全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿猿卷 第 圆源期摇 摇 圆园员猿年 员圆月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
中国南方红壤生态系统面临的问题及对策 赵其国袁黄国勤袁马艳芹 渊苑远员缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
叶生态学基础曳院对生态学从传统向现代的推进要要要纪念 耘援孕援奥德姆诞辰 员园园周年
包庆德袁张秀芬 渊苑远圆猿冤
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食物链长度理论研究进展 张摇 欢袁何摇 亮袁张培育袁等 渊苑远猿园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
天山盘羊夏季采食地和卧息地生境选择 李摇 叶袁余玉群袁史摇 军袁等 渊苑远源源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
松果梢斑螟对虫害诱导寄主防御的抑制作用 张摇 晓袁李秀玲袁李新岗袁等 渊苑远缘员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
菹草附着物对营养盐浓度的响应及其与菹草衰亡的关系 魏宏农袁潘建林袁赵摇 凯袁等 渊苑远远员冤噎噎噎噎噎噎噎
濒危高原植物羌活化学成分与生态因子的相关性 黄林芳袁李文涛袁王摇 珍袁等 渊苑远远苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
四年 韵猿熏气对小麦根际土壤氮素微生物转化的影响 吴芳芳袁郑有飞袁吴荣军袁等 渊苑远苑怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎
重金属 悦凿圆垣和 悦怎圆垣胁迫下泥蚶消化酶活性的变化 陈肖肖袁高业田袁吴洪喜袁等 渊苑远怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
不同生境中橘小实蝇种群动态及密度的差异 郑思宁 渊苑远怨怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
亚热带樟树鄄马尾松混交林凋落物量及养分动态特征 李忠文袁闫文德袁郑摇 威袁等 渊苑苑园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
中国陆地生态系统通量观测站点空间代表性 王绍强袁陈蝶聪袁周摇 蕾袁等 渊苑苑员缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
雅鲁藏布江流域 晕阅灾陨变化与风沙化土地演变的耦合关系 李海东袁沈渭寿袁蔡博峰袁等 渊苑苑圆怨冤噎噎噎噎噎噎
高精度遥感影像下农牧交错带小流域景观特征的粒度效应 张庆印袁樊摇 军 渊苑苑猿怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
高寒草原土壤有机碳及土壤碳库管理指数的变化 蔡晓布袁于宝政袁彭岳林袁等 渊苑苑源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
芦芽山亚高山草甸尧云杉林土壤有机碳尧全氮含量的小尺度空间异质性
武小钢袁郭晋平袁田旭平袁等 渊苑苑缘远冤
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湘中丘陵区不同演替阶段森林土壤活性有机碳库特征 孙伟军袁方摇 晰袁项文化袁等 渊苑苑远缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
东北黑土区片蚀和沟蚀对土壤团聚体流失的影响 姜义亮袁郑粉莉袁王摇 彬袁等 渊苑苑苑源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
滇西北高原纳帕海湿地土壤氮矿化特征 解成杰袁郭雪莲袁余磊朝袁等 渊苑苑愿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
红壤区桉树人工林炼山后土壤肥力变化及其生态评价 杨尚东袁吴摇 俊袁谭宏伟袁等 渊苑苑愿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
圆园园园要圆园员园年黄河流域植被覆盖的时空变化 袁丽华袁蒋卫国袁申文明袁等 渊苑苑怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
庐山森林景观格局变化的长期动态模拟 梁艳艳袁周年兴袁谢慧玮袁等 渊苑愿园苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
暖温带鄄北亚热带生态过渡区物种生境相关性分析 袁志良袁陈摇 云袁韦博良袁等 渊苑愿员怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同生境和去趋势方法下的祁连圆柏径向生长对气候的响应 张瑞波袁袁玉江袁魏文寿袁等 渊苑愿圆苑冤噎噎噎噎噎
资源与产业生态
大小兴安岭生态资产变化格局 马立新袁覃雪波袁孙摇 楠袁等 渊苑愿猿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
生态环境移动数据采集系统研究与实现 申文明袁孙中平袁张摇 雪袁等 渊苑愿源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
城市遥感生态指数的创建及其应用 徐涵秋 渊苑愿缘猿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
研究简报
大明竹属遗传多样性 陨杂杂砸分析及 阅晕粤指纹图谱研究 黄树军袁陈礼光袁肖永太袁等 渊苑愿远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
干旱胁迫下 源 种常用植物幼苗的光合和荧光特性综合评价 卢广超袁许建新袁薛摇 立袁等 渊苑愿苑圆冤噎噎噎噎噎
基于 陨栽杂圆和 员远杂 则砸晕粤的西施舌群体遗传差异分析 孟学平袁申摇 欣袁赵娜娜袁等 渊苑愿愿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
两种浒苔无机碳利用对温度响应的机制 徐军田袁王学文袁钟志海袁等 渊苑愿怨圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
北京山区侧柏林冠层对降雨动力学特征的影响 史摇 宇袁余新晓袁张建辉袁等 渊苑愿怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
学术信息与动态
