桂西北喀斯特地区石灰土养分空间变异特征

俞月凤,何铁光,*,宋同清,李丽娟,韦彩会,蒙炎成,唐红琴,李忠义,李婷婷,胡 芳

1 广西壮族自治区农业科学院农业资源与环境研究所, 南宁 530007 2 中国科学院亚热带农业生态研究所, 长沙 410125 3 广西桂江林业调查规划设计有限公司,南宁 530022

土壤是在母质、气候、生物、地形及人为因素共同作用下形成的,这些因素在时空上具有不一致性,使土壤物理、化学及生物学性质也都表现出普遍的空间变异性[1- 3]。这种空间变异性在不同区域、不同尺度以及不同时间段上表现出普遍性和复杂性[4]。土壤养分作为土壤资源中最基本的属性之一,其丰缺程度及存在形态直接决定着土壤的肥力状况,影响着植被的生长与演替[5]。土壤养分的空间分布格局是土壤空间异质性的具体表现[6- 7]。国内外大量学者对不同尺度和不同区域的土壤养分进行了空间异质性研究[8- 11]。可见土壤养分异质性深刻影响到管理者对土壤利用相应策略和政策的制定,同时也是精准农业和精确施肥以及生态建模的信息基础[12- 13]。

桂西北喀斯特地区是中国贫困与环境退化问题最为突出的地区之一,面临环境退化、人口密集、经济与社会落后等多重难题。在喀斯特环境中,石灰岩风化作用和土壤形成过程是以土壤为媒介的生物地球化学过程[14]。喀斯特生态系统是以碳酸盐为物质基础,具有土壤浅薄、土被不连续及土壤pH值高等特征的脆弱生态系统[15]。正是这种特殊的形成基质和生态环境条件,使得喀斯特地区土壤具有高度的空间异质性[16-17]。土壤养分作为生态系统结构与功能的重要因子,对喀斯特生态系统的稳定起着决定作用[18]。在生态脆弱地区,土壤养分的空间分布特征直接影响该地区土壤生产力的高低和生态恢复的途径和方向,因而探明土壤养分空间变异是合理指导喀斯特地区农业生产和生态重建的关键[17]。由于空间变异尺度效应的存在,研究尺度的选择成为土壤养分空间变异研究的关键一步[4]。就喀斯特地区土壤养分空间异质性而言,小尺度的研究较多,主要集中在森林、坡地及不同土地利用方式下的土壤[19-23]。小尺度区域土壤养分空间变异的研究能够直接指导生产实践,但大尺度区域的研究也必不可少,其能为决策者提供更广阔的视角和更完整的认识[4]。然而,桂西北喀斯特区域尺度上,石灰土养分空间异质性有待进一步研究,从而为桂西北喀斯特地区石漠化综合治理中植被恢复、生态重建等宏观决策提供理论依据。因此,本研究从大尺度区域出发,将整个桂西北喀斯特地区作为研究区域,以大面积野外调查采样和室内分析测定为基础,采用经典统计学、地统计学等方法,探索喀斯特区域内石灰土养分的含量水平、空间变异特性、空间分布特征,通过克里格插值绘制整个桂西北区域各养分指标的空间分布图。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

桂西北喀斯特区位于广西壮族自治区西北部,属云贵高原山前区,地处104°28′—109°09′E,22°51′—25°37′N,包括河池和百色2地级市23县(市、区)。区域内以山地、丘陵为主,岩溶地貌广泛发育,裸露石灰岩面积约3.38 万km2,占全区域的48.5%(河池地区石山面积占本地区的65.7%,百色地区石山面积占本地的31.2%)。区域以典型的峰丛洼地岩溶地貌为主,海拔85.0—2062.0 m。地处亚热带季风气候区,光照充足,年均日照时数达1968.6 h,无霜期315.3 d；气候温和,年均气温20.3℃,≥10℃积温7130.4℃；降水集中于6—8月份,年均降雨量1178.8 mm,年均暴雨日数4.6 d,最大降雨强度67.8 mm/h；干湿季明显,年均蒸发量1298.7 mm,干旱日数181.2 d,干旱指数1.10。喀斯特地区土壤类型主要以石灰土为主,有黑色石灰土、红色石灰土、黄色石灰土、棕色石灰土4个亚类。

