河北壩上地區坡面尺度土壤機械組成的空間變異

鄒心雨, 張卓棟, 吳夢瑤, 萬緣強

(北京師范大學 地理科學學部 防沙治沙教育部工程研究中心，100875，北京)

土壤機械組成是重要的土壤性質，影響土壤的侵蝕、水熱交換等過程，也是水文、生態和環境評價等模型中的重要參數[1-4]，研究土壤機械組成及其空間變異對土壤性質和過程建模、土地管理規劃[5]、水土流失防治等具有重要的意義。

土壤機械組成空間變異存在尺度效應，即在不同的空間尺度上，土壤機械組成的主要影響因子不同，空間變異格局也不同[6]。已有的研究多集中于大中區域尺度，大部分土壤粒級含量具有強烈的空間相關性[7-9]，地形、母質等是土壤質地空間變異的主要影響因素[10-12]。這些研究多運用地統計與GIS相結合方法分析土壤機械組成的空間變異，但多局限于表層[7,9,11,13]，近年來逐漸有研究考慮不同土壤深度的土壤機械組成三維空間變異[10,14]。與大中尺度的研究相比，小尺度土壤機械組成空間變異的研究還較少。而已有的大尺度研究往往掩蓋了土壤機械組成較小尺度的空間分布與變異特征，無法滿足精細的土壤景觀建模、農業生產、土壤侵蝕防治等方面的要求，小尺度土壤機械組成的空間變異是重要的且有待于深入探索的問題[15]。目前僅有的小尺度土壤機械組成空間分布研究涉及紅壤丘陵區[14]、四川盆地[16]等，其空間異質性研究結果有所差異，微地形、植被類型和耕作制度等是小尺度土壤機械組成空間變異的主要影響因素，而這些研究僅限于一般描述性統計分析，缺乏用地統計與GIS相結合方法進行深入、定量的探討。

河北壩上地區位于內蒙古高原南緣、季風氣候尾閭區，屬于典型的農牧交錯帶。近年來隨著人口劇增和土地過度開發，水土流失嚴重[17]。作為京津冀地區阻滯風沙入侵的生態屏障和水源涵養地，壩上地區對首都及其周邊區域的可持續發展具有重要意義[18]。土壤機械組成作為土地質量、土壤侵蝕評價的重要指標，壩上地區有關土壤機械組成空間分布的研究還少見報道，急需開展相關研究。

筆者以坡面為研究尺度，運用地統計與GIS相結合方法研究壩上地區土壤機械組成的空間變異。目標是獲取壩上地區坡面尺度土壤機械組成的三維空間分布與變異特征，進一步確定土壤質地類型的三維空間分布，并分析其主要影響因子，為農牧交錯帶的土壤精細化管理與水土保持工作提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于河北省承德市豐寧滿族自治縣壩上草原，地處內蒙古高原南緣，海拔為1 600 m左右。地貌以多山階地、丘梁地、草灘地和湖淖為主，地勢起伏比較明顯。區域氣候屬中溫帶半干旱氣候，年均溫約為0.6 ℃，年均降水量為400 mm左右，雨熱同期。植被以草本灌木為主，優勢種主要為中華隱子草(Cleistogeneschinensis(Maxim.) Keng.)、散穗早熟禾(PoasubfastigiataTrin.)、黃囊苔草(CarexkorshinskyiKom)等，覆蓋良好，但種類較為單一，結構簡單。主要土壤類型為暗栗鈣土[19]。

本研究選取樣地為大灘鎮二道河村火石溝南側一東坡草地，位于E 116.112°，N 41.534°附近，坡向為88°，坡面東西跨度280 m，南北跨度200 m，總面積為2萬7 000 m2。坡面坡度為14.8°，是典型的豐寧壩上草地丘陵山地地形。

2 材料與方法

2.1 實驗方法

利用Google Earth衛星影像和GPS以網格法在坡面上選定32個采樣點(圖1)，分別位于凸坡(A)、偏凸坡(B)、偏凹坡(C)、凹坡(D)4個條帶上，每個條帶各有8個采樣點，使用Eijkelkamp環刀鉆分別在0～5、5～10、15～20、25～30、40～45和55～60 cm 6個深度下采集土樣，采集的樣品經過風干與研磨，過2 mm篩備用。

采用篩分法和吸管法測定土壤機械組成[20]。土壤依次過1.00、0.50、0.25和0.10 mm標準篩篩分出2.00～1.00、1.00～0.50、0.50～0.25和0.25～0.10 mm共4個粒級顆粒。對吸管法，將<0.10 mm的顆粒洗入沉降筒，測定0.05～0.02、0.02～0.01、0.010～0.005、0.005～0.002和0.002～0.001 mm和<0.001 mm共6個粒級土壤顆粒含量。

