王淑芳，王效科，歐陽志云

1. 江西理工大學江西省礦冶環(huán)境污染控制重點實驗室，江西 贛州 341000；2. 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085

環(huán)境因素對密云水庫上游流域土壤有機碳和全氮含量影響的通徑分析

王淑芳1，2，王效科2，歐陽志云2

1. 江西理工大學江西省礦冶環(huán)境污染控制重點實驗室，江西 贛州 341000；2. 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085

土壤是全球重要的碳庫和氮庫，在全球碳氮循環(huán)中具有重要地位。密云水庫是華北地區(qū)最大的水庫和北京市最重要的地表水水源地，其上游流域山地廣布，地形復雜，氣候變化明顯，土壤類型和植被類型多樣，影響土壤碳氮庫的環(huán)境因素具有較強的變異性。為揭示環(huán)境因素對密云水庫上游流域土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）和全氮（total nitrogen，TN）含量的作用效應，采用野外采樣、實驗室分析與逐步回歸分析和通徑分析相結(jié)合的方法，研究了氣候（溫度和降水）、地形（海拔和坡度）、土壤理化性質(zhì)（土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量）等環(huán)境因素對流域SOC和TN含量的影響。結(jié)果表明：溫度、土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量對SOC含量的影響顯著（P＜0.001），其中各因子的直接通徑系數(shù)依次為：土壤含水量（0.439）＞土壤容重（-0.324）＞pH值（-0.238）＞溫度（-0.209）＞土壤粘粒含量（0.092），間接通徑系數(shù)依次為：土壤容重（-0.425）＞土壤粘粒含量（0.305）＞土壤含水量（0.287）＞pH值（-0.179）＞溫度（-0.043），因此，土壤含水量、pH值和溫度主要通過直接作用影響SOC含量，而土壤容重和粘粒含量則主要通過其它因子的作用間接影響SOC含量。海拔、土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量對TN含量的影響顯著（P＜0.001），其中各因子的直接通徑系數(shù)依次為：土壤含水量（0.456）＞海拔（0.234）＞土壤容重（-0.228）＞pH值（-0.190）＞土壤粘粒含量（0.094），間接通徑系數(shù)依次為：土壤容重（-0.484）＞土壤粘粒含量（0.301）＞海拔（0.247）＞土壤含水量（0.257）＞pH值（-0.202），因此，土壤含水量主要通過直接作用影響TN含量，而土壤容重和粘粒含量主要通過土壤含水量的作用間接影響TN含量，海拔和土壤pH值的直接作用與間接作用相當。氣候、地形、土壤理化性質(zhì)等環(huán)境因子能夠聯(lián)合解釋SOC和TN含量變異性的75.0%和71.2%，但其它影響因子的剩余通徑系數(shù)仍較大，分別為0.50和0.54，說明還有未考慮的其它重要影響因素，如成土母質(zhì)、土地利用方式、耕作管理等，需要進一步深入分析。

密云水庫上游流域；土壤有機碳含量；土壤全氮含量；環(huán)境因素；通徑分析

土壤是全球重要的碳庫和氮庫，在全球碳氮循環(huán)中具有重要地位。受自然或人為干擾的影響，土壤中的碳和氮以CO2、N2O等溫室氣體的形式排入大氣中，對全球氣候變化產(chǎn)生重要影響。土壤有機碳（Soil organic carbon，SOC）和全氮（Total nitrogen，TN）含量受到氣候、地形、植被、成土母質(zhì)、土壤理化性質(zhì)等自然條件以及土地利用、耕作管理等人類活動綜合作用的影響（Spain，1990； Homann等，2007），并存在各種因子間的相互作用（Sollins等，1996）。在全球變化的背景下，在區(qū)域尺度上研究和揭示影響SOC和TN含量的主要控制因素，對于建立和評價碳氮循環(huán)過程模型，精確估算溫室氣體排放和土壤碳氮截存能力，評估未來氣候變化對土壤碳氮的影響，合理利用和管理土地資源，制定應對氣候變化的區(qū)域策略和措施等都具有重要的理論與實踐意義。

