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1、华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文《浙江天童20公顷常绿阔叶林动态监测样地土壤 性质的空间异质性》，是在华东师范大学攻读硕士/博士（请勾选）学位期间，在导师的 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 年 月 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明
2、 《浙江天童20公顷常绿阔叶林动态监测样地土壤性质的空间异质性》系本人在华 东师范大学攻读学位期间在导师指导下完成的硕士/博士（请勾选）学位论文，本论文的 研究成果归华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位 论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆和“知网”送交学位论文的印刷版和电子 版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论 文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇 编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于（请勾选） （ ）1.经华东师范大学相关部
3、门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文*，于 年 月 日解密，解密后适用上述授权。 （ ）2.不保密，适用上述授权。 导师签名 本人签名
4、 年 月 日 * “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文（需附获批的《华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表》方为有效），未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权）。 张 娜 硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名 职称 单位 备注 宋永昌 教授 华东师范大学 主席 周秀佳 教授 上海中医药大学瘝 委员 陈小勇 教授 华东师范大学 委员 I 摘 要 土壤空间异质性的研究是探讨
5、土壤养分与环境因子关系的有效方法，其结果 对于了解土壤的形成过程、结构和功能具有重要的理论指导意义，而且对了解植 物与土壤的关系，如植被更新过程、土壤养分和水分对根系的影响以及植物的空 间格局等也具有重要的参考价值。 本研究通过土壤采样与室内理化分析，结合地统计学方法，探讨了天童20 公顷常绿阔叶林动态监测样地土壤性质（pH值、全碳、全氮和全磷）的空间异 质性和分布格局；并以全碳为例分析了不同采样密度对土壤性质的地统计学特征 和空间分布预测结果的影响；最后基于RDA排序和偏回归方法定量评价了地形 因子（包括海拔、凹凸度和坡度）对土壤性质的影响程度。 本研究的主要结果如下：
6、 （1）天童20公顷常绿阔叶林动态监测样地土壤性质各指标都存在空间变 异，pH值、全碳、全氮和全磷的变异系数分别为5.18%、42.98%、36.55%和46.27%； 土壤性质的空间自相关范围为81.6 ~ 54.5 m。土壤pH值、全碳和全氮均呈现零 星斑块状空间分布格局，土壤全磷则呈条带状分布。研究样地土壤性质各项指标 的结构比存在差异，全磷的空间自相关程度和空间自相关范围要明显大于其他土 壤性质指标。 （2）采样密度影响着土壤全碳的空间变异特征，并且对全碳的空间预测结 果产生影响：随着采样密度的降低，全碳的空间自相关程度变弱，空间自相关的 变程也随着采样密度的降
7、低而发生较大的变化；随着采样密度的降低，全碳的空 间分布趋向于均质化；这种均质化趋势，导致了预测值精度的降低，当采样密度 由85%降为10%时，其均方根误差（RMSE）增加了2.442%。 （3）凹凸度、海拔和坡度分别能单独解释土壤性质空间变异的10.53%， 7.47%和1.62%。各地形因子中，凹凸度对土壤pH值和全磷的影响最大，均与 其呈负相关，该因子能分别单独解释pH值和全磷空间变异的21.24%和14.62%； 土壤全碳和全氮受海拔影响最大，且均与之呈正相关，海拔能分别单独解释全碳 和全氮空间变异的10.54%和10.60%。不同地形因子对土壤性质各指标的空间变 异
8、影响程度存在差异，暗示了不同地形因子的影响机制存在差异，这与地形因子 调控着本地区酸性降雨分配，及影响着局地土壤水分含量和气温等因素有关。 关键词：土壤性质；空间变异；地形；常绿阔叶林；排序；采样密度 II ABSTRACT The study of soil spatial heterogeneity is an effective way to explore the relationship of soil nutrients and environmental factors, the results can be used to get furt
9、her understanding of soil formation process, structure and function, which had important theoretical significance and relationship with the plants and soil, such as vegetation regeneration the process of soil nutrients and moisture on root and plant .Partial pattern also has important referenc
10、e value. In this study, spatial heterogeneity and distribution patterns of soil properties (pH, total carbon, total nitrogen and total phosphorus) were evaluated in a 20 ha of evergreen broad-leaved forest dynamic plot in Tiantong, Zhejiang province, by combing soil sampling and statisti
11、cal methods. And influences of terrain factors (including elevation, convexity and slope) on soil properties were quantified based on RDA and partial regression analysis method. The main results of this study are as follows: (1) The soil properties exist spatial variation in Tiantong 20 ha e
12、vergreen broad-leaved forest dynamic monitoring plot, coefficients variation of pH, total carbon, total nitrogen and total phosphorus were 5.18%, 42.98%, 36.55% and 46.27%; spatial autocorrelation range of soil properties was 81.6 ~ 54.5 m. Soil pH, total carbon and total nitrogen showed sca
13、ttered patchy spatial distribution, pattern of total soil phosphorus was banded structure. The structure of the study sample to the indicators of soil properties existed differences, total P self-correlation and spatial autocorrelation range was significantly greater than other soil properties
14、 index. (2) Sampling density affects the spatial variability of soil total carbon and have an impact on spatial prediction results : as the sampling density decreases, the total carbon had a weaker correlation, and the spatial autocorrelation process changed with the reduction of sampling d
15、ensity and larger changes. As the sampling density decreases, the spatial distribution of the whole carbon tend to homogenization; this homogenizing trend, resulting in a lower predictive value of accuracy, when the sampling density changed from 85% to 10%, the root mean square error (RMSE)
