石櫟-青岡常綠闊葉林土壤有機(jī)碳和全氮空間變異特征

楊 丹，項文化，方 晰,3，樊綱惟，許玉慶，文 麗，鄒麗梅

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 長沙 410004；2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室，長沙 410004；3.湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站， 會同 438107)

石櫟-青岡常綠闊葉林土壤有機(jī)碳和全氮空間變異特征

楊 丹1,2，項文化1,3,*，方 晰1,2,3，樊綱惟1,2，許玉慶1,2，文 麗1,2，鄒麗梅1,2

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 長沙 410004；2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室，長沙 410004；3.湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站， 會同 438107)

在1hm2(100 m×100 m)石櫟(Lithocarpusglaber)-青岡(Cyclobalanopsisglauca)常綠闊葉林內(nèi)100個10 m×10 m小樣方的中心位置，按0—10 cm、10—20 cm和20—30 cm土層采集土壤樣品，測定土壤有機(jī)碳(C)和全氮(N)含量?；趨^(qū)域化變量理論和地質(zhì)統(tǒng)計軟件(GS+Version 9)的空間分析功能，應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)的半方差函數(shù)定量研究該常綠闊葉林土壤有機(jī)C和全N的空間變異特征。結(jié)果表明：該林地土壤有機(jī)C含量平均值為18.61 g/kg，變化范圍為9.53—39.40 g/kg，全N含量平均值為1.63 g/kg，變化范圍為0.73—3.32 g/kg。土壤有機(jī)C半方差函數(shù)的理論模型符合球狀模型，全N半方差函數(shù)的理論模型符合高斯模型。土壤有機(jī)C和全N的空間異質(zhì)性主要是由結(jié)構(gòu)性因素引起的，且空間自相關(guān)程度均為中等程度。分形維數(shù)反映了有機(jī)C和全N空間格局差異及尺度依賴特征，有機(jī)C分形維數(shù)較大，空間格局比全N略為復(fù)雜。采用Kriging插值方法，1hm2森林內(nèi)土壤有機(jī)C和全N具有相似的空間分布格局，呈現(xiàn)明顯的條帶狀和斑塊狀的梯度變化。土壤有機(jī)C含量與海拔、凹凸度呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不顯著，與林地凋落物量呈極顯著正相關(guān)。土壤全N含量與海拔、凹凸度呈顯著負(fù)相關(guān)，與林地凋落物量呈正相關(guān)，反映出土壤N的淋溶特性。

地統(tǒng)計學(xué)；土壤有機(jī)碳；土壤養(yǎng)分；空間異質(zhì)性；亞熱帶；常綠闊葉林

土壤有機(jī)碳(C)和氮(N)是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要養(yǎng)分庫，構(gòu)成地球生物化學(xué)循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時也是生態(tài)系統(tǒng)中重要的生態(tài)因子，影響植物的生長發(fā)育。土壤有機(jī)C和N含量與土壤結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，反應(yīng)土壤質(zhì)量[1]。由于土壤有機(jī)C和N貯量較大，其動態(tài)變化在土壤生產(chǎn)力和全球C、N循環(huán)中起著十分重要的作用[2- 3]。因此，對土壤有機(jī)C和全N含量變化及影響因子的深入研究可為了解區(qū)域性森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤養(yǎng)分、森林C庫管理和可持續(xù)經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

土壤養(yǎng)分特性受母質(zhì)、氣候、生物、地形、發(fā)育時間和人為活動等多種因素的影響，常表現(xiàn)為綴塊性或梯度分布格局，具有高度的空間變異性[4]，土壤養(yǎng)分的空間變異性是土壤重要的屬性。在一個質(zhì)地較為均勻的區(qū)域內(nèi)，處于同一時間、不同地點的土壤養(yǎng)分，除去采樣和測定的誤差外，還由于土壤本身特性的變化，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分存在明顯的差異，這種變化稱為土壤的空間異質(zhì)性或土壤的空間變異性[5- 6]。土壤空間異質(zhì)性是多種或多層次結(jié)構(gòu)的疊加[7]，在不同尺度上研究土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性，對于了解土壤的形成過程、結(jié)構(gòu)和功能、植物與土壤的關(guān)系(如植被更新過程、土壤養(yǎng)分和水分對根系的影響以及植物的空間格局等)具有十分重要的理論意義[8]，有利于提高土壤取樣觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

