浙江亞熱帶自然保護(hù)區(qū)土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性及其影響因素

杜芳芳，童根平，郭 瑞，姜霓雯，葉正錢，傅偉軍

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 311300；2.浙江清涼峰國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，浙江 杭州 311321）

土壤與植被是緊密相連的整體，土壤養(yǎng)分直接影響著植物的生長(zhǎng)狀況[1]。相關(guān)研究表明：土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布存在空間異質(zhì)性[2?4]。目前，已有眾多學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)不同氣候帶、不同地形區(qū)的土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性進(jìn)行了研究。例如，廣西熱帶地區(qū)北部森林土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于南部[5]，浙江中亞熱帶安吉縣毛竹Phyllostachys edulis林土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)中等程度的空間變異(變異系數(shù)為10%～90%)[6]，溫帶針闊混交林的土壤有機(jī)質(zhì)、全磷等養(yǎng)分空間特征表現(xiàn)出由植被類型引起的條帶狀和斑塊狀分布[7]。也有學(xué)者研究了亞熱帶土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性，如FU等[8]和董佳琦等[9]探討了浙江亞熱帶的山核桃Carya cathayensis林和香榧Torreya grandis‘Merrillii’ 林地土壤養(yǎng)分空間分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)果實(shí)養(yǎng)分和土壤養(yǎng)分的空間分布格局具有相似性，大面積山核桃林具有較低的土壤pH和土壤磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，香榧主產(chǎn)區(qū)土壤養(yǎng)分失衡現(xiàn)象較為嚴(yán)重，應(yīng)調(diào)整并改善區(qū)域施肥及管理模式；牛文鵬等[10]對(duì)珠江三角洲耕地、園地土壤養(yǎng)分空間變異特征的研究發(fā)現(xiàn)：土壤全氮、全鉀空間異質(zhì)性較高，土壤養(yǎng)分分布受控于氣候、地形等自然因素，這對(duì)因地制宜選擇作物種類具有指導(dǎo)意義；李超等[11]對(duì)亞熱帶高原耕地土壤主要養(yǎng)分空間變異規(guī)律的研究闡明了有機(jī)質(zhì)與海拔的相關(guān)關(guān)系，為合理改良和利用耕地資源提供了依據(jù)。研究土壤養(yǎng)分空間分布的變異及其影響因素，可為探明區(qū)域土壤生產(chǎn)力，管理植被資源提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)理論。目前，關(guān)于亞熱帶土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的研究多集中于經(jīng)濟(jì)林和耕地等，缺乏亞熱帶天然生態(tài)系統(tǒng)的土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性研究。

清涼峰是中國(guó)的典型亞熱帶國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，地處浙江省杭州市臨安區(qū)境內(nèi)。區(qū)內(nèi)植被資源豐富，育有多種國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)的珍稀特色植物種群。當(dāng)前，對(duì)清涼峰的研究集中在探究保護(hù)區(qū)內(nèi)植物多樣性及地理分布等方面。此外，已有學(xué)者分析了該區(qū)內(nèi)華南梅花鹿Cervus pseudaxis主要棲息地千頃塘的土壤肥力指標(biāo)的空間變異規(guī)律[12]，但對(duì)于土壤養(yǎng)分特征缺乏更全面、系統(tǒng)的調(diào)查研究。本研究的目的是：揭示亞熱帶地區(qū)天然生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征；探明亞熱帶地區(qū)天然生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律；解譯亞熱帶地區(qū)天然生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分空間變異的影響因素，以期為保護(hù)中國(guó)亞熱帶丘陵地區(qū)的珍稀植被和天然生態(tài)系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

