小流域入庫河口土壤養分水平空間變異及綜合評價

摘要：以丹江口水庫青塘河小流域入庫河口37.8 hm2面積的土地為研究對象，利用SPSS 19、ArcGIS10.0及GS+9.0軟件研究該區域8種土壤養分的具體空間變異與分布。結果表明，有機質、全磷、全鉀、全氮超過95%面積的土壤處于中等及以下水平；從速效養分來看，堿解氮含量較低，速效磷和速效鉀含量相對較高，基本處于中等及以上水平；對土壤養分綜合指標分析結果顯示，貧瘠土壤占整個研究區域面積的70%以上。通過對土壤養分綜合狀況分析，為庫區植被恢復關鍵技術的研究提供了數據支撐。

關鍵詞：土壤養分；空間變異；地統計分析；克里格插值

中圖分類號：S158.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）21-5524-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.020

Horizontal Spatial Variability and Integrated Evaluation of Soil Nutrients

in River Estuary of Small Watershed

WANG Hua1，LI Ya-han2

（1.Dongfang College，Zhejiang University of Finance Economics，Jiaxing 314000，Zhejiang，China；

2.Hangzhou Design Institute of Water Conservancy and Hydropower Co.，Ltd.，Hangzhou 310006，China）

Abstract：The estuary of Qingtanghe river watershed of Danjiangkou Reservoir was selected as the research region，whose area is 37.8 hm2. The spatial variability and distribution of the soil nutrients in this area were analyzed by using SPSS19.0，ArcGIS10.0 and GS+9.0. The results showed that，the contents of organic matter，TP，TK and TN in more than 95% areas were at the middle or lower level. From the available nutrients，available P and available K were higher than alkaline N，all at the middle or higher level. The results of comprehensive index analysis showed that the barren soil accounted for more than 70% of the total area in the research region. Based on the comprehensive analysis of soil nutrients，the data support for the research of the key technologies of the vegetation restoration in the reservoir area was provided.

Key words： soil nutrient； spatial variation； geo-statistical analyst； Kriging interpolation

丹江口水庫是全國最大的飲用水源保護地，其安全性對南水北調工程至關重要，要想從根本上保證南水北調中線水源區的水質安全，必須切實加強水源區的生態環境保護。由于丹江口大壩加高工程的影響，形成了新的水陸交錯帶，使水源地生態環境安全保障成為流域治理亟待解決的首要問題。入庫河口是控制外源污染進入水庫的最后一道屏障[1]，其植被發揮著攔截污染、吸收水體中營養物、固定岸坡的作用，是影響庫區生態環境構建、保障水質安全的關鍵因素。

土壤是植被賴以生存的基礎，土壤養分作為土壤肥力的重要屬性，其含量的高低直接影響植被的生存狀況，正確理解土壤養分的空間變異是優化土壤管理、指導植被恢復的關鍵。本研究以丹江口庫區青塘河小流域入庫河口的土壤作為研究對象，利用地統計學與地理信息系統（GIS）相結合的方法分析研究區內土壤養分的空間變異與空間分布特征，以此揭示土壤養分的空間變異規律。

1 材料與方法

1.1 流域概況

青塘河小流域位于湖北省丹江口市習家店鎮，水系發源于海拔300～500 m的丘陵山地，系漢江河的一級小支流，從北向南匯入丹江口水庫，在庫區很有代表性，土地總面積約32.29 km2，其中研究區面積37.8 hm2。青塘河小流域屬北亞熱帶半濕潤季風氣候，境內年均降水量797.6 mm，降雨主要集中在汛期，降雨強度大、集中，徑流匯集時間短；小流域內土壤類型主要有黃棕壤、石灰土和紫色土；用材林主要以柏樹為主，灌木林主要有楊類、刺槐、紫穗槐等。

1.2 樣品采集和分析

采用GPS定位技術，根據采樣點距離水庫岸邊的距離，在青塘河主泓道兩側進行定點采樣，采集不同植被覆蓋下土壤表層0～20 cm的土壤，在樣點附近再取3～5個點，以幾個點的混合土樣作為該點的樣本，共采集土壤樣本31個，記錄每個采樣點的坐標與高程，加標簽后帶回實驗室。

將所采集的土壤樣本分別平攤在牛皮紙上于室內風干，揀出樣品內的石子、樹根、雜草等，磨碎過20目（0.9 mm）和100目（0.149 mm）孔篩，分裝于自封袋中，貼上標簽，用于測定土壤養分含量，每組3個重復。土壤養分分析方法見表1。

1.3 數據處理

為了保證數據分析的精確度，采用格拉布斯準則對異常值進行剔除處理。

以青塘河流域現有的DEM圖為基礎，在ArcGIS 10.0軟件下，裁剪出所需要的區域作為研究區。將GPS定位的樣點坐標及實驗數據輸入Excel表，導入ArcGIS生成點文件，而后轉.shp文件，進行投影轉換，生成以m為單位的平面坐標。采用GS+軟件對土壤養分數據進行半方差分析，并在Arcgis10.0中利用Geostatistic analysis模塊Kriging法進行插值。

2 結果與分析

2.1 土壤養分含量統計分析

利用IBM SPSS Statistics 19對研究區31個樣點土壤的實測數據進行常規統計分析，統計指標包括最大值、最小值、中值、均值、方差、標準差與變異系數[2]，結果見表2。