1.2 样品采集与分析

在对未知区域进行初探时,覆盖整个研究区的均匀网格布点法是较为常用的方法[4]。然而,面积广大的研究区域以及喀斯特复杂多变的地形地貌使得在整个桂西北喀斯特地区完成规则的网格布点非常困难。基于喀斯特峰丛洼地景观异质性强的特点,根据裸露石灰岩分布特征及面积,确定调查网格面积为100 km2(约为0.1°经纬网格),网格数量为338个,参照《IPCC优良做法指南》对系统随机抽样的建议,调查网格数量为24个,占总网格的7%,按每个网格约布置7—8个样点计,整个桂西北喀斯特区域设置175个样点。在实际采样过程中,根据石灰土的分布图及道路系统,综合考虑植被类型及采样点的可达性和实际可操作性,采样点的选择原则是要具有随机性并且兼顾均匀分布的采样方法[24]。所有采样点分为三种植被类型：草灌、灌丛、次生林,研究区域样点分布见图1。

土壤样品采集于2015年11月,用手持GPS记录采样中心点坐标,采用“之”字形取样法,在以该点为中心的20 m×20 m的范围内采集0—20 cm深度的5个土壤副样本,四分法混合为1个土壤主样本保留1 kg左右。同时记录海拔高度、植被种类、植被盖度、坡度、坡向等信息。将采集的土壤样品去除石头、杂草和植物根系等非土壤成分后置于通风处自然风干,磨碎过筛,保存于自封袋中待测。土壤样品室内分析指标为有机质SOM(重铬酸钾-外加热法)、全氮TN(半微量开氏法)、全磷TP(NaOH熔融-钼锑抗显色-紫外分光光度法)、全钾TK(NaOH熔融-火焰光度计法)、碱解氮AN(碱解-扩散法)、速效磷AP(0.5 mol/L NaHCO3浸提法)、AK速效钾(NH4OAc浸提法)和pH值(电极电位法)。

图1 桂西北喀斯特区域及采样点分布图Fig.1 Map of the karst area in northwestern Guangxi and distribution of soil sampling sites

1.3 数据处理

文中数据采用域法识别特异值,即样本均值加减3倍标准差识别特异值,在此区间外的数据均定为特异值,分别用正常的最大和最小值代替[25]。土壤养分的描述性统计分析、K-S检验(α =0.05)和普通相关分析在SPSS 18.0软件中完成；相关分析中数值变量之间使用皮尔逊相关系数,分类变量之间以及与数值变量之间使用斯皮尔曼秩相关系数。地统计学分析在GS+软件中完成,用理论模型对各土壤养分指标的半方差函数进行拟合。Kriging等值线图在ArcGIS 10.0中完成。

2 结果与分析

2.1 石灰土养分的描述性统计分析

石灰土养分的描述性统计特征如表1所示。桂西北喀斯特地区石灰土pH值呈微酸性至微碱性性,为5.65—8.12,平均值为7.04,呈中性；石灰土SOM和养分含量均较高,但其变异相差很大。根据Nielsen标准[26],除了pH呈弱变异外(CV<10%),其他指标均呈中度变异(30%

表1 石灰土养分描述性统计特征

SOM：有机质,Soil organic matter；AN：碱解氮,Available nitrogen；AK：速效钾,Available potassium；AP：速效磷,Available phosphorus；TN：全氮,Total nitrogen；TP：全磷,Total phosphorus；TK：全钾,Total potassium

2.2 石灰土养分的空间变异特征

采用GS+软件进行各养分指标半方差函数模型拟合,获得半方差函数图(图2)和结构参数(表2)。如果变量在采样尺度上具有空间依赖性,半变异函数会随着滞后距的增加而增大,并且在超过一定距离后逐渐趋近于基台值或围绕基台值上下波动[27]。由图2可以看出,AK的最佳拟合模型为线性模型,SOM的最佳拟合模型为球状模型,AP的最佳拟合模型为高斯模型,其他指标的最佳拟合模型均为指数模型。决定系数(R2)或残差平方和(RSS)用于判断模型拟合的好坏。由表2的拟合参数可知,AP的高斯模型和SOM的球状模型拟合效果最好,其他养分的拟合模型也可以较好地反映桂西北喀斯特石灰土养分的空间结构特征。

图2 石灰土养分的半方差函数图Fig.2 Semi-variance grams of limestone soil nutrientsSOM：有机质,Soil organic matter；AN：碱解氮,Available nitrogen；AK：速效钾,Available potassium；AP：速效磷,Available phosphorus；TN：全氮,Total nitrogen；TP：全磷,Total phosphorus；TK：全钾,Total potassium

