雄安新区不同土地利用方式土壤性状的空间分布特征——以容城县为例

杨 佳,于志军,王 参,王 敏,沈若雯,刘敬泽

河北师范大学生命科学学院, 石家庄 050024

2017年4月1日设立雄安新区,是党中央作出的重大历史性战略选择。雄安新区位于河北省保定市东北部,规划范围包括雄县、容城、安新三县及周边部分区域。打造优美生态环境,构建清新明亮的生态城市是建设雄安新区的重点任务之一[1]。作为生态城市的重要组成部分,土壤是生物圈的基本结构单元,是调节生态系统的有力杠杆[2]。

土壤性状是土壤肥力的判断标准和土壤资源的基本属性,土地利用方式对土壤性状有最直接和最深远的影响[3-4]。研究表明,不同土地利用方式可改变土壤的理化性状和周围的环境,对土壤养分和土壤循环有及其重要的影响[5-6]。土壤的有效管理和科学利用依赖于土壤理化指标的空间分布,对其研究有利于调整土地管理方法,发挥土壤的最大效益[7- 8]。土壤理化性状的空间变异十分复杂,随着地理信息系统的发展,将其与地统计学相结合研究土壤指标的空间分布已成为研究趋势[9-10]。当前一些学者分别对陕甘晋黄土高原区[11-12]、内蒙古农牧交错区[13]、湖南旱地红壤区[14]、贵州草海高原湿地[15]和江西万安小流域[16]等不同尺度不同用地方式进行了土壤指标差异性研究,土壤指标间相互影响,全氮(TN)与土壤有机质(SOM)积累具有高度同步性[17],TN和全磷(TP)与施用氮磷复合肥相关[10]。雄安新区建设面临复杂的资源、环境和生态安全问题,而土壤作为生态系统中的重要生态因子,有关雄安新区土壤的基本状况尚不明确,掌握雄安新区土壤理化特性及不同土地利用方式下土壤养分的空间分布特征对雄安新区土地利用和生态建设具有重要意义。

本研究以雄安新区—容城县为研究区,采用网格法和随机取样法对容城县不同土地利用类型土壤进行取样,测定表层土壤TN、TP、全钾(TK)、SOM、电导率(EC)、土壤含盐量(SS)、含水量(WC)、pH和机械组成。利用ArcGIS软件可视化土壤理化指标的空间变异规律和趋势变化,分析不同土地利用方式下土壤养分水平和空间分布特征。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

容城县为雄安新区建设起步区。地理坐标38°57′04′′—39°08′32′′ N、115°45′26′′—116°04′02′′ E,东西长26.85 km,南北长21.38 km,总面积314 km2。耕地面积208 km2。全境西北略高,东南较低,海拔高(黄海)7.5—19.5 m,土层深厚,土质良好[18]。土壤类型主要以潮土、褐土为主。属暖温带大陆季风型气候,四季分明,冷暖干湿差异较大,年平均气温11.9℃,年平均降雨量522.9 mm,无霜期约191 d。

1.2 土壤样品采集与分析

图1 容城县采样点分布图Fig.1 Distribution of sampling sites in Rongcheng County

2019年8月在雄安新区—容城县采集土壤样品。考虑采样点布局的科学性、全面性,依据研究区总体特征,利用2 km单位网格和随机取样相结合方法,对容城县全域进行统一布点。研究区以白沟引河、烧车淀、南拒马河、北瀑河和藻苲淀等周边滩地为典型内陆滩涂采样区,千年秀林及区域人工林为林地采样区,容城县全域耕作用地为耕地采样区,新区中心绿地及城市公园为公园与绿地采样区,共设定133个土壤采样区,每个采样区建立三个25 m×25 m的单位取样面积。采用五点式采样法采集样地表层土壤(距地面0—20 cm),分别于四角及中心点采集样品,等质量充分混匀5点采集样品作为该区域土样。对于所划定区域中存在特殊端元(如典型土地利用类型)的土壤样品进行额外单独采集。耕地、林地、公园与绿地和内陆滩涂分类标准参考GB/T 21010—2017《土地利用现状分类》[19]。不同类型土壤样品数量分别为102、9、13、9个,共采集133个样品(图1)。样品去除碎石、砾石、干枯树枝和树根等杂质,自然风干至恒质量,分别过2 mm和0.25 mm土壤筛备用。

