全 文 ：林业科学研究 ２０１６，２９（４）：５４５ ５５２
ＦｏｒｅｓｔＲｅｓｅａｒｃｈ
文章编号：１００１１４９８（２０１６）０４０５４５０８
黄土高原土石山区土壤密度的坡面变化
———以六盘山香水河小流域为例
张 桐１，２，王彦辉２，王玉杰１，邓秀秀２，３
（１．北京林业大学水土保持学院，北京 １０００８３；２．中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，
国家林业局森林生态环境重点实验室，北京 １０００９１；３．中南林业科技大学，湖南 长沙 ４１０００４）
收稿日期：２０１６０２２９
基金项目：国家自然科学基金项目（４１３９０４６１、４１４７１０２９、４１２３０８５２）；科技部科技基础性工作专项（２０１４ＦＹ１２０７００）；科技部“十二·五”
农村领域国家科技计划（２０１２ＢＡＤ２２Ｂ０３０１０２）；国家林业局宁夏六盘山森林生态站和宁夏回族自治区生态修复与多功能林业综合研究中心资助
作者简介：张 桐（１９９０—），男，硕士研究生．主要研究方向：水土保持、林业生态工程．Ｅｍａｉｌ：４５８６３５７６５＠ｑｑ．ｃｏｍ
通讯作者：王玉杰（１９６０—），教授，博士生导师．主要研究方向：土壤侵蚀、林业生态工程．Ｅｍａｉｌ：ｗｙｕｊｉｅ＠ｂｊｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
摘要：［目的］土壤密度是最基本的森林土壤水文物理性质参数，为了定量描述土壤密度随坡位的变化和影响因素，
研究不同坡面土壤密度的空间异质性。［方法］在宁夏六盘山半湿润区香水河小流域，选择华北落叶松人工林和天
然灌丛２个典型坡面，按坡位从上到下设置连续样地。２０１４年进行了森林土壤调查，在样地内掘土壤剖面，采用环
刀法，分层测定土壤密度。［结果］在１ｍ深土层内，土壤密度（Ｙ，ｇ．ｃｍ－３）随土层（Ｘ，ｃｍ）加深呈线性增大，拟合关
系式：华北落叶松坡面为Ｙ１＝０．７５５５＋０．００７７Ｘ（Ｒ
２＝０．９９），天然灌丛坡面为Ｙ２＝０．９１９５＋０．００４７Ｘ（Ｒ
２＝０．９８），
其原因包括植被根系活动、土壤生物活动、砾石含量等的土层差异；在２个坡面上，０ １００ｃｍ土层平均土壤密度均
有明显坡位差异，且２个坡面的沿坡整体变化趋势不相同，华北落叶松坡面从坡顶到坡脚是先逐渐增大，后趋于稳
定；天然灌丛坡面从坡顶到坡脚是“增大－减小 －增大”的趋势，不同土层土壤密度的坡面变化也各不相同。在华
北落叶松林坡面引起土壤密度坡位差异的主要原因是海拔，而在天然灌丛坡面是植物生长状况；２个坡面的土壤密
度平均值均出现在相对坡长的０．４ ０．５处。坡面上各样地的平均土壤密度和坡面平均值的差值（Ｚ，ｇ．ｃｍ－３）随
相对水平坡长（样地离开坡顶水平距离和整个坡面水平坡长的比）（Ｘ，ｍ）变化的回归关系式分别为：华北落叶松坡
面Ｚ１＝－０．１３９Ｘ
２＋０．２５Ｘ－０．０８０１（Ｒ２＝０．９３），天然灌丛坡面 Ｚ２＝０．４９４４Ｘ
３－０．７６７２Ｘ２＋０．３４０３Ｘ－０．０４０５
（Ｒ２＝０．９５）。［结论］华北落叶松林坡面和天然灌丛坡面的土壤密度都存在明显的坡位变化，但变化格局和主要影
响因素不同。基于土壤密度坡面变化的拟合关系，可实现从特定坡位测定值推算坡面平均值的尺度转换。
关键词：土壤密度；坡面变化；坡面异质性；六盘山
中图分类号：Ｓ７１５ 文献标识码：Ａ
ＶａｒｉａｔｉｏｎｏｆＳｏｉｌＢｕｌｋＤｅｎｓｉｔｙｏｎＳｌｏｐｅｓｉｎｔｈｅＲｏｃｋｙＭｏｕｎｔａｉｎｏｕｓＡｒｅａｓｏｆ
ＬｏｅｓｓＰｌａｔｅａｕ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＣｈｉｎａ：ＡＣａｓｅＳｔｕｄｙｏｆＸｉａｎｇｓｈｕｉｈｅＳｍａｌ
ＷａｔｅｒｓｈｅｄｉｎＬｉｕｐａｎＭｏｕｎｔａｉｎｓ
ＺＨＡＮＧＴｏｎｇ１，２，ＷＡＮＧＹａｎｈｕｉ２，ＷＡＮＧＹｕｊｉｅ１，ＤＥＮＧＸｉｕｘｉｕ２，３
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＳｏｉｌａｎｄＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ＢｅｉｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３Ｃｈｉｎａ；２．ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＦｏｒｅｓｔＥｃｏｌｏｇｙ，
ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙＥｃｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆＳｔａｔｅＦｏｒｅｓｔｒｙＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，
Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９１Ｃｈｉｎａ；３．ＣｏｌｅａｇｕｅｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙ，ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０００４，Ｈｕ’ｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：［Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ］Ｓｏｉｌｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙｉｓｔｈｅｍｏｓｔｂａｓｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｆｏｒｅｓｔｓｏｉｌｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｏｒｅ
ｓｅａｒｃｈｅｄｔｈｅｓｐａｔｉａｌｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙｏｆｓｏｉｌｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙｏｎｄｉｆｅｒｅｎｔｓｌｏｐｅｓｔｏｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆ
ｓｏｉｌｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙｏｎｓｌｏｐｅｓａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓ．［Ｍｅｔｈｏｄ］Ｔｏｓｅｌｅｃｔｅｄ２ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｓｌｏｐｅｓ，ｏｎｅｃｏｖｅｒｅｄ
ｂｙｐｌａｎｔａｔｉｏｎｏｆＬａｒｉｘｐｒｉｎｃｉｐｉｓ－ｒｕｐｐｒｅｃｈｔｉａｎｄａｎｏｔｈｅｒｂｙｎａｔｕｒａｌｓｈｒｕｂｓ，ｉｎｔｈｅｓｕｂ－ｈｕｍｉｄｓｍａｌｗａｔｅｒｓｈｅｄｏｆ
林 业 科 学 研 究 第２９卷
ＸｉａｎｇｓｈｕｉｈｅｏｆｔｈｅＬｉｕｐａｎＭｏｕｎｔａｉｎｓ．Ｓａｍｐｌｅｐｌｏｔｓｗｅｒｅｓｅｔｕｐｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙｆｒｏｍｔｈｅｓｌｏｐｅｔｏｐｄｏｗｎｗａｒｄｓｔｏｓｌｏｐｅ
ｆｏｏｔ．Ｔｈｅｓｏｉｌｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｏｉｌｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｉｎ２０１４，ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｒｉｎｇｃｏｒｅｓａｍ
ｐｌｅｓｆｒｏｍｄｉｆｅｒｅｎｔｓｏｉｌｌａｙｅｒｓｗｉｔｈｉｎｔｈｅｓｏｉｌｐｒｏｆｉｌｅｓｏｆｅａｃｈｐｌｏｔ．［Ｒｅｓｕｌｔ］Ｔｈｅｍｅａｎｓｏｉｌｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙ（Ｙ，ｇ·
ｃｍ－３）ｉｎｃｒｅａｓｅｄｌｉｎｅａｒｌｙｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｓｏｉｌｄｅｐｔｈｓ（Ｘ，ｃｍ）ｗｉｔｈｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ０－１００ｃｍ，ｗｉｔｈｔｈｅｆｉｔｅｄｒｅｌａ
ｔｉｏｎｏｆＹ１＝０．７５５５＋０．００７７Ｘ（Ｒ
２＝０．９９）ｆｏｒｔｈｅｐｌａｎｔａｔｉｏｎｓｌｏｐｅ，ａｎｄＹ２＝０．９１９５＋０．００４７Ｘ（Ｒ
２＝０．９８）
ｆｏｒｔｈｅｓｈｒｕｂｓｌｏｐｅ．Ｔｈｉｓｖｅｒｔｉｃａｌｖａｒｉａｔｉｏｎｉｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｔｈｅｓｏｉｌｄｅｐｔｈｄｉｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｒｏｏｔａｃｔｉｖｉｔｙ，ｓｏｉｌ
ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌａｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｇｒａｖｅｌｃｏｎｔｅｎｔ，ｅｔｃ．Ｏｎｔｈｅｔｗｏｓｌｏｐｅｓｓｔｕｄｉｅｄ，ｔｈｅ０－１００ｃｍａｖｅｒａｇｅｏｆｓｏｉｌｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙ
ｓｈｏｗｅｄａｃｌｅａｒｄｉｆｅｒｅｎｃｅａｍｏｎｇｓｌｏｐｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓ，ａｎｄｔｈｅｏｖｅｒａｌｔｒｅｎｄａｌｏｎｇｔｈｅｓｌｏｐｅａｍｏｎｇｔｈｅｔｗｏｓｌｏｐｅｓｗｅｒｅａｌ
ｓｏｄｉｆｅｒｅｎｔ．ＯｎｔｈｅｓｌｏｐｅｏｆＬ．ｐｒｉｎｃｉｐｉｓｒｕｐｐｒｅｃｈｔｉｐｌａｎｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｏｉｌｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙｆｉｒｓｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｇｒａｄｕａｌｙｆｒｏｍ
ｓｌｏｐｅｔｏｐｄｏｗｎｗａｒｄｓａｎｄｔｈｅｎｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ；ｗｈｉｌｅｉｔｓｈｏｗｅｄａｖａｒｉａｔｉｏｎｔｒｅｎｄｏｆ“ｉｎｃｒｅａｓｅｄｅｃｒｅａｓｅｉｎｃｒｅａｓｅ”ｏｎｔｈｅ
ｓｈｒｕｂｓｌｏｐｅ．Ｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙｉｎｅａｃｈｓｏｉｌｌａｙｅｒｄｉｆｅｒｅｄｆｒｏｍｅａｃｈｏｔｈｅｒａｍｏｎｇｔｈｅ２ｓｌｏｐｅｓ，ｔｏｏ．
Ｔｈｅｍａｉｎｃａｕｓｅｏｆｓｕｃｈｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙｖａｒｉａｔｉｏｎｉｓｔｈｅｅｌｅｖａｔｉｏｎｄｉｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｐｌａｎｔａｔｉｏｎｓｌｏｐｅ，ｂｕｔｔｈｅｐｌａｎｔ
ｇｒｏｗｔｈｆｏｒｔｈｅｓｈｒｕｂｓｌｏｐｅ．Ｔｈｅｗｈｏｌｅｓｌｏｐｅａｖｅｒａｇｅｏｆｓｏｉｌｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙａｐｐｅａｒｅｄａｔｔｈｅｓｌｏｐｅｐｏｓｉｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｒｅｌａ
ｔｉｖｅｓｌｏｐｅｌｅｎｇｔｈｏｆ０．４－０．５．Ｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙｄｉｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｃｅｒｔａｉｎｓｌｏｐｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｔｈｅ
ｗｈｏｌｅｓｌｏｐｅａｖｅｒａｇｅ（Ｚ，ｇ·ｃｍ－３）ｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｒｅｌａｔｉｖｅｓｌｏｐｅｌｅｎｇｔｈ（ｔｈｅｒａｔｉｏｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｓｔａｎｃｅ
ｏｆｏｎｅｐｌｏｔｆｒｏｍｓｌｏｐｅｔｏｐｔｏｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｅｎｇｔｈｏｆｗｈｏｌｅｓｌｏｐｅ）（Ｘ，ｍ）ｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｂｙａｆｉｔｅｄｒｅｌａｔｉｏｎ：Ｚ１＝
－０．１３９Ｘ２＋０．２５Ｘ－０．０８０１（Ｒ２＝０．９３）ｆｏｒｔｈｅｐｌａｎｔａｔｉｏｎｓｌｏｐｅ，ａｎｄＺ２＝０．４９４４Ｘ
３－０．７６７２Ｘ２＋０．３４０３Ｘ
－０．０４０５（Ｒ２＝０．９５）ｆｏｒｔｈｅｓｈｒｕｂｓｌｏｐｅ．Ｗｈｅｒｅｂｙｔｈｅｗｈｏｌｅｓｌｏｐｅａｖｅｒａｇｅｏｆｓｏｉｌｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙｃａｎｂｅｅｓｔｉｍａｔｅｄ
ｆｒｏｍｔｈｅｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙｍｅａｓｕｒｅｄａｔａｃｅｒｔａｉｎｓｌｏｐｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｓｏｔｈａｔｕｐｓｃａｌｉｎｇｏｆｓｏｉｌｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙｃａｎｂｅｒｅａｌｉｚｅｄ
ｗｉｔｈｉｎｔｈｅｓｐａｔｉａｌｒａｎｇｅｆｒｏｍｐｌｏｔｔｏｓｌｏｐｅ．［Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ］Ａｎｏｂｖｉｏｕｓｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙａｌｏｎｇｓｌｏｐｅｐｏｓｉ
