全 文 ：林业科学研究 ２０１４，２７（４）：４９８ ５０１
ＦｏｒｅｓｔＲｅｓｅａｒｃｈ
文章编号：１００１１４９８（２０１４）０４０４９８０４
华北山地典型阔叶混交林土壤表层水分
空间异质性研究
胡万银
（山西省林木育种研究中心，山西 太原 ０３００３１）
收稿日期：２０１３０６３０
基金项目：“油松、落叶松优良品种选育及高效营林技术研究”。项目编号：２０１２０３１１０１４－１
作者简介：胡万银（１９６４—），男，高级工程师。
摘要：在华北山地典型天然次生阔叶混交林中选择研究样地，应用地统计学理论，定量分析林分土壤表层含水量空
间异质性特征。研究结果表明：以白桦和山杨为优势树种的阔叶混交林，不同空间样点间土壤表层含水量差异不
大。土壤表层含水量在较小尺度范围（１３．１０ｍ）空间异质性明显，空间自相关因素所占比重较大（７１．９％）。空间
格局强。
关键词：阔叶混交林；土壤表层含水量；异质性
中图分类号：Ｓ７１４ 文献标识码：Ａ
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＨｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓＳｐａｔｉａｌＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＴｏｐｓｏｉｌＭｏｉｓｔｕｒｅｉｎ
ＴｙｐｉｃａｌＮａｔｕｒａｌｙｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｄＭｏｎｔａｎｅＢｒｏａｄｌｅａｖｅｄＭｉｘｅｄ
ＦｏｒｅｓｔｓｏｆＮｏｒｔｈｅｒｎＣｈｉｎａ
ＨＵＷａｎｙｉｎ
（ＦｏｒｅｓｔＴｒｅｅＢｒｅｅｄｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｉｎＳｈａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００３１，Ｓｈａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙｇｅｏｓｔａｔｉｓｔｉｃ，ｔｈｅｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｏｐｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｉｎｔｙｐｉｃａｌｎａｔｕｒａｌｙｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｄ
ｍｏｎｔａｎｅｂｒｏａｄｌｅａｖｅｄｍｉｘｅｄｆｏｒｅｓｔｓｏｆＮｏｒｔｈｅｒｎＣｈｉｎａｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｉｎＢｅｔｕｌａ
ｐｌａｔｙｐｈｙｌａＰｏｐｕｌｕｓｄａｖｉｄｉａｎａｄｏｍｉｎａｔｅｄｂｒｏａｄｌｅａｖｅｄｆｏｒｅｓｔｓ，ｔｈｅｔｏｐｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｄｉｄｎｏｔｄｉｆｅｒｇｒｅａｔｌｙａｍｏｎｇｄｉｆｅｒ
ｅｎｔｑｕａｄｒａｔｓ．Ｔｈｅｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｏｐｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｗａｓｏｂｖｉｏｕｓｉｎａｓｍａｌｒａｎｇｅ（１３．１０ｍ），ｔｈｅ
ｓｐａｔｉａｌａｕｔｏｃｏｒｅｌａｔｅｄｆａｃｔｏｒｓａｃｃｏｕｎｔｅｄｆｏｒａｌａｒｇｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ（７１．９％）．Ａｇｒｅａｔｓｐａｔｉａｌｐａｔｅｒｎｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｒｏａｄｌｅａｖｅｄｍｉｘｅｄｆｏｒｅｓｔｓ；ｔｏｐｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅ；ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ
土壤水分是生态系统中主要的限制性因子［１］，
而且，也是土地评价的主要因素之一［２］。土壤水分
含量对植物群落的生长、形成、物种组成和群落演替
产生显著的影响［３］，且与土壤侵蚀过程密切相
关［４］。由于受地形、母质、植被、土壤侵蚀状况及坡
度等因素的影响，同一土壤类型同一林分类型下，不
同地点和土层的土壤水分特征存在明显的差异
性［３］。国内外学者从不同尺度和不同影响因子方面
对土壤水分空间异质性进行了大量的研究［４－７］，但
对于土壤表层水分含量及其空间异质性的研究一直
存在争论。因此，详细研究林下土壤表层水分含量
的空间变异特征，有助于探测其在森林的生长发育
及更新过程中的作用，更深入的认识土壤表层水分
空间变化在森林生长动态过程中潜在的生态学
机制。
杨桦混交林是华北地区山地典型天然次生阔叶
混交林。本研究选择以白桦（Ｂｅｔｕｌａｐｌａｔｙｐｈｙｌａ
Ｓｕｋａｃｚｅｖ）和山杨（ＰｏｐｕｌｕｓｄａｖｉｄｉａｎａＤｏｄｅ）为优势树
第４期 胡万银：华北山地典型阔叶混交林土壤表层水分空间异质性研究
种的典型天然次生阔叶混交林，应用地统计学理论
和格局分析方法，（１）定量分析华北山地典型的天
然次生阔叶混交林中土壤水分的变异程度；（２）定
量分析土壤水分含量空间异质性特征；（３）分析土
壤表层水分空间格局特征。
１ 资料来源及研究地区概况
研究地设在位于山西省西部吕梁山脉中段的关
帝山林区［８－９］，地理位置为１１１°２１′ １１１°３７′Ｅ，３７°
４５′ ３７°５９′Ｎ，山脉主脊由北向南延伸长１５ｋｍ，东
西两侧１４．５ｋｍ，总面积１０４４３．５ｈｍ２。主峰孝文山
海拔２８３１ｍ；是华北地区第三高峰，保护区境内最
低海拔１５５０ｍ。气候属寒温性气候，年均温４．３℃，
１月份均温－１０．２℃，７月份均温１７．５℃，全年无霜
期１００ １３０ｄ。年均降水量４５０ ７００ｍｍ，年均蒸
发量１１００ １５００ｍｍ。土壤类型主要为山地棕
壤，平均土层厚度 ７０ ８０ｃｍ，其中腐殖质层厚
度１０ｃｍ。
研究地是山西省重点林区，植被种类丰富，仅在
保护区范围内，总计有高等种子植物７３科，２５４属，
４３５种。分布着亚高山山地灌丛、亚高山草甸、寒温
性针叶林、山地落叶阔叶林、温性针叶林、山地灌丛
及山地草甸等植被类型。
２ 研究方法
２．１ 样地设置
本研究选择华北地区分布广泛的典型杨桦混交
成熟林设置样地，样地位于庞泉沟自然保护区关帝
山林区分水岭，海拔２１８５ｍ，坡度１５°，坡向ＮＥ１０°，
郁闭度为０．６。
依据地统计学理论及空间格局分析中小支撑、
多样点的取样设计原则［１０］，将１块５０ｍ×５０ｍ的
样地等距离间隔划分为１００个５ｍ×５ｍ的样方，然
后沿样地对角线选设２个５ｍ×５ｍ的样方，再按照
１ｍ×１ｍ的间隔距离，分别设立２５个小样方。然
后对每个取样点进行编号，共有取样点１４８个，并记
录样点的空间坐标。
２．２ 样地调查
以样地的一个边为ｘ垂直边为ｙ，确定每株成熟
杨桦的坐标值，即个体空间定位，同时测量其胸径，
树高，树龄。在每个网格内，仔细查数林下草本覆
盖度。
２．３ 土壤取样
取样时间为２０１２年７月下旬，在每个样方左下
角取土壤样本。先除去样地土壤表层枯枝落叶，然
后用内径为７．０ｃｍ的土壤钻钻取土芯１０ｃｍ，随即
装入封口塑料袋内低温保存备用。为减少其它环境
因子的影响，土壤取样工作选择在雨后至少３ ４
天的晴天进行［５］。本研究所有取样工作在 １天完
成，以尽量排除不确定的环境误差，共取样１４８个。
２．４ 土壤含水量及草本覆盖度测定方法
本研究采用烘干法来测定林下土壤表层含水
量［１１］，采用网格目测法测定林下草本覆盖度。
２．５ 数据分析方法
应用描述统计分析中平均值和变异系数，评价