1.3 分析方法

参照农业行业标准《土壤检测 第3部分:土壤机械组成的测定》NY/T 1121.3—2006,将试样制成悬浮液测定表层土壤粒径大小及含量百分数；用pH计测定土壤溶液pH值；电导率仪测定土壤溶液电导率(EC值),平行测定7次；土壤分析仪COMBI 5000测定土壤含盐量(SS)；土壤样品在恒温干燥箱中以105℃烘至恒量,由土壤质量变化计算土壤含水量(WC)；全磷(TP)参考林业行业标准《森林土壤磷的测定》LY/T 1232—2015 NaOH熔融—钼锑抗比色法；全钾(TK)参考《森林土壤钾的测定》LY/T 1234—2015 NaOH熔融—火焰光度法。采用硫酸—加速剂消解,凯氏法测定土壤全氮(TN)含量；土壤有机质(SOC)采用重铬酸钾外源加热法测定[20]。

1.4 数据处理

SPSS 22.0软件对数据进行整理和统计分析。K-S法检验原始数据是否符合正态分布,如不符合则对其进行转换。单因素方差分析计算不同土地利用方式对土壤养分的影响,若数据方差不齐,则进行多重比较检验。同时,利用Pearson土壤养分间的指标进行相关性分析[21]。用ArcGIS将研究区内133个样点点位图数字化,生成用于地统计学分析的样点分布图,然后将相应样点的土壤养分数据输入到计算机形成与样点地理坐标匹配的属性数据[22]。土壤理化指标全局趋势特征运用ArcGIS软件的地统计分析模块。用反距离加权插值法(inverse distance weighted, IDW)作出土壤各养分的空间变异规律,展示各养分指标的平面分布效果。

IDW主要通过对邻近区域每个采样点间的距离为权重进行加权平均[23]。设平面上分布一系列离散点,已知其坐标和值为Xi,Yi,Zi,(i=1,2,…,n),根据周围离散点的值,通过距离加权值求Z点值,则

2 结果与分析

2.1 容城县土壤各指标及养分含量的特征分析

雄安新区—容城县133个样点中,土壤TN、SOM和TK服从正态分布,TP、WC、EC、SS和pH经自然对数转换后服从正态分布(表1)。根据全国第二次土壤普查标准[24],对容城县土壤养分指标进行级别划分。研究区表层SOM平均含量处于四级(中下等级)水平,土壤TN平均含量处于三级(中上等级)水平,土壤TP平均含量处于四级(中下等级)水平,土壤TK平均含量处于四级(中下等级)水平。

表1 容城县土壤性状统计特征

2.2 不同土地利用方式下土壤理化指标的分布特征

2.2.1土地利用方式对土壤pH和SOM含量的影响

雄安新区—容城县表层土壤pH值变幅为5.07—7.79,平均值为7.18(表1)。不同用地类型土壤pH值存在显著差异(P<0.01)(表2),表现为内陆滩涂>林地>耕地>公园与绿地,公园与绿地土壤pH值显著小于其他3种用地类型。

表2 不同土地利用类型土壤理化指标特征(平均值±标准差)

研究区表层SOM含量变幅为5.21—29.76 g/kg,平均值为17.22 g/kg。不同土地利用类型SOM含量差异显著(P<0.01),耕地>公园与绿地>林地>内陆滩涂,耕地和公园与绿地SOM含量明显高于内陆滩涂,耕地、公园与绿地和林地间无显著差异。

