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The spatial heterogeneity of soil nutrients in a mid-subtropical Castanopsis kawakamii natural forest

格氏栲天然林土壤养分空间异质性



全 文 :
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 18 期摇 摇 2012 年 9 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
亚热带典型树种对模拟酸雨胁迫的高光谱响应 时启龙,江摇 洪,陈摇 健,等 (5621)……………………………
珠江三角洲地面风场的特征及其城市群风道的构建 孙摇 武,王义明,王越雷,等 (5630)………………………
粤北山地常绿阔叶林自然干扰后冠层结构与林下光照动态 区余端,苏志尧 (5637)……………………………
四种猎物对南方小花蝽生长发育和繁殖的影响 张昌容, 郅军锐, 莫利锋 (5646)……………………………
普洱季风常绿阔叶林次生演替中木本植物幼苗更新特征 李帅锋,刘万德,苏建荣,等 (5653)…………………
喀斯特常绿落叶阔叶混交林物种多度与丰富度空间分布的尺度效应 张忠华,胡摇 刚,祝介东,等 (5663)……
格氏栲天然林土壤养分空间异质性 苏松锦,刘金福,何中声,等 (5673)…………………………………………
种植香根草对铜尾矿废弃地基质化学和生物学性质的影响 徐德聪,詹摇 婧,陈摇 政,等 (5683)………………
灌溉对三种荒漠植物蒸腾耗水特性的影响 单立山,李摇 毅,张希明,等 (5692)…………………………………
真盐生植物盐角草对不同氮形态的响应 聂玲玲,冯娟娟,吕素莲,等 (5703)……………………………………
庞泉沟自然保护区寒温性针叶林演替优势种格局动态分析 张钦弟,毕润成,张金屯,等 (5713)………………
不同水肥条件下 AM真菌对丹参幼苗生长和营养成分的影响 贺学礼, 马摇 丽, 孟静静, 等 (5721)…………
垄沟覆膜栽培冬小麦田的土壤呼吸 上官宇先,师日鹏,韩摇 坤,等 (5729)………………………………………
不同方式处理牛粪对大豆生长和品质的影响 郭立月, 刘雪梅,战丽杰,等 (5738)……………………………
基于大气沉降与径流的乌鲁木齐河源区氮素收支模拟 王圣杰, 张明军, 王飞腾,等 (5747)…………………
基于能值理论的循环复合农业生态系统发展评价———以福建省福清星源循环农业产业示范基地为例
钟珍梅,翁伯琦, 黄勤楼,等 (5755)
………
……………………………………………………………………………
低温暴露和恢复对棘胸蛙雌性亚成体生存力及能量物质消耗的影响 凌摇 云,邵摇 晨,颉志刚,等 (5763)……
暗期干扰对棉铃虫两个不同地理种群滞育抑制作用的比较 陈元生,涂小云,陈摇 超,等 (5770)………………
水土流失治理措施对小流域土壤有机碳和全氮的影响 张彦军,郭胜利,南雅芳,等 (5777)……………………
不同管理主体对泸沽湖流域生态系统影响的比较分析 董仁才,苟亚青,李思远,等 (5786)……………………
连江鱼类群落多样性及其与环境因子的关系 李摇 捷,李新辉,贾晓平,等 (5795)………………………………
溶氧水平对鲫鱼代谢模式的影响 张摇 伟,曹振东,付世建 (5806)………………………………………………
象山港人工鱼礁区的网采浮游植物群落组成及其与环境因子的关系 江志兵,陈全震,寿摇 鹿,等 (5813)……
填海造地导致海湾生态系统服务损失的能值评估———以套子湾为例 李睿倩,孟范平 (5825)…………………
城市滨水景观的视觉环境质量评价———以合肥市为例 姚玉敏,朱晓东,徐迎碧,等 (5836)……………………
专论与综述
生态基因组学研究进展 施永彬,李钧敏,金则新 (5846)…………………………………………………………
海洋酸化生态学研究进展 汪思茹,殷克东,蔡卫君, 等 (5859)…………………………………………………
纺锤水蚤摄食生态学研究进展 胡思敏,刘摇 胜,李摇 涛,等 (5870)………………………………………………
河口生态系统氨氧化菌生态学研究进展 张秋芳,徐继荣,苏建强,等 (5878)……………………………………
嗜中性微好氧铁氧化菌研究进展 林超峰,龚摇 骏 (5889)…………………………………………………………
典型低纬度海区(南海、孟加拉湾)初级生产力比较 刘华雪, 宋星宇, 黄洪辉,等 (5900)……………………
植物叶片最大羧化速率及其对环境因子响应的研究进展 张彦敏, 周广胜 (5907)……………………………
中国大陆鸟类栖息地选择研究十年 蒋爱伍,周摇 放,覃摇 玥,等 (5918)…………………………………………
研究简报
孵化温度对赤链蛇胚胎代谢和幼体行为的影响 孙文佳,俞摇 霄,曹梦洁,等 (5924)……………………………
不同培肥茶园土壤微生物量碳氮及相关参数的变化与敏感性分析 王利民, 邱珊莲,林新坚,等 (5930)……
施肥对两种苋菜吸收积累镉的影响 李凝玉, 李志安,庄摇 萍,等 (5937)………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*322*zh*P* ¥ 70郾 00*1510*36*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄09
封面图说: 冬天低空飞翔的丹顶鹤———丹顶鹤是鹤类中的一种,因头顶有“红肉冠冶而得名。 是东亚地区特有的鸟种,因体态优
雅、颜色分明,在这一地区的文化中具有吉祥、忠贞、长寿的象征,是传说中的仙鹤,国家一级保护动物。 丹顶鹤具备
鹤类的特征,即三长———嘴长、颈长、腿长。 成鸟除颈部和飞羽后端为黑色外,全身洁白,头顶皮肤裸露,呈鲜红色。
丹顶鹤每年要在繁殖地和越冬地之间进行迁徙,只有在日本北海道等地是留鸟,不进行迁徙,这可能与冬季当地人
有组织地投喂食物,食物来源充足有关。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 18 期
2012 年 9 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 18
Sep. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:福建省自然科学基金重点项目(2008J0008);教育部博士点基金项目(200803890011);博士后基金项目(20070410796)
收稿日期:2011-08-04;     修订日期:2012-03-13
∗通讯作者 Corresponding author. E-mail: fjljf@ 126. com
DOI: 10. 5846 / stxb201108041146
苏松锦,刘金福,何中声,洪伟,张金彪.格氏栲天然林土壤养分空间异质性.生态学报,2012,32(18):5673-5682.
