冒山小流域不同地形和土地利用下的土壤養分空間變異特征

秦富倉， 牛曉樂， 楊振奇， 馬鑫， 任小同

(內蒙古農業大學沙漠治理學院，呼和浩特 010018)

土壤是人類生存和發展的基礎，土壤生態系統的重要組成部分是土壤養分，土壤養分是促使植物生長的物質保障[1-2]。土壤養分受母巖等因素的影響具有一定空間自相關性，同時受地形、植被等自然因素以及人類活動綜合影響，又具有高度的空間異質性[3-5]。不同的地形條件導致土壤中養分分布狀況不同，在不同海拔、坡度和坡向等地形因子下，土壤的水熱分配和物質運移存在差異，地形條件的改變影響著土壤養分狀況的變化[6-7]。各種土壤養分特征隨地形和土地利用等因素的影響而發生變化[8-9]。國內外學者對土壤養分空間變異特征的研究，在不同尺度下分析不同土地利用方式、不同植被覆蓋和不同景觀格局下的土壤養分空間分布差異[10-11]。李超等[12]對云貴高原耕地土壤養分的空間分布特征及影響因素做了相關研究；宋軒等[13]分析研究了小流域土壤養分分布與地形的關系并建立了回歸預測方程；王雪梅等[14]分析了不同土地利用方式下土壤養分差異；朱菊蘭等[15]針對地形和土地利用對表層土壤養分空間變異的影響做了相關研究。

緩坡漫崗區地形復雜多變，土地利用方式多樣，地形因子與土地利用方式交互作用不可忽視。目前為止，對東北黑土區小流域土壤養分空間變異的研究還未見報道，針對地形因子與土地利用方式交互作用的研究也未見。因此，本文選取東北黑土區冒山小流域海拔、坡度等地形因子和土地利用因子，進行實地調查，野外土壤樣品采集，利用GPS、ArcGIS、GS+和SPSS等軟件，采取統計分析和地統計學等方法，進一步探討地形和土地利用對土壤養分含量的影響，以期為冒山小流域合理利用土地提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區興安盟扎賚特旗巴彥高勒鎮冒山小流域(N46°44′58″，E122°48′18″)，氣候類型屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫3～6 ℃，多年平均降水量350～400 mm，6—8月為降雨集中的月份，無霜期120～140 d。小流域土地總面積4.46 km2。耕地3.89 km2，占土地總面積的87.22%；林地0.38 km2，占土地總面積的8.52%；草地0.19 km2，占土地總面積的4.26%。地形為緩坡漫崗，坡度范圍0°～22°，土壤類型主要有黑鈣土、栗鈣土、暗棕壤，pH 6.5～8.5，微堿性；土壤容重1.21～1.49 g·cm-3；常年種植玉米、大豆和綠豆，一年一熟耕作制度，無灌溉條件。

1.2 樣點采集

本研究于2018年秋在冒山小流域內，根據《全國耕地地力調查與質量評價技術規程》規定，按照代表性、均勻性和連續性的采樣原則，同時考慮地形等因素，在GPS定位技術支持下布設樣點，進行“一點多坑”的采集0～20 cm的表層土壤，采用S法每個樣點設置5次重復，充分混合后用四分法取約1 kg土壤作為樣品，耕地、林地和草地共收集樣點200個(圖1)。

圖1 土壤樣點分布

1.3 項目測定及方法

在實驗室內，土樣經過風干、研磨過篩等處理后，進行土壤養分含量測定。測定指標包括有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀。堿解氮采用堿解擴散法測定，速效磷采用碳酸氫鈉提取鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用醋酸銨-火焰光度計法測定，有機質采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[16]。

1.4 數據處理

采用IBM SPSS Statistics19軟件做描述性與統計分析處理，分析土壤養分含量平均值、標準差、變異系數和地形因子與土壤養分的相關系數等；利用GS+9.0分析土壤養分半變異函數及理論模型；基于1∶1萬地形圖數據，利用ArcGIS軟件進行校正配準矢量化，運用軟件的自動提取功能，對其進行分析處理，得到坡度、坡向和高程等地形要素信息，運用ArcGIS 10.0軟件中Spatial Analyst模塊進行土壤養分克里金空間插值，得到冒山土壤養分空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 土壤養分空間變異性

