《Forests》：Vertical Distribution of Forest Soil Physicochemical Properties and Their Environmental Covariates in Maoming City, Southern Subtropical China
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森林土壤有机碳（SOC）与养分动态对陆地碳循环至关重要，然而华南南亚热带区域尺度上全剖面土壤属性的表征仍较为有限。基于茂名市443个森林采样点的0–100 cm土壤剖面数据——共6645个野外观测值，聚合为2215个点×土层记录用于统计建模——本
摘要专业翻译
森林土壤有机碳（SOC）与养分动态对陆地碳循环至关重要，然而华南南亚热带区域尺度上全剖面土壤属性的表征仍较为有限。基于茂名市443个森林采样点的0–100 cm土壤剖面数据——共6645个野外观测值，聚合为2215个点×土层记录用于统计建模——本研究调查了SOC、全氮（total N）、全磷（total P）、全钾（total K）、pH及摩尔化学计量比的垂直分布格局，并利用线性混合效应模型（LMMs）、随机森林（RF）及地统计克里金法量化了林分类型与地形因子的相对解释贡献。SOC与全氮呈现显著的表层富集，自表层（12.75 g kg?1与941 mg kg?1）至80–100 cm层（6.35 g kg?1与530 mg kg?1）分别下降约50%与44%。全磷垂直变异极小（约5%），全钾总体保持稳定，pH随深度略有升高（4.55→4.66）。林分类型与SOC、全氮、全钾、pH及多数化学计量比显著相关（均p < 0.05）；阔叶混交林与针叶林的表层SOC高于桉树、经济树种及荔枝/龙眼人工林。所有化学计量比随深度显著下降。RF模型显示，土壤深度对SOC与全氮具有最高的置换重要性（0.44–0.59），而林分类型对pH与全钾排名第一（0.40–0.49）；然而，袋外R2值较为有限（–0.06至0.23），表明四个实测预测变量无法解释大量变异。所有属性均表现出中等空间自相关（块金比0.48–0.67）。全钾在随机留一交叉验证下显示出中等插值精度（R2CV = 0.458），而空间分块交叉验证对五种属性中的四种产生负R2值；克里金图据此可视化了实测属性的空间布局。这些结果为华南南亚热带0–100 cm养分垂直格局与土壤碳密度提供了区域基线证据。
论文解读
一、研究背景与意义
全球土壤储存约1500 Pg土壤有机碳（SOC），约为大气碳库的两倍；森林覆盖全球约30%的陆地表面，其土壤是该碳库的重要组成部分。土壤有机碳、全氮（total N）、全磷（total P）、全钾（total K）及pH是土壤肥力与生态功能的核心指标，其浓度与空间分布与森林生产力、养分循环及生态系统稳定性密切相关。森林土壤属性的空间分布反映了生物积累、淋溶与淀积、成土母质风化及人为管理等多重交互过程，其中垂直分布格局是理解土壤碳氮循环与养分平衡的基础。
已有研究表明，森林土壤SOC与全氮普遍呈现表层富集特征，表层20 cm的SOC约占0–100 cm剖面的50%。尽管深层土壤（>30 cm）单位体积碳密度较低，但其对剖面总碳储量的贡献可达30%–60%，是全球碳循环不可忽视的组分。华南地区森林土壤SOC随深度增加而下降，0–40 cm碳密度超过全剖面的50%；在南亚热带植被恢复区，SOC自表层15.10 g kg?1降至40–60 cm的7.44 g kg?1。相比之下，全磷受成土母质强烈影响，通常垂直变异极小；全钾的垂直格局在不同研究中结论不一。南亚热带森林土壤pH总体呈酸性，但其垂直轨迹因土壤类型、凋落物质量及管理方式而异，应在区域尺度上加以表征而非假设。
林分类型是调控森林土壤养分的重要因素。在南亚热带中国，不同人工林类型间的SOC、全氮及C:N、C:P、N:P比值存在显著差异，阔叶林通常高于针叶林及灌草丛。华南五种典型林分的土壤肥力排序为：阔叶混交林>杉木林>马尾松林>相思林>桉树林。作为华南地区占主导地位的速生人工林类型，桉树连栽对土壤肥力的影响受到广泛关注。荔枝（Litchi chinensis）与龙眼（Dimocarpus longan）等经济林因果园管理中频繁的林下清除、施肥、施用石灰及地表扰动，其土壤养分状况可能与用材林不同。
