杜華強(qiáng)，湯孟平，崔瑞蕊

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臨安 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 臨安 311300）

空間異質(zhì)性（spatial heterogeneity）在各種尺度上普遍存在[1]，從不同的尺度和不同層面上研究土壤的空間異質(zhì)性是一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，其研究結(jié)果不但對(duì)了解土壤的形成過(guò)程、結(jié)構(gòu)和功能具有重要的理論意義，而且對(duì)了解植物與土壤的關(guān)系，如更新過(guò)程、養(yǎng)分和水分對(duì)根系的影響以及植物的空間格局等也具有重要的參考價(jià)值[2]。研究表明：森林植被和土壤養(yǎng)分都具有明顯的空間變異特征[2-5]，而且土壤營(yíng)養(yǎng)和水分的異質(zhì)性是影響植物群落空間格局的重要因素，特別是在森林更新過(guò)程中，土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分的有效性、土壤pH等與根系相互作用，影響種子的休眠、萌發(fā)與更新幼苗的發(fā)生格局[3，6]。常綠闊葉林是中國(guó)亞熱帶地區(qū)最復(fù)雜、生產(chǎn)力最高、生物多樣性最豐富的地帶性植被類(lèi)型之一，對(duì)保護(hù)環(huán)境、維持全球性碳循環(huán)平衡和人類(lèi)持續(xù)發(fā)展都具有極重要的作用[7-8]，其土壤特性一直受到重視。本研究以天目山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)為例，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)理論，研究常綠闊葉林土壤養(yǎng)分空間變異和空間格局，為常綠闊葉林的經(jīng)營(yíng)及自然保護(hù)區(qū)的管理提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

浙江天目山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于浙江省西北部臨安市境內(nèi)的西天目山，地理坐標(biāo)為30°18′30″～30°24′55″N， 119°23′47″～ 119°28′27″E。 西天目山的土壤基本上屬于亞熱帶紅黃壤類(lèi)型， 隨著海拔的升高逐漸向濕潤(rùn)的溫帶型過(guò)渡。海拔850 m以下為常綠闊葉林[8]，其林下土壤主要為黃壤（分布在海拔600～1200 m），土壤母質(zhì)大部分是灰紅色流紋狀粗面斑巖；土層一般較薄，約30～70 cm，濕度大，腐殖質(zhì)層厚15～30 cm；質(zhì)地屬輕黏壤土到中黏壤土，表層帶有微團(tuán)粒狀至細(xì)粒狀結(jié)構(gòu)，極松脆，呈酸性反應(yīng)，含石礫5%；土壤含有機(jī)質(zhì)為3.7～88.0 g·kg-1，全氮量0.2～4.3 g·kg-1，有效磷0.53～2.05 mg·kg-1，速效鉀 243.80 ～ 316.60 mg·kg-1。

1.2 土壤樣品采樣

選擇保存較完好的常綠闊葉林設(shè)置樣地，樣地大小為100 m×100 m。用相鄰格子調(diào)查方法，把樣地劃分為100個(gè)10 m×10 m的調(diào)查單元。首先，在樣地中心及四邊確定9個(gè)點(diǎn)，然后在每個(gè)調(diào)查單元中心再各設(shè)置1個(gè)采樣點(diǎn)。鑒于研究區(qū)土壤較薄，在所有109個(gè)采樣點(diǎn)上取AB層土壤用于養(yǎng)分測(cè)定。樣地布設(shè)及采樣點(diǎn)平面位置如圖1，其中1個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失。土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)包括有機(jī)質(zhì)（g·kg-1），全氮（g·kg-1），堿解氮（mg·kg-1）， 有效磷（mg·kg-1）和速效鉀（mg·kg-1）。

圖1 樣地及土壤養(yǎng)分采樣點(diǎn)分布圖（樣點(diǎn)數(shù)n=109，其中1個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失）Figure1 Plot and soil sampling locations （n=109， one sampling data miss）

