局与生态过程
联系起来,有效解释空间格局对生态过程与功能的
影响[10鄄12]。 国内外学者广泛应用地统计学研究了不
同尺度上土壤属性的空间变异特征[13鄄16],喀斯特峰
丛洼地森林土壤水分、有机质、矿物质、养分的研究
也不少[17鄄21],但关于区域尺度森林土壤肥力空间变
异的报道甚少。 本文以广西区森林主要土壤养分为
研究对象,用地统计学的空间特征和空间比较定量
化方法,分析广西区森林土壤养分的空间异质性和
分布格局,初步探讨了其生态学过程和机制,为提高
广西区脆弱生态系统土壤肥力、促进该区域植被迅
速恢复与生态重建提供理论依据和参考。
1摇 研究地区概况与研究方法
1.1摇 自然概况
广西壮族自治区位于我国西南部,东经 104毅
26忆—112毅04忆之间,北纬 20毅54忆—26毅24忆之间,属热
带、亚热带地区,气候温暖,日照充足,降水丰富,年
降水量范围为 1080—2760 mm,降水季节分布不均,
有明显的干湿季,4—9月为雨季,总降水量可达到全
年降水量的 70%以上,10 月至次年 3 月是干季。 广
西地势西北较高,由西北向东南倾斜。 河流广布,流
向多与地质构造一致,四周多被山地、高原环绕,呈
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盆地状。 盆地边缘多缺口,桂东北、桂东、桂南沿江
一带有大片谷地。 广西区内土壤类型多样,有 18 个
土类,34个亚类,109 个土属,327 个土种,主要有砖
红壤、赤红壤、红壤、石灰岩土、黄壤、黄棕壤、紫色
土、水稻土等[22]。
广西地处亚热带热带地区,温度从南到北由于
纬度的升高而降低,直接影响着森林植被的分布,呈
现规律性的更替显现。 广西南部以北热带季节性雨
林为主;中部与南部分别以棒科植物的常绿阔叶林
和壳斗科植物为代表的常绿叶林。 广西区森林划分
为 7个片区,天然林以常绿阔叶林为主,亚热带落叶
阔叶林、亚热带针叶阔叶混交林、亚热带针叶林分布
面积也较大。 其中,亚热带针叶阔叶混交林仅在百
色地区有分布。 集中连片的天然阔叶林分布在九万
大山、大瑶山、海洋山、西大明山、猫儿山、富川西岭、
大明山、花坪林区、姑婆山等。 广西的人工林以松、
杉、桉等用材林和油桐、油茶、八角、肉桂、栲胶等经
济林为主。 样地的森林种类在各个地区属于代表性
林种,其中桉树主要分布在桂东南地区,石山林主要
分布于桂西北,杉木主要样地主要分布在桂东北地
区,松类样地主要分布在桂南。
1.2摇 土样采集方法与分析
在广西区境内设立共 115个样点,每个样点有 3
个重复样地(20 m伊50 m),共 345 个样地,其中每个
样地之间直线距离>100 m,每个样地围成 10个 10 m
伊10 m的小样方,在每个样地 1、3、8 小样方用土钻
取样法,去除表面枯枝落叶,取表层 0—10 cm 土壤,
混合后土壤代表该样点土样,并详细记录该样点的
植被类型、岩石裸露率等环境信息,坡度、坡向、土层
厚度等地理信息,GPS定位,记录样地四点经纬度及
海拔。
土壤样品指标室内分析主要包括全氮(TN)、全
磷(TP)、全钾(TK)、碱解氮(AN)、速效磷(AP)、速
效钾(AK)。 其中 TN 采用半微量开氏法测定;TP 采
用 NaOH熔融钼锑抗显色紫外分光光度法测定;TK
采用 NaOH熔融原子吸收法测定;AN 采用碱解扩散
法测定;AP 采用 0.05 mol / L NaHCO3提取钼锑抗显
色紫外分光光度法测定;AK 采用 NH4Ac 浸提原子
吸收法测定。
1.3摇 数据处理
所用统计计算及模型的拟合在 SPSS 和专业地
统计软件 GS+中完成。 地统计学有关方法及原理限
于篇幅不作详细介绍,具体参见文献[23鄄25]。
2摇 结果与分析
2.1摇 经典统计描述
文中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
的最大和最小值代替[26],后续计算均采用处理后的
原始数据。 由广西森林土壤养分含量的统计特征
