农林交错区土壤养分空间分异特征分析

宁静，关志新，卫丹，张树文，杭艳红

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.中国科学院东北地理与农业生态研究所，长春 130012）

农林交错区土壤养分空间分异特征分析

宁静1，关志新1，卫丹1，张树文2，杭艳红1

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.中国科学院东北地理与农业生态研究所，长春 130012）

利用土壤肥力化学实测分析手段及GIS空间分析方法探讨农林交错区特殊区位条件下耕地及林地土壤肥力空间分异特征，判定不同土地利用方式下的土壤肥力变化规律及特征，为土地管理及决策者提供相应参考。通过对穆陵市林地和农地各80个采样点两种土地利用类型下土壤样本有机质、全氮、有效磷、有效钾进行化学实测，对其在高程梯度和坡度梯度分异情况进行分析，利用球状模型进行克吕格模型构建进行空间推演。结果表明，在坡度梯度上，除有效磷以外，有机质、有效钾、全氮在12°和25°附近均出现高值；在高程梯度上表现在中等海拔400～500 m上出现高值高度较高和较低海拔高度上土壤肥力值有所降低；克吕格差值模型进一步说明林地的土壤肥力在区位条件相同的前提下均高于耕地的土壤肥力，并呈现一定的空间分异性。农林交错区的坡地耕作导致土壤化学特征及基本土壤肥力水平下降。

农林交错区；土壤肥力；空间分异；特征

农林交错区是景观尺度上生态交错带，耕地和林地相互耦合过渡区域[1-2]，形成林地与耕地交错存在的景观格局。农林交错区特殊的地理位置和资源属性，使其成为农业和林业争地主要焦点区位。穆棱市是黑龙江省较为典型的农林交错区域，坡耕地开垦速度和强度超出生态环境响应反馈范畴，对生态环境安全造成不可逆转影响。国内外研究表明，林地转化为耕地后长期开垦耕作导致碳元素和营养物质组分指数递减趋势[3-5]，这是因为毁林开荒后续农业利用方式，导致土壤黏性增加，土壤侵蚀的风险程度增加[6]，而原生植被破坏增加基本径流量[7]，致土壤养分流失。

有效对比和量化同一地理环境条件下原生林地和开垦耕地土壤养分的空间差异及分布特征是全球土-水相互作用研究关键点之一，但国内鲜见农林用地土壤养分差异对比性研究。本文通过微观实验室分析和宏观模型插值相结合方法分析不同土地利用类型造成的养分空间分布差异，为农林交错区水土资源的最优调控和水土保持措施优化配置提供量化依据，为保护性耕作策略和退耕还林策略选择提供理论依据。

1 研究区概括

穆棱市位于黑龙江省东南部，地理坐标为东经129°45′19″至130°58′07″，北纬43°49′55″至45° 07′16″。穆棱市属于中纬度温带大陆性季风气候区，夏季炎热湿润，雨量充沛，日照2 613 h，无霜期127 d，多年平均气温为2.5℃，多年平均降水量为503.1 mm。穆棱市区位于肯特阿岭东坡，老爷岭东坡与太平岭西坡相间部位，属于黑龙江省东部山岳地带。穆棱市地貌以中低山和丘陵为主，属于低山丘陵区，降水集中在6～8月份，占全年降水量60%，导致穆棱市土壤侵蚀严重及地质灾害频发。地区内有暗棕壤、白浆土、草甸土、沼泽土、淤泥土、泥炭土以及水稻土等7个土类，17个亚类，其壤垂直分布较为明显。中暗棕壤占绝对优势，多分布在低山丘陵区，多有森林覆盖。全市土地面积为约为6 492 km2，行政区划为六镇（八面通镇、下城子、马桥河、兴源、穆棱、磨刀石），三乡（河西、共和、福禄），176个村，全市现有人口32.6万人。土地利用方式呈农林交错态势，长期坡地开垦使穆棱市坡地土壤侵蚀严重，侵蚀沟交错纵横。

