太岳山植物群落土壤养分空间异质性及其对植被分布的影响

赵倩， 李婷婷， 张钦弟

山西师范大学生命科学学院， 山西 临汾 041000

土壤是植被赖以生存的基础和前提[1，2].土壤养分状况是植物营养的主要来源.由于受到地形、气候、原土母质等多方面因素的影响[3]，土壤养分在空间分布上存在一定差异，并且由于植被对土壤资源的偏好利用和生态位的分化[4]，使得土壤养分的组成和空间分布差异可以直接影响和调控植被的物种组成、群落构建和生物量格局[5，6].因此，研究土壤养分的空间分异特征，不仅可以进一步了解土壤的养分组成和分布规律[7]，还可以阐明植被与土壤养分之间的关系，为生态系统植被恢复提供合理化建议.

太岳山是山西省最大的国家级森林公园，其野生动植物丰富，种类繁多.为合理保护该区的自然资源，近年来已有许多学者对该区的植被及土壤条件进行研究，如张甍等研究了太岳山植被的空间随海拔的空间格局分析[8]；马晓勇等研究了太岳山群落的物种多样性[9].而该区土壤养分的空间异质性及其对植被分布的影响研究却相对较少，本文采取典型的地统计学方法——半方差函数来研究该区土壤养分的空间分布差异，并通过典范对应分析表征典型植被与土壤养分分布的相关关系，为太岳山植被多样性保护和资源恢复提供科学依据.

1 研究地概况和研究方法

1.1 研究地概况

太岳山国家级森林公园位于山西腹地，动植物资源丰富，是山西省最大的国家级森林公园.研究样地选取太岳山南端山脉兴唐寺林场(111°40′～ 112°21′E，36°21′～36°45′N)，海拔范围600 m～1 450 m.属暖温带季风气候，雨热同期，年平均气温为9.3 ℃～12.3 ℃，年降水量约500 mm～700 mm[10].样地内主要物种包括：辽东栎(Quercuswutaishanica)、白桦(BetutaplatypHylla)、油松(Pinustabuliformis)、鹅耳枥(Carpinusturczaninowii)、色木槭(Acermono)和野山楂(Cartaeguscuneata)[6].

1.2 样地布置和土样采集

2014年7月，在太岳山保护区兴唐寺林场内进行实验调查和取样.选择具有代表性的林地(海拔1 747.1 m～1 873 m)建立一个4×104m2的固定监测样地.并用全站仪(GTS-102N, Topcon Corporation, Tokyo, Japan)将样地划分成100个20 m×20 m的小样方，在每个小样方按照五点取样法采集土样[6].具体采集方法为0 m～0.6 m内每0.2 m进行一次土壤样品的采集，最后将分层土样按1∶1∶1均匀混合，用以土壤元素的测定，土壤元素的测定采用袁楠[11]的方法，测定如下指标.

表1 土壤因子的测定方法[6]Tab.1 Method for determination of soil factors[6]

1.3 数据处理

1.3.1 半方差函数

由于土壤养分描述性统计只能说明养分含量的基本状况，无法明确土壤养分在空间结构上的随机性、相关性和独立性[12]，因此需要采取地统计学分析方法来对土壤养分含量的空间异质性进行进一步的研究[13].半方差函数是地统计学中研究土壤空间异质性的常用函数.本文采用半方差函数对该区土壤养分分布特征进行表征，为使实验结果更加简明清晰，在运算前对所有数据进行对数转换[14].

其中，r(h)是半方差函数值；h为样点间的距离叫作步长；N(h)代表样点距离为h时的点对总数；Z(xi)和Z(xi+h)分别表示系统属性样点Z在位置xi和xi+h的测量值[6,15].半方差函数的运算在地统计学软件(GS+Version 7.0)中进行.

1.3.2 典范相关分析

典范对应分析CCA(Canonical Correspondence analysis)用来表征该区植被群落与土壤养分之间的相关关系.CCA分析在软件Canoco 4.5中完成.

2 结果

2.1 土壤养分的描述性统计

表2表示该区土壤养分的基本含量状况.从表中可以看出，土壤pH在7.28～8.46间、有机质含量为3.79～24.6、全氮含量0.224～0.79、全磷含量0.49～2.53、碱解氮12.89～40.37、有效磷3.5～19.5、速效钾12.23～65.90.研究发现该区各土壤元素的变异系数在27.37～56.35之间，呈现中等程度的变异，其中，变异程度最小的为pH，变异程度最大的是有机质.各土壤养分指标的变异程度排序为：有机质>速效钾>有效磷>碱解氮>全氮>全磷>pH.