ｔｉｏｎｅｘｉｓｔｓｏｎｂｏｔｈｐｌａｎｔａｔｉｏｎｓｌｏｐｅｓａｎｄｓｈｒｕｂｓｌｏｐｅ，ｂｕｔｗｉｔｈｄｉｆｅｒｅｎｔｖａｒｉａｔｉｏｎｐａｔｅｒｎａｎｄｍａｉｎｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃ
ｔｏｒ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅｆｉｔｅｄｒｅｌａｔｉｏｎｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇｔｈｅｓｌｏｐｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙ，ｔｈｅｕｐｓｃａｌｉｎｇｏｆｓｏｉｌｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙ
ｆｒｏｍｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｖａｌｕｅａｔｃｅｒｔａｉｎｓｌｏｐｅｐｏｓｉｔｉｏｎｔｏｔｈｅａｖｅｒａｇｅｏｆｗｈｏｌｅｓｌｏｐｅｃａｎｂｅｒｅａｌｉｚｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｉｌｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙ；ｓｌｏｐｅｖａｒｉａｔｉｏｎ；ｓｐａｔｉａｌｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ；ＬｉｕｐａｎＭｏｕｎｔａｉｎｓ
土壤密度是土壤最基本的一个物理性状，它对
土壤的透气性、入渗性能、持水能力、溶质迁移及抗
蚀能力都具有重要影响［１－５］。土壤密度受到气候、
母岩、地形、植被和土壤生物以及成土时间等多个因
素的影响。因此，在环境条件存在差异的坡面上，必
然存在土壤密度的坡位差异，且具有一定的分异规
律［６－１０］。加深对这一规律的定量认识，对森林土壤
功能研究及森林经营研究都具有重要意义。近年
来，对不同植被［１１－１２］、不同处理措施［１３－１４］、不同干
扰的影响［１５］导致土壤密度的坡面空间异质性［１６］等
有较深入的研究，但对其沿坡面变化规律的认识仍
不足，并缺少定量关系，限制了森林土壤的进一步管
理。本文在宁夏六盘山香水河小流域，选择华北落
叶松人工林典型坡面与天然灌丛坡面各１个，设置
连续的坡面样地，调查土壤密度的坡面变化规律及
影响因素，评估不同坡位样地对整个坡面的土壤密
度代表性，为精确调查土壤密度、准确评价森林土壤
生态功能、科学指导森林土壤保护与森林经营管理
提供科学基础。
１ 研究区概况
研究地点位于宁夏六盘山南部泾源县香水河小
流域（１０６°１２′１０．６＂ １０６°１６′３０．５＂Ｅ，３５°２７′２２．５＂
３５°３３′２９．７＂Ｎ），其分水岭沟子流域的面积为
１０．５ｋｍ２，海拔２０４０ ２９３１ｍ，坡度主要在２０°
５０°；土壤类型主要是森林灰褐土，石砾含量较高，为
典型的石质山地，母岩为石灰页岩和红色沙岩。属
典型的大陆性季风气候，年均气温 ５．０℃，无霜期
１３０ｄ左右；年均降水量７７０．７ｍｍ，全年蒸发量１２１４
１４２６ｍｍ。小流域的森林覆盖率为 ９４．３６％，其
中，天然次生林占流域面积的５７．９５％，主要树种是
白桦（ＢｅｔｕｌａｐｌａｔｙｐｈｌａＳｕｋ．）、红桦（Ｂｅｔｕｌａａｌｂｏ
ｓｉｎｅｎｓｉｓＢｕｒｋ．）、糙皮桦（ＢｅｔｕｌａｕｔｉｌｉｓＢｕｒｋ．ｖａｒ．ｓｅｐ
ｔｅｎｔｒｉｏｎａｌｉｓ）、山杨（ＰｏｐｕｌｕｓｄａｖｉｄｉａｎａＤｏｄｅ）、华山松
（ＰｉｎｕｓａｒｍａｎｄｉＦｒａｎｃｈ．）、辽东栎（Ｑｕｅｒｃｕｓｗｕｔａｉｓ
ｈａｎｓｅａＭａｒｙ．）；人工林占流域面积的 ２４．４％，主要
树 种 为 华 北 落 叶 松 （Ｌａｒｉｘｐｒｉｎｃｉｐｉｓｒｕｐｐｒｅｃｈｔｉ
Ｍａｙｒ．），还 有 少 量 油 松 （Ｐｉｎｕｓ ｔａｂｕｌａｅｆｏｒｍｉｓ
６４５
第４期 张 桐，等：黄土高原土石山区土壤密度的坡面变化———以六盘山香水河小流域为例
Ｃａｒｉèｒｅ．）和云杉（ＰｉｃｅａａｓｐｅｒａｔａＭａｓｔ．）。此外，小
流域中灌丛面积占１２．０１％，主要有野李子（Ｐｒｕｎｕｓ
ｓａｌｉｃｉｎａＬｉｎｄ．）、沙棘（ＨｉｐｐｏｐｈａｅｒｈａｍｎｏｉｄｅｓＬｉｎｎ．）、
甘肃山楂（ＣｒａｔａｅｇｕｓＫａｎｓｕｅｎｓｉｓＷｉｌｓ．）等；还有亚高山
草甸，占子流域面积的４．６５％，主要种类有蕨（Ｐｔｅｒｉｄｉ
ｕｍａｇｕｉｌｉｎｕｍｖａｒ．ｌａｔｉｕｓｃｕｌｕｍ）、苔草（Ｃａｒｅｘｔｒｉｓｔａｃｈｙａ
ｓｐｐ．）、紫苞凤毛菊（ＳａｎｓｕｒｅａｉｏｄｏｓｔｅｇｉａＨａｎｃｅ．）等。
２ 研究方法
２．１ 样地设置与调查
２０１４年５月，在分水岭沟子流域内选择１个华
北落叶松林（３１年生的人工同龄纯林）坡面和１个
天然灌丛坡面（图１），均位于东南坡向的半阳坡，海
拔分别为２２７０ ２５２０、２２６９．８ ２３８１．９ｍ，垂直
高差分别为２４７．９、１２８．９ｍ，平均坡度分别为３０．１、
３８．６°，斜坡长度分别为４８０、２０５ｍ，对应水平坡长分
