夏爾希里地區表層土壤養分空間異質性研究
2019-07-10 09:29:59劉西剛王勇輝焦黎
安徽農業科學 2019年11期
劉西剛 王勇輝 焦黎
摘要 以夏爾希里地區為研究區，運用統計學和地統計學相結合的方法，研究土壤表層（0～10? cm）的有機質（OM）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）養分含量以及空間變異特征。結果表明：研究區土壤表層OM、AP、AK含量分別為（3.267±2.25）%、（6.751±4.85）mg/kg、（2582±14.72）mg/kg，OM、AP、AK含量均為中等變異;研究區土壤OM、AK最佳擬合模型為球狀模型，AP最佳擬合模型為指數模型，決定系數均很高（0.738～0.994）;OM、AP為空間強烈自相關，AK為中等空間自相關。OM、AP變程較長（7 905.52、5 346.75 m），空間上連續性較好。AK變程較短（4 325.64 m），空間依賴性較強。土壤OM含量空間分布呈現山地森林區>綠洲區>荒漠區的特征，AP、AK含量空間分布均呈現綠洲區>山地森林區>荒漠區的特征;山地森林區表層土壤空間異質性主要受坡度、海拔高度、坡面曲率的影響。夏爾希里地區表層土壤養分存在不同空間異質性和空間關聯性，這為干旱區土壤養分管理、可持續利用策略以及生態恢復提供了理論依據。
關鍵詞 土壤表層養分;山地森林區;荒漠區;綠洲區;空間異質性;夏爾希里地區
中圖分類號 S158文獻標識碼 A
文章編號 0517-6611（2019）11-0075-06
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.11.022
開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：
Abstract Taking the Xiaerxili area as the research area，the contents of organic matter （OM） ，AP and AK nutrients and spatial variation characteristics of soil surface layer （0-10? cm） were studied by combining statistics and geostatistics.The results showed that the content of organic matter （OM），effective phosphorus （AP）， available potassium （AK） in the study area respectively （3.267±2.25） %，（6.751±4.85） mg/kg，（ 25.82±14.72） mg/kg，OM，AP and AK content were the medium variation; the optimal fitting model of soil OM and AK in the study area was spherical model，while the optimal fitting model of AP was exponential model，with high determination coefficient （0.738～0.994）.OM and AP spaces were strongly autocorrelation，and AK was medium spatial autocorrelation.OM and AP had a long variable range （7 905.52，5 346.75 m），with good spatial continuity.AK variable range was short （4 325.64 m），with strong spatial dependence.The spatial distribution of soil OM content was characterized by mountain forest area > oasis area > desert area，and the spatial distribution of AP and AK content were characterized by oasis area > mountain forest area > desert area;the spatial heterogeneity