溫帶云冷杉針闊混交林土壤養(yǎng)分的空間分布特征及影響因素

1、應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào) Chin J Appl Environ Biol Doi: 10.19675/ki.1006-687x.2020.08041收稿日期 Received: 2020-08-27 接受日期 Accepted: 2020-11-11國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)（2017YFC0504002）資助 Supported by the National Key R&D Program of China (2017YFC0504002)*通訊作者 Corresponding author (E-mail: haiyanwang72) 溫帶云冷杉針闊混交林土壤養(yǎng)分的空間分布特征及影響因素鄒佳何

2、1 王海燕1* 張美娜1 徐浩然2 耿 琦1 高 霞11北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院 北京 1000832吉林省汪清林業(yè)局 汪清 133200摘 要 以吉林汪清天然云冷杉針闊混交林為研究對(duì)象，基于未采伐和采伐強(qiáng)度為21.21%的2塊1 hm2樣地，測(cè)定土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)，進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析和地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，探究其土壤養(yǎng)分空間分布規(guī)律，分析采伐和土壤深度對(duì)土壤養(yǎng)分的影響。結(jié)果顯示：從變異系數(shù)看，土壤pH為弱度變異，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效磷和速效鉀均為中度變異（10.84%-89.06%）。半方差函數(shù)能較好地反映采伐樣地土壤全磷和全鉀的空間變化規(guī)律（R2=0.944-0.999），未采伐樣地全氮和有效磷

3、則擬合效果較差（R2=0.001-0.109）。采伐樣地的土壤養(yǎng)分?jǐn)M合模型的決定系數(shù)高于未采伐樣地?？傮w上，采伐樣地的土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和有效磷含量自北向南逐漸升高，而未采伐樣地則自北向南逐漸減少。土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)均隨土壤深度的增加而顯著減少；采伐與未采伐樣地的土壤pH值、全氮、全磷、全鉀和有效磷均值呈極顯著差異。林分密度與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性比郁閉度更高。本研究表明溫帶天然云冷杉針闊混交林的土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)表現(xiàn)出多為結(jié)構(gòu)因素引起中、弱度變異，呈較規(guī)律的條帶狀和斑塊狀分布，受人為因素影響較大的土壤養(yǎng)分呈破碎化空間分布。（圖2 表6 參43）關(guān)鍵詞 天然云冷杉針闊混交林；土壤養(yǎng)分；空

4、間分布特征；空間變異；影響因素Spatial distribution characteristics and influence factors of soil nutrients in temperate mixed spruce-fir coniferous and broadleaf forests*ZOU Jiahe1, WANG Haiyan1*, ZHANG Meina1, XU Haoran2, GENG Qi1 & GAO Xia11College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China

5、2Wangqing Forestry Bureau of Jilin Province, Wangqing 133200, ChinaAbstract The natural mixed spruce-fir coniferous and broadleaf forest stands of 1 hm2 with thinning (21.21%) and non-thinning (0.00%) in Wangqing, Jilin Province were selected for the determination of soil nutrients and related indic

6、ators. The descriptive statistical analysis and geostatistical analysis were carried out to explore the spatial distribution of soil nutrients. Paired-samples t-test was used to determine whether thinning intensity and soil depth had significant effects on soil nutrients, and the effects of stand de

7、nsity and canopy density on soil nutrients and related indicators were obtained using correlation analysis. Soil pH showed a weak variation, and soil organic matter, total N, total P, available P and readily available K showed a medium variation with coefficients of variation (CV) ranging from 10.84

8、% to 89.06%. The semivariogram analysis showed the highest fitting degree of the models as for soil total P and total K content in thinning plot (R2 = 0.944-0.999), and showed the lowest fitting degree of the models as for soil total N and available P content in non-thinning plot (R2 = 0.001-0.109).

9、 The determination coefficients of the fitting models for soil nutrients in the thinning plot were higher than the non-thinning plot. In general, soil pH, organic matter, total N and available P in the thinning plot increased from the north to south, but the opposite trend was observed for the non-t

10、hinning plot. Soil nutrients and related indicators significantly decreased with the increase of soil depth. The mean of soil pH, total N, total P, total K and available P in the thinning and non-thinning plots showed a significant difference. The correlation of soil nutrients with stand density was

11、 higher than that with canopy density. Overall, the soil nutrients and related indicators of the temperate natural mixed spruce-fir coniferous and broadleaf forest were mostly moderate and weak variation affected by structural factors with a regular distribution of strips and patches, while soil nut

12、rients greatly affected by human factors presented fragmented spatial distribution.Keywords natural mixed coniferous and broadleaf forest; soil nutrient; spatial distribution characteristic; spatial variation; influence factor土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤養(yǎng)分顯著影響林分生長(zhǎng)、群落組成結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)水平1。已有研究表明，即使在土壤類型和質(zhì)地均相同的區(qū)域內(nèi)，不論在大尺度

