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山核桃Carya cathayensis是中国特有的优质干果和木本油料经济树种，果实风味独特，营养价值高，是世界四大名优坚果之一[1]。主要分布在浙皖交界的天目山区，以浙江省杭州市临安区种植面积最大，约6×104 hm2，其产量占全国总产量的60%以上，其产值收入可占当地林农总收入的70%以上，是山区林农致富的主要经济来源[2]。然而，为了追求更高的产量，林农们在缺乏对土壤肥力现状认识的基础上盲目施用大量化肥、除草剂，从而导致了土壤酸化、营养失衡、植株生长异常甚至连片死亡等现象[3]，对山核桃产业可持续经营带来了严重威胁。鉴于此，客观掌握和评价土壤肥力状况，研究土壤肥力变异规律及其影响因素，为山核桃林地测土配方施肥、提高生产力和精准农业发展具有重要现实意义。
国内外学者对土壤的异质性进行了大量的研究，CAMBARDELLA等[4]证明了地统计学与地理信息系统(GIS)相结合对深入揭示土壤养分空间异质性及影响因素最为有效。不同时空尺度下，土壤养分的变异规律不尽相同，中大尺度下土壤性质空间异质性易受到地形、气候、土壤类型等区域因素的影响[5−8]，而小尺度下土壤肥力分异特征易受土壤质地、微地形、人为经营方式等影响[9]。
关于山核桃林地土壤养分空间异质性的研究[2, 10]基于尺度较大、采样间距较大，获得的土壤信息往往掩盖了小尺度下土壤特性的空间变异特征，降低了影响因素的代表性，难以精准指导村域尺度的土壤管理[11]。本研究选取浙江省杭州市临安区岛石镇典型的山核桃主产区——大山川村为对象，采用地统计学与GIS相结合的方法探究大山川村山核桃林地土壤肥力变化规律和分布格局，并分析土壤肥力指标之间的相关性，评价土壤肥力水平，探明影响土壤肥力的主控因子，以期为小尺度山核桃林地生态化经营及合理培肥提供科学依据。
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大山川村(30°16′N，118°58′E)位于浙江省杭州市临安区西北部，包含大坞、箕山、下川等3个自然村。地貌类型以山地为主，气候属亚热带季风气候，年均气温为16.7 ℃，年均日照时长为1 847.3 h，年均降水量为1 628.0 mm，四季分明，雨量充沛，雨热同季，光热水资源良好。成土母质以钙质泥页岩类风化物为主，土壤类型为岩性土。山核桃面积为590 hm2，分布在海拔为50~1 200 m的山地。山核桃产业是全村的主导产业，2021年人均山核桃收入达31 169元[12]。
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在研究区以250 m×250 m网格预设土壤采样点，在实际采样过程中结合山核桃林地实际分布状况，按照预设样点附近20 m内调整原则，利用全球定位系统(GPS)准确定位并记录实际采样点的坐标，于2021年7月采集有效的土壤(0~30 cm土层)样品共134个(图1)。同时记录采样点的立地条件、农户经营管理措施等信息。
图 1 研究区海拔及采样点分布示意图
Figure 1. Elevation and sampling point distribution map of the study area
土壤容重(BD)采用环刀法测定；土壤经去杂、风干、研磨过2.000 mm筛后，采用酸度计测定pH；土壤碱解氮(AN)、有效磷(AP)、速效钾(AK)分别用碱解扩散法、碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法和醋酸铵浸提-火焰光度法测定。土壤过0.149 mm筛后，有机质(OM)和全氮(TN)分别采用重络酸钾氧化还原滴定法和半微量凯氏法测定[13]。
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地统计学以反映区域化现象的随机函数——半方差函数(semi-variogram)为基础，分析变量的各种空间变异与结构，并为空间预测提供基础[14]。块金值($ {C}_{0} $)、基台值($ {C}_{0}+C $)和变程是半方差函数的3个重要参数。块金值代表由采样误差和分析等随机因素引起的非连续变异；基台值表示由样本数据的空间相关性而引起的总变异范围；变程代表样点的空间自相关距离尺度并描述了在该尺度内空间相关特征，即在该尺度之内，空间距离越近则相关性越强。实际应用中，块基比$ {C}_{0} $/($ {C}_{0}+C $)表示由随机因素(施肥措施、耕作方式等)引起的空间变异程度。CAMBARDELLA等[4]将块基比分为3类：＜25.00%、25.00%~75.00%和＞75.00%分别代表强、中、弱的空间变异程度，比值越高代表由随机因素引起的空间变异性越强。基于半方差函数拟合的最优模型，克里金插值法可预测和总结土壤特征并绘制成图[14]，
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按照主导性、生产性、均匀性和稳定性的选取原则[15]，结合前人的研究[2]，选取pH、BD、OM、AN、AP、AK、TN等7项肥力评价指标建立评价指标体系。作物效应曲线将隶属度函数分为“S”型和抛物线型，并将曲线型函数转化为相应的折线型利于计算[15]。属于抛物线型函数的指标有pH和BD，其余5种指标均属于“S”型。参考《浙江林业土壤》[16]养分分级标准，在掌握大山川村山核桃林地土壤肥力指标的基础上，确定各指标转折点的取值： pH为4.5、6.5、7.5和8.5；BD为0.9、1.1、1.3和1.5 g·cm−3；OM为10.0和50.0 g·kg−1；AN为50.0和150.0 mg·kg−1；AP为2.5和10.0 g·kg−1；AK为50.0和100.0 mg·kg−1；TN为0.5和1.2 g·kg−1。采用相关系数法确定各指标对土壤肥力的贡献度[17]确定权重系数(表1)。
表 1 土壤肥力指标的平均相关系数和权重系数
Table 1. Average correlation coefficients and weight value of soil fertility indexes
指标 相关系数平均值 权重系数 pH 0.16 0.13 BD 0.19 0.15 OM 0.33 0.27 AN 0.23 0.19 AP 0.07 0.05 AK 0.09 0.08 TN 0.16 0.13 基于模糊数学中的加乘法则，利用各指标的隶属度值和权重系数计算土壤综合肥力指数(IFI) [17]。IFI取值为0~1，该值越接近于1，表示土壤肥力越高。根据山核桃林地土壤肥力实际情况并结合等距法[18]将IFI分为5级(表2)。