2.2.2土地利用方式对土壤N、P、K含量的影响

雄安新区—容城县表层土壤的TN含量变幅为0.34—1.70 g/kg,平均值为1.01 g/kg。不同土地利用类型土壤TN含量差异显著(P<0.01),耕地≈公园与绿地>林地>内陆滩涂,其中耕地、公园与绿地和林地表层土壤TN含量相近。研究区土壤表层TP含量范围变幅为0.26—1.46 g/kg,平均值为0.58 g/kg。不同土地利用类型的TP差异显著(P<0.01),耕地>公园与绿地>内陆滩涂>林地,林地土壤TP含量显著低于其他3种土地类型,耕地、公园与绿地之间土壤TP含量无显著差异。容城地区公园与绿地、耕地、林地、内陆滩涂土壤表层TK平均含量分别为15.18、14.25、15.28和15.35 g/kg(表1),均达到四级水平且各用地类型无显著差异(P>0.05)。

2.2.3土地利用方式对土壤WC、SS、EC的影响

雄安新区—容城县土壤表层SS为内陆滩涂>耕地>林地>公园与绿地,内陆滩涂土壤SS与耕地、林地及公园与绿地存在显著差异(P<0.01),而其他3种土地类型间无显著差异。表层土壤WC为内陆滩涂>公园与绿地>林地>耕地,内陆滩涂土壤WC明显高于其他3种土地利用类型,公园与绿地土壤WC显著高于耕地(P<0.01),而林地与耕地和公园与绿地间无差异。容城地区内陆滩涂表层土壤EC极显著高于其他3种土地类型,耕地、林地、公园与绿地之间EC并无显著差异(表2)。

2.3 不同土地利用方式下土壤理化指标的变异

将雄安新区—容城县表层土样的8项理化指标分别进行算数平均,作为研究区土壤性质的平均状况(表1)。结果表明,容城县土壤各指标丰缺程度不一,差异较大(表3)。SOM、TN、TP、TK、WC、SS、EC和pH值的平均含量分别17.22 g/kg、1.01 g/kg、0.58 g/kg、14.49 g/kg、10.27 g/kg、0.10 g/L、0.16 ms/cm、7.18。变异系数(C.V.)作为土壤特性空间变异的一个统计量,可区别不同土壤理化指标抵抗外界条件的敏感性。通常认为C.V.≤10%为弱变异性,C.V.在10%—100%为中等变异性,C.V. ≥100%为强变异性[25]。根据这一标准,容城县0—20 cm SS属强变异性,表明研究区多数土壤SS受外界干扰比较显著。土壤中SOM、TN、TP、TK、WC和EC均属中等变异性,pH的变异系数为6.40%,空间变异性最小。

表3 不同土地利用方式下土壤理化指标的变异系数

2.4 不同土地利用方式土壤理化指标间的相关性

对雄安新区—容城县不同土地类型表层土壤理化指标进行相关分析(表4)发现,研究区土壤pH值与TN、TK含量呈负相关,但与SS呈显著正相关(P<0.01)。SOM、TN、TP含量呈显著正相关(P<0.01),SOM和TN含量间的相关系数达到0.872,表明容城地区内表层土壤TN与SOM的积累有高度同步性。TN含量和TP含量呈显著正相关(P<0.01),可能是因为人工在使用以氮为主的复合肥时会混合一定量的磷。新区表层土壤WC、SS和EC呈显著正相关(P<0.01)。SOM、TP和TN含量均与WC呈负相关,TK与WC呈显著正相关(P<0.05)。

表4 土壤理化指标的相关系数

2.5 土壤各指标区域趋势特征及空间分布

对雄安新区—容城县表层土壤8项指标数据进行全局趋势分析(图2),研究区各性状指标值的含量多少作为散点图投影到X,Z平面和Y,Z平面上。X轴表示正东方向,Y轴表示正北方向,Z轴表示实测值的大小,每个方向可用一个多项式来拟合,如拟合曲线为直线,说明无趋势效应；若为确定的曲线,则存在某种趋势效应[26]。研究区表层土壤各指标理化特性均存在二阶趋势,土壤指标中部区域变化相对南北变化更为明显。