of surface soil in mountain forest was mainly affected by slope，altitude and slope curvature.There were different spatial heterogeneity and spatial correlation between surface soil nutrients in Xiaerxili area，which provide theoretical basis for soil nutrient management，sustainable utilization strategy and ecological restoration in arid area.
Key words Soil surface nutrient;Mountain forest area;Desert area;Oasis area;Spatial heterogeneity;Xiaerxili area
基金項目 國家自然科學基金項目（41261055）。
作者簡介 劉西剛（1993—），男，黑龍江黑河人，碩士研究生，研究方向：干旱區環境利用。*通信作者，教授，碩士生導師，從事干旱區環境利用研究。
收稿日期 2019-04-02
土壤是一種形態和演化過程都十分復雜的自然綜合體，受氣候、生物、母質、地形等成土因素的影響，具有復雜性和時空變異性[1]。即使在土壤類型和質地相同的區域內，同一時刻土壤特性在空間上也有明顯的差異[2]。土壤養分是植物生長發育所必需的營養元素，它也是土壤肥力的物質基礎[3]，同時也是植被生活基質的必要供體[4]，土壤在形成和演化過程中受多種時空尺度環境因素（氣候、土地利用、海拔、地貌地形等）的控制，因此土壤養分的空間變異特征十分復雜[5-6]。當中小尺度上的氣候差異不顯著時，地形地貌對土壤養分空間變異的影響更為明顯[7]。深入研究土壤養分在空間的變化規律不僅有助于對土壤發育格局的探索，更有助于揭示養分在小區域的空間格局與生態過程、功能之間的關系。對于土壤養分的空間預測在當今已經有很多的研究方法，其中地統計學方法已被證明是分析土壤特性空間分布特征及其變異規律最為有效的方法之一[8]，在國內外都被廣泛使用，如Elbasiouny等[9]、Glendell等[10]、Roger等[11]、Ye等[12]、Dai等[13]均采用此方法進行分析。
夏爾希里地區是新疆維吾爾族自治區省級自然保護區，到目前為止，對該地區的研究主要集中在土壤重金屬、土壤鹽分、土壤環境背景、地表水、植物區系及蝴蝶資源等[14-18]領域，而土壤養分方面的研究很少。筆者以夏爾希里地區為研究對象，以變異函數為工具，將地統計方法與GIS相結合分析夏爾希里地區表層（0～10 cm）土壤養分中的、有效磷、速效鉀的空間變異與空間分布規律。該區域由山地森林區、荒漠區、綠洲區3種地貌類型組成，不同的地貌類型表層土壤養分呈現不同的空間分布規律。研究夏爾希里地區養分的重要意義在于填補該區域對土壤表層養分研究的空白，豐富該地區養分數據庫。由于山地森林區無人為干擾，生態環境較好，研究此處可為其他同類山地表層土壤養分研究比照提供樣本參考，還可以作為同類山地生態系統恢復與重建的參考目標，同時也為干旱區的土壤保護、生態恢復以及土壤可持續利用提供科學參考。因此，對夏爾希里地區的土壤表層養分空間異質性研究有重要意義。
1 研究區概況、數據來源與研究方法
1.1 研究區概況
夏爾希里地區位于中哈（哈薩克斯坦）邊界中方一側，地處新疆博爾塔拉蒙古自治州境內北部阿拉套山南坡山區，地理位置為81°43′09″～82°33′18″E，45°07′43″～45°23′15″N。東西長度為66 km，南北寬度為25 km，總面積為314 km2。由于研究區內地形復雜，山地垂直結構明顯，由山前平原、低山區、中山區、高山區組成，其中面積為36 km2的中低山區有完整的自然環境特征。氣溫在不同海拔高度下各不相同，海拔2 000 m平均氣溫1.1 ℃，海拔1 000 m平均氣溫3.6 ℃[19]。由于研究區遠離海洋，位于干旱區，水源主要來源于阿拉套山體攔截西風環流帶來的降水。降水在不同海拔表現不同，大致呈現隨海拔高度升高而增加的規律，低山帶降水量為 100～250 mm，中山帶為250～450 mm，高山地帶可達到450～600 mm。夏爾希里地區的土壤類型具有明顯的垂直帶分布特性，從高山區到山前平原依次分布著高山亞高山草甸土、灰褐色森林土、山地黑鈣土、山地栗鈣土、灰漠棕土等[19]。研究區內由于地貌特征不同，主要由山地森林區、荒漠區、綠洲區組成。該地區整體受人為干擾作用較小，山地森林區無人為干擾作用，綠洲區和荒漠區域有人類的農業活動。