(表 1)可看出,TN、TP、TK的变化范围分别为 0.27—
6.85、0.1—1.46、0.41—30.75 g / kg,AN、AP、AK 分别
为 34. 67—561. 19、0. 93—78. 76、7. 23—417 mg / kg。
不同土壤养分变异幅度不同,除 AP 外变异系数均介
于 10%—75%,呈中等变异,这可能与养分元素在土
壤中的化学行为及肥料施用状况、林间管理措施等
有关。 速效成分受随机因素影响较大,所以变异程
度较大,土壤全量变异系数较小,说明其在土壤中含
量较稳定。 土壤各养分的偏态数(Skewness)均大于
零,表明均呈正偏态分布,其中TK的偏度最小,AP
表 1摇 广西区森林土壤养分描述性统计特征
Table 1摇 Descriptive statistics of main soil nutrients in Guangxi forests
指标
Indexes
样本数
No. of
samples
均值
Means
标准差
Standard
variance
变异系数
Variance
/ %
最小值
Min.
最大值
Max.
偏度
Skewness
峰度
Kurtosis
K鄄S值
Value of
K鄄S test
分布类型
Distribution
types
TN / (g / kg) 345 2.474 1.37802 55.69 0.27 6.85 0.886 0.444 0.215* N
TP / (g / kg) 345 0.506 0.29810 58.91 0.1 1.46 1.341 1.645 0.661* N
TK / (g / kg) 345 10.830 6.30446 58.21 0.41 30.75 0.867 0.889 0.121 N
AN / (mg / kg) 345 208.476 113.25763 54.21 34.67 561.19 1.014 0.707 0.730* N
AP / (mg / kg) 345 12.038 9.49778 78.90 0.93 78.76 2.426 9.482 0.055* N
AK / (mg / kg) 345 131.807 82.89130 62.75 7.23 417.00 1.453 2.589 0.057* N
摇 摇 * 对数转换后 Data after logarithmic transformation; N:正态分布 Normal distribution
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的偏度最大。 与标准正态分布相比,峰值系数
(Kurtosis)大于 3时样本数据为高狭峰,低于 3 时为
低阔峰。 除 AP 外,其他养分均为低阔峰,TP 最接近
正态分布,其他养分均不服从正态分布,进行对数转
换后均符合正态分布。 描述性统计分析能够反映样
本全体的基本信息,而不能定量地刻画土壤养分的
随机性、结构性、独立性和相关性[27]。 因此,需要采
用地统计学分析土壤养分的空间变异特征。
2.2摇 空间变异特征
由图 1可知,广西森林土壤 AN试验半变异函数
的最佳拟合模型为球状模型,其他养分均为指数模
型,R2除 TK外在 0.653—0.941之间,RSS除 TK外均
较小,说明各变量最佳模型拟合度较高,能很好地反
映各土壤养分的空间结构特征,各半变异函数模型
的结构参数见表 2。 TN、AN 的变程相近且均较大,
分别为 5. 304毅和 5. 667毅,TK 变程最小,为 0. 186毅,
TP、AP、AK 的变程介于其间。 TN、TP、AP 的块金
值 /基台值较大,介于 28%—49.9%之间,为中等程度
的空间自相关。 TK、AN、AK 的块金值 /基台值相对
较小,分别为 10.4%、23.7%、21.8%,都小于 25%,表
现为强烈的空间自相关性。 各土壤养分的变异系数
与块金值 /基台值并不对应,AN变异程度虽然较大,
但块金值 /基台值较小,说明人类的随机干扰对 AN
