土壤养分包含了植物生长发育所必需的营养元素，是土壤肥力的物质基础[1]，同时也是森林植被生长的主要载体，影响和控制着森林的生长与健康[2]。土壤养分在形成演化过程中随环境的改变在空间分布上具有复杂性及变异性[3]。已有研究表明，森林土壤养分的空间分布直接影响着林地地力及林木生产力，森林可持续经营的途径与方向，是植物群落空间格局形成的重要影响因素[4,5]。目前许多学者对森林土壤养分的空间分布规律进行了研究[6,7,8,9,10,11,12,13]，但对森林土壤养分空间分布的影响因素缺乏研究，而地形作为影响土壤养分的重要因素，分析地形因子与土壤养分的相关性，可为林地土壤肥力的提高和林木的合理经营提供科学依据。

马尾松是贵州主要用材树种之一，具有适应性强、用途广、速生丰产等优点，在林木生产、涵养水源、水土保持等方面起着重要作用[14]。但由于长期纯林经营造成树种单一、林分质量不高、生长迟缓[15]，其地力问题引起了广泛关注。尤其在黔中地区，马尾松人工林生长呈现衰退趋势。目前国内外学者对马尾松的研究主要集中在生物量、菌根、结构和物种多样性、枯落物持水特性、林窗、群落结构等[16,17,18,19,20,21,22]，而关于地形因子对土壤养分空间分布影响的研究鲜有报道。土壤养分的空间分布差异可以反映土壤养分的丰缺状态，掌握其分布规律及与地形的相关关系，对有效利用土壤养分和提高林地生产力具有重要意义[23]。因此，本研究以贵州省安顺市平坝区马尾松人工林可持续经营试点的马尾松人工林为对象，通过野外调查采样和室内实验对其土壤养分进行测定与分析，研究马尾松人工林的土壤养分空间异质性，并分析地形因子与土壤养分的相关关系，以期为马尾松人工林土壤肥力的提高和合理经营提供参考。

1、研究区概况

研究区位于贵州省安顺市平坝区马尾松可持续经营试点白云镇，地处平坝东南部，海拔963～1646m，海拔由西到东逐渐递减，中部地区较为平整，气候宜人，年平均气温18.1℃，年平均降雨量1146.3mm，年日照时1079～1220h，属于亚热带湿润型季风气候。土壤类型主要是黄壤、黄棕壤，是由三叠纪时代地层运动搬运而来，土壤呈酸性，pH介于4.5～5.6，水肥条件较好，腐殖质含量丰富。研究区与林下村、郝下村、邢江村、本寨村接壤，林区森林覆盖面积90.7%。马尾松人工林是平坝区的主要用材林之一，长期的群落演替，使其土壤养分有了明显的变化。研究区马尾松林为1990年人工栽植的集体林，后经天然更新形成，在之前从未实施过营林措施。其成林木主要有马尾松，伴生有杉木、光皮桦、青冈、枫香、油桐、樟树、朴树、马桑、杜鹃、火棘等。

2、研究方法

2.1调查及采样方法

根据研究区域的植被生长类型和地形情况，采用典型抽样的方法，在具有代表性的地段设置面积为80m×120m的样地，并将样地划分为96个10m×10m的标准网格，以每个网格中心点为圆心，在1m的半径范围内随机选取3个样点，采集深度为0～20cm的土样，每个样点采集土样250g，将各网格的土样混合装入土壤袋，共计采集100份土壤样品。并同时在采样过程中手持GPS实地记录采样点的海拔与经纬度，对样地内林木进行每木检尺（表1）。土壤样品及时带回实验室，风干、过筛、分析土壤样品的化学性质。

表1样地基本情况

2.2指标测定方法

土样的有机质（SOM）含量采用油浴加热重铬酸钾氧化法测定；全氮和速效氮含量采用碱解扩散法测定；全磷含量采用消煮液+钼锑抗比色法测定；有效磷含量采用碳酸氢钠浸提+钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用乙酸铵浸提液+火焰光度法测定；全钾含量采用消煮液+火焰光度法测定[24]。

2.3地形因子分级

通过提取DEM数据中坡度、坡向、地形起伏度、曲率等地形因子，由ArcGIS10.2中的3DAnalysis计算工具实现，对采样点进行统计分类。考虑到研究区的地形条件，通过reclassify命令将坡向分为阴坡（0°～45°，351°～360°）、半阴坡（45°～90°，270°～315°）、半阳坡（90°～135°，225°～270°）、阳坡（135°～225°），根据向阳程度进行编排分别赋值为1～4。坡度分为1～4级，1级（<20°）、2级（20°～25°）、3级（25°～30°）、4级（>30°）。高程分为1～4级，1级（<1350m）、2级（1350～1380m）、3级（1380～1410m）、4级（>1410m）。