土壤水分的平均状况和总变异程度。以 Ｓ２／珔Ｘ的比
值估计土壤表层水分的空间分布格局，当研究变量
的方差与平均数的比值Ｓ２／珔Ｘ＝１时，表示土壤表层
水分呈现随机分布；当Ｓ２／珔Ｘ＜１时，为均匀分布；当
Ｓ２／珔Ｘ＞１时，为聚集分布格局［１０］。
运用地统计分析中的变异函数分析方法计算土
壤水分含量的变异函数值。变异函数的计算公式
如下：
γ（ｈ）＝ １２Ｎ（ｈ）∑
Ｎ
ｉ＝１
［Ｚ（ｘｉ）－Ｚ（ｘｉ＋ｈ）］
２
式中，γ（ｈ）是变异函数，Ｚ为区域化随机变
量，Ｚ（ｘｉ）和Ｚ（ｘｉ＋ｈ）分别为变量Ｚ在空间位置
ｘｉ和ｘｉ＋ｈ上的取值，Ｎ（ｈ）是取样间隔为 ｈ时的
样本对总数。依据变异函数计算结果，拟合理论模
型，然后依据模型参数，即基台值（Ｃ０＋Ｃ）、块金值
（Ｃ０）、结构方差比［Ｃ／（Ｃ０＋Ｃ）］和变程（Ａ）定量分
析土壤表层水分含量的空间异质性特征。其中，用
基台值衡量空间异质性程度；用块金值估计小于抽
样尺度的随机变异和测量误差；利用结构方差比衡
量空间自相关因素对变量总变异的影响程度；利用
变程估计空间自相关特性的尺度变化。
根据协同区域化变量理论计算林下草本覆盖度
与土壤表层水分含量之间的协同变异函数，并在此基
础上拟合协同变异理论模型。然后依据理论模型参
数基台值、块金值、结构方差比和变程定量评价土壤
表层水分含量空间格局和林下草本覆盖度异质性之
间的空间关联程度。协同变异函数的计算公式如下：
γｋ＇ｋ（ｈ）＝
１
２Ｎ（ｈ）∑
Ｎ
ｉ＝１
ｊ＝１
［Ｚｋ１（ｘｉ）－Ｚｋ１（ｘｉ＋ｈ）］
［Ｚｋ（ｘｊ）－Ｚｋ（ｘｊ＋ｈ）］
式中，γｋ＇ｋ（ｈ）是交叉变异函数，Ｚ为协同区域化
变量，Ｚｋ＇（ｘｉ），Ｚｋ（ｘｊ），Ｚｋ＇（ｘｉ＋ｈ），Ｚｋ（ｘｊ＋ｈ）为
９９４
林 业 科 学 研 究 第２７卷
在点 ｘ和 ｘ＋ｈ处分别取得两个变量的观测值，
Ｎ（ｈ）是取样间隔为ｈ时的样本对总数。
３ 结果与分析
３．１ 土壤表层水分含量与林下草本覆盖度统计
分析
依据调查数据进行统计分析，结果表明：以白桦
和山杨为优势树种的样地中，土壤表层水分平均含
量为３３．９６％，不同样点间水分含量差异不大，最大
值５４．４４％，最小值为２０．６７％。由图１可看出，杨
桦混交天然次生林土壤表层含水量的频度符合正态
分布，在３０．７７％附近达到最大，为１６次。
图１ 土壤表层含水量频度
样地中林下草本覆盖度平均值为４５．８％，其中
最大值达到６７．２％，最小值仅为２８．９％。
变异系数（ＣＶ）反应的是相对变异，即随机变量
的离散程度。一般认为，ＣＶ≤１０％为弱变异性；
１０％＜ＣＶ＜１００％为中等变异性；ＣＶ≥１００％为强变
异性［１２］。此样地土壤表层水分含量变异系数为
１９５７％，属中等变异性。
３．２ 土壤表层水分含量空间异质性的变异函数
分析
变异函数分析表明（表１）：以白桦和山杨为优
势树种的样地中，土壤表层水分含量的变异函数值
呈球状模型变化趋势。从空间结构比及变程分析来
看，土壤表层空间异质性中结构因素所占比重较大
（７１．９％），说明结构因素对于土壤含水量的空间异
质性起着更为重要的作用。从空间变异的尺度看，
土壤水分含量的空间自相关范围较小（１３．１０ｍ），
空间自相关变异在较小的尺度范围表现出很强的空
间自相关性（Ｒ２＝０．９４）。
表１ 土壤表层含水量变异函数理论参数
模型
块金值
（Ｃ０）
基台值
（Ｃ０＋Ｃ）
变程
（Ａ）
空间结构比
［Ｃ／（Ｃ０＋Ｃ）］
决定系数
（Ｒ２）
样本
数
球状模型 １１．９１ ４２．３４ １３．１０ ０．７１９ ０．９４ １４８
３．３ 土壤表层水分含量空间异质性与草本覆盖度
格局的协同变异函数分析
利用协同变异函数理论模型参数块金值（Ｃ０）
和基台值 （Ｃ０＋Ｃ）之比可衡量空间相关性程度。比
值小于２５％时，表示空间相关性强，在２５％ ７５％
之间，空间相关性中等，大于 ７５％时空间相关
性弱［２１］。
在以白桦和山杨为优势树种的样地中，通过协
同变异函数分析表明（表２），林下草本覆盖度与土
壤表层水分含量之间存在明显的空间自相关性（Ｒ２