景观生态学研究院传统领域的坚守与新兴领域的探索要要要圆园员猿厦门景观生态学论坛述评
杨德伟袁赵文武袁吕一河 渊苑怨园愿冤
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噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
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圆怨远鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿猿鄢圆园员猿鄄员圆
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 黄土丘陵农牧交错带要要要黄土丘陵是中国黄土高原的主要地貌形态袁由于黄土质地疏松袁加之雨季集中袁降水强度
较大袁地表流水冲刷形成很多沟谷袁斜坡所占的面积很大遥 这里千百年来的农牧交错作业袁地表植被和生态系统均
遭受了严重的破坏遥 利用高精度影像对小流域景观的研究表明袁这里耕地尧林地和水域景观相对比较规则简单袁荒
草地和人工草地景观比较复杂遥 农牧交错带小流域景观形态具有分形特征袁各类景观斑块的分维数对粒度变化的
响应不同袁分维数随粒度的增大呈非线性下降趋势遥
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 33 卷第 24 期
2013年 12月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.33,No.24
Dec.,2013
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(30970480);山西省自然基金资助项目(2010021027鄄4,2010021028鄄6);山西农业大学博士科研启动资助
项目;山西农业大学“学术骨干冶资助项目
收稿日期:2012鄄10鄄23; 摇 摇 修订日期:2013鄄04鄄18
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: wxg354@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201210231466
武小钢, 郭晋平, 田旭平, 杨秀云.芦芽山亚高山草甸、云杉林土壤有机碳、全氮含量的小尺度空间异质性.生态学报,2013,33(24):7756鄄7764.
Wu Xi G, Guo J P, Tian X P, Yang X Y.Spatial heterogeneity of soil organic carbon and total nitrogen at small scale in subalpine meadow and Picea meyeri
forest in Luya Mountain.Acta Ecologica Sinica,2013,33(24):7756鄄7764.
芦芽山亚高山草甸、云杉林土壤有机碳、
全氮含量的小尺度空间异质性
武小钢*, 郭晋平, 田旭平, 杨秀云
(山西农业大学林学院,太谷摇 030801)
摘要: 分析比较了山西芦芽山不同海拔处分布的亚高山草甸(样地 A,海拔 2756.3 m;样地 B,海拔 2542.3 m)和云杉林(样地 C,
海拔 2656.8 m;样地 D,海拔 2387.2 m)土壤有机碳和全氮的小尺度空间异质性特征。 结果表明:相同植被类型下海拔较高的样
地有机碳含量较高(A: 49.84 g / kg, B: 38.33 g / kg, C: 47.06 g / kg, D: 40.67 g / kg),而较低海拔的样地土壤有机碳含量的异质
性较高;除样地 A以外的其他 3个样地均表现为高度空间依赖性。 亚高山草甸土壤全氮含量的异质性远远高于云杉纯林,四个
样地中均表现出强的空间自相关性。 亚高山草甸样地土壤有机碳和全氮含量均在较大尺度上空间自相关,云杉纯林样地则表
现为较小尺度的空间自相关变异。
关键词:土壤有机碳;全氮;海拔;空间异质性
Spatial heterogeneity of soil organic carbon and total nitrogen at small scale in
subalpine meadow and Picea meyeri forest in Luya Mountain
WU Xiaogang*, GUO Jinping, TIAN Xuping, YANG Xiuyun
Forestry College of Shanxi Agriculture University, Taigu, Shanxi 030801, China
Abstract: The patterns and controls of soil organic carbon( SOC) and total nitrogen are critical for our understanding of
recycling of nutrients. Spatial heterogeneity causes uneven soil resource distribution. Quantification of the spatial variability
is essential for evaluating attributes at unsampled locations.
This study was conducted in Luya Mountain, Shanxi Province, China. Four sample plots (30m伊30m) were placed,
two subalpine meadow plots (Plot A, 2756.3 m; Plot B, 2542.3 m) and two Picea meyeri forest plots (Plot C, 2656.8 m;
Plot D, 2387.2 m), The spatial heterogeneity of soil organic carbon(SOC) and total nitrogen(TN) was analyzed based on
theory and methodology of spatial pattern analysis in geostatistics.. Soil samples (n= 119) were collected from each of the
plots in the summer of 2010. We calculated the isotropic semivariograms of SOC and TN. Then spherical models were used
to test the semi鄄variances of SOC and TN for spatial dependence.