2.4半变异函数分析方法

为了预测未知区域的值，需要通过半变异函数来模拟最优模型进而绘制散点图。半变异函数是地统计学特有的基本工具，能反映区域化变量的结构性变化和其随机性变化，用于反应在一定范围内区域化变量的空间变异性和相关性[25]。半变异函数计算公式为：

式中：h为步长，也称样本距；γ(h)是样本距为h的半方差；N(h)指样本距为h时的样点对数；Z(xi)和Z(xi+h)分别为空间点xi和xi+h的测定值。

土壤养分通常可以通过半变异函数理论模型拟合，例如用线性模型、球状模型、高斯模型、指数模型进行拟合。模型的最优选择通常考虑块金值和有效变程，用决定系数（R2）及残差平方和（RSS）决定，决定系数越大，残差平方和越小，表明模型拟合的曲线精度越高，测量值越接近回归线，拟合曲线效果越好[26]。

2.5数据处理

采用SPSS18.0对土壤养分的均值、标准差及变异系数等描述性统计特征、土壤养分及地形因子的相关性进行分析。用K-S检验法检验（显著水平α=0.05），对不符合正态分布的数据进行对数转化使其符合正态分布，采用地统计学软件GS+7.0分析土壤养分空间异质性。

3、结果与分析

3.1土壤养分的描述性统计特征分析

马尾松人工林土壤养分的描述统计结果见表2。参照全国第二次土壤普查养分的分级标准[27]，可知有机质、全钾和速效钾含量适中，全磷和速效磷含量较丰富，全氮和速效氮含量较低，处于极其缺乏状态。有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾的变异系数（CV）均表现为中等程度变异（0.1≤CV≤1.0），变异系数由大到小依次为全钾>全磷>有机质>速效钾>速效磷>速效氮>全氮。在显著水平α=0.05的单样本K-S检验水平下，除速效氮外均符合正态分布，速效氮转化后服从自然对数正态分布。

表2土壤养分的描述性统计特征分析

3.2土壤养分的空间变异特征

土壤养分半变异函数理论模型拟合结果见表3。由表3可知，有机质的最优模型为高斯模型，全氮和速效钾为球状模型，全钾、全磷和速效氮为指数模型，速效磷为线性模型。各土壤养分指标R2为0.291～0.972，除速效氮R2较小，全氮RSS较大外，其他养分指标的拟合度效果均较显著。该地区土壤养分指标中速效钾的有效变程最大，全磷的最小，说明速效钾的自相关范围最大，全磷的自相关范围最小，其生态过程的模式相同。同时，研究区土壤养分各指标的块金值均较小，接近0，表明实验误差引起的随机变化小于最小采用范围。马尾松人工林土壤有机质、全钾、全磷、速效氮由随机变异因素引起的空间异质性占系统总变异的比例为5.6%、9.3%、7.5%、11.0%，表明在研究范围内这些指标均具有较强的空间自相关性，其变异主要是由地形、土壤母质、气候等自然因素（结构性因素）引起的[28]；由随机变异引起的土壤全氮、速效钾、速效磷空间异质性比例为36.2%、41.5%、53.2%，表明具有中等的空间自相关性。

表3土壤养分半变异函数理论模型的相关参数

3.3土壤养分的空间分布特征

土壤养分含量的空间分布见如图1。由图1可知，有机质含量由西到东逐渐减少，东面及中部分布不规律，呈斑块状分布；全氮有3个高值区，分别位于西北角、东北角和中部，呈斑块状；全钾在东北角和西北角各有1个低值区，含量在5.13～12.39g/kg分布面积约占总面积的一半，以南北为对称轴，东西两侧近似对称分布；全磷有1个高值区域，位于东南角，呈斑块状；速效氮西部含量较高，含量在12.17～20.62g/kg分布面积约占总面积的90%；速效钾含量分布表现为两侧低中间高，呈带状分布；速效磷含量分布呈东低西高趋势，并以带状分布。

图1马尾松人工林土壤养分含量的空间分布

3.4土壤养分与地形因子的相关性

不同坡向、坡度及高程土壤养分含量特征见表4。从坡向来看，阳坡的样点数最多，各养分指标含量均表现出最高，阴坡的样点数最少，各养分指标含量最低，由此可知阳坡的土壤养分含量能保持在一个较高水平，越向阳，土壤养分含量越高；从坡度来看，4级坡度（>30°）的样点数最少，各养分指标含量均表现出最低，随着坡度的增大，土壤养分含量减小；从高程来看，3级高程（1380～1410m）的样点数最多，而随着高程的升高，土壤养分含量逐渐提高。

