环境因素对密云水库上游流域土壤有机碳和全氮含量影响的通径分析

王淑芳，王效科，欧阳志云

1. 江西理工大学江西省矿冶环境污染控制重点实验室，江西 赣州 341000；2. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085

环境因素对密云水库上游流域土壤有机碳和全氮含量影响的通径分析

王淑芳1，2，王效科2，欧阳志云2

1. 江西理工大学江西省矿冶环境污染控制重点实验室，江西 赣州 341000；2. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085

土壤是全球重要的碳库和氮库，在全球碳氮循环中具有重要地位。密云水库是华北地区最大的水库和北京市最重要的地表水水源地，其上游流域山地广布，地形复杂，气候变化明显，土壤类型和植被类型多样，影响土壤碳氮库的环境因素具有较强的变异性。为揭示环境因素对密云水库上游流域土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）和全氮（total nitrogen，TN）含量的作用效应，采用野外采样、实验室分析与逐步回归分析和通径分析相结合的方法，研究了气候（温度和降水）、地形（海拔和坡度）、土壤理化性质（土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量）等环境因素对流域SOC和TN含量的影响。结果表明：温度、土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量对SOC含量的影响显著（P＜0.001），其中各因子的直接通径系数依次为：土壤含水量（0.439）＞土壤容重（-0.324）＞pH值（-0.238）＞温度（-0.209）＞土壤粘粒含量（0.092），间接通径系数依次为：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）＞温度（-0.043），因此，土壤含水量、pH值和温度主要通过直接作用影响SOC含量，而土壤容重和粘粒含量则主要通过其它因子的作用间接影响SOC含量。海拔、土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量对TN含量的影响显著（P＜0.001），其中各因子的直接通径系数依次为：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），间接通径系数依次为：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，土壤含水量主要通过直接作用影响TN含量，而土壤容重和粘粒含量主要通过土壤含水量的作用间接影响TN含量，海拔和土壤pH值的直接作用与间接作用相当。气候、地形、土壤理化性质等环境因子能够联合解释SOC和TN含量变异性的75.0%和71.2%，但其它影响因子的剩余通径系数仍较大，分别为0.50和0.54，说明还有未考虑的其它重要影响因素，如成土母质、土地利用方式、耕作管理等，需要进一步深入分析。

密云水库上游流域；土壤有机碳含量；土壤全氮含量；环境因素；通径分析

土壤是全球重要的碳库和氮库，在全球碳氮循环中具有重要地位。受自然或人为干扰的影响，土壤中的碳和氮以CO2、N2O等温室气体的形式排入大气中，对全球气候变化产生重要影响。土壤有机碳（Soil organic carbon，SOC）和全氮（Total nitrogen，TN）含量受到气候、地形、植被、成土母质、土壤理化性质等自然条件以及土地利用、耕作管理等人类活动综合作用的影响（Spain，1990； Homann等，2007），并存在各种因子间的相互作用（Sollins等，1996）。在全球变化的背景下，在区域尺度上研究和揭示影响SOC和TN含量的主要控制因素，对于建立和评价碳氮循环过程模型，精确估算温室气体排放和土壤碳氮截存能力，评估未来气候变化对土壤碳氮的影响，合理利用和管理土地资源，制定应对气候变化的区域策略和措施等都具有重要的理论与实践意义。

目前关于SOC和TN含量与环境因素的研究较多，主要考虑的环境因素有气候、地形、土壤理化性质等（Burke等，1989；Alvarez和Lavado，1998；Ganuza和Almendros，2003；Miller等，2004；Griffiths等，2009），所采用的方法多见于简单相关、多元回归分析等（张勇等，2008，2009；王丹丹等，2009）。然而，简单相关不能全面考察变量间的相互关系，其结果往往带有一定的片面性；多元回归分析虽然在一定程度上能够消除变量之间的多重共线性，能够真实地表现出各个自变量和因变量的关系，但由于偏回归系数带有单位，使各自变量对因变量的效应不能直接进行比较。通径分析是数量遗传学家Sewall Wright于1921年提出的一种多元统计分析方法，它在多元回归的基础上将相关系数分解为直接通径系数（某一自变量对因变量的直接作用）和间接通径系数（该自变量通过其它自变量对因变量的间接作用），因而通径系数是介于相关系数与回归系数之间的统计量，其经过标准化后去掉了单位，彼此可以相互比较，从而可以反映各自变量对因变量的影响程度和相对重要性（高之仁，1986）。因此，建立在通径系数概念上的通径分析，比相关分析和回归分析更为精确，同时能够考虑两两因素对结果的影响，对多变量资料的统计分析更为合理（盖钧镒，2013），已在土壤研究领域得到较多应用（刘广深等，2003；王会利等，2008；王丹等，2011；贡璐等，2013；赵冰清等，2013；曹小玉等，2014）。