The experiment results indicated that the SOC of four plots were 49.84 g / kg (A), 38.33 g / kg (B), 47.06 g / kg (C),
and 40.67 g / kg (D), respectively. The SOC contents appeared to be higher in the plots with higher elevation. Rather, the
spatially variance showed more intensively in the plots with lower altitude. In contrast to the random variation of SOC in plot
A, there were high spatial dependences in the spatial distribution of SOC in the others. The spatial heterogeneity of TN in
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Picea meyeri forest plots were higher than those in subalpine meadow plots,and spatial autocorrelation were high in all the
plots. The ranges of spatial autocorrelation variation ( the distances within which parameters are spatially dependent) for
SOC and TN were larger for subalpine meadow plots, but smaller for Picea meyeri forest plots.
Key Words: soil organic carbon (SOC); total nitrogen (TN); elevation; spatial heterogeneity
生境的异质性, 尤其是土壤要素在空间上呈现复杂的镶嵌性,与气候以及陆地植被和生物发生复杂的相
互作用,从而使得分析土壤的空间分布格局成为异质性研究的一个重要领域[1鄄3]。 不同植被类型下土壤由于
承接其凋落物和根系分泌物类型的不同及气候因子等的差异,因而形成的土壤碳、氮库状况存在差异[4鄄6]。
以往的研究,多集中在陆地不同生态系统土壤碳、氮空间分布特征,及不同干扰和管理条件下土壤碳氮特
征[1,5,7鄄8]。 山地区域海拔高度的变化为研究生态系统过程的空间异质性提供了条件,沿海拔梯度土壤碳氮变
化特征的研究案例不断有报道[9鄄11]。 海拔梯度上土壤属性空间异质性研究多在较大尺度上进行[10鄄12]。 空间
异质性是一个依赖于尺度的生态学概念,生态系统特性在不同尺度域上有着不同的变化速率,这种多尺度格
局反映了生态系统的等级特征,指示着控制不同尺度格局的不同的生态学过程[13]。 在等级关联的生态系统
中,小尺度上的空间异质性研究可以为大尺度上的生态学格局与过程提供机制方面的解释[14]。
因此,本研究利用地统计学的理论和方法,分析比较了山西芦芽山不同海拔处分布的亚高山草甸和云杉
林群落土壤有机碳和全氮的小尺度空间异质性特征,旨在了解暖温带中部山区地带性植被土壤碳氮的等级结
构特征,同时可以为不同尺度土壤的采样设置提供理论依据,并希望有助于理解海拔对植被群落结构和土壤
碳、氮循环过程的影响,进而为不同植被类型的土壤碳汇管理技术研究提供基础数据,为亚高山草甸和云杉林
的合理利用和保护提供科学理论依据。
1摇 研究区概况
研究地点位于芦芽山国家级自然保护区(38毅36忆—39毅02忆E,111毅46忆—112毅54忆N),位于山西省吕梁山脉北
端,黄土丘陵区的东部边缘,山体由东北向西南斜向延伸,地势高峻,最高峰荷叶坪海拔 2772 m,是管涔山主
峰。 植被具有明显的垂直地带性,从高海拔到低海拔依次分布着亚高山草甸带、云杉林带、针阔叶混交林带,
灌草丛及农垦带[14]。
该区年均温 4.3—6.7 益,1月均温-19.6 益,极端最低温-36.6 益,7月均温 19.9 益,极端最高温 34.2 益,
气温年较差和日较差大;年均降雨量 453.9 mm,分布不均,6—9月降雨量约占全年的 70%,降水年际变化大,
历年最大降水量为 711.0 mm,最少降水量为 252.9 mm;年蒸发量 1800 mm,年均相对湿度 50—55%;无霜期
130—170 d。
2摇 研究方法
2.1摇 样地基本情况
依据海拔高度和植被类型选择不同海拔的亚高山草甸(A: 2756.3 m; B: 2542.3 m)2 块样地和云杉林
(C: 2656.8 m; B: 2387.2 m)2块样地。 样地基本情况见表 1,针叶林每木检尺测定样地内树木的胸径及位
置,立木断面积分布见图 1。
2.2摇 取样方法
样点布设依据地统计学理论和空间格局分析的小支撑、多样点的取样设计原则进行[15]。 首先将样地
(30 m伊30 m)等距离的划分为 100个 3 m伊3 m的小样方。 在大样方内选取 45个样点进行取样。 然后在样地
对角线上的两个 3 m伊3 m样方内,分别设立 100个小样方(0.3 m伊0.3 m的间隔距离),从中各选取 37个小样
方钻取土样(图 2)。 土壤取样用土钻法进行,取样时,先除去表层的枯枝落叶,然后在每个取样点(共计 119
个)钻取 0—10 cm表层土壤样品装入塑料袋内带回实验室分析测定。
7577摇 24期 摇 摇 摇 武小钢摇 等:芦芽山亚高山草甸、云杉林土壤有机碳、全氮含量的小尺度空间异质性 摇
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表 1摇 研究样基本情况表
Table 1摇 General situation of research sites
样地
Plot
海拔
Elevation
/ m
经纬度
Latitudes and
Longitudes
植被类型
Vegetation
树高
Height
/ m
胸径
DBH
/ cm
郁闭度
Canopy
density
灌丛草本盖度
Coverage of
shrub and
herb / %
灌丛、草本层种类
Species of shrub and herb
枯枝落叶层厚度
Thickness of
Litter / cm
A 2756.3 111毅50忆27.313义38毅43忆31.480义 亚高山草甸 70
苔草(Carex spp.)