Su S J,Liu J F,He Z S,Hong W,Zhang J B. The spatial heterogeneity of soil nutrients in a mid-subtropical Castanopsis kawakamii natural forest. Acta
Ecologica Sinica,2012,32(18):5673-5682.
格氏栲天然林土壤养分空间异质性
苏松锦1,2,刘金福1,2,∗,何中声1,2,洪  伟1,2,张金彪3
(1. 福建农林大学林学院, 福州  350002;2. 福建省高校生态与资源统计重点实验室, 福州  350002;
3. 福建农林大学生命科学院, 福州  350002)
摘要:采用地统计学与 GIS技术相结合方法对格氏栲天然林土壤养分和 pH值空间异质性进行了研究,结果表明:pH值为弱变
异,土壤养分为中等变异,变异强度为有效磷>速效钾>水解性氮>全氮>全钾>全磷>pH值。 半方差最优模型拟合分析表明,pH
值、全钾、有效磷符合指数模型,全氮符合高斯模型,全磷、水解性氮符合球状模型,速效钾符合线状模型;全钾、速效钾、pH、全
氮、全磷、水解性氮和有效磷的有效变程依次为 1806、549、267、130、120、182 m和 117 m;从空间结构特征看,pH值、全氮、全磷、
水解性氮、有效磷表现出强烈的空间自相关,其空间异质性主要受结构性因素影响;全钾具有中等强度的空间自相关,其空间异
质性是随机性因素和结构性因素共同作用的结果;速效钾具有微弱的空间自相关,其空间异质性主要受随机性因素影响。 土壤
养分空间分布特征:全氮、全磷由南向北递增;全钾含量呈环状分布,向南北分别呈递增趋势;pH值由东北到西南递增,呈条带
状分布;水解性氮从东北向西南递减;有效磷从东南到西北逐渐递增;速效钾分布较均匀,在西北和东南角各有一个高值区,从
西南到东北表现为先增加后减少的规律。 其结果为区域尺度上土壤养分的空间内插、制图和取样设计提供参考,也为土壤可持
续利用、格氏栲天然林的恢复与重建提供科学依据。
关键词:格氏栲;土壤养分;空间异质性;GIS;地统计学
The spatial heterogeneity of soil nutrients in a mid-subtropical Castanopsis
kawakamii natural forest
SU Songjin1,2,LIU Jinfu1,2,∗,HE Zhongsheng1,2,HONG Wei1,2,ZHANG Jinbiao3
1 College of Forestry,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002,China
2 Key Laboratory of Fujian Universities for Ecology and Resource Statistics,Fuzhou 350002,China
3 College of Life Science,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002,China
Abstract: The spatial heterogeneity of soil nutrients and soil pH in Castanopsis kawakamii natural forest of Sanming City,
Fujian Province was studied by the method of Geostatistics coupled with Geographical Information System (GIS) technique.
The experimental results showed that pH had a weak variation, and the soil nutrients exhibited medium spatial variability.
The variation intensity of soil nutrients and soil pH ranked from high to low as follows: available phosphorous (43. 54% ),
available potassium ( 32. 84% ), hydrolyzable nitrogen ( 31. 03% ), total nitrogen ( 29. 41% ), total potassium
(25. 25% ), total phosphorous (22. 14% ), pH (3. 39% ). In terms of different soil layers, the value of pH and total
potassium raised with increase in soil depth, while total nitrogen, total phosphorous, hydrolyzable nitrogen, available
phosphorous, available potassium reduced with increasing soil depth. Analysis of variance showed that soil nutrients and
soil pH reached an extremely significant levels. Parameters of theoretical variogram models for soil nutrients and soil pH
showed that pH, total potassium and available phosphorous fitted exponential model, total nitrogen fitted Gaussian model,
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total phosphorous and hydrolyzable nitrogen can be best described by spherical model and available potassium was well fitted
by linear model. The effective ranges of total potassium and available potassium were 1806 m and 549 m, respectively,
while the values for pH, total nitrogen, total phosphorous, hydrolyzable nitrogen and available phosphorous were 267 m,
130 m, 120 m, 182 m, and 117 m, respectively. In terms of spatial structure, pH, total nitrogen, total phosphorous,
hydrolyzable nitrogen and available phosphorous showed high spatial autocorrelation, which was greatly affected by soil
structural factors, such as stand structure, topography, microhabitat of forest gap and soil aggregate structure. Total
potassium indicated moderate spatial autocorrelation, which was resulted from both soil structural factors and random
factors. Available potassium indicated weak spatial autocorrelation. The spatial heterogeneity of available potassium was
primarily affected by random factors, such as site preparation, change of land use, the rapid development of the ecotourism,
the planning and construction of scenic areas. The spatial distributions of soil nutrients had different characteristics. Total
nitrogen and total phosphorous were increased from south to north. The total potassium emerged circle distribution with low
in the central area and high in the marginal area. Soil pH showed a decreasing trend from southwest to northeast, presenting
a band distribution. Hydrolyzable nitrogen decreased from northeast to southwest. Available phosphorous increased
gradually from southeast to northwest. From southwest to northeast, available potassium content increased firstly and then
decreased with two high value areas at the corner of northwest and southeast. The results may provide reference for
improving the sampling design and for spatial interpolation and map of soil nutrients at a regional scale. It also may give a
scientific foundation for sustainable use of soil and the recovery and reconstruction of C. kawakamii natural forest.