别为３９７．９、１６０ｍ。在３１年生华北落叶松人工林
内，从坡顶到坡脚设置空间连续的１６个宽３０ｍ和
斜坡长３０ｍ（水平坡长平均２４．８７ｍ）的调查样地
（表１）。天然灌丛坡面生长着天然杂灌，主要灌木
为野李子，从坡顶到坡脚设置空间连续的８个水平
投影面积为２０ｍ×２０ｍ的调查样地（表２）。调查
华北落叶松林样地内每株树木的胸径、树高、枝下
高、冠幅等生长特征；调查天然灌丛样地的灌木地
径、株高、冠幅等生长特征。
图１ 华北落叶松林坡面（左）和灌丛坡面（右）上的调查样地分布示意图
表１ ３１年生华北落叶松人工纯林坡面样地的基本信息
样地 海拔／ｍ 坡度／（°） 坡位
离坡顶
水平距／ｍ
林分密度／
（株·ｈｍ－２）
林冠郁
闭度
平均胸径
／ｃｍ
平均树高
／ｍ
枝下高
／ｍ
优势木
平均高／ｍ
冠幅直径
／ｍ
１ ２５２４．５ ３６．０ 坡上 １２．１ ９５０ ０．７４ ２０．５２ １７．１ ２．４ １９．５ ３．９１
２ ２５０６．９ ３５．０ 坡上 ３６．６ ９３６ ０．７６ ２０．３０ １５．５ １．６ １９．８ ５．０６
３ ２４８９．７ ３１．２ 坡上 ６１．７ ９２２ ０．７２ ２０．５３ １６．６ １．４ ２０．４ ５．１５
４ ２４７４．１ ２７．１ 中上 ８７．９ ９３６ ０．７５ ２１．４９ １７．１ １．４ ２０．８ ５．６１
５ ２４６０．４ ２６．５ 中上 １１４．６ ９３８ ０．７８ ２１．５６ １７．６ ２．６ １９．８ ４．９１
６ ２４４７．１ ３７．１ 中上 １４０．０ ９１９ ０．７１ １９．７９ １６．４ ２．１ １９．４ ４．１１
７ ２４２９．０ ３５．８ 坡中 １６４．２ ９３１ ０．７６ ２１．０４ １７．７ ２．４ ２１．０ ３．５６
８ ２４１１．４ ３５．０ 坡中 １８８．６ ８６８ ０．８１ ２１．３１ １７．９ ２．４ ２２．０ ６．４４
９ ２３９４．２ ３５．６ 坡中 ２１３．１ ９２３ ０．７４ ２０．４０ １７．６ ２．６ ２０．８ ４．０５
１０ ２３７６．７ ２７．５ 中下 ２３８．６ ６８９ ０．６２ ２１．５７ １８．６ ３．２ ２１．５ ５．０８
１１ ２３６２．９ ２８．９ 中下 ２６５．０ ７８７ ０．６８ ２１．２２ １７．５ ２．１ ２０．９ ５．８８
１２ ２３４８．４ ３６．８ 中下 ２９０．２ ８０４ ０．７１ １９．４８ １５．７ １．８ ２０．０ ５．３７
１３ ２３３０．４ ３６．４ 坡下 ３１４．３ ９５３ ０．８０ ２０．５８ １７．８ ２．９ ２１．１ ３．８１
１４ ２３１２．６ ３６．６ 坡下 ３３８．２ ９８３ ０．７４ １８．７１ １６．８ ２．５ ２１．３ ３．７５
１５ ２２９４．７ ３７．２ 坡下 ３６２．１ ９７６ ０．７２ １８．４７ １５．０ １．８ １９．４ ４．９４
１６ ２２７６．６ ３７．１ 坡下 ３８６．０ ９３３ ０．７５ １９．３１ １６．０ ２．５ ２１．２ ３．３９
平均 ３３．７ ９０３ ０．７４ ２０．４２ １６．９ ２．２ ２０．６ ４．７７
表２ 天然灌丛坡面样地的基本信息
样地 海拔／ｍ 坡度／（°） 坡位 水平坡长／ｍ 离坡顶水平距／ｍ 冠层郁闭度 平均高度／ｍ 平均地径／ｃｍ
１ ２３８１．９ ３５．５ 坡上 ２０ １０ ０．７４ ２．９８ ５．１２
２ ２３６７．２ ３６．５ 中上 ２０ ３０ ０．７２ ２．０２ ４．４８
３ ２３５２．９ ４０．５ 中上 ２０ ５０ ０．６０ ２．１１ ４．９０
４ ２３３１．１ ３８．０ 坡中 ２０ ７０ ０．６５ ２．４１ ４．９０
５ ２３１５．５ ３６．２ 坡中 ２０ ９０ ０．７１ ２．６３ ５．１６
６ ２３００．９ ３５．８ 中下 ２０ １１０ ０．８４ ３．１７ ５．２３
７ ２２８２．８ ３３．０ 中下 ２０ １３０ ０．６７ ２．２４ ４．５９
８ ２２６９．８ ４０．１ 坡下 ２０ １５０ ０．４７ １．８７ ４．１２
平均 ３６．９ ０．６７ ２．４３ ４．８１
７４５
林 业 科 学 研 究 第２９卷
２．２ 土壤密度的测定
采用环刀法测定坡面所有样地的土壤密
度［１８］，在每个样地内有代表性的地方，挖掘土壤
剖面，记录土壤剖面发生层次，并机械划分土层０
１０、１０ ２０、２０ ４０、４０ ６０、６０ ８０、８０
１００ｃｍ，用体积为２００ｃｍ３的环刀分层取土，每层
３次重复。
２．３ 数据分析
２．３．１ 经典统计学空间变异分析理论 经典统计
学进行空间变异分析时要求分析的空间变量在研究
区域内符合随机分布特征，用变异系数（ＣＶ）分析变
异特征。
ＣＶ＝（Ｓ／Ｘ）×１００％ （１）
式（１）中：Ｓ为标准差；Ｘ为变量均值。根据变
异程度分级，ＣＶ≤１０％属于弱变异性，１０％ ＜ＣＶ＜
１００％属于中等变异性，ＣＶ≥１００％ 属于强变
异性［１９］。
２．３．２ 地统计学空间变异分析理论 半方差ｙ（ｈ）
是计算参数在空间位置相隔一定距离下的样本方差
值，因此，假设当滞后距离为 ｈ时，半方差计算公
式为：
ｙ（ｈ）＝ １２Ｎ（ｈ）∑