表 2 土壤肥力水平分级标准及各等级所占比例
Table 2. Classification standard of soil fertility and its proportion
等级 IFI 各等级比例/% 肥力水平 Ⅴ ≤0.40 2.99 差 Ⅳ (0.40~0.60] 23.88 较差 Ⅲ (0.60~0.70] 33.58 中等 Ⅱ (0.70~0.80] 20.15 良好 Ⅰ ＞0.80 19.40 优秀 -
采用Excel 2016和SPSS 26.0整理和分析数据，用Kolmogorov-Smirnov (K-S)进行正态性检验(BD、AN服从正态分布，pH、OM、AK和AP分别经对数、Box-Cox转换后均符合正态分布，满足地统计分析条件)。利用GS+9.0进行半方差分析，依据决定系数(R2)越大，残差平方和(RSS)越小的原则拟合理论模型[7]。采用ArcGIS 10.2绘制土壤肥力各指标空间分布图，利用Origin 2021分析土壤肥力指标间Pearson相关性并绘图。采用主成分分析法分析肥力因子与土壤肥力之间的载荷情况[17]。
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如表3所示：研究区林地土壤pH值变幅为4.60~8.24，平均值为5.39。BD均值为1.14 g·cm−3。OM、TN质量分数均值分别为42.13，2.33 g·kg−1，AN、AP和AK质量分数均值分别为115.89、1.47、82.69 mg·kg−1。可见，OM、AN、AK和TN处于中等偏上水平，其中有72.3%的区域OM达四级标准(＞30.0 g·kg−1，四级最高，一级最低)；与之相反，AP水平普遍较低，其中有97.0%的区域AP质量分数低于5.0 mg·kg−1。山核桃林地土壤养分变异系数范围为10.25%~151.21%。pH、BD、OM、TN、AN和AK均为中度变异(10.00%~90.00%)，从大到小依次为TN、AK、OM、AN、BD、pH。AP表现为高度变异(＞90.00%)，变异系数最大(151.21%)。
表 3 山核桃林地土壤肥力指标描述性统计
Table 3. Descriptive statistics of soil fertility properties in Chinese hickory plantation
项目 pH BD/(g·cm−3) OM/(g·kg−1) TN/(g·kg−1) AN/(mg·kg−1) AP/(mg·kg−1) AK/(mg·kg−1) 均值 5.39 1.14 42.13 2.33 115.89 1.47 82.69 最小值 4.60 0.58 10.51 0.32 1.39 0.03 10.04 最大值 8.24 1.70 153.11 12.31 311.57 16.94 273.72 标准差 0.55 0.16 22.22 1.58 57.73 2.23 46.26 变异系数/% 10.25 14.04 52.75 67.62 49.82 151.21 55.94 偏度 2.215(1.67) −0.110 2.262(0.22) 3.753(0.12) 0.670 3.515(0.01) 1.671(−0.33) 峰度 7.330(4.48) 1.800 7.226(0.89) 19.613(2.84) 1.070 17.839(−0.03) 3.709(1.18) K-S 0.024(0.07) 0.129 0.003(0.68) 0.000(0.07) 0.448 0.000(0.20) 0.004(0.64) 说明：括号内分别为经对数、Box-Cox转换后的偏度、峰度和K-S检验的显著性水平；n=134。 -
土壤pH、AP和AK均符合球状模型(表4)，BD和AN、OM和TN分别符合指数模型和高斯模型。pH、BD、OM、TN、AP和AK块金值接近于0，而AN块金值较大。从块基比来看，BD、TN、AP和AK的块基比均小于25.00% (0~7.00%)，表明具有强烈的空间相关性；土壤pH、OM的块基比为25.00%~75.00%，属于中等强度的空间相关性；而土壤AN块基比＞75.00%，呈现弱空间相关性，说明其变异主要受到经营活动等随机因素的影响。OM的变程最大，为2 364 m，表明空间分布的连续性较强。pH、BD、TN、AN、AP和AK的变程较小，分别为732、390、327、1 951、342和272 m。变程均超过了采样间距，表明采样设计具有代表性。
表 4 山核桃林地土壤肥力指标半方差函数理论模型及其相关参数
Table 4. Semi-variogram model and parameters of soil fertility properties in Chinese hickory plantation
指标 理论模型 块金值$ \left({C}_{0}\right) $ 基台值$ {(C}_{0}+C) $ 变程/m 块基比$ [{C}_{0} $/($ {C}_{0}+C $)]/% R2 pH 球状模型 0.000 5 0.001 8 732 27.78 0.98 BD 指数模型 0.001 6 0.025 3 390 6.32 0.83 OM 高斯模型 0.029 5 0.067 9 2 364 43.44 0.83 TN 高斯模型 0.002 3 0.045 9 327 5.01 0.86 AN 指数模型 2 798.202 6 3 432.030 4 1 951 81.27 0.63 AP 球状模型 0.013 0 1.447 0 342 0.90 0.94 AK 球状模型 0.004 0 0.057 2 272 7.00 0.80 -
如图2所示：大部分地区土壤pH 5~6和6~8的土壤集中在中部；OM和AN的空间分布规律相似，从西北部向东南部逐渐升高，其中东部AN空间同质化现象显著，斑块较大。AP质量分数整体较低。AK的空间分布特征为中间向两侧逐渐降低。TN质量分数整体适中，空间分布规律西低东高，有52.2%的土壤TN质量分数远大于全国第2次土壤普查一级标准(＞2 g·kg−1)[19]。
图 2 山核桃林地土壤肥力指标空间分布示意图
Figure 2. Spatial distribution map of soil fertility properties in Chinese hickory plantation
