張立勇， 高鵬?， 王成軍， 劉勝濤， 李肖

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,國(guó)家林業(yè)局泰山森林生態(tài)站, 271018, 山東泰安; 2.山東省臨朐縣水利局, 262600, 山東臨朐)

魯中南藥鄉(xiāng)小流域林地土壤有機(jī)碳空間分布特征

張立勇1， 高鵬1?， 王成軍2， 劉勝濤1， 李肖1

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,國(guó)家林業(yè)局泰山森林生態(tài)站, 271018, 山東泰安; 2.山東省臨朐縣水利局, 262600, 山東臨朐)

土壤有機(jī)碳庫(kù)是全球碳循環(huán)和氣候變化研究的核心內(nèi)容，以魯中南山區(qū)藥鄉(xiāng)小流域林地土壤為研究對(duì)象，應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)，研究林地土壤有機(jī)碳的空間異質(zhì)性分布特征。結(jié)果表明：1)土壤有機(jī)碳和全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤層深度增加而減小，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～10 和10～30 cm土層之間差異極顯著；全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～10和10～30 cm土層之間差異顯著。2)0～10 cm土層的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、海拔呈極顯著正相關(guān)，與全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)；在10～30 cm土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、海拔呈顯著正相關(guān)。3)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的半方差函數(shù)模型屬于高斯模型，0～10 cm土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有強(qiáng)烈的架構(gòu)化區(qū)域模式；10～30 cm土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性。4)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)是流域的東部和西北部較高、中南部較低；有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布由東部和西北部向中南部遞減，基本與藥鄉(xiāng)小流域DEM趨勢(shì)一致。5)0～10 cm土層的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分形維數(shù)較小，土壤有機(jī)碳空間格局較簡(jiǎn)單；10～30 cm土層的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分形維數(shù)較大，土壤有機(jī)碳空間格局較為復(fù)雜。不同方位的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分形維數(shù)表明，東-西方向是藥鄉(xiāng)小流域林地土壤有機(jī)碳分布的優(yōu)勢(shì)格局。

土壤有機(jī)碳； 空間異質(zhì)性； 地統(tǒng)計(jì)學(xué)； GIS； 魯中南山區(qū)

土壤有機(jī)碳作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的生態(tài)因子，是評(píng)價(jià)土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[1-2]，尤其是林地土壤有機(jī)碳庫(kù)是全球碳循環(huán)的重要組成部分，是全球碳循環(huán)和氣候變化研究的核心內(nèi)容，它不僅為植被生長(zhǎng)提供碳源，而且在很大程度上影響著土壤結(jié)構(gòu)、土壤抗侵蝕的物理穩(wěn)定性及土壤生物多樣性等[3-5]?？臻g異質(zhì)性是土壤有機(jī)碳的一個(gè)基本特征，近年來(lái)，應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)對(duì)小流域土壤養(yǎng)分空間變異特征的研究備受眾多學(xué)者關(guān)注[6-9]。張偉等[10]對(duì)西南喀斯特地區(qū)峰叢洼地土壤有機(jī)碳的空間分布進(jìn)行了研究，并對(duì)其進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析；薛志婧等[11]在小流域尺度上研究了黃土丘陵區(qū)小流域土壤有機(jī)碳空間異質(zhì)性，并得出不同土地利用類型下的土壤有機(jī)碳存在顯著性差異；耿廣坡等[12-13]利用回歸克里格插值法對(duì)山東省馬蹄峪小流域土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布特征進(jìn)行了研究，并得出流域內(nèi)海拔高的區(qū)域土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高的結(jié)論；劉玲等[14]對(duì)吉林省金倉(cāng)林場(chǎng)土壤有機(jī)碳空間變異進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)空間變異因土壤深度而異，表層土壤有機(jī)碳的空間變異性較大?？傊?，針對(duì)小流域土壤養(yǎng)分空間變異特征的研究主要集中在我國(guó)南部和西部，而且多為不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳分布特征方面的研究；但是關(guān)于魯中南山區(qū)小流域尺度下土壤有機(jī)碳的分布，尤其是基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的小流域林地土壤空間變異與分布規(guī)律的研究成果鮮見(jiàn)報(bào)道。筆者以魯中南山區(qū)典型區(qū)域的藥鄉(xiāng)小流域林地土壤為研究對(duì)象，應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)，研究分析藥鄉(xiāng)小流域林地土壤有機(jī)碳的空間異質(zhì)性分布特征，并探討林地土壤有機(jī)碳的空間分布異質(zhì)性與土壤全氮、全磷和海拔的相關(guān)性，可為魯中南山區(qū)小流域林地土壤養(yǎng)分空間變異規(guī)律研究提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)對(duì)于小尺度的土壤有機(jī)碳空間變異研究，精確估算區(qū)域碳儲(chǔ)量和制訂區(qū)域水土保持與生態(tài)恢復(fù)措施具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省泰安市城市水源地黃前流域藥鄉(xiāng)小流域，地理坐標(biāo)為E 117°05′39″～117°09′26″，N 36°17′58″～36°20′30″，總面積4.20 km2。地處北方土石山區(qū)魯中南山地丘陵區(qū)西北部，屬暖溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為12.6 ℃，≥10 ℃的活動(dòng)積溫3 821 ℃，無(wú)霜期196 d，多年平均降水量758 mm，降水主要集中在6—9月。流域地形東、北、西三面環(huán)山，海拔629～940 m。侵蝕剝蝕巖溶構(gòu)造地貌，溝壑密度6.67 km/km2，主溝比降18.23‰。流域內(nèi)巖石主要為花崗片麻巖風(fēng)化層。土壤類型主要是棕壤土，呈微酸性，pH值在6.0左右，土層較薄，平均厚度30 cm。流域內(nèi)林地植被均為人工林(表1)，主要樹(shù)種為赤松(PinusdensifloraSieb. et Zucc.)、麻櫟(QuercusacutissimaCarruth.)和刺槐(Robiniapseudoacacia)。