16、raised 2.442%. (3) Convexity, elevation and slope can be explained 10.53%, 7.47% and 1.62% III of the spatial variability of soil properties. Around all the terrain factors, the influence on the of soil pH and total phosphorus by convexity was greatest, their was a negative correlati
17、on, this factor alone can explain 21.24% and 14.62% of the variation of pH and total phosphorus space; altitude is the greatest impact to total soil carbon and nitrogen, both with a positive correlation, elevation alone explained 10.54% and 10.60% of the variation of total carbon and total nit
18、rogen in space. Different terrain factors on indicators of soil properties spatial variability affect the extent there are differences, suggesting that the differences of the different terrain factors affect the mechanism, and topographic factors regulating the distribution of acidic rainfall
19、in the region and impact of the local soil moisture content and temperature. Key words: soil properties; spatial heterogeneity; terrain factor; evergreen broadleaved forest; ordination; sampling density 目 录 IV 目 录 摘 要 ........................................................
20、 I ABSTRACT .................................................................................................................. II 第1章 绪 论 ........................................................................................
21、 1 1.1研究背景与意义 .................................................................................................. 1 1.2 研究进展综述 ..................................................................................................... 1 1.2.1 土壤性质的空间异质性.........................
22、 1 1.2.2 采样密度对土壤性质空间分布格局评价的影响....................................... 2 1.3.3 土壤性质空间异质性与地形的关系........................................................... 3 1.3 本研究目的、内容及技术路线 ....................................................................
23、 4 1.3.1 研究目的....................................................................................................... 4 1.3.2 研究内容....................................................................................................... 4 1.3.3 技术路线............................................
24、 4 第2章 研究区域概况与研究方法 ............................................................................. 6 2.1 天童常绿阔叶林20公顷动态监测样地介绍 ................................................... 6 2.1.1 研究区域概况..............................................
25、 6 2.1.2 样地的建立与植被调查............................................................................... 8 2.1.3 群落概况....................................................................................................... 8 2.2 土壤采样方案和分析方法 ............
26、 9 2.2.1 土壤采样方案............................................................................................... 9 2.2.2 土壤样品采集、研磨和保存方法............................................................... 9 2.2.3 土壤分析项目和分析方法.........
27、 10 第3章 天童常绿阔叶林土壤性质的空间变异规律和分布格局 ........................... 11 3.1 材料与方法 ....................................................................................................... 11 3.1.1 样地概况........................................
28、 11 3.1.2 土壤采样与分析方法................................................................................. 11 3.1.3 数据分析..................................................................................................... 11 3.2 结果与分析 ....
29、 14 3.2.1 土壤性质的描述性统计............................................................................. 14 3.2.2 土壤性质的空间变异规律......................................................................... 15
30、3.2.3 土壤性质的空间分布格局......................................................................... 16 3.3 讨论 ................................................................................................................... 17 3.3.1 土壤性质的空间异质性............................................................
31、 17 3.4 本章小结 ........................................................................................................... 18 目 录 V 第4章 采样密度对土壤性质空间分布格局评价的影响—以土壤全碳为例 ....... 20 4.1 材料与方法 ......................................................................................