2.2 數據分析

根據美國制標準將土壤顆粒劃分為砂粒(2.000～0.050 mm)、粉粒(0.050～0.002 mm)、黏粒(<0.002 mm)3個粒級，分別計算其質量比例。利用SPSS 19軟件進行描述性統計分析，并檢驗數據是否服從正態分布。利用GS+軟件進行地統計分析，得到各層各粒級含量的半方差函數模型及相關參數等。參考地統計學分析結果，在ArcGIS 10.2軟件中進行普通克里金插值，得到各層各粒級含量的空間插值圖，并評價其可靠性；以粒級含量插值結果為基礎，利用柵格計算器功能判斷各層各粒級含量插值結果的土壤質地類型，得到各層土壤質地空間分布圖。利用Origin 8.5軟件制作不同深度各粒級含量箱型圖和土壤質地類型三角圖。

圖1 研究區位置及采樣點分布Fig.1 Location of the study area and distribution of sampling points

3 結果與分析

3.1 描述性統計特征

表1顯示：上部4層土樣的粉粒含量均值最高，下部2層則是砂粒最高；上部2層中砂粒含量最低，下部4層則是黏粒最低。顯著性檢驗結果表明，表層和次表層的砂粒、粉粒含量存在顯著性差異，中間2層和下部2層的砂粒、粉粒、黏粒含量均無顯著性差異。各深度各粒級含量的變異系數分布在9.45%～36.65%之間，根據Nielsen等[21]提出的變異程度分級標準，除0～5 cm層的黏粒含量為弱變異性外，其他各層各粒級均為中等變異，與張娜等[10]對內蒙古河套灌區土壤顆粒含量的研究結果相比，本研究區各粒級含量變異程度更弱，認為本研究區尺度相對較小，區域內差異相對較小，因此變異程度相對較低。各層標準差和變異系數均為砂粒最大，黏粒最小，表明砂粒含量的變異程度更強。K～S正態檢驗結果顯示，各層各粒級含量的P值均遠大于0.05，服從正態分布，可直接進行地統計分析。

表1 不同深度土壤砂粒、粉粒、黏粒含量描述性統計特征Tab.1 Descriptive statistics of sand, silt and clay content at different depths

注：相同粒級土壤顆粒含量在不同深度小寫字母不同表示相同粒級土壤顆粒含量在不同深度差異顯著(P<0.05)。Notes: Different lowercase letters at different depths indicate significant differences in soil particle content of the same size at different depths (P<0.05).

3.2 土壤機械組成空間變異特征

表2是各變異函數理論模型的參數表。各深度各粒級含量均為高斯模型和球狀模型，除表層外，各變異函數的決定系數R2在0.6～0.9之間，擬合精度較高。塊金值C0表示實驗誤差和小于實驗取樣尺度所引起的變異，即隨機部分的空間異質性，較大的塊金值C0表明較小尺度上的某種過程不容忽視[22]。整體上各深度各粒級含量的塊金值C0均較小，表明小于最小取樣尺度影響土壤機械組成空間變異的過程較小。其中砂粒和粉粒的塊金值C0較大，且整體隨深度增加而增大，表明砂粒和粉粒的實驗誤差相對于黏粒較大，或小于最小取樣尺度(最小采樣間距為15 m)影響砂粒和粉粒含量空間變異的過程相對于黏粒較強，且隨深度增加，該過程有增強的趨勢。基臺值C0+C反映區域化變量變化幅度的大小，總體上，砂粒的基臺值C0+C大于粉粒大于黏粒，表明研究區砂粒的空間變異更強。隨著深度的增加，各粒級的基臺值C0+C呈先增后減再增的波動增加趨勢，表明隨著深度增加各粒級含量的空間變異性有增強趨勢，這與Paterson等[15]在0～60 cm深度內隨深度增加土壤質地空間變異有增強趨勢的研究結論一致。本研究基臺值C0+C結果與馮娜娜等[14]對小尺度蒙頂山茶園表層土壤顆粒含量的基臺值C0+C研究結果大致相當，且均小于江厚龍等[9]、張娜等[10]對大中尺度煙田、河套灌區土壤顆粒含量基臺值C0+C的研究結果，認為大尺度土壤機械組成空間變異強于小尺度。塊金值C0和基臺值C0+C之比塊金系數C0/(C0+C)表示隨機部分的空間異質性占總空間異質性的大小。大部分深度大部分粒級含量的塊金系數C0/(C0+C)均低于25%，表明大部分深度大部分粒級含量具有較強的空間相關性，40～45 cm深度的砂粒、粉粒以及55～60 cm深度的粉粒含量具有中等程度的空間相關性[23]。變程反映了區域化變量空間自相關范圍的大小，整體各粒級含量的變程隨深度增加呈先增后減再增的波動增加趨勢，表明隨深度增加，各粒級含量的空間變異尺度增加，這與表層受人為因素干擾較大有關。