清涼峰國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)地處浙江省杭州市臨安區(qū)西北部 (30°00′42″～30°19′33″N，118°50′57″～119°13′23″E)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，總面積為11 252 hm2，最高海拔為 1 787.4 m，年平均氣溫為12.5 ℃，年降水量為 1 862.2～2 331.9 mm。該區(qū)地層以侏羅系分布最廣，主要包括中酸性火山巖、紫紅色層狀粉砂巖、粉晶灰?guī)r、硅質(zhì)頁(yè)巖以及巖漿巖等，土壤結(jié)構(gòu)由低海拔到高海拔呈現(xiàn)紅壤帶、山地黃壤帶、山地棕黃壤帶及草甸土帶的垂直帶譜。清涼峰由龍?zhí)辽?、順溪塢、千頃塘3塊區(qū)域組成。本研究區(qū)域?yàn)辇執(zhí)辽胶晚樝獕](圖1)，境內(nèi)海拔高差懸殊，由西北向東南方向傾斜，地勢(shì)呈現(xiàn)“高—低—高”特征。植被垂直分布明顯，蘊(yùn)藏著豐富的植物資源，包括華榛Corylus chinensis、銀縷梅Parrotia subaequalis、鵝掌楸Liriodendron chinense等。因保護(hù)區(qū)內(nèi)存在輕微的人為土地開墾活動(dòng)，本研究將該部分區(qū)域(農(nóng)用地)納入研究，與其他自然區(qū)域進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 研究區(qū)樣點(diǎn)分布及海拔信息示意圖Figure 1 Spatial distribution and elevation information of soil sampling sites

2 研究方法

2.1 樣品采集與分析

基于樣點(diǎn)分布的均質(zhì)性和科學(xué)性原則，結(jié)合地形圖和植被類型分布特征，在研究區(qū)內(nèi)按等距離網(wǎng)格法布設(shè)1.0 km×1.0 km的樣方。于2019年11月至2020年4月，在研究區(qū)每個(gè)樣方中采集0～20 cm表層土壤樣品3個(gè)，并均勻混合后得到1個(gè)土壤樣品，共采集土壤樣品56個(gè)。由于網(wǎng)格樣方較大，為增加研究的精確性，采樣過(guò)程中結(jié)合實(shí)際地形地勢(shì)，在6個(gè)海拔范圍(200～500、500～800、800～1 000、1 000～1 200、1 200～1 400、1 400～1 600 m)補(bǔ)充采集 24 個(gè)土壤樣品，最終得到 80 個(gè)樣品。采樣時(shí)使用全球定位系統(tǒng)(GPS)記錄樣點(diǎn)地理信息和植被類型。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干，去除植物殘?bào)w及石塊等雜物，研磨過(guò)篩備用。

土壤樣品養(yǎng)分測(cè)定[13]：pH用pH酸度計(jì)測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化還原滴定法測(cè)定；全氮采用半微量凱氏法測(cè)定；全磷采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰分光光度法測(cè)定；容重采用環(huán)刀法測(cè)定。

2.2 地形數(shù)據(jù)提取

研究區(qū)采用美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)官方網(wǎng)站(https://search.asf.alaska.edu/#/)的12.5 m×12.5 m數(shù)字高程模型(DEM)。在采樣時(shí)用GPS測(cè)定野外采樣點(diǎn)實(shí)地坐標(biāo)、高程數(shù)據(jù)。利用ArcGIS 10.2空間分析工具直接提取基本地形數(shù)據(jù)，結(jié)合空間分析工具、水文分析模塊以及柵格計(jì)算器經(jīng)復(fù)合計(jì)算獲取坡度數(shù)值。

2.3 地統(tǒng)計(jì)分析

半方差函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中描述變量的定量參數(shù)，在土壤元素空間變異性研究中應(yīng)用廣泛，用于揭示區(qū)域化變量的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性特征，具體計(jì)算公式及參數(shù)見文獻(xiàn)[14]。

