丹江水源区小流域土壤有效铁空间分布特征
2015-02-20杨媛媛李占斌宋晓强徐国策王添唐润芒成玉婷
杨媛媛， 李占斌,2， 宋晓强， 徐国策， 王添， 唐润芒， 成玉婷
(1.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西 西安 710048；2.中国科学院水利部水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100；3.陕西省水土保持局，陕西 西安 710004)
丹江水源区小流域土壤有效铁空间分布特征
杨媛媛1， 李占斌1,2， 宋晓强3， 徐国策1， 王添1， 唐润芒3， 成玉婷1
(1.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西 西安 710048；2.中国科学院水利部水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100；3.陕西省水土保持局，陕西 西安 710004)
土壤有效铁含量对生态环境和农作物生长有重要影响，本研究对鹦鹉沟小流域土壤有效铁含量的空间分布特征进行分析，以期为该流域养分资源管理提供参考。通过网格法和分层法对0～10cm、10～20cm、20～40cm三个土层分别采样，并借助传统统计学和地统计学的方法，对鹦鹉沟小流域农地、林地和草地三种土地利用类型土壤有效铁含量的空间分布特征进行了研究。结果表明：①在0～40cm土层范围内，土壤有效铁含量随土层深度先减少后增加，且土壤有效铁含量均值表现为林地>农地>草地；②0～10cm、10～20cm和20～40cm土层有效铁含量变化的最优模型分别为球状模型、指数模型和线性模型，均具有中等空间相关性；③3个土层土壤有效铁含量与海拔呈现出极显著相关性(p<0.01)或显著相关性(p<0.05)；④研究区不同土地利用下0～40cm每平方米有效铁含量为林地>农地>草地。
丹江； 土壤有效铁 ； 土地利用； Kriging插值
铁是植物体内多种氧化还原酶的重要组分和合成叶绿素所必需的微量元素。同时，一定量的铁能够增强植株抗病性[1]。另外，酸性土壤中过量积累有效铁可使植物受到铁胁迫而影响生长[2]。土壤是植物所需有效铁的主要供给源，一定条件下土壤有效铁含量反映其铁元素供给水平。土壤有效铁含量分布受农耕活动、土壤性质、成土过程等影响，易造成空间分布不均，导致区域有效铁含量缺乏或过量，影响植物生长，因此研究土壤有效铁含量及其空间变异性对评价土壤生态环境和农作物生长非常必要。目前，对于土壤微量元素的研究多偏于全量分析[3-4]，对有效态含量的研究相对较少。根据余存祖[5]的研究，黄土高原地区土壤全量微量元素的高低不能反映作物的生长状况，故对土壤微量元素有效态的研究更有意义。近年来，国内外学者对土壤有效铁分布的研究主要集中于不同土地利用方式[6-8]、不同利用强度[9]和不同土壤性质[10-12]等方面，而结合地形因子对小流域土壤有效铁的空间分布特征鲜有研究。为此，本研究通过网格法和分层法对0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm三个土层分别采样，对鹦鹉沟小流域农地、林地和草地三种土地利用类型土壤有效铁的空间分布特征进行了研究，以期为流域养分资源管理提供参考。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
鹦鹉沟小流域位于陕西省商洛市商南县城的城关镇五里铺村(E110°52′16″～110°55′30″、N33°29′55″～33°33′50″)。流域面积1.86 km2，主沟长3 232.9 m，最大主沟道比降0.01 m/m，坡面比降0.33 m/m，属多边形水系。流域以低山丘陵地貌为主，沟谷开阔，海拔464～600 m。年均降水量803.2 mm，约50%降水量集中在7～9月，且多为暴雨。
流域土壤以黄棕壤为主，有机质、微量元素缺乏，土壤多呈微酸性，pH值5.0～6.5。坡面有效土层厚20～70cm。土地覆盖类型主要是农地、林地和草地。农地主要种植小麦、花生和玉米；林地主要为松树和栎树；草地主要为禾本科。林地和草地覆盖率达60%以上[13]。
1.2 土壤样品采集
2011年12月，在研究区进行实地勘察，并结合实际地形与土地利用方式进行土样采集，采样网格按100 m×100 m分布整个流域，用GPS定位采样点，共185个(图1)。每个采样点按0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm垂直采样后分装带回实验室分析。土样经自然风干、研磨和过筛后备用。后文中用A1、A2、A3分别表示0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm层土壤。
1.3 测试与分析
称取25.0 g土样放入180 ml塑料瓶中，加入50.00 ml的DTPA(二乙基三胺五乙酸)浸提液，在25℃条件下用震荡机震荡2 h，经过滤得到浸出液。土壤有效铁含量采用原子吸收分光光度计测定。采用统计学分析软件SPSS16.0对数据进行描述性分析，运用空间分析软件ArcGIS(9.3)进行空间分析，用自动拟合能力很强的GS+(7.0)做半方差函数计算。
2 结果与分析
2.1 土壤有效铁剖面统计特征
为说明鹦鹉沟小流域土壤有效铁含量分布的剖面统计特征，将相关参数列于表1。
表1显示，土壤剖面有效铁含量整体A1>A3>A2，即在0～40cm剖面内，随土层深度的增加，土壤有效铁含量先减少后增大，但A2和A3层的含量变化相对不大。A1层土壤有效铁含量最高，是因为表层大量枯落物及根系分泌物对土壤中有机质有较大补给[7-8]，有机质可提高微量元素的有效性[8]；A2层根系较多，土壤中有效铁被大量消耗而使其含量降低；A3层根系数量减少，土壤有效铁消耗量随之减少，另外，土壤有效铁被降雨淋溶及该土层深度含有铁胶膜，使土壤呈微酸性，有利于有效铁的析出，故在A3层土壤有效铁含量较高。不同土层有效铁含量极差均较大，表现为A1>A3>A2，因为A1层受耕作措施、种植制度、施肥等人为农业活动干扰最大。