表2 不同深度砂粒、粉粒、黏粒含量半變異函數理論模型及相關參數Tab.2 Theoretical model and related parameters of semivariogram of sand, silt and clay contents at different depths

各層各粒級含量的空間插值結果與研究區三維地形疊加結果如圖2所示。從圖2可知，整體上砂粒和粉粒含量較高，黏粒含量相對較低。除表層外，土壤黏粉砂含量均呈較明顯的漸變規律。整體上砂粒含量高值區出現在更易受土壤侵蝕的凸坡、坡上和坡中，低值區出現在凹坡和坡下，土壤粉粒和黏粒含量的空間變異特征與砂粒含量相反，高值區出現在凹坡和坡下，低值區在凸坡、坡上和坡中，這與王冬冬等[14]、陳曉燕等[24]和趙明月等[25]的研究結果一致。土壤砂粉黏含量的分布走向多沿凹凸地形條帶，其中凸坡和偏凸坡的坡中處多分布半圓形斑塊，斑塊內砂粒含量高于周邊區域，粉黏粒含量則與之相反。表層的砂粒和粉粒含量較均一，粉粒含量高于砂粒，隨深度增加，砂粒含量整體呈增大趨勢，粉粒含量呈減少趨勢，至55～60 cm層時砂粒含量已高于粉粒。不同層黏粒含量總體比較穩定，其中5～10 cm層具有相對較大范圍的黏粒含量高值區，主要位于凹坡的中下坡處。

圖2 不同深度土壤砂粒、粉粒、黏粒含量空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of sand, silt and clay content at different depths

不同坡型下土壤機械組成隨深度變化箱式圖如圖3。垂直方向上，砂粒含量整體呈增-減-增-減的波動增加趨勢，拐點深度分別為20 cm、30 cm和45 cm。粉粒含量的變化趨勢與砂粒相反，為減—增—減—增的波動減少，拐點深度與砂粒相同。黏粒含量在不同深度下相對穩定，整體的增減趨勢不明顯。這與東北典型黑土區[26]和壩上地區中度退化草地[27]土壤機械組成垂直方向的變異規律相同，與部分學者的砂粒含量隨深度減少，黏粒含量隨深度增加的研究結論不一致[14,28]，這是研究區土壤特性與植被類型不同的結果。前者研究區為沙蓋黃土丘陵區，因此表層砂粒含量高；而后者植被類型為橘園地，植物根系深，黏粒含量在垂直方向的遷移率大，因此黏粒含量隨深度增加，而砂粒含量隨深度減少。各深度不同粒級含量在不同坡型下有差異，砂粒含量表現為凸坡>偏凸坡>偏凹坡>凹坡，粉粒和黏粒則與之相反，表現為凸坡<偏凸坡<偏凹坡<凹坡。

圖3 不同深度砂粒、粉粒、黏粒含量箱型圖Fig.3 Box diagram of sand, silt and clay content at different depths

3.3 土壤質地類型及其空間變異

圖4 研究區土壤質地類型三角圖Fig.4 Triangular map of soil texture type in the study area

由研究區土壤質地類型三角圖(圖4)可知，研究區所有土壤樣本的質地類型共有5種。其中：最主要的類型為黏壤土，占總樣本數的70.79%；其次是粉質黏壤土和壤土，分別占9.90%和9.41%；砂質黏壤土占7.92%；砂質壤土最少，只占1.98%。質地類型三角圖中土樣呈線狀分布，且垂直跨度最小，即黏粒變化范圍最小，這與圖3結果一致。

不同深度土壤質地類型空間分布預測結果如圖5。研究區各層土壤中分布最廣泛的質地類型是黏壤土，這與圖4結果一致；僅次于黏壤土的類型是粉壤土和粉質黏壤土，而壤土占比最小，這與圖4顯示的有較大差異；預測圖顯示研究區6個深度的質地類型雖然也有5種，但相對于圖4新增了“粉壤土”這一類型，缺少“砂質壤土”。這是因為樣點的屬性值在插值后發生變化，從而導致其質地類型的判斷發生變化，進而影響整個區域土壤質地類型的預測結果。不同深度土壤質地空間分布均呈以一種質地類型廣泛分布，其他質地類型鑲嵌分布的特點，這與Safari等[29]制作出的伊朗Shahrekord平原3種深度下土壤質地空間分布圖的特點一致。上部2層土壤質地類型較單一，多為黏壤土，少部分為粉壤土；中間2層土壤質地類型最多，共有4種，比上部2層多了砂質黏壤土和粉質黏壤土；下部2層共有3種土壤質地類型，其中55～60 cm深度的粉壤土比例相對最高，并出現壤土。從坡型看，不同深度偏凹坡的質地類型均為黏壤土，凸坡質地類型的變異性最強。