表4不同坡向、坡度及高程土壤养分含量特征

地形因子与各项土壤养分指标相关性分析结果见表5。由表5可知，高程与全磷、速效氮、速效磷、速效钾呈显著正相关（P<0.05），与有机质、全氮、全钾呈极显著正相关（P<0.01），这表明高程越高，土壤养分含量越高，与表3中结果一致；坡度与全钾、速效钾呈显著负相关（P<0.05），与有机质、速效磷、全磷呈极显著负相关（P<0.01），表明坡度增大后，有机质及磷素受坡度的影响最大；坡向与全磷、速效氮呈显著正相关（P<0.05），与有机质、全氮、全钾、速效钾呈极显著正相关（P<0.01），表明土壤养分受向阳程度的影响较大；地形起伏度与全氮、全磷、速效磷呈显著负相关（P<0.05），与有机质、全钾、速效钾呈极显著负相关（P<0.01），表明地形起伏越大越不利于养分的积累。

表5土壤养分与地形因子相关性分析

注：*表示显著相关（P<0.05），**表示极显著相关(P<0.01)。

4、结论与讨论

对黔中马尾松人工林土壤养分的研究表明，研究区有机质、钾素含量适中，磷素含量较丰富，氮素含量处于极其缺乏状态。有研究发现氮素是植物生长所必需的重要营养元素，参与植物的整个生命历程，是影响植物生长发育的限制因子之一[29]。所以氮素的缺乏可能是影响马尾松人工林生长衰退的主要因子。因此，在后续的经营中应加强施肥管理，尤其要施加氮肥。马尾松人工林土壤养分的差异性相对较弱，主要是因为人工林的经营目的明确，树种选择、空间配置及其他造林技术措施都是按照要求安排的[14]。研究区的马尾松人工林属于同一年栽植，在这之前未进行过任何经营措施及大规模的干扰，所以土壤养分的差异性相对较弱。

研究区土壤速效氮和全磷的R2仅为0.291和0.332，这就意味着指数模型拟合效果不理想，这与模型、采样规模和实验误差有关。在半变异函数的值达到基台值后，它表现出轻微波动，这可能与研究区域的地形有关。除全氮、速效钾、速效磷的块金比大于25%，在研究尺度内具有中等程度的空间变异外，其余4个养分指标的块金比都小于25%，具有较强的空间自相关性，表明空间变异主要是由结构变异引起的，受随机因素的影响很小，这与Xue等[30]、苏松锦等[31]的研究结果一致，在土壤母质及气候条件一致的情况下，地形等是影响土壤有机质、速效氮、全钾、全磷在分布上产生异质性的重要因子。研究区的土壤养分总体上表现出较强的空间异质性，不同养分表现出不同的空间变异特征和分布格局。全氮、全磷和有机质空间变异特征比较相似，研究发现全氮含量与有机质含量具有很强的相关性，有机质也是全氮的主要来源[6]。张倩等[32]研究发现土壤磷素含量与土壤有机质含量有关，可以通过增施有机肥，提高马尾松对磷素的吸收，这与本研究结果一致。速效磷分布图是破碎的，空间异质性明显，可能与人为干扰有关。刘世全等[33]对土壤磷素的控制因素进行研究也发现人为干扰对速效磷的影响较大。全钾、速效钾分布趋势比较相似，东北角和西北角各有一个低值区，可能与其水平迁移能力、地形起伏度有关，研究发现钾素易随地表径流及降雨冲刷而流失[34]。

地形是影响土壤发育的重要因素之一，它能够调节降水和太阳辐射的空间分配，改变气候条件及土壤养分的空间分布[35]。从土壤养分与地形因子的相关分析来看，高程与土壤养分呈显著或极显著正相关，高程越高，土壤养分含量越高，可能是因为海拔越高，受到的人为活动影响越小，植被生长较好，保肥效果佳[36]。坡度与全钾、速效钾、有机质、速效磷、全磷呈显著或极显著负相关，坡度增大，土壤养分就越容易受到降雨及地表径流影响而降低。坡向与全磷、速效氮、有机质、全氮、全钾、速效钾呈显著或极显著正相关，李超等[37]研究发现越向阳，光合作用越好，其水热条件越适宜植物的生长，植物根系发达，其固土保肥能力越强。地形起伏度、曲率与全氮、全磷、速效磷、有机质、全钾、速效钾呈显著或极显著负相关，地形起伏度越大，越不利于养分的积累，土壤养分容易随降雨及地表径流流失，而平缓的地面坡度，土壤养分越容易积累[38]。

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基金:贵州省科技支撑计划项目(黔科合支撑[2017]2520-1号)资助;国家林业局资助项目(林资发[2011]248号)资助;贵州省林业厅资助项目(黔林资复[2012]331号)资助.