图1 采样点分布Fig.1 Distribution of soil sampling points

2 样品的采集与分析方法

2.1 样品采集及测定

样品采集主要利用穆棱市1∶5万地形图插值生成DEM数据及利用2010年SPOT影像目视解译生成1∶1万土地利用图，在GIS10.0平台下结合土壤图，水系分布图及行政单元等矢量数据，根据研究区农林交错特征采用近似点采样方法，将采样点设置在农业用地和林业用地交错存在的区域。在进行林业用地取样同时选取相同地理区位的农业用地，减少地理区位对土壤养分水平的影响，即每一林地采样点对应农地采样点具有相同地形、地貌、气候及水文特征等，识别土地利用方式导致水土过程改变土壤养分的变化情况。本文共计取得160个土壤样本，其中林地土壤样本80个，耕地土壤样本80个，采样点力图反映区域梯度特征，覆盖均匀。分别在土壤垂直剖面对土壤的A、B层进行取样，获得样本经自然风干磨细，过1 mm筛子后经室内养分测定。土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；全氮采用开氏定量法测定；全磷采用硫酸-高氯酸消煮-ICP测定。对采样点所在地块土地利用特征进行实地调查，含耕地的作物种类、耕作强度、水土保持状况、林地的林种、郁闭度、水土流失特征，综合分析采样点自然环境及人文经济特征，以准确判断耕地开垦对土壤养分影响程度及强度。

2.2 养分特征空间插值分析方法

利用ARCGIS的地统计学分析方法对同一位置不同土地利用类型土壤采样数据进行空间克里格球状模型插值。运用地统计学和信息化网格技术分析穆陵市农林交错区林地和农地的土壤养分空间分布特征，将土壤采样点作为空间差值建模空间数据，结合4中土壤养分的实验室测定值运用空间差值方法进行地统计学分析[8]。

①数据检验。当数据服从正态分布时，利用插值法生成模拟表面效果最佳。利用ARCGIS提供的地统计学空间局部插值数据的检验工具对80个采样点160个采样数据进行正态分布检验。结合描述性统计分析确定，土壤采样数据除磷元素外基本符合正态分布原则，可进行插值[9]。

②利用半变异函数确定最佳拟和模型。半变异函数显示具有不同距离的样点对的方差，是一个关于数据点的半变异值与数据点间距离函数[9-11]。

式中，r（h）-样本距h的半方差，h-样本距；N（h）是间距为h的样本对的总个数；Z（x）-位置x处的数值，Z（x+h）-在距离为x+h处的数值。

③利用普通克里格（Kriging）插值。也称空间局部估计和空间局部差值，是建立在变异函数理论和结构分析基础上，在有限区域内对区域化变量的取值进行无偏估计的方法[11]。经过插值得到穆棱市土壤养分的空间分布模型。

3 结果与分析

3.1 描述性统计分析

从统计分析可见（表1），土壤养分的均值在耕地和林地采样点呈显著性差异，除有效磷磷外，有机质、有效钾、全氮均表现为林地值高于耕地值。差别最显著的是土壤有机质：耕地土壤有机质为4.9 g·kg-1，林地土壤有机质为8.95 g·kg-1，约为耕地土壤有机质1.83倍，说明坡耕地垦殖活动对土壤结构和土-水相互作用系统干扰表现为土壤有机质大量流失。从变异系数上看穆棱市土壤养分空间变异除磷元素外耕地和林地钾、氮、有机质呈现中等变异。磷元素变异系数较高，达139.13和151.8，这与王淑英，崔潇潇等[12-13]研究结果一致。主要原因是磷的化学行为导致的低移动率以及当季低吸收率造成的高残留。经单样本检验：氮、钾、有机质均符合正态分布。各元素最大值和最小值之间差值明显，说明农林交错区在不同的坡度及区位上养分分布不平衡性，不同区位坡耕地对土壤养分和土壤结构的干扰性具有空间区位分异特征。

3.2 坡度对农林用地土壤养分的空间分异影响

坡耕地随开垦年限增加，水土流失程度加重，养分大量流失，坡耕层土壤板结严重，土壤化学性能逆向发展。在不同的坡度梯度上，变化情况不同；与林地变化趋势相比存在坡度梯度差异。

