川西米亞羅亞高山原始暗針葉林土壤微量元素的空間變異性分析

熊 凱，趙玉娟，陳健，張運，趙廣東＊，楊洪國，史作民,4，許格希

(1.中國林業科學研究院森林生態環境與自然保護研究所，國家林業和草原局森林生態環境重點實驗室，北京 100091；2.四川米亞羅森林生態系統定位觀測研究站，四川 理縣 623100；3.中國林業科學研究院生態保護與修復研究所，北京 100091；4.南京林業大學南方現代林業協同創新中心，江蘇 南京 210037)

微量元素作為森林土壤的組成成分，為森林生物生長提供了必不可少的營養，其對森林生物的重要作用有時甚至超過了大量元素[1]。在成土母質[2]、表生地球化學作用[3]和人為干擾[4]等多種因素的共同作用下，土壤微量元素的含量和空間分布在一定區域、尺度與時間內具有高度的空間異質性[5-6]。研究表明，土壤母質、氣候以及地形等結構性因素能夠增強土壤性質的空間自相關性，而試驗誤差、取樣設計以及人為干擾等隨機因素會降低土壤性質的空間自相關性[7]。認識并掌握土壤微量元素的空間變異特征是開展土壤環境質量評價的重要前提[8]。

地統計學以傳統統計學為基礎，以變異函數為主要工具，能夠有效揭示屬性變量在空間上的分布特征及其變異性[9-11]，已被證明是分析土壤特性空間分布特征及其變異性最有效的方法之一[12-13]。運用地統計學等理論和方法，我國已經進行的土壤微量元素變異特征研究集中在農田[9,14-15]、煙草種植區[16]、草地[17]，而森林土壤主要圍繞碳、氮、磷、鉀等大量元素開展[7,18-19]。位于青藏高原東南緣的川西亞高山林區是我國西南林區的主體和長江上游重要的水源涵養地與生態屏障，同時是四川省“四區八帶多點”生態安全戰略格局的重要組成部分，該林區原有的主要森林類型是以岷江冷杉（Abies fargesiivar.faxoniana（Rehder &E.H.Wilson）Tang S.Liu）為優勢種的亞高山原始暗針葉林[20]。亞高山岷江冷杉原始林土壤有機層的Zn、Mg、Mn 和Ca 含量顯著高于礦質土壤層，Fe 含量則相反，而土壤有機層和礦質土壤層Na 含量的差異不顯著[21]；同為寒溫性針葉林的祁連山青海云杉（Picea crassifoliaKom.）林不同土層有效微量元素平均含量大小順序為Fe >Mn >Cu >B >Zn，并且具有明顯的“表聚效應”[22]。目前，尚未有亞高山原始暗針葉林土壤微量元素全量空間變異特征的相關報道。

本文以川西米亞羅亞高山原始暗針葉林9.6 hm2動態樣地表層0～10 cm 土壤為研究對象，通過野外采樣和實驗室分析，運用經典統計學和地統計學相結合的方法，分析了土壤微量元素Fe、Mn、Cu、Zn 全量的富集程度、空間格局及其變異性，研究結果可為川西亞高山林區的土壤環境質量評價、區域生態環境保護和生物多樣性維持機制以及四川省“四區八帶多點”生態安全戰略格局的構建等提供基礎數據和科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究地點位于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣的米亞羅省級自然保護區（31° 11′～31° 47′ N，102° 35′～103° 31′ E），海拔2458～4619 m，屬于青藏高原東緣與四川盆地的過渡地帶。年平均氣溫2.7℃，年均降水量約850 mm，多集中在生長季[23]。

“我們有一個同學是熊……熊老的孫子，就我這些天老上他們家……學習的那個?！贝藭r，我已經意識到熊老肯定不簡單。要知道，在科學院混上“老”字可不容易，那是只有華羅庚之類的人才能享用的。

在地統計學分析前對各土壤微量元素數據進行One sample Kolmogorov -Smirnov Test 正態分布檢驗[26]，以減少數據的比例效應。若數據不符合正態分布，則對數據進行正態分布轉換。通過半方差理論變異函數r（h）計算獲取半方差值隨滯后距h增加而變化的散點圖[28]，采用指數模型、球狀模型、高斯模型等對散點圖進行擬合。根據決定系數（R2）與殘差平方和（RSS）的大小判斷模型擬合能力[29]。

