建瓯市竹林土壤有机质时空变异特征研究

鲍思屹，徐梦洁，林振清，庄舜尧

(1.南京农业大学 公共管理学院，江苏 南京 210095； 2.福建省建瓯市林业局，福建 建瓯 353100；3.中国科学院 南京土壤研究所 土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏 南京 210008)

毛竹(Phyllostachysedulis)是我国栽培面积最大的笋材两用散生竹种，具有生长快、成材早、产量高、再生能力强、用途广、价值高等特点[1-2]。在许多地区，竹产业对当地的社会经济都有着重要影响。土壤是植物生长的基础，了解土壤质量及演变对于竹林可持续生产甚为重要。土壤有机质(SOM)是土壤肥力及质量的重要指标，在改善土壤理化性质、土壤微环境及土壤养分循环方面作用显著[3]，因此，竹林土壤有机质对竹林的生长及可持续经营具有重要的影响。同时，土壤有机质的时空演变规律的研究、监测和预测预警对于合理利用土壤资源、实现优质高产的生产目标以及促进环境可持续发展具有关键的作用[4]。地统计方法是研究时空变异性的常用方法，以区域变量理论为基础，利用变异函数分析，反映空间数据的结构性、相关性以及空间格局与变异[5]。国内外有不少学者结合地统计学方法和地理信息系统(GIS)开展区域土壤有机质时空变异特征的研究。譬如，Kuzel等[6]研究了不同采样尺度下的土壤有机质空间变异特征；陈彦[7]研究了基于田间尺度的绿洲农田土壤有机质时空变异特征；白雪等[8]在浙江省宁波市开展了市域尺度土壤有机质时空变异特征的研究；张世熔等[9]对黄淮海冲积平原区20 a间土壤有机质时空变异特征进行探讨。他们的研究表明地统计学方法结合GIS手段可以很好地体现不同尺度下土壤有机质的空间变异特性。建瓯市是福建省陆地面积最大的县级市，拥有丰富的竹林资源。2015年年末竹林面积达82 000 hm2，毛竹立竹总数2.2亿竹，是中国十大竹子之乡。目前，有关建瓯市毛竹林土壤有机质的空间分布已有些许研究[10]，但结合时间与空间尺度的分析仍较缺乏。因此，本研究拟以建瓯市为研究区域，结合地统计学方法与GIS来研究1978年至2015年期间竹林土壤有机质的时空演变特征，并进一步探究地形因子(高程、坡度、坡向)对建瓯市土壤有机质变化的影响，以期为当地竹林地管理及竹产业的可持续发展提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

建瓯市地处我国东南沿海低山丘陵区(26°38′54″～27°20′26″N，117°58′45″～118°57′11″E)，位于武夷山脉东南面和鹫峰山脉西北侧，地势东高西低，全市面积约4 233 km2。2016年年末人口为54.5万，是闽北人口最多的县级市。建瓯市属中亚热带海洋性季风气候，年平均气温为19.3 ℃，降水量为1 600～1 800 mm，四季分明，雨水充足。建瓯盛产毛竹，其毛竹林面积、毛竹立竹总数、鲜笋产量和竹材产量均居全国县级首位，竹业经济是当地的重要支柱产业之一。

1.2 采样方法

研究人员于2015年8月在建瓯全市按乡镇竹林面积情况布点采样，总计207个采样点，利用GPS逐点地理定位，记录其经纬度与海拔高度；在每个采样点，采集深度为0～20 cm的土壤样，取样时用土壤钻在每一采样点周围1 m内取3个样，混合土样，装入封口袋带回。样品经过风干、研磨、过筛后，制成分析样，备用。土壤有机质采用重铬酸钾—硫酸氧化法测定。从全国第2次土壤普查标准样地数据库中提取1978年建瓯市毛竹林土壤有机质数据，由于数据单元为斑块状，并无精确标识采样点位置，因此，参照2015年采样点的位置，取其对应斑块的土壤有机质值作为研究期初毛竹林土壤的有机质数据。