1.2 土壤樣品采集
根據夏爾希里地區的地貌特征，將研究區劃分為山地森林區、荒漠區、綠洲區3種不同地貌類型進貌行布點，為了便于比較，采樣時盡可能使采樣點均勻分布。根據不同地類型的面積不同，以山地森林區、荒漠區、綠洲區之間面積比例為13∶16∶12進行布置采樣點個數。于2013年8月和2014年10月，在夏爾希里地區采集土壤樣品81個，山地森林區布點26個，荒漠區布點31個，綠洲區布點24個（圖1）。每個樣本點都按照表層土壤（0～10 cm）進行采樣。為了避免誤差對結果影響，采樣時均以先期預定的樣本點為中心，以50 cm為半徑，再取3個（0～10 cm）土樣，將4個（0～10 cm）土壤樣本混合后作為最終樣本。利用GPS對樣本點進行定位，在采取樣本時，同時記錄與樣點有關的立地因子如坡向、坡度、海拔高度等，將樣本裝入袋中并且做好標記。
1.3 土壤樣品處理與測定
將土壤樣本帶回實驗室風干、過0.28 mm篩，以備分析測定有機質（OM）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）。坡向是以度（°）為單位按逆時針方向進行測量，用來識別表面上某一位置處的最陡下坡方向，可將坡向視為坡度方向或山體所面對的羅盤方向。坡面曲率代表土壤凹凸情況，該數值通過運用Arc GIS 10.3提取DEM數據中的坡面曲率得到，土壤有機質（OM）采用重鉻酸鉀方法進行測定，有效磷（AP）采用0.5 mol/LNaHCO3浸提-鉬銻抗比色法進行測定，速效鉀（AK）采用乙酸銨浸提-火焰原子吸收分光光度法進行測定。
1.4 數據處理
通過SPSS 18.0對數據中的最大值、最小值、平均值、標準差、偏度、峰度等特征值進行計算。用SPSS 18.0中的Kolmogorov-Smimov（K-S）模塊對數據進行正態分布檢驗。用SPSS 18.0作環境因子與養分的Pearson相關性。用Minitab 16軟件中的Box-Cox法對不符合正態分布的數據進行轉換。通過GS+軟件進行地統計學的半方差函數的模擬。并用ArcGIS 10.3繪制克里金插值圖。運用經典統計學和地統計學相結合的方法進行分析處理。
1.4.1 半方差函數分析。
半方差函數又稱變差函數，被認為是地統計分析中特有的基本工具。它是距離的函數，主要研究各屬性變量之間在空間上的差異程度，是主要的空間描述性分析工具，被研究者廣泛的應用。其公式如下：
式中，γ（h）代表所求半方差函數值;N（h）代表樣本間隔為h時的點對數;Z（xi）代表的是區域化變量Z（x）在空間位置處xi的實測值;Z（xi+h）代表的是與xi距離為h處的樣點實測值;半方差函數揭示了空間的變異格局，一般認為，半方差函數只有在最大間隔距離的1/2之內才有作用。在變異函數中基臺值（Co+C）、塊金值（Co）、變程（A）是3個重要的參數，塊金值與基臺值的比即Co/（Co+C）代表樣本的空間變異程度。在研究時，若塊金比Co/（Co+C）<25%，認為是空間變量在空間分布上有強烈自相關性，主要由土壤母質、地形、氣候等非人為的結構因素所引起的變異，若25%
1.4.2 克里金插值。
克里金插值法是一種被廣泛應用的插值方法。該研究采用普通克里金方法進行插值。在普通克里金插值中，任意待測點（塊段）x0的實測值Z（x0），通過該待測點（塊段）周圍的n個有效采樣點的Z（xi）的線性組合的到估計值Z#（x0）。
式中，λi為克里金插值中的權重系數，在滿足無偏性條件下，最優性的估計方差為：
2 結果與分析
2.1 表層土壤養分特征統計
將土壤養分的81個樣本數據采用樣本均值±3倍標準差的方法對特異值進行識別，在此范圍之外的值被定義為特異值，用最大值和最小值進行相應的替換。后續的計算均采用處理后的原始數據進行分析。由表1可知：表層土壤養分OM的含量為（3.267±2.25）%、表層土壤養分AP的含量為（6.751±4.85）mg/kg、表層土壤養分AK的含量為（25.82±14.72）mg/kg。變異系數描述數據在空間的變異程度[14]，從變異系數的情況可得，變異系數的范圍為56.99%～7186%，變異系數最大的是AK，為7186%，OM、AP、AK的變異程度均屬于中等變異，變異系數從大到小的順序依次為AK>OM>AP。說明研究區表層土壤養分的AK受外界干擾明顯。通過對養分數據的峰度、偏度進行分析以及對數據進行正態分布檢驗。結果顯示：在5%的K-S檢驗結果中，樣本數據均不符合正態分布要求。在此情況下，用Box-Cox方法對樣本數據進行轉換，將轉換結果再次通過單樣本Kolmogorov-Smimov檢驗，結果表明，所有數據均符合正態分布。