1.3 土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性

采用公式（1）所定義的半方差函數(shù)及其理論模型參數(shù)包括基臺(tái)、變程和塊金常用于分析各土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性[3，9-10]。

1.4 土壤養(yǎng)分的分形維數(shù)

半方差函數(shù)中的h和γ（h）在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)的回歸曲線可以確定土壤養(yǎng)分空間分維數(shù)D。它可以提供被研究對(duì)象空間格局的尺度及層次性和空間異質(zhì)性在不同尺度間的相互關(guān)系等方面的信息。

式（2）中：m為雙對(duì)數(shù)回歸曲線的斜率。m越大，分形維數(shù)越小，雙對(duì)數(shù)半方差圖的直線越陡，空間格局的空間依賴(lài)性就越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)性越好，空間格局相對(duì)簡(jiǎn)單，因此，可以統(tǒng)計(jì)分形維數(shù)分析不同尺度上生態(tài)因子場(chǎng)的差異[5，11-12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析及正態(tài)性檢驗(yàn)

從表1可知：天目山常綠闊葉林土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)存在較大的變異，其中有機(jī)質(zhì)變異系數(shù)最大，達(dá)到52.75%，其次為有效磷，全氮、水解氮和速效鉀相對(duì)較低。

區(qū)域化變量空間變異地統(tǒng)計(jì)分析要求數(shù)據(jù)滿足本征假設(shè)[10]，實(shí)際應(yīng)用中通常需要數(shù)據(jù)為正態(tài)分布，以避免影響半方差圖結(jié)構(gòu)分析和空間估算[12-13]。Kolmogorov-Smirnov正態(tài)性檢驗(yàn)表明原始數(shù)據(jù)除速效鉀為正態(tài)分布外，其他為非正態(tài)。采用對(duì)數(shù)變換對(duì)5種養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行變換，再次檢驗(yàn)表明，變換后數(shù)據(jù)全部滿足正態(tài)分布。因此采用對(duì)數(shù)變換數(shù)據(jù)進(jìn)行空間異質(zhì)性分析。

表1 數(shù)據(jù)基本統(tǒng)計(jì)量和正態(tài)性檢驗(yàn)Table1 Descriptive statistics and Kolmogorov-Smirnov test for the data

2.2 土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性分析

半方差分析要求樣本間距h為最大采樣間距的1/3或1/2內(nèi)才具有統(tǒng)計(jì)意義，同時(shí)步長(zhǎng)要求不小于最小采樣間距[12]。本研究樣本間距h的變化范圍取最大間距的一半（即73.0 m），而步長(zhǎng)取最小間距的2倍即8.4 m。考慮到土壤養(yǎng)分變量單位不同，將半方差進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即半方差與樣本方差之比，使得空間異質(zhì)性具有可比性。圖2左邊為土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)半方差函數(shù)圖及理論模型模擬結(jié)果，土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮可用指數(shù)模型擬合（exponential model），總氮和有效磷可用球狀模型擬合（spherical model），而速效鉀理論半方差函數(shù)模型為線性無(wú)基臺(tái)模型。模型決定系數(shù)、殘差和及模型參數(shù)如表2所示。

空間異質(zhì)性由結(jié)構(gòu)方差C和塊金方差C0組成。土壤有機(jī)質(zhì)空間結(jié)構(gòu)比C/（C0+C）等于0.787，大于75%，表明天目山常綠闊葉林土壤有機(jī)質(zhì)具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性；除速效鉀外的其他種營(yíng)養(yǎng)成分空間結(jié)構(gòu)比為25%～75%，因此，空間自相關(guān)為中等程度。

圖2 天目山常綠闊葉林土壤養(yǎng)分等方向半方差函數(shù)理論模型（左）及空間格局分形維數(shù)（右）Figure2 Isotropic semivariograms models of soil nutrients in left and its spatial fractal dimensions in right

表2 等方向土壤養(yǎng)分半方差函數(shù)理論模型及參數(shù)Table2 Isotropic semivariogram models and its parameters