Ｎ
ｉ＝１
Ｚ（ｘｉ）－Ｚ（ｘｉ＋ｈ[ ]）
２ （２）
式（２）中：Ｚ（ｘｉ）为随机变量 Ｚ在点 Ｘ＝ｘｉ处的
值；Ｚ（ｘｉ＋ｈ）为与点 ｘｉ距离为 ｈ处点的值；Ｎ（ｈ）为
滞后距离为 ｈ时的样本对数。以滞后距离 ｈ为横
轴，相应的半方差值为纵坐标，即可做出半方差图。
根据半方差图可以判读出空间变量的自相关长度
（变程）以及变异程度。半方差图中有３个重要特征
值：块金值（Ｃｏ）、基台值（Ｃｏ＋Ｃ）和变程（Ａ）
［１６］。
３ 结果与分析
３．１ 土壤密度的土层深度差异
由表３可知：垂直方向上，华北落叶松坡面和天
然灌丛坡面样地的土壤密度都随着土层的加深而增
大。华北落叶松坡面０ １００ｃｍ土层的土壤密度
变幅为０．９７ｇ·ｃｍ－３，比天然灌丛坡面（０．３１ｇ·
ｃｍ－３）的高。华北落叶松坡面表层的土壤密度比天
然灌丛小；但华北落叶松整个坡面１ｍ深土壤平均
密度（１．１４ｇ·ｃｍ－３）与天然灌丛坡面（１．１５ｇ·
ｃｍ－３）相差不多。
华北落叶松坡面和天然灌丛坡面不同土层间的
土壤密度差异均显著（Ｐ＜０．０５），即土壤密度及其
统计特征具有明显的土层深度差异。华北落叶松坡
面不同深度土壤密度的变异系数从０ ４０ｃｍ土层
的５．８５％ １０．４７％增大到 ４０ １００ｃｍ土层的
９．７０％ １２．２３％；就具体土层而言，１０ ２０和２０
４０ｃｍ土层的变异性最小，４０ ６０ｃｍ土层的变
异性最大。天然灌丛坡面各层土壤密度的变异系数
随土层的加深而无明显变化规律，但４０ ６０ｃｍ土
层的最大，６０ ８０ｃｍ土层的最小。
将华北落叶松坡面和天然灌丛坡面不同样地相
同土层的土壤密度求平均值（Ｙ，ｇ·ｃｍ－３），并与土
层深度（Ｘ，ｃｍ）进行线性回归，建立了关系式：
华北落叶松坡面为Ｙ１＝０．７５５５＋０．００７７Ｘ（Ｒ
２
＝０．９９４１），表明土层每加深１０ｃｍ，土壤密度平均
增大０．０７７ｇ·ｃｍ－３。
天然灌丛坡面为Ｙ２＝０．９１９５＋０．００４７Ｘ（Ｒ
２＝
０．９７７５），表明土层每加深１０ｃｍ，土壤密度平均增
大０．０４７ｇ·ｃｍ－３。
表３ 不同深度土层的土壤密度统计特征值
坡面类型 土层深度／ｃｍ 样本数／个 均值／（ｇ·ｃｍ－３） 变幅／（ｇ·ｃｍ－３） 中数／（ｇ·ｃｍ－３）标准差／（ｇ·ｃｍ－３） 变异系数／％
华北落叶松
坡面
０ １０ ４８ ０．７９ｆ ０．２８ ０．７９ ０．０８ １０．４７
１０ ２０ ４８ ０．９０ｅｆ ０．２０ ０．９０ ０．０６ ６．７８
２０ ４０ ４８ ０．９６ｄｅ ０．２０ ０．９５ ０．０６ ５．８５
４０ ６０ ４８ １．１３ｃ ０．５７ １．１０ ０．１４ １２．２３
６０ ８０ ４８ １．３１ｂ ０．４６ １．３０ ０．１３ ９．７０
８０ １００ ４８ １．４５ａ ０．４８ １．４８ ０．１６ １０．９５
０ １００ １．１４ ０．９７ １．１５ ０．０８ ６．６３
天然灌丛
坡面
０ １０ ２４ ０．９３ｆ ０．３５ ０．８９ ０．１１ １１．９４
１０ ２０ ２４ ０．９８ｅ ０．２４ ０．９６ ０．０８ ８．３１
２０ ４０ ２４ １．０６ｄ ０．３６ １．０４ ０．１１ １０．１２
４０ ６０ ２４ １．１９ｃ ０．４１ １．１５ ０．１３ １１．１９
６０ ８０ ２４ １．２６ｂ ０．２９ １．２５ ０．０９ ７．４２
８０ １００ ２４ １．３１ａ ０．３９ １．２９ ０．１１ ８．７８
０ １００ １．１５ ０．３１ １．１３ ０．１０ ８．７７
注：同列不同小写字母表示在０．０５水平上差异显著，下同。
８４５
第４期 张 桐，等：黄土高原土石山区土壤密度的坡面变化———以六盘山香水河小流域为例
３．２ 土壤密度的坡面变化
为了更好的分析土壤密度的坡面差异规律，分
析了土壤密度顺坡加权滑动平均值随离开坡顶水平
距离的变化。由于坡面样地的海拔高度和坡位位置
不是严格地一一对应，难以进行简单对比和定量分
析，因此，进一步以样地离坡顶的相对水平距离（绝
对水平距离与坡面水平长度的比值）为 Ｘ轴，定量
分析土壤密度的坡面变化规律（图２）。
在０ １００ｃｍ的整个土层，华北落叶松坡面土
壤密度加权滑动平均值随离坡顶距离的增大呈先增
加后渐趋稳定的变化趋势，从 １．０２ｇ·ｃｍ－３升到
１．１５ｇ·ｃｍ－３。天然灌丛坡面土壤密度加权滑动平
均值随离坡顶距离的增大呈现“增加 －减小 －增
加”的变化趋势。离坡顶的相对距离小于０．５时，天
然灌丛坡面土壤密度滑动平均值大于华北落叶松坡
面；离坡顶的相对距离大于０．５时，天然灌丛坡面土
壤密度滑动平均值小于华北落叶松坡面。
不同土层的土壤密度的坡面变化是不相同的，
以华北落叶松坡面为例，０ １０ｃｍ土层的土壤密度
滑动平均值随离开坡顶水平距离的增加而先减小后
增大，最小值（０．７３ｇ·ｃｍ－３）出现在离开坡顶水平
距离１８８ｍ（占整个坡长的４９％）处；在１０ ２０ｃｍ
土层的土壤密度滑动平均值随离开坡顶水平距离的
增大而逐渐增加，从０．８４ｇ·ｃｍ－３升到坡脚的０．９０
ｇ·ｃｍ－３；２０ ４０ｃｍ土层的土壤密度滑动平均值随