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地形因子与土壤肥力指标间的相关性表明(图3)：海拔与pH、BD、OM、AK和AN显著相关(P＜0.05)，其中与OM、AN呈极显著的正相关(P＜0.01)，表明OM、AN的质量分数随着海拔的升高而增加；而与pH、BD、AK呈显著的负相关(P＜0.05)，其中与pH的负相关系数最大。BD与OM、AN呈极显著的负相关(P＜0.01)，表明BD密切影响着土壤肥力水平。
图 3 山核桃林地土壤肥力的相关分析
Figure 3. Correlation analysis of soil indicators in Chinese hickory plantation
土壤肥力指标之间的相关性(图3)显示：pH与其他土壤养分呈负相关，其中与OM呈极显著负相关(P＜0.01)，与AK呈显著负相关(P＜0.05)；OM、AN、TN两两之间呈极显著正相关(P＜0.01)。
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基于模糊综合评价法评估，研究区土壤综合肥力指数为0.20~0.90，平均为0.66，可见土壤肥力水平适中。如图4所示：肥力指数较高的土壤以斑块状主要分布在中部，分布较连贯；大部分区域土壤肥力水平适中；肥力指数较低的土壤分布不均，在西部和东北部均有分布，空间异质性明显。
图 4 山核桃林地土壤肥力等级空间分布示意图
Figure 4. Soil fertility level distribution map of Chinese hickory plantation
如表5所示：根据特征值大于1的原则共提取出3个主成分，累计方差贡献率为71.026%。表明利用前3个主成分探究大山川村土壤肥力影响因素可行。土壤综合肥力指数与OM、AN在第1主成分(PC1)上具有较大载荷，均大于0.8，对土壤肥力有显著影响；第2主成分(PC2)AP和AK载荷较大，表征土壤对山核桃速效养分的供给能力；第3主成分(PC3)TN载荷最大。
表 5 土壤各肥力指标的主成分分析
Table 5. Principal component analysis of soil fertility properties
主成分 载荷值 特征根 方差贡献率/% 累计方差贡献率/% pH BD OM AN AP AK TN PC1 0.567 −0.782 0.925 0.838 0.036 0.045 0.383 2.641 37.735 37.735 PC2 0.186 0.156 0.018 0.019 0.790 0.722 −0.201 1.246 17.805 55.540 PC3 0.406 0.237 −0.025 0.188 −0.260 0.526 0.695 1.084 15.487 71.026 -
山核桃最适生长的土壤pH为微酸性及以上(pH 6.00~7.00)，土壤酸化现已成为引起山核桃果实品质劣、产量低及林地退化的重要障碍因子[10]。本研究中土壤pH均值为5.39，有90.9%的林地土壤pH＜6.00。土壤pH块基比为26.33%，其变异受到结构(土壤母质、地形等)和随机因素(人为扰动、经营措施等)的共同影响。研究区地处最早开始山核桃集约经营的岛石镇，土壤酸化与其长年限的高强度经营措施及过量施肥有关。何萍等[20]也证实了山核桃人工林地土壤pH随着种植年限的增加而降低；TIAN等[21]研究表明：无机氮肥的过量及不当使用是导致全球土壤酸化的主要原因。黄腐酸钾(有机肥)和钙镁磷肥(无机肥)配施不仅能显著降低土壤酸度，提高山核桃林地土壤养分水平，而且能与铝发生络合作用从而降低酸性土壤中铝的毒害[22]。
OM和AN是决定土壤肥力水平的重要指标。本研究中OM、AN质量分数均较高，空间分布规律相似，OM受结构性和随机性因素的共同影响，AN则受随机因素的影响更大。但过高的氮量不利于山核桃的生长发育与果实品质的提高，易诱发山核桃干腐病，且化肥氮素易损失将直接导致地表水面源污染，进而危及人类健康[23]。因研究区林农施用复合肥的用量远大于有机肥，其中研究区东部更加集约化的管理模式降低了土壤AN的变异性，减弱了空间依赖性，使AN的空间分布趋于同质化[17]。AP、AK的块基比分别为0.90%、7.00%，呈强烈的空间自相关，原因是受到结构性因素的影响。其中AP质量分数偏低而变异系数最高(151.21%)，这一现象在浙江其他经济林土壤研究中也常见[24]。这主要由于研究区土壤大多为岩性土，土壤中碳酸钙易与磷形成磷酸二钙、磷酸八钙以及难溶的磷灰石等磷酸钙盐沉淀，从而降低了磷的有效性[25]。此外，山核桃林地集约化管理导致复合肥的无差别投入，造成低养分地区养分持续不足和高养分地区养分过剩，也在一定程度上放大了结构性因素对土壤速效养分的影响[17]。
地形可通过海拔变化调控水热分布，影响山区土壤不同垂直地带母岩成土过程、土壤机械组成和微生物[26]。本研究所得结论与此相似，海拔与pH、AK呈显著负相关，而与OM、AN极显著正相关，BD与OM、AN显著负相关。在山核桃适生的南方丘陵山区海拔变化较大，随着高度的增加，气候变得更为湿冷，微生物的分解速度减缓和矿化作用减弱，从而使OM质量分数较高；而钾元素易于顺着水流淋溶下渗[27]，由此出现与海拔呈显著负相关的特点。BD是反映土壤涵养水源能力的基本物理指标，受人为活动显著影响，与土壤储水能力、松紧度和质量密切相关。BD值越大，表明土壤紧实度高，透气透水性较差；其值越小，表明土壤疏松多孔，质地较好，保水通气能力高，利于植物细根的伸展和发育，进而提高土壤的保肥供肥性能[28]。
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研究区土壤整体呈酸性，pH均值为5.39。OM、AK、AN、TN质量分数适中，均表现为中等变异，AP质量分数较低且为高度变异。半方差分析表明：AP、AK、TN主要受结构性因素的影响，pH和OM受结构因素和随机因素的共同影响，AN受人为经营因素影响较大。AP、AK和TN的空间异质性明显，斑块特征显著，OM和AN空间分布规律相似，东南部高值区分布连贯。研究区土壤肥力指数均值为0.66，水平适中。主成分分析表明：OM和AN是影响土壤肥力水平的主控因素。OM、AN与海拔、容重相关性达极显著水平，AK仅与海拔相关性达显著水平。