1.3 数据处理方法

1.3.1描述性统计分析 采用SPSS 22.0软件对研究区1978年和2015年土壤有机质进行描述性统计分析。

1.3.2地统计学方法 采用地统计学方法中的半变异函数来研究土壤有机质的变异。半变异函数又称半方差函数法，能反映不同距离观测值之间的变化。变异函数计算一般都需要数据符合正态分布，否则可能会存在比例效应[11]，在区域化变量满足二阶平稳和本征假设。变异函数的公式[12]如下：

(1)

式中，r(h)为变异函数；h为采样点空间间隔，或称步长；N(h)为间隔距离为h的采样点数；Z(xi)和Z(xi+h)是区域化变量Z(x)在空间位置xi和xi+h的实测值。在ArcGIS 10.2的支持下，以建瓯市矢量图为底图，输入2015年采样数据坐标点，并结合全国第二次土壤普查图提取1978年对应采样点的有机质数据，从建瓯市数字高程(DEM)数据中提取高程值、坡度值与坡向值；对建瓯市采样数据进行地统计分析，并对2期采样数据以及两期数据之差进行克里格(Kriging)插值。

1.3.3地形因子(高程、坡度、坡向)与土壤有机质的相关分析 采用相关系数来分析县域与次一级尺度上地形因子与竹林土壤有机质变化的关联。次一级尺度区域的划分以乡镇的地理位置为依据，其中东部包括玉山镇、顺阳乡、东游镇和水源乡；西部包括吉阳镇、徐墩镇、房道镇以及南雅镇；南部为迪口镇；北部包括小松镇、龙村乡、川石镇、东游镇；中部区域包括小桥镇、芝城。

2 结果与分析

2.1 土壤有机质的描述性统计

由1978年与2015年建瓯市毛竹林土壤有机质的统计分析(表1)可以看出：1978年建瓯市毛竹林土壤有机质质量分数分布范围为0.47%～9.13%，均值为3.13%，处于中等肥力水平[13]；2015年建瓯市毛竹林土壤有机质质量分数分布范围为0.52%～10.97%，均值为3.03%，比1978年下降0.1%，但仍属中等肥力水平。变异系数是描述土壤有机质空间变异特征的参数，1978年建瓯市土壤有机质变异系数为48.65%，2015年为49.35%，均属于中等变异水平[14]。

表1 建瓯市40 a来土壤有机质质量分数描述性统计结果

对研究期初与期末建瓯市毛竹林土壤有机质数据进行配对t检验(表2)，研究区北部、南部和中部的显著性水平均小于0.05，表明近40 a间这些地区的土壤有机质质量分数存在显著变化。

2.2 克里格插值的模型拟合

利用半变异函数法对2期建瓯市竹林土壤有机质空间分布特征进行研究，K-S检验结果均不服从正态分布，因此，对数据进行对数转换，得到正态分布的数据后进行半变异函数分析，分别用球状模型、指数模型和稳定模型3个常用的理论模型进行拟合，获得不同模型的拟合参数表，如表3所示。

表2 建瓯市土壤有机质质量分数配对t检验结果

根据模型优劣的判别标准[15]，测误差的均值越接近于0，标准均方根预测误差越接近于1，其他检验参数值越小时，模型的拟合情况越好。根据模型拟合的参数表得到，2期数据均是指数模型的模拟情况最好，因此，选取指数模型进行半变异函数进行模拟(见表4)。

块金值反映的是最小抽样尺度以下变量的变异性及测量误差[16]，分析结果表明2期误差均控制在有效的范围内。块金值与基台值的比值称为块基比，用C0/C0+C1表示，它反映的是空间相关度，如果比值<25%，说明系统具有强烈的空间相关性；如果比值在25%～75%之间，表明系统具有中等的空间相关性；如果比值>75%，说明系统空间相关性很弱[17]。1978年块基比为19.29%，显示出强烈的空间相关性，表明竹林土壤有机质受到随机因素如施肥、灌溉、种植等影响较小，而受内在因素及结构性因素如气候、母质、生物和地形影响较大。2015年块基比为25.38%，属中等相关性，空间相关性与1978年相比变弱，表明近40年来建瓯土壤有机质受随机因素的影响增大。1978年变程距离为802.0 m，表明土壤有机质在802.0 m的范围内具有空间相关性；2015年该值为620.4 m，有机质的空间相关范围变小，意味着人类活动对有机质的影响增强，这与块基比反映的结果一致。

