东江中下游流域森林土壤磷空间分布特征*

李莹莹 齐 也 康 剑,2 曲 仡卓桂珠 何超银 王 洋 张中瑞

（1.广东省森林培育与保护利用重点实验室/广东省林业科学研究院，广东 广州 510520；2.中国科学院华南植物园，广东广州 510650）

森林土壤肥力状况直接关系到林木的生长和健康，对森林生态系统恢复和可持续经营具有重要影响。其中磷是林木生长所必需的营养元素，是森林土壤营养状况的指示剂[1-2]。若土壤中缺少磷，不仅会影响植物的正常生产，还会阻碍其他养分的吸收[3-4]。了解东江中下游流域森林土壤中磷的空间分布特征，揭示土壤磷含量在水平及垂直方向上的空间分布特征，可为东江中下游流域合理利用森林土壤资源、科学施肥和生态修复等提供科学的理论依据。

土壤的性质在空间上通常是连续变化的，其空间变化可以用变异函数来量化[5]。空间插值法则是使用变异函数来确定计算平均值时应用于数据的权重，通过已知点的空间信息对未知点的空间特征进行估计的一种制图方法[6]。张铁婵等[7]采用三种常用的空间插值法对5 种土壤养分元素进行空间插值，插值结果表明在采样点密度大的地区，插值精度理想。空间插值法因其操作过程简单且运算速度迅速的优势在至今的土壤制图工作当中仍然具有举足轻重的地位。

本研究主要以东江中下游森林土壤地区192个土壤样点的磷实测值为基础，在ArcGIS 10.7 中采用克里金空间插值模块生产区域内的磷空间分布图，摸清东江中下游的森林土壤磷空间分布格局，为研究土壤退化、生物多样性缺失、气候变化和制定土地管理计划等提供重要依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

珠江是我国南方最大的河流，是中国第二大和第四长的河流；东江是珠江流域三大水系之一。研究区域主要位于东江中下游地区，位于广东省中南部，主要涉及惠州市惠城区、博罗县、惠东县以及龙门县。研究区内雨量充沛，阳光充足，气候温和，属亚热带季风湿润气候区，具有明显的干湿季节。研究区土地利用类型以林地为主，其中常绿阔叶林植被占据主要面积；土壤类型主要以黄壤为主，在亚热带气候环境下，岩石风化作用强烈，残积、冲积形成土层厚度较大，博罗罗浮山有山地草甸土分布，且表层土壤钾、磷含量较高，潜在肥力较好。

1.2 土壤样点调查、采样方法及指标测定

图1 东江中下游流域森林土壤样点布设Fig. 1 Layout of forest soil samples in the Dongjiang River Basin

基于林地的代表性和土壤样点数据的适用性和可获取性，采样方法主要结合了专题布点与随机布点两种方法[8]，2021 年7 月，依据土壤属性空间分布预测模型质量要求，在东江中下游流域最终选取192 个采样点，主要分布于惠城区、博罗县、惠东县以及龙门县。选择植被、地形条件(坡向、坡位等)具有代表性的地点作为剖面点，为保证土壤调查结果科学可靠，在每个样点周边选择具有代表性的地带挖掘3 个剖面，剖面水平间距不小于 10 m。取样时每个剖面分D1（0～20 cm）、D2（20～40 cm）、D3（40～60 cm）、D4（60～80 cm），共4 层由下至上分别分层取样，每个样品重不少于500 g；将采集后的样品进行密封保存，带回实验室后进行自然风干，研磨筛选后制样，后参照《森林土壤磷的测定》LY/T1232—2015进行测定[9-11]。

1.3 研究方法

在克里金空间插值法中普通克里金插值法是最为常见的用于预测连续性数据的一种插值方法。普通克里金插值法主要是将已知点的实测属性加权值来代表未知点属性值（预测值），且用广义最小二乘法进行无偏和最优估计得到最优的权重值。在ArcGIS 的地统计向导模块中可实现普通克里金插值法的流程化操作，其原理首先是计算已知点（样点）之间的半变异函数，其次寻求最合适的拟合函数，最后用最优拟合函数进行预测。

