土壤性质是生态系统中的重要因素，其空间分布及其影响因子研究一直受到国内外学者的广泛关注^[1-2]。研究发现，气象气候、土壤母质、土地利用、地形等均对土壤性质具有重要的影响^[3-6]。海岛生态系统是一种特殊的生态系统，由于独特的位置、有限的面积、明显的隔离以及复杂的外界干扰，其具有明显的脆弱性特征，主要表现在其对外界干扰更加灵敏，且受到损害后很难通过自身调节能力恢复^[7-8]。海岛土壤不但为植物生长提供场所和养分，还在有机质还原、元素循环中发挥着关键作用^[9-10]，是海岛生态系统的基底，对维持海岛生态系统活力具有重要意义。独特的自然环境条件和日益增强的人类活动使得海岛土壤性质受到复杂因素的影响。一方面，海岛面积作为海岛的基本地理属性，是海岛生物多样性及生态系统的基础因子^[11-12]；同时，我国海岛大部分为基岩海岛，以剥蚀丘陵为主要地貌类型，地势起伏较为明显；此外，海岛具有陆海双重特征，以岛陆为核心，又受到海洋气候和水文的影响，且距离岸线较近的位置相比海岛内部而言受到的影响更大^[13]。另一方面，人类开发利用活动对海岛生态系统变化的影响越加明显，造成海岛自然景观减少，人工景观增多，地表覆盖类型多样化^[14-15]，进而对海岛土壤产生影响。上述复杂的自然和人文因子共同构成海岛土壤性质的潜在影响因子。当前，海岛土壤性质的相关研究已经得到了开展，然而，关于其空间分布特征及其影响因子的研究总体较少。

本文以庙岛群岛南五岛为研究区，以海岛土壤性质为研究对象，通过现场调查和遥感技术，从样地尺度和海岛尺度分析土壤性质的空间分布特征及其影响因子，以期揭示海岛土壤性质的变化规律，为海岛生态系统维护提供参考。

1   材料与方法

1.1   研究区概况

庙岛群岛南五岛位于山东半岛北侧，黄、渤海交会处，是我国候鸟迁徙的重要通道和停歇地，也是长岛国家级自然保护区的重要组成，由南长山岛、北长山岛、庙岛、小黑山岛和大黑山岛5个有居民海岛组成(图 1)。该区域为温带季风气候区，多年平均气温约为12℃，多年平均降水量约为540 mm；海岛均为基岩海岛，最高点海拔约为189 m；海岛原生林木发育不良，现有森林基本为人工林，主要包括以黑松为优势种的针叶林和以刺槐为主的阔叶林；土壤以棕壤土为主，土层厚度约为30 cm，多砂砾，土质较差^[16]。南五岛由山东省长岛县管辖，其中南长山岛为县政府所在地，是全县的政治、经济和文化中心。南五岛距离大陆较近，海岛分布相对集中，人类开发利用活动较为剧烈，城镇建设程度相对较高，交通运输频繁，但空间上又存在显著差异。

图  1  庙岛群岛位置、地表覆盖类型和调查点位

Fig.  1  Location, land cover types and sampling plots of study area

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1.2   数据来源

1.2.1   遥感影像

采用WorldView-1卫星2013年全色波段遥感影像，空间分辨率为0.45 m。通过ArcGIS10.0软件提取海岛轮廓，得到海岛面积、周长等基本信息；进而开展人机交互解译，将海岛地表覆盖类型分为针叶林、阔叶林、草地、农田、裸地和建设用地6类。采用LANDSAT 7卫星2012年8月16日的无云影像(分辨率30 m)，利用ENVI 4.7软件对影像进行裁切、辐射定标、波段运算得到归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)。

1.2.2   现场调查

2014年7月开展海岛现场勘察，对南五岛地表覆盖类型进行现场验证，根据验证结果校正现有数据。2012年夏季进行海岛土壤调查。以均匀分布为原则，考虑海岛面积、群落类型、地形等因素，共设置57个样地(图 1)。运用GPS手持机和电子罗盘测量各样地的经纬度、海拔、坡度和坡向；记录群落类型、盖度、植物种类等信息；采用多点混合取土样方法进行表层土壤取样，在每个样地内选取3个取样点，经均匀混合后作为该样地的土壤样品，在实验室进行检测：土壤含水量采用烘干法，pH值采用电位法，含盐量采用电导法，有机质采用重铬酸钾氧化外加热法，全氮采用半微量凯氏法，总碳采用高温灼烧法进行测定，速效磷采用盐酸-氟化铵法，速效钾采用乙酸铵提取法。