目前關于SOC和TN含量與環(huán)境因素的研究較多，主要考慮的環(huán)境因素有氣候、地形、土壤理化性質(zhì)等（Burke等，1989；Alvarez和Lavado，1998；Ganuza和Almendros，2003；Miller等，2004；Griffiths等，2009），所采用的方法多見于簡單相關、多元回歸分析等（張勇等，2008，2009；王丹丹等，2009）。然而，簡單相關不能全面考察變量間的相互關系，其結(jié)果往往帶有一定的片面性；多元回歸分析雖然在一定程度上能夠消除變量之間的多重共線性，能夠真實地表現(xiàn)出各個自變量和因變量的關系，但由于偏回歸系數(shù)帶有單位，使各自變量對因變量的效應不能直接進行比較。通徑分析是數(shù)量遺傳學家Sewall Wright于1921年提出的一種多元統(tǒng)計分析方法，它在多元回歸的基礎上將相關系數(shù)分解為直接通徑系數(shù)（某一自變量對因變量的直接作用）和間接通徑系數(shù)（該自變量通過其它自變量對因變量的間接作用），因而通徑系數(shù)是介于相關系數(shù)與回歸系數(shù)之間的統(tǒng)計量，其經(jīng)過標準化后去掉了單位，彼此可以相互比較，從而可以反映各自變量對因變量的影響程度和相對重要性（高之仁，1986）。因此，建立在通徑系數(shù)概念上的通徑分析，比相關分析和回歸分析更為精確，同時能夠考慮兩兩因素對結(jié)果的影響，對多變量資料的統(tǒng)計分析更為合理（蓋鈞鎰，2013），已在土壤研究領域得到較多應用（劉廣深等，2003；王會利等，2008；王丹等，2011；貢璐等，2013；趙冰清等，2013；曹小玉等，2014）。

密云水庫位于京郊密云縣城北山區(qū)，是華北地區(qū)最大的水庫，也是北京市最重要的地表水水源地。其上游流域山地廣布，地形復雜，氣候變化明顯，土壤類型和植被類型多樣，影響SOC和TN含量的環(huán)境因素具有較強的變異性。因此，本研究選擇在具有重要生態(tài)功能的密云水庫上游流域，采用野外采樣、實驗室分析與逐步回歸分析和通徑分析等數(shù)理統(tǒng)計分析相結(jié)合的方法，在區(qū)域尺度上研究氣候（溫度和降水）、地形（海拔和坡度）、土壤理化性質(zhì)（土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量）等對SOC和TN含量的影響，探討影響區(qū)域SOC和TN含量的主要環(huán)境因子，為區(qū)域土壤碳氮儲量估算以及氣候變化對土壤碳氮的影響預測等提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

密云水庫上游流域（即密云水庫以上潮白河流域）地處40°19′～41°31′ N、115°25′～117°33′ E之間，由注入密云水庫的潮河和白河兩大水系組成，總流域面積15788 km2，約占潮白河流域總面積的88%。流域轄區(qū)主要涉及河北省的赤城縣、沽源縣、豐寧滿族自治縣、灤平縣以及北京市的密云縣、懷柔區(qū)、延慶縣等區(qū)縣，流域面積的2/3在河北省境內(nèi)，1/3在北京市境內(nèi)。流域處于內(nèi)蒙古地軸東段和燕山臺褶帶上，地勢西北高、東南低，西北部以海拔1000～2290 m的中山為主，東南部大多為低山、丘陵和部分平原。流域內(nèi)氣候垂直分布明顯，以馬營、獨石口為界劃分為兩個氣候帶，即北部的中濕帶半干旱森林草原氣候帶和南部的暖濕帶半濕潤山地氣候帶，多年平均降水量為488.9 mm，降水分布從東南向西北遞減。土壤類型以淋溶褐土（28%）、棕壤（26%）、褐土性土（18%）和石灰性褐土（12%）為主。植被覆蓋較好，森林和草地覆蓋率達到76%以上（森林49%，不同覆蓋度的草地27%），農(nóng)用旱地占21%。

1.2 土壤樣品采集與分析

采樣于2009年8─9月份進行，根據(jù)研究區(qū)域土地利用的特點，按森林、草地、農(nóng)田3種土地利用類型進行樣地選擇和樣品采集。在各樣方內(nèi)按照S型布點方式布設3個采樣點，每個樣點采用挖取土壤剖面的方法采集表層（0～20 cm）土壤，3個樣點混合為一個土壤樣品，共計149個樣品。另外采用環(huán)刀（容積 100 cm3）取土測量土壤容重，3個重復。

土樣帶回實驗室，置于通風、陰涼、干燥的室內(nèi)風干，過2 mm篩，移出礫石和根系。過2 mm篩的土樣一部分用于測定土壤pH值和粒徑分布，另一部分繼續(xù)過100目篩，用于測定SOC和TN含量等。

SOC含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；TN含量采用德國Elementar公司生產(chǎn)的 Vario EL III型元素分析儀測定；土壤含水量采用烘干法測定；土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤pH值采用電位法（水土比2.5:1）測定；土壤粒徑分布采用英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度儀測定，粒徑分別設定為＜0.002 mm、0.002～0.05 mm、0.05～0.1 mm、0.1～0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm，根據(jù)美國制土壤質(zhì)地分類標準分為粘粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）和砂粒（0.05～2 mm）。