密云水库位于京郊密云县城北山区，是华北地区最大的水库，也是北京市最重要的地表水水源地。其上游流域山地广布，地形复杂，气候变化明显，土壤类型和植被类型多样，影响SOC和TN含量的环境因素具有较强的变异性。因此，本研究选择在具有重要生态功能的密云水库上游流域，采用野外采样、实验室分析与逐步回归分析和通径分析等数理统计分析相结合的方法，在区域尺度上研究气候（温度和降水）、地形（海拔和坡度）、土壤理化性质（土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量）等对SOC和TN含量的影响，探讨影响区域SOC和TN含量的主要环境因子，为区域土壤碳氮储量估算以及气候变化对土壤碳氮的影响预测等提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

密云水库上游流域（即密云水库以上潮白河流域）地处40°19′～41°31′ N、115°25′～117°33′ E之间，由注入密云水库的潮河和白河两大水系组成，总流域面积15788 km2，约占潮白河流域总面积的88%。流域辖区主要涉及河北省的赤城县、沽源县、丰宁满族自治县、滦平县以及北京市的密云县、怀柔区、延庆县等区县，流域面积的2/3在河北省境内，1/3在北京市境内。流域处于内蒙古地轴东段和燕山台褶带上，地势西北高、东南低，西北部以海拔1000～2290 m的中山为主，东南部大多为低山、丘陵和部分平原。流域内气候垂直分布明显，以马营、独石口为界划分为两个气候带，即北部的中湿带半干旱森林草原气候带和南部的暖湿带半湿润山地气候带，多年平均降水量为488.9 mm，降水分布从东南向西北递减。土壤类型以淋溶褐土（28%）、棕壤（26%）、褐土性土（18%）和石灰性褐土（12%）为主。植被覆盖较好，森林和草地覆盖率达到76%以上（森林49%，不同覆盖度的草地27%），农用旱地占21%。

1.2 土壤样品采集与分析

采样于2009年8─9月份进行，根据研究区域土地利用的特点，按森林、草地、农田3种土地利用类型进行样地选择和样品采集。在各样方内按照S型布点方式布设3个采样点，每个样点采用挖取土壤剖面的方法采集表层（0～20 cm）土壤，3个样点混合为一个土壤样品，共计149个样品。另外采用环刀（容积 100 cm3）取土测量土壤容重，3个重复。

土样带回实验室，置于通风、阴凉、干燥的室内风干，过2 mm筛，移出砾石和根系。过2 mm筛的土样一部分用于测定土壤pH值和粒径分布，另一部分继续过100目筛，用于测定SOC和TN含量等。

SOC含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；TN含量采用德国Elementar公司生产的 Vario EL III型元素分析仪测定；土壤含水量采用烘干法测定；土壤容重采用环刀法测定；土壤pH值采用电位法（水土比2.5:1）测定；土壤粒径分布采用英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪测定，粒径分别设定为＜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，根据美国制土壤质地分类标准分为粘粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）和砂粒（0.05～2 mm）。

1.3 气象数据的收集与计算

根据密云水库上游流域及其周边地区 10个气象站点的年平均温度和年降水量数据，在 ArcGIS 9.2软件中采用Kriging空间插值法计算各采样点的年平均温度和年降水量。

