桂西北喀斯特地區石灰土養分空間變異特征

俞月鳳,何鐵光,*,宋同清,李麗娟,韋彩會,蒙炎成,唐紅琴,李忠義,李婷婷,胡 芳

1 廣西壯族自治區農業科學院農業資源與環境研究所, 南寧 530007 2 中國科學院亞熱帶農業生態研究所, 長沙 410125 3 廣西桂江林業調查規劃設計有限公司,南寧 530022

土壤是在母質、氣候、生物、地形及人為因素共同作用下形成的,這些因素在時空上具有不一致性,使土壤物理、化學及生物學性質也都表現出普遍的空間變異性[1- 3]。這種空間變異性在不同區域、不同尺度以及不同時間段上表現出普遍性和復雜性[4]。土壤養分作為土壤資源中最基本的屬性之一,其豐缺程度及存在形態直接決定著土壤的肥力狀況,影響著植被的生長與演替[5]。土壤養分的空間分布格局是土壤空間異質性的具體表現[6- 7]。國內外大量學者對不同尺度和不同區域的土壤養分進行了空間異質性研究[8- 11]。可見土壤養分異質性深刻影響到管理者對土壤利用相應策略和政策的制定,同時也是精準農業和精確施肥以及生態建模的信息基礎[12- 13]。

桂西北喀斯特地區是中國貧困與環境退化問題最為突出的地區之一,面臨環境退化、人口密集、經濟與社會落后等多重難題。在喀斯特環境中,石灰巖風化作用和土壤形成過程是以土壤為媒介的生物地球化學過程[14]。喀斯特生態系統是以碳酸鹽為物質基礎,具有土壤淺薄、土被不連續及土壤pH值高等特征的脆弱生態系統[15]。正是這種特殊的形成基質和生態環境條件,使得喀斯特地區土壤具有高度的空間異質性[16-17]。土壤養分作為生態系統結構與功能的重要因子,對喀斯特生態系統的穩定起著決定作用[18]。在生態脆弱地區,土壤養分的空間分布特征直接影響該地區土壤生產力的高低和生態恢復的途徑和方向,因而探明土壤養分空間變異是合理指導喀斯特地區農業生產和生態重建的關鍵[17]。由于空間變異尺度效應的存在,研究尺度的選擇成為土壤養分空間變異研究的關鍵一步[4]。就喀斯特地區土壤養分空間異質性而言,小尺度的研究較多,主要集中在森林、坡地及不同土地利用方式下的土壤[19-23]。小尺度區域土壤養分空間變異的研究能夠直接指導生產實踐,但大尺度區域的研究也必不可少,其能為決策者提供更廣闊的視角和更完整的認識[4]。然而,桂西北喀斯特區域尺度上,石灰土養分空間異質性有待進一步研究,從而為桂西北喀斯特地區石漠化綜合治理中植被恢復、生態重建等宏觀決策提供理論依據。因此,本研究從大尺度區域出發,將整個桂西北喀斯特地區作為研究區域,以大面積野外調查采樣和室內分析測定為基礎,采用經典統計學、地統計學等方法,探索喀斯特區域內石灰土養分的含量水平、空間變異特性、空間分布特征,通過克里格插值繪制整個桂西北區域各養分指標的空間分布圖。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區概況

桂西北喀斯特區位于廣西壯族自治區西北部,屬云貴高原山前區,地處104°28′—109°09′E,22°51′—25°37′N,包括河池和百色2地級市23縣(市、區)。區域內以山地、丘陵為主,巖溶地貌廣泛發育,裸露石灰巖面積約3.38 萬km2,占全區域的48.5%(河池地區石山面積占本地區的65.7%,百色地區石山面積占本地的31.2%)。區域以典型的峰叢洼地巖溶地貌為主,海拔85.0—2062.0 m。地處亞熱帶季風氣候區,光照充足,年均日照時數達1968.6 h,無霜期315.3 d；氣候溫和,年均氣溫20.3℃,≥10℃積溫7130.4℃；降水集中于6—8月份,年均降雨量1178.8 mm,年均暴雨日數4.6 d,最大降雨強度67.8 mm/h；干濕季明顯,年均蒸發量1298.7 mm,干旱日數181.2 d,干旱指數1.10。喀斯特地區土壤類型主要以石灰土為主,有黑色石灰土、紅色石灰土、黃色石灰土、棕色石灰土4個亞類。