2.2 土壤养分的空间异质性

全部土壤养分指标经卡方检验后均满足对数正太分布，不会影响半方差函数的精确性，其中块金值(Co)表示土壤养分在空间分布上无法解释的随机性[16]，导致这种无法解释的随机性的原因可能是实验误差.基台值(Co +C)表示研究尺度上空间变异的程度.块基比Co /(Co +C)表示随机性在总空间变异中所占的比例[17].一般情况下，块基比小于25 %时，表明土壤养分各指标具有较强的空间自相关；块基比在25 %～75 %之间时，具备中等程度的空间自相关；大于75 %则表示其自相关程度相对较弱[18].

表2 研究样地土壤营养成分的描述性统计[6]Tab.2 Descriptive statistics of soil nutrients in study area[6]

从表3可以看出，该区各指标的块金值都比较小，说明该区土壤养分受随机性影响不大.土壤pH、有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷的块基比均小于25 %，说明这6种土壤因子空间自相关性强，可能是成土母质、气候、地形等的系统变异导致的，而速效钾块基比高达89.25 %.其中，pH值符合高斯模型、有机质、全氮、碱解氮符合球状模型，全磷和有效磷符合指数模型，速效钾符合线性模型.根据决定系数R2和残差RSS显示，这些模型拟合程度很高[6].说明，其能较好地反映土壤养分的空间分异状况[19].

表3 研究区土壤养分半方差函数模型及地统计学参数[6]Tab.3 Soil nutrient semivariogram function model and geostatistical parameters in study area[6]

图1表示土壤因子半方差函数图，除速效钾和有机质外，其余5种土壤因子的拟合线都经过原点.并且除速效钾外，其余土壤养分指标的半方差值均随步长距离的增加而增大，随后渐渐趋于平稳，这说明土壤养分各指标之间随着空间尺度的增大，空间自相关逐渐减弱，当达到一定程度时则在保持空间上的相互独立[20].

2.3 植被群落与土壤养分的相关性

图2中CCA排序图表示植被群落与土壤养分之间的相关关系.CCA排序前，对数据进行DCA(Detrended Correspondence analysis)排序分析，排序结果第一轴大于3，表明CCA排序方法更适合植被群落与土壤养分之间的相关性研究.最终分析结果表示，油松与土壤全氮和土壤中的有机质呈正相关关系，野山楂、辽东栎和土壤有效磷、pH负相关关系，和速效钾呈正相关关系，白桦和有效磷呈正相关关系，鹅耳枥与土壤碱解氮呈正相关关系.

图1 研究区土壤养分半方差函数图
Fig.1 Semi-variance function diagram of soil nutrient in study area

3 结论和讨论

(1)土壤养分的空间分异是多方面因素综合作用的结果.充分了解太岳山土壤养分的空间分布状况是该地区生态环境保护的前提.本文对太岳山南端山脉的土壤养分状况进行统计性描述研究.了解到该地区土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾等均表现为中等程度的变异(27.37

(2)通过半方差函数对该区土壤养分状况进行良好的拟合.研究发现土壤pH、有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷均表现出较强的空间自相关.说明这几种土壤因子更易受到地形、成土母质、植被凋落物堆积、气候变化等的影响[21]，这几种土壤因子的空间分布研究不能忽略小尺度格局对其产生的影响[22]，而速效钾的空间自相关性较弱，说明其随机性更大.产生随机性的原因可能是实验过程存在的误差，也有可能是土壤因子的自变异导致的，而这种空间异质性可以影响植被物种的空间分布，降低物种间的资源竞争，丰富群落结构.

图2 物种分布与土壤营养元素的CCA排序图
Fig.2 Ordination of the species and soil nutrient factor in CCA biplot

注：辽东栎(Quercuswutaishanica)、白桦(BetutaplatypHylla)、油松(Pinustabuliformis)、鹅耳枥(Carpinusturczaninowii)、色木槭(Acermono)、野山楂(Crataeguscuneata)

(3)研究表明植被与土壤养分的相关关系明显，这是由于不同植被类型对土壤资源和生长环境的偏好和生态位差异所引起的[23，24]，而土壤的空间异质性可以降低植被的空间竞争，促进物种共存.当然植被也反过来影响土壤养分的空间分布格局[25].油松主要分布在土壤全氮和有机质资源丰富的土壤中，野山楂、辽东栎主要分布在速效钾含量比较丰富的地区，白桦主要分布在有效磷含量丰富的地区，鹅耳枥主要分布在土壤碱解氮丰富的地区.该结果可以为太岳山植被破坏地区(如采矿区)的生态恢复重建奠定一定的理论基础.