三江平原小流域土地利用類型與土壤理化性質的灰色關聯分析

來雪慧， 任曉莉， 安曉陽， 賀曉晨， 白田宇

(太原工業學院環境與安全工程系，山西太原 030008

三江平原是我國最大的沼澤濕地分布區，地勢表現為西南高、東北低的趨勢。由于自然和人為因素的影響，近60年來三江平原的土地利用結構發生了明顯變化，由原來的濕地基質變為現在以農田為主要土地利用類型的國家重要糧食生產基地[1]。對于土地利用方式與土壤理化性質之間的關系，國內研究主要集中在黃土高原區、東北黑土區、南方紅壤區等地區[2-3]，國外研究更多的是印度堿性土和美國沙壤土等[4-5]。不同土地利用方式對小流域的土壤理化性質具有顯著影響[6]，但目前對于三江平原的研究主要針對的是農田和濕地對土壤性質的影響[7]，對小流域的相關研究較少。本研究選取三江平原阿布膠河小流域為研究對象，通過灰色關聯層次分析法探討小流域不同土地利用類型對土壤理化性質的影響。這不僅有利于更多地考慮各影響因素的權重，同時也為農業產業結構調整以及土地利用變化研究提供理論依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區選擇在東北三江平原阿布膠河小流域，流域面積為142.5 km2，屬于季節性河流，由西向東匯入烏蘇里江。研究區屬寒溫帶季風性大陸氣候，多年平均凍土深度約為 141 cm，多年平均氣溫為2.5 ℃。域內年均降水量為 583.2 mm，5—9月的降水量占多年平均年降水量的75%。土壤類型以白漿土和沼澤土為主，其中白漿土占域內總面積的60.7%。水田、旱地、濕地和林地為研究區主要的土地利用方式，占流域總面積的93.3%(圖1)。阿布膠河流域林地以落葉闊葉林為主，農田的作物類型主要為玉米和水稻。流域內土壤表層0～20 cm的有機質平均含量為38.3 g/kg，氮、磷含量的平均值分別為3.6、1.0 g/kg[8]。

1.2 樣品采集

根據三江平原阿布膠河的土地利用類型分布，選取旱地、水田、林地、濕地4種具有代表性的土地利用方式進行樣品采集。考慮到研究區每年于4月底進行農田施肥，因此所有樣品采集均于2013年4月中下旬完成。旱地、水田、林地、濕地分別選擇6個樣地，每個樣地面積為1 m×1 m，土壤類型均為白漿土。2013年4月初開始采樣，每個樣地按照“S”形選擇5個樣點，用體積為100 cm3的土壤環刀采集0～10 cm、>10～20 cm土層土壤，并分別取2層土壤的1 kg混合土樣，去除土樣中的植物根系和沙石等雜物，裝袋帶回實驗室測定其土壤理化性質。

1.3 測定方法

本研究的土壤樣品采用中國人民共和國環境保護部的土壤監測規范方法相關標準進行測定。將所有土壤樣品風干磨碎，一部分樣品過1 mm土篩測定土壤pH值，另一部分通過0.25 mm土篩測定土壤陽離子交換量、粒徑和土壤基本化學性質。土壤pH值通過酸度計測定；土壤陽離子交換量通過將土樣過60目土篩，之后再用乙酸銨法測定；土壤粒徑通過吸管法測定。通過重鉻酸鉀-外加熱法測定土壤有機碳含量；土壤全氮和全磷含量分別采用半微量凱氏定氮法和酸溶-鉬銻抗比色法測定；土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量則分別通過堿解擴散法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法和NH4OAc浸提火焰光度法測定。

1.4 統計與分析

本研究結合三江平原阿布膠河流域的土壤實際情況，運用層次分析法(AHP)計算權重，并檢驗判斷矩陣的一致性。通過灰色系統理論，分析不同土地利用類型的土壤理化性質的灰色關聯度，以選取能夠保持土壤性質和養分含量的最佳土地利用方式。所有數據采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進行統計分析(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用類型的土壤pH值、陽離子交換量和土壤粒徑

