太岳山植物群落土壤養分空間異質性及其對植被分布的影響

趙倩， 李婷婷， 張欽弟

山西師范大學生命科學學院， 山西 臨汾 041000

土壤是植被賴以生存的基礎和前提[1，2].土壤養分狀況是植物營養的主要來源.由于受到地形、氣候、原土母質等多方面因素的影響[3]，土壤養分在空間分布上存在一定差異，并且由于植被對土壤資源的偏好利用和生態位的分化[4]，使得土壤養分的組成和空間分布差異可以直接影響和調控植被的物種組成、群落構建和生物量格局[5，6].因此，研究土壤養分的空間分異特征，不僅可以進一步了解土壤的養分組成和分布規律[7]，還可以闡明植被與土壤養分之間的關系，為生態系統植被恢復提供合理化建議.

太岳山是山西省最大的國家級森林公園，其野生動植物豐富，種類繁多.為合理保護該區的自然資源，近年來已有許多學者對該區的植被及土壤條件進行研究，如張甍等研究了太岳山植被的空間隨海拔的空間格局分析[8]；馬曉勇等研究了太岳山群落的物種多樣性[9].而該區土壤養分的空間異質性及其對植被分布的影響研究卻相對較少，本文采取典型的地統計學方法——半方差函數來研究該區土壤養分的空間分布差異，并通過典范對應分析表征典型植被與土壤養分分布的相關關系，為太岳山植被多樣性保護和資源恢復提供科學依據.

1 研究地概況和研究方法

1.1 研究地概況

太岳山國家級森林公園位于山西腹地，動植物資源豐富，是山西省最大的國家級森林公園.研究樣地選取太岳山南端山脈興唐寺林場(111°40′～ 112°21′E，36°21′～36°45′N)，海拔范圍600 m～1 450 m.屬暖溫帶季風氣候，雨熱同期，年平均氣溫為9.3 ℃～12.3 ℃，年降水量約500 mm～700 mm[10].樣地內主要物種包括：遼東櫟(Quercuswutaishanica)、白樺(BetutaplatypHylla)、油松(Pinustabuliformis)、鵝耳櫪(Carpinusturczaninowii)、色木槭(Acermono)和野山楂(Cartaeguscuneata)[6].

1.2 樣地布置和土樣采集

2014年7月，在太岳山保護區興唐寺林場內進行實驗調查和取樣.選擇具有代表性的林地(海拔1 747.1 m～1 873 m)建立一個4×104m2的固定監測樣地.并用全站儀(GTS-102N, Topcon Corporation, Tokyo, Japan)將樣地劃分成100個20 m×20 m的小樣方，在每個小樣方按照五點取樣法采集土樣[6].具體采集方法為0 m～0.6 m內每0.2 m進行一次土壤樣品的采集，最后將分層土樣按1∶1∶1均勻混合，用以土壤元素的測定，土壤元素的測定采用袁楠[11]的方法，測定如下指標.

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

1.3 數據處理

1.3.1 半方差函數

由于土壤養分描述性統計只能說明養分含量的基本狀況，無法明確土壤養分在空間結構上的隨機性、相關性和獨立性[12]，因此需要采取地統計學分析方法來對土壤養分含量的空間異質性進行進一步的研究[13].半方差函數是地統計學中研究土壤空間異質性的常用函數.本文采用半方差函數對該區土壤養分分布特征進行表征，為使實驗結果更加簡明清晰，在運算前對所有數據進行對數轉換[14].

其中，r(h)是半方差函數值；h為樣點間的距離叫作步長；N(h)代表樣點距離為h時的點對總數；Z(xi)和Z(xi+h)分別表示系統屬性樣點Z在位置xi和xi+h的測量值[6,15].半方差函數的運算在地統計學軟件(GS+Version 7.0)中進行.

1.3.2 典范相關分析

典范對應分析CCA(Canonical Correspondence analysis)用來表征該區植被群落與土壤養分之間的相關關系.CCA分析在軟件Canoco 4.5中完成.

2 結果

2.1 土壤養分的描述性統計

表2表示該區土壤養分的基本含量狀況.從表中可以看出，土壤pH在7.28～8.46間、有機質含量為3.79～24.6、全氮含量0.224～0.79、全磷含量0.49～2.53、堿解氮12.89～40.37、有效磷3.5～19.5、速效鉀12.23～65.90.研究發現該區各土壤元素的變異系數在27.37～56.35之間，呈現中等程度的變異，其中，變異程度最小的為pH，變異程度最大的是有機質.各土壤養分指標的變異程度排序為：有機質>速效鉀>有效磷>堿解氮>全氮>全磷>pH.