國內(nèi)外在土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性方面的研究已取得了一些成果[9- 14]，并對土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的應(yīng)用地域和研究內(nèi)容進(jìn)行了擴(kuò)展。研究表明，土地利用方式和地形因素對土壤有機(jī)C和全N有顯著影響[15]，植被的不同演替階段對土壤養(yǎng)分也有較大影響[16]。土壤養(yǎng)分的異質(zhì)性是影響植物群落空間格局的重要因素[17]。我國亞熱帶常綠闊葉林具有生物多樣性豐富、生產(chǎn)力較高和生境復(fù)雜等特點，在維持區(qū)域碳平衡和可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮著重要作用[18]。石櫟-青岡常綠闊葉林是我國南方保存較少的典型地帶性植被，多分布在邊遠(yuǎn)山區(qū)或丘陵地區(qū)。由于其樹種組成豐富多樣[19]，分布區(qū)的地形復(fù)雜多變，林內(nèi)土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性會更高，但在森林群落尺度上研究土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性較少[20]。因此，本研究在森林群落尺度上分析石櫟-青岡常綠闊葉林土壤有機(jī)C和全N的空間變異特征，探討地形因子(如海拔高程、凸凹度)、樹種因素(如凋落物量、株數(shù)、物種數(shù))在引起土壤養(yǎng)分空間變異中的作用，為進(jìn)一步揭示亞熱帶森林群落物種多樣性維持和共存機(jī)理、維護(hù)土壤肥力以及森林科學(xué)經(jīng)營提供理論依據(jù)，也為不同尺度上土壤養(yǎng)分的空間插值、制圖和土壤研究取樣設(shè)計等方法方面提供參考。

1 研究區(qū)概況

本研究在湖南省長沙縣大山?jīng)_國有林場(28°23′58″—28°24′58″N，113°17′46″—113°19′08″E)進(jìn)行，研究區(qū)屬中亞熱帶東南季風(fēng)氣候，氣候溫和，降水充沛，雨熱同期，相對濕度較大。年平均氣溫為16.6—17.6℃，最冷月(1月)的平均氣溫為-3.2℃，最熱月(7月)的平均氣溫為39.8℃，年降雨量為1200—1600mm，主要集中在夏初，冬季嚴(yán)寒少雨[21]。該林場屬幕阜山余脈西部邊緣的湘中丘陵地區(qū)，土壤為板巖和頁巖發(fā)育而成紅壤土。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2013年3—4月在該林場內(nèi)的石櫟-青岡常綠闊葉林選擇代表性地段，建立面積為1hm2(100m×100m)的固定樣地，樣地海拔為71—128 m，坡向為西北向，坡度為22°，樣地分為100個10m×10m的小樣方(圖1)，對樣地內(nèi)胸徑大于1cm的所有植物進(jìn)行掛牌編號，記錄植物種類，測定胸徑、樹高、枝下高和冠幅，石櫟-青岡常綠闊葉林群落的基本特征見表1。

圖1 石櫟-青岡常綠闊葉林1hm2樣地的等高線及采樣點位置圖(樣點“+”，總數(shù)n=100)Fig.1 Contour map and samplings location of 1 hectare permanent plot of the Lithocarpus glaber-Cyclobalanopsis glauca forest (“+” represents the sampling position, total number=100)

序號No.種名Treespecies密度Density/(株/hm2)平均胸徑Averagediameteratbreastheight(DBH)/cm平均樹高Averageheight/m重要值Importantvalue1石櫟Lithocarpusglaber180210.49.625.602青岡Cyclobalanopsisglauca47312.810.511.223馬尾松Pinusmassoniana14618.114.27.314紅淡比Cleyerajaponica5295.95.86.695杉木Cunninghamialaceolata3038.98.65.896南酸棗Choerospondiasaxil-laris8319.313.55.36林分總計Wholestand479712.610.4100