各土壤指标的块金值均为正值,说明本研究存在一定的采样和试验误差。土壤指标均具有一定的基台值,说明其受地形、坡位、土壤结构和母质等自然因素所控制。块金值与基台值的比值[C0/(C0+C)]反映了土壤属性的空间依赖性,一般认为<25%时,空间变量为强烈的空间自相关,在25%—75% 之间时,为中等空间自相关,>75%为弱空间自相关[22]。SOM、AP、TN和TP 的C0/(C0+C)值在50%—55%之间,表现为中等空间自相关性,说明空间差异是由随机因素和结构性因素共同作用引起的；pH、AN、AK和TK的C0/(C0+C)值均>75%,表现为弱空间自相关性,表明空间变异主要受随机因素的控制,而结构性因素对变异的贡献很小,同时也说明对这些指标进行研究应适当减小采样距离。A 为变程,空间变量只有在变程以内具有空间自相关性。石灰土养分指标变程大小各异,范围在59.4—379.5 km之间,TN和SOM变程最大,说明较大的范围内存在空间相关性,其空间连续性较好,具有较差的空间渐变性规律；AK、AP和TP次之,pH、AN和TK的变程最小,为50—70 km之间,说明其空间自相关的范围较小。

2.3 桂西北喀斯特地区石灰土养分的空间分布格局

喀斯特地区石灰土养分含量的空间插值图(图3)所示,在图中可以按照颜色深浅分为8个含量等级,能够直观清晰地反映出研究区域石灰土养分的空间分布特征。SOM、AN、AP、TN和TP分布较为相似,高值区主要分布在西北部,由西向东逐渐递减；其中SOM和TN斑块较大,变化缓和,最低值区均出现在东部偏南地区；AN在东部地区也出现了高值区,中值区分布的斑块最大；pH值的分布呈中部高,沿着四周降低的趋势,高值区斑块相对较小,同时可以看出pH值主要分布在6.92—7.43之间；AK高值区出现在东北部,斑块小,连续性差；TK的分布无规律性,空间连续性差,破碎化程度高,在小尺度上形成强烈的变异。

2.4 石灰土养分空间异质性的影响因素分析

为了初步探明桂西北喀斯特区石灰土养分空间变异特征的影响因素,选取了海拔、坡度、岩石出露率和植被类型等指标,利用相关分析对上述各环境因子与石灰土养分之间的关系进行了分析。表3列出了根据原始数据计算出来的各变量之间的相关系数。区域尺度上,大多数变量之间都存在不同程度的线性相关关系。例如,SOM与石灰土养分TN、AN、TP、AK、pH之间有极显著的正相关关系,与AP、TK的相关关系并不明显。 海拔与SOM、AN、TN、TP、裸岩率、坡度和植被类型之间有极显著的正相关关系,与TK正相关显著。裸岩率与AK、TK相关关系不明显,而与其他石灰土养分指标及环境因子之间均存在极显著的正相关关系。坡度与SOM、AN、TN、AK、植被类型之间变现为显著或极显著的正相关关系,与AP为极显著负相关关系。植被类型与SOM、AN、TN、AP之间为显著正相关关系。

表2 石灰土养分的半方差函数模型参数

图3 石灰土养分的空间分布Fig.3 Kriging maps showing spatial distribution of limestone soil nutrients

指标IndexSOMANAKAPTNTPTKPHHLYLPDZBSOM1AN0.507∗∗1AK0.251∗∗0.256∗∗1AP0.021-0.0490.335∗∗1TN0.609∗∗0.589∗∗0.304∗∗0.0561TP0.351∗∗0.337∗∗0.369∗∗0.473∗∗0.680∗∗1TK0.024-0.0220.216∗∗0.0060.171∗0.206∗∗1PH0.238∗∗0.276∗∗0.347∗∗-0.0210.343∗∗0.342∗∗0.183∗1H0.405∗∗0.220∗∗0.0490.0420.292∗∗0.226∗∗0.159∗-0.0021LYL0.415∗∗0.254∗∗0.0590.241∗∗0.454∗∗0.211∗∗0.0480.322∗∗0.198∗∗1PD0.337∗∗0.191∗0.233∗∗-0.443∗∗0.296∗∗0.0190.0740.1640.238∗∗0.617∗∗1ZB0.436∗∗0.482∗∗0.1080.201∗0.495∗∗0.0490.0590.1480.1200.304∗∗0.394∗∗1

*显著相关(P<0.05),**极显著相关(P<0.01)； H：海拔Altitude；LYL：裸岩率Rock exposed rate；PD：坡度Slope； ZB：植被类型Vegetation types