Key Words: Castanopsis kawakamii; soil nutrients; spatial heterogeneity; GIS; goestatistics
生态学过程和格局在空间分布上的差异性及复杂性即为空间异质性。 土壤空间异质性是生态系统的基
本特征,受地形、母质、植被类型等结构性因素和取样、测量误差等随机性因素影响[1],为当前生态学、土壤
学、林学等领域的研究热点[1-10]。 森林土壤养分的空间分布特征直接影响着林地生产力高低、生态恢复的途
径与方向,是植物群落空间格局形成的重要因素。 为此,深入了解植被演替与土壤性质演变的关系,探索土壤
养分变异规律及如何合理开发利用土壤资源,已成为一个重要课题。 随着“数字农业”的不断发展及地统计
学方法日趋成熟,国内外许多学者探索了不同土地利用方式或不同土壤管理措施下的农田、流域、茶园等平坦
区域的土壤空间异质性及其影响因素[2-7];而对森林生态系统,更注重土壤空间异质性形成机制、土壤空间变
异规律与人为干扰、幼苗更新、物种空间分布格局等关系的研究;森林土壤空间异质性的研究尺度多基于小尺
度固定样地[1,8-10],而受地形、取样难度、实验成本等因素制约,林分或更大尺度下土壤变异研究并不多见。
格氏栲(Castanopsis kawakamii),也称吊皮椎,壳斗科锥属,第三纪孑遗植物,属国家重点保护植物,分布
于我国中亚热带地区南缘。 福建三明小湖地区以格氏栲占优势的天然林分约有 700 hm2,面积大、纯度高,堪
称“世界格氏栲林”,引起许多学者高度关注[11-14],尤其刘金福等系统开展格氏栲种群保护生态学研究,明确
了格氏栲天然林断代现象严重、更新困难、林窗数量增多、种群数量呈衰退趋势。 而土壤学研究仅限于:刘金
福等探讨格氏栲林分形维数与土壤肥力的关系[14];樊后保等分析格氏栲与马尾松混交林的土壤理化性
质[15];杨玉盛等探讨不同起源格氏栲林土壤及根系呼吸、凋落物数量及分解、碳库与养分库等[16-17]。 但有关
格氏栲林土壤养分空间异质性研究尚未报道。 为此,笔者采用地统计学与 GIS 技术相结合方法,探讨格氏栲
林土壤养分空间变异规律,为区域尺度土壤养分的空间内插、制图和取样设计提供参考,也为土壤可持续利
用、格氏栲林的恢复与重建提供科学依据。
1  研究区概况
格氏栲自然保护区位于福建省三明市莘口乡楼源小湖村,地理坐标:26°9′—26°12′N,117°27′—117°29′
E。 地处武夷山脉东伸支脉,低山丘陵地貌,海拔在 250—604. 2 m之间,地形复杂,气候温暖湿润,年平均气温
19. 5 ℃,属中亚热带海洋性兼内陆性气候。 格氏栲天然林属亚热带常绿阔叶林,土壤亚类型主要为暗红壤,
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图 1  研究区 DEM及样点分布图
Fig. 1  Distribution of the soil sample plots in study area
其次为紫色土,大部分为重壤质土,土层均较厚,水肥条
件较好,腐殖质含量丰富。 保护区以格氏栲及与之相伴
生的野生动植物资源、生态环境为保护对象。 植物种类
丰富,群落类型多样,格氏栲群落上层以格氏栲为优势
种,由木荷(Schima superba)、马尾松(Pinus massoniana)
等组成,种群密度为 100 株 / hm2,平均树高约 21. 5 m,
胸径约 32. 4 cm,郁闭度约 0. 8;灌木层主要有沿海紫金
牛( Ardisia lindleyana)、鼠刺 ( Itea chinensis)、狗骨柴
(Diplospora dubia)等,盖度约 25% ;草本主要有草珊瑚
(Sarcandra glabra)、狗脊蕨(Woodwardia japonica)、华山
姜(Alpinia oblongifolia)等,盖度约 65% [11,14]。
2  研究方法
2. 1  外业调查与室内实验
依研究区 DEM,以 100 m为采样间距,结合实地情
况适当调整采样密度,共采土壤样点 86 个(图 1)。 土
样采集分 3 层,即Ⅰ层(0 — 20 cm)、Ⅱ层(20 — 40
cm)、Ⅲ层(40 — 60 cm),共收集 258 个土样。 每个样
点在以取样点为圆心,30 m 为半径的范围设置 5 个重
复,将土样混匀后,取约 1 kg 土样带回实验室。 每个样
点均用手持 GPS 定位,并记录植被类型、坡位、海拔等
相关立地因子。 运用 GIS技术,建立基于位置的空间属性数据库,并进行投影变换,生成用于地统计学分析的
土壤样点文件。 室内实验测定土壤养分指标包括全氮、全磷、全钾、水解性氮、有效磷、速效钾和 pH 值,具体
操作参照 1999 年国家林业局发布的中国林业行业标准《森林土壤分析方法》 [18]。
2. 2  半方差函数理论
土壤养分是一种区域化变量,在空间上分布是一个的连续过程,其空间变异及结构特征可用半方差函数
定量描述。 半方差函数计算公式:
r(h) = 1
2N(h)∑
N(h)
i = 1
[Z(xi + h) - Z(xi)]
2
(1)
式中,h为步长,也称样本距;r(h)是样本距为 h的半方差;N(h)指样本距为 h 时的样点对数;Z(xi)和 Z(xi+
h)分别是变量 Z在空间位置 xi 和 xi+h上的取值。
土壤养分通常可用线性模型、球状模型、指数模型、高斯模型等半方差函数理论模型拟合。 模型的最优选
择可综合考虑块金值和有效变程,用决定系数 R2 及残差平方和(RSS,residual sum of squares)决定,其中 R2 为
回归平方和与总平方和的比值,R2 越大,模型拟合的曲线精度越高;RSS 为各统计样点实际值与估计值的差
的平方之和,其值越小,表明实测值与回归线越靠近,拟合曲线效果越好[6]。
2. 3  Kriging插值方法
Kriging插值法以空间自相关为基础,利用原始数据和半方差函数的结构性,对区域化变量未知点进行线
性无偏最优估值,是地统计学中最常用的插值方法之一。 插值预测结果优劣程度评价标准:均值误差(ME,
mean error)趋近 0;均方根误差(RMSE,root-mean-square error)越小越好;平均标准差(ASE,average standard
error)最趋近均方根误差;标准化均方根预测误差(SRMSE,root-mean-square standardized error)最趋近 1[6]。
Kriging插值图精度检验可使用交叉验证法,其中 2 个主要指标为均值误差和均方根误差。 公式:
ME = 1
n∑
n
i = 1
[ z(xi) - z(x0)] (2)
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RMSE = 1
n∑
n
i = 1
[ z(xi) - z(x0)] 2 (3)
2. 4  数据处理
考虑特异值会使连续表面离散、半方差函数发生畸变,因此采用阈值法处理,即将处于样本均值加减 3 倍
标准差区间外的样点剔除。 为了减少比例效应,保证实验数据符合地统计学插值要求,采用单样本
Kolmogorov-Smirnov检验(取显著水平 α=0. 05,若 Pk-s>0. 05,则认为是正态分布)其是否服从正态分布。 采用