车前(Plantagoasiatica),
老鹳草(Geranium wilfordii),
马先蒿(Pedecularis sp.),
高山嵩草(Kobresiapygmaea)
1
B 2542.3 111毅52忆29.847义38毅43忆44.454义 亚高山草甸 80
苔草 ( Carex spp.),翼茎风毛菊
(Saussurea sobarocephala),高山蒲
公英(Taraxacummongolicum)
0.8
C 2656.8 111毅52忆7.269义38毅43忆32.694义 云杉纯林 18.7 22.3 0.86 60
毛茛(Ranunculus japonicus
Thunb).,苔草(Carex spp.),老鹳
草(Geranium wilfordii Maxi.),蕨类
(Pteridophyta)
4.0
D 2387.2 111毅53忆19.310义38毅43忆52.695义 云杉纯林 16.5 11.2 0.51 50
苔草(Carex spp.),卫矛(Euonymus
alatus),唐松草(Thalictrum
aquilegifolium L. var. sibiricum
Regel),粗毛忍冬(Lenicera
hispida)
3.0
图 1摇 样地立木断面积分布图
Fig.1摇 The map of basal area distribution in plots
2.3摇 分析测试方法
土壤全氮的测定用半微量凯氏定氮法,土壤有机碳的测定采用重铬酸钾氧化鄄外加热法进行[16]。 秤取风
干好的土壤样品进行分析测定,每个土样做 3个重复,求其平均值作为土壤样品全氮及有机碳含量值。
2.4摇 数据分析
2.4.1摇 经典统计分析
用 SPSS for windows 18.0统计软件进行土壤有机碳含量、全氮含量的平均数、标准差、变异系数分析。
2.4.2摇 异常值的识别、处理和原始数据的正态检验和转换
进行特异值的判断和处理。 采用域法识别特异值,即样本平均值(觔)加减 3 倍的标准差( s),在区间(觔依
3s)以外的数据为特异值,而后分别用正常的最大值或最小值来代替。
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图 2摇 空间取样设计
Fig.2摇 Spatial sampling design
采用 柯 尔 莫 哥 洛 夫鄄斯 米 诺 夫 ( Kolonogorov鄄
Semirnov(K鄄S))正态性检验方法检验所测数据的正态
分布,符合正态分布的数据直接进行地统计学分析
(P(K鄄S)>0.05);对于不符合正态分布的数据,要经过
对数转换或方根转换后再进行地统计学分析。
2.4.3摇 土壤有机碳和全氮含量的半方差函数模型分析
地统计学分析用 GS+Win5.0 软件进行。 半方差函
数用 r(h)来表示,为区域化变量 Z(xi)和 Z(xi+h)增量
平方的数学期望,即区域化变量的方差[17]。 其通式为:
r(h) = 1
2N(h)移
N(h)
i = 1
[(Z(xi) - Z(xi + h))] 2
式中,r(h)为变异;h为步长,即为减少各样点组合对的
空间距离个数而对其进行分类的样点空间间隔距离;N
(h)为距离为 h 的点对的数量;Z( xi)和 Z( xi +h)分别
为变量 Z在空间位置 xi 和 xi+h的取值。
地统计学中的变异与经典统计学中方差的根本差异在于变异考虑了空间尺度,即公式中的 h。 把植被的
某一特征作为依赖变量,则变异能够反映出统计意义上该变量在各个不同尺度的异质性。
最优模型的选择,首先考虑决定系数(R2)和残差平方和(RSS);残差平方和 RSS 是对回归模型进行显著
性检验的重要参数,其取值愈小,说明实际观测值与回归线靠近,拟合曲线与实际配合愈好。
RSS =移
n
i = 1
[酌(hi) - 酌^(hi)] 2
分析理论模型参数,基台值(Sill,C0+C)表示变量的最大变异程度,它的值越大表示变量的异质性程度越