1.4 数据分析

数据处理和统计分析在Microsoft Office Excel2003和SPSS 16.0软件中完成。采用逐步回归分析方法建立环境因子对SOC和TN含量的多元回归方程，对SOC和TN含量的显著性影响因子进行识别，然后根据回归分析结果对识别出的显著性影响因子进行通径分析，比较各因子对SOC和TN含量的影响程度和相对重要性。所选择的环境因子有温度（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 结果与讨论

2.1 SOC和TN含量关于环境因子的多元回归方程

通过逐步回归分析得到SOC和TN含量与环境因子的统计回归模型 (r2= 0.712, P ＜ 0.001)，见式（1）和（2）。

由此可见，所选择的8个环境因子共同解释了密云水库上游流域表层（0～20 cm）SOC和TN含量变异性的75.0%和71.2%，其中温度、土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量对SOC含量的影响显著（P＜0.001），而海拔、土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量对TN含量的影响显著（P＜0.001），除此之外的其它环境因子影响不显著（P＞0.05）而在逐步回归中被剔除。

2.2 环境因子对SOC和TN含量影响的直接作用和间接作用

由于环境因子之间存在较强的相关性（见表1），在进行回归分析时可能出现共线性现象，并且由于各环境因子的数量变动范围不同，因此采用逐步回归分析还不能直观地体现各环境因子对SOC和TN含量的贡献大小，而通过标准化回归系数的方法计算通径系数，并将相关系数分解为直接通径系数与间接通径系数的代数和，就能较直观地反映各环境因子对SOC和TN含量的影响作用。对影响SOC和TN含量的显著性环境因子分别进行通径分析，结果见表2和表3。

2.2.1 环境因子对SOC含量影响的效应分解

由表2可知，环境因子与SOC含量的相关性依次为：土壤容重＞土壤含水量＞土壤pH值＞土壤粘粒含量＞温度。通径分析结果表明，在影响SOC含量的显著性环境因子中，土壤含水量的直接通径系数最大，说明土壤含水量对 SOC含量的直接作用最大，并且表现为正效应；其次分别为土壤容重、pH值和温度，三者对SOC含量具有负的直接作用效应；而土壤粘粒含量对SOC含量的直接作用最小。

表1 SOC和TN含量与环境因子的相关系数Table 1 Pearson correlation coefficients of SOC and TN contents with environmental factors

表2 SOC含量与环境因子相关系数的分解Table 2 Decomposition of correlation coefficients between SOC content and environmental factors

表3 TN含量与环境因子相关系数的分解Table 3 Decomposition of correlation coefficients between TN content and environmental factors

各环境因子中，间接通径系数最大的是土壤容重，表明土壤容重对 SOC含量的间接作用最大，主要是通过土壤含水量和pH值对SOC含量起间接负作用；其次是土壤粘粒含量，主要通过土壤含水量和容重对 SOC含量产生间接正效应；再次为土壤含水量，主要通过土壤容重对 SOC含量起间接正作用；土壤pH值次之，主要通过土壤容重对SOC含量起间接负作用；而温度的间接作用最小；由此可见，土壤理化特征因子之间存在明显的相互作用，共同影响SOC含量。

土壤含水量、pH值和温度的直接通径系数均大于其间接通径系数，表明三者对 SOC含量的主要贡献均表现为直接作用效应；而土壤容重和粘粒含量的间接通径系数大于其直接通径系数，表明二者对 SOC含量的主要贡献均表现为通过影响其它因子而产生的间接作用效应。

2.2.2 环境因子对TN含量影响的效应分解

由表3可知，环境因子与TN含量的相关性依次为：土壤含水量＞土壤容重＞海拔＞土壤粘粒含量＞土壤pH值。通径分析结果表明，在影响TN含量的显著性环境因子中，土壤含水量的直接通径系数最大，表明土壤含水量对TN含量的直接作用最大，且表现为正效应；其次为海拔，对TN含量具有较大的直接正效应；土壤容重和pH值次之，二者对TN含量具有负的直接作用效应；土壤粘粒含量对TN含量的直接作用最小。