2 材料與方法

2.1 土樣采集與數(shù)據(jù)處理

根據(jù)流域地形地貌、植被類型和采樣點(diǎn)的代表性及可操作性，結(jié)合小流域1∶1萬(wàn)地形圖生成DEM柵格圖(10 m×10 m)，于2013年11月，共設(shè)置樣地77個(gè)(圖1)，樣地面積為0.025 hm2。在樣地內(nèi)以S形布設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)，按0～10 cm和10～30 cm分別采集各層土壤的混合樣1 000 g左右；同時(shí)，用GPS記錄樣地的經(jīng)緯度及高程值，并詳細(xì)記錄采樣點(diǎn)周圍的景觀信息?；旌贤翗咏?jīng)風(fēng)干、磨細(xì)、過(guò)篩(2 mm、0.25 mm和0.149 mm土壤篩)，用于土壤化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定。土壤有機(jī)碳采用外加熱重鉻酸鉀氧化—容量法，全氮采用半微量凱氏法，全磷采用氫氧化鈉熔融—鋁銻抗比色法[15]。

表1 研究區(qū)典型植被的基本概況

圖1 藥鄉(xiāng)小流域林地土壤采樣位置布設(shè)圖Fig.1 Locations of soil sampling points (0-30 cm) distribution in the Yaoxiang small watershed

2.2 統(tǒng)計(jì)分析

1)描述性及相關(guān)性分析：應(yīng)用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和回歸分析。

2)地統(tǒng)計(jì)分析：根據(jù)小流域1∶1萬(wàn)地形圖生成DEM柵格圖(10 m×10 m)來(lái)提取地形因子，坡向以正北方向?yàn)?°，并按順時(shí)針?lè)较蛴?jì)為0°到360°。利用GS+9.0和Arcgis10.0軟件進(jìn)行土壤有機(jī)碳的半方差函數(shù)分析和空間預(yù)測(cè)分析。半方差函數(shù)計(jì)算公式[16]為

(1)

式中：γ(h)為半方差函數(shù)；h為樣本間隔距離；z(xi)和z(xi+h)為變量在空間位置xi和xi+h的取值；N(h)為取樣間隔為h時(shí)的樣本對(duì)總數(shù)。

半方差函數(shù)反映了土壤相鄰采樣點(diǎn)之間的空間關(guān)系，并且把空間變異距離增加到一個(gè)恒定值，即基臺(tái)值(C0+C1)作為空間依賴范圍，當(dāng)采樣點(diǎn)間距接近這個(gè)恒定值則具有空間相關(guān)性，如果超過(guò)此距離則空間相關(guān)性消失；因此，應(yīng)用方差函數(shù)模型分析了土壤有機(jī)碳的空間相關(guān)性。半方差函數(shù)理論模型包括球形模型、指數(shù)模型、高斯模型、純塊金效應(yīng)模型和線性模型。半方差模型提供變量的空間結(jié)構(gòu)和克里格插值的輸入?yún)?shù)。土壤變量的空間依賴性可由半方差函數(shù)得到塊金值(C0)、基臺(tái)值(C0+C1)、結(jié)構(gòu)比(C0/(C0+C1))、變程Range和決定系數(shù)R2等重要指標(biāo)。半方差函數(shù)γ(h)的值隨距離h的增大，從非零值達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的常數(shù)，這個(gè)常數(shù)為基臺(tái)值，基臺(tái)值是系統(tǒng)屬性中最大的變異；當(dāng)距離h為0時(shí)，γ(h)=C0，表示隨機(jī)部分的空間異質(zhì)性。當(dāng)函數(shù)達(dá)到基臺(tái)值時(shí)的間隔距離成為變程，當(dāng)距離h大于變程以后，區(qū)域化變量z(xi)的空間相關(guān)性會(huì)消失[17]。R2的數(shù)值越大表示土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的優(yōu)勢(shì)格局越明顯。