高。 而块金值 C0是空间距离为零时的变异值,表示随机部分的空间变异性,较大的块金值表明较小的尺度上
某种生态学过程不容忽视。 空间结构比(Spatially structure variance)C / (C0+C)可度量空间自相关的变异所占
的比例。 块金值(Nugget,C0)与基台值之比 C0 / (C0+C)可用于估计随机因素在所研究的空间异质性中的相
对重要性。
变程表示研究变量空间变异中空间自相关变异的尺度范围,在变程内,空间越靠近的点之间其相关性越
大,距离大于变程的点之间不具备自相关性。
分维数可对不同变量之间的空间自相关强度进行比较,D值越大表示格局变异中随机因素引起的异质性
的比重越大,D值越小,格局变异的空间依赖性越强。
2酌(h)= h4-2D
3摇 结果与分析
3.1摇 土壤有机碳含量的空间变异性
3.1.1摇 土壤有机碳含量的描述性统计
对不同海拔高度的亚高山草甸和云杉林土壤表层(0—10 cm)有机碳含量的描述统计结果表明(表 2),样
地 A(海拔 2756.3 m)亚高山草甸土壤有机碳含量均值最高为 49.84 g / kg,样地 B(海拔 2542.3 m)的草甸土壤
有机碳含量最低(38.33 g / kg);不同海拔云杉林样地 C(海拔 2656.8 m)和样地 D(海拔 2387.2 m)云杉纯林土
壤有机碳含量分别为 47.06 g / kg 和 40.67 g / kg。 从有机碳含量的均值比较分析,同一类型植被下,较高海拔
的土壤有机碳含量高于较低海拔的土壤。 从有机碳的变异分析,样地 A土壤有机碳的波动范围 23.76—67.31
g / kg,最大值是最小值的 2.83倍;变异系数为 15.81%。 样地 B有机碳的波动范围 21.01—60.84 g / kg,最大值
是最小值的 2.89倍;变异系数(16.88%)大于样地 A。 样地 C土壤有机碳的波动范围 21.34—83.81 g / kg,最大
值是最小值的 3.93倍;变异系数为 28.62%。 样地 D波动范围 17.03—92.39 g / kg,变异系数(32.06%)大于样
9577摇 24期 摇 摇 摇 武小钢摇 等:芦芽山亚高山草甸、云杉林土壤有机碳、全氮含量的小尺度空间异质性 摇
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地 C。 以上结果表明,土壤有机碳的变异表现为云杉林有机碳的变异明显大于亚高山草甸,同一植被类型,较
低海拔土壤有机碳变异高于较高海拔的变异。
表 2摇 土壤有机碳含量的描述性统计结果
Table 2摇 Statistics of SOC in the research area
样地
Plot
平均数
Mean
中位数
Median
标准差
Std.deviation
方差
Variance
变异系数
Cv / %
最小值
Min
最大值
Max
偏度
Skewness
峰度
Kurtosis
K鄄S值
K鄄S value
A 49.84 49.33 7.88 62.14 15.81 23.76 67.31 -0.11 0.63 2.35
B 38.33 38.38 6.47 41.83 16.88 21.01 60.84 0.46 2.09 1.8
C 47.06 44.88 13.47 171.34 28.62 21.34 83.81 0.62 -0.32 12.35
D 40.67 37.16 13.04 170.01 32.06 17.03 92.39 1.42 2.15 6.38
3.1.2摇 土壤有机碳含量的半方差函数分析
土壤有机碳含量变异函数理论模型拟合结果及参数见表 3。 亚高山草甸和云杉林土壤有机碳含量的各
向同性半方差理论模型为球状模型。 同一植被类型不同海拔土壤有机碳半方差函数的基台值相比较,亚高山
草甸样地 B(2542.3m,C0 +C = 0.107) >样地 A(2756.3m,C0 +C = 0.046);云杉林样地 D(2387.2m,C0 +C =