2.2 土壤樣品采集及化學(xué)分析

2013年9—10月，用土壤鉆(內(nèi)徑5cm，高10cm)在1hm2固定樣地內(nèi)的每個小樣方(10m×10m)的中心按0—10cm、10—20cm和20—30cm土層采集土壤樣品，同時在中心附近設(shè)置50cm×50cm小樣方，分未分解、半分解和已分解層采集樣方內(nèi)所有的凋落物，稱重后取1kg的凋落物樣品裝入布袋，帶回實驗室進(jìn)行分析。如果中心位置有樹木或大的石塊，采樣點進(jìn)行適當(dāng)移動，記錄采樣的空間坐標(biāo)(圖1)。在100個小樣方內(nèi)的3個土層共采集300個土壤樣品，帶回實驗室風(fēng)干、研磨，過100目篩后進(jìn)行化學(xué)分析。凋落物樣品放入烘箱于80℃烘箱內(nèi)烘干至恒重，取出后稱其干重，用干重推算單位面積林地凋落物的生物量(kg/m2)。土壤有機(jī)C用濃硫酸-重鉻酸鉀水合加熱容量法測定，全N用半微量凱氏法測定[22]。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和插值

計算固定樣地內(nèi)土壤有機(jī)C和全N含量的最大值、最小值、平均值、誤差值和變異系數(shù)，用PAWS Statistics 18軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行K-S正態(tài)分布檢驗。用半方差函數(shù)分析土壤有機(jī)C和全N含量的空間變異特征。通過半方差函數(shù)得到函數(shù)值隨樣本滯后距增加而變化的散點圖，對散點圖采用球狀模型、指數(shù)模型、高斯模型和線性模型等理論模型進(jìn)行擬合[6]。根據(jù)殘差平方和(RSS)來判斷散點圖最適合的理論模型，殘差平方和越小，模型擬合精度越高[23]。模型擬合能獲取3個評價空間變異程度的重要參數(shù)：塊金值(C0)、基臺值(C0+C)和變程(A0)。變程(A0)表示空間變異的尺度。在變程內(nèi)表示變量具有空間自相關(guān)性，反之則不存在空間相關(guān)性。

半方差函數(shù)計算公式：

(1)

式中，γ(h)為半方差函數(shù)值，N(h)為間距為向量h的點對總數(shù)；Z(xi)為系統(tǒng)某屬性Z在空間位置xi處的值，Z(xi+h)是在(xi+h)處值的一個區(qū)域化變量[25]。半方差函數(shù)中的h和γ(h)在雙對數(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。分維數(shù)是一個無量綱數(shù)，計算公式為：

D=2-m/2

(2)

式中,m是變異函數(shù)值相應(yīng)取樣間距的雙對數(shù)線性回歸方程的斜率[11]。m越大，分形維數(shù)越小，雙對數(shù)半方差圖的直線越陡，空間格局的空間依賴性越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)性越好，空間格局相對簡單。因此，分形維數(shù)可以反映土壤有機(jī)C和全N含量空間格局的尺度及層次性和空間異質(zhì)性在不同尺度上的相互關(guān)系等信息，分析不同尺度上生態(tài)因子場的差異[11,26- 27]。

本研究根據(jù)地統(tǒng)計學(xué)分析中得到表達(dá)土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性特征的最適合模型類型及其相應(yīng)參數(shù)(塊金值、基臺值和變程等)，用Kriging插值法[23]對土壤有機(jī)C和全N進(jìn)行空間插值。半方差函數(shù)擬合和空間插值的軟件為GS+Version 9(Gamma Design Software, 2008)，設(shè)定插值結(jié)果的空間分辨率為10m×10m。

選取海拔和凹凸度作為地形因子，各小樣方的海拔為小樣方4個角海拔的平均值，凹凸度為小樣方海拔減去該樣地相鄰的8個小樣方海拔的平均值，處于樣地邊緣的小樣地凹凸度為小樣方中心的海拔減去4個頂點海拔的平均值，若凹凸度為正值，說明該樣方海拔比周圍樣方海拔高，反之則低[28]。通過相關(guān)分析，分析各10m×10m小樣方的地形因子、凋落物量對各層土壤有機(jī)C和全N含量的影響，統(tǒng)計分析在JMP統(tǒng)計軟件中進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1土壤有機(jī)C和全N含量統(tǒng)計特征及正態(tài)性檢驗