總體上空間結(jié)構(gòu)比的大小順序?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)＞全氮＞有效磷≥堿解氮，與水曲柳Fraxinus mandshurica人工林土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)比順序大致相同，但水曲柳人工林全氮、堿解氮、有效磷均表現(xiàn)很強(qiáng)的空間相關(guān)性[5]。說(shuō)明不同森林類(lèi)型土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性有相似之處，但其組成存在較大的差異，因此，針對(duì)不同森林類(lèi)型制定相應(yīng)的管理措施是很有必要。

空間異質(zhì)性尺度方面，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷的空間自相關(guān)范圍分別為50.7，60.7，169.5和50.2 m。可以看出，堿解氮的空間異質(zhì)性尺度最大，而有效磷的空間異質(zhì)性尺度最小，這與磷不易移動(dòng)的特性有關(guān)[5]。就氮而言，堿解氮的空間異質(zhì)性尺度是全氮的3倍左右，而其空間結(jié)構(gòu)比相當(dāng)，因此在天目山常綠闊葉林內(nèi)不同氮素的消耗過(guò)程不同，有效氮對(duì)生態(tài)格局和過(guò)程作用的尺度大于全氮。

除土壤有機(jī)質(zhì)具有較小的塊金外，全氮、堿解氮、有效磷均具有較大的塊金效應(yīng)，占總方差的50%左右，說(shuō)明較小尺度上的某種過(guò)程不容忽視。

速效鉀最優(yōu)模型為線性無(wú)基臺(tái)模型，基臺(tái)不存在，故空間結(jié)構(gòu)比也不明確，其C0值在5種養(yǎng)分中最大，為0.809，是否說(shuō)明其空間異質(zhì)性主要來(lái)自小尺度上的塊金效應(yīng)，將進(jìn)一步分析。在此，保持h范圍不變，分別以1倍最小采樣間距、3倍最小采樣間距、4倍最小采樣間距和5倍最小采樣間距作為步長(zhǎng)，對(duì)速效鉀進(jìn)行半方差分析，如表3。可以看出，1倍采樣間距依然為線性無(wú)基臺(tái)模型；而3倍、4倍、5倍最小采樣間距均表現(xiàn)為指數(shù)模型，且具有中等空間自相性，但空間異質(zhì)性尺度存在較大差異。因此，天目山常綠闊葉林土壤速效鉀在不同步長(zhǎng)范圍具有不同的空間變異特征，其空間變異較為復(fù)雜，隨機(jī)效應(yīng)不容忽視。

表3 不同步長(zhǎng)下速效鉀等方向土壤養(yǎng)分半方差函數(shù)理論模型及參數(shù)Table3 Isotropic semivariogram models and its parameters for available K in different steps

2.3 土壤養(yǎng)分空間分布格局分形分析

由圖2可知：天目山土壤養(yǎng)分具有分形特征，分形維數(shù)大小依此為土壤速效鉀、堿解氮和有效磷、全氮、有機(jī)質(zhì)。土壤有效鉀分形維數(shù)最大，為1.930，明顯將其與其他4種營(yíng)養(yǎng)成分區(qū)分開(kāi)。表3也表明，盡管合適的步長(zhǎng)范圍下有效鉀具有中等空間相關(guān)，但其分形維數(shù)總體還是偏高。因此，說(shuō)明有效鉀的空間格局比較復(fù)雜，對(duì)尺度的依賴(lài)性比較大，在不同尺度下具有不同的格局。

土壤有機(jī)質(zhì)分形維數(shù)最小，為1.833，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)空間格局的空間依賴(lài)性強(qiáng)，具有良好的結(jié)構(gòu)性，這與有機(jī)質(zhì)空間結(jié)構(gòu)比最大，強(qiáng)空間自相關(guān)是一致的。有效磷和堿解氮的空間分形維數(shù)相當(dāng)，其空間結(jié)構(gòu)比也均為0.5；全氮的分形維數(shù)低于有效磷和堿解氮，其空間結(jié)構(gòu)比卻比它們高，說(shuō)明全氮的空間格局可能略好于有效磷和堿解氮。