离开坡顶距离的逐渐增大呈线性升高趋势，从坡顶
的０．９１ｇ·ｃｍ－３升到坡脚的０．９６ｇ·ｃｍ－３；４０ ６０
ｃｍ土层的土壤密度滑动平均值随离开坡顶水平距
离的增大先快速升高，并在离开坡顶水平３００ｍ（占
整个坡长的７５％）后渐趋平稳，在整个坡面上，土壤
密度从０．９９ｇ·ｃｍ－３升到１．１４ｇ·ｃｍ－３；６０ ８０和
８０ １００ｃｍ土层的土壤密度滑动平均值均随离开
坡顶距离的增大先升高，在离开坡顶水平距离３００
ｍ后轻微降低，对应的变化范围分别为 １．１８
１．３３、１．２３ １．４８ｇ·ｃｍ－３。
在天然灌丛坡面，各土层的土壤密度滑动平均
值随离开坡顶水平距离的增加，大致上均呈“增大－
减小－增大”的变化趋势。０ ６０ｃｍ土层的土壤密
度滑动平均值均明显大于华北落叶松，且最小值都
在坡顶，最大值都在坡脚；６０ ８０ｃｍ土层的土壤密
度滑动平均值开始小于华北落叶松坡面；在整个坡
面，华北落叶松林８０ １００ｃｍ土层的土壤密度滑
动平均值始终比天然灌丛土壤的高。
图２ 六盘山香水河不同坡面不同土层的土壤密度
加权滑动平均值随离坡顶水平距离的变化
９４５
林 业 科 学 研 究 第２９卷
３．３ 土壤密度的坡面空间变异特性
单样本Ｋ－Ｓ检验显示：坡面土壤密度符合正
态分布，符合地统计学半方差理论要求，可进行土壤
密度空间变异结构分析。
不同植被坡面土壤密度空间变异结构分析结果
（表４）显示：（１）二者适用的模型不一样，华北落叶
松坡面为指数模型，天然灌丛坡面为球状模型；（２）
土壤密度的空间异质比分别为０．１５４、０．０２７，根据
Ｃａｍｂａｒｄｅｌ等［１９］的划分标准均属于强空间依赖性，
但天然灌丛坡面空间自相关性更强；（３）坡面密度
的变程分别为６．６、０．５ｍ，表明天然灌木坡面密度
的空间连续性好于华北落叶松林坡面；（４）分数维Ｄ
反映格局变异空间依赖性，Ｄ越小，格局变异的空间
依赖性越强，由此判断天然灌丛坡面土壤密度比华
北落叶松坡面土壤密度的空间依赖性强。
表４ 不同坡面土壤密度变异函数模型相关参数
坡面类型 模型 块金值（Ｃｏ）基台值（Ｃｏ＋Ｃ） 变程（Ａ）／ｍ 决定系数（Ｒ２）空间异质比（Ｃｏ／Ｃｏ＋Ｃ）残差（ＲＳＳ）分数维（Ｄ）
华北落叶松 指数模型 ０．０１０９ ０．０７０８ ６．６ ０．０９３ ０．１５４ ０．０３４７ １．９９５
天然灌从 球状模型 ０．０００８ ０．０３１０ ０．５ ０．０６３ ０．０２７ ０．０４１７ １．９８３
４ 讨论
４．１ 土壤密度深度变化的原因与幅度比较
本研究表明，在０ １００ｃｍ深度范围内，土壤
密度随土深的增加而线性增大，且拟合关系式的相
关性很高，主要是因根系及土壤生物对土壤改良的
影响及有机质含量随土层加深而减弱，加之土壤本
身自重的压实作用和石砾含量的影响均随土层的加
深而增强。本研究中，土壤的石砾体积含量随土层
加深而逐渐增多，尤其在４０ｃｍ以下开始加速增多，
其统计关系与密度变化规律均为极显著正相关（省
略）。华北落叶松坡面表层的土壤密度比天然灌丛
小，是因为华北落叶松地表枯落物厚，根系发达，改
良土壤的能力强于灌木。
很多研究都表明，土壤密度随土层的加深而增
加［２０－２２］。本研究表明，六盘山华北落叶松林坡面上
０ １００ｃｍ土层内，土层每加深１０ｃｍ，土壤密度平
均增大０．０７７ｇ·ｃｍ－３。时忠杰［２３］曾研究了六盘山
不同植被类型土壤密度的深度变化，在０ １００ｃｍ
土层深度范围内土层每加深１０ｃｍ时，辽东栎林、白
桦林、山杨林、灌丛、油松、华山松的土壤密度平均分
别增大０．０６７、０．０７、０．０４８、０．０１５、０．０１５、０．０４４ｇ·
ｃｍ－３，表明落叶树种比常绿树种对土壤的改良作用
强。李民义等［２４］在黄土区研究了人工纯林的土壤
物理性质，０ １００ｃｍ土层深度范围内，土层每加深
１０ｃｍ对应的土壤密度平均增大 ０．０２８ｇ·ｃｍ－３。
徐立恒等［２５］在研究沙漠区土壤物理性质演变过程
中发现，封育２５年的土壤，在０ ３００ｃｍ土层深度
范围内，土层每加深１０ｃｍ伴随的土壤密度平均增
大值为０．００８ｇ·ｃｍ－３。综合分析后可认为，土壤密
度随土层深度的变化速率，同时受到土壤类型、土壤
性质及植被特征等因素的影响。
４．２ 土壤密度坡面变化的差异和原因
本研究表明，不同坡面的土壤密度坡位差异变
化规律很不相同。华北落叶松０ １００ｃｍ土层平
均土壤密度沿坡的整体变化趋势是先逐渐增大，后
趋于稳定，天然灌丛０ １００ｃｍ土层平均土壤密度
沿坡的整体变化趋势是“增大－减小－增大”。
为确定影响土壤密度坡位差异的主要因素，进
行了所有不同坡面不同土层样地土壤密度与海拔、
样地坡度、树木生长情况等因素的相关分析（表５、
６）。结果表明：华北落叶松坡面，海拔和除０ １０
ｃｍ土层外的各土层均为极显著负相关，在树木生长
指标中，平均胸径和表层土壤密度极显著负相关，枝
下高、优势木树高分别和２０ ４０、４０ ６０ｃｍ土层
土壤密度呈显著正相关。表明海拔是引起华北落叶
松土壤密度坡位差异的主要原因，植被生长有一定
的影响。在天然灌丛坡面，０ １００ｃｍ土层，仅有平
均地径一个因素与土壤密度呈显著负相关；在不同