SPSS 17. 0 软件计算描述性统计特征值;采用地统计学软件 GS+7. 0 拟合半方差模型、绘制半方差函数图;土
壤养分 Kriging空间插值分析通过 ArcGIS 9. 2 软件中的 Geostatistical Analyst 地统计模块实现。
3  结果与分析
3. 1  土壤养分描述性统计特征
由全国第二次土壤普查土壤分级标准及表 1 平均值,可知 0—60 cm 土层内,全钾值 23. 41 g / kg,属于丰
富水平;水解性氮为 104. 85 mg / kg,属于中等水平;有效磷、速效钾分别为 5. 58 mg / kg、88. 94 mg / kg属于缺乏
水平;pH值为 4. 43,呈酸性;全氮、全磷属于极缺乏水平,其值分别为 0. 17% 、0. 07% ,与南方森林土壤低磷含
量情况相符。 从变异系数看,pH值最小,为 3. 39% ,有效磷最大,为 43. 54% ,变异程度为有效磷(43. 54%)>
速效钾(32. 84%)>水解性氮(31. 03%)>全氮(29. 41%)>全钾(25. 25%)>全磷(22. 14%)>pH值(3. 39%)。 经
K-S检验,pH值、全磷、全钾和水解性氮服从正态分布,全氮、有效磷、速效钾服从对数正态分布。
表 1  格氏栲天然林 0—60 cm土壤养分统计特征
Table 1  The statistic characteristic values of soil nutrients in C. kawakamii natural forest
项目
Items
最小值
Minimum
最大值
Maximum
平均值
Average
标准差
Standard error
变异系数
Cv
分布类型
Distribution type
pH 3. 68 5. 02 4. 43 0. 15 3. 39% 正态
全氮 TN Total nitrogen / % 0. 04 0. 51 0. 17 0. 05 29. 41% 对数正态分布
全磷 TP Total phosphorus / % 0. 0077 0. 1233 0. 0700 0. 0155 22. 14% 正态分布
全钾 TK Total potassium / (g / kg) 8. 50 39. 75 23. 41 5. 91 25. 25% 正态分布
水解性氮 AN Hydrolyzable nitrogen / (mg / kg) 15. 23 302. 95 104. 85 32. 53 31. 03% 正态分布
有效磷 AP Available phosphorus / (mg / kg) 0. 1211 25. 0868 5. 5800 2. 4298 43. 54% 对数正态分布
速效钾 AK Available potassium / (mg / kg) 21. 58 220. 53 88. 94 29. 21 32. 84% 对数正态分布
    Cv: Coefficient of variation
从不同土层看,全氮、全磷、水解性氮、有效磷、速效钾含量均随土壤深度增加而减少,而 pH 值和全钾随
土层深度增加而增加(图 2)。 单因素方差分析(ANOVA)和最小显著差数法(LSD)检验表明,不同土层各土
壤养分指标含量差异均极显著,即 pH 值、全氮、全磷、全钾、水解性氮、有效磷、速效钾 F 值分别为 74. 88、
87. 26、377. 50、7. 64、150. 67、12. 42、87. 00,P均小于 0. 01。
3. 2  土壤养分空间变异及结构特征
3. 2. 1  土壤养分趋势面特征
为减少全局趋势对局部半变异分析过程的影响,更准确地模拟短程随机变异,采用趋势面分析得土壤养
分趋势(图 3)。 图 3 中每根竖棒代表一个样点的属性值,将这些点投影到 EW-SN正交平面,通过投影点作出
最佳拟合线,模拟特定方向上存在的趋势,如果该线平直,说明无全局趋势。 从图 3 可知各土壤养分指标在东
西方向呈阶梯状平滑过渡,全钾、有效磷均平滑下降,趋势线较平直,二阶趋势不明显;水解性氮、速效钾有微
小的增幅,与该区域东高西低的地形相吻合;全磷略有上升,表现出凹形特征,具有二阶趋势;全氮、pH值无全
局趋势。 从南北方向上看,全氮、全磷、速效钾呈平滑下降趋势;pH 值表现为上升趋势;全钾和水解性氮表现
出南北高,中间低的凹形特征,具有明显的二阶趋势;有效磷趋势线平直,无全局趋势。 可见对各土壤养分进
行半方差分析及 Kriging插值时,应先分离趋势面。
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图 2  研究区不同土层土壤养分统计特征值
Fig. 2  The statistic characteristic values of soil nutrients in different soil layers in C. kawakamii natural forest
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图 3  格氏栲天然林土壤养分趋势图
Fig. 3  Trend analysis of soil nutrients in C. kawakamii natural forest
3. 2. 2  半方差函数模型拟合
步长大小的选择影响理论半方差函数,如果太大,短程的自相关性将被掩盖;如果太小,步长组数多,每一
步长组中样点数太少,其均值不具代表性。 综合考虑步长及步长组数,可取 h = 100 m,分为 100,200,¼,600
m,共 6 组,600 m小于最大取样间距(1207 m)的一半,符合地统计分析的要求。 以 r(h)为纵轴,h 为横轴,即
可得半方差函数图(图 4)。
图 4  格氏栲林土壤养分半方差函数曲线
Fig. 4  Semivariograms of soil nutrients in C. kawakamii natural forest
块金值、基台值、有效变程是半方差函数图 3 个主要参数,详见表 2。 依公式(1)对各土壤养分进行半方
差最优模型拟合。 pH值、全钾、有效磷符合指数模型,全磷、水解性氮符合球状模型,全氮符合高斯模型,速效
表 2  土壤养分变异函数理论模型的相关参数
Table 2  Parameters of theoretical variogram models for soil nutrients
指标
Items
块金值
Co
基台值
Sill
有效变程
Ao(m)
块基比
Co / Sill
理论模型
Theoretical model
决定系数
R2
残差和
RSS
pH值 3. 57×10-3 2. 25×10-2 267 15. 87% Exponential 0. 837 8. 61×10-6
全氮 TN 3. 91×10-3 1. 56×10-2 130 25. 06% Gaussian 0. 546 5. 18×10-5
全磷 TP 1. 70×10-5 2. 60×10-4 120 6. 54% Spherical 0. 822 3. 26×10-10
全钾 TK 23. 80 47. 61 1806 49. 99% Exponential 0. 840∗ 17. 60