2.1.1土壤養分的統計特征 原始采樣點總計200個，樣點分布相對均勻。研究區土壤養分描述性統計特征見表1。冒山小流域土壤養分分布符合正態分布，土壤有機質含量在17.44～57.38 g·kg-1范圍內，平均值為35.12 g·kg-1；堿解氮含量在42.13～221.55 mg·kg-1范圍內，平均值為118.25 mg·kg-1；速效磷含量在4.28～40.76 mg·kg-1，平均值為22.97 mg·kg-1；速效鉀含量在42.65～227.58 mg·kg-1，平均值為130.62 mg·kg-1。由變異系數可知，各土壤養分指標變異系數均處于17.34%～40.81%，均為中等變異。根據全國第二次土壤普查養分分級標準[17]，研究區內土壤有機質處于豐富水平，堿解氮處于中上水平，速效磷處于豐富水平，速效鉀處于中上水平。表1顯示，有機質變異系數為17.34%，與其他養分含量指標相比，其變異系數較小，表明有機質相對較穩定，受機構性因子影響較大。研究區內堿解氮變異系數為40.81%，是所有指標變異系數最大值，表明堿解氮受結構性因子和隨機因子共同影響，研究區內地形因子、植被特征、土地利用方式和人類活動等情況均有所不同，對堿解氮空間變異性影響較大。

表1 土壤養分描述性統計分析

2.1.2土壤養分的空間變異特征 變異系數只能反映樣本的總特征，并不能反映各土壤養分的隨機性、結構性和空間變化規律，而地統計學可以較好地反映其空間變異性[18]。本研究采用地統計學對土壤養分數據進行分析，利用GS+9.0軟件對冒山小流域的土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀的空間變異性進行半方差模型擬合，得到各土壤養分的半方差函數理論模型及相關參數(表2)。

表2 土壤養分變異函數最優理論模型及相關參數

根據表2對小流域的各土壤養分做空間變異性特征分析，土壤有機質、速效鉀兩指標采用高斯模型，堿解氮、速效磷兩指標采用指數模型，均具有較好的擬合效果(R2>0.959)。土壤養分異質性是由結構因素和隨機因素共同影響的結果。塊金值(Co)只表示由人類活動等隨機因素引起的變異，基臺值(Co+C)表示區域內變異的整體特征，包含結構性變異和隨機性變異，基臺值越高表示整體總空間異質性越高[19]。本研究速效鉀基臺值最低，表示其總的變異性最低；堿解氮基臺值最高，表示其總的變異性最高。塊金系數[Co/(Co+C)]是反映隨機因素引起的空間異質性占全部系統總異質性的比重，是體現區域內變量空間相關程度的重要指標，當Co/(Co+C)<0.25時，表示變量具有強烈的空間自相關性，即主要影響因素是結構性因素(地形、土壤母質等)；當0.250.75時，表示變量具有較弱的空間自相關性，即主要受隨機因素(翻耕、施肥等)的影響[20]。在研究區內，土壤養分的空間相關性Co/(Co+C)介于0.675～0.838之間，變化不大。其中土壤有機質和速效鉀塊金系數分別為0.677和0.675，處于0.25～0.75范圍內，說明這兩種土壤養分的分布具有中等空間相關性，受結構性因素和隨機性因素共同影響。土壤堿解氮和速效磷塊金系數分別為0.838和0.766，大于0.75，表明變量空間自相關程度較弱，受田間管理、增施肥料及耕作等人為的隨機因素影響較大。

2.1.3土壤養分的空間分布 根據表2得出各土壤養分的半方差函數模型，利用ArcGIS 10.0軟件的空間差值模塊進行克里格空間差值，得到土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的地理空間分布圖(圖2)。可以看出，冒山小流域土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀平均含量由西北向東南遞增，在流域中間位置較東西兩側偏高，這是因為東西兩側地勢較高，土壤粗骨性較大，而中間位置地勢較低，較為平坦。

圖2 土壤養分空間分布

2.2 地形因子對土壤養分的影響

2.2.1海拔對土壤養分的影響 為每個采樣點賦予海拔高度屬性值，基于地形圖矢量數據，運用ArcGIS軟件提取研究區海拔信息，利用空間分析模塊的重分類功能將研究區海拔劃分為4個等級，分別為250～275、275～300、300～325、325～338 m，繪制海拔分級圖(圖3)。統計各海拔等級所占研究區的面積比例，利用SPSS軟件分析海拔與土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的Pearson簡單相關系數，以分析土壤養分與地形因子的相關程度，計算結果見表3。

由表3可知，海拔分布在2、3等級的較多，分別占研究區總面積的35.65%和33.86%。海拔因子和土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀之間存在極顯著的相關關系。每種土壤養分的相關程度與相關方向基本一樣，均呈負相關，即隨著海拔高度的增加，表層土壤養分含量隨之減少。單因素方差分析的P值均小于0.01，表明海拔高度對土壤養分的影響顯著。在海拔較低的區域，地勢較為平坦，主要分布著大量耕地，在耕作過程中會增施有機肥等肥料，土壤有機質等養分含量相對較高；在海拔較高區域，土壤粗骨性較大，礫石較多，且耕地分布面積占比相對較少，土壤有機質等養分含量相對較低。

