Spatial heterogeneity of soil nutrients and the influencing factors in Zhejiang subtropical nature reserve

清凉峰国家级自然保护区地处浙江省杭州市临安区西北部(30°00′42″~30°19′33″N，118°50′57″~119°13′23″E)，属于亚热带季风气候区，总面积为11252 hm²，最高海拔为1787.4 m，年平均气温为12.5 ℃，年降水量为1862.2~2331.9 mm。该区地层以侏罗系分布最广，主要包括中酸性火山岩、紫红色层状粉砂岩、粉晶灰岩、硅质页岩以及岩浆岩等，土壤结构由低海拔到高海拔呈现红壤带、山地黄壤带、山地棕黄壤带及草甸土带的垂直带谱。清凉峰由龙塘山、顺溪坞、千顷塘3块区域组成。本研究区域为龙塘山和顺溪坞(图1)，境内海拔高差悬殊，由西北向东南方向倾斜，地势呈现“高—低—高”特征。植被垂直分布明显，蕴藏着丰富的植物资源，包括华榛Corylus chinensis、银缕梅Parrotia subaequalis、鹅掌楸Liriodendron chinense等。因保护区内存在轻微的人为土地开垦活动，本研究将该部分区域(农用地)纳入研究，与其他自然区域进行对比分析。

Figure 1.  Spatial distribution and elevation information of soil sampling sites

基于样点分布的均质性和科学性原则，结合地形图和植被类型分布特征，在研究区内按等距离网格法布设1.0 km×1.0 km的样方。于2019年11月至2020年4月，在研究区每个样方中采集0~20 cm表层土壤样品3个，并均匀混合后得到1个土壤样品，共采集土壤样品56个。由于网格样方较大，为增加研究的精确性，采样过程中结合实际地形地势，在6个海拔范围(200~500、500~800、800~1 000、1 000~1 200、1 200~1 400、1 400~1 600 m)补充采集24个土壤样品，最终得到80个样品。采样时使用全球定位系统(GPS)记录样点地理信息和植被类型。土壤样品经风干，去除植物残体及石块等杂物，研磨过筛备用。

土壤样品养分测定^[13]：pH用pH酸度计测定；土壤有机质采用重铬酸钾氧化还原滴定法测定；全氮采用半微量凯氏法测定；全磷采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法测定；全钾采用氢氧化钠熔融-火焰分光光度法测定；容重采用环刀法测定。

研究区采用美国国家航空航天局(NASA)官方网站(https://search.asf.alaska.edu/#/)的12.5 m×12.5 m数字高程模型(DEM)。在采样时用GPS测定野外采样点实地坐标、高程数据。利用ArcGIS 10.2空间分析工具直接提取基本地形数据，结合空间分析工具、水文分析模块以及栅格计算器经复合计算获取坡度数值。

半方差函数是地统计学中描述变量的定量参数，在土壤元素空间变异性研究中应用广泛，用于揭示区域化变量的随机性和结构性特征，具体计算公式及参数见文献[14]。

半方差分析的参数中，块金值(C₀)表示由采样和检测分析误差引起的随机变异，基台值(C₀+C)代表总空间变异程度，块基比[C₀/(C₀+C)]表示随机变异的占比情况，用于衡量空间相关程度^[15]，变程(a)表示空间自相关的作用范围。

土壤属性在地理空间上与相邻区域的观测值存在的相互依赖性，即空间自相关，可用全局Moran’s I指数(I_N)反映指标的空间自相关性大小，具体计算公式及参数见文献[16]。I_N指数取值范围是−1~1，小于0表示负相关，等于0表示不相关，大于0表示正相关。I_N的显著性水平采用下式检验：

其中：Z为检验I_N指数的显著性统计量；E(I_N)为期望值；var(I_N)为方差。$ \left| Z \right| $≥1.96和$ \left| Z \right| $≥2.58分别是空间自相关显著和极显著的分界值。

本研究利用3倍标准差法(阈值法)剔除统计数据的异常值^[17]。采用SPSS 20.0软件进行土壤养分数据的描述性统计分析、数据正态性检验[Kolmogorov-Smirnov (K-S)法]、不同植被下土壤养分的显著性检验、地形因子和土壤养分之间的相关性分析；采用GS+7.0软件进行半变异函数分析和相关模型参数优化；利用Geoda进行空间自相关计算；基于ArcGIS 10.7软件进行地形因子的计算和插值图的绘制。