1.3 氣象數(shù)據(jù)的收集與計算

根據(jù)密云水庫上游流域及其周邊地區(qū) 10個氣象站點的年平均溫度和年降水量數(shù)據(jù)，在 ArcGIS 9.2軟件中采用Kriging空間插值法計算各采樣點的年平均溫度和年降水量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析在Microsoft Office Excel2003和SPSS 16.0軟件中完成。采用逐步回歸分析方法建立環(huán)境因子對SOC和TN含量的多元回歸方程，對SOC和TN含量的顯著性影響因子進行識別，然后根據(jù)回歸分析結(jié)果對識別出的顯著性影響因子進行通徑分析，比較各因子對SOC和TN含量的影響程度和相對重要性。所選擇的環(huán)境因子有溫度（MAT）、降水（MAP）、海拔（Elv）、坡度（Slp）、土壤容重（ρb）、含水量（SWC）、pH值（pH）和粘粒含量（Clay）。

2 結(jié)果與討論

2.1 SOC和TN含量關于環(huán)境因子的多元回歸方程

通過逐步回歸分析得到SOC和TN含量與環(huán)境因子的統(tǒng)計回歸模型 (r2= 0.712, P ＜ 0.001)，見式（1）和（2）。

由此可見，所選擇的8個環(huán)境因子共同解釋了密云水庫上游流域表層（0～20 cm）SOC和TN含量變異性的75.0%和71.2%，其中溫度、土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量對SOC含量的影響顯著（P＜0.001），而海拔、土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量對TN含量的影響顯著（P＜0.001），除此之外的其它環(huán)境因子影響不顯著（P＞0.05）而在逐步回歸中被剔除。

2.2 環(huán)境因子對SOC和TN含量影響的直接作用和間接作用

由于環(huán)境因子之間存在較強的相關性（見表1），在進行回歸分析時可能出現(xiàn)共線性現(xiàn)象，并且由于各環(huán)境因子的數(shù)量變動范圍不同，因此采用逐步回歸分析還不能直觀地體現(xiàn)各環(huán)境因子對SOC和TN含量的貢獻大小，而通過標準化回歸系數(shù)的方法計算通徑系數(shù)，并將相關系數(shù)分解為直接通徑系數(shù)與間接通徑系數(shù)的代數(shù)和，就能較直觀地反映各環(huán)境因子對SOC和TN含量的影響作用。對影響SOC和TN含量的顯著性環(huán)境因子分別進行通徑分析，結(jié)果見表2和表3。

2.2.1 環(huán)境因子對SOC含量影響的效應分解

由表2可知，環(huán)境因子與SOC含量的相關性依次為：土壤容重＞土壤含水量＞土壤pH值＞土壤粘粒含量＞溫度。通徑分析結(jié)果表明，在影響SOC含量的顯著性環(huán)境因子中，土壤含水量的直接通徑系數(shù)最大，說明土壤含水量對 SOC含量的直接作用最大，并且表現(xiàn)為正效應；其次分別為土壤容重、pH值和溫度，三者對SOC含量具有負的直接作用效應；而土壤粘粒含量對SOC含量的直接作用最小。

表1 SOC和TN含量與環(huán)境因子的相關系數(shù)Table 1 Pearson correlation coefficients of SOC and TN contents with environmental factors

表2 SOC含量與環(huán)境因子相關系數(shù)的分解Table 2 Decomposition of correlation coefficients between SOC content and environmental factors

表3 TN含量與環(huán)境因子相關系數(shù)的分解Table 3 Decomposition of correlation coefficients between TN content and environmental factors

各環(huán)境因子中，間接通徑系數(shù)最大的是土壤容重，表明土壤容重對 SOC含量的間接作用最大，主要是通過土壤含水量和pH值對SOC含量起間接負作用；其次是土壤粘粒含量，主要通過土壤含水量和容重對 SOC含量產(chǎn)生間接正效應；再次為土壤含水量，主要通過土壤容重對 SOC含量起間接正作用；土壤pH值次之，主要通過土壤容重對SOC含量起間接負作用；而溫度的間接作用最??；由此可見，土壤理化特征因子之間存在明顯的相互作用，共同影響SOC含量。