水解性氮 AN 25. 00 1049 182 2. 38% Spherical 0. 518 2. 89×105
有效磷 AP 0. 40 5. 41 117 7. 39% Exponential 0. 753 1. 24×10-1
速效钾 AK 1. 98×10-2 1. 98 ×10-2 549 100% Linear 0. 392 4. 23×10-6
    ∗:表示全钾 R2 是基于 105 m步长得到的
8765   生  态  学  报      32 卷 
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钾符合线状模型。 各土壤养分指标 R2 为 0. 392—0. 840,除速效钾 R2 较低,水解性氮 RSS 较大外,其它指标
模型拟合度均较高,能反映研究区土壤养分的空间结构特征。
块金值表示由测量误差和空间变异引起的随机变异,表 2 中 pH值、全氮、全磷、有效磷、速效钾的块金值
均较小,接近于 0,表明由实验误差和小于最小取样尺度引起的随机变异小;全钾、水解性氮块金值分别为
23. 80、25. 00,其值较大,即较小尺度上存在不容忽视的某种生态过程。
不同区域变量块金值和基台值无可比性,但块基比(Co / Sill)可反映区域变量的空间结构特征。 依文
献[2]的空间相关性程度划分标准及表 2 的 Co / Sill,格氏栲天然林土壤 pH值、全氮、全磷、水解性氮、有效磷由
随机变异引起的空间异质性占系统总变异的比例分别为 15. 87% 、25. 06% 、6. 54% 、2. 38% 、7. 39% ,表明其
在研究尺度上均具有强烈的空间自相关和格局;土壤全钾由随机变异和结构变异引起的空间异质性比例分别
为 49. 99% 、50. 01% ,表明具有中等的空间自相关性;而速效钾由随机变异引起的空间异质性为 100% ,具有
纯块金效应,在整个研究尺度上具有恒定变异,即具有微弱的空间自相关。
有效变程(Ao)反映区域变量空间自相关性的范围,研究区土壤养分有效变程波动幅度较大(117—1806
m),其中全钾变程最大,为 1806 m,表明其空间连续性好,在 100 m × 100 m 的研究尺度下变化规律不显著,
有待更小尺度的研究;水解性氮为 182 m,pH值为 267 m;而全氮、全磷、有效磷有效变程差异较小,分别为 130
m、120 m、117 m,可视为其生态过程在相同尺度上起作用。
3. 3  土壤养分空间分布特征
3. 3. 1  Kriging插值精度验证
Kriging插值精度交叉验证参数可由 ArcGIS 9. 2 自动计算,详见表 3。 表 3 中均值误差均较小,趋近于 0,
均方根误差和平均标准误差接近,标准均方根预测误差趋近于 1,即各土壤养分指标插值图精度均较高,可用
于土壤养分空间分布预测。
表 3  插值精度交叉验证参数
Table 3  Cross-validation analysis to the interpolation accuracy of soil nutrients
项目
Items pH
全氮
TN
全磷
TP
全钾
TK
水解性氮
AN
有效磷
AP
速效钾
AK
均值误差 ME mean error 0. 0018 0. 0004 0. 0002 0. 0477 0. 0877 -0. 0766 0. 0865
均方根误差
RMSE root-mean-square error 0. 1298 0. 05501 0. 0162 5. 8980 34. 0900 2. 4910 30. 3700
平均标准差 ASE average standard error 0. 1349 0. 05441 0. 0153 5. 4680 37. 5800 2. 1470 29. 0700
标准化均方根预测误差 SRMSE root-
mean-square standardized error 0. 9666 1. 0130 1. 0570 1. 0770 0. 9436 1. 1620 1. 0930
3. 3. 2  土壤养分空间分布规律
在 ArcGIS9. 2 的 Geostatistical Analyst 地统计模块支持下,结合半方差函数参数及趋势分布图,采用
Kriging插值法获得各土壤养分空间分布插值图(图 5)。 从图 5 可知,pH值由东北到西南,酸性逐渐减弱,呈
现规则条带及斑块状分布,分布趋势与研究区地形分布规律较为一致;全氮有两个高值区,分别位于研究区西
南角(迎客栲、五木湖附近)和东北角(瞭望塔),由东南到西北呈条带状分布;全磷含量由南向北呈递增趋势,
含量在 0. 0662%—0. 0749%分布面积约占总面积的一半,而在 0. 0860%—0. 1047%可忽略不计;全钾含量呈
环状分布,以栲树王为中心,向南北分别呈递增趋势;水解性氮从西南向东北递增,含量在 80. 41—135. 25
mg / kg占总面积的 99%以上;有效磷空间分布规律较明显,总体表现为从东南向西北递增,呈条带状分布;速
效钾分布较均匀,在西北和东南角各有一个高值区,以 WN-ES为对称轴,西南和东北呈近似对称分布,即从西
南到东北表现为先增加后减少的规律。
4  结论与讨论
4. 1  土壤养分描述性统计特征
变异系数(Cv)表征样本的离散程度,依文献[6]标准:Cv<10%为弱变异,10%≤Cv≤100%为中等变异,
9765  18 期       苏松锦  等:格氏栲天然林土壤养分空间异质性  
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图 5  格氏栲天然林土壤养分含量空间分布图
Fig. 5  Spatial distribution map of soil nutrients in C. kawakamii natural forest
Cv>100%为强变异。 格氏栲天然林土壤 pH值(3. 39% )为弱变异,其它养分指标 22. 14%≤Cv≤43. 54% ,为
中等变异。 土壤养分有限或缺乏影响林下植物对土壤有效养分的吸收与利用,进而影响更新格局和过程[8]。
而研究区土壤全氮和全磷极缺乏,可能是制约格氏栲幼苗更新的重要因子,因此,可采取施氮磷复合肥等人促
更新措施,以期扩大格氏栲资源。 pH值和全钾在垂直剖面上呈递增规律,其它指标均随土层深度增加而减
小,与樊后保等[15]研究结果相一致。 除 pH值和全钾外,土壤养分含量表层富集现象均较明显,但稳定性差。
可见,开展生态旅游、景观改造等活动,应注意保护表层植被,以维持土壤养分库的稳定性。
4. 2  土壤养分空间结构特征
格氏栲天然林各土壤养分趋势在东西和南北方向上有差异(图 3),与地形、植被异质性强及人类活动对
不同养分干扰程度差异大有关,进而影响其空间分布格局。 研究区速效钾 R2 仅为 0. 392,即线性模型拟合效
果不理想,与模型、取样尺度、实验误差等有关。 半方差函数值达到基台值后,呈现出具有一定周期波动的
“孔穴效应”(图 4),可能与研究区波峰波谷相间分布,形成重复的微地形地貌格局有关。
土壤养分空间异质性是结构性因素和随机因素综合作用的结果,通常结构性因素强化其空间相关性,而