＝０．６９），协同变异表现为空间强相关性（Ｃ０／（Ｃ０＋
Ｃ）为０．１９２），协同空间变异高达８１．８％，且协同变
异主要由自相关因素引起。
表２ 草本覆盖度与含水量协同变异函数理论参数
模型
块金值
（Ｃ０）
基台值
（Ｃ０＋Ｃ）
变程
（Ａ）
空间结构比
［Ｃ０／（Ｃ０＋Ｃ）］
决定系数
（Ｒ２）
样本
数
指数模型 １．１２ ５．８４ ２８．３０ ０．１９２ ０．６９ １４８
３．４ 土壤表层水分含量的空间格局分析
空间异质性与空间格局有紧密联系。空间异质
性是形成格局的主要原因。通过克里格插值图的分
析，有助于进一步了解土壤表层水分的空间格局特
征。杨桦混交天然次生林土壤表层水分的空间格局
较强，主要表现为斑块边界光滑、过渡明显，而且土
壤表层含水量的分布梯度明显，土壤含水量中等的
斑块占较大面积；含水量极高和极低的斑块所占面
积比重很少，且均集中分布于图像边缘，而图像中部
则由大面积土壤含水量中等的斑块占据；不同等级
土壤含水量的斑块分布均很完整，破碎化程度极低，
格局强度大。
４ 讨论
土壤水分含量的空间变异是多因素调控的结
果。由于受地形、母质、植被、土壤侵蚀状况及坡度
等因素异质性的共同影响，使得土壤水分含量在空
间上产生变化［３］。近年来，国内外对不同生态系统
内影响土壤水分空间异质性的因子进行了大量研
究，如森林［１３］、草地［１４］、沙地［１５］、农田［１６］以及小流
域［１７］等，加深了对不同群落和土地利用方式土壤水
分格局与动态的研究认识。
有研究表明，针阔混交林土壤含水量最高，阔叶
林其次，针叶林最小［１８］。本研究中，选择样地为杨
桦混交林，实际测得其林下土壤表层含水量平均值
００５
第４期 胡万银：华北山地典型阔叶混交林土壤表层水分空间异质性研究
为３３．９６％，最大值５４．４４％，最小值为２０．６７％，均
大于当地典型华北落叶松林（Ｌａｒｉｘｐｒｉｎｃｉｐｉｓｒｕｐｐｒｅ
ｃｈｔｉＭａｙｒ）中土壤表层含水量测量值（平均值为
１６１４％，最大值 ２７．６７％，最小值为 １０．０４％）［１９］。
从研究结果看，华北山地典型阔叶次生林中土壤表
层含水量明显高于针叶次生林［１９］。这说明林地条
件接近一致的情况下，阔叶林对土壤表层水分的涵
养能力要明显高于针叶林［１８］。以白桦和山杨为优
势树种的阔叶混交林较华北落叶松林［１９］拥有更复
杂的树种组成、林下植被组成以及更大的盖度，因此
也具有了更为复杂和丰富的林地枯落物成分，从而
提高了林下土壤的水分涵养能力。
有研究表明，土壤表层水分含量具有高度的空
间异质性，且空间异质性以空间自相关部分为
主［２０］。在本研究样地中，以白桦和山杨为优势树种
的阔叶混交林不同空间样点间土壤表层水分含量差
异不大，变异系数为 １９．５６％。土壤表层水分含量
在较小尺度范围（１３．１０ｍ），表现出强烈的空间自
相关变异（Ｒ２＝０．９４），且结构因素所占比重较大
（７１．９％）。林下草本覆盖度与土壤表层水分含量
之间存在很强的空间相关性（８１．８％），且自相关因
素所占比重较大（６９．０％）。这可能是由于杨桦混
交林虽然拥有更为复杂的林下植被种类，且随季节
更替有较大变化，但其中占主导地位的乔木变化却
不大，从而导致空间自相关因素所占比重较大。本
研究中由于时间及调查条件限制并没有考虑到不同
草本种类的水源涵养效能，所以林下草本与土壤表
层水分含量之间的协同空间关系仍然具有很高的研
究价值和意义。土壤表层水分含量的空间异质性特
征具有极重要的生态学意义，对林下植被种类、盖度
及空间分布都有极大影响，进而对整个林分的土壤
涵养水分能力产生重要影响。
华北山地典型天然次生阔叶混交林的土壤表层
含水量表现出明显的空间异质性。以白桦和山杨为
优势树种的阔叶混交林，不同空间样点间土壤表层
含水量符合正态分布，各样点间的异质性主要来自
空间自相关因素，并与林下草本覆盖度具有很强的
空间相关性，样地内土壤表层含水量具有较强的空
间格局。
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