图2 容城县土壤性状含量趋势Fig.2 The trend of soil properties content in Rongcheng County

IDW分析理化性状含量的空间分布(图3)。雄安新区—容城地区土壤pH分布表现出“中间低,两端高”,中部土壤偏酸性,西部土壤为中性,东部土壤整体呈弱碱性。土壤TN、SOM和TP空间分布状况类似,具有极高的相关性,表现为东部偏少,西部稍丰,但TK含量空间分布较为均匀。容城县表层土壤WC、SS和EC空间分布相似,呈现斑块状特点。高值区主要分布在西南、正北和东南部,这与内陆滩涂在全域的分布位置相关。土壤机械组成是土壤一项重要的属性,直接关系着土壤的松紧程度、孔隙数量,从而影响着土壤通气、透水及土壤环境背景值、能量转化等性能,反映了土壤不同粒级的组成情况。测定容城地区133个土样质地并求其均值。粒径在0.05—0.01 mm的占总含量31.65%,粒径在0.01—0.005 mm的占总含量7.59%,粒径在0.005—0.001 mm的占总含量9.56%,粒径<0.001 mm的占总含量10.73%。根据卡钦斯基制检测,土壤的机械组成平均粒径在<0.01 mm占总含量27.88%,物理性砂粒>0.01 mm占72.12%,因此,雄安新区—容城地区表层土属轻壤土。

图3 容城县土壤性状含量分布图Fig.3 Distribution of soil properties in Rongcheng County

3 讨论

土壤生态受多种因素影响,土壤特性是影响土壤生态的最重要因素之一[27]。SOM作为土壤肥力的重要指标,既可直接为作物提供养分,也可改善土壤的理化状况,在耕地质量、环境保护和农业可持续发展方面均有至关重要的作用[28]。不同土地利用方式对SOM含量的影响很大。本研究中,不同土地利用方式下土壤SOM含量有显著差异(P<0.01)。耕地SOM含量最高,与秦富仓等[2],姚喜军等[19]的研究结果相似。土壤SOM含量受人为投入影响很大,本研究区耕地、公园与绿地受到不同程度的人工管理,不断培养土地肥力,改善土地SOM含量,而主要以人工林为主的林地,植被覆盖大,地表有较为丰度的凋落物残体,经分解能产生多种腐殖质,补充土壤碳库,提高SOM含量[29- 30]。本研究区的内陆滩涂大多为无人管理的滩地,无额外的外界有机质投入,且大部分滩地土壤呈碱性,有机质易被碱溶解而流失,因此有机质含量较低[31]。土壤酸碱度是土壤的一项重要化学性质,直接影响土壤中各种养分元素的存在形式和对植物的有效性,因此了解土壤养分特征应首要了解土壤pH值情况[32]。土壤pH值在不同土地利用方式上的表现结果与有机质含量基本相反。耕地、公园与绿地土壤pH相对较低,受经济或观赏效益的原因,人们为提高农作物产量、美化公园绿地、防治病虫害或自然灾害,大量使用化肥和农药,尤其是生理酸性肥料和半腐熟性化肥的使用,导致土壤呈现酸化趋势,pH值有所下降[24]。

N是土壤养分最重要的指标之一[33]。土壤中N素含量受自然因素(气候、地型及植被类型)和农业措施(施肥、耕作)的影响,其含量一直处于动态变化中[20]。4种用地类型中TN含量存在显著差异(P<0.01),其结果趋势与SOM含量趋势基本一致,是因为氮素损失机制与碳素损失过程相近,且土壤N的95%源自于土壤SOM[34]。管理方式及外源N肥等物质的加入,使得耕地、公园绿地TN最高,无人管理的滩涂TN最低。P是一种沉积性矿物,主要受土壤母质、气候和植被等影响[35],土壤P元素是土壤肥力的启动因素,只有当土壤中的P素达到一定含量时,施用其他肥料才能达到增产效果[25]。本研究发现,耕地的TP含量高于其他3种用地类型,与高君亮[13]等的研究结果一致,这与耕作施肥和其他人工干扰活动等密切相关。林地TP含量显著低于其他3种土地类型,是由于人工林地植物比其他植物拥有更多的吸收P素的能力,致使林地土壤TP含量较低[20]。

