天目山常绿阔叶林土壤养分的空间异质性

杜华强，汤孟平，崔瑞蕊

（1.浙江农林大学 浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室，浙江 临安 311300；2.浙江农林大学 环境与资源学院，浙江 临安 311300）

空间异质性（spatial heterogeneity）在各种尺度上普遍存在[1]，从不同的尺度和不同层面上研究土壤的空间异质性是一个热点问题，其研究结果不但对了解土壤的形成过程、结构和功能具有重要的理论意义，而且对了解植物与土壤的关系，如更新过程、养分和水分对根系的影响以及植物的空间格局等也具有重要的参考价值[2]。研究表明：森林植被和土壤养分都具有明显的空间变异特征[2-5]，而且土壤营养和水分的异质性是影响植物群落空间格局的重要因素，特别是在森林更新过程中，土壤有机质和土壤养分的有效性、土壤pH等与根系相互作用，影响种子的休眠、萌发与更新幼苗的发生格局[3，6]。常绿阔叶林是中国亚热带地区最复杂、生产力最高、生物多样性最丰富的地带性植被类型之一，对保护环境、维持全球性碳循环平衡和人类持续发展都具有极重要的作用[7-8]，其土壤特性一直受到重视。本研究以天目山国家级自然保护区为例，采用地统计学的相关理论，研究常绿阔叶林土壤养分空间变异和空间格局，为常绿阔叶林的经营及自然保护区的管理提供参考。

1 研究方法

1.1 研究区概况

浙江天目山国家级自然保护区位于浙江省西北部临安市境内的西天目山，地理坐标为30°18′30″～30°24′55″N， 119°23′47″～ 119°28′27″E。 西天目山的土壤基本上属于亚热带红黄壤类型， 随着海拔的升高逐渐向湿润的温带型过渡。海拔850 m以下为常绿阔叶林[8]，其林下土壤主要为黄壤（分布在海拔600～1200 m），土壤母质大部分是灰红色流纹状粗面斑岩；土层一般较薄，约30～70 cm，湿度大，腐殖质层厚15～30 cm；质地属轻黏壤土到中黏壤土，表层带有微团粒状至细粒状结构，极松脆，呈酸性反应，含石砾5%；土壤含有机质为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，速效钾 243.80 ～ 316.60 mg·kg-1。

1.2 土壤样品采样

选择保存较完好的常绿阔叶林设置样地，样地大小为100 m×100 m。用相邻格子调查方法，把样地划分为100个10 m×10 m的调查单元。首先，在样地中心及四边确定9个点，然后在每个调查单元中心再各设置1个采样点。鉴于研究区土壤较薄，在所有109个采样点上取AB层土壤用于养分测定。样地布设及采样点平面位置如图1，其中1个采样点数据缺失。土壤养分数据包括有机质（g·kg-1），全氮（g·kg-1），碱解氮（mg·kg-1）， 有效磷（mg·kg-1）和速效钾（mg·kg-1）。

图1 样地及土壤养分采样点分布图（样点数n=109，其中1个样点数据缺失）Figure1 Plot and soil sampling locations （n=109， one sampling data miss）

1.3 土壤养分的空间异质性

采用公式（1）所定义的半方差函数及其理论模型参数包括基台、变程和块金常用于分析各土壤养分的空间异质性[3，9-10]。

1.4 土壤养分的分形维数

半方差函数中的h和γ（h）在双对数坐标的回归曲线可以确定土壤养分空间分维数D。它可以提供被研究对象空间格局的尺度及层次性和空间异质性在不同尺度间的相互关系等方面的信息。

式（2）中：m为双对数回归曲线的斜率。m越大，分形维数越小，双对数半方差图的直线越陡，空间格局的空间依赖性就越强，结构性越好，空间格局相对简单，因此，可以统计分形维数分析不同尺度上生态因子场的差异[5，11-12]。