地形因子通过水、热与物质的再分配影响土壤养分的空间分布。已有研究报道坡位或坡向与SOC及全氮的关联，但这些关系高度依赖立地条件。土壤生态化学计量比（C:N、C:P、N:P、C:K、N:K）反映土壤中元素的相对平衡，受植物–微生物–土壤相互作用塑造。全球尺度上，土壤C:N:P摩尔比约为186:13:1；中国约为60:5:1，且存在显著的区域分异。
华南地区现有区域土壤调查多依赖描述性统计与方差分析，对剖面数据的嵌套结构处理有限，且缺乏对0–100 cm全深度范围的系统比较。茂名市地处广东省西南部南亚热带区域，森林类型多样，但区域尺度的森林土壤属性系统研究仍较为匮乏。基于443个采样点的完整土壤剖面数据，本研究采用LMMs、RF及地统计学方法，旨在揭示0–100 cm剖面SOC、全氮、全磷、全钾、pH及化学计量比的垂直分布格局，量化林分类型与地形因子与土壤属性的关联，并评估所考察环境因子对土壤属性变异的相对解释贡献。
二、主要技术方法
研究人员基于2022年分层设计采集的茂名市443个森林采样点土壤剖面数据开展研究，覆盖高州（153点）、信宜（108点）、化州（85点）、电白（83点）及茂南（14点）五个县区。每点采集0–20、20–40、40–60、60–80、80–100 cm五个土层，每层3个重复剖面，共6645个实验室记录，聚合为2215个点×土层记录。主要技术方法包括：线性混合效应模型（LMMs），以采样点为随机截距处理剖面数据的嵌套非独立性，通过似然比检验（LRT）评估深度、林分类型、坡位、坡向及其交互效应的显著性；随机森林（RF）回归，评估各预测变量的置换重要性及袋外（OOB）预测能力，并辅以分组5折与空间分块10折交叉验证；地统计克里金插值，拟合球状变异函数模型表征空间自相关结构并进行空间插值验证。样本来源为茂名市五个县区的森林资源清查分层抽样。
三、研究结果
3.1 土壤属性的垂直分布
SOC与全氮呈现显著的表层富集：模型估计的SOC几何均值自表层的12.75 g kg?1降至80–100 cm的6.35 g kg?1，降幅约50%；全氮自941 mg kg?1降至530 mg kg?1，降幅约44%。全磷垂直变异极小（约5%），全钾剖面相对稳定，pH随深度略有升高（4.55→4.66）。LMM似然比检验显示土层深度与所有土壤属性高度显著相关（均p < 0.001）。基于实测容重，0–100 cm SOC储量密度平均为126.9 ± 35.8 Mg ha?1，60–100 cm区间占0–100 cm SOC储量的约31.7%。
3.2 林分类型与土壤属性的关联
林分类型与SOC、全氮、全钾、pH及C:N、C:P、N:P、C:K、N:K显著相关（均BH校正q < 0.05），但与全磷无关（q = 0.28）。表层SOC在阔叶混交林（13.02 g kg?1）、针叶林（12.75 g kg?1）及“其他林分”（13.48 g kg?1）中较高，桉树林（11.60 g kg?1）与经济树种（11.08 g kg?1）次之，荔枝/龙眼林最低（9.88 g kg?1）。全钾在阔叶混交林（11,318 mg kg?1）与针叶林（10,940 mg kg?1）中最高，荔枝/龙眼林最低（5141 mg kg?1）。深度×林分交互作用与SOC、全氮、全钾、C:N、N:P及N:K显著相关，表明不同林分类型的垂直分布格局存在差异。
3.3 地形因子的关联
坡位仅与C:P显著相关（LR = 11.8, p = 0.019, q = 0.037）。坡向与全钾（LR = 46.2, q < 0.001）、C:K（LR = 23.8, q < 0.001）及N:K（LR = 31.7, q < 0.001）显著相关，但与SOC、全氮、全磷、pH、C:N、C:P及N:P无关。RF结果方向一致：坡向对全钾（0.340 ± 0.034）与N:K（0.241 ± 0.026）具有较高置换重要性。
3.4 化学计量比的垂直变异