按照變異系數（CV）的大小劃分等級：弱變異性CV<10%，中等變異性10%100%強變異性[3]。從表2可知，土壤pH的變化范圍較小，變異系數為3.7%，屬弱變異性。土壤各養分屬性均存在一定的梯度變化，變異系數的變化范圍為22.9%～97.9%，均位于10%～100%之間，屬于中等強度變異，變異程度從大到小的順序為速效磷、速效鉀、有機質、堿解氮、全鉀、全氮、全磷，其中速效磷變化范圍較大，變異系數也最大，接近100%，達到強變異，說明速效磷屬性值存在較大的波動，受個別極大值干擾作用強烈。

2.2 土壤養分相關性分析

相關系數|r|≥0.8，表示兩變量之間具有較強的線性相關關系；|r|≤0.3，表示兩變量之間的線性關系較弱[4，5]。利用SPSS軟件對土壤養分各個指標之間的相關性進行分析，結果見表3。從表3可知，pH與各個養分指標均呈負相關，表明隨著土壤酸性的增強，土壤養分的有效性得到提高；各個養分指標之間均存在不同程度的正相關關系，其中有機質與全氮、堿解氮呈顯著正相關，表明有機質的積累與分解速率對土壤全氮及堿解氮的分布有重要影響，其他養分指標之間呈中等水平相關。

2.3 土壤養分半方差分析

變異函數的計算要求數據符合正態分布規律。檢驗結果顯示，全磷、全鉀、有機質屬于或者接近正態分布，堿解氮、全氮、速效鉀、速效磷經對數轉換后均呈正態分布，研究區內各個養分屬性數據已滿足了地統計分析的假設條件。

總體來看，全磷、速效磷、速效鉀、全氮、堿解氮的塊金值都較小，這說明在最小間距內的變異分析過程中引起的誤差較小[6]。按照區域化變量空間相關性程度的分級標準，土壤養分的空間變異程度可用塊金值與基臺值比值（塊金效應）的大小來劃分，7種養分的塊金效應在25%～75%范圍之間，屬于中等的空間相關性，說明這些土壤屬性的空間變化是結構性因素（如土壤母質、地形、氣候等非人為因素）和隨機性因素（施肥、作物、管理水平等人為措施）共同作用的結果。

2.4 土壤養分空間插值分析

根據半方差函數模型，借助ArcGIS 10.0地統計模塊普通Kriging插值法對研究區內的各個養分指標進行最優內插分析，繪制各個土壤養分含量空間分布插值預測圖（圖1），用以對各土壤養分在研究區域的空間分布特征、變異情況及影響因素進行具體分析。根據全國第二次土壤普查土壤養分分布標準，利用ArcGIS重分類功能對不同土壤屬性不同等級的面積進行統計，結果見表4。從表4可知，在7種養分中，有機質、全磷、全鉀、全氮、堿解氮處于中等及以下水平的土壤所占的面積達95%，尤其是全磷和全鉀，大部分區域含量處于中等及較貧瘠水平，速效磷和速效鉀含量相對較高，大部分區域超過中等水平，其中速效鉀接近50%的區域達到極豐富水平。

3 土壤養分綜合評價

空間變異圖能夠很好地反映土壤要素含量的空間分布和變異特征，但不能充分反映各類土壤要素的綜合信息[7]。為此，本研究利用SPSS19.0軟件對研究區土壤要素指標進行主成分分析，在此基礎上對土壤綜合狀況進行評價。

在主成分分析中，根據特征值>1來確定主成分。由表5可知，可選取前2個作為主成分。前2個因子對于總方差的累計貢獻率達85.711%，即把全部土壤肥力指標信息的85.711%反映出來，較好地反映了土壤養分的綜合狀況。

通過主成分分析，最終得到各個土壤養分綜合指數的計算公式。

NFI=Wi×Q（xi） （1）

式中，NFI表示土壤養分的綜合指標；Wi表示各肥力因子的權重向量；Q（xi）表示各肥力因子的隸屬度值。

經檢驗，土壤養分綜合指標值呈正態分布，半方差理論模型可以用指數模型擬合，土壤NFI的塊金效應為25%，說明土壤養分條件的空間變異不僅受結構性因子如氣候、地形地貌、土壤母質、土壤類型等自然因素的影響，同時也受隨機性因素如施肥、耕作措施、種植制度等人類活動的影響。

在獲得半方差模型后，結合半方差分析獲取的參數，利用ArcGIS的Geostatistical Analyst模塊對土壤養分綜合指標值進行普通克里格插值，并繪制空間分布圖（圖2）。

總體來看，在整個研究區域內，綜合土壤養分狀況集中在貧瘠和中等水平，利用ArcGIS的重分類功能對柵格圖像中不同等級土壤面積進行統計可知，土壤養分處于中等水平（0.4～0.6）的面積約占25.44%，其余區域土壤養分處于貧瘠范圍（0.2～0.4），面積達74.56%。

4 小結與討論

對研究區土壤養分空間變異的研究結果表明，基于GIS與地統計學方法能夠很好地反映土壤養分的空間變異規律。有機質、全磷、全氮和堿解氮4種土壤養分含量在大部分區域處于中等及較貧瘠的水平；全磷含量處于中等及以下水平，速效磷處于中等及以上水平；全鉀和速效鉀含量在中部偏東處于最高值，全鉀含量處于較貧瘠及以下水平的區域占95%以上，速效鉀含量在中等及以上水平。

土壤水分是影響水土流失過程、植被生長和植被恢復的關鍵因子，建議今后對于恢復植被的相關研究將水土兩個因子結合起來，系統地全面地分析土壤的水肥條件對植被的限制作用，以便更有效地指導研究區的植被重建。

參考文獻：

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[7] 黃紹文，金繼運.鄉（鎮）級區域土壤養分空間變異與分區管理技術研究[J].資源科學，2002，24（2）：76-82.