各环境因子中，间接通径系数最大的是土壤容重，说明土壤容重对TN含量的间接作用最大，主要是通过土壤含水量对TN含量起间接负作用；其次是土壤粘粒含量，主要通过土壤含水量对TN含量产生间接正效应；再次为土壤含水量，主要通过土壤容重对TN含量起间接正作用；海拔次之，主要通过土壤含水量对TN含量产生正的间接作用效应；土壤pH值最小，主要通过土壤容重对TN含量起间接负作用；由此可见，土壤理化特征因子之间、海拔与土壤含水量之间均存在明显的相互作用，共同影响TN含量。

土壤含水量的直接通径系数大于其间接通径系数，其对TN含量的直接作用明显大于间接作用；除此之外其它4个因子的间接通径系数均大于各自的直接通径系数，表明其对TN含量的主要贡献均表现为通过影响其它因子而产生的间接作用效应，其中土壤容重和粘粒含量的间接作用明显大于直接作用，而海拔和土壤pH值的间接作用与直接作用相差不大。

此外，所选环境因子对 TN含量的决定系数R2=0.712，剩余因子的通径系数为e=0.54也较大，说明对TN含量影响较大的一些因素也有待于进一步深入分析。

2.2.3 讨论

目前，对影响因素的分析大多采用相关分析和多元回归分析的方法，但简单相关不能全面考察变量间的相互关系，结果往往带有一定的片面性；多元回归分析只考察变量之间的直接作用，而实际上变量之间的关联关系往往是一个复杂的传递过程。通径分析在相关分析与多元回归分析的基础之上，进一步研究自变量与因变量之间的数量关系，将自变量与因变量之间的相关系数分解直接通径系数和间接通径系数，不仅可以分析自变量对因变量的直接影响，还可以分析其通过其它相关的自变量对因变量的间接影响，从而能够透过简单相关的表面深入研究自变量与因变量之间的因果关系，揭示各个因素对结果的相对重要性。除了可以分析已知自变量的作用外，通径分析还可以揭示研究中尚未包括、但实际存在影响的其它因素的总的作用大小，并提示人们是否需要进一步探讨其它影响因素。因此，通径分析比简单相关和多元回归分析更能客观地反映各变量之间的关系，能够为统计决策提供可靠的依据。

3 结论

（1）环境因子中，温度、土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量对 SOC含量的影响显著（P＜0.001），各因子与SOC含量的相关性依次为：土壤容重＞土壤含水量＞土壤pH值＞土壤粘粒含量＞温度，其中土壤含水量、pH值和温度主要通过直接作用影响 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则主要通过其它因子的作用间接影响 SOC含量，并以土壤容重的间接作用最大。此外，土壤理化特征因子之间存在明显的相互作用，共同影响SOC含量。

（2）环境因子中，海拔、土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量对TN含量的影响显著（P＜0.001），各因子与 TN含量的相关性依次为：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过直接作用影响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过土壤含水量的作用间接影响TN含量，并以土壤容重的间接作用最大；海拔和土壤pH值的间接作用与直接作用相差不大。此外，土壤理化特征因子之间、海拔与土壤含水量之间均存在明显的相互作用，共同影响TN含量。

（3）气候（温度和降水）、地形（海拔和坡度）、土壤理化性质（土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量）等环境因子联合解释了密云水库上游流域表层（0～20 cm）SOC和TN含量变异性的75.0%和71.2%，其它影响SOC和TN含量的因子的剩余通径系数分别为0.50和0.54，数值较大，说明还有未考虑的其它重要影响因素，如成土母质、土地利用方式、耕作管理等，这些因素对SOC和TN含量的影响不可忽略，需要进一步深入分析。

致谢：感谢中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室罗云建、张千千、杨乐同学在野外采样期间的辛勤工作以及中国科学院生态环境研究中心北京城市生态系统研究站肖钦同志在实验室分析工作中的积极协作。

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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，欧阳志云. 环境因素对密云水库上游流域土壤有机碳和全氮含量影响的通径分析[J]. 生态环境学报, 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.

国家重点基础研究发展规划(973)项目(2006CB403402)；中国科学院战略性先导科技专项(XDA05050602-3；XDA05060102)；国家自然科学基金项目(71003092)

王淑芳（1981年生），女，讲师，博士，主要研究方向为陆地生态系统碳氮循环、矿冶环境污染控制与生态修复等。E-mail: fangfang_6281@163.com

2014-05-24