13、上還是在小尺度上，同一時(shí)刻土壤養(yǎng)分在空間上也能產(chǎn)生明顯差異，即土壤養(yǎng)分的空間變異2。土壤養(yǎng)分空間分布特征直接影響著土壤生產(chǎn)力的高低以及森林生態(tài)系統(tǒng)的平衡，研究土壤養(yǎng)分的空間分布特征及變異規(guī)律是土壤養(yǎng)分管理的基礎(chǔ)。地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法被廣泛地應(yīng)用于土壤養(yǎng)分空間分布規(guī)律的研究3，最早可見于1978年Campbell使用半方差函數(shù)分析土壤pH和含砂量的空間變異4。近年來，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)對(duì)不同氣候帶、不同林分類型的森林土壤養(yǎng)分空間變異規(guī)律進(jìn)行了探討5-7。研究表明，亞熱帶馬尾松人工林土壤養(yǎng)分空間變異性較弱，呈強(qiáng)空間自相關(guān)性8；廣西熱帶亞熱帶森林土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性顯示，北部地區(qū)土壤養(yǎng)分含

14、量高于南部9；中亞熱帶闊葉人工林土壤磷素呈中等程度變異，有效磷的變異程度高于全磷10。也有一些學(xué)者對(duì)溫帶森林土壤養(yǎng)分空間變異進(jìn)行了研究。如，張彬等對(duì)蘋果林的土壤養(yǎng)分空間分布特征的研究表明，果區(qū)土壤養(yǎng)分均呈中等空間變異11；楊秀清和吳有志對(duì)人工林和次生林土壤養(yǎng)分空間分布特征的研究表明森林土壤有機(jī)碳、全氮空間分布特征受植被類型、植被受干擾程度及地形等因素影響12?？梢钥闯?，當(dāng)前關(guān)于溫帶森林土壤養(yǎng)分空間分異規(guī)律的研究多集中在人工商品林?；旖涣殖蔀橐环N重要的營(yíng)林方式，混交林的土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性如何？哪些因素影響其空間分布？這些問題并不清楚?；谔烊会橀熁旖涣值耐寥鲤B(yǎng)分空間變異研究較少。作為我國(guó)溫帶森林

15、生態(tài)系統(tǒng)的典型代表，長(zhǎng)白山地區(qū)植被類型多樣，植物群落組成及群落結(jié)構(gòu)變化明顯13。天然云冷杉針闊混交林是長(zhǎng)白山地區(qū)的典型林分，以往的研究集中在地上部分凋落物養(yǎng)分14-15及林分結(jié)構(gòu)方面16-17，而對(duì)土壤養(yǎng)分空間分布的研究較少。本文以吉林汪清林業(yè)局天然云冷杉針闊混交林為研究對(duì)象，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究不同采伐和土壤深度下土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的空間特征，分析其空間變異規(guī)律，以期為溫帶針闊混交林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)和森林土壤養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)。1 材料與方法1.1 研究區(qū)研究區(qū)位于吉林省汪清林業(yè)局金溝嶺林場(chǎng)（12925-13020E，4317-4325N），屬長(zhǎng)白山系老爺嶺系山脈的雪嶺支脈，海拔介于3

16、00-1 200 m，坡度5-25，地貌類型為低山丘陵。研究區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候，全年平均氣溫約為3.9 ，年均降水量為547 mm。土壤類型以暗棕壤為主，其母質(zhì)為花崗巖、玄武巖及片麻巖的殘積物和堆積物，平均土層厚度為40 cm。主要樹種包括紅皮云杉（Picea koraiensis Nakai）、魚鱗云杉（Picea jezoensis var. microsperma (Lindl.) Cheng et L. K. Fu）、臭冷杉（Abies nephrolepis (Trautv.) Maxim.）、紅松（Pinus koraiensis Sieb. et Zucc.）、白樺（Betula

17、platyphylla Suk.）、紫椴（Tilia amurensis Rupr.）、水曲柳（Fraxinus mandshurica Rupr.）、山楊（Populus davidiana Dode）等。1.2 樣地設(shè)置與樣品采集2013年7月，中國(guó)林科院資源信息研究所在天然云冷杉針闊混交林內(nèi)設(shè)置了12塊面積為1 hm2的方形采伐實(shí)驗(yàn)樣地，各樣地立地條件相似，均為中齡林（林齡為61年）。2015年實(shí)施了采伐作業(yè)，按采伐蓄積計(jì)算了采伐強(qiáng)度。2018年8月，我們選擇了一塊對(duì)照（未采伐）和一塊采伐強(qiáng)度為21.21%的樣地進(jìn)行調(diào)查，樣地基本概況見表1。表1 樣地基本概況Table 1 Charac

18、teristics of experimental plots樣地 Plot海拔 Elevation (m)坡度 Slope ()坡向 Slope aspect采伐強(qiáng)度 Thinning intensity (%)平均樹高 Average height (m)平均胸徑 Average DBH (cm)林分密度 Stand density (株hm-2.)郁閉度 Canopy density針葉樹株數(shù)比例 CSNR (%)針葉樹株數(shù) NCT闊葉樹株數(shù) NHT采伐Thinning7423東北Northeast21.2113.914.59340.74347.8460474未采伐Non-thinnin