半方差分析的參數(shù)中，塊金值(C0)表示由采樣和檢測(cè)分析誤差引起的隨機(jī)變異，基臺(tái)值(C0+C)代表總空間變異程度，塊基比[C0/(C0+C)]表示隨機(jī)變異的占比情況，用于衡量空間相關(guān)程度[15]，變程(a)表示空間自相關(guān)的作用范圍。

2.4 空間自相關(guān)計(jì)算

土壤屬性在地理空間上與相鄰區(qū)域的觀測(cè)值存在的相互依賴性，即空間自相關(guān)，可用全局Moran’sI指數(shù)(IN)反映指標(biāo)的空間自相關(guān)性大小，具體計(jì)算公式及參數(shù)見文獻(xiàn)[16]。IN指數(shù)取值范圍是?1～1，小于0表示負(fù)相關(guān)，等于0表示不相關(guān)，大于0表示正相關(guān)。IN的顯著性水平采用下式檢驗(yàn)：

其中：Z為檢驗(yàn)IN指數(shù)的顯著性統(tǒng)計(jì)量；E(IN)為期望值；var(IN)為方差。|Z|≥1.96和 |Z|≥2.58分別是空間自相關(guān)顯著和極顯著的分界值。

2.5 數(shù)據(jù)處理

本研究利用3倍標(biāo)準(zhǔn)差法(閾值法)剔除統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的異常值[17]。采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)正態(tài)性檢驗(yàn)[Kolmogorov-Smirnov (K-S)法]、不同植被下土壤養(yǎng)分的顯著性檢驗(yàn)、地形因子和土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性分析；采用GS+7.0軟件進(jìn)行半變異函數(shù)分析和相關(guān)模型參數(shù)優(yōu)化；利用Geoda進(jìn)行空間自相關(guān)計(jì)算；基于ArcGIS 10.7軟件進(jìn)行地形因子的計(jì)算和插值圖的繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)分析

龍?zhí)辽?順溪塢土壤養(yǎng)分元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。土壤pH為3.82～6.70，均值為5.10，屬于酸性土壤；研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全磷、全氮、全鉀平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為65.04、0.67、1.63、18.45 g·kg?1。根據(jù)全國(guó)第2次土壤普查屬性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[18]，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于極豐富水平(一級(jí))，全氮處于豐富水平(二級(jí))，全鉀、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于較豐富水平(三級(jí))。土壤各養(yǎng)分的變異系數(shù)為12%～50%，根據(jù)王政權(quán)等[19]劃分標(biāo)準(zhǔn)，所有養(yǎng)分均屬于中等程度變異。K-S法正態(tài)性檢驗(yàn)結(jié)果顯示：pH、全氮符合正態(tài)分布，有機(jī)質(zhì)、全磷、全鉀經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布。

表1 龍?zhí)辽?順溪塢土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Descriptive statistical characteristics of soil fertility properties in Longtangshan-Shunxiwu

3.2 土壤養(yǎng)分地統(tǒng)計(jì)分析

在一定的分離距離內(nèi)，土壤pH和各養(yǎng)分的半方差均隨分離距離的增加而增大(圖2)，最終近似趨于基臺(tái)值或是圍繞基臺(tái)值上下波動(dòng)，說(shuō)明各養(yǎng)分在采樣尺度上有一定的空間依賴性[20]。

圖2 龍?zhí)辽?順溪塢土壤養(yǎng)分半變異函數(shù)分析Figure 2 Semivariograms of soil fertility properties in Longtangshan-Shunxiwu