由图2可知，林地土壤测定的土壤养分指标均高于耕地土壤。林地土壤全氮值在坡度为12°和21°以上存在高值，分别为4.51和4.57 g·kg-1；在12～21°林地全氮水平降低，最低值出现在坡度18°的坡度分带上，为2.45 g·kg-1。但平均高于同点耕地样本，原因是长年耕作导致耕地土壤中原始氮积累减少。耕地在坡度梯度上全氮水平均不高，在坡度为3°梯度附近出现明显高值，为3.31 g·kg-1。林地土壤养分在其他要素，如有效磷、有效钾以及有机质的坡度梯度上特征相似，即在12°和25°附近均出现高值，原因是这些坡度梯度上的林地郁闭度较高，林种以针阔混交林为主，土壤养分积累深厚。其他坡度分带上受人类活动影响多，为次生林或灌木林；耕地的有效钾和有机质在坡度为21°坡度上有一高值，分别为307.67 mg·kg-1和6.56 g·kg-1，但总可见坡度梯度上分异不明显，且均低于同一区位林地。

3.3 高程对农林用地土壤养分的空间分异影响

从农林用地土壤养分的高程梯度分布情况来看，农林交错区无论是耕地还是林地均表现在中等海拔400～500 m上出现高值高度较高和较低海拔高度上土壤养分值有所降低。林地土壤的全氮、有效钾和有机质在任何高程梯度上均高于耕地土壤。林地土壤有机质和耕地土壤有机质在高程梯度上差值显著，说明在具有明显丘陵地貌特征的农林交错带农业耕作的有机质损失远远高于林业生产。林地有效磷除了500 m左右的高度范围内高于耕地，其他梯度范围内耕地的有效磷均高于林地，这主要是耕地磷元素的人为添加以及耕地磷元素的惰性高残留率造成。

表1 土壤养分描述性统计表Table 1 Descriptive statistics Values of soil nutrents

图2 农林用地土壤养分坡度分异Fig.2 Soil nutrient slope gradient differentiation

3.4 不同土地利用类型土壤养分的空间分异模型

利用ARCGIS10.0和地统计学分析方法建立采样数据点到面的数据推演，除土壤有效磷由于磷元素的特性导致其空间分布上的非正态性，不能进行空间差值模型的构建外，其他土壤养分要素均符合差值要求，并最终确立以球状模型进行土壤养分的空间推演。

图3 农林用地土壤养分高程梯度分异分析Fig.3 Analysis of soil nutrient elevation gradient differentiation

图4 农林用地土壤养分空间分异模型Fig.4 Soil nutrient slope spatial differentiation model

由图4可见，林地土壤的有机质、全氮、有效钾的值在空间分布上均高于相同区位条件的耕地土壤。从有机质的空间插值可以看出，由耕地采样数据得到的空间插值模型中有机质含量大部分属于4%～6%区间范围，含量较高区域主要分布于穆棱市南部，分布面积较小。林地采样点获得插值模型中，穆棱市中部地区有大区域面积属于有机质含量相对较高区域，整体呈中间高四周低分布态势，全区域有机质含量高于6%～8%。

耕地和林地采样数据空间插值生成土壤有效钾克吕格模型空间变化基本符合有机质含量空间分布趋势，即由林地采样点生成空间插值模型在穆棱市的推演尺度上表现为高于由耕地采样数据生成的空间插值模型。研究表明，当外界环境条件相同或基本相似条件下，对具有坡度梯度特征农林交错区，进行坡地耕作会导致土壤的化学特征及基本土壤养分水平下降，致使土壤持续退化、养分丧失。

4 讨论与结论

a.80对共160个土壤样本测定4个土壤养分指标中耕地土壤养分除磷含量外，其他的养分含量均很低。变异系数上穆棱市土壤养分空间变异除磷元素外耕地和林地的钾、氮、有机质就呈现中等变异，经单样本检验：氮、钾、有机质均符合正态分布。一个取样点两个土壤样本中，耕地土壤养分明显低于林地土壤。

b.农林交错区的坡耕地在多年的人为干扰下，土壤养分逐渐降低，不同坡度梯度上损失情况不同，坡度21°存在一个高值区，土壤养分分异不明显，各个梯度上耕地土壤养分均低于林地土壤。林地土壤养分梯度分异明显，在12°和25°附近均出现高值。在高程梯度上两种土地利用的土壤养分均表现在中等海拔400～500 m上出现高值高度较高和较低海拔高度上土壤养分值降低。林地土壤的全氮、有效钾和有机质在任何高程梯度上均高于耕地土壤。