建议适当降低氮肥施用量，并配施生石灰(3 000 kg·hm−2)以改善土壤酸化状况；按照“大配方，小调整”的原则，根据研究区土壤肥力特征，补施尿素、黄腐酸钾、钙镁磷肥或硫酸钾等元素，以补充土壤中含量较小的元素。
Spatial variability and affecting factors of soil fertility in Chinese hickory stands at village scale
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摘要:
目的 为村级尺度山核桃Carya cathayensis林地合理培肥提供科学依据。 方法 在浙江省岛石镇大山川村山核桃主产区，系统采集土壤(0~30 cm)样品134个，运用地统计学与地理信息系统(GIS)相结合的方法、主成分分析法(PCA)探究林地土壤肥力空间变异结构特征、土壤肥力状况及其主控因素。 结果 山核桃林地土壤pH 5.39，土壤容重为1.14 g·cm−3，有机质、全氮质量分数分别为42.13和2.33 g·kg−1，土壤碱解氮、速效钾、有效磷质量分数均值分别为115.89、82.69、1.47 mg·kg−1；容重、全氮、有效磷和速效钾的块基比均小于25%，具有强烈的空间相关性，结构因素为主导。pH、有机质具有中等空间相关性，碱解氮受随机因素影响较大；相关性分析表明：土壤pH、有机质、速效钾和碱解氮与海拔、容重显著相关(P＜0.05)；土壤综合肥力指数均值为0.66，肥力水平适中。主成分分析表明：有机质和碱解氮在第1主成分上具有较大载荷。 结论 山核桃林地土壤酸化及养分失衡现象严重，土壤肥力呈中部高四周低的分布格局。有机质、碱解氮是影响土壤肥力水平的主控因子，受海拔、容重影响显著。今后可按照“大配方，小调整”的原则补施生石灰、氮、磷、钾等单一肥料，以改良山核桃林地土壤酸化并提升土壤肥力质量。图4表5参28 Abstract:Objective This study, with an investigation of a total of 134 topsoil samples (0−30 cm) systematically collected from Chinese hickory (Carya cathayensis) plantation in Dashanchuan Village, Daoshi Town, Zhejiang Province, is aimed to provide scientific basis for rational soil fertility management of Chinese hickory plantation at village scale. Method GIS and geostatistics were utilized to reveal the spatial heterogeneity of soil fertility properties, whereas principal component analysis (PCA) was used to explore the main controlling factors affecting the soil fertility. Result Soil in Dashanchuan Village was acidic (pH 5.39) on the whole with the average of bulk density (BD) being 1.14 g·cm−3 while organic matter (OM), available nitrogen (AN), available potassium (AK) and total nitrogen (TN) were moderate with average concentrations of 42.13 g·kg−1, 115.89 mg·kg−1, 82.69 mg·kg−1 and 2.33 g·kg−1 respectively. Available phosphorus (AP) was low with average concentrations of 1.47 mg·kg−1 with the nugget coefficients of BD, TN, AP and AK below 25%, featured with a strong spatial autocorrelation. Soil pH and OM showed moderately spatial autocorrelation. AN fit the weak spatial autocorrelation, which indicated that random factors had a significant influence. The results of correlation analysis revealed that pH, OM, AK and AN had significant correlation with altitude and bulk density (P＜0.05) while the integrated fertility index (IFI) of study area ranged from 0.20 to 0.90 with an average of 0.66, indicating moderate fertility level. Principal component analysis showed that OM and AN had a high load in PC1. Conclusion The study area suffered serious the soil acidification and nutrient imbalances with the soil fertility being high in the middle but low in the surrounding areas. Besides, OM and AN, are the main controlling factors affecting soil fertility quality of the study area, with their contents significantly affected by elevation and BD. Therefore, to improve soil acidification and soil fertility quality so as to better manage the soil, single element fertilizers including quicklime, nitrogen, phosphorus and potassium could be applied under the principle of “large formula, small adjustment” based on formula fertilizer. [Ch, 4 fig. 5 tab. 28 ref.] -