龙塘山-顺溪坞土壤养分元素质量分数描述性统计结果如表1所示。土壤pH为3.82~6.70，均值为5.10，属于酸性土壤；研究区土壤有机质、全磷、全氮、全钾平均质量分数分别为65.04、0.67、1.63、18.45 g·kg⁻¹。根据全国第2次土壤普查属性分级标准^[18]，有机质质量分数处于极丰富水平(一级)，全氮处于丰富水平(二级)，全钾、全磷质量分数处于较丰富水平(三级)。土壤各养分的变异系数为12%~50%，根据王政权等^[19]划分标准，所有养分均属于中等程度变异。K-S法正态性检验结果显示：pH、全氮符合正态分布，有机质、全磷、全钾经对数转换后符合正态分布。

在一定的分离距离内，土壤pH和各养分的半方差均随分离距离的增加而增大(图2)，最终近似趋于基台值或是围绕基台值上下波动，说明各养分在采样尺度上有一定的空间依赖性^[20]。

Figure 2.  Semivariograms of soil fertility properties in Longtangshan-Shunxiwu

利用地统计学半方差特征参数函数分析各养分的理论拟合模型(表2)。土壤pH、有机质、全磷质量分数分布符合指数模型，土壤全氮、全钾质量分数分布符合高斯模型。拟合模型能较准确反映龙塘山-顺溪坞土壤养分的空间变异结构特征(决定系数R²＞0.5)。土壤有机质、全氮、全钾的块基比分别为0.23、0.11、0.18，表现为强烈空间自相关，说明其变异主要受结构性因素影响。土壤pH、全磷的块基比分别为0.26、0.50，处于中等强度的空间相关性，表明随机因素可能存在一定的影响。I_N指数分析结果显示：土壤有机质具有极显著的空间自相关性(P＜0.01，Z＞2.56)，表明有机质分布较聚集；而土壤全氮、全钾的空间自相关性不显著，在空间上呈离散分布。土壤pH的变程很小，说明土壤pH的主控因素的空间连续性尺度较小，分布趋向于随机化，这与I_N显著性检验结果较为一致。

龙塘山-顺溪坞土壤养分质量分数的空间分布如图3所示。整体上，各土壤养分的空间分布不均，斑块特征显著，表现较为明显的空间异质性。土壤pH处于5.0~5.5的范围最大，整体呈酸性；有机质质量分数大于40 g·kg⁻¹的点位分布广泛，高值区集中分布在中偏西北部，少量分布在东南部，低值区以斑状散布在整个研究区；全氮的高值区以斑状散布在研究区边缘且主要分布于西北、东南两端，低值区则以斑块状散布于研究区内部；全磷、全钾高低值区分布较为分散，在海拔较高处分布着明显的低值区。在南部(海拔为340~816 m)出现土壤pH、全磷、全钾质量分数较高而土壤有机质和土壤全氮质量分数较低的情况。

Figure 3.  Spatial distribution map of soil fertility properties in Longtangshan-Shunxiwu

龙塘山-顺溪坞土壤养分与环境因子的相关分析结果显示(图4)：有机质和全氮与地形因子具有较为一致的相关性。线性拟合结果表明：土壤有机质和全氮之间呈极显著的正相关性(P＜0.01)(图5)。有机质和全氮均与海拔呈极显著正相关(P＜0.01)；全磷、全钾质量分数呈现出随海拔升高而下降的趋势；有机质和全氮与坡度、土壤容重均呈极显著负相关(P＜0.01)；土壤pH与土壤容重呈正相关性(P＜0.05)，土壤全磷与土壤容重呈极显著正相关(P＜0.01)。

Figure 4.  Correlation analysis between soil nutrients and environmental factors in Longtangshan-Shunxiwu

Figure 5.  Relationship between soil organic matter and total nitrogen

为了进一步研究龙塘山-顺溪坞土壤有机质和全氮随海拔变化的规律，将海拔划分为200~500、500~800、800~1 000、1 000~1 200、1 200~1 400、1 400~1 600 m等6个等级(下文分别以1、2、3、4、5、6级海拔代替) (图6)。由图6可知：土壤有机质和土壤全氮随海拔升高而增加，变化规律一致。在1、2级海拔，土壤有机质和土壤全氮与3、4、5、6级海拔间均存在显著差异(P＜0.05)。

Figure 6.  Characteristics of soil fertility properties under different elevations in Longtangshan-Shunxiwu