随机性因素促使其空间相关性减弱[6-7]。 格氏栲天然林土壤 pH值、全氮、全磷、水解性氮、有效磷由结构性变
异引起的空间异质性占系统总变异比例分别为 84. 13% 、74. 94% 、93. 46% 、97. 62% 、92. 61% ,表明其在研究
0865   生  态  学  报      32 卷 
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尺度上主要受结构性因素影响,与刘金福等[12,14]、樊后保等[15]研究结果相符合,即成土母质、气候条件较为
一致情况下,林分结构、地形、林窗微生境、土壤团粒结构是土壤 pH 值、全氮、全磷、水解性氮、有效磷空间异
质性产生的重要原因,且可用相关系数、回归模型和分形模型等来定量表达。 土壤全钾 Co / Sill为 49. 99% ,表
明由随机性因素和结构性因素引起的空间变异同等重要,格氏栲天然林随机性因素主要是人为干扰,如整地、
土地利用变化、生态旅游和景区规划建设等。 速效钾块基比为 100% ,表明其没有空间自相关和格局,主要受
随机性因素影响。 与速效钾水平移动性强、易流失,且调查发现栲王、腾龙阁、生命之门等景点及林缘区人为
干扰明显,使其朝均一化方向发展有关,图 5 速效钾含量空间分布也证实了这一点。
格氏栲天然林 7 种土壤养分空间自相关范围差异较大,其中全钾的生态过程在 1806 m 尺度上起作用,
pH值、水解性氮生态过程起作用尺度分别为 182、267 m,而全氮、全磷、有效磷有效变程在 117—130 m,表明
其生态过程基本在相同尺度上起作用。 可见,有效变程对土壤养分取样设计有效性及区域变量的空间内插和
制图具有指导作用。 若为土壤养分景观制图服务,取样网格应小于有效变程,pH值取 260 m,水解性氮取 180
m为宜,全氮、全磷、有效磷取 110—130 m,而全钾取 1800 m左右较合适。 因此,在野外若同时采集多个土壤
养分指标,须用尺度嵌套的网格模式,才能满足土壤取样设计的要求。
4. 3  土壤养分空间分布特征
Kriging插值图(图 5)可直观地反映各土壤养分的空间分布特征。 全氮空间分布与研究区内水体分布、林
下植被类型、凋落物分解特性差异及人为干扰等有关。 西南角五木湖使其土壤含水量较高,有利有机质积累;
东北角海拔高、人为干扰弱,以马尾松为主的针叶凋落物较难分解,有机质富集。 而土壤有机质与全氮相关性
高。 因此,全氮含量在西南和东北保持较高水平。
全磷含量在南部较低,与人为干扰强度大有关,即一方面部分格氏栲天然林被当地居民转为桔园、竹林和
杉木林等,植被遭破坏,使存在形式稳定的全磷易随地表径流损失,另一方面作为全磷重要来源的草灌植物、
凋落物等被清除,使全磷难以得到补充;而在北部,海拔高、人为干扰少、植被覆盖良好且枯枝落叶层厚,使全
磷少受径流影响,得到充分归还。 全钾呈环状分布,以栲树王为中心,向四周呈递增趋势,主要原因是该区内
丘陵众多、地形复杂、养分含量具有“洼积效应”,易在海拔低的坡谷汇集,保护区内坡谷相连,呈环状,导致其
向周围辐射。
pH值呈东北低西南高格局,与研究区地形趋势吻合,可能是与土壤水分海拔差异有关。 格氏栲保护站附
近土壤酸性弱,是由施用石灰石等耕作措施所导致的。 水解性氮与 pH 值的分布规律相似,两者相关系数
R= -0. 59,P<0. 01,南部水解性氮值高的原因,与采用施有机肥、秸秆覆盖 /还田等保护性耕作措施有关。 有
效磷 Kriging插值图是破碎的,空间异质性明显,可能与其水平迁移能力及稳定性、植物选择吸收利用、林窗微
生境等有关,王军[5]等也认为植物对磷素吸收利用能力是导致有效磷空间异质性的主要原因。 速效钾空间
结构主要受随机因素影响,其空间分布均匀,在西北和东南角各有一个高值区,可能与其易移动性、人为干扰
有关。
地统计学与 GIS技术相结合,不仅有效地揭示区域变量空间分布及变异特征,且将空间格局与生态过程
联系起来,有效地解释空间格局对生态过程与功能的影响,被视为土壤空间异质性研究最为有效的方法之
一[5]。 格氏栲天然林 6 种土壤养分(除速效钾外)均具有明显的空间自相关格局,差异明显,即可从林分结
构、土壤团粒特征、地形及人为干扰等方面得到合理解释。 可见,探索森林土壤空间变异特征,有助于了解土
壤的形成过程、物种多样性维持和土壤对植物更新过程影响等。
致谢:感谢董金相、陈芳软、吴彩婷、雷琼、朱德煌、孙会荟、黎丽珍、刘江等对外业调查和室内实验的支持。
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2865   生  态  学  报      32 卷 
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 18 September,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Hyperspectral characteristics of typical subtopical trees at different levels of simulated acid rain
SHI Qilong, JIANG Hong, CHEN Jian, et al (5621)
………………………………………
………………………………………………………………………………
Wind fields and the development of wind corridors in the urban metropolis of the Pearl River Delta
SUN Wu, WANG Yiming, WANG Yuelei, et al (5630)
…………………………………
……………………………………………………………………………
Dynamics of canopy structure and understory light in montane evergreen broadleaved forest following a natural disturbance in
North Guangdong OU Yuduan, SU Zhiyao (5637)…………………………………………………………………………………
The influence of 4 species of preys on the development and fecundity of Orius similis Zheng
ZHANG Changrong, ZHI Junrui, MO Lifeng (5646)
…………………………………………
………………………………………………………………………………
Woody seedling regeneration in secondary succession of monsoon broad鄄leaved evergreen forest in Puer, Yunnan, Southwest
China LI Shuaifeng, LIU Wande, SU Jianrong, et al (5653)……………………………………………………………………