Key words:
- Chinese hickory /
- village scale /
- geostatistics /
- principal component analysis /
- spatial varibility /
- soil
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珠江三角洲地区河湖纵横，是富有岭南特色的水乡聚落聚集地；聚落植被空间特有的线性特征对村民生活、乡村传统文化传承等具有巨大作用，其带状滨河空间具有明显边缘效应和较强的异质性，是城乡最富有魅力的界面，也是理想的生态走廊，成为城乡景观中最具表现力的地带[1]。但乡村聚落居住区人口密集，居住和生产活动频繁，对滨水植物生态系统的结构和功能影响巨大[2-4]；植被特征和功能也因居民需求的多样化而呈现出较强多样化特征，并随着线性聚落居民点的分布差异而变化[5-7]。因此，研究人与植物的双向关系、植物在人们居住活动中所发挥的作用以及居住建设活动对植物多样性的影响等，对乡村聚落植物生态环境的改善和聚落文化的传承具有十分重要的意义[8]。目前国内外对滨河乡村植物基本特征、植物群落结构特征、树木健康评价等聚落植物景观[5-9]，植物景观与村聚落建筑、农田、道路和水体等景观要素的相互关系[10]，乡村人居林分类、结构和配置等[11-17]较为关注，但对基于乡村聚落分布的线性特征及人居需求变化造成植物景观特征变化的研究较少。本研究以典型带状滨河乡村聚落——广州南沙河涌区的3涌为对象，研究聚落带状空间的植物多样性特征以及居住建设活动对其产生的影响，调查不同村落中植物群落的种类及分布变化，分析造成这一变化的影响因素，以期从植物景观建设的视角为中国乡村振兴计划中建设“宜居”的生态环境提出建议[18-20]。
1. 研究区概况
广州南沙河涌区位于广东省广州市最南端，珠江入海口处，是珠江三角洲经济区的几何中心。该区域属亚热带海洋季风气候，年平均气温为21.9 ℃，年平均降水量为1 647.5 mm，雨量充沛，雨热同季，热量和辐射丰富，植被为热带雨林季风植被。区域由北向南按照形成时序依次命名为1涌、2涌、3涌等直至19涌，每条河涌由西闸口和东闸口限制，总面积约160 km2[21]。研究区以南沙河涌区北部的3涌为代表。该涌建成距今约70 a，共有行政村7个，以农田、鱼塘为边界划定乡村植物景观研究范围。调研区域以道路为中心，除大型农业用地外，两侧为建筑、广场、桥、河流、水塘等与村民日常生活密切相关的区域。受城市化建设影响，3涌从西闸至东闸被工厂隔开，根据河涌两岸用地类型对乡村聚落河段进行划分，形成居住农业段(R-A1)-居住段(R)-农业段(A)-居住农业段(R-A2)分布序列。研究区总长为5.3 km，其中居住段占34.0%，农业段约占16.2%，乡村聚落呈非连续分布。
2. 研究方法
2.1 样地调查
根据卫星影像资料确定研究区域主要植物种类及基本性质，采用样方法进行实地群落调查。在河涌两岸乡村聚落带(不包含工厂段)，每隔200 m设置对应的2个样地，其中R-A1和R段分别有12个，A段8个，R-A2段14个，共46个样地。各样地划出40 m × 40 m 的样方，并在样方内设置乔木样方(5 m × 5 m)，灌木样方(5 m × 5 m)和草本样方(1 m × 1 m)，记录其中的乔木名称、空间位置、株数、树高、胸径及年龄，记录灌木或草本的名称、空间位置、株数(盖度)和高度。测量对应样地的河道宽度，记录样方内建筑的覆盖面积、数量、高度等基本信息[22]。
2.2 数据分析
2.2.1 多样性指数及重要值计算
选取相对多度、Shannon-Wiener多样性指数(H)、Patrick丰富度指数(R)、Pielou均匀度指数(J)和重要值[22]，指示植物基本多样性特征。
2.2.2 其他指标计算
建筑盖度(CB)＝(S投影/S总)×100%，其中S投影为样方内建筑投影面积，S总为样方总面积；河道宽度(WR)：成对样地测量4组河道宽度，其平均值即为该组样地对应河道宽度(m)。
2.2.3 数据统计分析
利用Excel 2016统计分析植物各项形态指标种类、数量及其变化趋势，利用SPSS进行相关统计分析。
3. 结果与分析
3.1 植物种类构成
调查发现：研究区共有植物77种，隶属于44科70属，其中乔木42种，灌木19种，草本13种，藤本3种；乔木占54.55%，具绝对性优势，藤本植物最少。就科属而言，研究区以蔷薇科Rosaceae、棕榈科Palmae植物为主，桑科Moraceae和芸香科Rutaceae次之。
3.2 优势植物构成特征
计算4个河段中乡村聚落植物乔、灌、草的重要值(表1)可知：不同河段的优势乔灌木差异较小，乔木均以龙眼的重要值最高，黄皮Clausena lansium、菠萝蜜Artocarpus heterophyllus和苹婆Sterculia nobilis次之，体现了聚落居民对果树的需求；近西闸口以小叶榕Ficus concinna和白颜树Gironniera subaequalis重要值较高，可能作为风水文化林的形式在河涌区整体植物景观风貌中发挥作用。灌木以九里香Murraya exotica、桂花Osmanthus fragrans和米仔兰Aglaia odorata等观叶观花植物为主，主要见于庭院内外空间，用于满足聚落居民的观赏需求。草本植物以香蕉Musa nana和青皮竹Bambusa textilis为主，成片栽植于河岸边、池塘边和街道两侧。