有机质和全氮质量分数随着容重增加而减少(表3)，有机质质量分数下降较快，全氮质量分数下降较慢。土壤pH和全磷随着容重增加而增加，表明pH和全磷与土壤容重呈正向相关性，且两者上升趋势较小，总体变化平缓。

对龙塘山-顺溪坞不同植被类型下土壤养分质量分数进行统计(表4)可知：不同植被类型对土壤养分均有影响，且对土壤有机质和全氮的影响达显著水平(P＜0.05)。与其他植被类型土壤相比，农田土壤有机质和全氮质量分数偏低，而土壤pH、全磷较高；草甸中土壤有机质质量分数最高；针叶林土壤全钾质量分数最高。

本研究结果显示：龙塘山-顺溪坞区土壤中所有养分均属于中等程度变异，并且有机质变异系数最高，表明其易受结构因素和随机因素影响。空间变异主要分为结构因素变异和随机因素变异^[7]。本研究中，土壤pH、土壤全磷的块基比分别为0.26、0.50，呈中等强度的空间自相关性，说明自然和人为因素共同对目标变量存在影响。土壤有机质、全氮、全钾的块基比分别为0.23、0.11、0.18，表现为强烈空间自相关，说明其变异主要受土壤母质、植被、地形等非人为因素影响。成土母质及其风化程度也是影响土壤养分分布状况的主要因素^[21]，但也有研究表明：母质对土壤有机质、全氮、有效磷质量分数的影响并无显著差异^[22]。本研究区土壤母质在景观尺度上的变异较为平稳，主要是酸性岩石矿物，因此对母质因子不作重点分析。地形因子导致的水热分布差异是造成土壤属性空间异质性的重要原因^[23−24]。森林土壤有机质空间分布受地形地貌等自然因素以及受其制约的土地利用的影响较大，受人类活动、耕作措施等随机因素影响很小^[25]。由龙塘山-顺溪坞的DEM图可知：该研究区的高海拔区主要分布在西北和东南部，与土壤有机质和全氮高值区的空间分布特点具有较高的一致性。总体上，龙塘山-顺溪坞土壤养分质量分数较高，随地势的空间连续性尺度较小，分布随机化而且各土壤养分的空间变异较大，说明土壤养分的空间异质性可能受地形地势等自然因素的影响。

总体来看，该研究区的土壤养分质量分数均较高，但全钾、全磷质量分数相对较低，多数全磷、全钾低值区分布于海拔较高处，可能与该区受地形因子控制的降水量有关^[26]。海拔升高到一定高度时，降水量的增加加强了磷、钾流失。可见高海拔处的植被生产力可能易受磷、钾养分限制。在该研究区南部海拔340~816 m处存在着大面积土壤pH、全磷、全钾质量分数较高而土壤有机质和全氮质量分数较低区域。这可能与该区域的新增农田有关。有研究表明：施肥会增加土壤酸性以及磷、钾质量分数^[27]。与耕地相比，自然土地的人为干扰少且凋落物养分归还多，土壤有机质和全氮质量分数较高^[28]。

土壤养分的空间异质性受地形地势等自然因素的影响^[23]，不同海拔带间的水热分布、温湿度差异等会影响土壤养分的迁移、转化与累积，海拔因素是影响森林土壤有机碳积累的主导因子之一^[29]。本研究表明：土壤有机质和全氮均与海拔呈极显著正相关，有机质在1、2级海拔和3、4、5、6级海拔间均存在显著差异。张亚茹等^[30]在鼎湖山研究表明：土壤有机质具有明显的空间变异性且随海拔升高而增加。两者的研究结果一致。在高海拔处的低温环境中，微生物活性降低而凋落物增加，一方面增加了土壤有机碳的归还与积累，另一方面减慢了有机质分解转化速率。本研究结果显示：有机质和全氮呈显著正相关，这与相关森林土壤研究的结果一致^[24]，并且有机质和全氮与海拔因子具有较为一致的相关性。总体上，在低海拔处，水、气、热等条件有利于加速土壤中物质循环，从而提高土壤养分的利用率。随着海拔升高，气温降低，湿度变大，植物蒸腾作用减弱，微生物对凋落物及动植物残体等的分解活动减弱，生物积累作用增强，造成有机质、全氮质量分数显著高于低海拔地区^[11]。