土壤pH值和土壤陽離子交換量(CEC)與土壤有機質含量、粒徑和緊實度等密切相關[9]。從表1可以看出，三江平原阿布膠河小流域水田土壤pH值在0～10 cm和>10～20 cm 深度基本持平，其他3種土地利用方式下土壤pH值均隨土層深度增加而減小。在0～10 cm土層，水田土壤的pH值高于其他土地利用方式，但差異不顯著；在>10～20 cm土層，水田土壤的pH值明顯高于旱地、濕地和林地土壤。4種土地利用方式的土壤pH值在2個土層間差異不顯著。土壤CEC，除水田土壤外，其他3種土地利用方式在0～10 cm土層均高于 >10～20 cm土層。在0～10 cm土層，濕地土壤的CEC顯著高于旱地、水田和林地；在>10～20 cm土層中4種土地利用方式的CEC差異不顯著，但濕地土壤的CEC仍然最高。

土壤粒徑分布可以反映土壤肥力狀況，土壤顆粒的不同組成是影響養分差異的主要原因[10]。阿布膠河流域不同土地利用方式的土壤粒徑主要分布在0.002～2 mm范圍，均表現出<0.002 mm的顆粒所占比例最小。在0～10 cm土層，粒徑分布在>0.2～2 mm范圍的土地利用類型比例由高到低為濕地>林地>水田>旱地，其中濕地和林地均大于50%。在>10～20 cm土層，旱地和濕地在0.002～0.2 mm粒徑范圍內的比例低于>0.2～2 mm粒徑范圍，而水田和林地則相反，但總體呈現出4種土地利用類型的土壤粒徑在這2個范圍的分布差異不明顯。

2.2 不同土地利用類型的土壤有機碳含量

土壤有機碳是土壤的重要組成部分，直接影響著土壤碳循環。從表2可以看出，旱地、水田、林地、濕地在0～10 cm土層的有機碳含量分別是>10～20 cm土層的1.74、1.70、3.32、2.45倍。除林地外，其他3種土地利用類型在2個深度的土壤有機碳含量差異顯著。在0～10 cm土層，林地和濕地的土壤有機碳含量高于其他2種類型土壤，且差異顯著，旱地和水田的有機碳含量較低，差異不顯著。在>10～20 cm土層，林地土壤的有機碳含量也高于其他類型，為 13.50 g/kg，而濕地土壤的有機碳含量最低，但不同土壤利用類型間差異不顯著。表明林地中土壤有機碳含量較高，具有提高碳含量的效果。

表1 不同土地利用類型在不同土層的pH值、陽離子交換量與粒徑分布

注：同列數據后不同小寫字母表示不同土地利用方式在相同土壤深度的差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示不同土壤深度間相同土地利用方式的差異顯著(P<0.05)。表2同。

2.3 不同土地利用類型的土壤全氮、全磷含量

2.3.1 土壤全氮含量 從表2可以看出，不同土地利用類型0～10 cm土層的全氮含量高于>10～20 cm土層。其中，濕地、林地土壤2土層間的全氮含量差異顯著，濕地表層土壤的全氮含量為3.18 g/kg，是>10～20 cm土層的3.12倍。旱地、水田和林地的0～10 cm土層全氮含量分別是>10～20 cm 土層的1.38、1.38、2.46倍。0～10 cm土層4種土地利用類型的土壤全氮含量由高到低依次為林地>濕地>旱地>水田，林地和濕地顯著高于旱地、水田。>10～20 cm土層土壤全氮含量由高到低為旱地>林地>水田>濕地，濕地土壤的全氮含量明顯低于其他3種土壤類型。整體而言，4種土地利用類型的土壤全氮含量隨著土壤深度的增加而呈現降低的趨勢，且林地具有較高的全氮含量。

2.3.2 土壤全磷含量 4種土地利用類型土壤全磷含量在0～10 cm土層均明顯高于>10～20 cm土層。旱地、水田、濕地和林地表層土壤的全磷含量分別是>10～20 cm土層含量的1.33、1.31、1.71、1.58倍。不同土地利用類型的土壤全磷含量在0～10 cm和>10～20 cm土層差異均顯著。在0～10 cm 土層，土壤全磷含量由高到低依次為林地>水田>濕地>旱地。林地的全磷含量為0.98 g/kg，旱地的全磷含量為0.77 g/kg，林地全磷含量是旱地土壤的1.27倍。在>10～20 cm 土層，不同土地利用類型的土壤全磷含量由高到低為水田>林地>旱地>濕地(表2)。

