渝西北土壤有機質空間變異及影響因素分析

鮑麗然，周 皎，李 瑜，賈中民

(重慶市地質礦產勘查開發(fā)局川東南地質大隊，重慶 400038)

渝西北土壤有機質空間變異及影響因素分析

鮑麗然，周 皎，李 瑜，賈中民

(重慶市地質礦產勘查開發(fā)局川東南地質大隊，重慶 400038)

【目的】深入認識重慶西北部丘陵區(qū)土壤有機質空間變異特征及影響因素，為農業(yè)生產、土地利用等提供科學依據(jù)?！痉椒ā坎捎玫亟y(tǒng)計學和GIS相結合的方法，進行有機質空間變異和基于土地利用類型修正的空間插值研究?！窘Y果】研究區(qū)土壤有機質平均含量為16.26 g/kg，屬中等偏下水平；變異系數(shù)為33.8 %，存在中等程度的空間變異性；土壤有機質空間分布呈現(xiàn)中間高，兩端低的趨勢，合川區(qū)整體偏低?！窘Y論】土壤有機質具有中等空間自相關性，空間變異性受結構因素(地形坡度、土壤類型)和隨機因素(土地利用類型、耕作措施等)影響，土地利用類型是主控因素。

地統(tǒng)計學；土壤有機質；空間變異；影響因素

【研究意義】有機質是土壤的重要組成部分，包括各種動植物的殘體、微生物體及其分解和合成的各種有機質。土壤有機質在耕地養(yǎng)分管理、農業(yè)發(fā)展等方面具有重要意義，是土壤學、農學和地球化學研究的重點問題之一[1-2]。查明土壤有機質的空間變異特征及其影響因素，有助于制定合理的作物種植規(guī)劃及農田配方施肥，促進耕地的高效利用，保障農業(yè)可持續(xù)發(fā)展[3]。【前人研究進展】土壤有機質空間變異的研究始于20世紀70年代[4]，隨著GIS技術的發(fā)展，80年代后多位學者相繼運用地統(tǒng)計學結合GIS方法，探討了農田土壤有機質空間變異特征[5-7]，如Moorman等[6]對包括土壤有機質在內的多種養(yǎng)分進行了空間變異研究，Mishra等[7]曾針對紅壤地區(qū)的有機質和土壤酸堿度展開空間變異特征分析。近年，國內學者對土壤有機質空間變異性在農田尺度、區(qū)域尺度上展開了大量研究，研究區(qū)涉及平原區(qū)、干旱荒漠區(qū)、丘陵區(qū)、典型喀斯特區(qū)、高原流域、山區(qū)小流域、城市近郊等[8-13]，主要探討了自然因素(地形地貌、氣候和土壤類型等)和人為因素(土地利用和耕作方式等)對有機質空間變異的影響。【本研究切入點】2003年以來，重慶市多目標區(qū)域地球化學調查獲得了大量高精度土壤有機質數(shù)據(jù)，為研究其空間變異特征提供了基礎。渝西北地區(qū)地勢平緩、土壤肥沃，耕地廣泛分布，農業(yè)是該區(qū)最重要的經濟支柱，因此土壤有機質的分布特征至關重要?！緮M解決的關鍵問題】基于GIS操作平臺，研究了重慶西部丘陵區(qū)土壤有機質空間變異特征及影響因素，為全面、準確掌握該區(qū)土壤有機質空間變異規(guī)律，更好的進行農業(yè)生產活動、合理規(guī)劃土地利用等提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市西北部，地理坐標為東經105°17′ ～ 106°39′，北緯29°15′ ～ 30°26′，總面積約7130 km2(圖1)。地勢起伏變化不大，海拔一般為200 ～ 500 m，廣大平緩淺丘遍布全區(qū)。研究區(qū)出露地層主要為侏羅系沙溪廟組、遂寧組和蓬萊鎮(zhèn)組，其次為三疊系須家河組，第四系零星分布于山間河谷地區(qū)。礦產有煤、天青石、石灰?guī)r、鹽和天然氣等。土地利用類型以耕地為主，占土地總面積的60.1 %。土壤類型主要為廣大丘陵區(qū)的紫色土和水稻土，其次為黃壤、石灰土。該區(qū)屬亞熱帶季風氣候，氣候溫和，雨量充沛，年均降雨量1022 mm。區(qū)內分布嘉陵江水系和沱江水系兩大長江一級支流，嘉陵江水系包括渠江、瓊江和涪江等，沱江水系包括瀨溪河及其支流。糧食作物主要為水稻、玉米、油菜、大豆、薯類，建有大型果蔬基地，是重慶市重要的糧油果蔬生產基地。