石櫟-青岡常綠闊葉林0—30cm層土壤有機(jī)C含量平均值為18.61 g/kg，均值范圍為9.53—39.40 g/kg，其中0—10cm層為9.63—62.09 g/kg，10—20cm層為9.66—39.67 g/kg，20—30cm層為7.33—32.62 g/kg。0—30cm層土壤全N含量平均值為1.63 g/kg，均值范圍為0.73—3.32 g/kg，其中0—10cm層的為0.65—4.29g/kg，10—20cm層為0.74—3.37g/kg，20—30cm層為0.36—2.87g/kg(表2)。0—30cm層土壤有機(jī)C和全N含量的變異系數(shù)分別為30.68%和29.45%，均達(dá)到了中等強(qiáng)度變異。土壤有機(jī)C的變異系數(shù)隨著土層深度增加而減小，全N的變異系數(shù)在10—20cm層最小(表2)。

K-S正態(tài)性檢驗結(jié)果表明，20—30cm層和0—30cm層的土壤有機(jī)C含量數(shù)據(jù)為非正態(tài)分布，全N含量為正態(tài)分布。經(jīng)域法檢驗，土壤有機(jī)C(0—30cm)樣本中沒有特異值，全N(0—30cm)中有一個特異值，用正常最大值3.00g/kg代替。0—10cm層有機(jī)C樣本中有1個特異值，用正常最大值43.05g/kg代替；10—20cm層有機(jī)C樣本中有1個特異值，用正常最大值33.51 g/kg；20—30cm層有機(jī)C樣本中有2個特異值，用正常最大值29.31 g/kg代替。0—10cm層全N的樣本中有1個特異值，用正常最大值3.81g/kg代替；10—20cm樣本中有1個特異值，用正常最大值3.02 g/kg；20—30cm樣本中有2個特異值，用正常最大值2.74 g/kg代替。對數(shù)轉(zhuǎn)換后，土壤有機(jī)C數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布(表2)，可進(jìn)行空間變異的地統(tǒng)計分析。

表2 土壤有機(jī)C和全N含量 的統(tǒng)計特征(n=100)

3.2土壤有機(jī)C和全N含量的空間異質(zhì)性分析

半方差分析中樣本間距h為最大采樣間距的1/2或1/3內(nèi)才具有統(tǒng)計意義，同時步長要求不小于最小采樣間距[26]。本研究中樣本間距h的變化范圍取最大間距的1/2，為63.71m，步長取最小間距，為7.8m。10—20cm層、0—30cm層的有機(jī)C含量的半方差函數(shù)符合球狀模型，0—10cm層和20—30cm層有機(jī)C符合指數(shù)模型(圖2)。全N含量的半方差函數(shù)各土層均符合高斯模型(圖3)。不同土層的土壤有機(jī)C和全N的空間自相關(guān)范圍差異較大(表3)，變程為89.720—365.700m。土壤有機(jī)C比全N具有較大的空間異質(zhì)性尺度，可能是因為闊葉林內(nèi)樹種較多(如闊葉樹、針葉樹和竹林)，在小尺度范圍內(nèi)影響土壤有機(jī)C和全N的分布。

圖2 土壤有機(jī)C半方差函數(shù)理論模型Fig.2 Semivariograms models of soil organic C concentrations

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)C塊金值與基臺值的比值為0.300—0.417(表3)，表明土壤有機(jī)C由隨機(jī)因素引起的空間異質(zhì)性占總空間異質(zhì)性的30.0%—41.7%，主要表現(xiàn)在7.8m以下的小尺度上；由空間自相關(guān)引起的空間異質(zhì)性占總空間異質(zhì)性的58.3%—70.0%，主要表現(xiàn)在7.8—365.700m的中尺度范圍內(nèi)。全N塊金值與基臺值的比值為0.342—0.441(表3)，表明全N由隨機(jī)因素引起的空間異質(zhì)性占總空間異質(zhì)性的34.2%—44.1%，主要表現(xiàn)在7.8m以下的小尺度上；由空間自相關(guān)引起的空間異質(zhì)性占總空間異質(zhì)性的55.9%—65.8%，主要表現(xiàn)在7.8—110.678的中尺度范圍內(nèi)。石櫟-青岡常綠闊葉林土壤有機(jī)C和全N含量具有中等程度的空間自相關(guān)性(表3)。