2.2 表層土壤養分半方差函數分析
土壤特性在土壤空間異質性的經典統計分析中，常常被看作是隨機分布，彼此之間相互獨立的。但在實際中，土壤在空間分布上，彼此之間也存在著相互的依賴性。研究區表層土壤養分的空間相關性表明（表2、圖2）：OM在空間的最佳擬合效果符合球面模型、AP的最佳擬合效果符合指數模型、AK的最佳擬合效果符合球面模型。OM、AP、AK在空間的擬合效果均很高，決定系數R2范圍為0.738～0.994，說明三者的擬合模型均能較好的反映表層土壤養分在空間分布特征。研究區表層土壤養分指標的塊金值/基臺值Co/（Co+C）從大到小依次為AK>AP>OM，其中OM、AP的塊金比Co/（Co+C）分別為17.8%、22.1%，從空間上看，表現為強烈的空間自相關。AK的塊金比Co/（Co+C）的值最大，為67.9%，說明空間上存在中等的空間自相關。變程的大小反映了土壤特性的有效空間的自相關距離，OM、AP的變程均較大，分別為7 905.52 m、5 346.75 m，說明OM、AP在空間上的連續性較好。而AK的變程最小，為4 325.64 m，表明AK的空間依賴性較強。
2.3 表層土壤養分空間分布特征
為了更加直觀地反映研究區表層土壤養分有機質（OM）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）含量在空間上的分布特征，通過利用ArcGIS 10.3軟件中的kriging，對土壤養分各要素的半方差模型進行插值分析。分別繪制了土壤有機質（OM）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）3種土壤養分空間分布圖（圖3）。
為了更加直觀地反映研究區表層土壤養分有機質、有效磷、速效鉀含量在空間上的分布特征，通過利用ArcGIS 10.3軟件中的kriging，對土壤養分各要素的半方差模型進行插值分析。分別繪制了土壤有機質（OM）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）3種土壤養分空間分布圖（圖3）。
2.3.1 有機質空間分布特征。
通過圖3（a）顯示：研究區表層土壤有機質的含量大致在0.41%～6.71%范圍內，在分布上主要呈現島狀和條帶狀分布，在圖中81°45′～82°15′E的島狀區域內出現最高值，通過觀察此處為山地森林區，該處幾乎不受人為因素的影響，植物生長茂盛，植物覆蓋度高，枯枝落葉多。由于該區域海拔高、溫度相對較低，枯枝落葉分解速度較慢，導致植物在土壤表層聚集的有機質含量較多。在圖中81°15′～81°40′E、81°42′～82°15′E、82°0′～82°8′E的3個島狀區域內，出現低值區域，此處大部分為荒漠區也有少部分的綠洲區，荒漠區地表植被稀疏，生態環境脆弱極易受到破壞，所以土壤表層有機質含量低。自中部的島狀向外擴散，逐漸形成條狀的分布特征。形成自中部的有機質含量向外部逐漸增多的規律，在中部的荒漠區形成有機質含量低值區，含量范圍為0.41%～1.64%。山地森林區形成有機質高值區，綠洲區有機質含量處于兩者之間，形成山地森林區>綠洲區>荒漠區的分布格局。
2.3.2 有效磷空間分布特征。
從圖3（b）可以看出，土壤有效磷含量在1.71～12.34 mg/kg，有效磷分布主要以島狀和條帶狀為主，在研究區81°30′～82°10′E和82°25′～82°35′E的島狀區域內形成低值區，含量范圍為1.70～3.99 mg/kg。該區域主要為荒漠區，可能與該區域的母質本底值較低有關。自此區域向外擴散，
有效磷含量逐漸增加，在研究區80°50′～81°10′E和82°5′～82°20′島狀區域內形成高值區，含量為892～12.34 mg/kg之間，80°50′～81°10′E區域主要以綠洲區為主，82°5′～82°20′E區域主要以山地森林區為主，但綠洲區有效磷含量明顯高于山地森林區，AP在空間上整體呈現綠洲區>山地森林區>荒漠區的分布格局。
2.3.3 速效鉀空間分布特征。
圖3（c） 反映的是研究區表層土壤養分速效鉀的空間分布特征，在分布上主要以條帶狀為主，并有部分斑塊鑲嵌其中，速效鉀含量大體在10.54～38.15 mg/kg。在研究區的81°35′～81°50′E和82°5′～82°20′E島狀區域內形成速效鉀的高值區，含量范圍為28.73～38.15 mg/kg，該區域大部分為綠洲區，受人為活動影響大，以農作物種植為主，種植作物為棉花，當地農民施鉀肥量較大，所以導致速效鉀含量高。自此區域向外逐漸擴散，土壤養分速效鉀含量逐漸減少。在81°30′～82°0′E島狀區域內，出現速效鉀含量的低值區，含量范圍為10.54～18.77 mg/kg。該區域主要以荒漠區為主，地表植被稀疏，對鉀素吸收能力弱，導致速效鉀含量低。通過觀察可發現，速效鉀含量整體呈現綠洲區>山地森林區>荒漠區的分布格局。
