环境因子对四子王旗荒漠草原土壤速效磷分布的影响

曲文静

(内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022)

引言

土壤是自然地理要素、人类活动和时间综合作用的产物，是一个复杂的开放系统，是地球表层系统的重要组成要素，与自然界的其它因子相互作用，不断进行物质循环和能量交换[1]。土壤中的磷是作物生长必需因素,也是最重要的限制因子[2]。土壤中的磷主要来源于未完全分解的动植物残体和土壤母质，农田土壤施肥也是很重要的一部分[1]。土壤速效养分是反映土壤肥力特征的重要指标，植物所需要的氮、磷、钾等营养元素直接来源于土壤速效养分[3]。磷参与植物的光合作用，土壤中速效磷含量的多少与植物生长发育关系密切。因此，研究土壤速效磷含量的空间分布及其影响因素对于研究土壤肥力高低、评估土壤可持续利用潜力及区域土壤的高效管理有重要意义。人类在利用土壤资源进行物质生产的过程中，可以通过有意识地改变土壤与其它因子的物质能量迁移转化过程和成土方向，如施肥、灌溉、排水、疏通、改良土质等使土壤质量不断提高，从而提高土壤的农林牧生产能力。

温度和降水等环境因子对土壤微气候产生改变，导致海拔、水分等差异[4]。这种气候的改变强烈影响土壤的生物、化学过程[5],导致磷元素的分布差异性。一些学者[6,7]在地统计学与地理信息系统的理论方法指导下，运用克里金插值方法，对土壤样本数据进行插值，从而得出土壤养分含量的总体分布格局。因此，本文运用空间插值等方法研究荒漠草原速效磷的空间分布特征，以期为荒漠草原土壤磷的调控与循环模式提供数据支撑与科学参考，从而达到维护草原生态系统的稳定与草原的可持续利用。

1 材料与方法

1.1 研究区概述

四子王旗位于内蒙古自治区乌兰察布市的西北部，地理坐标为E110°19′53″～112°59′37″，N41°11′32″～43°22′31″，东面与其毗邻的是锡林郭勒盟苏尼特右旗，南面与其相连的是呼和浩特市武川县，西面为包头市达尔罕茂明安联合旗，北面则与蒙古国接壤，辖区总面积为25516km2[8]。地形从南至北分别为阴山山脉北缘、乌兰察布丘陵和蒙古高原，总的趋势为东南高西北低，海拔1000～2100m。该旗地处温带，属于典型的大陆性干旱气候，冬季寒冷干旱，多寒潮天气；夏季暖湿，降水少而集中，日照充足。春秋两季多风且气温变化剧烈，四季更替明显。四子王旗境内南部为山地丘陵，北部为荒漠草原，在干旱的气候条件下，形成了以棕钙土为优势的地带性土壤，研究区内棕钙土主要分为典型棕钙土、盐化棕钙土和淡棕钙土[9]。在局部区域有栗钙土、草甸土和草甸栗钙土等类型的土壤，全区大部分土地利用为中覆盖度草地，其它地区有盐碱土、高覆盖度草地和低覆盖度草地等。该旗属于典型的农牧交错带，生态环境十分脆弱，土壤贫瘠且易发生水土流失和沙漠化现象。

1.2 样品采集

2019年9月在内蒙古荒漠草原典型区四子王旗境内进行野外数据采集工作。研究区内的用地类型多种多样，为了使样本能够代表总体样本的特征，采用系统网格抽样方法进行采样。共选取了18个采样点，采集土样108个，如图1所示。以采样点位置为中心，设置边长为2m的等边三角形，将三角形的3个顶点作为样品采集的位置，用直径为10cm的土钻采取6层土样，土层深度分别为0～5cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm、20～25cm和25～30cm。均匀混合3个采样位置相同深度的土样，该土样即为该样点在该层的土样，取180g混合样品装在密封袋中，按照此方法采集完108个土样，即完成野外数据采集工作。