19、g7733東北Northeast0.0015.114.014370.81552.1802635DBH：胸徑；CSNR：針葉樹株數(shù)比例；NCT：針葉樹株數(shù)；NHT：闊葉樹株數(shù)。DBH: Diameter at breast height; CSNR: Coniferous stem number ratio; NCT: Number of coniferous trees; NHT: Number of hardwood trees.在每塊樣地中按照等距離網(wǎng)格法設(shè)置100個(gè)10 m 10 m的樣方取樣，對(duì)樣方內(nèi)胸徑5 cm的喬木種類、樹高和胸徑進(jìn)行詳細(xì)記錄。土壤樣品采用“S”形取樣法，在每個(gè)樣方

20、中隨機(jī)布設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)用土鉆分別取0-20 cm和20-40 cm的土壤，最后將5個(gè)采樣點(diǎn)同一土層的土壤放在塑料薄膜上去除石塊、根系和植物殘?bào)w等，混合均勻后用四分法取1 kg左右裝入貼有標(biāo)簽的布袋，共計(jì)400個(gè)土樣。土樣經(jīng)風(fēng)干、磨細(xì)后，過2 mm和0.25 mm的土壤篩，用于測(cè)定土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)。1.3 土樣測(cè)定土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)測(cè)定參照土壤農(nóng)化分析18。土壤pH采用酸度計(jì)法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)（Organic matter, OM）采用稀釋熱-重鉻酸鉀容量法測(cè)定，全氮（Total nitrogen, TN）采用凱氏定氮法測(cè)定，全磷（Total phosphorus, TP）采用酸溶-鉬銻

21、抗比色法測(cè)定，全鉀（Total potassium, TK）采用氫氟酸-高氯酸法測(cè)定，有效磷（Available phosphorus, AP）采用鹽酸-氟化銨法測(cè)定，速效鉀（Readily available potassium, AK）采用乙酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測(cè)定。1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)分析、t檢驗(yàn)和林分密度、郁閉度與土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的相關(guān)性分析。描述性統(tǒng)計(jì)分析中的變異系數(shù)（CV）用以表示土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的空間變異程度。一般來說，當(dāng)CV10%時(shí)為弱變異，10 %CV90 %時(shí)為中等變異，CV90%時(shí)，為強(qiáng)變異。土壤養(yǎng)分

22、及相關(guān)指標(biāo)采用K-S非參數(shù)檢驗(yàn)進(jìn)行正態(tài)分布校驗(yàn)，采伐樣地和未采伐樣地的土壤全氮、20-40 cm的土壤pH和未采伐樣地中0-20 cm的有機(jī)質(zhì)和速效鉀為非正態(tài)分布，經(jīng)過對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后所有土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)均滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布。正態(tài)分布是分析土壤養(yǎng)分空間變異的前提。運(yùn)用GS+9.0分析各土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的半變異函數(shù)，擬合最佳理論函數(shù)模型。計(jì)算公式如(1)所示19。(1)式中，(h) 為半方差函數(shù)值；h 為兩樣本點(diǎn)的空間距離；N(h) 為間距等于h 的點(diǎn)對(duì)數(shù)；Z(xi) 為區(qū)域化變量Z 在位置xi 的實(shí)測(cè)值；Z(xi+h) 為與xi 距離為h 處樣點(diǎn)的值。半方差函數(shù)與理論模型的擬合模型對(duì)比理論模型具有

23、較低的均方誤差、偏差、精度和相對(duì)精度誤差，且回歸線的斜率接近1 20。半方差函數(shù)是一種描述土壤養(yǎng)分空間變異結(jié)構(gòu)的函數(shù)，反映了空間自相關(guān)程度，其參數(shù)如塊金值、基臺(tái)值和變程等區(qū)域化變量，是研究土壤特性空間變異的關(guān)鍵21。塊金值由人為因素和測(cè)量誤差等隨機(jī)因素引起；基臺(tái)值反映了土壤養(yǎng)分受結(jié)構(gòu)性因素(成土母質(zhì)、氣候、地形、植被等)影響的程度；變程表示土壤養(yǎng)分的空間變異特性范圍大小22。其中塊金值與基臺(tái)值的比值即塊金系數(shù)，表示土壤養(yǎng)分的空間相關(guān)性，塊金系數(shù)小于25%表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，塊金系數(shù)介于25%-75%即表示中度空間相關(guān)性，大于75%則表示該項(xiàng)指標(biāo)空間相關(guān)性弱23。運(yùn)用ArcGIS 10.5軟