1.2 研究方法

川西米亞羅亞高山原始暗針葉林動態樣地的海拔從西南角原點至東北角逐漸升高。在海拔最高的動態樣地東北角，因巖石的裸露率高，導致土壤中原生礦物的含量豐富，進而造成了該區域土壤微量元素的含量較高。動態樣地西北部區域的垂直海拔落差大，地勢陡峭，雨水沖刷加劇了巖石的裸露程度，從而形成了土壤Fe、Mn、Cu 的小范圍高值分布帶；而動態樣地西側的低海拔區域土層較厚，巖石淋溶使土壤表層原生礦物向土壤深層次遷移或側向流失，導致了土壤Mn、Cu 含量具有強烈的空間自相關性，形成了土壤Mn、Cu 含量的低值分布區。該動態樣地內整體海拔落差較大，不同的地形條件使局部微環境特征存在明顯不同，進而導致土壤元素的分解及循環過程存在差異[26,28]。土壤微量元素在較大尺度上因巖石裸露、淋溶等因素呈現高海拔區域富集，在較小尺度上由于海拔落差等地形因素的影響呈現明顯的空間自相關性，而且土壤微量元素Fe、Mn、Cu、Zn 含量空間自相關的尺度效應存在明顯不同，這說明土壤的空間異質性可能同時受到地形、氣候等多種環境因子的影響[17]。

1.3 數據處理

為保證數據的有效性，避免特異值使半方差函數發生畸變，將處于樣本均值加減3 倍標準差區間外的特異值剔除，再進行描述性統計分析和地統計學分析[27]。計算各微量元素數據的均值、中位數、最大值、最小值、標準差和變異系數。

2016 年7月至2019 年9月，依據美國熱帶森林研究中心（CTFS）的技術規程[24]和中國森林生物多樣性監測網絡（CForBio）的建設標準，在四川米亞羅省級自然保護區的畢棚溝（31° 14′～31° 19′ N，102° 53′～102° 57′ E）建立了1 個9.6 hm2（400 m×240 m）的亞高山原始暗針葉林動態樣地（圖1），坡向西南，平均坡度約31.07°，林分郁閉度0.5～0.7?；?019 年樣方調查數據，岷江冷杉為該動態樣地的建群種，優勢喬木包含岷江冷杉、糙皮樺（Betula utilisD.Don）以及密枝圓柏（Juniperus convalliumRehder &E.H.Wilson）；灌木主要有峨眉薔薇（Rosa omeiensisRolfe）、紫花茶藨子（Ribes luridumHook.f.et Thoms.）、云南櫻桃（Cerasus yunnanensis(Franch.) Yü et Li）、紅脈忍冬（Lonicera nervosaMaxim.）和山光杜鵑（Rhododendron oreodoxaFranch.）等。主要草本有高山冷蕨（Cystopteris montana(Lam.) Bernh.ex Desv.）、蟹甲草（Parasenecio forrestiiW.W.Smith et Samll）、三穗薹草（Carex tristachyaThunb.）等。土壤類型主要為山地棕壤，石礫含量較多。

對川西米亞羅亞高山原始暗針葉林土壤微量元素Fe、Mn、Cu、Zn 含量進行半方差函數模型擬合，土壤Fe、Mn、Cu、Zn 含量均具有較好的半方差函數模型擬合結果（圖2）。表2 中模型擬合的決定系數與殘差平方和表明：土壤Fe、Mn、Cu、Zn 含量均采用指數模型描述時，模型的擬合程度最高；土壤Fe、Mn、Cu、Zn 含量的塊基比值介于0.08～0.50，土壤Mn、Cu 含量的塊基比值均低于0.25，二者在研究尺度上呈強烈程度的空間自相關性，土壤Fe、Zn 含量的塊基比值介于0.25～0.75，存在中等程度的空間自相關性。土壤Fe、Mn、Cu、Zn 含量分別在255.0、26.7、18.3、511.8 m 范圍內呈空間自相關。