1.2 樣品采集與分析

在對未知區域進行初探時,覆蓋整個研究區的均勻網格布點法是較為常用的方法[4]。然而,面積廣大的研究區域以及喀斯特復雜多變的地形地貌使得在整個桂西北喀斯特地區完成規則的網格布點非常困難。基于喀斯特峰叢洼地景觀異質性強的特點,根據裸露石灰巖分布特征及面積,確定調查網格面積為100 km2(約為0.1°經緯網格),網格數量為338個,參照《IPCC優良做法指南》對系統隨機抽樣的建議,調查網格數量為24個,占總網格的7%,按每個網格約布置7—8個樣點計,整個桂西北喀斯特區域設置175個樣點。在實際采樣過程中,根據石灰土的分布圖及道路系統,綜合考慮植被類型及采樣點的可達性和實際可操作性,采樣點的選擇原則是要具有隨機性并且兼顧均勻分布的采樣方法[24]。所有采樣點分為三種植被類型：草灌、灌叢、次生林,研究區域樣點分布見圖1。

土壤樣品采集于2015年11月,用手持GPS記錄采樣中心點坐標,采用“之”字形取樣法,在以該點為中心的20 m×20 m的范圍內采集0—20 cm深度的5個土壤副樣本,四分法混合為1個土壤主樣本保留1 kg左右。同時記錄海拔高度、植被種類、植被蓋度、坡度、坡向等信息。將采集的土壤樣品去除石頭、雜草和植物根系等非土壤成分后置于通風處自然風干,磨碎過篩,保存于自封袋中待測。土壤樣品室內分析指標為有機質SOM(重鉻酸鉀-外加熱法)、全氮TN(半微量開氏法)、全磷TP(NaOH熔融-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法)、全鉀TK(NaOH熔融-火焰光度計法)、堿解氮AN(堿解-擴散法)、速效磷AP(0.5 mol/L NaHCO3浸提法)、AK速效鉀(NH4OAc浸提法)和pH值(電極電位法)。

圖1 桂西北喀斯特區域及采樣點分布圖Fig.1 Map of the karst area in northwestern Guangxi and distribution of soil sampling sites

1.3 數據處理

文中數據采用域法識別特異值,即樣本均值加減3倍標準差識別特異值,在此區間外的數據均定為特異值,分別用正常的最大和最小值代替[25]。土壤養分的描述性統計分析、K-S檢驗(α =0.05)和普通相關分析在SPSS 18.0軟件中完成；相關分析中數值變量之間使用皮爾遜相關系數,分類變量之間以及與數值變量之間使用斯皮爾曼秩相關系數。地統計學分析在GS+軟件中完成,用理論模型對各土壤養分指標的半方差函數進行擬合。Kriging等值線圖在ArcGIS 10.0中完成。

2 結果與分析

2.1 石灰土養分的描述性統計分析

石灰土養分的描述性統計特征如表1所示。桂西北喀斯特地區石灰土pH值呈微酸性至微堿性性,為5.65—8.12,平均值為7.04,呈中性；石灰土SOM和養分含量均較高,但其變異相差很大。根據Nielsen標準[26],除了pH呈弱變異外(CV<10%),其他指標均呈中度變異(30%

表1 石灰土養分描述性統計特征

SOM：有機質,Soil organic matter；AN：堿解氮,Available nitrogen；AK：速效鉀,Available potassium；AP：速效磷,Available phosphorus；TN：全氮,Total nitrogen；TP：全磷,Total phosphorus；TK：全鉀,Total potassium

2.2 石灰土養分的空間變異特征

采用GS+軟件進行各養分指標半方差函數模型擬合,獲得半方差函數圖(圖2)和結構參數(表2)。如果變量在采樣尺度上具有空間依賴性,半變異函數會隨著滯后距的增加而增大,并且在超過一定距離后逐漸趨近于基臺值或圍繞基臺值上下波動[27]。由圖2可以看出,AK的最佳擬合模型為線性模型,SOM的最佳擬合模型為球狀模型,AP的最佳擬合模型為高斯模型,其他指標的最佳擬合模型均為指數模型。決定系數(R2)或殘差平方和(RSS)用于判斷模型擬合的好壞。由表2的擬合參數可知,AP的高斯模型和SOM的球狀模型擬合效果最好,其他養分的擬合模型也可以較好地反映桂西北喀斯特石灰土養分的空間結構特征。

圖2 石灰土養分的半方差函數圖Fig.2 Semi-variance grams of limestone soil nutrientsSOM：有機質,Soil organic matter；AN：堿解氮,Available nitrogen；AK：速效鉀,Available potassium；AP：速效磷,Available phosphorus；TN：全氮,Total nitrogen；TP：全磷,Total phosphorus；TK：全鉀,Total potassium