1.3   土壤性质及影响因子分析

1.3.1   土壤性质及空间分布特征

选择土壤含水率(moisture content)、pH、含盐量(salinity)、有机质(organic matter)、总碳(total carbon)、总氮(total nitrogen)、速效磷(available phosphorus)和速效钾(available potassium)共8项土壤因子，分别从样地尺度和海岛尺度进行分析。样地尺度上，探讨不同样地各土壤因子的空间分布特征；海岛尺度上，分析不同海岛各项土壤因子的状况。

1.3.2   影响因子分析

同样地，从样地尺度和海岛尺度上分析土壤性质的影响因子。由于研究区空间范围总体较小，气候和母质条件具有空间同一性，这里不作为影响因子进行分析。

样地尺度上，选择群落类型、植被生长状况、离岸距离和地形作为影响因子。群落类型包括针叶林、阔叶林、草地和农田4种，采用单因素方差分析法(One-way ANOVA)对不同群落类型土壤性质的差异进行分析。植被生长状况选择NDVI值进行分析，通过ArcGIS10.0中的Sample工具提取各样地的NDVI值；离岸距离即样地与海岛岸线的最近距离；地形因子选择海拔、坡度和坡向进行分析，坡向原始值为按0~360顺时针增大，0为正北，180为正南，以向阳性为原则，按照下式进行标准化：

式中：AS_x为x点标准化坡向值；A_x为x点原始坡向值。

采用简单相关分析法探讨NDVI、离岸距离和地形因子与土壤性质的关系；进而，以植被覆盖类型为控制变量，开展NDVI、地形和离岸距离与土壤性质的偏相关分析。

海岛尺度上，选择海岛面积、海岛开发指数和海岛人口作为影响因子进行分析，其中海岛开发指数取建设用地面积与海岛面积的比值。

2   结果与讨论

2.1   海岛土壤性质空间分布状况

2.1.1   样地尺度

样地尺度上土壤性质空间分布结果见图 2。可以发现，各因子均表现出了明显的空间分异性。土壤含水量范围为10.57%~35.07%，平均值为18.98%；pH范围为5.11~8.32，平均值为6.53；含盐量范围为0.007%~0.206%，平均值为0.088%；有机质范围为8.35~40.0 g/kg，平均值为20.75 g/kg；总碳范围为5.43~28.35 g/kg，平均值为15.05 g/kg；总氮范围为0.33~2.43 g/kg，平均值为1.23 g/kg；速效磷范围为0.56~29.46 mg/kg，平均值为3.83 mg/kg；速效钾范围为56.68~116.08 mg/kg，平均值为85.87 mg/kg。

图  2  各样地土壤性质空间分布

Fig.  2  Spatial distribution of soil properties of sampling plots

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2.1.2   海岛尺度

海岛尺度上土壤性质结果见表 1。土壤性质在不同海岛之间表现出了一定差异，含水量均值由大到小依次为北长山岛、庙岛、南长山岛、大黑山岛和小黑山岛，pH均值由大到小依次为庙岛、北长山岛、大黑山岛、南长山岛和小黑山岛，含盐量均值由大到小依次为大黑山岛、南长山岛、北长山岛、小黑山岛和庙岛，有机质均值由大到小依次为小黑山岛、南长山岛、北长山岛、大黑山岛和庙岛，总氮均值由大到小依次为小黑山岛、南长山岛、大黑山岛、北长山岛和庙岛，总碳均值由大到小依次为小黑山岛、大黑山岛、南长山岛、北长山岛和庙岛，速效磷均值由大到小依次为北长山岛、庙岛、大黑山岛、小黑山岛和南长山岛，速效钾均值由大到小依次为北长山岛、小黑山岛、大黑山岛、庙岛和南长山岛。

表  1  不同海岛土壤性质特征

Tab.  1  Soil properties on different islands

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2.2   海岛土壤性质的影响因子

2.2.1   样地尺度

群落类型：One-way ANOVA结果显示，除了含盐量和速效钾外，其余6项因子在不同群落类型中均表现出了显著的差异(P＜0.01)。土壤含水量均值由大到小依次为草地、阔叶林、农田和针叶林，pH和速效磷均值由大到小依次为草地、农田、阔叶林和针叶林，有机质、总碳和总氮均值由大到小依次为针叶林、阔叶林、草地和农田(图 3)。