表3 克里格模型拟合检验参数表

表4 建瓯市竹林土壤有机质半变异函数模型参数值

2.3 土壤有机质的空间分布特征及演变

根据1978年与2015年建瓯市毛竹林土壤有机质半变异函数模型，进行2期土壤有机质Kriging插值分析，并以建瓯市竹林分布图为基准进行掩模提取，得到2期竹林土壤有机质插值图。由图1(a)可知：1978年建瓯市毛竹林土壤有机质分布差异较为明显，高值区域较少且分布较为零散，包括中部的小桥镇、东部的玉山镇以及西部的房道镇。有机质中低区域面积较大，低值区域主要出现在东北的水源乡、北部的龙村乡和西部的吉阳镇。参考中国土壤有机质分级，将其单位换算成百分比，可知1978年研究区竹林土壤有机质等级Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的面积占比分为3.95%、34.02%、56.50%、5.52%，平均处于Ⅱ级，为高等肥力水平。由图1(b)可知，与近40 a前相比，2015年建瓯市毛竹林土壤有机质空间分布发生了强烈的变化，有机质高的区域向北部的龙村乡、川石乡以及西部的南雅镇转移，且高值区域由块状分布逐渐转为条带状分布，这种变化与当地政府对于毛竹林的集中管理培育有密不可分的关系。根据图中等值线分析，2015年土壤有机质等级Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的面积占比分别为8.63%、16.66%、73.81%和0.89%；与1978年相比，Ⅰ级和Ⅲ级土壤面积略有增加，而Ⅱ、Ⅳ级土壤面积则有所下降，整体平均水平也略有下降。

图1 建瓯市毛竹林土壤有机质Kriging插值结果(a-1978年，b-2015年)Fig.1 Spatial interpolation distribution of SOM content of Jian′ou(a-1978; b-2015)

近40 a来建瓯市土壤有机质的变化表明(图2)，约59.25%的竹林土壤有机质降低，约40.75%的竹林土壤有机质升高，且主要集中于北部的龙村、川石以及西部的南雅等地，最大增加值为7.96%。有机质下降最多的地方主要分布在小桥镇，最多减少量为6.7%。在相同的气候条件下，由于一些地区土地利用强度过高、施肥不当[18]，使得毛竹林土壤有机质积累困难，从而导致建瓯市竹林土壤有机质下降较多，这给毛竹生长带来了不良影响，当地农户应当加强对于毛竹林土壤的培肥管理。

图2 建瓯市毛竹林土壤有机质近40 a变化的Kriging插值Fig.2 Spatial interpolation distribution of SOM content difference from 1978 to 2015 in Jian′ou

2.4 建瓯市地形特征

根据建瓯市的数字高程图(DEM)，可以得到坡度和坡向的空间分布图(图3(a)与图3(b))，从DEM图、坡度图、坡向图中提取所有采样点的高程、坡度与坡向数据。将坡度分为0°～5°、5°～ 10°、10°～15°、15°～20°、20°～25°、25°～35°、>35°等7级，建瓯市坡度主要在8°～15°与15°～25°之间，占比分别为24.27%和30.20%。根据坡向重分类计算结果，建瓯市阴坡、阳坡、半阴坡、半阳坡的分布较为平均，面积占比均在22%至24%之间，平地面积较少，占比约8.81%。

图3 建瓯市地形的坡度图(a)与坡向图(b)Fig.3 Spatial distribution of topographical slope (a) and aspect (b) of Jian′ou