24、件完成了分形維數(shù)D的計(jì)算，分形維數(shù)反映了研究對(duì)象空間格局的尺度及層次性和空間異質(zhì)性在不同尺度間的相互關(guān)系等信息，計(jì)算公式如(2)所示24。(2)式中，m 為雙對(duì)數(shù)回歸曲線的斜率。m 越大，D越小，反映空間變異程度越強(qiáng)，反之則空間分布趨于均一性，當(dāng)D值等于2，則說明整個(gè)區(qū)域化變量空間不相關(guān)，整個(gè)樣本空間獨(dú)立，存在塊金效應(yīng)25。運(yùn)用克里格插值法完成各土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的空間插值。計(jì)算方法如(3)所示26。克里格插值法是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中應(yīng)用最廣的最優(yōu)插值法，利用原始數(shù)據(jù)結(jié)合半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)性，對(duì)未采樣點(diǎn)進(jìn)行無偏最優(yōu)估值27。(3)式中，Z(x0) 為土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)在樣地x0 處的估測(cè)值；Z(xi) 為

25、其在xi 處的實(shí)測(cè)值；i 為每個(gè)實(shí)測(cè)值的權(quán)重系數(shù)；n 為參與估測(cè)x0 處有效樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。2 結(jié)果與分析2.1 土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)分析表2為云冷杉針闊混交林0-20 cm和20-40 cm土層各土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)均值，兩塊樣地的土壤均為弱酸性，采伐樣地在0-20 cm土層中除有機(jī)質(zhì)以外的養(yǎng)分含量均低于未采伐樣地，但在20-40 cm均高于未采伐樣地。根據(jù)變異系數(shù)，采伐樣地的pH、全鉀和未采伐樣地的土壤pH屬弱變異；其余土壤養(yǎng)分指標(biāo)均屬于中等變異，未采伐樣地中20-40 cm的土壤全氮變異系數(shù)最高，為89.06%，其次為0-20 cm土層的土壤有效磷，變異系數(shù)為66

26、.99%，說明在兩塊樣地土壤全氮的空間變異程度高且易受到外界環(huán)境的影響；采伐樣地的土壤全磷和未采伐樣地的全鉀最穩(wěn)定，其兩個(gè)土層的變異系數(shù)較低且接近；未采伐樣地全鉀處于弱變異到中等變異的過渡段（CV0-20 cm=13.31%、CV20-40 cm=10.84%），說明未采伐樣地全鉀受外界的影響較小。表2 土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)分析（N=100）Table 2 Descriptive statistics of soil nutrients and related indicators (N=100)樣地Plot土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)Soil nutrient and related indi

27、cator0-20 cm20-40 cm均值標(biāo)準(zhǔn)差Mean Standard deviation變異系數(shù) CV (%)偏度Skewness峰度Kurtosis均值標(biāo)準(zhǔn)差Mean Standard deviation變異系數(shù) CV (%)偏度Skewness峰度Kurtosis采伐ThinningpH值5.210.234.340.05-0.585.180.366.93-0.350.17OM (w/%)14.664.2929.260.65-0.368.353.0336.291.736.14TN (w/g kg-1)4.812.0342.251.622.782.711.4151.991.986.44

28、TP (w/g kg-1)0.880.3136.782.057.750.610.1727.870.890.60TK (w/g kg-1)16.141.408.68-0.36-0.2716.041.985.78-0.982.72AP (w/mg kg-1)5.062.0239.930.861.324.001.9448.60.810.74AK (w/mg kg-1)109.2326.2924.070.230.02101.332.5732.150.6-0.16未采伐 Non-thinningpH值5.490.254.57-0.21-0.235.420.376.63-0.040.16OM (w/%)1

29、4.626.7245.990.870.096.992.7439.150.24-0.5TN (w/g kg-1)5.831.3523.081.814.172.512.2389.064.9937.05TP (w/g kg-1)0.750.2231.081.744.270.630.1828.571.292.29TK (w/g kg-1)17.972.3913.31-0.820.1016.000.9310.84-0.620.82AP (w/mg kg-1)7.314.8966.993.3316.083.151.4646.510.850.65AK (w/mg kg-1)127.5837.8529.660

30、.36-0.7973.5717.5423.830.16-0.94CV：變異系數(shù)；OM：有機(jī)質(zhì)；TN：全氮；TP：全磷；TK：全鉀；AP：有效磷；AK：速效鉀。CV: Coefficient of variation; OM: Organic matter; TN: Total nitrogen; TP: Total phosphorus; TK: Total potassium; AP: Available phosphorus; AK: Readily available potassium.不同采伐強(qiáng)度樣地及不同土壤深度的多數(shù)土壤養(yǎng)分指標(biāo)呈極顯著差異（表3）。采伐樣地與未采伐樣地的pH、全

31、鉀和有效磷之間均呈極顯著差異(p0.01)，全氮和全磷呈顯著差異(p0.05)；而采伐樣地的土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀雖低于未采伐樣地，但差異不顯著。此外，除全鉀外的土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)在不同土壤深度中呈極顯著差異，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效磷和速效鉀均隨著土壤深度的增加而極顯著地減少，土壤pH值隨土壤深度的增加而極顯著增加，酸性減弱。 表3 土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)成對(duì)樣本t檢驗(yàn)(N=200)Table 3 Paired-samples t-test of soil nutrients and related indicators (N=200)配對(duì)組Paired group土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)Soil n