各土壤指標的塊金值均為正值,說明本研究存在一定的采樣和試驗誤差。土壤指標均具有一定的基臺值,說明其受地形、坡位、土壤結構和母質等自然因素所控制。塊金值與基臺值的比值[C0/(C0+C)]反映了土壤屬性的空間依賴性,一般認為<25%時,空間變量為強烈的空間自相關,在25%—75% 之間時,為中等空間自相關,>75%為弱空間自相關[22]。SOM、AP、TN和TP 的C0/(C0+C)值在50%—55%之間,表現為中等空間自相關性,說明空間差異是由隨機因素和結構性因素共同作用引起的；pH、AN、AK和TK的C0/(C0+C)值均>75%,表現為弱空間自相關性,表明空間變異主要受隨機因素的控制,而結構性因素對變異的貢獻很小,同時也說明對這些指標進行研究應適當減小采樣距離。A 為變程,空間變量只有在變程以內具有空間自相關性。石灰土養分指標變程大小各異,范圍在59.4—379.5 km之間,TN和SOM變程最大,說明較大的范圍內存在空間相關性,其空間連續性較好,具有較差的空間漸變性規律；AK、AP和TP次之,pH、AN和TK的變程最小,為50—70 km之間,說明其空間自相關的范圍較小。

2.3 桂西北喀斯特地區石灰土養分的空間分布格局

喀斯特地區石灰土養分含量的空間插值圖(圖3)所示,在圖中可以按照顏色深淺分為8個含量等級,能夠直觀清晰地反映出研究區域石灰土養分的空間分布特征。SOM、AN、AP、TN和TP分布較為相似,高值區主要分布在西北部,由西向東逐漸遞減；其中SOM和TN斑塊較大,變化緩和,最低值區均出現在東部偏南地區；AN在東部地區也出現了高值區,中值區分布的斑塊最大；pH值的分布呈中部高,沿著四周降低的趨勢,高值區斑塊相對較小,同時可以看出pH值主要分布在6.92—7.43之間；AK高值區出現在東北部,斑塊小,連續性差；TK的分布無規律性,空間連續性差,破碎化程度高,在小尺度上形成強烈的變異。

2.4 石灰土養分空間異質性的影響因素分析

為了初步探明桂西北喀斯特區石灰土養分空間變異特征的影響因素,選取了海拔、坡度、巖石出露率和植被類型等指標,利用相關分析對上述各環境因子與石灰土養分之間的關系進行了分析。表3列出了根據原始數據計算出來的各變量之間的相關系數。區域尺度上,大多數變量之間都存在不同程度的線性相關關系。例如,SOM與石灰土養分TN、AN、TP、AK、pH之間有極顯著的正相關關系,與AP、TK的相關關系并不明顯。 海拔與SOM、AN、TN、TP、裸巖率、坡度和植被類型之間有極顯著的正相關關系,與TK正相關顯著。裸巖率與AK、TK相關關系不明顯,而與其他石灰土養分指標及環境因子之間均存在極顯著的正相關關系。坡度與SOM、AN、TN、AK、植被類型之間變現為顯著或極顯著的正相關關系,與AP為極顯著負相關關系。植被類型與SOM、AN、TN、AP之間為顯著正相關關系。

表2 石灰土養分的半方差函數模型參數

圖3 石灰土養分的空間分布Fig.3 Kriging maps showing spatial distribution of limestone soil nutrients

指標IndexSOMANAKAPTNTPTKPHHLYLPDZBSOM1AN0.507??1AK0.251??0.256??1AP0.021-0.0490.335??1TN0.609??0.589??0.304??0.0561TP0.351??0.337??0.369??0.473??0.680??1TK0.024-0.0220.216??0.0060.171?0.206??1PH0.238??0.276??0.347??-0.0210.343??0.342??0.183?1H0.405??0.220??0.0490.0420.292??0.226??0.159?-0.0021LYL0.415??0.254??0.0590.241??0.454??0.211??0.0480.322??0.198??1PD0.337??0.191?0.233??-0.443??0.296??0.0190.0740.1640.238??0.617??1ZB0.436??0.482??0.1080.201?0.495??0.0490.0590.1480.1200.304??0.394??1

*顯著相關(P<0.05),**極顯著相關(P<0.01)； H：海拔Altitude；LYL：裸巖率Rock exposed rate；PD：坡度Slope； ZB：植被類型Vegetation types