1.3 样品处理及其它数据来源

将采集的土样带回实验室，待土样自然风干后，除去其中的植物草根和石块等杂质，进行研磨，使其全部通过1mm和0.15mm孔径的筛子，装进分装袋留存备用。采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定土壤速效磷含量。土壤利用数据下载于中国科学院资源环境科学数据中心网站(help://www.resdc.cn)，气温和降水数据下载于中国气象科学数据共享服务网(help: //cdc.cma.gov.cn)。

1.4 方法与数据处理

利用IBM SPSS Statistics 25和Excel 2016对研究区土壤速效氮和速效磷含量进行描述性统计分析，计算均值、最大值、最小值、标准差和变异系数等。土壤速效磷的空间分布采用普通克里金插值方法在ArcMap 10.7中进行。普通克里金插值方法的一般公式：

式中，Z(X0)表示预测值；n表示采样点的数目；λi代表权重；Z(Xi)是测量点的实测值。土壤速效磷与各影响因子之间的关系采用相关性分析方法在IBM SPSS Statistics 25中进行。为进一步明确不同影响因素对于土壤速效磷的影响程度，在IBM SPSS Statistics 25中对各影响因素进行逐步回归分析。

2 结果与分析

2.1 土壤速效磷含量描述性统计分析

如表1所示，研究区各土层的土壤速效磷含量的平均值介于4.722～7.021mg·kg-1，表层土壤中的速效磷含量显著高于下层土壤，25～30cm土层土壤速效磷含量最少，研究区土壤速效磷含量平均值明显地随着土层深度的增加而减少。从均值来看，对照全国第2次土壤普查养分分级标准，研究区土壤速效磷含量除25～30cm土层属于五级标准，其它土层都属于四级标准，总体上属于中等偏下水平，速效磷含量都比较缺乏。

表1 四子王旗荒漠草原典型区土壤速效磷、速效氮含量的统计特征

标准差的大小可以反映数据的离散程度，由表1可发现，各层土壤速效磷的标准差由表层至深层依次呈现出有规律递减的变化趋势，这与其均值的变动趋势一致。0～5cm土层速效磷含量的离散程度最大，分布相对分散；25～30cm土层的离散程度最小，分布相对集中；各层土壤速效氮的标准差从表层向下递减，至15～20cm土层显著增加，接着又向下递减；15～20cm土层速效氮含量的离散程度最大，分布相对分散；25～30cm土层的离散程度最小，分布相对集中。变异系数(CV)能够表示数值的空间变异的程度，根据土壤变异性的分级标准，当CV≤10%时，为弱变异性；10%100%时，为强变异性。从表1可以看出，速效磷在0～30cm的6个土层中均具有中等变异性。土壤速效磷在0～25cm的5个土层中变异程度随土层深度增加而逐渐降低，在25～30cm土层中变异程度增加，但土壤表层变异性最强，在15～30cm的3个土层中变异性都比较弱，表明速效磷在这一层次分布较为均匀。

2.2 普通克里金插值结果分析

空间插值方法是利用采样点的数据建立数学模型，对研究区内的未知点进行模拟预测，并能够获得连续的某些属性值的空间分布特征[10]。为反映不同土层深度速效磷含量的整体变化趋势以及空间分布特征，基于克里金插值方法对研究区测得的0～5cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm、20～25cm和25～30cm深度的土壤速效磷含量进行插值，生成土壤速效磷水平分布图。从图2中可以看出，在0～5cm土层中，土壤速效磷含量中间低，东部、北部和南部高，整体上呈现出由东南向西北、由东向西逐渐降低的趋势；在5～10cm土层中，速效磷含量北部和东南高，其它区域分布比较均匀，含量都在4.9～5.9mg·kg-1；在10～15cm土层中，速效磷含量东部高于西部，北部高于南部，整体上呈现出由东向西、由北向南逐渐降低趋势；在15～20cm土层中，速效磷含量由东南向西北递减，南北大致对称分布；在20～25cm土层中，速效磷含量由东南向西北、由北向南逐渐降低；在25～30cm土层中，速效磷含量中部略微高于东部和北部，但整体分布较为均一，含量在4.0～5.0mg·kg-1。对照全国第2次土壤普查养分分级标准可以发现，在0～15cm的3个土层内，东南和北部都有一小块儿范围属于三级标准，是研究区速效磷含量最高的区域；在0～25cm的5个土层范围内，东南部和北部均是研究区内丰富的区域。在0～5cm土层中，中部和西部的土壤速效磷含量缺乏，随着土层深度的增加，缺乏的范围进一步扩大；在25～30cm土层中，东部和北部在其它土层含量高的区域内含量也出现明显缺乏现象。