0郾 102)>样地 C(2656.8m, C0+C = 0.089),总体上表现为较低海拔的样地土壤有机碳含量的基台值较高,进
一步论证了上述变异系数所反映的同一植被类型下较低海拔土壤有机碳含量的异质性较高的现象。
亚高山草甸样地 A 土壤有机碳的空间结构比(C / C0+C)为 0.524,表现为中等强度的空间自相关变异特
征。 样地 B及云杉纯林样地 C和样地 D土壤有机碳含量表现为强烈的空间自相关性。 亚高山草甸样地 A和
样地 B空间自相关的范围为 61.0 m。 云杉纯林样地 C和样地 D 表现为小尺度的空间自相关变异(变程分别
为 6.87,6.55 m)。
表 3摇 土壤有机碳含量变异函数理论模型参数
Table 3摇 Parameters of semivariogram for SOC
样地
Plot
变异模型
Variogram
model
块金值
Nugget
(C0)
基台值
Sill
(C0+C)
空间结构比
Spatially
structure
variance
(C / C0+C)
变程
Range / m
分维数
Fractal
Dimension
(D)
决定系数
(R2)
残差平方和
(RSS)
A Spherical 0.022 0.046 0.524 61 1.951 0.690 1.356伊10-4
B Spherical 0.011 0.107 0.900 61 1.803 0.909 4.841伊10-4
C Spherical 0.011 0.089 0.873 6.87 1.820 0.838 2.132伊10-3
D Spherical 0.018 0.102 0.824 6.55 1.851 0.662 6.275伊10-3
用分维数 D可对不同变量之间的空间自相关强度进行比较,本研究结果表明,土壤有机碳含量空间变异
分维数值大小依次为样地 A>样地 D>样地 C>样地 B。 进一步表明样地 A空间变异中随机因素引起的异质性
的比重大,而其他样地格局变异的空间依赖性强。
3.2摇 土壤全氮含量的空间异质性
3.2.1摇 土壤全氮含量的描述性统计
对不同海拔高度的亚高山草甸和云杉林土壤表层(0—10 cm)全氮含量的描述统计结果表明(表 4),草甸
土壤全氮含量高于云杉纯林;同一植被类型中,高海拔的样地高于低海拔样地。 样地 A(海拔 2756.3 m)土壤
全氮含量均值为 4.85 g / kg,全氮含量的波动范围为 2.89—10.10 g / kg,最大值是最小值 3.49倍;土壤全氮含量
的变异系数为 24.33%。 样地 B(海拔 2542.3 m)土壤全氮含量均值为 3.76 g / kg,全氮含量的波动范围为
2郾 48—5.09 g / kg,最大值是最小值 2.05倍,土壤全氮含量的变异表现为低海拔(Cv = 13.83%,样地 B)小于高
海拔。 样地 C(海拔 2656.8 m)云杉纯林土壤全氮量的均值为 3.01 g / kg,全氮含量的变化范围 1.96—4.77
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g / kg,最大值为最小值的 2.43倍;变异系数为 33.22%。 样地 D(海拔 2387.2 m)云杉纯林土壤全氮量的均值为
2.90 g / kg,全氮含量的变化范围 2.09—4.44 g / kg。 云杉纯林土壤全氮在不同海拔的变异与亚高山草甸相似,
即较低海拔土壤全氮含量的变异(Cv= 17.94%)小于较高海拔。 分析表明森林土壤全氮含量的变异大于草甸
土壤。
表 4摇 土壤全氮含量的描述性统计结果
Table 4摇 Statistics of TN in the research area
样地
Plot
均数
Mean
/ (g / kg)
中位数
Median
标准差
SD
方差
Variance
变异系数
Cv / %
最小值
Min.
最大值
Max.