圖3 土壤全N半方差函數(shù)理論模型Fig.3 Semivariograms models of total soil N concentrations

土層/cmSoildepth指標(biāo)Items模型Model塊金值Nugget(C0)基臺值Sill(C0+C)塊金值/基臺值(C0)/(C0+C)變程/mRange(A0)R2殘差平方和(RSS)分維數(shù)Fractaldimension(D)0—10土壤有機(jī)C(SOC)指數(shù)模型Exponentialmodel37.300109.2100.342365.7000.87447.1001.887全NTotalN高斯模型Gaussianmodel0.2270.5150.44194.3970.9932.065×10-41.81610—20土壤有機(jī)C(SOC)球狀模型15.70056.0800.300181.2000.84730.6001.835全NTotalN高斯模型0.1250.3190.392102.7110.9634.015×10-41.79520—30土壤有機(jī)C(SOC)指數(shù)模型0.0580.1390.417258.9000.8381.355×10-41.895全NTotalN高斯模型0.1230.3600.342110.6780.9428.152×10-41.772平均Average土壤有機(jī)C(SOC)球狀模型0.0420.1320.318170.5000.9227.975×10-41.846全NTotalN高斯模型0.1090.3180.34389.7200.9822.897×10-41.744

在半方差函數(shù)分析的基礎(chǔ)上，各向同性的分維數(shù)分析結(jié)果表明，石櫟-青岡常綠闊葉林土壤有機(jī)C和全N含量具有很好的分形特征(表3)。土壤指標(biāo)抽樣分隔距離和變異函數(shù)值的雙對數(shù)曲線具有較高的線性關(guān)系。土壤有機(jī)C的分形維數(shù)為1.835—1.895，土壤全N的分維數(shù)為1.744—1.816，土壤有機(jī)C的分維數(shù)均比全N的分維數(shù)大，表明土壤有機(jī)C的空間依賴性強(qiáng)，具有良好的結(jié)構(gòu)性。兩者空間格局存在局部變異，土壤有機(jī)C的空間格局比全N略為復(fù)雜。

3.3 土壤有機(jī)C和全N的空間分布格局

基于Kriging插值法得到石櫟-青岡常綠闊葉林土壤有機(jī)C(圖4)和全N的空間分布格局(圖5)。土壤有機(jī)C和全N呈明顯的條帶狀和斑塊狀的梯度變化，在一些小樣地內(nèi)為相似的空間分布格局，說明在某些小尺度下兩者的空間關(guān)聯(lián)性較好。土壤有機(jī)C和全N的高值均出現(xiàn)在海拔較低的溝谷及小洼地，低值則出現(xiàn)在山脊地帶。

圖4 石櫟-青岡常綠闊葉林土壤有機(jī)C含量的空間分布格局Fig.4 Spatial distribution of soil organic C in the Lithocarpus glaber-Cyclobalanopsis glauca forest

3.4 土壤有機(jī)C和全N含量變異的影響因素

土壤有機(jī)C含量與海拔、凸凹度呈負(fù)相關(guān)，但未達(dá)到顯著水平(表4)。土壤全N含量與海拔呈負(fù)相關(guān)，10—20cm層達(dá)到極顯著水平，其它土層相關(guān)性不顯著；土壤全N含量與凹凸度呈負(fù)相關(guān)，0—10cm層和0—30cm層均值達(dá)到顯著水平(表4)。表明低海拔、洼地土壤有機(jī)C和全N含量較高，與Kriging插值的空間分布格局一致。土壤各層有機(jī)C含量與凋落物量均呈極顯著正相關(guān)(表4)。土壤全N含量與凋落物量呈正相關(guān)， 10—20cm層及20—30cm層達(dá)到顯著水平(表4)。可見，土壤有機(jī)C量受凋落物量的影響較大，明顯受林分樹種組成的影響，而土壤全N含量受地形因子影響較大，表現(xiàn)出淋溶的特性。土壤有機(jī)C和全N含量與樣地內(nèi)的樹木株數(shù)呈負(fù)相關(guān)，但不顯著；10—20cm土壤有機(jī)C含量與物種數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，0—30cm土壤有機(jī)C含量與物種數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。全N含量與物種數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但不顯著(表4)。

表4 土壤有機(jī)C、全N含量與地形因子、凋落物量及植物因子之間的相關(guān)系數(shù)

*表示影響顯著(P<0.05)，**極顯著(P<0.01)