32、utrient and related indicator均值標(biāo)準(zhǔn)差 Mean Standard deviation配對(duì)差值 均值標(biāo)準(zhǔn)差Paired difference mean Standard deviationtp配對(duì)1 Group 1配對(duì)2 Group 2采伐-未采伐Thinning _ Non-thinningpH值5.550.335.190.300.360.4511.1390.000*OM (w/%)11.578.5611.816.08-0.248.56-0.3990.690TN (w/g kg-1)4.153.023.761.930.392.752.0220.044*TP (w

33、/g kg-1)0.740.290.690.210.050.322.4420.015*TK (w/g kg-1)1.800.241.600.140.200.2610.9220.000*AP (w/mg kg-1)5.664.084.102.001.564.155.3000.000*AK (w/mg kg-1)101.0251.99108.6365.45-7.6181.86-1.3120.1910-20 cm與20-40 cm0-20 cm_20-40 cmpH值5.350.285.400.43-0.060.30-2.6260.009*OM (w/%)15.438.197.963.897.476

34、.0117.5240.000*TN (w/g kg-1)5.332.722.601.362.732.3316.4890.000*TP (w/g kg-1)0.820.280.620.180.200.2013.8230.000*TK (w/g kg-1)1.700.251.710.19-0.020.19-1.5250.129AP (w/mg kg-1)6.203.913.561.772.633.5010.5980.000*AK (w/mg kg-1)121.7966.9487.9144.2533.8851.829.2230.000*OM：有機(jī)質(zhì)；TN：全氮；TP：全磷；TK：全鉀；AP：有效磷；

35、AK：速效鉀。*表示極顯著相關(guān)（P0.01）；*表示顯著相關(guān)（P0.05）。 OM: Organic matter; TN: Total nitrogen; TP: Total phosphorus; TK: Total potassium; AP: Available phosphorus; AK: Readily available potassium. * significant at probability level of 0.01；* significant at probability level of 0.05.2.2 土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的半方差函數(shù)分析表4為0-20 cm土壤

36、養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的半方差函數(shù)的模型類型及參數(shù)。采伐樣地中除土壤全鉀的最佳理論模型為高斯模型外，其余指標(biāo)的模型均為指數(shù)模型。土壤有效磷和速效鉀的決定系數(shù)R2分別為0.381和0.305，其余各養(yǎng)分的決定系數(shù)均大于0.869，尤其全氮的決定系數(shù)為0.950，表明模型的擬合度較高。未采伐樣地中土壤全氮為直線模型，全磷和全鉀為球面模型，其余指標(biāo)為指數(shù)模型。其中，土壤pH、全磷、速效鉀的決定系數(shù)較高，且殘差平方和RSS較小，說明擬合效果較好。在采伐樣地中，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、有效磷和速效鉀的塊金系數(shù)分別為10.59%、16.29%、11.28%、11.54%和8.43%，均小于25%，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間

37、自相關(guān)性，說明結(jié)構(gòu)性因素是其空間變異的主要影響因素；土壤pH和全磷的塊金系數(shù)分別為48.24%和50%，表現(xiàn)出中度空間自相關(guān)性。在未采伐樣地中，土壤全氮的塊金系數(shù)高達(dá)95.05%，說明其空間自相關(guān)性弱；而其余指標(biāo)的塊金系數(shù)均小于25%，表現(xiàn)出強(qiáng)空間自相關(guān)性，其中有機(jī)質(zhì)和速效鉀的基臺(tái)值較大，說明受結(jié)構(gòu)性因素影響嚴(yán)重。在0-20 cm，采伐樣地的變程范圍為11.7-192.0 m，未采伐樣地的變程范圍為6.6-51.5 m，其中采伐樣地的土壤pH和全磷變程最大。說明采伐樣地的空間自相關(guān)性范圍和連續(xù)性大于未采伐樣地。0-20 cm的土壤pH、有效磷和速效鉀的分形維數(shù)最大，說明其均質(zhì)性較好，全氮和全鉀

38、的分形維數(shù)較小，說明其異質(zhì)性較強(qiáng)，變異程度較高。總體上，采伐樣地的土壤養(yǎng)分均質(zhì)性高于未采伐樣地。表4 0-20 cm土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的半方差函數(shù)的模型類型及參數(shù)(N=100)Table 4 Semivariogram theoretical models and parameters for soil nutrients and related indicators at 0-20 cm (N=100)樣地Plot土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo) Soil nutrient and related indicator理論模型 Model塊金值 Nugget (C0)基臺(tái)值 Sill (C0+C)塊金系數(shù)