表 1 优势种重要值特征Table 1. Significant value characteristics of dominant species河段 乔木 灌木 草本 种名 重要值 种名 重要值 种名 重要值 R-A1 龙眼Dimocarpus longan 0.26 桂花Osmanthus fragrans 0.46 香蕉Musa nana 0.64 桃Amygdalus persica 0.12 散尾葵Chrysalidocarpus lutescens 0.18 青皮竹Bambusa textilis 0.21 小叶榕Ficus concinna 0.06 九里香Murraya exotica 0.10 大米草Spartina anglica 0.10 落羽杉Taxodium distichum 0.05 金银花Lonicera japonica 0.07 白花鬼针草Bidens alba 0.05 菠萝蜜Artocarpus heterophyllus 0.05 米仔兰Aglaia odorata 0.05 R 龙眼 0.21 桂花 0.37 香蕉 0.45 白颜树Gironniera subaequalis 0.14 九里香 0.10 青皮竹 0.29 黄皮Clausena lansium 0.08 散尾葵 0.10 甘蔗Saccharum officinarum 0.12 大王椰子Roystonea regia 0.07 米仔兰 0.10 紫苏erilla frutescens 0.04 番石榴Psidium guajava 0.06 月季Rosa chinensis 0.06 狗尾草Setaria viridis 0.03 A 龙眼 0.20 木薯Manihot esculenta 0.56 香蕉 0.68 黄皮 0.13 木瓜Chaenomeles sinensis 0.27 青皮竹 0.24 芒果Mangifera indica 0.11 桂花 0.08 美人蕉Canna indica 0.04 苹婆Sterculia nobilis 0.07 九里香 0.08 朱蕉Cordyline fruticose 0.03 番石榴 0.06 R-A2 龙眼 0.34 朱蕉 0.32 香蕉 0.40 菠萝蜜 0.11 桂花 0.22 青皮竹 0.27 大王椰子 0.09 九里香 0.13 大米草 0.22 黄皮 0.08 变叶木Codiaeum variegatum 0.08 闭鞘姜Costus speciosus 0.05 罗汉松Sterculia nobilis 0.05 米仔兰 0.08 美人蕉 0.02 3.3 植物生长结构特征
研究发现(表2)：不同河段群落上层(高于8 m)植被多以落羽杉Taxodium distichum、龙眼Dimocarpus longan、大王椰子Roystonea regia、白颜树及小叶榕为主；不同河段树种丰富度指数不同(图1)，其中以R段最高(10)，R-A1和R-A2段其次，A段最低(2)；即居住密集区植被较为高大，常以古树名木或风水林的形式存在，农业段多为断枝枯木，罕有大型古树，植被多为人工栽植果树。各河段的群落中层植被以龙眼、黄皮、菠萝蜜和苹婆等果树为主，见于道路、庭院河岸等各类植物功能区，白颜树、美丽异木棉Ceiba speciosa和柳树Salix babylonica等景观观赏树种也较为常见，见于街边游憩广场或小游园；中层植被丰富度指数同样以R段最高(18)，A段(11)最低。相比之下，因包含小乔木、灌木和大型草本植物，群落下层植被丰富度指数较高，近东闸口的R-A2段丰富度指数达到了29，调查显示该段庭院面积较大，庭院内栽植经济类、观赏类果树等的可选择性较高，而近西闸口的R-A1段则庭院面积相对较小，植被多为盆栽为主，因而丰富度指数略低(11)；R和A段丰富度指数基本相当，植被以香蕉、青皮竹及龙眼为主。
表 2 不同高度层树种相对多度Table 2. Relative abundance of tree species at different heights河段 0~4 m 4~8 m ＞8 m 种名 相对多度/% 种名 相对多度/% 种名 相对多度/% R-A1 香蕉 82.02 龙眼 31.08 落羽杉 44.44 青皮竹 11.43 桃 27.03 龙眼 25.93 桂花 2.69 落羽杉 13.51 苦楝 Melia azedaeach 11.11 龙眼 1.85 白颜树 8.11 樟树Cinnamomum camphora 7.41 橡皮树Ficus elastica 0.50 荔枝Litchi chinensis 4.05 R 青皮竹 35.41 龙眼 45.22 大王椰子 43.33 香蕉 32.13 黄皮 14.01 白颜树 23.33 黄皮 16.39 苹婆 8.92 落羽杉 6.67 番石榴 4.43 菠萝蜜 5.10 龙眼 6.67 龙眼. 3.44 罗汉松Podocarpus macrophyllus 3.82 小叶榕 3.33 A 香蕉 63.51 龙眼 31.65 小叶榕 66.67 青皮竹 14.85 美丽异木棉Ceiba speciosa 25.32 苦楝 33.33 龙眼 5.36 黄皮 16.46 美丽异木棉 4.12 杨桃Averrhoa carambola 6.33 R-A2 香蕉 37.23 龙眼 52.00 大王椰子 55.56 龙眼 19.70 柳树Salix babylonica 13.09 小叶榄仁Terminalia neotaliala 27.78 青皮竹 16.01 菠萝蜜 12.73 龙眼 13.89 菠萝蜜 5.59 黄皮 7.27 黄皮 3.56 落羽杉 4.73 3.4 植物多样性特征
由图2可知：不同河段植被多样性指数波动较大，总体表现为R(2.52)＞R-A2(2.45)＞R-A1(1.53)＝A(1.53)，4个河段不同生活型植被多样性则表现为乔木＞灌木＞草本。均匀度指数差异较小，总体表现为R-A2(0.67)＞R(0.65)＞A(0.49)＞R-A1(0.45)，说明均匀度大小与河段用地类型和地理位置相关；不同河段乔灌草均匀度相对大小不同，R-A1段表现为乔木(0.74)＞灌木(0.69)＞草本(0.48)，R段表现灌木(0.82)＞乔木(0.80)＝草本(0.80)，A段表现为灌木(0.62)＞乔木(0.47)＞草本(0.43)，R-A2段表现为灌木(0.69)＞草木(0.68)＞乔本(0.65)。4类河段中R段多样性指数和均匀度指数均最高，主要原因是作为居住用地，R段两岸居住建筑分布多，人为活动频繁，受居民需求层次影响，庭院观赏植物更多，植物选择自由度较高，种类也较为丰富。而同为半居住半农业河段，近西闸的R-A1段乔木多样性高于近东闸口的R-A2段，原因在于西闸口居住建筑密度较高，居民更倾向选择乔木；而东闸口居住密度较小，人为干扰较小，大米草Spartina anglica，白花鬼针草Bidens alba等低矮灌木和草本植物更易生长，自然生态性较强。A段为农业用地，虽然干扰频率较低，但在以经济需求为本的人为管理下均质性较高，多为成片果树林或香蕉等可食用类植物，因此各类指数都低于其他河段。