1.2 樣品采集與測試

按照1件/km2的密度采集0 ～ 20 cm表層土壤，樣點布設以代表性為主要原則，同時兼顧均勻性和合理性，最大限度控制調查面積。采樣時除去地表雜物，樣品加工處理后重量不低于800 g。將大格內(4 km2)樣品組合為一個分析樣，全區(qū)共采集表層土壤樣品7135件，組合分析樣1783件。

樣品分析測試按照DD2005-01《多目標區(qū)域地球化學調查規(guī)范》(1∶250000)[14]的相關要求，由安徽省地質實驗研究所完成。實驗室人員采用重鉻酸鉀容量法分析檢測，檢出限0.05 %，報出率100 %，合格率100 %。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS19.0軟件對土壤有機質進行經典描述性統(tǒng)計分析；依據(jù)峰度、偏度值和非參數(shù)檢驗的單樣本K-S值判別統(tǒng)計數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布；利用單因素方差分析F檢驗和回歸分析，分別判斷有機質含量差異顯著性和不同因素對土壤有機質的影響程度。

借助地統(tǒng)計學軟件GS+9.0進行半變異函數(shù)計算和模型擬合，結合專業(yè)知識分析土壤有機質的空間變異性及其影響因素。

圖1 地理位置Fig.1 Geographical position of the study area

指標Index樣本Samples含量范圍Contentrange中位數(shù)Median均值Mean標準差Std.dev.變異系數(shù)c.v.偏度Skewness峰度KurtosisK-S檢驗K-Stest土壤有機質(g/kg)17836.36～63.7115.5216.265.5033.833.2528.810.0對數(shù)轉換0.3941.540.165

基于Arcgis10.0的Geostatistic analysis模塊，采用Kriging法對土壤有機質殘差進行空間插值，運用柵格計算將土地利用圖層和殘差預測圖層相加，得到土壤有機質含量空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 土壤有機質經典統(tǒng)計分析

從一般的經典統(tǒng)計分析結果(表1)看，土壤有機質含量介于6.36 ～ 63.71 g/kg，平均值為16.26 g/kg，根據(jù)《土地質量地球化學評價規(guī)范》屬較缺乏水平[15]；變異系數(shù)33.8 %，揭示了有機質含量的離散程度，屬中等變異強度[16]。峰度值為28.8，較陡峭，并且K-S檢驗中P值為0，明顯不符合正態(tài)分布。經對數(shù)轉換后，偏度和峰度值分別為0.394和1.54，再經K-S檢驗表明符合正態(tài)分布(Pgt;0.05)，滿足地統(tǒng)計學分析的基本要求。

2.2 土壤有機質的空間變異結構特征

運用GS+9.0軟件對土壤有機質含量進行各向同性變異函數(shù)擬合(表2)，按照決定系數(shù)(R2)最大、殘差(RSS)最小的原則選擇最優(yōu)半方差函數(shù)擬合模型，最佳理論模型為指數(shù)模型。