32、 20 4.1.1 数据来源..................................................................................................... 20 4.1.2 随机取样方法............................................................................................. 21 4.1.3 数据分析.......................................
33、 21 4.2 结果与分析 ....................................................................................................... 22 4.2.1 不同采样密度对土壤全碳地统计学特征的影响..................................... 22 4.2.2 不同采样密度下土壤全碳的空间分布预测结果..................
34、 23 4.3 本章小结 ........................................................................................................... 24 第5章 土壤性质空间异质性与地形的关系 ........................................................... 26 5.1 材料与方法 ..........................................................
35、 26 5.1.1 土壤性质数据来源..................................................................................... 26 5.1.2 地形类型的划分......................................................................................... 26 5.1.3 排序分析..........................
36、 27 5.2 结果与分析 ....................................................................................................... 28 5.2.1 地形对土壤性质空间变异的影响............................................................. 28 5.2.2 不同地形类型下
37、土壤性质的差异............................................................. 30 5.3 讨论 ................................................................................................................... 31 5.3.1 土壤性质空间异质性与地形的关系......................................................... 31 5.4 本章小结 .....
38、 31 第6章 总结与展望 ................................................................................................... 33 6.1 主要研究结论 ..................................................................
39、 33 6.2 论文的创新性 ................................................................................................... 34 6.3 研究工作的不足与展望 ................................................................................... 34 附录 ......................................
40、 35 参考文献 ..................................................................................................................... 36 致谢 ............................................................................
41、 41 第1章 绪论 1 第1章 绪 论 1.1研究背景与意义 土壤是一个自然连续体，受地形、植被组成、根系和枯枝落叶等各种因素的 综合作用，土壤性质在不同尺度上均有明显的空间异质性，表现为大小不一、养 分有效性各异的斑块在空间上呈镶嵌分布（张伟等，2008）。土壤性质的空间异 质性普遍存在，这一土壤重要且显著的特征影响着植物个体或种群在群落中的分 布及植被的空间分布特征。了解土壤性质的空间变异规律及影响因素，能为揭示 土壤与植被间的相互关系、生物多样