本研究区中土壤全磷、全钾质量分数呈现出随海拔升高而下降的趋势，这可能与磷、钾的元素特性有关。在低山丘陵区，海拔较高的地方受水流的侵蚀作用较强，导致土壤强淋失，降低土壤中钾质量分数^[31]。在自然生态系统中，与土壤有机质和全氮不同，土壤磷主要来源于基岩的风化^[32]，并通过植物的聚集作用积累在表层土壤。凋落物中的磷是表层土壤磷的主要来源^[33]。随着海拔升高，气温和热量下降，凋落物的分解速率降低，阻碍了植物的聚集作用，减少了土壤中磷的输入。坡度是影响土壤养分分布的重要因素之一，它能够调节地表径流，改变土壤养分的空间分布^[11]。本研究中土壤有机质和全氮与坡度呈极显著负相关，坡度增大，地表径流和侵蚀变强，地表的扰动作用减少了土壤有机质和全氮的质量分数。

本研究发现：土壤有机质和全氮质量分数随着容重增加而减少，这可能与受容重因子控制的土壤储水量有关。土壤储水量会随容重的减小而增加，因为随土壤容重的减小，土壤团粒结构和土壤有效孔隙增多，土壤结构得到改善，导致入渗能力、持水能力增大^[28]，有利于植物细根的穿插和发育，提升土壤养分循环，从而进一步提高土壤有机质回归能力和氮矿化速率^[34]。本研究中，pH和全磷与土壤容重呈正相关。pH变化较慢，这可能是由于自然保护区的原始生态保存较为完好，研究区土壤酸性主要来自于空间连续性尺度较小的酸性土壤母岩。磷通过凋落物和根系分泌物等途径归还土壤。随土壤容重增大，土壤持水能力降低，凋落物和根系分泌物的生物化学反应加剧，可促进磷元素的溶解与周转^[33−35]。研究发现：土壤pH和全磷与土壤有机质呈负相关^[27]。本研究区土壤整体呈酸性，土壤有机质随着容重减少而增加，同时土壤pH和全磷相应降低。总体上，随着土壤容重的变化，有机质变化较大，而全氮、全磷的变化则相反，这与有机质高值区分布较为集中而低值区分散，全氮和全磷分布较离散的研究结果一致。

植物体养分通过凋落物的归还和植物根系的输送直接影响土壤养分质量分数及分布。本研究结果显示：不同植被类型对土壤有机质和全氮的影响达显著水平，草甸土壤中有机质和全氮质量分数最高。相关研究发现：草甸土中有机质质量分数高于针叶林中^[36]，浙江省乌岩岭不同植被类型土壤中有机质质量分数从大到小依次为针阔混交林、竹林、农地^[37]。本研究结果与相关学者的研究结果较为一致。海拔可通过改变植被覆盖度、草地生产力等来实现对表层土壤有机质的影响。水、气、热条件随海拔变化，而这些自然条件制约着植被类型，影响着植被的养分消耗与归还，进而影响植物根系对土壤有机碳的输送量。同时，温、湿度等环境条件影响微生物对表层土壤凋落物的分解和转化。本研究中，草甸大面积分布在高海拔区域，随着海拔高度的增加，气温下降，使得有机质分解转化速率减慢，而草地覆盖度及有机碳输送能力增加，有机质易于积累。刘跃建等^[38]研究表明：随海拔升高，草甸土中全氮质量分数明显高于其他森林植被类型土壤中的全氮，且全氮与有机质对环境因子的响应具有一致性。植物体养分循环是土壤全钾质量分数的主要决定过程之一。相对于其他植被类型，针叶林土壤全钾质量分数较高，可能是因为针叶林凋落物对土壤全钾有更明显的富集作用。

清凉峰国家级自然保护区内龙塘山-顺溪坞土壤养分全磷、全钾质量分数相对较低，各土壤养分均表现为中等程度变异，具有较为明显的空间异质性。养分低值区普遍以斑状散布在研究区中，土壤有机质、全氮的高值区集中分布于西北及东南部分区域，而全磷、全钾的高值区分布较为分散。总体上，土壤养分空间分布较为破碎化，斑块特征显著。受结构性因素影响，土壤有机质和全氮与海拔、坡度、容重、植被类型的相关性达显著水平，全磷仅与容重的相关性达显著水平。研究区内土壤酸性较强，同时受地形地势的影响，研究区内土壤存在水土流失及土壤养分淋失风险，建议注重高海拔区水土保持。