小流域入库河口土壤养分水平空间变异及综合评价
2017-03-18王华李亚函
王华++李亚函
摘要：以丹江口水库青塘河小流域入库河口37.8 hm2面积的土地为研究对象，利用SPSS 19、ArcGIS10.0及GS+9.0软件研究该区域8种土壤养分的具体空间变异与分布。结果表明，有机质、全磷、全钾、全氮超过95%面积的土壤处于中等及以下水平；从速效养分来看，碱解氮含量较低，速效磷和速效钾含量相对较高，基本处于中等及以上水平；对土壤养分综合指标分析结果显示，贫瘠土壤占整个研究区域面积的70%以上。通过对土壤养分综合状况分析，为库区植被恢复关键技术的研究提供了数据支撑。
关键词：土壤养分；空间变异；地统计分析；克里格插值
中图分类号：S158.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）21-5524-05
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.020
Horizontal Spatial Variability and Integrated Evaluation of Soil Nutrients
in River Estuary of Small Watershed
WANG Hua1，LI Ya-han2
（1.Dongfang College，Zhejiang University of Finance & Economics，Jiaxing 314000，Zhejiang，China；
2.Hangzhou Design Institute of Water Conservancy and Hydropower Co.，Ltd.，Hangzhou 310006，China）
Abstract：The estuary of Qingtanghe river watershed of Danjiangkou Reservoir was selected as the research region，whose area is 37.8 hm2. The spatial variability and distribution of the soil nutrients in this area were analyzed by using SPSS19.0，ArcGIS10.0 and GS+9.0. The results showed that，the contents of organic matter，TP，TK and TN in more than 95% areas were at the middle or lower level. From the available nutrients，available P and available K were higher than alkaline N，all at the middle or higher level. The results of comprehensive index analysis showed that the barren soil accounted for more than 70% of the total area in the research region. Based on the comprehensive analysis of soil nutrients，the data support for the research of the key technologies of the vegetation restoration in the reservoir area was provided.
Key words： soil nutrient； spatial variation； geo-statistical analyst； Kriging interpolation
丹江口水庫是全国最大的饮用水源保护地，其安全性对南水北调工程至关重要，要想从根本上保证南水北调中线水源区的水质安全，必须切实加强水源区的生态环境保护。由于丹江口大坝加高工程的影响，形成了新的水陆交错带，使水源地生态环境安全保障成为流域治理亟待解决的首要问题。入库河口是控制外源污染进入水库的最后一道屏障[1]，其植被发挥着拦截污染、吸收水体中营养物、固定岸坡的作用，是影响库区生态环境构建、保障水质安全的关键因素。
土壤是植被赖以生存的基础，土壤养分作为土壤肥力的重要属性，其含量的高低直接影响植被的生存状况，正确理解土壤养分的空间变异是优化土壤管理、指导植被恢复的关键。本研究以丹江口库区青塘河小流域入库河口的土壤作为研究对象，利用地统计学与地理信息系统（GIS）相结合的方法分析研究区内土壤养分的空间变异与空间分布特征，以此揭示土壤养分的空间变异规律。
1 材料与方法
1.1 流域概况
青塘河小流域位于湖北省丹江口市习家店镇，水系发源于海拔300～500 m的丘陵山地，系汉江河的一级小支流，从北向南汇入丹江口水库，在库区很有代表性，土地总面积约32.29 km2，其中研究区面积37.8 hm2。青塘河小流域属北亚热带半湿润季风气候，境内年均降水量797.6 mm，降雨主要集中在汛期，降雨强度大、集中，径流汇集时间短；小流域内土壤类型主要有黄棕壤、石灰土和紫色土；用材林主要以柏树为主，灌木林主要有杨类、刺槐、紫穗槐等。
1.2 样品采集和分析
采用GPS定位技术，根据采样点距离水库岸边的距离，在青塘河主泓道两侧进行定点采样，采集不同植被覆盖下土壤表层0～20 cm的土壤，在样点附近再取3～5个点，以几个点的混合土样作为该点的样本，共采集土壤样本31个，记录每个采样点的坐标与高程，加标签后带回实验室。