土壤含水量、pH值和溫度的直接通徑系數(shù)均大于其間接通徑系數(shù)，表明三者對 SOC含量的主要貢獻均表現(xiàn)為直接作用效應；而土壤容重和粘粒含量的間接通徑系數(shù)大于其直接通徑系數(shù)，表明二者對 SOC含量的主要貢獻均表現(xiàn)為通過影響其它因子而產(chǎn)生的間接作用效應。

2.2.2 環(huán)境因子對TN含量影響的效應分解

由表3可知，環(huán)境因子與TN含量的相關性依次為：土壤含水量＞土壤容重＞海拔＞土壤粘粒含量＞土壤pH值。通徑分析結(jié)果表明，在影響TN含量的顯著性環(huán)境因子中，土壤含水量的直接通徑系數(shù)最大，表明土壤含水量對TN含量的直接作用最大，且表現(xiàn)為正效應；其次為海拔，對TN含量具有較大的直接正效應；土壤容重和pH值次之，二者對TN含量具有負的直接作用效應；土壤粘粒含量對TN含量的直接作用最小。

各環(huán)境因子中，間接通徑系數(shù)最大的是土壤容重，說明土壤容重對TN含量的間接作用最大，主要是通過土壤含水量對TN含量起間接負作用；其次是土壤粘粒含量，主要通過土壤含水量對TN含量產(chǎn)生間接正效應；再次為土壤含水量，主要通過土壤容重對TN含量起間接正作用；海拔次之，主要通過土壤含水量對TN含量產(chǎn)生正的間接作用效應；土壤pH值最小，主要通過土壤容重對TN含量起間接負作用；由此可見，土壤理化特征因子之間、海拔與土壤含水量之間均存在明顯的相互作用，共同影響TN含量。

土壤含水量的直接通徑系數(shù)大于其間接通徑系數(shù)，其對TN含量的直接作用明顯大于間接作用；除此之外其它4個因子的間接通徑系數(shù)均大于各自的直接通徑系數(shù)，表明其對TN含量的主要貢獻均表現(xiàn)為通過影響其它因子而產(chǎn)生的間接作用效應，其中土壤容重和粘粒含量的間接作用明顯大于直接作用，而海拔和土壤pH值的間接作用與直接作用相差不大。

此外，所選環(huán)境因子對 TN含量的決定系數(shù)R2=0.712，剩余因子的通徑系數(shù)為e=0.54也較大，說明對TN含量影響較大的一些因素也有待于進一步深入分析。

2.2.3 討論

目前，對影響因素的分析大多采用相關分析和多元回歸分析的方法，但簡單相關不能全面考察變量間的相互關系，結(jié)果往往帶有一定的片面性；多元回歸分析只考察變量之間的直接作用，而實際上變量之間的關聯(lián)關系往往是一個復雜的傳遞過程。通徑分析在相關分析與多元回歸分析的基礎之上，進一步研究自變量與因變量之間的數(shù)量關系，將自變量與因變量之間的相關系數(shù)分解直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)，不僅可以分析自變量對因變量的直接影響，還可以分析其通過其它相關的自變量對因變量的間接影響，從而能夠透過簡單相關的表面深入研究自變量與因變量之間的因果關系，揭示各個因素對結(jié)果的相對重要性。除了可以分析已知自變量的作用外，通徑分析還可以揭示研究中尚未包括、但實際存在影響的其它因素的總的作用大小，并提示人們是否需要進一步探討其它影響因素。因此，通徑分析比簡單相關和多元回歸分析更能客觀地反映各變量之間的關系，能夠為統(tǒng)計決策提供可靠的依據(jù)。

3 結(jié)論

（1）環(huán)境因子中，溫度、土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量對 SOC含量的影響顯著（P＜0.001），各因子與SOC含量的相關性依次為：土壤容重＞土壤含水量＞土壤pH值＞土壤粘粒含量＞溫度，其中土壤含水量、pH值和溫度主要通過直接作用影響 SOC含量，并以土壤含水量的直接作用最大；而土壤容重和粘粒含量則主要通過其它因子的作用間接影響 SOC含量，并以土壤容重的間接作用最大。此外，土壤理化特征因子之間存在明顯的相互作用，共同影響SOC含量。

（2）環(huán)境因子中，海拔、土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量對TN含量的影響顯著（P＜0.001），各因子與 TN含量的相關性依次為：土壤含水量＞土壤容重＞海拔＞土壤粘粒含量＞土壤pH值，其中土壤含水量主要通過直接作用影響TN含量，并且其直接作用最大；而土壤容重和粘粒含量主要通過土壤含水量的作用間接影響TN含量，并以土壤容重的間接作用最大；海拔和土壤pH值的間接作用與直接作用相差不大。此外，土壤理化特征因子之間、海拔與土壤含水量之間均存在明顯的相互作用，共同影響TN含量。