利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)半方差特征參數(shù)函數(shù)分析各養(yǎng)分的理論擬合模型(表2)。土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布符合指數(shù)模型，土壤全氮、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布符合高斯模型。擬合模型能較準(zhǔn)確反映龍?zhí)辽?順溪塢土壤養(yǎng)分的空間變異結(jié)構(gòu)特征(決定系數(shù)R2＞0.5)。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀的塊基比分別為0.23、0.11、0.18，表現(xiàn)為強(qiáng)烈空間自相關(guān)，說(shuō)明其變異主要受結(jié)構(gòu)性因素影響。土壤pH、全磷的塊基比分別為0.26、0.50，處于中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性，表明隨機(jī)因素可能存在一定的影響。IN指數(shù)分析結(jié)果顯示：土壤有機(jī)質(zhì)具有極顯著的空間自相關(guān)性(P＜0.01，Z＞2.56)，表明有機(jī)質(zhì)分布較聚集；而土壤全氮、全鉀的空間自相關(guān)性不顯著，在空間上呈離散分布。土壤pH的變程很小，說(shuō)明土壤pH的主控因素的空間連續(xù)性尺度較小，分布趨向于隨機(jī)化，這與IN顯著性檢驗(yàn)結(jié)果較為一致。

表2 土壤養(yǎng)分半變異模型參數(shù)及 IN 指數(shù)Table 2 Semivariogram model parameters of soil fertility properties and global IN index

3.3 土壤養(yǎng)分空間分布格局

龍?zhí)辽?順溪塢土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的空間分布如圖3所示。整體上，各土壤養(yǎng)分的空間分布不均，斑塊特征顯著，表現(xiàn)較為明顯的空間異質(zhì)性。土壤pH處于5.0～5.5的范圍最大，整體呈酸性；有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于40 g·kg?1的點(diǎn)位分布廣泛，高值區(qū)集中分布在中偏西北部，少量分布在東南部，低值區(qū)以斑狀散布在整個(gè)研究區(qū)；全氮的高值區(qū)以斑狀散布在研究區(qū)邊緣且主要分布于西北、東南兩端，低值區(qū)則以斑塊狀散布于研究區(qū)內(nèi)部；全磷、全鉀高低值區(qū)分布較為分散，在海拔較高處分布著明顯的低值區(qū)。在南部(海拔為340～816 m)出現(xiàn)土壤pH、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高而土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的情況。

圖3 龍?zhí)辽?順溪塢土壤養(yǎng)分空間分布示意圖Figure 3 Spatial distribution map of soil fertility properties in Longtangshan-Shunxiwu

3.4 土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性影響因子

龍?zhí)辽?順溪塢土壤養(yǎng)分與環(huán)境因子的相關(guān)分析結(jié)果顯示(圖4)：有機(jī)質(zhì)和全氮與地形因子具有較為一致的相關(guān)性。線性擬合結(jié)果表明：土壤有機(jī)質(zhì)和全氮之間呈極顯著的正相關(guān)性(P＜0.01)(圖5)。有機(jī)質(zhì)和全氮均與海拔呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)；全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出隨海拔升高而下降的趨勢(shì)；有機(jī)質(zhì)和全氮與坡度、土壤容重均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)；土壤pH與土壤容重呈正相關(guān)性(P＜0.05)，土壤全磷與土壤容重呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)。

圖4 龍?zhí)辽?順溪塢土壤養(yǎng)分與環(huán)境因子的相關(guān)分析Figure 4 Correlation analysis between soil nutrients and environmental factors in Longtangshan-Shunxiwu

圖5 土壤有機(jī)質(zhì)與土壤全氮的關(guān)系Figure 5 Relationship between soil organic matter and total nitrogen

3.4.1 海拔對(duì)土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的影響 為了進(jìn)一步研究龍?zhí)辽?順溪塢土壤有機(jī)質(zhì)和全氮隨海拔變化的規(guī)律，將海拔劃分為200～500、500～800、800～1 000、1 000～1 200、1 200～1 400、1 400～1 600 m等6個(gè)等級(jí)(下文分別以1、2、3、4、5、6級(jí)海拔代替) (圖6)。由圖6可知：土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮隨海拔升高而增加，變化規(guī)律一致。在1、2級(jí)海拔，土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮與3、4、5、6級(jí)海拔間均存在顯著差異(P＜0.05)。