圖5 不同深度土壤質地類型空間分布Fig.5 Spatial distribution of soil texture at different depths

3.4 坡面尺度土壤機械組成空間變異形成機制及意義

地統計結果表明壩上地區坡面尺度0～60 cm土壤大部分深度大部分粒級含量均具有較強的空間相關性，與馮娜娜等[16]的研究一致。隨著深度增加，各粒級含量空間變異呈波動增強的趨勢，土壤質地類型也表現為表層類型較單一，中下層類型較多(圖5)。土壤機械組成與土壤質地大致呈沿坡型漸變、坡中間雜斑塊的空間分布特征(圖2、圖5)，表明坡型和坡位是影響土壤機械組成空間變異的重要因素。

坡面是重要的水土流失單元，坡度和坡長等地形因子影響坡面土壤侵蝕強度和方向[30]，導致土壤顆粒在坡面內的再分配。粒徑較小的黏粒和粉粒在水流動能相同的條件下比砂粒更容易被水流侵蝕、搬運[31]，因而坡上和凸坡的砂粒含量更高。研究區凸坡和偏凸坡的坡中部有一微小的地形凸起，因此凸坡、偏凸坡的坡中處呈現半圓形斑塊特征，斑塊內砂粒含量偏高，粉粒和黏粒含量偏低。王雪妍等[32]對同一坡地根系生物量的研究表明，研究坡5～10 cm深度凹坡的坡中、坡下處根系生物量較高，這與圖2黏粒含量在5～10 cm深度的空間分布規律一致。地形能影響土壤水分與養分等植物生境條件的空間再分配[33]，而植物根系能改善土壤結構、保持水土，同時還能分泌有機酸等促進礦物風化，提高黏粒含量[1,22]。此外，人類活動也是土壤機械組成空間分布的影響因素之一，表層受人為因素干擾大，土壤機械組成分布較為均一，隨著深度增加，人為因素干擾減少，土壤機械組成空間變異有增強趨勢。

在本研究區這一坡面尺度上有5種不同的土壤質地類型，而內蒙古河套灌區大尺度上的土壤質地類型為6種[10]，伊朗Shahrekord平原的質地類型僅有4種[29]，表明壩上地區坡面尺度與其他大中尺度土壤質地類型數量相當，這進一步驗證了Paterson等[15]的小尺度土壤質地空間變異的研究同樣重要的觀點。研究區表層土壤質地類型均較單一，而中層和深層土壤質地類型空間變異較強，因此在今后的研究中不同深度上土壤性質的空間變異不容忽視。即使在土壤質地類型較為單一的表層，0～5 cm層的黏粒含量仍呈現較大的空間變異，在5～10 cm層，黏粉砂含量均有較明顯的空間變異，土壤機械組成能比土壤質地類型反映出更精細的空間差異。在研究中可根據不同的需求選擇使用土壤機械組成或者土壤質地參數，這些參數在小尺度的空間變異不容忽視，能為更精細的土地管理與水土流失治理提供重要的信息。這些小尺度土壤機械組成空間變異規律可進一步服務于更大尺度的土壤性質預測與制圖，以提高其模擬與制圖的精度。

4 結論

坡面尺度大部分深度的大部分粒級含量具有較強的空間相關性，砂粒的空間變異性最強。隨著深度的增加，土壤砂粒含量波動增加，粉粒含量波動下降，黏粒含量則比較穩定，且土壤機械組成空間變異性有增強趨勢。凸坡、坡上和坡中的砂粒含量高，粉粒和黏粒則與之相反。坡型和坡位是坡面尺度土壤機械組成空間變異的主要影響因素。本坡面主要土壤質地類型為黏壤土，共有5種土壤質地類型，與大尺度土壤質地類型數量相當，表明了小尺度土壤機械組成空間變異研究的重要性。本研究可為小尺度更精細的土地管理與水土流失治理提供重要的信息，同時也可以進一步服務于更大尺度的土壤性質預測與制圖，提高其模擬與制圖的精度。

感謝北京師范大學地理科學學部高曉飛高級實驗師在土壤實驗方面提供的指導，感謝肖人杰、朱瑜在土壤樣品準備與處理方面提供的幫助。