空间变异的贡献较小,土壤氮素的空间异质性主要
来源于结构因素。 除 AN、AK 外各土壤养分的半变
异函数曲线在超过一定滞后距后不再增加,而是围
绕基台值呈周期性上下波动的特征,即孔穴效
应[25,28] ,这种现象主要是由区域化变量周期性变化
表 2摇 土壤养分全向半变异函数理论模型及其结构参数
Table 2摇 The best鄄fitted semivartiogram model of soil nutrients and the structure parameters
土壤养分
Soil nutrients
模型类型
Model types
C0 C0+C C0 / (C0+C)
变程 A
Range / (毅) R
2 RSS
TN 指数模型 0.1370 0.4890 0.280 5.304 0.882 0.0145
TP 指数模型 0.1263 0.3586 0.352 2.862 0.941 0.0034
TK 指数模型 4.0000 38.300 0.104 0.186 0.352 146
AN 球状模型 0.1170 0.494 0.237 5.667 0.920 0.0104
AP 指数模型 0.3460 0.693 0.499 1.596 0.720 0.0373
AK 指数模型 0.2520 1.156 0.218 2.103 0.653 0.0851
图 1摇 广西森林土壤养分半变异函数图
Fig.1摇 Isotropic semivariogram of forest soil nutrients in Guangxi
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引起的,说明研究区土壤养分空间异质性具有周期
性变化的特征。
2.3摇 空间分布特征
土壤养分的空间分布格局受海拔、人为干扰、植
被、地形等人为与自然因子的综合影响,不同因子的
主导作用导致不同养分的空间格局。 广西森林土壤
TN含量比较丰富,高于 0.5 g / kg,空间变异规律明
显,呈北部地区含量较高、向南部和西北部逐渐降低
的空间格局。 TN 含量高的森林土壤集中在西北部
地区的河池、柳州、桂林、百色、贺州和崇左,森林类
型主要为石山灌木及松杉类。 AN 的空间分布格局
与 TN极为相似(图 2)。
图 2摇 广西森林土壤养分 Kriging等值线图
Fig.2摇 Kriging contouring maps of forest soil nutrients in Guangxi
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摇 摇 广西森林土壤 TP 含量并不丰富,尤其广西南部
森林土壤 TP 极为贫乏;有两个高峰区———桂柳和河
池地区,含量大于 1 g / kg,由这两个区向四周逐渐减
少,在广西西南部百色与崇左出现了次高含量区域。
AP 的空间变异比较复杂,分布格局并没有明显规
律,AP 高值区分布在广西区东北部与西南部边缘,
中等值集中在广西西北、东北、西南 3 个边角及位于
南宁与百色交接处,含量最低的区域分布在柳州与
梧州,这可能与河流的分布有关。
广西森林土壤 TK 的空间分布比较均匀、平衡,
高值分布在东南边缘地区,次高值主要分布在东南
部和东北部,中等值 TK含量(10—15、5—10 g / kg),
占总面积的 86.2%,说明广西区森林土壤 TK含量并
不丰富。 AK的空间变异格局比较有规律,总体的分
布格局是北高南低,高值区主要分布在广西东北部,
次高值主要分布在东北部、西北部及中北部边缘地
区,中等值主要分布在广西中部和北部大片区域,低
含量区域主要分布在广西南部。
3摇 结论和讨论
3.1摇 广西森林土壤养分的总体特征
广西森林分为 7 个片区,不同片区养分含量状
况不同,变异程度也不相同。 总体而言,北部森林养
分含量高于南部森林片区(数据未显示),其中广西
南部玉A2a、域A1a 两个片区各种养分含量均很低,
造成片区养分不平衡的原因有多种,这可能与森林