圖5 石櫟-青岡常綠闊葉林土壤全N含量的空間分布格局Fig.5 Spatial distribution of total soil N in the Lithocarpus glaber-Cyclobalanopsis glauca forest

4 討論

土壤養(yǎng)分的空間變異無論是區(qū)域尺度還是中小尺度，都普遍存在[29]。本研究中，石櫟-青岡常綠闊葉林土壤有機(jī)C和全N含量均為中等程度變異，隨著土壤深度的增加而呈現(xiàn)出減小的趨勢，土壤表層的變異比下層更加明顯。土壤有機(jī)C的空間變異程度較大于全N的變異程度。本研究樣地中的土壤有機(jī)C含量平均值(18.61 g/kg)，低于亞熱帶平原湖區(qū)(25.10 g/kg)[30]，但略高于亞熱帶紅壤低山地區(qū)(17.75 g/kg)。土壤全N含量平均值(1.63g/kg)略低于浙江天童山(3.21 g/kg)[31]以及古田山(2.04 g/kg)[32]。本研究對象為常綠闊葉林，但在丘陵區(qū)微地形及某些小生境內(nèi)有針葉樹種、落葉樹種和竹類多種植物，多種植物的不均勻分布引起土壤養(yǎng)分含量空間變異。這與天童山常綠闊葉林[31]、帽兒山水曲柳人工林[11]和喀斯特森林[9,33]土壤養(yǎng)分變異性的研究結(jié)果較為一致。本研究中，土壤有機(jī)C和全N含量的空間變異性，可能對森林群落的樹種組成及其相關(guān)的生態(tài)功能過程產(chǎn)生一定的影響[32]。

土壤有機(jī)C半方差函數(shù)模型為球狀模型和指數(shù)模型，變程為170.500—365.700m，全N半方差函數(shù)模型為高斯模型，變程為89.720—110.678m，較好反映了土壤養(yǎng)分的空間分布特征。有機(jī)C的空間自相關(guān)范圍大于全N的空間自相關(guān)范圍，說明石櫟-青岡常綠闊葉林土壤養(yǎng)分空間變異特征是結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性因素共同作用于有機(jī)C和全N的結(jié)果[9,33]，包括小尺度的空間變異、樹種組成和凋落物養(yǎng)分歸還量對土壤養(yǎng)分的影響[29]。本研究林分內(nèi)土壤有機(jī)C和全N的空間分布特征均表現(xiàn)出中等程度的空間自相關(guān)性。土壤養(yǎng)分有效性各異的斑塊在空間上呈鑲嵌分布，隨著時間的變化，從而影響植物之間的相互作用和物種共存[9]。土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性受地形因子和群落樹種組成的影響[33]。本研究中，海拔與土壤有機(jī)C、全N呈負(fù)相關(guān)，凹凸度與全N含量呈顯著負(fù)相關(guān)，凋落物量與土壤有機(jī)C呈極顯著正相關(guān)，與全N含量相關(guān)性未達(dá)到顯著水平，物種數(shù)與有機(jī)C呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。說明影響土壤有機(jī)C和全N空間分布的因素較為復(fù)雜[15,31- 33]。海拔和凹凸度調(diào)控光照、降水的空間再分配、土層厚度及局部小氣候[34]，本研究樣地中，土壤全N受凹凸度的影響較大，且同一海拔梯度洼地的全N含量明顯高于山脊，因為地形影響地表徑流，進(jìn)而對養(yǎng)分起到淋溶和匯聚作用，山脊和坡面的養(yǎng)分(N)容易被淋失帶走，因此土壤N的空間異質(zhì)性反映了N的淋溶特征。一些研究表明土壤有機(jī)C含量與凹凸度有關(guān)[32]，但本研究中土壤有機(jī)C含量與海拔、凹凸度呈負(fù)相關(guān)，但未達(dá)到顯著水平，可能是因為林下凋落物積累有利于土壤有機(jī)質(zhì)形成，維持了土壤有機(jī)C含量。石櫟-青岡常綠闊葉林的林分密度大，樹種組成豐富，地上凋落物和地下細(xì)根周轉(zhuǎn)在林分空間尺度上存在異質(zhì)性，導(dǎo)致土壤有機(jī)C的空間變異，隨著土壤深度增加，土壤有機(jī)C含量變異性減少，更說明了凋落物是影響土壤有機(jī)C的重要因素。