表2 不同土地利用類型在不同土層的有機碳和養分含量

2.4 不同土地利用類型的土壤速效養分含量差異

2.4.1 土壤堿解氮含量 從表2還可以看出，不同土地利用類型在0～10 cm土層的土壤堿解氮含量高于>10～20 cm土層，其中旱地、濕地的差異顯著。研究區濕地土壤的堿解氮含量相差最大，0～10 cm土層是>10～20 cm土層的2.93倍，旱地、水田和林地0～10 cm土層則分別是>10～20 cm土層的1.70、1.55和1.93倍。表明同一土地利用類型2土層間的含量差異均超過1.5倍。在不同土層，林地土壤的堿解氮含量均最高，分別為276.32、143.11 mg/kg。0～10 cm土層4種土地利用類型的堿解氮含量由高到低依次為林地>濕地>水田>旱地；在>10～20 cm土層，則由高到低的變化規律為林地>水田>旱地>濕地。表明林地具有較好的提高速效氮養分的能力，同時隨著土壤深度的增加，不同土地利用類型的速效氮養分含量逐漸減少。

2.4.2 土壤有效磷含量 旱地、水田、濕地和林地土壤有效磷含量在0～10 cm土層分別是>10～20 cm土層的5.20、1.75、3.21和2.26倍。旱地和濕地的差異最大，旱地在0～10 cm和>10～20 cm土層的有效磷含量分別為32.43、6.24 mg/kg。在0～10 cm土層，4種土地利用類型間的有效磷含量差異不顯著，旱地的含量最高，濕地最低。在>10～20 cm 土層，研究區旱地、水田和林地土壤的有效磷含量明顯高于濕地土壤。其中，水田土壤的有效磷含量最高，為 6.83 mg/kg，濕地土壤含量為2.83 mg/kg(表2)。

2.4.3 土壤速效鉀含量 從表2還可以看出，0～10 cm土層的旱地、水田、濕地和林地的土壤速效鉀含量分別比>10～20 cm 土層高39.59%、6.35%、128.02%和69.37%，水田土壤的速效鉀含量在不同土層間差異最小。在0～10 cm土層，4種土地利用類型的速效鉀含量差異不明顯；在>10～20 cm土層，林地和水田的速效鉀含量顯著高于旱地和濕地。不同土層中，林地土壤的速效鉀含量均最高，表明林地具有提高速效鉀養分的能力。

2.5 不同土地利用類型土壤理化性質的加權灰色關聯分析

灰色關聯法可以定量評價土地利用類型變化對土壤理化性質改變和土壤養分含量提高的效果。本研究選取三江平原阿布膠河流域土壤pH值、陽離子交換量、土壤粒徑分布、有機碳、全氮含量、全磷含量、堿解氮含量、有效磷含量和速效鉀含量指標中的最大值為參考數列，將旱地、水田、濕地和林地的這些指標測定值進行比較，采用無量綱化處理(表3)。然后通過灰色關聯分析法計算不同土地利用類型的關聯系數(灰色關聯系數§=0.5)和加權關聯度。各土地利用類型間的關聯度越大，說明所采用的措施對于改善土壤理化性質和養分含量具有的效果越好。

表3 阿布膠河流域不同土地利用類型土壤物理性質和氮磷鉀含量的無量綱化數據

根據三江平原阿布膠河流域的土壤情況，利用層次分析法重要性的等級標度，確定11個影響土壤理化因子的等級順序并構建判斷矩陣A，進而計算各因子的權重(表4)。

研究中需要對判斷矩陣A的一致性進行檢驗，通過計算得到λmax=11.86。根據CI=(λmax-n)/(n-1)，得到一致性指標CI=0.086。查表發現，11階矩陣的平均隨機一致性指標RI=1.51，可知一致性比率CR=CI/RI=0.057 0<0.1，說明矩陣A可以通過一致性檢驗，數據科學可靠。

三江平原阿布膠河流域4種土地利用類型的各項理化指標權重和關聯度見表4。可以看出，0～10 cm和 >10～20 cm土層的關聯度排序不同。在0～10 cm土層，水田的關聯度最大，為0.863 7，林地最小。說明土壤表層中水田對于保持土壤理化性質和養分的能力最優。在>10～20 cm 土層，4種土地利用方式的關聯度排序為濕地>旱地>水田>林地，表明該層濕地對于保持土壤養分和改善土壤物理指標的效果最好。