2.2 土壤養分的空間異質性

全部土壤養分指標經卡方檢驗后均滿足對數正太分布，不會影響半方差函數的精確性，其中塊金值(Co)表示土壤養分在空間分布上無法解釋的隨機性[16]，導致這種無法解釋的隨機性的原因可能是實驗誤差.基臺值(Co +C)表示研究尺度上空間變異的程度.塊基比Co /(Co +C)表示隨機性在總空間變異中所占的比例[17].一般情況下，塊基比小于25 %時，表明土壤養分各指標具有較強的空間自相關；塊基比在25 %～75 %之間時，具備中等程度的空間自相關；大于75 %則表示其自相關程度相對較弱[18].

表2 研究樣地土壤營養成分的描述性統計[6]Tab.2 Descriptive statistics of soil nutrients in study area[6]

從表3可以看出，該區各指標的塊金值都比較小，說明該區土壤養分受隨機性影響不大.土壤pH、有機質、全氮、全磷、堿解氮、有效磷的塊基比均小于25 %，說明這6種土壤因子空間自相關性強，可能是成土母質、氣候、地形等的系統變異導致的，而速效鉀塊基比高達89.25 %.其中，pH值符合高斯模型、有機質、全氮、堿解氮符合球狀模型，全磷和有效磷符合指數模型，速效鉀符合線性模型.根據決定系數R2和殘差RSS顯示，這些模型擬合程度很高[6].說明，其能較好地反映土壤養分的空間分異狀況[19].

表3 研究區土壤養分半方差函數模型及地統計學參數[6]Tab.3 Soil nutrient semivariogram function model and geostatistical parameters in study area[6]

圖1表示土壤因子半方差函數圖，除速效鉀和有機質外，其余5種土壤因子的擬合線都經過原點.并且除速效鉀外，其余土壤養分指標的半方差值均隨步長距離的增加而增大，隨后漸漸趨于平穩，這說明土壤養分各指標之間隨著空間尺度的增大，空間自相關逐漸減弱，當達到一定程度時則在保持空間上的相互獨立[20].

2.3 植被群落與土壤養分的相關性

圖2中CCA排序圖表示植被群落與土壤養分之間的相關關系.CCA排序前，對數據進行DCA(Detrended Correspondence analysis)排序分析，排序結果第一軸大于3，表明CCA排序方法更適合植被群落與土壤養分之間的相關性研究.最終分析結果表示，油松與土壤全氮和土壤中的有機質呈正相關關系，野山楂、遼東櫟和土壤有效磷、pH負相關關系，和速效鉀呈正相關關系，白樺和有效磷呈正相關關系，鵝耳櫪與土壤堿解氮呈正相關關系.

圖1 研究區土壤養分半方差函數圖
Fig.1 Semi-variance function diagram of soil nutrient in study area

3 結論和討論

(1)土壤養分的空間分異是多方面因素綜合作用的結果.充分了解太岳山土壤養分的空間分布狀況是該地區生態環境保護的前提.本文對太岳山南端山脈的土壤養分狀況進行統計性描述研究.了解到該地區土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀等均表現為中等程度的變異(27.37

(2)通過半方差函數對該區土壤養分狀況進行良好的擬合.研究發現土壤pH、有機質、全氮、全磷、堿解氮、有效磷均表現出較強的空間自相關.說明這幾種土壤因子更易受到地形、成土母質、植被凋落物堆積、氣候變化等的影響[21]，這幾種土壤因子的空間分布研究不能忽略小尺度格局對其產生的影響[22]，而速效鉀的空間自相關性較弱，說明其隨機性更大.產生隨機性的原因可能是實驗過程存在的誤差，也有可能是土壤因子的自變異導致的，而這種空間異質性可以影響植被物種的空間分布，降低物種間的資源競爭，豐富群落結構.

圖2 物種分布與土壤營養元素的CCA排序圖
Fig.2 Ordination of the species and soil nutrient factor in CCA biplot

注：遼東櫟(Quercuswutaishanica)、白樺(BetutaplatypHylla)、油松(Pinustabuliformis)、鵝耳櫪(Carpinusturczaninowii)、色木槭(Acermono)、野山楂(Crataeguscuneata)

(3)研究表明植被與土壤養分的相關關系明顯，這是由于不同植被類型對土壤資源和生長環境的偏好和生態位差異所引起的[23，24]，而土壤的空間異質性可以降低植被的空間競爭，促進物種共存.當然植被也反過來影響土壤養分的空間分布格局[25].油松主要分布在土壤全氮和有機質資源豐富的土壤中，野山楂、遼東櫟主要分布在速效鉀含量比較豐富的地區，白樺主要分布在有效磷含量豐富的地區，鵝耳櫪主要分布在土壤堿解氮豐富的地區.該結果可以為太岳山植被破壞地區(如采礦區)的生態恢復重建奠定一定的理論基礎.