亞熱帶常綠闊葉林生產(chǎn)力高，植物生物作用強(qiáng)烈，旺盛的生物積累過程是土壤養(yǎng)分形成和維持的基礎(chǔ)，而土壤養(yǎng)分的空間變異反過來又會作用于植物的生長發(fā)育及空間分布[33]。研究亞熱帶常綠闊葉林的土壤養(yǎng)分空間變異特征，對于維持區(qū)域C平衡和提高C匯功能有著積極作用。結(jié)合土壤養(yǎng)分與樹種之間相互作用機(jī)理，揭示植物空間分布格局和物種共存機(jī)理將是今后的重點研究方向。

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SpatialheterogeneityofsoilorganiccarbonandtotalnitrogenconcentrationsinaLithocarpusglaber-Cyclobalanopsisglaucaevergreenbroadleavedforest

YANG Dan1,2, XIANG Wenhua1,3,*, FANG Xi1,2,3, FAN Gangwei1,2, XU Yuqing1,2, WEN Li1,2, ZOU Limei1,2

1FacultyofLifeScienceandTechnology,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China2NationalEngineeringLaboratoryofAppliedTechnologyforForestry&EcologyinSouthernChina,Changsha410004,China3HuitongNationalFieldStationforScientificObservationandResearchofChineseFirPlantationEcosysteminHunanProvince,Huitong438107,China

Subtropical evergreen broadleaved forests play an important role in regional carbon balance and sustainable development owing to their highest productivity, diverse ecosystem functions and complex habitat for abundant biological diversity in southern China.Spatial heterogeneity of soil nutrients in subtropical forests can provide useful information for understanding the spatial pattern of plants and for explaining to some extent, coexistence mechanism of diverse tree species.To investigate spatial variations in soil nutrients and the causes of the variations, soil samples at 0—10 cm, 10—20 cm and 20—30 cm depth were collected at the center of each 10 m×10 m quadrat within 1 hectare permanent plot ofLithocarpusglaber-Cyclobalanopsisglaucasubtropical evergreen broadleaved forest.Soil organic C and total nitrogen (N) concentrations were determined for all samples.Based on regional variable theory and spatial analysis functions of GS+Version 9, spatial heterogeneity of soil organic C and total N concentrations was examined by using semivariogram of geostatistics.The results showed that averaged soil organic C concentration was 18.61 g/kg, ranging from 9.53 to 39.40 g/kg, and the average value of total N concentration was 1.63 g/kg with a range between 0.73 and 3.32 g/kg.Theoretical semivariogram model of soil organic C approached spherical model while the best semivariogram model of total N was close to Gaussian model.The spatial variability of soil nutrient primarily resulted from the structural factors and the spatial heterogeneity degree of those indices was moderate.Fractal dimensions from log-log semivariograms quantitatively described spatial pattern differences and scale dependence of the soil organic C and total N.Fractal dimension was high for soil organic C, so soil organic C spatial structure had strong scale dependence with a complex spatial pattern.Kriging was used to analyze the spatial distribution of soil nutrients.Spatial distribution patterns of soil organic C and total N concentrations similarly revealed an apparent belt-shaped and spot massive gradient change.Within the plot, soil organic C concentration was negatively correlated with topographic factors (i.e.elevation and convexity), but the relationship was not significant.Soil organic C showed very significantly a positive relationship with litter biomass.Total soil N concentration exhibited a significant negative relationship with topographic factors, however, positive relationship was found between total soil N and litter, indicating leaching characteristics of soil N.Spatial variations in soil organic C and total N highlight the importance of vegetation and litter protection in the hilly area of subtropical China.

geostatistics; soil organic carbon; soil nutrient; spatial heterogeneity; subtropical region; evergreen broadleaved forest

國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)專項項目(201304317)；國家自然科學(xué)基金資助項目(31170426)

2014- 01- 23;

2014- 04- 23

10.5846/stxb201401230170

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xiangwh2005@163.com

楊丹，項文化，方晰，樊綱惟，許玉慶，文麗，鄒麗梅.石櫟-青岡常綠闊葉林土壤有機(jī)碳和全氮空間變異特征.生態(tài)學(xué)報,2014,34(12):3452- 3462.

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