冒山小流域不同地形和土地利用下的土壤养分空间变异特征
2020-03-14秦富仓牛晓乐杨振奇马鑫任小同
秦富仓， 牛晓乐， 杨振奇， 马鑫， 任小同
(内蒙古农业大学沙漠治理学院，呼和浩特 010018)
土壤是人类生存和发展的基础，土壤生态系统的重要组成部分是土壤养分，土壤养分是促使植物生长的物质保障[1-2]。土壤养分受母岩等因素的影响具有一定空间自相关性，同时受地形、植被等自然因素以及人类活动综合影响，又具有高度的空间异质性[3-5]。不同的地形条件导致土壤中养分分布状况不同，在不同海拔、坡度和坡向等地形因子下，土壤的水热分配和物质运移存在差异，地形条件的改变影响着土壤养分状况的变化[6-7]。各种土壤养分特征随地形和土地利用等因素的影响而发生变化[8-9]。国内外学者对土壤养分空间变异特征的研究，在不同尺度下分析不同土地利用方式、不同植被覆盖和不同景观格局下的土壤养分空间分布差异[10-11]。李超等[12]对云贵高原耕地土壤养分的空间分布特征及影响因素做了相关研究；宋轩等[13]分析研究了小流域土壤养分分布与地形的关系并建立了回归预测方程；王雪梅等[14]分析了不同土地利用方式下土壤养分差异；朱菊兰等[15]针对地形和土地利用对表层土壤养分空间变异的影响做了相关研究。
缓坡漫岗区地形复杂多变，土地利用方式多样，地形因子与土地利用方式交互作用不可忽视。目前为止，对东北黑土区小流域土壤养分空间变异的研究还未见报道，针对地形因子与土地利用方式交互作用的研究也未见。因此，本文选取东北黑土区冒山小流域海拔、坡度等地形因子和土地利用因子，进行实地调查，野外土壤样品采集，利用GPS、ArcGIS、GS+和SPSS等软件，采取统计分析和地统计学等方法，进一步探讨地形和土地利用对土壤养分含量的影响，以期为冒山小流域合理利用土地提供科学指导。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于内蒙古自治区兴安盟扎赉特旗巴彦高勒镇冒山小流域(N46°44′58″，E122°48′18″)，气候类型属温带大陆性季风气候，年平均气温3～6 ℃，多年平均降水量350～400 mm，6—8月为降雨集中的月份，无霜期120～140 d。小流域土地总面积4.46 km2。耕地3.89 km2，占土地总面积的87.22%；林地0.38 km2，占土地总面积的8.52%；草地0.19 km2，占土地总面积的4.26%。地形为缓坡漫岗，坡度范围0°～22°，土壤类型主要有黑钙土、栗钙土、暗棕壤，pH 6.5～8.5，微碱性；土壤容重1.21～1.49 g·cm-3；常年种植玉米、大豆和绿豆，一年一熟耕作制度，无灌溉条件。
1.2 样点采集
本研究于2018年秋在冒山小流域内，根据《全国耕地地力调查与质量评价技术规程》规定，按照代表性、均匀性和连续性的采样原则，同时考虑地形等因素，在GPS定位技术支持下布设样点，进行“一点多坑”的采集0～20 cm的表层土壤，采用S法每个样点设置5次重复，充分混合后用四分法取约1 kg土壤作为样品，耕地、林地和草地共收集样点200个(图1)。
图1 土壤样点分布
1.3 项目测定及方法
在实验室内，土样经过风干、研磨过筛等处理后，进行土壤养分含量测定。测定指标包括有机质、碱解氮、速效磷、速效钾。碱解氮采用碱解扩散法测定，速效磷采用碳酸氢钠提取钼锑抗比色法测定，速效钾采用醋酸铵-火焰光度计法测定，有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定[16]。
1.4 数据处理
采用IBM SPSS Statistics19软件做描述性与统计分析处理，分析土壤养分含量平均值、标准差、变异系数和地形因子与土壤养分的相关系数等；利用GS+9.0分析土壤养分半变异函数及理论模型；基于1∶1万地形图数据，利用ArcGIS软件进行校正配准矢量化，运用软件的自动提取功能，对其进行分析处理，得到坡度、坡向和高程等地形要素信息，运用ArcGIS 10.0软件中Spatial Analyst模块进行土壤养分克里金空间插值，得到冒山土壤养分空间分布图。
2 结果与分析
2.1 土壤养分空间变异性
2.1.1土壤养分的统计特征 原始采样点总计200个，样点分布相对均匀。研究区土壤养分描述性统计特征见表1。冒山小流域土壤养分分布符合正态分布，土壤有机质含量在17.44～57.38 g·kg-1范围内，平均值为35.12 g·kg-1；碱解氮含量在42.13～221.55 mg·kg-1范围内，平均值为118.25 mg·kg-1；速效磷含量在4.28～40.76 mg·kg-1，平均值为22.97 mg·kg-1；速效钾含量在42.65～227.58 mg·kg-1，平均值为130.62 mg·kg-1。由变异系数可知，各土壤养分指标变异系数均处于17.34%～40.81%，均为中等变异。根据全国第二次土壤普查养分分级标准[17]，研究区内土壤有机质处于丰富水平，碱解氮处于中上水平，速效磷处于丰富水平，速效钾处于中上水平。表1显示，有机质变异系数为17.34%，与其他养分含量指标相比，其变异系数较小，表明有机质相对较稳定，受机构性因子影响较大。研究区内碱解氮变异系数为40.81%，是所有指标变异系数最大值，表明碱解氮受结构性因子和随机因子共同影响，研究区内地形因子、植被特征、土地利用方式和人类活动等情况均有所不同，对碱解氮空间变异性影响较大。