有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分形維數(shù)的計(jì)算公式[18]為

D=(4-M)/2。

(2)

式中：D為有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分形維數(shù)，表示樣本之間的結(jié)構(gòu)性，D值越大，樣本之間差異越小，即均一性較好；M為logγ(h)與logh進(jìn)行線性回歸后的直線斜率。

3 結(jié)果與分析

3.1 描述性統(tǒng)計(jì)

藥鄉(xiāng)小流域林地土壤有機(jī)碳、全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)描述性統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，可看出：在0～10 cm，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為20.38 g/kg；在10～30 cm，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為9.36 g/kg，隨著土壤深度的增加，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小。在0～10 cm，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變異系數(shù)為17.58%；在10～30 cm，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變異系數(shù)為14.52%，它們都屬于中等程度變異。在0～10 cm，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變異系數(shù)均超過(guò)40%，屬于中等程度變異，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變異系數(shù)均小于10%，屬于弱度變異；在10～30 cm，全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變異系數(shù)均超過(guò)10%，屬于中等程度變異，而且隨土壤深度增加，土壤全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小。

表2 藥鄉(xiāng)小流域林地土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的描述性統(tǒng)計(jì)表

注：表中大寫字母表示不同土層間極顯著差異(P<0.01)，小寫字母表示不同土層間顯著差異(P<0.05)。Note: The capital letters indicate a significant correlation at the 0.01 level, and the lowercase letters indicate a significant correlation at the 0.05 level.

方差分析結(jié)果表明：土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～10 cm和10～30 cm土層之間差異極顯著(P<0.01)；全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～10 cm和10～30 cm土層之間差異顯著(P<0.05)。這主要是因?yàn)?，?～10 cm土壤層有林地植被枯落物覆蓋，枯落物分解后，對(duì)其所在的土壤具有很好的改良效果，增加了土壤養(yǎng)分來(lái)源，從而導(dǎo)致林地土壤0～10 cm的有機(jī)碳、全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)比10～30 cm的高。

3.2 相關(guān)性分析

藥鄉(xiāng)小流域林地不同土層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤性質(zhì)和海拔的相關(guān)性分析見(jiàn)圖2，可以看出：在0～10 cm土層，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、海拔呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.711(P<0.01)和0.563(P<0.01)，與全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.499(P<0.05)；在10～30 cm土層，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、海拔呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.424(P<0.05)和0.351(P<0.05)，與全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)性不顯著(P>0.05)。相關(guān)分析表明，藥鄉(xiāng)小流域林地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤的全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及流域的海拔間存在密切關(guān)系。

3.3 地統(tǒng)計(jì)分析

3.3.1 半方差分析 藥鄉(xiāng)小流域林地土壤有機(jī)碳的半方差函數(shù)模型分析結(jié)果見(jiàn)表3和圖3，可看出，該流域林地土壤的0～10 cm和10～30 cm土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的半方差函數(shù)模型均屬于高斯模型，2土層半方差函數(shù)模型的參數(shù)值存在一定差異。0～10 cm土層半方差函數(shù)模型的結(jié)構(gòu)比為14.79%(<25%)，變程是706 m，說(shuō)明具有強(qiáng)烈的架構(gòu)化區(qū)域模式；10～30 cm土層半方差函數(shù)模型的結(jié)構(gòu)比為30.00%(>25%)，變程是721 m，并表現(xiàn)為中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性。

3.3.2 土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布特征及分形維數(shù) 利用普通克里格插值方法得到藥鄉(xiāng)小流域林地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的空間分布情況見(jiàn)圖4，可以看出：藥鄉(xiāng)小流域林地土壤的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)東部和西北部較高，流域的中南部較低；有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)由東部和西北部向中南部遞減，基本與藥鄉(xiāng)小流域DEM趨勢(shì)一致，也就是說(shuō)海拔高的區(qū)域土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高。

圖2 藥鄉(xiāng)小流域林地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤性質(zhì)和海拔的相關(guān)性分析Fig.2 Correlation analysis of SOC and different soil properties and elevation of forest land in the Yaoxiang small watershed