偏度
Skewness
峰度
Kurtosis
K鄄S值
K鄄S value
A 4.85 4.60 1.18 1.39 24.33 2.89 10.10 2.73 8.19 1.31
B 3.76 3.66 0.52 0.27 13.83 2.48 5.09 0.23 -0.11 3.56
C 3.01 3.00 0.54 0.29 33.22 1.96 4.77 0.58 0.50 8.67
D 2.90 2.81 0.52 0.27 17.94 2.09 4.44 1.02 0.66 5.32
3.2.2摇 土壤全氮含量的地统计学分析
小尺度下所研究的 4块样地土壤全氮含量的空间变异均表现为球状模型的变化趋势(表 5)。 同一植被
类型不同海拔土壤有机碳半方差函数的基台值相比较,亚高山草甸样地 A(2756.3m,C0+C = 6.02)和样地 B
(2542.3m,C0+C = 1.041)远大于云杉林样地 C 和 D,表明亚高山草甸土壤全氮含量的异质性远远高于云杉
林。 而高海拔处的样地 A土壤全氮含量的空间异质性也明显高于低海拔处的样地 B。
所研究 4个样地的空间结构比(C / C0+C)值均大于 75%,说明土壤全氮含量在 4 个样地种均表现出强的
空间自相关性,其空间变异主要由结构性因素造成的。 亚高山草甸植被的空间自相关性明显大于寒温性针林
样地。 亚高山草甸样地 A和样地 B空间自相关的范围分别为 47.65 m和 61.0 m。 云杉林样地 C和样地 D表
现为小尺度的空间变异(变程分别为 7.87,8.67 m)。 D 值大小依次为样地 C>样地 D>样地 B>样地 A。 亚高
山草甸样地 A土壤全氮含量格局变异的空间依赖性较强。
表 5摇 土壤全氮含量变异函数理论模型参数
Table 5摇 Parameters of semivariogram for TN
样地
Plot
变异模型
Variogram
model
块金值
Nugget
(C0)
基台值
Sill
(C0+C)
空间结构比
Spatially
structure
variance
(C / C0+C)
变程
Range / m
分维数
Fractal
Dimension
(D)
决定系数
(R2)
残差平方和
(RSS)
A Spherical 0.010 6.029 0.998 47.65 1.571 0.909 3.610
B Spherical 0.059 1.041 0.943 61.00 1.752 0.953 0.022
C Spherical 0.007 0.033 0.768 7.87 1.846 0.729 4.478伊10-4
D Spherical 0.007 0.041 0.836 8.67 1.812 0.779 6.257伊10-4
4摇 讨论
不同海拔高度处两个亚高山草甸样地(a: 2756.6 m; B: 2542.3 m)和两个云杉林样地(C: 2656.8 m; D:
2387.2 m)土壤有机碳和全氮含量的空间变异表现出很大不同。 单因素方差分析结果表明(表 6),样地 A 有
机碳和全氮含量显著高于样地 B(P<0.001);样地 C和样地 D 土壤全氮含量差异不显著,而有机碳含量差异
达极显著水平(P<0.001)。 大量研究表明,海拔作为环境因子的综合体现,通过对植被类型和植被生产力的
制约直接影响输入土壤的有机物质量,通过土壤温度和水分等条件影响微生物对有机质的分解和转化[10鄄11]。
本研究中,样地 A土壤含水量显著高于样地 B,样地 C土壤含水量显著高于样地 D(表 6);不考虑微地形对小
气候的影响,200—300 m的海拔落差会造成约 1—2 益的气温差。 因此,水热要素的差异是不同海拔高度土
壤有机碳和全氮含量空间异质性产生的重要原因。
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表 6摇 土壤有机碳、全氮和含水量方差分析
Table 6摇 ANOVA for organic carbon, total nitrogen and moisture content of soils
土壤特性
Soil traits
统计变量
statistical variable
样地 A
Plot A
样地 B
Plot B
样地 C
Plot C
样地 D
Plot D
有机碳 Organic carbon 观测数 119 119 119 119
平均 49.842 38.328 47.059 40.673
方差 62.1448 41.8295 181.3427 170.0079
组间差异 F:151.733,P:0.0000 F:13.811,P:0.0002
全氮 Total nitrogen 观测数 119 119 119 119
平均 4.851 3.755 3.010 2.901
方差 1.3913 0.2717 0.2913 0.2716
组间差异 F:85.974,P:0.0000 F:2.540,P:0.112
含水量 Moisture 观测数 119 119 119 119
平均 0.368 0.333 0.399 0.341
方差 0.0006 0.0004 0.0027 0.0025
组间差异 F:156.114,P:0.0000 F:77.265,P:0.0000
图 3摇 土壤有机碳和全氮含量相关性
Fig.3摇 Correlations between SOC and total nitrogen
摇 Plot A: y= 0.0178 x+3.9646(R2 = 0.0141, p= 0.1977); Plot B: y =
0.0561 x+1.6054(R2 = 0.4842, p = 0.000); Plot C: y = 15.885 x-