2 結果與分析

2.1 土壤微量元素的描述性統計分析

川西米亞羅亞高山原始暗針葉林土壤Fe 含量均值為17.22 g·kg?1，Mn、Cu、Zn 含量均值分別為423.09、4.33、47.91 mg·kg?1，土壤微量元素Fe、Mn、Cu、Zn 含量的差異較大，Fe 含量最高，Cu 含量最低。土壤Fe、Mn、Cu、Zn 含量的變異系數為29.76%～63.84%，Mn 含量的變異系數最高，達63.84%，而Fe 含量的變異系數最低，為29.76%。Fe 含量服從正態分布，Mn、Cu、Zn 含量服從對數正態分布。變異系數（CV）反映了土壤性質的離散程度，依據變異系數判斷土壤性質變異程度的標準為：CV<10%為弱變異，10% ≤CV≤ 100%為中等變異，CV>100%為強變異[30]。本研究中，土壤微量元素Fe、Mn、Cu、Zn 含量均呈中等程度的變異（表1）。

川西米亞羅亞高山原始暗針葉林土壤Fe、Mn、Cu、Zn 含量的空間分布格局存在一定的差異性（圖3）。土壤Fe 含量的低值主要分布在動態樣地的西側，高值主要分布在動態樣地的東側，呈大面積團聚狀，并在動態樣地的西北角有小范圍分布。土壤Mn、Cu 含量的空間分布格局相似，低值多分布在動態樣地的西側，高值主要分布在動態樣地的東側，并呈不規則斑塊狀。土壤Zn 含量的低值分布在動態樣地的西側，高值分布在動態樣地的東側，其空間分布較簡單，連續性較強。

表1 土壤Fe、Mn、Cu、Zn 含量的描述性統計特征Table 1 The descriptive statistical characteristics of soil Fe,Mn,Cu,Zn content

2.2 土壤微量元素的空間異質性特征

土壤微量元素含量數據的描述性統計分析、半方差理論函數分析分別在SPSS 20.0、GS+9.0 軟件中完成，結合土壤采樣點在動態樣地中的位置，通過R 3.6.0 軟件中的gstat 程序包實現對各土壤微量元素的Kriging 插值。使用SPSS 20.0 的Pearson 相關性分析輸出土壤微量元素與土壤pH、SOC、TN、TP、TK 之間的相關結果，土壤的相關性分析使用未剔除特異值的微量元素原始數據進行計算。

圖2 土壤Fe、Mn、Cu、Zn 含量的半方差函數曲線Fig.2 Semivariograms map of soil Fe,Mn,Cu,Zn content

2.3 土壤微量元素的空間分布格局

例如，“觀光游玩”指設施園藝景觀可以給游客提供一些游玩的場所，游客可以進行一些親子活動，一起觀光，欣賞美景；“娛樂放松”是指可以通過一些當地的民風展示和娛樂設施等讓人們放松身心；“健康休閑”是讓游客能夠在閑暇的假期擁抱大自然，享受休閑的時光，品嘗綠色、無公害的蔬菜水果；“體驗樂趣”是指景區內會開展一些體驗式活動，如體驗園林師修建花草樹木，創造一種體驗式的家庭庭院；“感悟生活”是指人們可以自己參與到瓜果蔬菜的種植過程中或者體驗果蔬的采摘過程，感受勞動人民的生活，重拾勞動生活的樂趣。

圖3 土壤Fe、Mn、Cu、Zn 含量的空間分布格局Fig.3 The spatial distribution pattern of soil Fe,Mn,Cu,Zn content

2.4 土壤微量元素與土壤pH 和養分的相關性

川西米亞羅亞高山原始暗針葉林土壤微量元素與土壤pH 和養分的相關性分析結果（表3）表明：土壤微量元素與土壤pH 和養分多數呈顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）相關；其中，TP與Cu 的相關系數最大（0.60），SOC 與Mn 的相關系數最小（0.07）；土壤Fe、Mn、Cu 均與土壤SOC、TN、TP 呈顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）正相關，但三者與土壤TK 均呈顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）負相關；土壤Fe、Mn、Zn 與土壤pH 均呈極顯著正相關（P<0.01）。此外，土壤Zn 與TN、TP 均呈極顯著正相關（P<0.01）。