圖6 龍?zhí)辽?順溪塢不同海拔土壤養(yǎng)分特征Figure 6 Characteristics of soil fertility properties under different elevations in Longtangshan-Shunxiwu

3.4.2 土壤容重對(duì)土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的影響 有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著容重增加而減少(表3)，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降較快，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降較慢。土壤pH和全磷隨著容重增加而增加，表明pH和全磷與土壤容重呈正向相關(guān)性，且兩者上升趨勢(shì)較小，總體變化平緩。

表3 龍?zhí)辽?順溪塢土壤化學(xué)性質(zhì)隨土壤容重的變化Table 3 Changes of soil chemical properties with soil bulk density in Longtangshan-Shunxiwu

3.4.3 植被類型對(duì)土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的影響 對(duì)龍?zhí)辽?順溪塢不同植被類型下土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表4)可知：不同植被類型對(duì)土壤養(yǎng)分均有影響，且對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的影響達(dá)顯著水平(P＜0.05)。與其他植被類型土壤相比，農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低，而土壤pH、全磷較高；草甸中土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高；針葉林土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高。

表4 龍?zhí)辽?順溪塢不同植被類型下土壤養(yǎng)分特征Table 4 Characteristics of soil fertility properties under different vegetation types in Longtangshan-Shunxiwu

4 討論

4.1 土壤養(yǎng)分空間分布特征

本研究結(jié)果顯示：龍?zhí)辽?順溪塢區(qū)土壤中所有養(yǎng)分均屬于中等程度變異，并且有機(jī)質(zhì)變異系數(shù)最高，表明其易受結(jié)構(gòu)因素和隨機(jī)因素影響。空間變異主要分為結(jié)構(gòu)因素變異和隨機(jī)因素變異[7]。本研究中，土壤pH、土壤全磷的塊基比分別為0.26、0.50，呈中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性，說(shuō)明自然和人為因素共同對(duì)目標(biāo)變量存在影響。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀的塊基比分別為0.23、0.11、0.18，表現(xiàn)為強(qiáng)烈空間自相關(guān)，說(shuō)明其變異主要受土壤母質(zhì)、植被、地形等非人為因素影響。成土母質(zhì)及其風(fēng)化程度也是影響土壤養(yǎng)分分布狀況的主要因素[21]，但也有研究表明：母質(zhì)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響并無(wú)顯著差異[22]。本研究區(qū)土壤母質(zhì)在景觀尺度上的變異較為平穩(wěn)，主要是酸性巖石礦物，因此對(duì)母質(zhì)因子不作重點(diǎn)分析。地形因子導(dǎo)致的水熱分布差異是造成土壤屬性空間異質(zhì)性的重要原因[23?24]。森林土壤有機(jī)質(zhì)空間分布受地形地貌等自然因素以及受其制約的土地利用的影響較大，受人類活動(dòng)、耕作措施等隨機(jī)因素影響很小[25]。由龍?zhí)辽?順溪塢的DEM圖可知：該研究區(qū)的高海拔區(qū)主要分布在西北和東南部，與土壤有機(jī)質(zhì)和全氮高值區(qū)的空間分布特點(diǎn)具有較高的一致性?？傮w上，龍?zhí)辽?順溪塢土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，隨地勢(shì)的空間連續(xù)性尺度較小，分布隨機(jī)化而且各土壤養(yǎng)分的空間變異較大，說(shuō)明土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性可能受地形地勢(shì)等自然因素的影響。

總體來(lái)看，該研究區(qū)的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較高，但全鉀、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低，多數(shù)全磷、全鉀低值區(qū)分布于海拔較高處，可能與該區(qū)受地形因子控制的降水量有關(guān)[26]。海拔升高到一定高度時(shí)，降水量的增加加強(qiáng)了磷、鉀流失?？梢姼吆０翁幍闹脖簧a(chǎn)力可能易受磷、鉀養(yǎng)分限制。在該研究區(qū)南部海拔340～816 m處存在著大面積土壤pH、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高而土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低區(qū)域。這可能與該區(qū)域的新增農(nóng)田有關(guān)。有研究表明：施肥會(huì)增加土壤酸性以及磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)[27]。與耕地相比，自然土地的人為干擾少且凋落物養(yǎng)分歸還多，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高[28]。