据Nielson 和 Bouma (1985)分类系统：CV≤10%、10%
2.2 土壤有效铁的空间特征分析
运用GS+对三个土层的土壤有效铁含量做半方差函数模拟，得出各自的半方差模型及参数值，结果见图3和表2。
表2 不同采样深度下土壤有效铁的地统计学参数
Tab.2 Geostatistical parameters at different sampling depth of soil available iron
最优模型是拟合度(R2)最高且残差平方和(RSS)最小的模型[13]。模拟得出A1、A2、A3层土壤有效铁含量的最优模型分别为球状模型、指数模型、线性模型，模型的拟合精度分别为0.96、0.78和0.75，故土壤有效铁含量的空间结构可以得到很好地反映。
变程是指区域化变量影响范围的大小。三个土层有效铁含量的变程均大于本次采样间距(100 m)，满足空间分析的要求。块金值是指由随机因素引起的空间异质性，基台值表示系统内总的变异性。块金系数是块金值与基台值的百分比，代表了系统变量空间相关性的程度[13]。百分比>75%、25%～75%和<25%，分别说明系统空间相关性弱、中等和强烈，因此三个土层均具有中等空间相关性。
为直观反映土壤有效铁含量的空间分布情况，对三个土层深度有效铁含量分别进行Kriging插值，绘制出土壤有效铁含量空间分布(图4)。
从图4可看出，土壤有效铁含量A1层最高，变幅最大，A2层明显小于A1层，A3层介于A2与A1层之间，这与表1的结论相符。总体来说，土壤有效铁含量林地最高；流域左岸和坡脚部位也较高，因多为农地，土地肥沃。
2.3 不同土地利用下土壤有效铁含量分布特征
为表明不同土地利用类型下土壤有效铁含量的统计特征，将相关参数列于表3。
表3显示，农地、林地和草地有效铁含量均值分别为6.53 mg/kg、8.49 mg/kg和5.44mg/kg。按全国农业系统土壤有效态微量元素丰缺指标[15]，3种土地利用方式下土壤有效铁含量均高于临界值(4.5mg/kg)，土壤有效铁含量属中等水平(4.5～10mg/kg)。根据中国土壤数据库可知，该区域黄棕壤45cm左右土层中含有铁胶膜，使土壤呈微酸性，更有利于有效铁在土壤中溶出，故土壤有效铁含量稍高，属于中等水平。
从表3可以看出，有效铁含量均值为林地>农地>草地。由于草地处于植被发展演变的早期，立地条件差，有机质含量低，而土壤有效铁含量与有机质含量呈极显著正相关[16]，故土壤有效铁含量低；农地多处于土壤肥沃地区，有机质含量偏高，故土壤有效铁含量稍偏高；林地的大量动植物残体和根系分泌物促进了有效铁的形成[7-8]，故土壤有效铁含量相对农地和草地都高。极差为林地>草地>农地，林地多分布在高海拔地区且地形变化较大，降雨作用导致高海拔地区粘粒向低海拔处沉积，而土壤有效铁与粘粒含量呈极显著正相关[16]，故低海拔处有效铁含量多，所以林地有效铁含量变化大。3种立地类型有效铁含量变异均属中等变异，说明有效铁含量的分布离散程度较大。
2.4 不同土层有效铁含量与地形因子相关性分析
坡度、坡向和海拔对土壤有效铁含量均有不同程度地影响。从表4可看出，0～10cm、20～40cm土层均与海拔呈极显著负相关(p<0.01)，10～20cm土层与海拔呈显著负相关(p<0.05)；各土层与坡向、坡度均未表现出较好的相关性。这是因为人类对土地的开垦、种植模式的改变削弱了坡度和坡向的影响[11]。随海拔升高，气温降低，动植物代谢减弱，对有机质的分解减弱，从而腐殖质减少[7-8]，土壤酸性减弱，故有效铁含量随之减少。
注：*表示显著相关，p<0.05；**表示极显著相关，p<0.01
2.5 土壤有效铁含量估算
图5为鹦鹉沟流域0～40 cm土层有效铁含量分布图。由图5可看出，鹦鹉沟流域土壤有效铁含量空间分布呈近似条带状分布；同时可看出，土壤有效铁含量的空间分布与地形和土地利用紧密相关，左岸坡脚林地处和河道两岸地势相对平缓处有效铁含量高。
表5为鹦鹉沟流域不同土地各土层有效铁含量。如表5所示，鹦鹉沟流域不同土地利用下0～40 cm土层有效铁含量为林地(23.94g/m2)>农地(20.62g/m2)>草地(19.41 g/m2)，这是因为林地大量动植物残体和根系分泌物促进了有效铁的形成[7-8]。农地、林地和草地0～40 cm土层有效铁储量分别为23.00 t、12.41 t和3.24 t，总储量38.65 t。农地储量大于林地储量，是因为农地面积大。0～10 cm和10～20 cm土层每平方米有效铁含量为林地>农地>草地，而20～40 cm土层每平方米有效铁含量则表现为林地>草地>农地。3种土地每平方米有效铁含量均属中等变异，总体表现为草地>农地>林地。草地多处于植被发展演变的早期阶段，立地条件差异较大，故每平方米土壤有效铁含量相对农地和林地变异性更大；农地受人为影响较多，致使土壤有效铁含量差异相对较大。相对来说，农地与人们的生活生产更加紧密，所以更要注重农地土壤养分的保护。
3 结 论
1) 在0～40 cm剖面内，随着土层加深，有效铁含量先减再增，0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土层均值分别10.82 mg/kg、5.06 mg/kg和5.95 mg/kg；20～40 cm土层有效铁含量变异最大。
2) 不同土层有效铁含量呈近似带状分布，有效铁含量林地最高，流域左岸和坡脚部位较高。
3) 农地、林地和草地有效铁含量均值分别为6.53 mg/kg、8.49 mg/kg和5.44 mg/kg，均高于临界值(4.5 mg/kg)，属中等水平；对应变异系数分别为53%、44%和68%，均属中等变异。
4) 0～10 cm和20～40 cm土层有效铁含量与海拔呈极显著负相关，10～20 cm土层有效铁含量与海拔呈显著负相关。