Scale鄄dependent spatial variation of species abundance and richness in two mixed evergreen鄄deciduous broad鄄leaved karst forests,
Southwest China ZHANG Zhonghua, HU Gang, ZHU Jiedong, et al (5663)……………………………………………………
The spatial heterogeneity of soil nutrients in a mid鄄subtropical Castanopsis kawakamii natural forest
SU Songjin,LIU Jinfu,HE Zhongsheng,et al (5673)
…………………………………
………………………………………………………………………………
Effects of Vetiveria zizanioides L. growth on chemical and biological properties of copper mine tailing wastelands
XU Decong, ZHAN Jing, CHEN Zheng, et al (5683)
……………………
………………………………………………………………………………
Effects of different irrigation regimes on characteristics of transpiring water鄄consumption of three desert species
SHAN Lishan, LI Yi, ZHANG Ximing, et al (5692)
………………………
………………………………………………………………………………
The response of euhalophyte Salicornia europaea L. to different nitrogen forms
NIE Lingling, FENG Juanjuan, L譈 Sulian, et al (5703)
…………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Dynamic analysis on spatial pattern of dominant tree species of cold鄄temperate coniferous forest in the succession process in
the Pangquangou Nature Reserve ZHANG Qindi, BI Runcheng, ZHANG Jintun, et al (5713)…………………………………
Effects of AM fungi on the growth and nutrients of Salvia miltiorrhiza Bge. under different soil water and fertilizer conditions
HE Xueli,MA Li,MENG Jingjing,et al (5721)
………
……………………………………………………………………………………
The dynamics of soil respiration in a winter wheat field with plastic mulched鄄ridges and unmulched furrows
SHANGGUAN Yuxian, SHI Ripeng, HAN Kun, et al (5729)
…………………………
……………………………………………………………………
Cattle dung composted by different methods had different effects on the growth and quality of soybean
GUO Liyue, LIU XueMei, ZHAN Lijie, et al (5738)
………………………………
………………………………………………………………………………
Nitrogen budget modelling at the headwaters of Urumqi River Based on the atmospheric deposition and runoff
WANG Shengjie, ZHANG Mingjun, WANG Feiteng, et al (5747)
………………………
…………………………………………………………………
Evaluating the ecosystem sustainability of circular agriculture based on the emergy theory: a case study of the Xingyuan circular
agriculture demonstration site in Fuqing City, Fujian ZHONG Zhenmei, WENG Boqi, HUANG Qinlou, et al (5755)…………
Effects of cold exposure and recovery on viability and energy consumption in the sub鄄adult female giant spiny frogs (Paa spinosa)
LING Yun, SHAO Chen, XIE Zhigang, et al (5763)

………………………………………………………………………………
A comparison of night鄄interruption on diapause鄄averting among two populations of the cotton bollworm, Helicoverpa armigera
CHEN Yuansheng, TU Xiaoyun, CHEN Chao, et al (5770)
………
………………………………………………………………………
Effects of soil erosion control measures on soil organic carbon and total nitrogen in a small watershed
ZHANG Yanjun, GUO Shengli, NAN Yafang, et al (5777)
…………………………………
………………………………………………………………………
Comparative analysis of Lugu Lake watershed ecosystem function under different management authorities
DONG Rencai, GOU Yaqing, LI Siyuan,et al (5786)
……………………………
………………………………………………………………………………
Relationship between fish community diversity and environmental factors in the Lianjiang River, Guangdong, China