2 结果与分析

2.1 土壤养分数据的统计分析及正态性检验

从表1可知：天目山常绿阔叶林土壤养分数据存在较大的变异，其中有机质变异系数最大，达到52.75%，其次为有效磷，全氮、水解氮和速效钾相对较低。

区域化变量空间变异地统计分析要求数据满足本征假设[10]，实际应用中通常需要数据为正态分布，以避免影响半方差图结构分析和空间估算[12-13]。Kolmogorov-Smirnov正态性检验表明原始数据除速效钾为正态分布外，其他为非正态。采用对数变换对5种养分数据进行变换，再次检验表明，变换后数据全部满足正态分布。因此采用对数变换数据进行空间异质性分析。

表1 数据基本统计量和正态性检验Table1 Descriptive statistics and Kolmogorov-Smirnov test for the data

2.2 土壤养分空间异质性分析

半方差分析要求样本间距h为最大采样间距的1/3或1/2内才具有统计意义，同时步长要求不小于最小采样间距[12]。本研究样本间距h的变化范围取最大间距的一半（即73.0 m），而步长取最小间距的2倍即8.4 m。考虑到土壤养分变量单位不同，将半方差进行标准化处理，即半方差与样本方差之比，使得空间异质性具有可比性。图2左边为土壤养分数据半方差函数图及理论模型模拟结果，土壤有机质和碱解氮可用指数模型拟合（exponential model），总氮和有效磷可用球状模型拟合（spherical model），而速效钾理论半方差函数模型为线性无基台模型。模型决定系数、残差和及模型参数如表2所示。

空间异质性由结构方差C和块金方差C0组成。土壤有机质空间结构比C/（C0+C）等于0.787，大于75%，表明天目山常绿阔叶林土壤有机质具有较强的空间自相关性；除速效钾外的其他种营养成分空间结构比为25%～75%，因此，空间自相关为中等程度。

图2 天目山常绿阔叶林土壤养分等方向半方差函数理论模型（左）及空间格局分形维数（右）Figure2 Isotropic semivariograms models of soil nutrients in left and its spatial fractal dimensions in right

表2 等方向土壤养分半方差函数理论模型及参数Table2 Isotropic semivariogram models and its parameters

总体上空间结构比的大小顺序为有机质＞全氮＞有效磷≥碱解氮，与水曲柳Fraxinus mandshurica人工林土壤养分空间结构比顺序大致相同，但水曲柳人工林全氮、碱解氮、有效磷均表现很强的空间相关性[5]。说明不同森林类型土壤养分空间异质性有相似之处，但其组成存在较大的差异，因此，针对不同森林类型制定相应的管理措施是很有必要。

空间异质性尺度方面，有机质、全氮、碱解氮、有效磷的空间自相关范围分别为50.7，60.7，169.5和50.2 m。可以看出，碱解氮的空间异质性尺度最大，而有效磷的空间异质性尺度最小，这与磷不易移动的特性有关[5]。就氮而言，碱解氮的空间异质性尺度是全氮的3倍左右，而其空间结构比相当，因此在天目山常绿阔叶林内不同氮素的消耗过程不同，有效氮对生态格局和过程作用的尺度大于全氮。

除土壤有机质具有较小的块金外，全氮、碱解氮、有效磷均具有较大的块金效应，占总方差的50%左右，说明较小尺度上的某种过程不容忽视。

速效钾最优模型为线性无基台模型，基台不存在，故空间结构比也不明确，其C0值在5种养分中最大，为0.809，是否说明其空间异质性主要来自小尺度上的块金效应，将进一步分析。在此，保持h范围不变，分别以1倍最小采样间距、3倍最小采样间距、4倍最小采样间距和5倍最小采样间距作为步长，对速效钾进行半方差分析，如表3。可以看出，1倍采样间距依然为线性无基台模型；而3倍、4倍、5倍最小采样间距均表现为指数模型，且具有中等空间自相性，但空间异质性尺度存在较大差异。因此，天目山常绿阔叶林土壤速效钾在不同步长范围具有不同的空间变异特征，其空间变异较为复杂，随机效应不容忽视。