2.3 土壤速效磷影响因素的相关性分析

土壤速效磷的空间变异是其自身性质变化以及外部因素共同作用形成的。因此，利用IBM SPSS Statistics 25，进行相关性分析，得出土壤速效磷与降水量、气温、海拔高度、土壤剖面深度、土壤中黏粒含量百分比、粉砂粒含量百分比、砂粒含量百分比的相关系数矩阵，归纳不同因素对土壤速效磷的影响，如表2所示。速效磷与土壤剖面深度呈极显著负相关关系(P<0.01)，相关系数为-0.374；与海拔高度和平均降水量均呈显著负相关关系(P<0.05)，相关系数分别为-0.206和-0.201；与平均气温呈显著正相关关系(P<0.05)，相关系数为0.206；与土壤中的黏粒含量百分比、粉砂粒含量百分比、砂粒含量百分比之间的相关性并不大。

2.4 土壤速效磷影响因素的逐步回归分析

为了进一步明确不同影响因素对于土壤速效磷、速效氮的影响程度，对各影响因素进行逐步回归分析。如表3所示，运用逐步回归分析方法，对每一个自变量和因变量建立一元简单线性回归模型，逐步剔除影响不显著的变量，保留影响显著的原变量，建立最优模型。在对土壤速效磷含量影响因素进行逐步回归分析时，以Y1为因变量，即为土壤速效磷的含量；X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7为自变量，分别为降水量、气温、海拔高度、土壤剖面深度、土壤中黏粒含量百分比、粉砂粒含量百分比、砂粒含量百分比。最终建立的最优回归模型为：Y1=0.479X2-0.082X4+2.651。这表明，气温对土壤速效磷含量空间分布影响的作用最大，土壤剖面深度对土壤速效磷含量空间分布具有负效应。

表3 土壤速效磷分布影响因素的逐步回归分析的多元回归系数参数估计值

3 讨论

一般而言，土壤养分随着土层的加深而逐渐降低，在本研究区0～30cm土层中，土壤速效磷含量在垂直方向上随土层深度增加而降低，这可能是因为表层施肥和枯枝落叶都会增加土壤表层养分含量，当土壤不受扰动或者扰动较少时，肥料与残渣留存或分解在土壤表层，使得养分富集于表层。植物根系能够大量吸收土壤养分，这使得下层土壤中的养分被植物大量吸收，并且表层土壤养分可以得到充足的补充，但是下层土壤补充相对较少[11]。另外，耕作方式也会影响其分布，耕作深度与土壤容重、土壤孔隙度、植物根系和土壤养分含量存在着密切关系[12,13]。

土壤速效磷含量水平分布特征在不同土层深度上都不大相同，但在0～25cm各土层范围内，东南部和北部均是研究区内丰富的区域；速效氮含量的水平分布没有明显的规律性，但是随着土层深度的增加，速效氮含量在中部的分布逐渐增加，在东部和西部逐渐降低。这可能与土地利用方式、地形因子、气候因子和人为因素等有关[14-16]，其中，母质类型与成土条件是不同土壤类型养分间存在差异的根本原因。在农田过量施肥、林地过度采伐以及草地过度放牧的影响下，不同土地利用方式下的土壤养分差异明显。

为了更清晰这些影响因素的作用程度，通过逐步回归分析，建立土壤速效磷影响因素的最优回归模型。结果表明，土壤剖面深度对于土壤速效磷具有显著负影响，气温是影响速效磷的显著因素。

4 结论

研究区土壤速效磷含量总体上属于中等偏下水平，表层土壤中的速效磷含量显著高于下层土壤，速效磷含量在0～30cm各土层中均具有中等变异性。

结合土壤速效磷影响因素的相关性分析以及逐步回归分析结果可知，在该研究区内，气温和土壤剖面深度显著影响土壤速效磷含量的空间分布。