4.2 土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性影響因子

土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性受地形地勢(shì)等自然因素的影響[23]，不同海拔帶間的水熱分布、溫濕度差異等會(huì)影響土壤養(yǎng)分的遷移、轉(zhuǎn)化與累積，海拔因素是影響森林土壤有機(jī)碳積累的主導(dǎo)因子之一[29]。本研究表明：土壤有機(jī)質(zhì)和全氮均與海拔呈極顯著正相關(guān)，有機(jī)質(zhì)在1、2級(jí)海拔和3、4、5、6級(jí)海拔間均存在顯著差異。張亞茹等[30]在鼎湖山研究表明：土壤有機(jī)質(zhì)具有明顯的空間變異性且隨海拔升高而增加。兩者的研究結(jié)果一致。在高海拔處的低溫環(huán)境中，微生物活性降低而凋落物增加，一方面增加了土壤有機(jī)碳的歸還與積累，另一方面減慢了有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化速率。本研究結(jié)果顯示：有機(jī)質(zhì)和全氮呈顯著正相關(guān)，這與相關(guān)森林土壤研究的結(jié)果一致[24]，并且有機(jī)質(zhì)和全氮與海拔因子具有較為一致的相關(guān)性。總體上，在低海拔處，水、氣、熱等條件有利于加速土壤中物質(zhì)循環(huán)，從而提高土壤養(yǎng)分的利用率。隨著海拔升高，氣溫降低，濕度變大，植物蒸騰作用減弱，微生物對(duì)凋落物及動(dòng)植物殘?bào)w等的分解活動(dòng)減弱，生物積累作用增強(qiáng)，造成有機(jī)質(zhì)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于低海拔地區(qū)[11]。

本研究區(qū)中土壤全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出隨海拔升高而下降的趨勢(shì)，這可能與磷、鉀的元素特性有關(guān)。在低山丘陵區(qū)，海拔較高的地方受水流的侵蝕作用較強(qiáng)，導(dǎo)致土壤強(qiáng)淋失，降低土壤中鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)[31]。在自然生態(tài)系統(tǒng)中，與土壤有機(jī)質(zhì)和全氮不同，土壤磷主要來(lái)源于基巖的風(fēng)化[32]，并通過(guò)植物的聚集作用積累在表層土壤。凋落物中的磷是表層土壤磷的主要來(lái)源[33]。隨著海拔升高，氣溫和熱量下降，凋落物的分解速率降低，阻礙了植物的聚集作用，減少了土壤中磷的輸入。坡度是影響土壤養(yǎng)分分布的重要因素之一，它能夠調(diào)節(jié)地表徑流，改變土壤養(yǎng)分的空間分布[11]。本研究中土壤有機(jī)質(zhì)和全氮與坡度呈極顯著負(fù)相關(guān)，坡度增大，地表徑流和侵蝕變強(qiáng)，地表的擾動(dòng)作用減少了土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