表3 不同步长下速效钾等方向土壤养分半方差函数理论模型及参数Table3 Isotropic semivariogram models and its parameters for available K in different steps

2.3 土壤养分空间分布格局分形分析

由图2可知：天目山土壤养分具有分形特征，分形维数大小依此为土壤速效钾、碱解氮和有效磷、全氮、有机质。土壤有效钾分形维数最大，为1.930，明显将其与其他4种营养成分区分开。表3也表明，尽管合适的步长范围下有效钾具有中等空间相关，但其分形维数总体还是偏高。因此，说明有效钾的空间格局比较复杂，对尺度的依赖性比较大，在不同尺度下具有不同的格局。

土壤有机质分形维数最小，为1.833，说明有机质空间格局的空间依赖性强，具有良好的结构性，这与有机质空间结构比最大，强空间自相关是一致的。有效磷和碱解氮的空间分形维数相当，其空间结构比也均为0.5；全氮的分形维数低于有效磷和碱解氮，其空间结构比却比它们高，说明全氮的空间格局可能略好于有效磷和碱解氮。

图3为5种养分空间分布格局图，更加直观的揭示了它们空间格局的差异。虽然碱解氮和有效磷空间结构比相等，但分形维数之间的细微差异（相差0.011）却揭示了两者空间格局的局部变异，这正是分形从局部出发揭示研究对象精细结构的优点。Lee等[14]指出在研究自然界结构或系统的空间格局时，解释产生该格局的基本过程是不可避免的，未知的细节可能对原因因子的理解很重要。

图3 天目山常绿阔叶林土壤养分空间格局Figure3 Spatial patterns of the five kinds of soil nutrients in Mount Tianmu

除速效钾外，其余几种养分的空间分布在东西、南北方向具有类似的特征，说明这些养分受地形影响较小。相关研究表明，速效钾没有明确的变异规律[15]，且在不同尺度上表现出不同的空间自相关格局[5，16]。本研究也表明，在不同的尺度上，天目山常绿阔叶林土壤速效钾具有不同的空间变异特征，因此，其不同尺度上变异特征的差异决定了其空间格局的复杂性。

3 结论

本研究半方差理论分析天目山国家自然保护区常绿阔叶林土壤5种营养成分的空间异质性特征，主要得到以下几方面的结论：

土壤有机质和碱解氮的空间变异可由指数半方差模型揭示，总氮和有效磷可用球状半方差模型揭示。其中土壤有机质空间结构比C/（C0+C）为0.787，具有较强的空间自相关性；碱解氮、全氮和有效磷空间自相关为中等程度。因此，其空间异质性主要由结构因素构成，对于自然保护区，人为干扰因素比较小，该区亚热带海洋暖湿气候条件、土壤母质、地形等结构因素可能会进一步增强养分的空间相关性。当然，块金占一定比例，特别是有效磷、全氮达到50%，说明在该自然保护区小尺度上的某种生态过程也不能忽视。

决定土壤养分空间格局的尺度以碱解氮最大，为4.21～169.50 m，而有效磷的空间异质性尺度最小。这与磷不易移动的特性有关。

速效钾空间变异比较复杂，在不同步长范围内，揭示其空间异质性的参数不同，随机效应及小尺度上的生态过程应该引起重视。

5种养分空间格局不同，其中有效钾的空间格局最复杂；全氮、有效磷、碱解氮次之；而有机质分形维数最小，空间格局的空间依赖性强。

森林土壤的物理性质、养分、森林更新乃至整个森林生态系统都具有空间异质性特征[2-6]。天目山是重要的国家级自然保护区，研究结果将为摸清保护区常绿阔叶林下土壤养分循环提供参考，同时也为常绿阔叶的施肥、培育等经营措施提供理论依据。

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