空間變異主要包括隨機性和結構性兩部分變異。塊金值C0表示區(qū)域化變量內部隨機性的可能程度，由測量誤差和最小取樣間距內土壤性質的人為隨機因子(施肥、耕作措施、土地利用方式等)引起。結構方差C是由自然因素(地質背景、地形、土壤類型等)引起土壤性狀的結構變異[17]?；_值C0+C通常表示系統(tǒng)總變異，包括隨機變異和結構變異。塊金系數(shù)，即塊金值和基臺值之比C0/C0+C，表示空間異質性程度，比值高表明隨機因素引起的空間變異程度較大；相反，則結構性因素引起的空間變異程度較大[18]。C0/C0+Clt;25 %，說明系統(tǒng)具有強烈的空間相關性；25 %～ 75 %，說明系統(tǒng)具有中等空間相關性；C0/C0+Cgt;75 %，說明系統(tǒng)空間相關性弱[19]。變程反映在一定觀測尺度下，變量的空間自相關距離，只有變程以內的空間變量才具有空間自相關性。

研究區(qū)土壤有機質的塊金系數(shù)C0/C0+C為46.2 %，表現(xiàn)出中等空間相關性，說明結構性因素和人為隨機因素土壤有機質的空間變異影響作用相當。變程為184 km，說明土壤有機質在此空間范圍內存在空間自相關性。

2.3 土壤有機質空間變異影響因素分析

2.3.1 土地利用類型 不同土地利用類型下，人類對土地的使用、保護和改造活動不同，土壤有機質含量隨之產生了較大差別[20]。研究區(qū)土地利用主要為旱地和水田，其次為林地。林地土壤有機質平均含量最高(表3)，為23.82 g/kg，水田為17.15 g/kg，旱地只有14.72 g/kg，相當于水田的85 %；旱地的變異系數(shù)為0.35，是水田的1.24倍。研究區(qū)水田更易于土壤有機質的累積，且含量較穩(wěn)定，與許泉[21]等發(fā)現(xiàn)的不同土地利用類型下農田土壤有機碳密度區(qū)域差異規(guī)律相似。方差分析(表4)顯示，組間均方大于組內均方，表明組間差異大于組內差異，F(xiàn)檢驗結果(Plt;0.05)說明不同土地利用類型土壤有機質含量具有顯著性差異。

表2 土壤有機質空間變異的理論模型和相應參數(shù)

表3 不同土地利用類型土壤有機質含量

表4 不同土地利用類型土壤有機質含量方差分析

注：F檢驗Plt;0.05。

2.3.2 地形(海拔、坡度) 海拔、坡度等地形因子也會影響土壤有機質含量。高海拔區(qū)，人類活動較少，易于積累土壤有機質。坡度較大地區(qū)，強烈的水土流失會攜帶走大量的土壤有機質。

將研究區(qū)1073個樣點有機質含量和海拔高度進行相關分析，得出相關系數(shù)為0.170，兩者關系極弱，認為不相關[22]。進一步統(tǒng)計了不同海拔高度上各等級有機質含量百分比。由圖2可知，不同海拔高程帶上土壤有機質均以10 ～ 20 g/kg為主，占所在高程帶的80 %左右，其次為20 ～ 30 g/kg。隨著海拔高度的變化，土壤有機質沒有表現(xiàn)出較大的差異性。本區(qū)屬低緩丘陵區(qū)，不存在高山或洼地，地勢起伏、氣候差異較小，土地利用、人類耕作活動少受海拔影響。因此，海拔高度對土壤有機質的空間變異影響不明顯。

從地形的坡度因素考慮，根據(jù)各采樣點坡度信息，得到不同坡度范圍土壤有機質均值(表5)，土壤有機質的空間分布和坡度密切相關。坡度小于5°時，有機質含量最高，為19.77 g/kg；大于35°時，有機質含量最低，為12.23 g/kg；隨著坡度增大，土壤有機質含量呈逐漸降低趨勢。這與李婷等[23]對沱江流域中游土壤有機質含量與坡度關系研究結果相符，不同坡度土地利用類型和土地管理水平不同，低緩坡度土地利用主要為水田，比較高陡的坡度土地利用為旱地和林地。另一方面研究區(qū)屬紫色丘陵區(qū)，坡度大的區(qū)域水土流失較為嚴重，大量土壤有機質被攜帶流出。