表3 土壤Fe、Mn、Cu、Zn 與pH、SOC、TN、TP、TK 的相關性分析 Table 3 The correlation analysis of soil Fe,Mn,Cu,Zn with pH,SOC,TN,TP,TK（n=805）

3 討論

3.1 土壤微量元素含量的基本特征

依據全國土壤環境質量標準，川西米亞羅亞高山原始暗針葉林的土壤Cu、Zn 含量在土壤環境質量標準一級標準的范圍內[31]。川西米亞羅亞高山原始暗針葉林土壤Cu、Zn 含量均低于亞熱帶甜儲（Castanopsis eyrei（Champ.ex Benth.）Tutch.）天然林（36.29、74.12 mg·kg?1）與川西滇北地區箭竹-冷 杉（Fargesia spathaceaFranch.-Abies fabri（Mast.）Craib）林（12、72 mg·kg?1），土壤Mn 含量高于亞熱帶甜儲天然林（143.38 mg·kg?1）與川西滇北地區箭竹-冷杉林（13 mg·kg?1），土壤Fe 含量遠高于研究區其它微量元素的含量，與亞熱帶甜儲天然林土壤基本持平[32-33]。總體來說，川西米亞羅亞高山原始暗針葉林土壤微量元素含量基本特征與相近緯度的亞熱帶天然林及川滇天然林等森林類型存在一定的差異[32-33]，相對于亞熱帶天然林和川滇天然林，動態樣地的土壤Cu、Zn 含量相對較低，Fe、Mn 含量相對較高。研究區內土壤類型屬于石礫含量較多的山地棕壤，其中包含豐富的含鐵原生礦物[21]，這可能是導致川西米亞羅亞高山原始暗針葉林土壤Fe 含量較高的主要原因。該動態樣地內地形復雜，整體海拔落差較大，且有多處陡坡造成土壤堆積，雨水沖刷等因素造成了Cu、Zn 元素的淋溶現象明顯，致使土壤中碳酸鹽及金屬氧化物向土層深處遷移，這可能是造成動態樣地表層土壤Cu、Zn 含量較低的原因。

3.2 土壤微量元素含量的空間異質性

塊金值（C0）、基臺值（C0+C）和變程（A）反映了各土壤微量元素的空間自相關性強弱程度以及空間自相關范圍。塊金值（C0）與基臺值（C0+C）的比值即塊基比值在<0.25、0.25～0.75、>0.75 的范圍，分別反映了土壤微量元素強、中、弱的空間自相關程度[30]。川西米亞羅亞高山原始暗針葉林土壤Mn、Cu 含量的塊基比值小于0.25，表明二者具有強烈的空間自相關性，在空間尺度上主要受結構性因素主導，這可能是由于山地棕壤中所含黃銅礦等礦物的分布不均以及動態樣地內的復雜地形而引起。土壤Mn、Cu 含量具有較小的變程和較大的變異系數，表明結構性因素造成了Mn、Cu 含量的復雜空間結構，進而呈現出明顯的空間變異性。土壤Fe、Zn 含量的塊基比值表明，它們在研究尺度上具有中等程度的空間自相關性，其空間變異特征受到隨機因素和結構因素的綜合作用。土壤Fe、Zn 含量具有較大的變程，表明二者的空間自相關范圍較大，且二者的變異系數較小，表明其空間分布格局較連續。