表4 阿布膠河流域不同土地利用類型土壤理化指標的權重、關聯系數和關聯度

3 討論與結論

關于土壤有機碳含量與物理性質的關系研究較多，如土壤有機碳含量與pH值呈負相關關系，與土壤肥力、持水能力和陽離子交換量等呈正相關關系，但與土壤粒徑分布幾乎沒有相關性[11]。本研究結果與前人報道一致，0～10 cm和 >10～20 cm土層林地土壤的有機碳含量較高，而其pH值偏低，同時土壤的粒徑分布與有機碳含量沒有明顯的關系。本研究中4種土地利用類型的土壤有機碳含量和陽離子交換量的正相關關系不明顯，可能是由不同類型間的有機碳含量差異不明顯和研究區土壤的機械組成引起的。0～10 cm土層中，濕地土壤的陽離子交換量最大，為37.1 cmol/kg，其有機碳含量為26.79 g/kg，僅低于林地。>10～20 cm土層中，濕地的陽離子交換量也最大，但其有機碳含量卻最小。土壤陽離子作為土壤保肥能力的評價指標，有必要在未來的研究中討論二者之間的關系。

土壤有機質影響著土壤的保水保肥能力以及通透性[12]。本研究中旱地、水田、林地和濕地的表層枯落物，由于腐殖化作用導致土壤表層有機質含量高。東北土壤的黏土礦物以蒙脫石型土為主，進入土壤的有機質有助于形成大的團聚體，形成更多的孔隙。由于有機質的分解，會釋放出氮磷，這樣使得 0～10 cm土層的土壤氮磷含量高于>10～20 cm土層。本研究結論與李成亮等研究得出的有機質含量提高可以促進全氮、有效氮的積累和程艷麗等研究得出的有機質和有效磷含量保持一致的結果[13-14]一致。

本研究中林地的有機碳含量在0～10 cm和>10～20 cm土層均最高。這是因為林地表層枯枝落葉較多，保護地面不受雨水的沖刷，同時林地形成的腐殖質大多呈中性，增加了土壤的孔隙，使得有機質可以隨著林地凋落物歸還土壤。有機質含量高導致氮磷轉化旺盛，使得林地保持較高的土壤氮磷含量。在土壤表層，除總磷和有效磷含量外，濕地的其他養分含量均高于旱地和水田。一方面是因為濕地有機碳含量較高，使得土壤氮含量也高；另一方面是由于研究區濕地逐漸被開墾為水田，僅有的濕地中絕大部分被水田包圍，受到水田的施肥影響也較大。而土壤磷素受施肥的影響大[15]，如果施用的磷肥少，就會導致土壤全磷和有效磷含量降低。旱地和水田作為農業用地，會受到人為施肥、翻耕等干擾，這樣就增加了土壤的孔隙度[16]，使得土壤氮磷含量也較高。同時，由于阿布膠河流域耕地坡度小，可以減少由于地表徑流引起的土壤養分流失。三江平原作為國家重要的糧食生產基地，施肥管理措施具有顯著效果。有研究表明，施肥對土壤速效鉀含量影響顯著，而對全鉀的影響卻較小[17]。筆者研究了速效鉀的含量，發現林地、濕地、旱地和水田4種土地利用類型的有機碳與速效鉀含量也保持相似的變化態勢。

三江平原阿布膠河流域不同土地利用類型的土壤pH值、有機碳含量、全氮含量、全磷含量、堿解氮含量、有效磷含量、速效鉀含量整體上隨土壤深度的增加而減小；而土壤陽離子交換量和粒徑分布沒有明顯的變化。由于土壤表層的凋落物、枯枝落葉的腐殖化作用，使得相同土層的林地和濕地有機碳含量基本高于旱地和水田，且0～10 cm土層濕地的有機碳和氮鉀含量均高于旱地和水田。通過灰色關聯綜合分析，在0～10 cm和>10～20 cm土層，濕地對于改善土壤物理性質和保持土壤養分含量的能力最優。

通過加權灰色關聯模型分析了不同土地利用類型對土壤理化性質的保持和改善作用，從而篩選出最優的土地利用類型，發現濕地是三江平原阿布膠河流域改良土壤性質的最佳土地利用方式，本研究結果可為后期研究土壤性質和面源污染提供理論支持。