LI Jie, LI Xinhui, JIA Xiaoping, et al (5795)
…………………
……………………………………………………………………………………
Effect of dissolved oxygen level on metabolic mode in juvenile crucian carp ZHANG Wei, CAO Zhendong, FU Shijian (5806)……
Community composition of net鄄phytoplankton and its relationship with the environmental factors at artificial reef area in Xiang鄄
shan Bay JIANG Zhibing, CHEN Quanzhen, SHOU Lu, et al (5813)……………………………………………………………
Emergy appraisal on the loss of ecosystem service caused by marine reclamation: a case study in the Taozi Bay
LI Ruiqian,MENG Fanping (5825)
……………………
…………………………………………………………………………………………………
Assessing the visual quality of urban waterfront landscapes:the case of Hefei, China
YAO Yumin, ZHU Xiaodong, XU Yingbi,et al (5836)
…………………………………………………
……………………………………………………………………………
Review and Monograph
Advances in ecological genomics SHI Yongbin, LI Junmin, JIN Zexin (5846)…………………………………………………………
Advances in studies of ecological effects of ocean acidification WANG Siru, YIN Kedong, CAI Weijun, et al (5859)………………
Advances in feeding ecology of Acartia HU Simin, LIU Sheng, LI Tao, et al (5870)…………………………………………………
Research progress on ammonia鄄oxidizing microorganisms in estuarine ecosystem
ZHANG Qiufang, XU Jirong, SU Jianqiang, et al (5878)
………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Recent progress in research on neutrophilic, microaerophilic iron(域)鄄oxidizing bacteria LIN Chaofeng, GONG Jun (5889)…………
A comparison study on primary production in typical low鄄latitude seas (South China Sea and Bay of Bengal)
LIU Huaxue, SONG Xingyu, HUANG Honghui, et al (5900)
…………………………
………………………………………………………………………
Advances in leaf maximum carboxylation rate and its response to environmental factors
ZHANG Yanmin, ZHOU Guangsheng (5907)
………………………………………………
………………………………………………………………………………………
10鄄years of bird habitat selection studies in mainland China: a review JIANG Aiwu, ZHOU Fang, QIN Yue, et al (5918)…………
Scientific Note
The effects of incubation temperature on embryonic metabolism and hatchling behavior in the Red鄄banded Snake, Dinodon
rufozonatum SUN Wenjia, YU Xiao, CAO Mengjie, et al (5924)…………………………………………………………………
Sensitivity analysis and dynamics of soil microbial biomass carbon, nitrogen and related parameters in red鄄yellow soil of tea garden
with different fertilization practices WANG Limin, QIU Shanlian, LIN Xinjian, et al (5930)……………………………………
Effect of fertilizers on cd uptake of two edible amaranthus herbs LI Ningyu, LI Zhian,ZHUANG Ping, et al (5937)…………………
《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的生态学专业性高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研
究原始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、
新方法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
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标准刊号:ISSN 1000鄄0933摇 摇 CN 11鄄2031 / Q
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生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 32 卷摇 第 18 期摇 (2012 年 9 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA

(Semimonthly,Started in 1981)

Vol郾 32摇 No郾 18 (September, 2012)
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