圖3為5種養(yǎng)分空間分布格局圖，更加直觀的揭示了它們空間格局的差異。雖然堿解氮和有效磷空間結(jié)構(gòu)比相等，但分形維數(shù)之間的細(xì)微差異（相差0.011）卻揭示了兩者空間格局的局部變異，這正是分形從局部出發(fā)揭示研究對(duì)象精細(xì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。Lee等[14]指出在研究自然界結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的空間格局時(shí)，解釋產(chǎn)生該格局的基本過(guò)程是不可避免的，未知的細(xì)節(jié)可能對(duì)原因因子的理解很重要。

圖3 天目山常綠闊葉林土壤養(yǎng)分空間格局Figure3 Spatial patterns of the five kinds of soil nutrients in Mount Tianmu

除速效鉀外，其余幾種養(yǎng)分的空間分布在東西、南北方向具有類(lèi)似的特征，說(shuō)明這些養(yǎng)分受地形影響較小。相關(guān)研究表明，速效鉀沒(méi)有明確的變異規(guī)律[15]，且在不同尺度上表現(xiàn)出不同的空間自相關(guān)格局[5，16]。本研究也表明，在不同的尺度上，天目山常綠闊葉林土壤速效鉀具有不同的空間變異特征，因此，其不同尺度上變異特征的差異決定了其空間格局的復(fù)雜性。

3 結(jié)論

本研究半方差理論分析天目山國(guó)家自然保護(hù)區(qū)常綠闊葉林土壤5種營(yíng)養(yǎng)成分的空間異質(zhì)性特征，主要得到以下幾方面的結(jié)論：

土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮的空間變異可由指數(shù)半方差模型揭示，總氮和有效磷可用球狀半方差模型揭示。其中土壤有機(jī)質(zhì)空間結(jié)構(gòu)比C/（C0+C）為0.787，具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性；堿解氮、全氮和有效磷空間自相關(guān)為中等程度。因此，其空間異質(zhì)性主要由結(jié)構(gòu)因素構(gòu)成，對(duì)于自然保護(hù)區(qū)，人為干擾因素比較小，該區(qū)亞熱帶海洋暖濕氣候條件、土壤母質(zhì)、地形等結(jié)構(gòu)因素可能會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)養(yǎng)分的空間相關(guān)性。當(dāng)然，塊金占一定比例，特別是有效磷、全氮達(dá)到50%，說(shuō)明在該自然保護(hù)區(qū)小尺度上的某種生態(tài)過(guò)程也不能忽視。

決定土壤養(yǎng)分空間格局的尺度以堿解氮最大，為4.21～169.50 m，而有效磷的空間異質(zhì)性尺度最小。這與磷不易移動(dòng)的特性有關(guān)。

速效鉀空間變異比較復(fù)雜，在不同步長(zhǎng)范圍內(nèi)，揭示其空間異質(zhì)性的參數(shù)不同，隨機(jī)效應(yīng)及小尺度上的生態(tài)過(guò)程應(yīng)該引起重視。

5種養(yǎng)分空間格局不同，其中有效鉀的空間格局最復(fù)雜；全氮、有效磷、堿解氮次之；而有機(jī)質(zhì)分形維數(shù)最小，空間格局的空間依賴(lài)性強(qiáng)。

森林土壤的物理性質(zhì)、養(yǎng)分、森林更新乃至整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)都具有空間異質(zhì)性特征[2-6]。天目山是重要的國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，研究結(jié)果將為摸清保護(hù)區(qū)常綠闊葉林下土壤養(yǎng)分循環(huán)提供參考，同時(shí)也為常綠闊葉的施肥、培育等經(jīng)營(yíng)措施提供理論依據(jù)。

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