39、Nugget coefficient (C0/C0+C, %)變程 Range (A, m)決定系數(shù) Determination coefficient (R2)殘差平方和 Residual sum of squares (RSS)分形維數(shù) Fractal dimension (D)采伐 ThinningpH指數(shù)模型Exponential0.0410.08548.24192.00.9241.53710-51.978OM指數(shù)模型Exponential0.8207.74110.5924.60.8690.2451.986TN指數(shù)模型Exponential0.0080.04916.2931.50.95

40、05.53310-61.537TP指數(shù)模型Exponential0.0160.03250.00142.50.9442.09610-61.867TK高斯模型Gaussian0.7306.46911.2885.40.9390.2071.976AP指數(shù)模型Exponential0.0060.05211.5420.10.3816.66210-51.921AK指數(shù)模型Exponential0.0020.0188.4311.70.3059.45610-71.957未采伐 Non-thinningpH指數(shù)模型Exponential0.0010.0651.5418.60.8161.40910-51.900OM

41、指數(shù)模型Exponential1.30018.3507.0810.20.5052.791.889TN直線模型Linear0.0240.02595.056.60.1096.33810-61.897TP球面模型Spherical0.0080.1724.6551.50.9756.27410-71.869TK球面模型Spherical0.1092.0685.2716.40.4940.03061.512AP指數(shù)模型Exponential0.1703.9224.3324.60.6430.251.928AK指數(shù)模型Exponential64.000704.8009.0815.90.6565.38710-61

42、.989OM：有機(jī)質(zhì)；TN：全氮；TP：全磷；TK：全鉀；AP：有效磷；AK：速效鉀。OM: Organic matter; TN: Total nitrogen; TP: Total phosphorus; TK: Total potassium; AP: Available phosphorus; AK: Readily available potassium.20-40 cm土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的半方差函數(shù)的模型類型及參數(shù)如表5所示。采伐樣地中土壤pH最佳理論模型為球面模型、全鉀的為高斯模型，其余指標(biāo)的模型均為指數(shù)模型。土壤速效鉀的決定系數(shù)為0.167，擬合程度較低，其余各養(yǎng)分的決定系數(shù)均

43、大于0.869，尤其全鉀的決定系數(shù)達(dá)到了0.999且殘差平方和RSS小，說明擬合效果較好。未采伐樣地中土壤全氮和速效鉀為指數(shù)模型，其余均為球面模型。其中，土壤pH、全磷、速效鉀的決定系數(shù)較高，且RSS小，說明擬合程度高，效果較好。在采伐樣地中，土壤有機(jī)質(zhì)、全磷、有效磷和速效鉀的塊金系數(shù)分別為10.59%、13.33%、9.27%和7.09%，均小于25%，表現(xiàn)出強(qiáng)度空間自相關(guān)性，說明結(jié)構(gòu)性因素是其空間變異的主要影響因素；土壤pH、全氮和全鉀的塊金系數(shù)分別為41.38%、48.72%和34.28%，表現(xiàn)出中度空間自相關(guān)性。在未采伐樣地中，所有土壤指標(biāo)的塊金系數(shù)均小于25%，表現(xiàn)出強(qiáng)空間自相關(guān)性，

44、其中速效鉀的塊金值較大，說明可能受到隨機(jī)因素的影響；有機(jī)質(zhì)和速效鉀的基臺(tái)值較大，說明受結(jié)構(gòu)性因素影響嚴(yán)重。采伐樣地在20-40 cm的變程范圍為12.0-164.1 m，同0-20 cm土層一樣高于未采伐樣地的變程范圍 (13.6-53.0 m) ，采伐樣地的土壤速效鉀變程最小，全氮變程最大。20-40 cm的土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷的分形維數(shù)最大，說明其均質(zhì)性較好，未采伐樣地的全鉀的分形維數(shù)較小，說明其異質(zhì)性較高?？傮w上，采伐樣地的土壤養(yǎng)分均質(zhì)性在0-20 cm和20-40 cm中一樣，均高于未采伐樣地。表5 20-40 cm土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的半方差函數(shù)的模型類型及參數(shù)(N=100)Table

45、5 Semivariogram theoretical models and parameters for soil nutrients and related indicators at 20-40 cm (N=100)樣地Plot土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo) Soil nutrient and related indicator理論模型 Model塊金值 Nugget (C0)基臺(tái)值 Sill (C0+C)塊金系數(shù) Nugget coefficient (C0/C0+C, %)變程 Range (A, m)決定系數(shù) Determination coefficient (R2)殘差平方和 Residu

46、al sum of squares (RSS)分形維數(shù) Fractal dimension (D)采伐 ThinningpH球面模型Spherical0.0600.14541.3882.70.9578.39810-51.959OM指數(shù)模型Exponential0.8207.74110.5924.60.8690.2451.982TN指數(shù)模型Exponential1.7873.66848.72164.10.9080.04041.978TP指數(shù)模型Exponential0.0020.01513.3332.40.9792.63910-71.848TK高斯模型Gaussian1.6474.80434.2