类型有关。 南部片区森林类型主要为桉树林,桉树
是广西区主要人工经济林树种,生长快,养分消耗
大,导致土壤养分急剧流失,北部森林以石山灌木、
松、杉类为主,生长速率较慢,养分循环也较好,受人
为干扰小,土壤养分含量维持较高水平。 土壤养分
差异除受森林类型影响外,还与地形、气候、土壤类
型有密切关系。
广西区森林土壤养分基本属于中等变异,速效
养分变异程度大于全量养分,其中 AP、AK 变异程度
最大。 进一步的地统计学分析,发现广西森林土壤
养分除 TK外拟合效果均很好,变程大小为 AK >AN
>TN>TP >AP >TK,TN、TP、AP 的块金值 /基台值较
大,表现为中等程度的空间自相关,说明在当前观测
尺度上,随机因素对这些养分影响较大,与林间管理
施肥、砍伐及实验误差有关。 TK、AN、AK 表现为强
烈的空间自相关。 说明随机扰动对这些养分的影响
相对较小,主要受研究区结构性影响。
3.2摇 广西森林土壤的空间变异和格局
广西区森林土壤养分均表现出高度的空间异质
性,不同养分的空间变异特征和分布格局不同。 广
西区森林土壤 AN和 TN含量水平都很高,表明广西
区氮素含量比较丰富。 TN和 AN空间变异特征相似
度很高,呈广西北部地区含量比较丰富、向南部和西
北部地区逐渐降低的空间格局。 TN 含量与有机质
含量具有很强的相关性,有机质也是 TN 的主要来
源,广西北部主要是石山林和松类,表层枯枝落叶量
多,经过长期的腐殖化作用,富集了大量的腐殖质,
有机质含量丰富,而且广西北部较南部寒冷,更加有
利于氮素的积累[29鄄30];南方主要为桉树人工林,枯枝
落叶比较少,有机质含量低,同时桉树的快速生长急
剧地消耗土壤养分,从而影响了土壤氮素的含
量[31]。 广西区氮素在植被类型、土壤类型、地形、土
壤母质、气候及人类活动等因素综合作用下形成了
独特的空间格局。
广西森林土壤磷库含量较小,TP 的空间变异趋
势是从桂柳和河池两个含量最高区向四周逐渐降低
的趋势,AP 的空间变异比较复杂,规律不明显。 气
候的因素对土壤 TP 含量影响很大,在热带、亚热带
地区气候高温多雨加快了土壤分化速度与磷元素的
淋溶[32鄄33]。 Miller等[34]认为在热带季风区随着降水
量的增加 TP 降低,相反,温度低降水较少的地区 TP
含量比较高,与本研究结论一致,广西北部气温较南
部较低,降水较少,且北部喀斯特地貌广布,地下河
较多,降水快速渗透到地下河,地表水蓄积量少,不
能充分参加与 TP 的理化反应。 AP 含量最低区主要
分布在柳州与梧州两个区域,这与河流的分布有关,
这两个区域均位于柳江流经区域,河流汇聚细小河
流,加速了速效磷的流失。 不同土壤类型对 AP 的含
量也有重要影响,不同地球化学类型上土壤有效磷
密度的差异,反映了土壤中的物理、化学过程对土壤
有效磷含量的控制[35鄄36]。 AP 空间格局分布复杂,与
随机因素有直接关系,不同林地的施肥管理措施不
同,长期使用磷肥会提高土壤中 AP 的含量。
广西森林土壤 K含量并不丰富,TK 和 AK 均属
中等水平,TK东南部含量稍高,AK 呈北高南低。 土
壤 TK、AK 的变异性和其它养分一样都受结构性因
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素(土壤母质、气候、土壤类型、地形等)和随机因素
如不同的管理施肥措施等共同作用的结果。 研究区
AK与 TK空间变异有一定的差异,说明两者分别有
自身形成的主导因素,土壤中新鲜植物残体、根系、
微生物中也含有一定量的钾,但并不组成稳定的含
钾有机物,因而对植物的有效性高。 有机体一旦死
亡,其所含钾可被水淋洗或浸提出,也是土壤速效钾
的组成部分、补充液态钾和交换性钾的重要来源。
由 TK、AK 空间格局可反映出广西区钾素总体成中
等水平,在农业活动中要针对钾素的含量格局,科学
地使用钾肥来提高速效钾的含量。
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