3.5 居住建设活动对植物多样性的影响
实地调查发现：河涌南岸居住活动较为频繁，而北岸以农用地为主，因此本研究主要对南岸进行植物多样性与河道宽度和建筑盖度相关关系的分析。
Pearson相关性检验发现(图3)：河道宽度与河段区位相关性显著(r＝0.700，P＜0.05)，河道宽度不受用地的限制，而与河段区位直接相关；多重比较(LSD)发现：与其他河段相比，R-A2段河道宽度更大(P＜0.05)，其他河段河道宽度则无显著差异。对河道宽度与乔灌草的多样性和均匀度指数的相关性分析发现：河道宽度与草本植物多样性呈显著正相关(r＝0.537，P＜0.05)；单因素方差分析发现：R与R-A2段草本植物多样性差异显著(P＜0.05)，不同河段表现为R-A2＞A＞R-A1＞R，结合河道宽度认为，河段河道宽度越大，草本植物多样性越高，也就是说，河道宽度较高河段，其河岸带自然性较高，滨河自然野生草本植物生存空间较大，种类也较为丰富。
图 3 河道宽度与多样性指数分布关系图Figure 3. Distribution relationship between river width and diversity index如图4所示：不同河段植被均匀度指数变化较小，建筑盖度变化不明显。Pearson相关性分析发现：建筑盖度与灌木均匀度呈显著负相关(r＝−0.414，P＜0.05)，即建筑盖度越大，灌木分布越不均匀；主要原因在于建筑密集区，庭院分布也较为密集，桂花、九里香和散尾葵Chrysalidocarpus lutescens等常用做庭院造景灌木，受人为干较大；而在建筑盖度较低河段，由庭院导致的灌木分布不均匀的现象则相对较弱。
图 4 建筑盖度与均匀度指数分布关系图Figure 4. Distribution relationship between building coverage and eveness index总的来看，乔木和灌木在不同河段多样性差异不显著，受居住活动影响较小，表明整体乡村聚落河岸带植物景观较为统一，稳定性较强。河道宽度与草本植物多样性显著相关，建筑盖度与灌木均匀度显著相关；前者受河涌本身属性影响，而后者与人居庭院灌木选择的多样化相关，且由西闸口至东闸口的不同河段无明显上升或下降的变化规律，但呈现出多样性指数和河道宽度上升的变化趋势，而均匀度变化趋势则较为平缓。
4. 结论与讨论
4.1 结论
本次样地调查共记录河涌乡村聚落带内植物44科70属77种，其中乔木42种，灌木19种，草本13种，藤本3种；以蔷薇科和棕榈科植物种类数最多，桑科和芸香科次之。
不同河段优势植物种类无显著差异，乔木以龙眼、小叶榕和黄皮等为主，灌木以桂花、九里香和米仔兰为主，草本以香蕉和青皮竹为主。突显了居民的生存、感官和审美等不同层次需求。
由西至东不同河段乔木多样性呈下降趋势，灌木和草本无明显趋势，均匀度无明显变化趋势，但居住段乔灌草的多样性和均匀度指数明显高于其他河段，而农业段各项指数较低于其他河段；主要原因在于农业段受人为管理，栽植经济类树种，异质性较差，而居住密集区植物栽植以居民多样化需求为导向，植物多样性较高。河道宽度与草本植物多样性显著相关，建筑盖度与灌木均匀度显著相关，未发现其他显著相关特征；说明居住建设活动，如河道建设、房屋建设等，对河涌的主体植物，如大型乔灌木的影响较小，但对草本和灌木等低矮植物或盆栽类植物的影响较为显著。
不同河段间优势树种无明显差异，但不同高度层优势树种不同，下层以香蕉、青皮竹和龙眼为主，中层以龙眼、黄皮、落羽杉和白颜树为主，上层以龙眼、小叶榕和大王椰子为主。
4.2 讨论
研究区域虽然是高度人工化的河岸带生态系统，但乡村聚落居民的生活对自然界有很强的依赖性，而聚落树种的选择主要由乡村聚落的主体——人的本能需求为主导，是人为选择，但却是在“无意识”的经验下完成的[23]，说明：在乡村聚落长久的历史发展过程中，适应性强、经济价值高的树种获得了聚落居民的青睐而成为地域特征性树种，其重要值也较高。从个人层面到社会层面聚落居民需求可分为3个层次，第1层次，生存、感官和健康，即对植物作为可食用或可利用资源、环境净化和树冠遮光等的需求；第2层次，心理、审美和隐私，即对植物观赏属性、情感寄托和围合私密空间的需求；第3层次，群体、交通、安全和文化，即对植物构成的聚集空间，防护和集体意识形态层面的文化等的需求[24-26]。结合实地调查结果可知：优势植物不仅能够适应地域气候条件，还发挥了多种功能，以较高的经济和观赏等价值而得到广泛应用，并在邻里之间、代际之间传承[26-27]。在河涌区我们也发现：聚落居民需求主要停留在第1和第2层次，以食用和经济需求为首，观赏和感官等需求次之，因此在居民与植物的“双向选择”过程中，保留种类和数量最多的是果树，也就是说果树景观构成了河涌区的主体植物景观，并且不受用地类型和分布位置的限制[28]。
本研究依托河涌乡村聚落的线性特征，针对河涌两岸的用地状况进行植物多样性变化规律及其影响因素进行研究，分析乡村聚落带内植物基本特征、不同生活型及不同高度层的优势植物特征、植物多样性特征，以及居住建设活动对植物多样性特征的影响。唐赛男等[29]对乡村聚落植物多样性及人类活动对其影响的研究发现，不同人类活动影响下植物多样性等特征呈现出显著差异，尤其在典型带状特征河涌乡村聚落中，道路和居住建筑的建设活动对植物多样性的影响较为突出，并在不同用地类型中呈现出一定规律性，与本研究一致。带状河涌乡村聚落中，受居民需求导向影响，优势种以经济可食用植物为主，观赏和文化类为辅；居民居住活动，如居住建筑和庭院建设对乡村聚落整体植物多样性影响不大。以本研究为例，尽管居住用地植物多样性较农业用地高，但在统计学上差异不显著，居住用地仍然以经济类食用树种为主，这与农业用地主要树种相一致。但由于河段区位和居住建设活动的影响，盆栽灌木和草本类植物部分呈现显著差异。因此，在局部区域进行城镇化对大型乔灌多样性特征的影响不具有实际应用价值，但小尺度范围研究能体现出典型河涌的植物种属以及地域居民对植物的需求特征，突显出地域植物文化。
未来研究应进一步扩大研究范围，选取不同地区同类型以及同地区不同年代的乡村聚落带进行对比研究，增加乡村聚落样本量及其特征的差异性，以进一步说明在城镇化影响下，人类居住活动对植物景观的影响，以及不同地形地貌、气候及文化背景下，滨河乡村聚落植物多样性及其受城镇化影响程度的差异，以及乡村聚落近年来的发展趋势等，分析哪些人类活动以何种程度对乡村聚落的植物景观产生着积极的影响，哪些又产生了强烈的负面影响，去粗取精，探索改善人为干扰负面效应的方法，以指导乡村聚落规划建设活动，对无限制的城市化活动实现科学管控，保留具地域特色的乡村植物景观，建设人与自然和谐相处的乡村聚落生态环境。