2.4 山地森林區表層土壤養分影響因子分析
夏爾希里山地森林區不受外界干擾，是一個獨立的自然區域，環境因子對土壤養分空間分布特征和變異規律起著非常重要的作用[21]。通過山地森林區土壤養分與環境因子的Pearson相關性（表3）可知：該區域OM、AP、AK均與海拔高度呈負相關關系，其中OM、AK與海拔高度呈極顯著負相關，AP與海拔高度呈顯著負相關;AP、AK與坡度均呈負相關關系，AP與坡度呈顯著負相關，AK與坡度呈極顯著負相關;OM、AK與坡面曲率呈顯著負相關;說明海拔越高坡度越陡的地方表層土壤養分OM、AP、AK的含量越低。
2.5 典型山地森林區表層土壤養分對比分析
由于夏爾希里山地森林區與祁連山青海云杉區的地貌特征與水熱條件均較為一致，因此，將兩地的土壤養分進行對比研究（表4、5），說明二者養分的差異性以及可能原因。通過表3、4可知：夏爾希里山地森林區的表層土壤OM的含量在（5.97±1.78）%、AP的含量在（7.27±6.46）mg/kg、AK的含量在（2295±14.99）mg/kg、祁連山青海云杉區的表層土壤OM的含量為（10.95±3.64）%、AP的含量為（17.86±3.46）mg/kg、AK的含量為（211.49±62.77）mg/kg，祁連山青海云杉區表層土壤養分的均值均較夏爾希里森林區的高，其中AK的均值含量相差最大，為188.54mg/kg。從變異系數上看，夏爾希里山地森林區養分的變異系數范圍為29.88%～88.86%，OM、AP、AK的變異程度均屬于中等變異。祁連山青海云杉林區養分的變異系數范圍19.37%～32.87%，OM、AP、AK的變異程度均屬于中等變異。但夏爾希里山地森林區的AP、AK的變異程度明顯高于祁連山青海云杉區。在這2個區域內，AK的變化規律具有一致性，含量所占比重最大，均明顯高于OM、AP含量。
3 討論
對于土壤中的養分的含量變化、空間分布特征以及養分之間的遷移轉化，不僅受結構性因素（成土母質、氣候、成土過程）還受耕作制度、施用化肥和種植作物類型等人為因素的隨機性因素的共同作用[23-25]。夏爾希里地區地形復雜，地貌類型多樣，由山地森林區、綠洲區、荒漠區組成。山地森林區土壤以森林土為主、荒漠區土壤以灰棕漠土為主，土壤類型和植被種類各不相同，農業種植主要分布在綠洲區域。通過對當地的農戶種植施肥情況觀察可知：農民種植作物主要為棉花，施肥以重施鉀肥為主，形成連年耕種、不倒茬的種植模式。因此，造成夏爾希里地區表層養分空間變異受多種因素影響，主要因素有土壤質地、地貌特征、地形以及施肥管理和種植結構。
夏爾希里山地森林區的養分與環境因子的相關性特征與王華等[26]對喀斯特常綠落葉闊葉混交林土壤磷鉀受環境因子影響的結果較一致。但引起該現象產生的原因可能不同，喀斯特地區溫度高、降雨量大，淋溶作用強烈，可能淋溶作用是主要因素，而夏爾希里山地森林區該季節降雨較少、溫度較低，出現此結果可能是因為植物的表聚作用以及凋落物的影響。夏爾希里山地森林區OM、AP、AK養分含量明顯低于趙維俊等[22]對祁連山青海云杉區研究的養分含量，產生這種現象的主要原因可能與淋溶作用的強度有關，雖然兩地的降水量大致相同，但對于夏爾希里山地森林區而言，該地區降水頻率高，但降水強度小。加之林冠截留和地被植物滲吸作用，地表徑流發育較弱，導致淋溶作用弱，各養分含量相對較低。
限于人力和物力條件要求，該研究只對夏爾希里地區表層土壤的空間異質性以及影響山地森林區表層土壤養分的環境因子和與同類山地森林區表層土壤養分對比進行了分析，未對夏爾希里地區表層土壤養分做出系統評價。如何很好地闡釋在夏爾希里地區不同的地貌類型下采取何種方式對表層土壤養分的保護及合理利用，有待進一步研究。
4 結論
（1）夏爾希里地區表層土壤養分OM、AP、AK含量變化幅度不同，變異程度均為中等變異。
（2）OM、AK的空間變異函數值的最佳擬合模型為球狀模型，AP的最佳擬合模型為指數模型，三者的決定系數均很高;OM、AP表現為強烈的空間自相關，AK為中等空間自相關。
（3）表層土壤OM含量在空間上表為現山地森林區>綠洲區>荒漠區;AP、AK含量在空間上均表現為綠洲區>山地森林區>荒漠區。
（4）山地森林區表層土壤養分分布主要受海拔、坡度、坡面曲率等因子影響。
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