3 討論

土壤養分空間異質性受到氣候(降雨、太陽輻射等)、地形(坡度、坡向、海拔等)、土壤物理性質(機械組成、結構、孔隙等)以及植被類型等因素所影響。喀斯特地區地形地貌復雜,生境的異質性程度高,地形的變化導致了環境因子的空間變異,使得區域內土壤養分具有明顯的空間變異性。地形是重要的土壤成土因子之一,它能調控著太陽輻射和降水的空間分配,影響局部生境的小氣候與土壤厚度和養分的空間差異[28-29]。本研究中,石灰土養分與地形因子的相關分析結果表明,石灰土養分的空間分布與地形特征有密切的關系。其中,SOM、AN、TN與海拔、坡度、裸巖率和植被類型極顯著的正相關關系。土壤碳素和氮素在生物地球化學過程中緊密聯系在一起。據有關研究發現,海拔高度每上升100 m土壤有機碳濃度會增加0.75—2.10 mg/g[30]。海拔高度和坡度對土壤養分的影響通常是間接的,是通過對其他自然因素的影響而產生作用。石灰土AK和TK分別與坡度和海拔有極顯著和顯著的正相關關系,而與其他環境因子相關不明顯。自然情況下,土壤鉀素基本全部由母質風化而來,其分布特征可能與土壤的淋溶特征有關[21]。石灰土AP與坡度、裸巖率、植被類型等顯著相關,而TP與海拔和裸巖率有極顯著的正相關關系,有關研究發現,植被對磷素利用能力的差異可能是導致土壤速效磷素資源空間分配異質較大的主要原因[18]。在石灰土條件下,難溶性無機磷極易與堿性土壤中的鈣結合生成Ca10-P 沉淀,不易淋失[31]。石灰土pH值和裸巖率有極顯著的正相關關系,這與張忠華等[19]的研究結果相似。因此,裸巖率高的地方,土壤pH及鈣含量增加,土壤TP有較明顯的洼積效應。在區域大尺度下,石灰土養分含量隨著海拔高度、坡度和裸巖率的增加而增加,這與其他地區明顯不同。張偉等[32]的研究結果表明立地因子較高(裸巖率大、坡度較陡、土被較薄) 處的土壤養分含量較高,本文的研究結果與其基本一致。這是由于在強烈的巖溶作用下,微地貌形態的發育對土壤養分積累和循環具有重要的影響,在坡度較陡、坡位較高的地段容易形成石槽、石洞等陰暗生境,有利于有機質的積累,土壤養分含量也相對較高[32]。植被類型對石灰土養分分布特征有著重要的影響,旺盛的生物累積過程是土壤養分形成和維持的基礎,而土壤養分的空間變異又作用于植物的生長和空間分布。

在區域大尺度上,桂西北喀斯特地區石灰土SOM、TN、TP和AP呈現較為相似的分布規律,養分含量呈自西向東逐漸減少的趨勢,空間變異由結構因素和隨機因素共同影響。這種分布特點與區域尺度上大地形區的分布相關：桂西北喀斯特地區北與貴州接壤,西與云南毗鄰,海拔高度自東向西,自南向北逐漸升高。海拔差異導致水熱條件及其組合在空間上的變化,并常伴隨著溫度、降水、光照、土壤和植被類型等許多因子的改變,海拔梯度的大小充分反映了環境間的差異。因此,海拔、坡度、裸巖率等地形因子可能是桂西北區域尺度上石灰土養分空間分布變異的主要結構因素。當然,在區域范圍內影響石灰土空間異質性的環境因素還有很多,比如氣溫、降雨、土壤物理和生物特征等。由于本研究區域內收集到的氣象站數據較少,未能較準確提取各個采樣點的氣象數據,因此在分析過程沒有引入氣候因素。今后,需更加完善各方面因素及土壤指標的研究,揭示這些因素對石灰土養分空間變異的影響。

4 結論

桂西北喀斯特區域尺度下,石灰土養分具有不同的變異特征,變異程度依次為AP>TP>TN>SOM>AK>AN>TK>pH,除pH為弱變異外,其他均是中等強度變異。SOM和TN具有較為相似的變異特征,變程分別為338.8 km和379.5 km；AK的變異尺度相對較小,為213.0 km；AP和TP變異尺度近乎相等,變程為142.1和179.2；pH、AN和TK的變異程度最小,變程范圍僅在59.4—70.0 km之間。石灰土SOM、AP、TN和TP表現為中等程度的空間自相關,分布有一定規律性,連續性較好,這是由結構性和隨機性因素共同作用的結果；pH、AN、AK和TK表現為弱空間相關性,在區域尺度上的分布沒有呈現一定的規律性,連續性差,斑塊破碎化程度較高,說明這些空間變異主要來自隨機因素,同時也說明對這類養分指標進行研究時應適當減小土壤采樣點的間距。桂西北喀斯特地區石灰土養分存在不同程度的空間變異性,且空間自相關范圍各不相同,說明石灰土養分的空間異質性對尺度的依賴程度各不相同。因此采樣距離需要根據各養分指標的特征進行調整。相關分析結果表明,地形因子(如海拔、坡度和巖石裸露率等)和植被類型是影響桂西北喀斯特石灰土空間分布特征和變異規律的重要因素。

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