c.基于地统计学克吕格球状模型将采样点有效钾、有机质和全氮点数据进行空间推演可见，耕地和林地两组采样数据，虽然每个采样位的空间位置相同，但由于坡耕地长期耕作，土壤物理性质发生变化，地表径流增加，大量土壤养分在水动力作用下发生流失，这三个养分指标在农业用地和原生林地的实测值建立空间分异模型中空间分布特征不同。表现为三个指标中耕地养分高值区面积均小于林地土壤养分高值区面积，坡耕地分布较多北部地区是耕地土壤养分最低区域。

d.通过分析农林交错区的林地和耕地两种不同土地利用方式下土壤养分的空间分异特征及变化规律可见，当外界环境条件相同或基本相似的条件下，坡地耕作导致土壤化学特征及基本土壤养分水平下降，土壤持续退化和养分丧失。加强对坡耕地土壤养分保护，减缓土壤退化速度，确保区域环境的可持续发展尤为必要。

e.土壤性质空间变异性初步研究多见于对某一区域土壤的个别物理特性（例如土壤粒组、容重、饱和导水率、水分含量等）研究[14-17]。随“人地耦合系统”和“精细农业”发展[18]，特别是土-水相互作用系统概念的提出，促进了土壤养分空间分布定量分析及空间变异特征研究，研究方向也逐渐转变为对土壤养分空间变异性、空间分布特征及其影响因素研究[19-21]。近年来相关研究表明，毁林开荒和农业扩张导致2/3径流改变，相对于气候变化而言，土地利用速度强度主导土壤养分及土-水相互作用，影响全球变化。未来研究将侧重于土壤侵蚀下影响土壤的综合质量和土壤养分变化[22]，探讨地表径流与土壤肥力流失在一定程度上相关性[23]。

f.本研究结合土壤采样实验室检测和GIS支撑下的空间数据插值模型方法，探讨人类耕作干扰下的土壤养分变化情况，结合人类耦合系统观点探讨土地利用方式下土-水相互作用的土壤养分的空间差异，分析不同土地利用方式和强度对土壤养分干扰作用，可为探讨土壤氮、磷、钾营养元素损失与径流的相关性奠定基础。

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Analysis on soil nutrents spatial variation characteristics in farm-forest ecotone

NING Jing1,GUAN Zhixin1,WEI Dan1,ZHANG Shuwen2,HANG Yanhong1(1.School of Resources and Environmental Sciences,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China; 2.Northeast Institute of Geography and Agricultural Ecology,CAS,Changchun 130012,China)

In order to find out the variation and characteristics of soil fertility under different land use patterns,this paper studied the soil fertility spatial variation features of farm-forest ecotone by the spacial analysis of GIS and the chemical analysis of soil fertility,to provide the appropriate references for land management and making decision.The soil organic matter,total nitrogen,available phosphorus and available potassium of 80 sampling points were tested,and the elevation gradient and slope gradient variation of soil fertility were analyzed,the Kriging mode was used for space inference.The results showed that the contents of organic matter and available potassium were highest at 12°and 25°, concerning slope gradient;while the contents of organic matter,available potassium and available phosphorus peak at 400-500 m,with higher middle parts and lower both sides;the Kriging interpolation model further explained that soil fertility of forest land was greater than that of cultivated land under the same conditions,presenting certain spatial variation features,it could be seen that slope farmland in theoverlapping area of agriculture and forestry could result in the losses of chemical elements and soil fertility.

farm-forest ecotone;soil fertility;spatial variation;characteristics

S153.6

A

1005-9369（2014）08-0027-07

2013-03-03

国家自然科学基金项目（40901267）；黑龙江省教育厅科学技术项目（12531035）

宁静（1978-），女，副教授，博士，研究方向为3S技术应用及土地退化问题。E-mail:6066538@qq.com

时间2014-7-18 16:35:54[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140718.1635.015.html

宁静,关志新,卫丹,等.农林交错区土壤养分空间分异特征分析[J].东北农业大学学报,2014,45(8):27-33.

Ning Jing,Guan Zhixin,Wei Dan,et al.Analysis on soil nutrents spatial variation characteristics in farm-forest ecotone[J]. Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(8):27-33.(in Chinese with English abstract)