5) 0～40 cm土层有效铁含量林地(23.94 g/m2)>农地(20.62 g/m2)>草地(19.41 g/m2)；0～40 cm土层，农地、林地和草地有效铁储量分别为23.00 t、12.41 t和3.24 t。
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(责任编辑 周蓓)
Spatial distribution of soil available iron in a small watershed of Danjiang River water resource district
YANG Yuanyuan1， LI Zhanbin1,2， SONG Xiaoqiang3， XU Guoce1，WANG Tian1， TANG Runmang3， CHENG Yuting1
(1.State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area，Xi’an University of Technology，Xi’ an 710048，China； 2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dry-land Farming on the Loess Plateau，Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，Yangling 712100，China；3.Shaanxi Bureau of Soil and Water Conservation，Xi’ an 710004，China)
The content of soil available iron has an important impact on the ecological environment and crop growth, and this study aims to analysis the spatial distribution characteristics of the content of soil available iron in order to provide a reference for the basin nutrient resource management. The grid method and hierarchical method are used to take samples in three soil layers of 0～10 cm, 10～20 cm, and 20～40 cm in depths respectively. The traditional statistical and geostatistical methods are adopted to study the spatial distribution behaviors of soil available iron contents in farmland, woodland and grassland of three types of land use in Yingwugou small watershed. The results indicate: ①In the rang of 0～40cm soil layer, the soil available iron content is first to decrease and then to increase with an increase in soil depth, and the average of soil available iron content shows as woodland> farmland> grassland in three different types of land use. ②The best fitted models of 0～10 cm, 10～20 cm and 20～40 cm layer soil available iron change are spherical model, exponential model and linear model, and all have medium spatial correlation. ③There is a highly significant correlation (p<0.01) or significant correlation (p<0.05) between the soil available iron content and elevation in three soil layers. ④In the study area, the soil available iron content of 0～40cm per square meter of different land use shows as woodland> farmland> grassland.
Danjiang River； soil available iron； land use； Kriging interpolation
1006-4710(2015)02-0201-06
2015-01-10
国家自然科学基金重点资助项目(41330858)；国家自然科学基金资助项目(41271290，41401316，41471226)；国家科技支撑计划课题资助项目(2011BAD31B01)；陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2014JQ5175)。
杨媛媛，女，硕士生，研究方向为水文水资源及农业水利方面的研究。E-mail:yangyuanyuan_a@163.com。
徐国策，男，博士，讲师，研究方向为水土流失与非点源污染模拟与调控方面的研究。E-mail: xuguoce_x@163.com。
S718.56
A