图  3  不同群落类型的土壤性质

Fig.  3  Soil properties in different community types

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简单相关分析结果显示，NDVI与pH和速效磷呈显著负相关，与其他土壤因子未见显著相关关系；地形因子中，海拔与含水量、pH、速效磷和速效钾呈显著负相关，与有机质和总氮呈显著正相关，坡度与pH和速效磷呈显著负相关，与有机质呈显著正相关，坡向与pH呈显著负相关；离岸距离与速效钾呈显著负相关，与其他土壤因子无显著相关性。不同土壤因子之间也表现出一定的相关性，其中，有机质、总氮和总碳之间呈现较强的显著正相关关系，速效磷和速效钾之间呈显著正相关，pH与含水量呈显著正相关，与有机质、总碳和总氮呈显著负相关(表 2)。偏相关分析结果与简单相关分析结果相比，各影响因子与土壤性质的相关系数总体上有所下降，且地形与土壤因子的多组关系由显著相关变为不显著(表 3)。

表  2  NDVI、地形和离岸距离与土壤性质的简单相关分析结果

Tab.  2  Results of simple correlation analysis between NDVI, terrain, distance to the shore and soil properties

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表  3  NDVI、地形和离岸距离与土壤性质的偏相关分析结果

Tab.  3  Results of partial correlation analysis between NDVI, terrain, distance to the shore and soil properties

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在样地尺度上，群落类型、NDVI、地形和离岸距离均对土壤性质产生了一定影响。群落类型对大部分土壤因子具有明显的影响，有机质、总碳和总氮在人工林群落中偏高，而在草地和农田中偏低，这是由于人工林群落生物量较高，其凋落物往往较多，而凋落物则是土壤有机质和碳、氮元素的重要来源^[17]；含水量和速效磷在草地中较高，而在针叶林中较低，这可能是由于海岛土壤本身较为贫瘠，针叶林分布广泛，能够充分地吸收土壤中的营养元素和水分，造成营养元素和含水量的减少^[18]。NDVI能够反映反映植被茂密程度，可作为植被生长状况的表征因子^[19]，而人工林区域具有更高的NDVI。地形因子中，海拔和坡度与土壤性质的关系密切。这一方面是由于海拔和坡度较小的位置具有更好的汇水能力^[20]；另一方面，南五岛地表覆盖类型受到地形的制约，在海拔、坡度较小的位置一般进行农田开垦或者为荒草地，在海拔、坡度较大的位置通常开展人工林种植^[19]，造成地表覆盖类型的空间分异。坡向和离岸距离与土壤性质的相关性总体较小，二者对土壤性质空间分布不具有主导作用。偏相关分析结果也表明，地形因子主要通过影响地表覆盖类型进而影响土壤性质。可见，地表覆盖类型和植被生长状况是土壤性质的主要影响因素，这与诸多其他区域的相关研究结果相一致^{[2, 4]}。

2.2.2   海岛尺度

海岛尺度上的影响因子分析结果显示，土壤性质与各影响因子的关系总体较小，明显的相关性仅见于海岛面积和土壤含盐量，即随着海岛面积的增加，含盐量呈现较为明显的上升(图 4)。土壤性质对环境因子的响应总体上较不灵敏，这可能与这与海岛面积差异以及各岛生态系统特殊状况有关；海岛面积与土壤含盐量呈现较为明显的正相关关系，其具体原因应通过进一步的调查和分析来进行论证。

图  4  海岛面积、海岛开发指数和海岛人口与土壤性质的关系

Fig.  4  The relationships between island areas, island exploitation index, island population and soil properties

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3   结论

(1) 庙岛群岛南五岛土壤含水量、pH、含盐量、有机质、总碳、总氮、速效磷和速效钾的平均值分别为18.98%、6.53、0.088%、20.75 g/kg、15.05 g/kg、1.23 g/kg、3.83 mg/kg和85.87 mg/kg。土壤性质在海岛之间和海岛内部均表现出了一定的空间分异性。

(2) 样地尺度上，群落类型对除了含盐量和速效钾外的其余6项土壤因子具有重要影响，土壤含水量均值由大到小依次为草地、阔叶林、农田和针叶林，pH和速效磷均值由大到小依次为草地、农田、阔叶林和针叶林，有机质、总碳和总氮均值由大到小依次为针叶林、阔叶林、草地和农田；NDVI与pH和速效磷呈显著负相关；海拔和坡度与含水量、pH、速效磷和速效钾呈显著负相关，与有机质和总氮呈显著正相关；坡度与pH和速效磷呈显著负相关，与有机质呈显著正相关；坡向和离岸距离与土壤性质的相关性总体较小。地表覆盖类型和植被生长状况是海岛土壤性质的主要影响因素，地形主要通过影响地表覆盖类型进而影响土壤性质，离岸距离对土壤性质空间分布影响较小。

(3) 海岛尺度上，土壤性质对各影响因子的响应较不灵敏，明显的相关性仅见于海岛面积和土壤含盐量之间的正相关关系。