表1 土壤养分描述性统计分析
2.1.2土壤养分的空间变异特征 变异系数只能反映样本的总特征，并不能反映各土壤养分的随机性、结构性和空间变化规律，而地统计学可以较好地反映其空间变异性[18]。本研究采用地统计学对土壤养分数据进行分析，利用GS+9.0软件对冒山小流域的土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾的空间变异性进行半方差模型拟合，得到各土壤养分的半方差函数理论模型及相关参数(表2)。
表2 土壤养分变异函数最优理论模型及相关参数
根据表2对小流域的各土壤养分做空间变异性特征分析，土壤有机质、速效钾两指标采用高斯模型，碱解氮、速效磷两指标采用指数模型，均具有较好的拟合效果(R2>0.959)。土壤养分异质性是由结构因素和随机因素共同影响的结果。块金值(Co)只表示由人类活动等随机因素引起的变异，基台值(Co+C)表示区域内变异的整体特征，包含结构性变异和随机性变异，基台值越高表示整体总空间异质性越高[19]。本研究速效钾基台值最低，表示其总的变异性最低；碱解氮基台值最高，表示其总的变异性最高。块金系数[Co/(Co+C)]是反映随机因素引起的空间异质性占全部系统总异质性的比重，是体现区域内变量空间相关程度的重要指标，当Co/(Co+C)<0.25时，表示变量具有强烈的空间自相关性，即主要影响因素是结构性因素(地形、土壤母质等)；当0.25
2.1.3土壤养分的空间分布 根据表2得出各土壤养分的半方差函数模型，利用ArcGIS 10.0软件的空间差值模块进行克里格空间差值，得到土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的地理空间分布图(图2)。可以看出，冒山小流域土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾平均含量由西北向东南递增，在流域中间位置较东西两侧偏高，这是因为东西两侧地势较高，土壤粗骨性较大，而中间位置地势较低，较为平坦。
图2 土壤养分空间分布
2.2 地形因子对土壤养分的影响
2.2.1海拔对土壤养分的影响 为每个采样点赋予海拔高度属性值，基于地形图矢量数据，运用ArcGIS软件提取研究区海拔信息，利用空间分析模块的重分类功能将研究区海拔划分为4个等级，分别为250～275、275～300、300～325、325～338 m，绘制海拔分级图(图3)。统计各海拔等级所占研究区的面积比例，利用SPSS软件分析海拔与土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的Pearson简单相关系数，以分析土壤养分与地形因子的相关程度，计算结果见表3。
由表3可知，海拔分布在2、3等级的较多，分别占研究区总面积的35.65%和33.86%。海拔因子和土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾之间存在极显著的相关关系。每种土壤养分的相关程度与相关方向基本一样，均呈负相关，即随着海拔高度的增加，表层土壤养分含量随之减少。单因素方差分析的P值均小于0.01，表明海拔高度对土壤养分的影响显著。在海拔较低的区域，地势较为平坦，主要分布着大量耕地，在耕作过程中会增施有机肥等肥料，土壤有机质等养分含量相对较高；在海拔较高区域，土壤粗骨性较大，砾石较多，且耕地分布面积占比相对较少，土壤有机质等养分含量相对较低。
表3 土壤养分含量与海拔的关系
2.2.2坡度对土壤养分的影响 研究区坡度范围为0～21.7°，根据《水土保持综合治理》对坡耕地治理的相关规定，利用ArcGIS软件进行重分类，将坡度分为4个等级，分别为0°～5°、5°～8°、8°～15°、>15°，绘制坡度图(图3)。统计各坡度等级面积以及所占面积比例，利用SPSS软件分析土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾与坡度的Pearson简单相关系数，以分析坡度与土壤养分的相关程度，计算结果见表4。