将所采集的土壤样本分别平摊在牛皮纸上于室内风干，拣出样品内的石子、树根、杂草等，磨碎过20目（0.9 mm）和100目（0.149 mm）孔筛，分装于自封袋中，贴上标签，用于测定土壤养分含量，每组3个重复。土壤养分分析方法见表1。
1.3 数据处理
为了保证数据分析的精确度，采用格拉布斯准则对异常值进行剔除处理。
以青塘河流域现有的DEM图为基础，在ArcGIS 10.0软件下，裁剪出所需要的区域作为研究区。将GPS定位的样点坐标及实验数据输入Excel表，导入ArcGIS生成点文件，而后转.shp文件，进行投影转换，生成以m为单位的平面坐标。采用GS+软件对土壤养分数据进行半方差分析，并在Arcgis10.0中利用Geostatistic analysis模块Kriging法进行插值。
2 结果与分析
2.1 土壤养分含量统计分析
利用IBM SPSS Statistics 19对研究区31个样点土壤的实测数据进行常规统计分析，统计指标包括最大值、最小值、中值、均值、方差、标准差与变异系数[2]，结果见表2。
按照变异系数（CV）的大小划分等级：弱变异性CV<10%，中等变异性10%
2.2 土壤养分相关性分析
相关系数|r|≥0.8，表示两变量之间具有较强的线性相关关系；|r|≤0.3，表示两变量之间的线性关系较弱[4，5]。利用SPSS软件对土壤养分各个指标之间的相关性进行分析，结果见表3。从表3可知，pH与各个养分指标均呈负相关，表明随着土壤酸性的增强，土壤养分的有效性得到提高；各个养分指标之间均存在不同程度的正相关关系，其中有机质与全氮、碱解氮呈显著正相关，表明有机质的积累与分解速率对土壤全氮及碱解氮的分布有重要影响，其他養分指标之间呈中等水平相关。
2.3 土壤养分半方差分析
变异函数的计算要求数据符合正态分布规律。检验结果显示，全磷、全钾、有机质属于或者接近正态分布，碱解氮、全氮、速效钾、速效磷经对数转换后均呈正态分布，研究区内各个养分属性数据已满足了地统计分析的假设条件。
总体来看，全磷、速效磷、速效钾、全氮、碱解氮的块金值都较小，这说明在最小间距内的变异分析过程中引起的误差较小[6]。按照区域化变量空间相关性程度的分级标准，土壤养分的空间变异程度可用块金值与基台值比值（块金效应）的大小来划分，7种养分的块金效应在25%～75%范围之间，属于中等的空间相关性，说明这些土壤属性的空间变化是结构性因素（如土壤母质、地形、气候等非人为因素）和随机性因素（施肥、作物、管理水平等人为措施）共同作用的结果。
2.4 土壤养分空间插值分析
根据半方差函数模型，借助ArcGIS 10.0地统计模块普通Kriging插值法对研究区内的各个养分指标进行最优内插分析，绘制各个土壤养分含量空间分布插值预测图（图1），用以对各土壤养分在研究区域的空间分布特征、变异情况及影响因素进行具体分析。根据全国第二次土壤普查土壤养分分布标准，利用ArcGIS重分类功能对不同土壤属性不同等级的面积进行统计，结果见表4。从表4可知，在7种养分中，有机质、全磷、全钾、全氮、碱解氮处于中等及以下水平的土壤所占的面积达95%，尤其是全磷和全钾，大部分区域含量处于中等及较贫瘠水平，速效磷和速效钾含量相对较高，大部分区域超过中等水平，其中速效钾接近50%的区域达到极丰富水平。
3 土壤养分综合评价
空间变异图能够很好地反映土壤要素含量的空间分布和变异特征，但不能充分反映各类土壤要素的综合信息[7]。为此，本研究利用SPSS19.0软件对研究区土壤要素指标进行主成分分析，在此基础上对土壤综合状况进行评价。
在主成分分析中，根据特征值>1来确定主成分。由表5可知，可选取前2个作为主成分。前2个因子对于总方差的累计贡献率达85.711%，即把全部土壤肥力指标信息的85.711%反映出来，较好地反映了土壤养分的综合状况。
通过主成分分析，最终得到各个土壤养分综合指数的计算公式。
NFI=Wi×Q（xi） （1）
式中，NFI表示土壤养分的综合指标；Wi表示各肥力因子的权重向量；Q（xi）表示各肥力因子的隶属度值。
经检验，土壤养分综合指标值呈正态分布，半方差理论模型可以用指数模型拟合，土壤NFI的块金效应为25%，说明土壤养分条件的空间变异不仅受结构性因子如气候、地形地貌、土壤母质、土壤类型等自然因素的影响，同时也受随机性因素如施肥、耕作措施、种植制度等人类活动的影响。
在获得半方差模型后，结合半方差分析获取的参数，利用ArcGIS的Geostatistical Analyst模块对土壤养分综合指标值进行普通克里格插值，并绘制空间分布图（图2）。
总体来看，在整个研究区域内，综合土壤养分状况集中在贫瘠和中等水平，利用ArcGIS的重分类功能对栅格图像中不同等级土壤面积进行统计可知，土壤养分处于中等水平（0.4～0.6）的面积约占25.44%，其余区域土壤养分处于贫瘠范围（0.2～0.4），面积达74.56%。
4 小结与讨论
对研究区土壤养分空间变异的研究结果表明，基于GIS与地统计学方法能够很好地反映土壤养分的空间变异规律。有机质、全磷、全氮和碱解氮4种土壤养分含量在大部分区域处于中等及较贫瘠的水平；全磷含量处于中等及以下水平，速效磷处于中等及以上水平；全钾和速效钾含量在中部偏东处于最高值，全钾含量处于较贫瘠及以下水平的区域占95%以上，速效钾含量在中等及以上水平。
土壤水分是影响水土流失过程、植被生长和植被恢复的关键因子，建议今后对于恢复植被的相关研究将水土两个因子结合起来，系统地全面地分析土壤的水肥条件对植被的限制作用，以便更有效地指导研究区的植被重建。
参考文献：
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