圖2 不同海拔土壤有機質分布特征Fig.2 Distributions of soil organic matter in different altitudes

2.3.3 土壤類型 土壤類型也是有機質含量的重要影響因素之一。研究區(qū)土壤類型以紫色土和水稻土為主，分別占總面積的70 %和21.6 %，黃壤和石灰土分布較少。紫色土主要分布于北部潼南、合川、大足地區(qū)，水稻土于銅梁、榮昌地區(qū)分布較集中。統(tǒng)計分析(表6)表明，土壤有機質平均含量表現(xiàn)為石灰土gt;黃壤gt;水稻土gt;紫色土，最高值石灰土是最低值紫色土的1.79倍，水稻土和黃壤差異較小。這與成都平原不同類型表層土壤中有機質分布規(guī)律相同[24]，均為石灰土、黃壤中較高，紫色土最低。由表7可知，不同土壤類型間，組間均方大于組內均方，組間差異較大，F(xiàn)檢驗結果(Plt;0.05)說明不同土壤類型中有機質含量具有顯著性差異。

表5 不同坡度土壤有機質含量

表6 不同土類有機質含量組成

表7 不同土類土壤有機質含量方差分析

注：F檢驗Plt;0.05。

表8 不同影響因子與土壤有機質相關性

2.4 土壤有機質的空間分布格局

土壤有機質空間分布格局可借助空間插值模型實現(xiàn)從離散的點狀信息向連續(xù)面狀信息的轉換，用有限的樣點預測整個研究區(qū)域的土壤屬性空間分布特征。在空間尺度較小、地勢平坦且土地利用類型單一的區(qū)域，通常用普通克里格插值進行預測[25]，而研究區(qū)空間尺度較大，地形條件復雜、土地利用類型多樣，應利用土壤有機質相關因子與克里格插值相結合的方法來展示土壤有機質的空間分布。目前，結合相關因子的空間插值的研究尚不多見。劉靜等[26]在研究梁平地區(qū)土壤有機質空間分布時，結合地形因素改進了空間插值方法。顧成軍、文雯等[27-29]探討了基于土地利用類型修正的殘差法空間插值問題。

本文首先通過回歸分析定量判斷了土地利用、土壤類型、地形坡度等因素對土壤有機質空間變異的影響程度(表8)。研究區(qū)土壤有機質含量與不同影響因素的相關系數(shù)大小依次為土地利用類型gt;土壤類型gt;地形(坡度)，土地利用類型是該區(qū)土壤有機質分布最為重要的影響因素。因此，為提高土壤有機質空間分布預測精度，本文選擇結合土地利用類型的克里格插值法展開研究。首先將樣本土壤有機質含量去除土地利用類型均值，得到殘差，并將其作為一個新的區(qū)域變量行普通克里格插值。然后，將插值過后的殘差值圖層按土地利用類型的不同，分別加上其地類均值，即得出土壤有機質密度最終預測值，由此生成該區(qū)土壤有機質含量空間分布圖(圖3)。

研究區(qū)土壤有機質含量插值結果范圍為1.96

圖3 研究區(qū)土壤有機質空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil organic matter in the study area

～ 71.21 g/kg，空間分布上整體呈中間高，南北兩端低的趨勢。土壤有機質高值區(qū)主要分布于大足區(qū)東部、銅梁區(qū)西部、潼南區(qū)南部和榮昌區(qū)最南端等地區(qū)。大足區(qū)境內高值區(qū)占總面的60 %左右。這些高值區(qū)土地利用類型以水田為主，并有林地分布。合川區(qū)土壤有機質整體偏低，榮昌區(qū)北部含量最低。合川區(qū)和潼南區(qū)北部分布嘉陵江及其支流渠江、涪江，水網交錯，水土流失相對嚴重，這可能是土壤有機質低的主要因素。