2019 年8月，參考CTFS 的土壤采樣方案[25]，以川西米亞羅亞高山原始暗針葉林9.6 hm2動態樣地每個20 m×20 m 樣方4 個頂角的鍍鋅方管樣樁為基點，從東、東南、南、西南、西、西北、北、東北共8 個方向中隨機選1 個方向向外延伸采集土壤樣品，若基點處于樣地邊界，則該基點的延伸方向只從5 個方向中隨機選取，使所有采樣點均位于動態樣地內，在延伸方向上距離基點2、5、8 m 處隨機選取2 處作為土壤的延伸采樣點[26]。清除各延伸采樣點和基點處土壤表層枯落物和腐殖質等雜質后，使用直徑5 cm 土鉆采集表層0～10 cm 土壤樣品約300 g，共計819 個。土壤樣品進行自然風干、碾磨、過100 目篩等預處理。2019 年10月至2020 年1月，采用IRIS IntrepidⅡXSP 等離子發射光譜儀（Thermo Electron,Waltham,USA）測定土壤Fe、Mn、Cu 和Zn 含量。

土壤pH 和有機質是導致土壤其它性質產生變異的重要原因[19]。本研究中，土壤pH 與土壤Fe、Mn、Zn 呈極顯著正相關（P<0.01），SOC 與Fe、Mn、Cu 呈顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）正相關。研究表明，土壤中微量元素的有效態含量與土壤pH、有機質之間關系密切[34-35]，土壤中水溶性和交換性的Fe、Mn、Zn 元素都會隨著土壤pH 的變化而發生不同程度地轉化，固定成難溶的各種次生礦物或分解為其它形態，而且土壤微量元素含量還與土壤有機質含量相關，較高水平的有機質含量可能會導致微量元素隨之升高[36-37]，這可能是土壤pH、SOC 與土壤微量元素之間存在普遍的顯著相關的重要原因。土壤有機質是土壤TN、TP 等養分的重要來源，而且土壤有機質與SOC 之間存在線性正相關[19]，土壤TN、TP 與SOC 之間的密切關系間接導致了土壤微量元素Fe、Mn、Cu、Zn 與TN、TP 之間的普遍顯著相關。研究表明，全鉀的空間分布主要受到地形與成土母質等因素的影響[38]。本研究中，動態樣地內垂直海拔落差較大的區域表層土壤覆蓋較少，巖石裸露率較高，SOC 含量較低，但以原生礦物形態存在的礦物態鉀廣泛分布于巖石裸露率較高地形的土壤粗粒中，而礦物態鉀占TK 含量的90%以上，由此導致TK 含量與SOC 呈顯著負相關，從而間接使TK 與土壤微量元素主要呈顯著負相關。

3.3 土壤微量元素與土壤pH 和養分的相關性

選擇和使用時，明確圖畫書是與課文、其他文學作品不同的課程資源，嘗試用同一個圖畫書文本應用于不同的課程計劃。

在水平方向x處任取一微體單元，長dx，為簡單起見，不考慮微體單元自重及外荷載作用，微體單元承受均勻內力N，底部承受水平剪力Q。由平衡方程∑Fx=0得：

4 結論

（1）川西米亞羅亞高山原始暗針葉林土壤微量元素Fe、Mn 含量豐富，Cu、Zn 含量較低。

3）切實提升調和油技術的應用水平。目前，船用低硫燃油的生產加工方式有3種：一是通過加工低硫原油生產低硫重質燃料油；二是調和加工低硫燃油；三是煉廠增投渣油加工裝置生產低硫燃油。整體來看，調和加工方式的產品是未來幾年船用低硫燃油的主要來源，通過將低硫原料和高硫原料按規定比例調兌，生產出符合國際海事組織要求的低硫燃油。這種方式最為簡單和直接，也是新加坡作為全球船舶加油中心的核心優勢之一。某種意義上，調和技術水平的高低不僅決定了燃油質量，也體現了船供油公司核心競爭力的高低。船供油公司應加強調和技術的經驗積累和研發，努力在調和技術上取得領先和突破。

（2）土壤微量元素Fe、Mn、Cu、Zn 均屬于中等程度變異，各土壤性質的空間分布表現出明顯的空間自相關特征。土壤Mn、Cu 呈現強烈程度的空間自相關性，土壤Fe、Zn 呈現中等程度的空間自相關性。

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（3）除土壤Cu與pH及土壤Zn與SOC、TK不顯著相關（P>0.05）外，其它土壤性質之間均呈顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）相關，說明土壤微量元素Fe、Mn、Cu、Zn 與土壤pH、SOC、TN、TP、TK 的顯著相關關系較為普遍。