47、883.40.9990.0020191.999AP指數(shù)模型Exponential0.3603.8839.2720.70.9080.02761.996AK指數(shù)模型Exponential21.700306.17.0912.00.1679.03610-71.896未采伐 Non-thinningpH球面模型Spherical0.0010.1140.8817.40.7495.66310-51.827OM球面模型Spherical0.3509.5003.6815.70.2310.1381.919TN指數(shù)模型Exponential0.0121.0951.1110.80.1030.006621.863TP球

48、面模型Spherical0.0050.1443.4741.50.9843.18110-71.891TK球面模型Spherical0.0800.9318.5913.60.0500.0046631.750AP球面模型Spherical0.0012.0930.0553.00.0010.09591.945AK指數(shù)模型Exponential79.00010637.4327.30.8293.7610-61.972OM：有機(jī)質(zhì)；TN：全氮；TP：全磷；TK：全鉀；AP：有效磷；AK：速效鉀。OM: Organic matter; TN: Total nitrogen; TP: Total phosphoru

49、s; TK: Total potassium; AP: Available phosphorus; AK: Readily available potassium.2.3 土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的空間分布特征采伐樣地土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的空間分布特征存在一定的規(guī)律（圖1）。在0-20 cm中，土壤有機(jī)質(zhì)、全磷和有效磷含量均自北向南升高。其中，有機(jī)質(zhì)和有效磷均只有一個(gè)高值區(qū)，呈條帶狀分布；全磷有兩個(gè)高值區(qū)，呈斑塊狀分布。土壤pH值、全氮、全鉀和速效鉀則自北向南降低，pH和全氮均有一個(gè)低值區(qū)，呈條帶狀分布；全鉀和速效鉀均有兩個(gè)高值區(qū)，呈斑塊狀分布，且破碎化現(xiàn)象嚴(yán)重。在20-40 cm中，土壤有機(jī)質(zhì)、全磷

50、、有效磷和速效鉀的空間分布規(guī)律與0-20 cm大致相同，但20-40 cm的有機(jī)質(zhì)有輕微破碎化現(xiàn)象，速效鉀無破碎化現(xiàn)象。而土壤pH值和全氮的空間分布與0-20 cm相反，表現(xiàn)出自北向南升高，有兩個(gè)高值區(qū)，呈條帶狀分布。未采伐樣地土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的空間分布特征較采伐樣地更有規(guī)律（圖2）。土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷均自北向南逐漸降低，表現(xiàn)為具有一個(gè)高值區(qū)和一個(gè)低值區(qū)的條帶狀或斑塊狀分布，其中0-20 cm的土壤全氮破碎化現(xiàn)象嚴(yán)重；而土壤速效鉀和20-40 cm的全鉀呈自北向南升高的條帶狀分布。0-20 cm的土壤全鉀則是自西向東逐漸升高，呈條帶狀分布。土壤有效磷在0-20 cm中自北向南降低

51、，有三個(gè)高值區(qū)，呈斑塊狀分布，在20-40 cm中則呈自西向東升高的條帶狀分布。圖1 采伐樣地土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的空間分布圖(N=100) 。OM：有機(jī)質(zhì)；TN：全氮；TP：全磷；TK：全鉀；AP：有效磷；AK：速效鉀。Fig. 1 Spatial distribution maps of soil nutrients and related indicators in the thinning plot (N=100). OM: Organic matter; TN: Total nitrogen; TP: Total phosphorus; TK: Total potassium; AP:

52、 Available phosphorus; AK: Readily available potassium圖2 未采伐樣地土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的空間分布圖(N=100)。OM：有機(jī)質(zhì)；TN：全氮；TP：全磷；TK：全鉀；AP：有效磷；AK：速效鉀。Figure 2 Spatial distribution maps of soil nutrients and related indicators in the non-thinning plot (N=100). OM: Organic matter; TN: Total nitrogen; TP: Total phosphorus; TK:

53、Total potassium; AP: Available phosphorus; AK: Readily available potassium2.4林分密度、郁閉度對(duì)土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的影響郁閉度和林分密度作為影響林木生長(zhǎng)的重要因子，也同時(shí)影響著土壤養(yǎng)分的含量28。林分密度與郁閉度呈極顯著正相關(guān)。大體上土壤養(yǎng)分與林分密度的相關(guān)性高于郁閉度（表6）。在0-20 cm土層中，郁閉度對(duì)采伐樣地的土壤有效磷有極顯著影響，與采伐樣地的速效鉀和未采伐樣地的有效磷顯著相關(guān)。郁閉度對(duì)20-40 cm土層的土壤養(yǎng)分無顯著影響。說明郁閉度僅影響表層土壤。在0-20 cm中，林分密度與采伐樣地的土壤有機(jī)質(zhì)、全

54、氮和未采伐樣地的全氮呈極顯著相關(guān)；與采伐樣地的土壤全磷、有效磷和未采伐樣地的土壤全鉀、速效鉀呈顯著相關(guān)。在20-40 cm中，林分密度與采伐樣地的土壤全氮、全磷、速效鉀和未采伐樣地的土壤有機(jī)質(zhì)、全磷呈顯著相關(guān)性。林分密度與采伐樣地全氮和全磷均有顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)隨土壤深度增加而減小，說明林分密度對(duì)土壤養(yǎng)分的影響隨著土壤深度增加而減弱。表6 郁閉度和林分密度與土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)的相關(guān)性分析(N=100)Table 6 Correlation analysis between soil nutrients and related indicators and canopy density and