42、性维持和共存机制奠定基础（张忠华等， 2011）。 土壤空间异质性是土壤重要的属性之一（Li H et al.,1995）。在森林土壤中， 这些因子（物理因子、养分含量）的空间变化影响着树木的根系，进而影响林分 的生长。研究这些因子的空间异质性，对深入了解树木根系的结构，变异规律和 生长具有十分重要意义（Issaks E H,et al.,1989）。 土壤空间异质性的研究是探讨土壤养分与环境因子关系的有效方法，其结果 对于了解土壤的形成过程、结构和功能具有重要的理论指导意义，而且对了解植 物与土壤的关系，如植被更新过程、土壤养分和水分对根系的影响以及植物的空 间格局等也
43、具有重要的参考价值。 小尺度上森林土壤性质的空间变异性如何？不同采样密度下森林土壤性质 的空间变异评价将如何改变？森林土壤性质的空间变异如何受地形因素的影 响？这些都是我们需要研究的科学问题。 1.2 研究进展综述 1.2.1 土壤性质的空间异质性 自90年代以来，土壤的空间异质性与植被的空间异质性的关系一直是生态 学研究的重点问题（Robertson G P,1993）。在不同的尺度上研究土壤的空间异质 性，不但对了解土壤的形成过程、结构和功能具有重要的理论意义（Legendre P,1989），而且对了解植物与土壤的关系，如更新过程、养分和水分对根系的影 响
44、以及植物的空间格局等也具有重要的参考价值（Legendre P,1989; Fortin M 第1章 绪论 2 J,1989）。 国内外研究者对海岸带、林牧地、山地土壤异质性进行了大量研究，并取得 了一定成果，扩展了土壤性质空间异质性研究的应用地域和内容。汤爱坤等分析 了昌邑海洋生态特别保护区土壤水分、盐分、养分（有机质、氮和磷）等要素的 空间异质性及其与植被群落生态分布的相互关系，发现从陆向海方向，土壤含水 率和可溶性盐含量升高，有机质含量降低，群落组成种类减少，群落盖度降低； 由以狗尾草为优势种多种植物伴生的杂草群落演变成单一的柽柳、碱蓬群落，最
45、后耐盐大的翅碱蓬成为群落的单优势种，物种的丰富度和多样性均显著降低（汤 爱坤等，2011）。张伟等发现喀斯特地区土地利用方式和地形因素对土壤养分均 有显著影响（张伟等，2009）。李恩香等等研究发现植被的不同演替阶段以及不 同的退耕模式对土壤的理化性质具有重要影响（李恩香等，2006）。 土壤性质与植被分布的关系研究表明，在森林更新过程中，土壤有机质和土 壤养分的有效性、土壤 pH等与根系相互作用，影响种子的休眠、萌发与更新幼 苗的发生格局（韩有志等，2002）；土壤营养和水分的异质性是影响植物群落空 间格局的重要因素（陈玉福等，2002）；另有研究发现土壤和地表植被的化学性
46、 质之间有相似的变异特征与研究区土壤类型的变化有关（Goovaerts et al., 1994）， Jackson等研究了林木对土壤养分空间变异特征的影响，结果发现：植物周围土 壤养分的空间变异结构与土壤养分的本底特征存在差异（Jackson et al.,1993）。 然而，在进行土壤野外调查时，受土壤采样时间和经济成本的限制，常常把 相同植被类型下的土壤养分状况视为均质的，而忽视土壤性质在小尺度上的空间 变异（李哈滨等，1998）。由于不同尺度下土壤性质的变异系数、空间自相关范 围等会有较大差异（李海东等，2009），因此过小的采样面积可能不能完全表达 其空间变异特征（G
47、allardo，2003）。长期动态监测样地平台面积多数为20公顷 左右，在该平台上进行土壤采样，具有区域代表性强的优势，是开展土壤性质空 间变异性研究的理想场所。 1.2.2 采样密度对土壤性质空间分布格局评价的影响 土壤采样是估测区域土壤特性统计参数和空间变异分析模型的重要方式 （Borcard D,2002）。采样设计作为采样策略的重要组成部分，包括采样方式（如 随机采样或分层采样）和采样数目，是决定采样成本和估测精度的关键因素（潘 瑜春等，2010），合理的采样方案应保证这些采样点能很好的代表所研究的区域。 第1章 绪论 3 因此采样设计一直是
48、国内外相关领域学者研究的热点（John et al., 2007）。采样尺 度及样点空间布局是决定样点数据质量的两个关键因素，也直接影响着下一步的 采样设计。一般采样设计都基于已知土壤特性统计参数和空间变异特征这一先验 知识实现的，但获取这一先验知识通常也是基于一定数量的样点数据分析得出， 那么多大的采样尺度能够满足这一需要，这是基于土壤采样估测区域土壤特性参 数或空间变异模型构建分析等需要解决的一个重要问题，但目前采样数目研究方 面集中在基于经典统计学计算合理样本容量（潘瑜春等，2010），或通过比较分 析不同采样密度下的土壤特性空间变异估测结果确定适宜采样数或采样间距（吴
49、秀芹等，2006；张忠华等，2011），涉及采样尺度对土壤特性空间变异分析结果 影响方面的研究甚少。 利用高密度土壤养分采样数据为数据源，通过随机抽取生成不同采样密度下 的样点数据集，研究采样密度对土壤养分统计参数估测、空间变异特征和地统计 插值分析的影响，能够更加全面的了解土壤的空间变异规律，可以为采样尺度对 分析结果的不确定分析提供基础。如姚丽贤等对3种采样密度下的土壤特性进行 了空间变异结构研究，并在此基础上对土壤特性的推估精度进行了比较，结果表 明土壤空间变异结构在不同采样密度下的变化随土壤的特性而定；采样密度与模 型的拟合度、变异的有效变程及空间相关性均没有必然联系
50、姚丽贤等，2004）。 1.3.3 土壤性质空间异质性与地形的关系 地形是导致区域土壤属性产生差异的重要因素之一，在低纬度的丘陵地区， 地形因子、坡度、坡向和海拔高度等与土壤属性的分布状况常有着密切关系，从 而影响到土地利用方式及分布格局（Brubaker et al.,1993）。已有的研究表明，地 形因子（如海拔、凹凸度、坡度等）对中小尺度土壤性质的空间变异存在明显的 影响。然而，现有的研究多侧重于分析土壤性质的空间变异特征，及定性地分析 和解释地形因子对土壤性质空间变异的影响机制（孙志虎等，2007；刘璐等， 2010），综合多个地形因子并定量评价各地形因子对土壤性
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