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图 1 研究区海拔及采样点分布示意图
Figure 1 Elevation and sampling point distribution map of the study area
图 2 山核桃林地土壤肥力指标空间分布示意图
Figure 2 Spatial distribution map of soil fertility properties in Chinese hickory plantation
图 3 山核桃林地土壤肥力的相关分析
Figure 3 Correlation analysis of soil indicators in Chinese hickory plantation
图 4 山核桃林地土壤肥力等级空间分布示意图
Figure 4 Soil fertility level distribution map of Chinese hickory plantation
表 1 土壤肥力指标的平均相关系数和权重系数
Table 1. Average correlation coefficients and weight value of soil fertility indexes
指标 相关系数平均值 权重系数 pH 0.16 0.13 BD 0.19 0.15 OM 0.33 0.27 AN 0.23 0.19 AP 0.07 0.05 AK 0.09 0.08 TN 0.16 0.13 
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表 2 土壤肥力水平分级标准及各等级所占比例
Table 2. Classification standard of soil fertility and its proportion
等级 IFI 各等级比例/% 肥力水平 Ⅴ ≤0.40 2.99 差 Ⅳ (0.40~0.60] 23.88 较差 Ⅲ (0.60~0.70] 33.58 中等 Ⅱ (0.70~0.80] 20.15 良好 Ⅰ ＞0.80 19.40 优秀
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表 3 山核桃林地土壤肥力指标描述性统计
Table 3. Descriptive statistics of soil fertility properties in Chinese hickory plantation
项目 pH BD/(g·cm−3) OM/(g·kg−1) TN/(g·kg−1) AN/(mg·kg−1) AP/(mg·kg−1) AK/(mg·kg−1) 均值 5.39 1.14 42.13 2.33 115.89 1.47 82.69 最小值 4.60 0.58 10.51 0.32 1.39 0.03 10.04 最大值 8.24 1.70 153.11 12.31 311.57 16.94 273.72 标准差 0.55 0.16 22.22 1.58 57.73 2.23 46.26 变异系数/% 10.25 14.04 52.75 67.62 49.82 151.21 55.94 偏度 2.215(1.67) −0.110 2.262(0.22) 3.753(0.12) 0.670 3.515(0.01) 1.671(−0.33) 峰度 7.330(4.48) 1.800 7.226(0.89) 19.613(2.84) 1.070 17.839(−0.03) 3.709(1.18) K-S 0.024(0.07) 0.129 0.003(0.68) 0.000(0.07) 0.448 0.000(0.20) 0.004(0.64) 说明：括号内分别为经对数、Box-Cox转换后的偏度、峰度和K-S检验的显著性水平；n=134。
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表 4 山核桃林地土壤肥力指标半方差函数理论模型及其相关参数
Table 4. Semi-variogram model and parameters of soil fertility properties in Chinese hickory plantation
指标 理论模型 块金值$ \left({C}_{0}\right) $ 基台值$ {(C}_{0}+C) $ 变程/m 块基比$ [{C}_{0} $/($ {C}_{0}+C $)]/% R2 pH 球状模型 0.000 5 0.001 8 732 27.78 0.98 BD 指数模型 0.001 6 0.025 3 390 6.32 0.83 OM 高斯模型 0.029 5 0.067 9 2 364 43.44 0.83 TN 高斯模型 0.002 3 0.045 9 327 5.01 0.86 AN 指数模型 2 798.202 6 3 432.030 4 1 951 81.27 0.63 AP 球状模型 0.013 0 1.447 0 342 0.90 0.94 AK 球状模型 0.004 0 0.057 2 272 7.00 0.80
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表 5 土壤各肥力指标的主成分分析
Table 5. Principal component analysis of soil fertility properties
主成分 载荷值 特征根 方差贡献率/% 累计方差贡献率/% pH BD OM AN AP AK TN PC1 0.567 −0.782 0.925 0.838 0.036 0.045 0.383 2.641 37.735 37.735 PC2 0.186 0.156 0.018 0.019 0.790 0.722 −0.201 1.246 17.805 55.540 PC3 0.406 0.237 −0.025 0.188 −0.260 0.526 0.695 1.084 15.487 71.026
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