由表4分析可知，分布在0°～5°的区域占研究区总面积的71.52%，只有将近1%的区域分布在15°以上的坡度。土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量均随坡度的增大逐渐减小，存在显著相关关系，方差分析结果均小于0.01。第1、2、3等级间，表层土壤养分含量变化较大；第3与第4等级，表层土壤养分含量差值较小。坡度较小的区域主要分布着耕地，土壤各养分含量明显较高且相对集中；坡度较大的区域分布着林地和草地，且土壤粗骨性加大，砾石含量较多，土壤表层养分含量较低；且有部分退耕还草和退耕还林的草地，退耕年限较短，在原为耕地时，表层土壤流失严重，土壤养分也有所流失，养分含量较低。
表4 土壤养分含量与坡度的关系
2.2.3坡向对土壤养分的影响 在ArcGIS软件空间分析模块下利用地形图矢量数据提取坡向因子，采用数字地形分析常用的“八方向法”对坡向进行重分类划分[21]，生成坡向分级图(图3)。统计各坡向面积占比，用SPSS软件分析土壤养分与坡向的Pearson简单相关系数，以分析坡向与土壤养分的相关程度，计算结果见表5。
图3 地形因子分级
由表5可以看出，研究区阳坡面积占比较大，为83.63%，阴坡面积占比15.47%，平地面积占比0.90%。通过对坡向与土壤养分做相关分析可知，坡向因子与土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾之间有一定的相互关系，但相关系数很小。本研究区面积较小，且阳坡面积占小流域总土地面积的80%以上，由此可见，此范围尺度下的坡向因子与土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的相关关系不显著。
表5 土壤养分含量与坡向的关系
2.3 土地利用方式对土壤养分的影响
根据《土地利用现状分类》[22]将我国土地分为8个一级类：草地、林地、园地、耕地、居民点及工矿用地、交通用地、水域及未利用地。本小流域内只涉及草地、林地、耕地3种土地利用类型(表6)。耕地的土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾平均含量相对较高，分别为35.71 g·kg-1、123.29 mg·kg-1、23.81 mg·kg-1和135.21 mg·kg-1，除速效钾含量处于中上水平，其余均处于丰富水平。林地的土壤养分平均含量处于耕地和草地之间，除有机质含量处于丰富水平，碱解氮、速效磷、速效钾含量均处于中上水平。草地的土壤养分含量相对最低，有机质平均含量30.12 g·kg-1，处于丰富水平，碱解氮和速效磷平均含量分别为70.78 mg·kg-1和16.59 mg·kg-1，均处于中上水平，速效钾平均含量为98.88 mg·kg-1，处于中下水平。各土地利用类型下有机质和速效钾变异系数相对较小，变异范围为15.59%～44.19%。林地的碱解氮和速效磷变异系数较大，变异系数分别为61.71%、44.19%，主要因为植被覆盖度、土壤母质、土壤粗骨性等不同会影响其空间变异性。
表6 不同土地利用类型的养分含量特征
2.4 地形因子与土地利用交互作用对土壤养分的影响
对海拔、坡度和坡向3种地形因子与土地利用方式交互作用下的土壤养分含量进行分析，土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的F值见表7。由表7分析可知，研究区内海拔因子与土地利用方式对土壤有机质和碱解氮相互影响作用显著，而对速效磷和速效钾的相互影响作用不显著；坡度因子和坡向因子与土地利用方式对土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的相互影响作用不显著。
表7 地形因子与土地利用类型的双变量方差分析
从海拔高度来看，海拔高低对土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的含量均有显著影响。土地利用方式对土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾均不存在显著影响；土地利用方式对4种土壤养分的影响作用由大到小依次为有机质(1.827)>碱解氮(0.502)>速效钾(0.119)>速效磷(0.069)。研究区内海拔因子与土地利用方式对土壤有机质和碱解氮交互影响作用显著，影响程度有机质(F=4.736)大于碱解氮(F=3.172)；而对速效磷和速效钾的相互影响作用不显著，影响程度速效钾(F=2.154)大于速效磷(F=2.088)。从坡度因子来看，坡度大小对土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的含量均有显著影响。