土層Soillayer/cm模型Model塊金值C0基臺(tái)值C0+C塊基比C0/(C0+C)/%變程Range/m0～10高斯模型Gaussianmodel1.770011.970014.7970610～30高斯模型Gaussianmodel0.52501.750030.00721

圖3 藥鄉(xiāng)小流域林地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的半方差函數(shù)模型Fig.3 Semivariogram model of SOC content of forest land in the Yaoxiang small watershed

表4是藥鄉(xiāng)小流域林地土壤不同土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分形維數(shù)，從全方位來(lái)看：0～10 cm土層的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分形維數(shù)較小(1.593)，空間格局較簡(jiǎn)單，空間依賴性較強(qiáng)；10～30 cm土層的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分形維數(shù)較大(1.762)，均一程度高，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間格局較為復(fù)雜。比較不同方位的分形維數(shù)：0～10 cm土層的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在各方位分形維數(shù)差異不大，其中西北—東南方向上大，在東—西方向分形維數(shù)小，在此方向上的空間異質(zhì)性較大，具有較強(qiáng)的空間依賴性；10～30 cm土層的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在東北—西南方向分形維數(shù)大，均一性較好，在南—北方向分形維數(shù)小，在該方向上空間異質(zhì)性和空間依賴性較強(qiáng)。同時(shí)，從決定系數(shù)來(lái)看，0～10和10～30 cm土層都是在東—西方向大(0.866和0.547)，說(shuō)明東—西方向是該流域林地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的優(yōu)勢(shì)格局。

圖4 藥鄉(xiāng)小流域不同土層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)普通克里格插值圖Fig.4 Spatial distributions of different SOC content interpolated by ordinary-kriging in the Yaoxiang small watershed

表4 藥鄉(xiāng)小流域林地土壤各層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分形維數(shù)

注：S-N為南-北方向；NE-SW為東北-西南方向；E-W為東-西方向；NW-SE為西北-東南方向；D為分形維數(shù)。Note: S-N is the south- north direction; NE-SW is the northeast-southwest direction; E-W is the East-west direction; NW-SE is the Northwest-Southeast direction.Dis the fractal dimension of SOC content.

4 討論

4.1 不同土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化特征

藥鄉(xiāng)小流域0～10 cm土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于10～30 cm土層，二者之間差異極顯著；半方差函數(shù)模型分析表明，0～10 cm土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有強(qiáng)烈的架構(gòu)化區(qū)域模式，10～30 cm土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性，該研究結(jié)果與劉玲[14]和孫文義等[19]的研究結(jié)果一致。這主要與凋落物和植物根系關(guān)系密切，表層土壤覆蓋有大量的森林凋落物，而凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過(guò)程中的一個(gè)重要物質(zhì)庫(kù)，是表土碳、氮元素的主要補(bǔ)給者，調(diào)落物的數(shù)量和分解過(guò)程對(duì)表層土壤碳、氮的累積有直接的影響，同時(shí)，凋落物淋洗水所攜帶的有機(jī)碳量是土壤有機(jī)碳輸入的較大項(xiàng)。藥鄉(xiāng)小流域在0～10 cm土層有較多的植被凋落物覆蓋，凋落物分解后，對(duì)其所在的土壤具有很好的改良效果，增加了土壤養(yǎng)分來(lái)源，從而導(dǎo)致林地土壤0～10 cm的有機(jī)碳、全氮和全磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均比10～30 cm土層的高。

4.2 不同海拔有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的異質(zhì)性變化特征

藥鄉(xiāng)小流域林地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與流域的海拔間存在顯著的相關(guān)性，總體分布特征是東部和西北部較高，流域的中南部較低；有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布由東部和西北部向中南部遞減，基本與藥鄉(xiāng)小流域DEM走向一致，即海拔高的區(qū)域土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高。這主要是由于該地區(qū)經(jīng)過(guò)多年的封山育林，高海拔地區(qū)的森林植被受到人為的干擾程度較輕，林下枯枝落葉物保存的比較完整，從而較好地改良了土壤結(jié)構(gòu)，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，這一研究結(jié)論與T. Hengl等[20]、R. K. Gupta等[21]和李海東等[22]的研究結(jié)論吻合?？梢?jiàn)，保護(hù)和恢復(fù)好森林植被，盡可能減少人為干擾和破壞，對(duì)森林土壤有機(jī)碳固存具有重要的意義。