土壤TK是土壤中不同形态K素的总和,主要由母质释放,并被植株吸收利用。TK含量在本研究区不同土地利用方式上差别不大,与TK含量受土壤特性影响较小有关,整体变化较弱[36]。在不同土壤利用方式中,内陆滩涂的WC、EC和SS明显高于其它用地类型(P<0.01)。被淀水冲刷过或距离淀水不远的河滩地,土壤含水量较充足,土壤电导率、盐离子含量较高。城市与绿地和耕地各土壤理化性状差别较小,其中TN含量两者平均值近似相等,是因为新区中公园与绿地的部分采样区域由原来耕地改建,地下养分积累时间较长而退耕年限较短,土壤部分性状与耕地相近。

土壤性状的影响因素多种多样,自然和人为影响都会对土层养分含量造成不同的变异。本研究区不同土地利用类型各理化指标差异显著,其中表层土壤SS、WC和EC相对于其他土壤养分空间变异性较高,表明土壤物理性状比养分性状更易受到外界影响,而养分性状中TK的变异系数最小,受外界干扰最小[12]。土壤pH值是所有土壤理化性质中变异范围最小的,与土壤的缓冲能力和自我调节能力相关[31]。对土壤养分间的Pearson相关系数分析发现(表4),丰富的SOM含量与施加N肥含量具有高度同步性。TN含量和TP含量呈显著正相关(P<0.01),可能是人工在使用以N为主的复合肥时会混合一定量的P[10]。SOM、TN和TP含量均与土壤WC呈负相关,表明土壤微环境水分越高,土壤N、P和SOM越易被淋失、分解。土壤SS、WC和EC三者呈正相关,可见,经水分淋溶分解后的SOM、TN、TP等可能在转化过程中产生大量的导电盐离子,增强土壤导电率,最终提高土壤盐分等含量。

全局趋势反应了土壤性状在空间区域上变化的主体特征,揭示了理化性状空间的总体规律。不同土地利用方式导致容城县土壤各指标均有趋势效应,且南北变化明显。经空间插值分析,容城县各土壤养分分布差异显著,因此在雄安新区—容城县的施肥过程中,应适量增添东部地区无机氮肥投入,减少西部投入情况,在提升研究区土壤肥力时,降低地表径流氮素流失量,有效减弱环境污染,改善新区生态质量。

掌握土壤理化指标的空间分布规律,精准施肥,是恢复植被生态的关键[37]。土壤养分有连续改变和累积的特点,随着时间和环境的变化,土壤养分空间分布可能会出现更为复杂的规律性,因此将进行更为细致、深度、连续性的研究,这对区域生态的发展影响重大。研究区范围广阔,自然因素、社会经济因素等较为复杂,因此对土壤特性的空间变异和影响因素研究仍需深入。

4 结论

本文首次系统研究了雄安新区建设起步区—容城县不同土地利用方式下土壤性状的空间分布规律。研究区表层土壤以中性轻壤土为主,TN含量处于中上等级,SOM、TP和TK含量处于中下等级,单项养分因子均值分别达到全国第二次土壤普查的三级、四级、四级和四级水平。在相关政策、施肥用量、人工管理及植被覆盖等因素的共同作用下,容城县耕地、公园与绿地、林地和内陆滩涂4种土地利用类型各理化性状差异显著(P<0.01)。不同用地类型中,耕地土壤养分状况最佳,土壤TN、TP和SOM含量最高。公园与绿地土壤性状与耕地相近,林地土壤除TP含量明显低于其他用地类型外,其他性状均处于中等水平,内陆滩涂土壤养分含量最少但pH值、SS、WC和EC最高。不同土地利用方式下SS属强变异,pH值属弱变异,其他指标均为中等变异。各指标相关性较强,土壤TN和SOM含量积累高度同步。经空间插值和全局趋势分析作出容城县不同土地利用方式下表层土壤性状变化图,为雄安新区土地利用和生态环境建设提供了重要的科学依据。