55、 stand density (N=100)樣地 Plot土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)Soil nutrient and related indicator0-20 cm20-40 cm郁閉度Canopy density林分密度Stand density (株treehm-2.)郁閉度Canopy density林分密度Stand density (株treehm-2.)采伐ThinningpH-0.130.02-0.040.01OM-0.010.44*0.020.02TN0.27-0.35*0.07-0.16*TP0.050.29*0.070.21*TK0.040.150.01-0.14AP0.39*

56、-0.12*0.010.07AK0.15*0.040.050.21*未采伐 Non-thinningpH0.090.050.02-0.06OM0.05-0.050.01 0.17*TN-0.190.46*0.04-0.08TP0.05-0.160.08 0.14*TK-0.080.17*-0.210.06AP0.13*0.180.19-0.18AK0.19-0.23*0.1-0.08OM：有機(jī)質(zhì)；TN：全氮；TP：全磷；TK：全鉀；AP：有效磷；AK：速效鉀。*表示極顯著相關(guān)（P0.01）；*表示顯著相關(guān)（P0.05）OM: Organic matter; TN: Total nitrogen

57、; TP: Total phosphorus; TK: Total potassium; AP: Available phosphorus; AK: Readily available potassium. * significant at probability level of 0.01；* significant at probability level of 0.05.3 討論與結(jié)論3.1 溫帶針闊混交林的土壤養(yǎng)分狀況及其與林分特征的相關(guān)性兩塊1 hm2樣地的土壤pH值范圍為4.24-6.80，有機(jī)質(zhì)含量為2.17%-31.62%，全氮、全磷和全鉀含量分別為0.64-20.25 g/k

58、g、0.34-2.56 g/kg和10.29-21.83 g/kg，有效磷和速效鉀含量分別為0.79-37.34 mg/kg和41.24-206.19 mg/kg。研究區(qū)的土壤pH值、全氮含量范圍與宋彥彥等對(duì)長(zhǎng)白山云冷杉針闊混交林（6針4闊）的土壤全量養(yǎng)分研究結(jié)果29相似，土壤有機(jī)質(zhì)含量略低，而土壤全磷和全鉀則較高。兩塊樣地均為天然針闊混交林，立地條件較為相似，但兩塊樣地的土壤養(yǎng)分含量存在差異。這可能是由于采伐樣地針葉樹株數(shù)占比47.8%，未采伐樣地針葉樹株數(shù)占比52.1%，針闊葉樹株數(shù)比例不同，影響凋落物量及其分解速率，以致土壤有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生差異。0-20 cm的土壤養(yǎng)分及相關(guān)指標(biāo)除全鉀外顯著高

59、于20-40 cm，這與Yang的研究結(jié)果30相同，即土壤養(yǎng)分隨土壤深度的增加而顯著減小。土壤中全鉀主要來源于礦物和巖石，受地上植被影響較小，因此，采伐樣地的土壤全鉀并不隨著土壤深度增加而顯著變化。Ouyang等對(duì)亞熱帶常綠闊葉林0-20 cm土壤養(yǎng)分含量的研究表明，林分密度、土壤深度以及二者的交互作用均對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷有顯著影響31。由土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)分析可知，除土壤有機(jī)質(zhì)含量外，0-20 cm采伐樣地土壤養(yǎng)分含量均低于未采伐樣地的土壤養(yǎng)分含量；而在20-40 cm中，兩塊樣地土壤養(yǎng)分含量均值卻相似。土壤養(yǎng)分含量在0-20 cm的差異較大，而在20-40 cm土層中的差異較小，說明

60、林分密度和郁閉度對(duì)土壤養(yǎng)分的影響集中表現(xiàn)在0-20 cm。這與賀志龍等32表層土壤養(yǎng)分對(duì)林分密度響應(yīng)最明顯的結(jié)果相同。林分密度對(duì)不同土層中土壤養(yǎng)分特征的影響有所差異。張勇強(qiáng)等研究發(fā)現(xiàn)杉木人工林的林分密度顯著影響表層土的土壤全氮與各土層土壤全磷和有效磷33。本研究中林分密度主要與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷呈顯著相關(guān)性，而郁閉度主要與土壤有效磷和速效鉀顯著相關(guān)?？梢娏址置芏葘?duì)不同林分類型土壤養(yǎng)分的影響有所差異。此外，林分密度和郁閉度對(duì)采伐樣地土壤養(yǎng)分的影響比未采伐樣地更顯著。林分密度直接影響著林下的光照、溫度和濕度等林分內(nèi)環(huán)境因子并影響森林土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)指標(biāo)34。林分密度低說明林木占用空間增加，