2.5 地形因子对土壤有机质的影响

对1978年和2015年建瓯市土壤有机质数据差值与地形因子之间进行相关性分析，得出结果(表5)。从表5可知：建瓯全市有机质变化与地形因子间的关系不大。分区来看，建瓯市北部区域40 a间土壤有机质的变化与高程、坡度、坡向显著性水平均小于5%，且相关系数分别为0.450、-0.420与-0.354；西部区域40 a间毛竹林土壤有机质的变化与高程和坡度有明显关系，其相关系数分别为-0.280和0.323。东部、南部、中部区域毛竹林土壤有机质的变化与地形因子间则没有显著关联。

表5 地形因子与土壤有机质变化的相关性分析

说明：*表示在0.05水平上差异显著

3 讨论

傅平[19]于2008年的研究中指出建瓯市耕地土壤有机质分布范围为0.20%至8.59%，均值为2.85%，属中等偏上水平。本研究结果要明显高于该值，这与竹林土壤的特性有关，因为一般情况下林地土壤有机质普遍要高于农田[1]。

从建瓯市竹林土壤有机质2期插值来看，近40 a间毛竹林土壤有机质空间分布发生了重大变化，有机质分布高的区域由建瓯南部的小桥镇、玉山镇向北部的龙村乡、川石乡以及西部的南雅镇转移。1978年及以前，由于林地利用方式不合理及竹林管理不当等原因，使得竹林土壤有机质高质量分数区域面积小且分布零散；近40 a，随着竹林经济的开发，建瓯市加强了毛竹林的集中管理，减少了不当砍伐，使得当地高质量分数有机质区域增多，且由原先的块状分布转变为条带状分布。然而描述性统计结果显示，建瓯市有机质平均质量分数较40 a前有所下降，这是由于建瓯市土地集约化程度以及土地利用强度提高过快，从而导致有些地区土壤有机质积累入不敷出，这与胡克林等[17]在北京郊区进行的研究结果相似。

以往的研究表明[20-21]，地形因子(高程、坡度、坡向)会对土壤有机质的空间分布造成影响。本研究结果显示：县域尺度上地形因子对毛竹林土壤有机质的变化没有显著影响，但在次一级尺度上则有一定程度的影响。一方面，高程、坡度、坡向等会导致水热条件差异，从而影响土壤有机质；另一方面，人类活动也与地形因子密切相关，对地形复杂的区域开发较少，而对平原地区开发较多，从而对土壤有机质变化产生影响。

本研究对近40 a间建瓯市毛竹林土壤有机质的时空变异特征进行分析，并揭示了不同尺度上地形因子对有机质变化的显著性与否的影响，但地形因子影响有机质变化的方向及其作用机制还需更深层次的研究讨论。同时，土壤有机质的变化与人类活动密不可分，对于毛竹林土壤有机质变化的原因以及如何提高毛竹林土壤有机质质量分数，以保证当地毛竹的产量与质量，还需进一步的研究。

4 结论

1978年建瓯市毛竹林土壤有机质平均质量分数为3.13%，2015年为3.03%，略微下降。竹林土壤有机质在研究期初与期末的变程分别为802.0 m与620.4 m，表明近40 a来建瓯市毛竹林土壤有机质受人类活动影响有所增加。从1978年到2015年，建瓯市毛竹林土壤有机质 级与 级土地面积分别增加了4.68%和17.31%，而II与IV级土壤面积则分别减少了17.36%和4.63%；建瓯市毛竹林土壤有机质下降面积占比约59.25%，有机质升高面积约为40.75%。建瓯市多数毛竹林土壤有机质呈下降趋势与当地土地利用强度过高，施肥不当等人为因素有一定的关系。高程、坡度和坡向这些地形因子对建瓯市竹林土壤有机质变化的作用在县域尺度上无显著影响，但在次一级尺度上对某些区域有影响。因此，在竹林土壤的规划与管理上既要考虑地形因素又要考虑人为措施管理，从而为竹林土壤的可持续利用提供保障。