所有土壤化学计量比均随深度显著下降：C:N自表层的15.82降至80–100 cm的13.95（比值0.88）；C:P自173.5降至91.4（比值0.53，降幅约47%）；N:P自10.93降至6.52（比值0.60）；C:K自3.79降至1.74（比值0.46）；N:K自0.24降至0.13（比值0.52）。以P = 1归一化，表层C:N:P摩尔比约为173.5:10.9:1，80–100 cm约为91.4:6.5:1。
3.5 环境因子的相对解释贡献
RF模型的OOB R2因属性而异：SOC（0.226）、全钾（0.221）、N:K（0.163）、全氮（0.131）及C:K（0.130）较高，而全磷（–0.055）与C:N（–0.034）接近零或为负。分组5折交叉验证结果略低（如SOC 0.198），空间分块10折交叉验证大幅降低（如SOC 0.176、全氮0.011、全钾0.080、C:N –0.264）。置换重要性显示：深度对SOC（0.585）与全氮（0.428）最重要；林分类型对pH（0.485）与全钾（0.396）排名第一；坡向对全钾（0.340）与N:K（0.241）贡献较高；坡位对多数属性重要性较低（0.079–0.347）。
3.6 空间分布格局
所有表层土壤属性均呈现中等空间自相关（块金比0.48–0.67）：SOC块金比0.480，拟合变程154 km（达到最大配对距离上限）；全氮块金比0.668，变程29 km；全磷块金比0.674，变程154 km；全钾块金比0.503，变程77 km；pH块金比0.503，变程154 km。随机留一交叉验证显示全钾插值精度中等（R2CV = 0.458），SOC（0.176）与全氮（0.145）较低，全磷（–0.010）与pH（0.027）接近零或为负。空间分块交叉验证对四种属性产生负R2值，确认随机LOOCV在自相关数据中高估空间预测性能。
四、讨论与结论
讨论部分指出：SOC与全氮的表层富集与凋落物输入集中于表层、根系生物量随深度下降及上层土壤有机质分解周转活跃等机制一致。全磷垂直变异极小符合高度风化土壤中磷受母质控制、生物循环较弱的规律。全钾相对稳定或略增可能与风化淋溶过程及深部含钾矿物相对富集有关。pH随深度略增与表层有机酸积累及盐基离子淋溶一致。
林分类型差异方面，桉树林表层SOC（11.60 g kg?1）与全钾（6625 mg kg?1）处于相对较低水平，与文献中关于桉树连栽可能造成土壤养分耗竭的关切一致，但横断面数据无法将差异归因于桉树林本身。荔枝/龙眼经济林表层SOC最低（9.88 g kg?1）但pH最高（4.61），可能与其果园管理中施用石灰及复合肥有关。
坡向与全钾、C:K及N:K的显著关联支持坡向通过水热条件影响矿物风化与钾释放的假说，但温度、土壤水分、风化强度及矿物学未被测量，机制仍属推测。坡向与SOC及全氮无显著关联，与祁连山阴坡SOC较高的报道不同，可能与茂名低纬度（21.4–22.7° N）坡向间水热差异较小有关。
化学计量比方面，表层C:P（173.5）与N:P（10.9）均高于中国土壤平均水平（60:5:1）但低于全球平均（186:13:1）；N:P低于生态化学计量学中常用的磷限制阈值（N:P > 16）。由于仅测量全磷而未测有效磷、植物组织磷及施肥响应，研究地点不能被归类为磷限制。
RF模型中四个预测变量仅解释各属性变异的有限部分（OOB R2 –0.06至0.23），大量变异仍未被解释，可能与母质、土壤质地、矿物学、海拔、气候、林龄、管理历史及生物交互等未纳入变量有关。
研究结论为：茂名市森林土壤SOC与全氮呈现显著表层富集，0–100 cm剖面分别下降约50%与44%；全磷垂直变异极小（约5%），全钾相对稳定，pH随深度略增。基于实测容重，0–100 cm SOC储量平均126.9 Mg ha?1，深层（60–100 cm）贡献约32%。林分类型与SOC、全氮、全钾、pH及多数化学计量比显著相关，阔叶混交林与针叶林表层SOC高于桉树、经济树种及荔枝/龙眼林。所有化学计量比随深度显著下降。在RF模型的四个预测变量中，深度对SOC与全氮置换重要性最高，林分类型对pH与全钾最高，坡向对全钾与N:K最高。所有表层属性呈中等空间自相关，全钾插值精度最高但仍属中等（R2CV = 0.458）。这些发现为华南南亚热带0–100 cm养分垂直格局与土壤碳密度提供了区域基线证据，并强调未来区域土壤研究需要有效养分数据、母质表征及空间稳健验证。