本研究采用普通克里格插值法預(yù)測(cè)并分析了小流域尺度上林地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布特點(diǎn)，但由于受到地形、坡向、植被等綜合環(huán)境因子的影響，預(yù)測(cè)精度存在一定的局限性。同時(shí)，本研究?jī)H對(duì)藥鄉(xiāng)小流域林地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了分析，未進(jìn)行有機(jī)碳儲(chǔ)量估算，仍還需進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

1) 藥鄉(xiāng)小流域林地土壤有機(jī)碳和全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤層深度增加而減小，土壤有機(jī)碳0～10 cm和10～30 cm土層間差異極顯著(P<0.01)；全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～10 cm和10～30 cm土層間差異顯著(P<0.05)。

2) 藥鄉(xiāng)小流域林地0～10 cm土層的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、海拔呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系；在10～30 cm土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、海拔呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

3) 藥鄉(xiāng)小流域林地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的半方差函數(shù)模型屬于高斯模型，0～10 cm土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有強(qiáng)烈的架構(gòu)化區(qū)域模式，10～30 cm土層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性。

4) 藥鄉(xiāng)小流域林地土壤的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)東部和西北部較高，流域的中南部較低；有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布由東部和西北部向中南部遞減，基本與藥鄉(xiāng)小流域DEM趨勢(shì)一致，即海拔高的區(qū)域土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高。

5) 藥鄉(xiāng)小流域林地土壤0～10 cm土層的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分形維數(shù)較小，空間格局較簡(jiǎn)單，空間依賴性較強(qiáng)；10～30 cm土層的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分形維數(shù)較大，均一程度高，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間格局較為復(fù)雜。不同方位的土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分形維數(shù)表明東-西方向是該流域林地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的優(yōu)勢(shì)格局。

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(責(zé)任編輯：程 云)

Spatial distribution of soil organic carbon in the forestland of the Yaoxiang small watershed in central and southern Shandong Province

Zhang Liyong1, Gao Peng1, Wang Chengjun2, Liu Shengtao1, Li Xiao1

(1.Shandong Agricultural University, College of Forestry; Taishan Mountain Forest Ecosystem Research Station, 271018, Tai′an, Shandong, China; 2.Water Resources Bureau of Linqu County, 262600, Linqu, Shandong, China)

The spatial heterogeneity of soil organic carbon (SOC) levels is important in researches of both global carbon-nitrogen cycle and climate change. By employing geostatistics methods and GIS technology, we studied the spatially heterogeneous distribution of SOC in the Yaoxiang small watershed in the hilly area of central and southern Shandong Province. Results showed that: 1) SOC, total nitrogen and total phosphorus contents showed a trend of declining with the increase of soil depth, and there was an extremely significant difference in SOC content between 0-10 cm and 10-30 cm soil layers, and significant differences in total nitrogen and total phosphorus contents were found between 0-10 cm and 10-30 cm soil layers. 2) SOC content in 0-10 cm soil layer had an extremely significantly positive correlation with total nitrogen content and elevation, and had a significantly positive correlation with total phosphorus content; SOC content in 10-30 cm soil layer had a significantly positive correlation with total nitrogen and elevation. 3) Semivariogram model of SOC content belongs to the Gaussian model, and SOC content in 0-10 cm soil layer had a strong regional pattern, and that in 10-30 cm soil layer showed a moderate spatial correlation. 4) SOC content was higher in the eastern and northwestern parts and lower in the central and southern parts of the small watershed; the distribution of SOC diminished gradually from the eastern and northwestern parts to central and southern parts, which was basically consistent with the trend of DEM in the Yaoxiang small watershed. 5) Fractal dimension of SOC content in 0-10 cm soil layer was smaller than that in 10-30 cm soil layer, and the spatial pattern of SOC was relatively simple; in contrast, the spatial pattern of SOC in 10-30 cm soil layer was more complex. The fractal dimensions of SOC content in different directions showed that the east-west (E-W) direction was the advantageous pattern of SOC distribution in the Yaoxiang small watershed.

SOC; spatial heterogeneity; geostatistics; GIS; hilly area of central and southern Shandong Province

2014-09-08

2015-04-06

張立勇(1988—)，男，碩士研究生。主要研究方向：流域治理與生態(tài)修復(fù)。E-mail:zhangliyong@yeah.net

?通信作者簡(jiǎn)介： 高鵬(1967—)，男，教授，博士。主要研究方向：林業(yè)土壤生態(tài)。E-mail：gaopengy@163.com

S158.2； S153.6

A

1672-3007(2015)03-0083-07

項(xiàng)目名稱： 國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)專項(xiàng)課題“森林生態(tài)系統(tǒng)水文和氣象生態(tài)要素連清技術(shù)研究”(2014303- 08)；“全國(guó)第八次山東省森林資源生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估研究”(201204101)