（3）氣候（溫度和降水）、地形（海拔和坡度）、土壤理化性質(zhì)（土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量）等環(huán)境因子聯(lián)合解釋了密云水庫上游流域表層（0～20 cm）SOC和TN含量變異性的75.0%和71.2%，其它影響SOC和TN含量的因子的剩余通徑系數(shù)分別為0.50和0.54，數(shù)值較大，說明還有未考慮的其它重要影響因素，如成土母質(zhì)、土地利用方式、耕作管理等，這些因素對SOC和TN含量的影響不可忽略，需要進一步深入分析。

致謝：感謝中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室羅云建、張千千、楊樂同學在野外采樣期間的辛勤工作以及中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站肖欽同志在實驗室分析工作中的積極協(xié)作。

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Path Analysis on Environmental Factors Controlling Soil Organic Carbon and Total Nitrogen Contents in the Upstream Watershed of Miyun Reservoir, North China

WANG Shufang1,2, WANG Xiaoke2, OUYANG Zhiyun2

1. Jiangxi Key Laboratory of Mining & Metallurgy Environmental Pollution Control, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;
2. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences,
Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

Soil comprises a major pool and plays an important role in the global C and N cycles. Miyun Reservoir is the largest reservoir in North China and also the Chinese capital’s most important drinking water source. There is high variability in the environmental factors that influence the regional soil C and N pools in the Upstream Watershed of Miyun Reservoir with complex terrain, climate change, diverse soil types and vegetation types. Effects of climate (temperature and precipitation), topography (elevation and slope) and soil properties (soil bulk density, pH, water and clay contents) on soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) contents were investigated in the study to identify dominant environmental factors controlling SOC and TN contents in the Upstream Watershed of Miyun Reservoir of North China by soil sampling, laboratory analysis, stepwise regression analysis and path analysis. And the results showed as follows. Temperature, soil bulk density, pH, water and clay contents were the significant factors controlling SOC content, and the direct path coefficient of each factor was ranked in order of soil water content (0.439) ＞ soil bulk density (-0.324) ＞ soil pH (-0.238) ＞ temperature (-0.209) ＞ soil clay content (0.092), while the indirect path coefficient was ranked as soil bulk density (-0.425) ＞ soil clay content (0.305) ＞ soil water content (0.287) ＞ soil pH (-0.179) ＞ temperature (-0.043). Therefore, temperature, soil water content and pH mainly had direct effects on SOC content, while soil bulk density and clay content mainly had indirect effects through their contributions to other factors. Elevation, soil bulk density, pH, water and clay contents were the significant factors influencing TN content, and the direct path coefficient of each factor was ranked in order of soil water content (0.456) ＞ elevation (0.234) ＞ soil bulk density (-0.228) ＞ soil pH (-0.190) ＞ soil clay content (0.094)，while the indirect path coefficient was ranked as soil bulk density (-0.484) ＞ soil clay content (0.301) ＞ elevation (0.247) ＞ soil water content (0.257) ＞ soil pH (-0.202). Therefore, soil water content had the greatest direct effect on TN content, while soil bulk density and clay content had considerable indirect effects on TN content through their influences on soil water content, and additionally the direct and indirect effects of both elevation and soil pH on TN content were equally important. All the selected environmental factors jointly explained 75.0% and 71.2% of SOC and TN contents variability, respectively. However, there were large values of remaining path coefficients of other factors influencing SOC and TN contents (i.e. 0.50 and 0.54), which indicated that some important factors (such as soil parent material, land use and management practices, etc) are not included in this study and should be taken into account in further researches.

The Upstream Watershed of Miyun Reservoir; Soil organic carbon content; Soil total nitrogen content; Environmental factors; Path analysis

X14

：A

：1674-5906（2014）08-1378-06

王淑芳，王效科，歐陽志云. 環(huán)境因素對密云水庫上游流域土壤有機碳和全氮含量影響的通徑分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2014, 23(8): 1378-1383.

WANG Shufang, WANG Xiaoke, OUYANG Zhiyun. Path Analysis on Environmental Factors Controlling Soil Organic Carbon and Total Nitrogen Contents in the Upstream Watershed of Miyun Reservoir, North China [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(8): 1378-1383.

國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(973)項目(2006CB403402)；中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(XDA05050602-3；XDA05060102)；國家自然科學基金項目(71003092)

王淑芳（1981年生），女，講師，博士，主要研究方向為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)、礦冶環(huán)境污染控制與生態(tài)修復等。E-mail: fangfang_6281@163.com

2014-05-24