土地利用方式对4种土壤养分均不存在显著影响；土地利用方式对4种土壤养分的影响作用由大到小依次为速效磷(F=0.626)>速效钾(F=0.466)>碱解氮(F=0.206)>有机质(F=0.133)。研究区内坡度因子和土地利用方式对土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的交互作用均不显著，影响程度由高到低依次为速效磷(F=0.579)、有机质(F=0.552)、碱解氮(F=0.342)、速效钾(F=0.292)。从坡向因子来看，坡向对4种土壤养分没有显著影响。土地利用方式对四种土壤养分的影响作用由大到小依次为碱解氮(F=1.785)>速效钾(F=1.718)>速效磷(F=1.679)>有机质(F=1.386)。土地利用方式对4种土壤养分的影响均不显著。坡向因子和土地利用方式对4种表层土壤养分交互作用均不显著，影响程度由高到低依次为速效磷(F=0.276)>有机质(F=0.264)>碱解氮(F=0.256)>速效钾(F=0.089)。
2.5 海拔与土地利用方式交互作用下的土壤养分分布特征
对不同海拔等级和土地利用方式下的研究区0～20 cm表层土壤养分的平均含量做进一步探究，分析结果见表8。由表8可知，在同一海拔等级不同土地利用方式下，土壤养分平均含量存在差异。如在325～338 m海拔等级，耕地、草地和林地均有分布，土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的含量在耕地中最高，分别为26.17 g·kg-1、49.36 mg·kg-1、12.84 mg·kg-1和70.39 mg·kg-1；而土壤有机质、速效磷和速效钾的含量在林地中含量最低，分别为22.90 g·kg-1、7.41 mg·kg-1和47.48 mg·kg-1，碱解氮平均含量在草地中最低，为43.02 mg·kg-1。在275～300 m海拔等级中，除碱解氮平均含量在林地中最低外，其他3种土壤养分分布规律与325～338 m海拔等级一致。250～275 m海拔等级只有耕地和林地分布，与其他海拔等级不同，土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的含量均是林地高于耕地，这主要由于林地枯枝落叶较多，腐殖质层较厚，各土壤养分含量较高。研究区内，在同一土地利用方式下，不同海拔高度对表层土壤养分含量有显著影响，如林地在不同海拔等级区域内的表层土壤养分含量均不同，在海拔等级250～275 m范围内养分含量最高，在海拔等级325～338 m范围内养分含量最低。在不同土地利用方式与不同海拔高度之间的表层土壤养分含量也有明显差异。在海拔等级250～275 m和300～325 m区域内，林地表层土壤各养分含量均大于耕地，而在海拔等级275～300 m和325～338 m范围内，耕地表层土壤各养分含量大于林地。
表8 海拔与土地利用方式交互作用下的土壤养分分布特征
3 讨论
以往土壤养分空间分布研究在空间差值时一般只采用球状模型或高斯克里格模型等一种模型做差值，与此不同，本研究在地统计学基础上，将GS+和GIS相结合的方法，拟合测算不同模型，最终根据各模型的最优参数选择差值模型，以此来提供差值精度。
自然和人为因素综合作用决定着土壤养分的空间分布和变异特征[23]，在不同地区影响土壤养分的因素也有所不同。孟阳阳等[24]综合分析了部分研究学者的研究成果，有的研究表明地形是影响速效磷的主导因素，有的学者认为是海拔影响土壤养分的分布，还有学者研究表明海拔不是影响土壤养分空间分布的因素。本研究结果表明，海拔和坡度均是影响土壤养分空间分布的主要因素。
不同土地利用方式下土壤养分含量不同。蒋文惠[7]针对土地利用对山区土壤养分的影响研究表明，草地和林地的有机质、氮和磷的含量均高于耕地；朱菊兰等[15]针对浑河太子河流域研究结果表明，草地和林地的有机质、氮和磷的平均含量要高于水田和旱地。本研究表明，耕地的土壤养分平均含量高于林地和草地。这主要由于部分耕地和草地是由原来的坡耕地退耕还林、退耕还草后形成的，在原来是坡耕地的时候，水土流失严重，土层变薄，土壤养分降低，而退耕还林还草年限较短，土壤养分还未恢复提高；蒋文惠[7]和朱菊兰等[15]的研究区域中是天然林地和天然草地，凋落物较多，腐殖质层较厚，人为干扰较少，故土壤养分含量较高。
本文研究了小流域土壤养分空间变异特征，探究了地形因子(海拔、坡度、坡向)和土地利用方式及其对土壤养分空间分布的影响，在取得成果的同时又存在一些不足，在下一步工作中需要进一步完善；本研究只探讨了4种土壤养分的空间分布，在后期研究中可以增加土壤养分中的其他重金属元素或微量元素等；在分析对土壤养分空间分布影响因素时，只分析了地形因子和土地利用方式，未考虑其他的因素，如土壤有效土层厚度、土壤砾石度等情况，在后期研究时要加以分析。