3 讨论

土壤养分空间异质性受到气候(降雨、太阳辐射等)、地形(坡度、坡向、海拔等)、土壤物理性质(机械组成、结构、孔隙等)以及植被类型等因素所影响。喀斯特地区地形地貌复杂,生境的异质性程度高,地形的变化导致了环境因子的空间变异,使得区域内土壤养分具有明显的空间变异性。地形是重要的土壤成土因子之一,它能调控着太阳辐射和降水的空间分配,影响局部生境的小气候与土壤厚度和养分的空间差异[28-29]。本研究中,石灰土养分与地形因子的相关分析结果表明,石灰土养分的空间分布与地形特征有密切的关系。其中,SOM、AN、TN与海拔、坡度、裸岩率和植被类型极显著的正相关关系。土壤碳素和氮素在生物地球化学过程中紧密联系在一起。据有关研究发现,海拔高度每上升100 m土壤有机碳浓度会增加0.75—2.10 mg/g[30]。海拔高度和坡度对土壤养分的影响通常是间接的,是通过对其他自然因素的影响而产生作用。石灰土AK和TK分别与坡度和海拔有极显著和显著的正相关关系,而与其他环境因子相关不明显。自然情况下,土壤钾素基本全部由母质风化而来,其分布特征可能与土壤的淋溶特征有关[21]。石灰土AP与坡度、裸岩率、植被类型等显著相关,而TP与海拔和裸岩率有极显著的正相关关系,有关研究发现,植被对磷素利用能力的差异可能是导致土壤速效磷素资源空间分配异质较大的主要原因[18]。在石灰土条件下,难溶性无机磷极易与碱性土壤中的钙结合生成Ca10-P 沉淀,不易淋失[31]。石灰土pH值和裸岩率有极显著的正相关关系,这与张忠华等[19]的研究结果相似。因此,裸岩率高的地方,土壤pH及钙含量增加,土壤TP有较明显的洼积效应。在区域大尺度下,石灰土养分含量随着海拔高度、坡度和裸岩率的增加而增加,这与其他地区明显不同。张伟等[32]的研究结果表明立地因子较高(裸岩率大、坡度较陡、土被较薄) 处的土壤养分含量较高,本文的研究结果与其基本一致。这是由于在强烈的岩溶作用下,微地貌形态的发育对土壤养分积累和循环具有重要的影响,在坡度较陡、坡位较高的地段容易形成石槽、石洞等阴暗生境,有利于有机质的积累,土壤养分含量也相对较高[32]。植被类型对石灰土养分分布特征有着重要的影响,旺盛的生物累积过程是土壤养分形成和维持的基础,而土壤养分的空间变异又作用于植物的生长和空间分布。

在区域大尺度上,桂西北喀斯特地区石灰土SOM、TN、TP和AP呈现较为相似的分布规律,养分含量呈自西向东逐渐减少的趋势,空间变异由结构因素和随机因素共同影响。这种分布特点与区域尺度上大地形区的分布相关：桂西北喀斯特地区北与贵州接壤,西与云南毗邻,海拔高度自东向西,自南向北逐渐升高。海拔差异导致水热条件及其组合在空间上的变化,并常伴随着温度、降水、光照、土壤和植被类型等许多因子的改变,海拔梯度的大小充分反映了环境间的差异。因此,海拔、坡度、裸岩率等地形因子可能是桂西北区域尺度上石灰土养分空间分布变异的主要结构因素。当然,在区域范围内影响石灰土空间异质性的环境因素还有很多,比如气温、降雨、土壤物理和生物特征等。由于本研究区域内收集到的气象站数据较少,未能较准确提取各个采样点的气象数据,因此在分析过程没有引入气候因素。今后,需更加完善各方面因素及土壤指标的研究,揭示这些因素对石灰土养分空间变异的影响。

4 结论

桂西北喀斯特区域尺度下,石灰土养分具有不同的变异特征,变异程度依次为AP>TP>TN>SOM>AK>AN>TK>pH,除pH为弱变异外,其他均是中等强度变异。SOM和TN具有较为相似的变异特征,变程分别为338.8 km和379.5 km；AK的变异尺度相对较小,为213.0 km；AP和TP变异尺度近乎相等,变程为142.1和179.2；pH、AN和TK的变异程度最小,变程范围仅在59.4—70.0 km之间。石灰土SOM、AP、TN和TP表现为中等程度的空间自相关,分布有一定规律性,连续性较好,这是由结构性和随机性因素共同作用的结果；pH、AN、AK和TK表现为弱空间相关性,在区域尺度上的分布没有呈现一定的规律性,连续性差,斑块破碎化程度较高,说明这些空间变异主要来自随机因素,同时也说明对这类养分指标进行研究时应适当减小土壤采样点的间距。桂西北喀斯特地区石灰土养分存在不同程度的空间变异性,且空间自相关范围各不相同,说明石灰土养分的空间异质性对尺度的依赖程度各不相同。因此采样距离需要根据各养分指标的特征进行调整。相关分析结果表明,地形因子(如海拔、坡度和岩石裸露率等)和植被类型是影响桂西北喀斯特石灰土空间分布特征和变异规律的重要因素。

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