土层，坡度、盖度、灌木高度、平均地径呈现出一定的
相关性，但不是普遍现象。这表明，引起天然灌丛坡
面土壤密度的坡位差异的主要原因是植物生长
状况。
４．３ 样地值推算坡面均值的转换
在调查或监测森林土壤密度等土壤质量指标的
实际工作中，由于工作量很大，不可能在整个坡面都
布置样地全面取样，只能通过数量有限的典型样地
调查后推求整个坡面的特征值，但对典型样地的确
定并根据典型样地调查值推求整个坡面的特征值却
一直缺乏有效的科学依据。本研究表明，不同坡位
样地的土壤密度滑动平均值与坡面平均值的差值随
离开坡顶水平距离而有很大变化，华北落叶松和天
０５５
第４期 张 桐，等：黄土高原土石山区土壤密度的坡面变化———以六盘山香水河小流域为例
表５ 华北落叶松不同土层的土壤密度与各影响因子的相关分析
土层／ｃｍ 海拔／ｍ 坡度／（°）
林分密度／
（株·ｈｍ－２）
林冠郁
闭度
平均
胸径／ｃｍ
平均
树高／ｍ
枝下高／
ｍ
优势木
平均高／ｍ
冠幅直径／
ｍ
０ １０ －０．３９０ ０．３０ ０．３４ －０．０１ －０．６３ －０．４９ ０．０６ －０．２６ －０．４１
１０ ２０ －０．７８５ ０．３０ －０．１７ －０．１０ －０．４８ －０．２５ ０．３２ ０．２１ －０．１１
２０ ４０ －０．８９５ ０．３３ ０．０７ ０．０６ －０．４４ ０．０２ ０．５９ ０．３２ －０．４６
４０ ６０ －０．８７９ ０．３０ －０．１６ －０．０５ －０．２９ ０．２１ ０．５７ ０．４８ －０．２４
６０ ８０ －０．８０９ ０．０９ －０．３２ －０．２０ －０．１８ ０．２３ ０．３６ ０．５６ －０．０２
８０ １００ －０．７５３ ０．０５ －０．３０ －０．２１ －０．１４ ０．２９ ０．４１ ０．４４ －０．０７
０ １００ －０．９０６ ０．１６ －０．２１ －０．１６ －０．２９ ０．１６ ０．４７ ０．４４ －０．１７
注：为０．０１水平上显著相关；为０．０５水平上显著相关，下同。
表６ 天然灌丛不同土层的土壤密度与
各影响因子的相关分析
土层／ｃｍ 海拔／ｍ 坡度／（°） 盖度
平均
高度／ｍ
平均
地径／ｃｍ
０ １０ －０．３５ ０．８２７ －０．４５０ －０．２６０ －０．６５０
１０ ２０ －０．４３ ０．５８０ －０．４３０ －０．１６０ －０．４２０
２０ ４０ －０．４３ ０．７９７ －０．７４２ －０．６８０ －０．８５０
４０ ６０ －０．６５ ０．５００ －０．６００ －０．７９５ －０．７２８
６０ ８０ －０．６０ ０．４５０ －０．２３０ －０．４６０ －０．６９０
８０ １００ －０．２２ ０．６９０ －０．８２３ －０．７６８ －０．７００
０ １００ －０．６２ ０．６９０ －０．６８０ －０．６６０ －０．７８７
然灌丛坡面土壤密度滑动平均值均在相对坡长的
０．４ ０．５处。拟合了研究坡面上各样地的土壤密
度滑动平均值和整个坡面平均值的差值（Ｚ，ｇ．
ｃｍ－３）随相对水平坡长（样地离开坡顶水平距离／整
个坡面水平坡长）（Ｘ，ｍ）变化的回归关系式：
华北落叶松坡面为 Ｚ１＝－０．１３９Ｘ
２＋０．２５Ｘ－
０．０８０１（Ｒ２＝０．９３）
天然灌丛坡面为 Ｚ２＝０．４９４４Ｘ
３－０．７６７２Ｘ２＋
０．３４０３Ｘ－０．０４０５（Ｒ２＝０．９５）
回归关系式的Ｒ２均大于０．９，所以根据这些统
计关系，可将任意坡位样地的调查结果经尺度上推
而得到较可靠的坡面上其它坡位处估计值以及整个
坡面的平均值，从而提高森林土壤调查的精度和
效率。
５ 结论
在宁夏六盘山半湿润区的香水河小流域，华北
落叶松坡面和天然灌丛坡面不同土层深度的土壤密
度的差异显著。土壤密度随土层加深而增大，平均
土层每加深１０ｃｍ，华北落叶松坡面土壤密度平均增
大０．０７７ｇ·ｃｍ－３，天然灌丛坡面增大 ０．０４７ｇ·
ｃｍ－３。坡面０ １００ｃｍ土层内，华北落叶松坡面的
土壤平均密度（１．１４ｇ·ｃｍ－３）与天然灌丛坡面
（１．１５ｇ·ｃｍ－３）相差不多。
不同坡面土壤密度的坡位变化规律差异明显。
华北落叶松０ １００ｃｍ土层平均土壤密度沿坡的
整体变化趋势是先逐渐增大，后趋于稳定；天然灌丛
０ １００ｃｍ土层平均土壤密度沿坡的整体变化趋势
是“增大减小增大”。海拔是引起华北落叶松土壤
密度坡位差异的主要因子，植被生长也有一定的影
响；但是，植物生长状况却是影响天然灌丛坡面土壤
密度坡位差异的主要因子。天然灌丛坡面土壤密度
的空间依赖性比华北落叶松坡面的强。对２个研究
坡面均拟合了具体坡位样地的土壤密度的滑动平均
值与整个坡面平均值的差值随离坡顶相对水平距离
的增加而变化的数量关系，藉此可由特定样地的测
定值推算坡面上其他坡位处的土壤密度及整个坡面
的土壤密度平均值，从而实现了样地值到坡面均值
的尺度转换。
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（责任编辑：詹春梅）
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