本研究發(fā)現(xiàn)：土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著容重增加而減少，這可能與受容重因子控制的土壤儲(chǔ)水量有關(guān)。土壤儲(chǔ)水量會(huì)隨容重的減小而增加，因?yàn)殡S土壤容重的減小，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和土壤有效孔隙增多，土壤結(jié)構(gòu)得到改善，導(dǎo)致入滲能力、持水能力增大[28]，有利于植物細(xì)根的穿插和發(fā)育，提升土壤養(yǎng)分循環(huán)，從而進(jìn)一步提高土壤有機(jī)質(zhì)回歸能力和氮礦化速率[34]。本研究中，pH和全磷與土壤容重呈正相關(guān)。pH變化較慢，這可能是由于自然保護(hù)區(qū)的原始生態(tài)保存較為完好，研究區(qū)土壤酸性主要來(lái)自于空間連續(xù)性尺度較小的酸性土壤母巖。磷通過(guò)凋落物和根系分泌物等途徑歸還土壤。隨土壤容重增大，土壤持水能力降低，凋落物和根系分泌物的生物化學(xué)反應(yīng)加劇，可促進(jìn)磷元素的溶解與周轉(zhuǎn)[33?35]。研究發(fā)現(xiàn)：土壤pH和全磷與土壤有機(jī)質(zhì)呈負(fù)相關(guān)[27]。本研究區(qū)土壤整體呈酸性，土壤有機(jī)質(zhì)隨著容重減少而增加，同時(shí)土壤pH和全磷相應(yīng)降低?？傮w上，隨著土壤容重的變化，有機(jī)質(zhì)變化較大，而全氮、全磷的變化則相反，這與有機(jī)質(zhì)高值區(qū)分布較為集中而低值區(qū)分散，全氮和全磷分布較離散的研究結(jié)果一致。

植物體養(yǎng)分通過(guò)凋落物的歸還和植物根系的輸送直接影響土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分布。本研究結(jié)果顯示：不同植被類型對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的影響達(dá)顯著水平，草甸土壤中有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)：草甸土中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于針葉林中[36]，浙江省烏巖嶺不同植被類型土壤中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小依次為針闊混交林、竹林、農(nóng)地[37]。本研究結(jié)果與相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果較為一致。海拔可通過(guò)改變植被覆蓋度、草地生產(chǎn)力等來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)表層土壤有機(jī)質(zhì)的影響。水、氣、熱條件隨海拔變化，而這些自然條件制約著植被類型，影響著植被的養(yǎng)分消耗與歸還，進(jìn)而影響植物根系對(duì)土壤有機(jī)碳的輸送量。同時(shí)，溫、濕度等環(huán)境條件影響微生物對(duì)表層土壤凋落物的分解和轉(zhuǎn)化。本研究中，草甸大面積分布在高海拔區(qū)域，隨著海拔高度的增加，氣溫下降，使得有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化速率減慢，而草地覆蓋度及有機(jī)碳輸送能力增加，有機(jī)質(zhì)易于積累。劉躍建等[38]研究表明：隨海拔升高，草甸土中全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于其他森林植被類型土壤中的全氮，且全氮與有機(jī)質(zhì)對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)具有一致性。植物體養(yǎng)分循環(huán)是土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的主要決定過(guò)程之一。相對(duì)于其他植被類型，針葉林土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，可能是因?yàn)獒樔~林凋落物對(duì)土壤全鉀有更明顯的富集作用。

5 結(jié)論

清涼峰國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)龍?zhí)辽?順溪塢土壤養(yǎng)分全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低，各土壤養(yǎng)分均表現(xiàn)為中等程度變異，具有較為明顯的空間異質(zhì)性。養(yǎng)分低值區(qū)普遍以斑狀散布在研究區(qū)中，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮的高值區(qū)集中分布于西北及東南部分區(qū)域，而全磷、全鉀的高值區(qū)分布較為分散?？傮w上，土壤養(yǎng)分空間分布較為破碎化，斑塊特征顯著。受結(jié)構(gòu)性因素影響，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮與海拔、坡度、容重、植被類型的相關(guān)性達(dá)顯著水平，全磷僅與容重的相關(guān)性達(dá)顯著水平。研究區(qū)內(nèi)土壤酸性較強(qiáng)，同時(shí)受地形地勢(shì)的影響，研究區(qū)內(nèi)土壤存在水土流失及土壤養(yǎng)分淋失風(fēng)險(xiǎn)，建議注重高海拔區(qū)水土保持。