1.4 数据处理及制图

采用Excel 2019 对数据进行初步整理计算，并用R 软件进行可视化；采用SPSS 26.0 软件对森林土壤磷的实测值进行描述性统计、相关性分析等；最后采用ArcGIS 10.7 软件绘制空间分布图。

2 结果与分析

2.1 不同土层森林土壤磷含量描述性统计

研究区的土壤样本数据情况如表1 所示，并用R 软件的工具包可视化样点数据如图2 所示。由表1 和图2 可知，磷含量的平均水平随着土壤深度在下降，平均水平最高的土层（D1）比平均水平最低的土层（D4）高出58 mg/kg。且磷在D1 土层的变化最大，最大值和最小值之间相差5 304.14 mg/kg。从标准差来看，D1 土层的土壤样点的磷含量数据最为离散，图2 的箱线图也直观的展现出D1 土层的磷样点含量最为离散分布。根据表1 的峰度和偏度值以及图2 的箱线图显示，4个土层均呈现偏正态分布。另外，图2 箱线图显示，D1 土层与D3 土层之间土壤磷的含量存在显著差异，其余各土层之间的磷含量均不存在显著差异。

图2 东江中下游流域森林土壤磷含量箱线图Fig. 2 Box line diagram of phosphorus content in forest soil in the middle and lower reaches of Dongjiang River

表1 东江中下游流域森林土壤磷含量描述性统计Table 1 Descriptive statistics of phosphorus content of forest soils in the middle and lower reaches of the Dongjiang River

对比全国第二次土壤调查的养分分级标准可知[9]，东江中下游流域森林土壤磷平均水平处于Ⅴ级水平（表2）。

表2 土壤养分分级标准[9] mg/kgTable 2 Soil nutrient grading standards

2.2 不同土层森林土壤磷含量空间分布

东江中下游流域森林土壤4 个土层磷含量的空间分布状况如图3 所示。从水平方向上看，D1～D4 土层土壤磷含量的空间分布整体上均呈现西部和南部高东部低的变化趋势，其中东部有局部地区的磷含量也较高。D1 土层西部较高的磷含量主要处于274.58～424.94 mg/kg 之间，东部较低的磷含量主要处于112.68～201.36 mg/kg 之间；D2 土层西部较高的磷含量主要处于209.01～479.68 mg/kg 之间，东部较低的磷含量主要处于105.87～154.39 mg/kg 之间；D3 土层西部较高的磷含量主要处于217.15～430.12 mg/kg 之间，东部较低的磷含量主要处于103.36～155.92 mg/kg 之间；D4 土层西部较高的磷含量主要处于191.97～359.31 mg/kg 之间，东部较低的磷含量主要处于95.68～191.97 mg/kg 之间。从垂直方向上看，D1～D4 土层土壤磷含量整体上呈现出逐渐递减的变化趋势。

图3 东江中下游流域不同土层森林土壤磷含量空间分布Fig.3 Spatial distribution map of forest soil phosphorus content in different soil layers in the middle and lower reaches of the Dongjiang River

3 结论与讨论

东江中下游流域森林土壤磷含量平均水平属于Ⅴ级水平，可能是磷作为植被生长的限制性因素，由于林木生长旺盛磷含量消耗较大，也有可能是因为在部分林区，林业管理者没有施足够的磷肥。在水平方向上，D1-D4 共4 个土层磷含量的空间格局呈现西高东低的趋势，其中东部有局部地区的磷含量较高。在垂直方向上，由上至下的土层磷含量整体上表现为逐渐下降，与前人研究结果一致[10]，随着土层深度的增加，深层土壤受到生物的作用影响较小，因此含量普遍较低。

在本研究中虽然基于较密集的样本数据用空间插值法得到了较传统土壤调查更为精确的土壤磷分布图，更能表示土壤的连续性，但该方法没有考虑到土壤发生过程，并且假设空间自相关，这在土壤形成因素发生突变的复杂地形区不是一个很好的制图方法[11]。并且，其精度过分依赖采样点的密度、原始数据点的分布以及测量数据的质量[12]。因此，如果在一个大范围或地形复杂的研究区域内难以收集到密集型的样本数据，这种制图方法就不适用[12-14]。要解决这些问题需要更先进的土壤理论和地理信息技术。因此，今后的研究中可采用更适合的预测模型以及能够反映土壤和植被条件的预测变量，提高土壤制图精度。