3 討 論

研究區(qū)土壤有機質的空間變異主要受土地利用、土壤類型的影響，不同土地利用或土壤類型的有機質含量具有顯著差異。

從土地利用類型看，林地區(qū)植被遍布，源源不斷的樹木殘枝落葉進入土壤，有機質來源充足，因此有機質含量最豐富。耕地中水田土壤有機質高于旱地，主要是由于水田區(qū)海拔較低，地形平緩和土地平整，這些都屬于有機質聚集的有利的條件，并且水田一般為滯水狀態(tài)，有機質的分解速率較低，容易積累[23]。另一方面，相比旱地而言，水田作物秸稈殘存量多，大部分被微生物轉化為腐殖質，構成了土壤有機質的重要來源。

從土壤類型看，該區(qū)石灰土、紫色土、水稻土和成土母巖不同，物質來源不同，加之土壤自身的理化性質不同，導致了不同土類中有機質含量的差異。石灰土的成土母巖為三疊系碳酸鹽巖(灰?guī)r和白云巖)，這類巖石中生物化石豐富，攜帶了較多的有機質成分[30]；同時石灰土本身的物質成分也有利于有機質的貯存[31]。紫色土、水稻土和黃壤由侏羅系或三疊系的紫色砂巖、泥巖及粉砂巖風化而成，該類巖石形成于陸相環(huán)境，有機質成分較少。紫色土呈中性或微堿性，易風化、墾殖率高、水土流失嚴重，不利于有機質的保存[32]。

4 結 論

(1)重慶西北部丘陵區(qū)土壤有機質平均含量為16.26 g/kg，屬中等偏下水平。有機質的空間變異系數(shù)為33.8 %，屬中等變異程度?？臻g結構采用指數(shù)型模型擬合較好，有機質的塊金系數(shù)C0/C0+C為46.2 %，表明土壤有機質具有中等空間相關格局，其空間變異性受結構性因素和隨機因素影響程度相當。

(2)研究區(qū)土壤有機質分布受土地利用類型、地形坡度、土壤類型等因素影響。不同土地利用類型下，林地土壤有機質含量最高，水田次之。不同坡度下，低緩坡度中有機質含量較高；海拔高度對有機質含量影響不明顯。不同土壤類型，石灰土有機質含量最高，黃壤和水稻土次之，紫色土含量最低。土地利用類型是有機質空間分布最重要的影響因素。

(3)基于土地利用類型修正的殘差法空間插值預測顯示，研究區(qū)土壤有機質含量空間分布呈中間高，南北兩端低的趨勢。合川區(qū)水土流失較嚴重，土壤有機質含量整體偏低。

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(責任編輯 李 潔)

SpatialVariabilityofSoilOrganicMatterandItsInfluenceFactorsofHillyAreainNorthwestChongqing

BAO Li-ran , ZHOU Jiao, LI Yu , JIA Zhong-min

(Southeast Sichuan Geological Group, Chongqing Bureau of Geology and Minerals Exploration, Chongqing 400038, China)

【Objective】The spatial variability of soil organic matter and its influence factors of hilly area in Northwest Chongqing ws discussed for providing scientific basis on agricultural production and land uses. 【Method】The geostatistics and GIS methods were used to study, spatial variability of soil organic matter and spatial interpolation based on land uses amendment.【Result】The soil organic matter average content was 16.26 g/kg, in the lower middle level and the variation coefficient was 33.8 %, in the middle level. The spatial distribution of soil organic matter was higher in middle, lower on both ends, and the whole Hechuan district was lower. 【Conclusion】Geostatistical analysis suggested that soil organic matter had medium spatial correlation; The spatial variability were resulted from structure factors(topography slope and soil types) and random factors(land uses, farming measures, ect.), and land uses was the dominated factor.

Geostatistics;Soil organic matter; Spatial variability;Influence factors

P596

A

1001-4829(2017)11-2541-07

10.16213/j.cnki.scjas.2017.11.026

2016-08-26

全國土壤現(xiàn)狀調查及污染防治 ([2008]GZTR01-11)；重慶市國土房管科技計劃項目(K J-2015043)

鮑麗然(1983-)，女，河北石家莊人，工程師，碩士，從事環(huán)境地球化學研究，Email:305946963@qq.com。