0郾 7586(R2 = 0.4053, p= 0.000); Plot D: y= 20.748 x-19.511(R2 =
0郾 6878, p= 0.000)
比较小尺度上亚高山草甸样地和云杉林样地的空
间异质性(表 3,表 5),可以发现同一植被类型下较低
海拔土壤有机碳含量的异质性较高,其中随机性因素对
样地 A有机碳含量的空间变异影响较大。 芦芽山是山
西省重要的夏季牧场,样地 A 就位于林线以上亚高山
草甸集中分布区(样地 B 则位于林缘空地),牲畜的啃
食、践踏及排泄等行为直接干扰草甸土壤环境,这成为
样地 A土壤有机碳含量空间异质性降低及随机性变异
比例增加的重要原因。 对于云杉林样地,通过比较样地
C和 D的立木断面积分布图(图 1)不难看出,与样地 D
相比,样地 C 中林分密度大,立木空间分布较均一,较
为一致的林下微环境可能是样地 C 土壤有机碳含量空
间异质性较低的原因。 植物群落的组成和群落中植物
种群分布格局的改变制约着土壤组成的异质化过程,同
时决定着土壤养分循环[18鄄19]。
有机碳含量空间异质性相反,样地 A 的全氮含量
表现为高异质性空间分布,且空间自相关性强。 在生态
系统的物质循环中,碳氮循环通过生产和分解紧密联系
在一起。 考察 4 个样地有机碳和全氮的相关性(图 3)
可知,样地 B、C、D均呈现极显著的正相关性,而样地 A
相关性不显著。 进一步分析样地 A 土壤含氮量数据,
119个样点中有 8个高含氮量的(>8.0)异常值,而平均
值为 4.85;如果去除这 8 个样点数据,土壤有机碳和全
氮含量相关性达极显著水平。 这与亚高山草甸和云杉
林土壤有机碳含量和全氮含量极显著正相关的研究结论相一致[20]。 8 个高含氮量样点的坐标为(3,3)、(3,
6)、3,12)、(3,18)、(3,24)、(3,27)、(6,3)、(6,6),由空间取样设计(图 2)可知,这些样点在空间上呈连续带
状分布,暗示着样地 A存在一个氮源在地形和降雨的共同作用下迁移形成一条富氮带。
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不同海拔高度,相同植被类型下土壤有机碳和全氮含量的小尺度空间异质性具有一定相似性。 变异函数
均呈球状模型(表 3,表 5),空间自相关变异的尺度大小相似。 亚高山草甸土壤有机碳和全氮含量表现为较
大尺度的空间自相关,而云杉林则表现为较小尺度的空间自相关。 土壤属性的空间分布是潜在的局地异质性
的总和,它们受生物学和地质学等过程影响,使得区域化变量在空间分布上存在差异性,因而产生异质的土壤
环境[21]。 研究结果反映出相同植被类型下,影响土壤有机质和全氮的生态过程在相同的尺度上起作用;植被
类型发生变化,则生态过程的尺度依赖性将发生显著改变,而人为干扰如放牧将显著改变碳氮循环的生态过
程,表现为空间变异的增大和空间自相关性的下降。
5摇 结论
(1)亚高山草甸样地 A(海拔 2756.3 m)和样地 B(海拔 2542.3 m)土壤有机碳含量均值分别为 49.84 g / kg
和 38.33 g / kg);云杉林样地 C(海拔 2656.8 m)和样地 D(海拔 2387.2 m)云杉纯林土壤有机碳含量分别为
47郾 06 g / kg和 40.67 g / kg。 有机碳空间异质性总体上表现为,相同植被类型下较高海拔样地有机碳含量高,
而较低海拔的样地土壤有机碳含量的异质性较高。 亚高山草甸样地 A 和样地 B 空间自相关的范围为
61.0 m。 云杉纯林样地 C和样地 D表现为小尺度的空间自相关变异(变程分别为 6.87,6.55 m)。
(2)亚高山草甸样地 A和样地 B土壤全氮含量平均值为 4.85 g / kg和 3.76 g / kg,云杉样地 C和样地 D分
别为 3.01 g / kg和 2.90 g / kg。 高山草甸土壤全氮含量的异质性远远高于云杉林。 土壤全氮含量在 4个样地中
均表现出强的空间自相关性,其空间变异主要由结构性因素造成。 亚高山草甸样地和云杉林样地全氮含量空
间变异的尺度与有机碳含量空间变异表现相似,分别为 47.65、61.0 m和 7.87、8.67 m。
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园员怨苑 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 猿猿卷摇
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
国内邮发代号院愿圆鄄苑袁国外邮发代号院酝远苑园
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
全国各地邮局均可订阅袁也可直接与编辑部联系购买遥 欢迎广大科技工作者尧科研单位尧高等院校尧图书
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通讯地址院 员园园园愿缘 北京海淀区双清路 员愿号摇 电摇 摇 话院 渊园员园冤远圆怨源员园怨怨曰 远圆愿源猿猿远圆
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本期责任副主编摇 丁摇 平摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
第 猿猿卷摇 第 圆源期摇 渊圆园员猿年 员圆月冤
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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
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