表3 土壤養分含量與海拔的關系

2.2.2坡度對土壤養分的影響 研究區坡度范圍為0～21.7°，根據《水土保持綜合治理》對坡耕地治理的相關規定，利用ArcGIS軟件進行重分類，將坡度分為4個等級，分別為0°～5°、5°～8°、8°～15°、>15°，繪制坡度圖(圖3)。統計各坡度等級面積以及所占面積比例，利用SPSS軟件分析土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀與坡度的Pearson簡單相關系數，以分析坡度與土壤養分的相關程度，計算結果見表4。

由表4分析可知，分布在0°～5°的區域占研究區總面積的71.52%，只有將近1%的區域分布在15°以上的坡度。土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀含量均隨坡度的增大逐漸減小，存在顯著相關關系，方差分析結果均小于0.01。第1、2、3等級間，表層土壤養分含量變化較大；第3與第4等級，表層土壤養分含量差值較小。坡度較小的區域主要分布著耕地，土壤各養分含量明顯較高且相對集中；坡度較大的區域分布著林地和草地，且土壤粗骨性加大，礫石含量較多，土壤表層養分含量較低；且有部分退耕還草和退耕還林的草地，退耕年限較短，在原為耕地時，表層土壤流失嚴重，土壤養分也有所流失，養分含量較低。

表4 土壤養分含量與坡度的關系

2.2.3坡向對土壤養分的影響 在ArcGIS軟件空間分析模塊下利用地形圖矢量數據提取坡向因子，采用數字地形分析常用的“八方向法”對坡向進行重分類劃分[21]，生成坡向分級圖(圖3)。統計各坡向面積占比，用SPSS軟件分析土壤養分與坡向的Pearson簡單相關系數，以分析坡向與土壤養分的相關程度，計算結果見表5。

圖3 地形因子分級

由表5可以看出，研究區陽坡面積占比較大，為83.63%，陰坡面積占比15.47%，平地面積占比0.90%。通過對坡向與土壤養分做相關分析可知，坡向因子與土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀之間有一定的相互關系，但相關系數很小。本研究區面積較小，且陽坡面積占小流域總土地面積的80%以上，由此可見，此范圍尺度下的坡向因子與土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的相關關系不顯著。

表5 土壤養分含量與坡向的關系

2.3 土地利用方式對土壤養分的影響

根據《土地利用現狀分類》[22]將我國土地分為8個一級類：草地、林地、園地、耕地、居民點及工礦用地、交通用地、水域及未利用地。本小流域內只涉及草地、林地、耕地3種土地利用類型(表6)。耕地的土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀平均含量相對較高，分別為35.71 g·kg-1、123.29 mg·kg-1、23.81 mg·kg-1和135.21 mg·kg-1，除速效鉀含量處于中上水平，其余均處于豐富水平。林地的土壤養分平均含量處于耕地和草地之間，除有機質含量處于豐富水平，堿解氮、速效磷、速效鉀含量均處于中上水平。草地的土壤養分含量相對最低，有機質平均含量30.12 g·kg-1，處于豐富水平，堿解氮和速效磷平均含量分別為70.78 mg·kg-1和16.59 mg·kg-1，均處于中上水平，速效鉀平均含量為98.88 mg·kg-1，處于中下水平。各土地利用類型下有機質和速效鉀變異系數相對較小，變異范圍為15.59%～44.19%。林地的堿解氮和速效磷變異系數較大，變異系數分別為61.71%、44.19%，主要因為植被覆蓋度、土壤母質、土壤粗骨性等不同會影響其空間變異性。

表6 不同土地利用類型的養分含量特征

2.4 地形因子與土地利用交互作用對土壤養分的影響

對海拔、坡度和坡向3種地形因子與土地利用方式交互作用下的土壤養分含量進行分析，土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的F值見表7。由表7分析可知，研究區內海拔因子與土地利用方式對土壤有機質和堿解氮相互影響作用顯著，而對速效磷和速效鉀的相互影響作用不顯著；坡度因子和坡向因子與土地利用方式對土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的相互影響作用不顯著。

表7 地形因子與土地利用類型的雙變量方差分析

從海拔高度來看，海拔高低對土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的含量均有顯著影響。土地利用方式對土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀均不存在顯著影響；土地利用方式對4種土壤養分的影響作用由大到小依次為有機質(1.827)>堿解氮(0.502)>速效鉀(0.119)>速效磷(0.069)。研究區內海拔因子與土地利用方式對土壤有機質和堿解氮交互影響作用顯著，影響程度有機質(F=4.736)大于堿解氮(F=3.172)；而對速效磷和速效鉀的相互影響作用不顯著，影響程度速效鉀(F=2.154)大于速效磷(F=2.088)。從坡度因子來看，坡度大小對土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的含量均有顯著影響。土地利用方式對4種土壤養分均不存在顯著影響；土地利用方式對4種土壤養分的影響作用由大到小依次為速效磷(F=0.626)>速效鉀(F=0.466)>堿解氮(F=0.206)>有機質(F=0.133)。研究區內坡度因子和土地利用方式對土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的交互作用均不顯著，影響程度由高到低依次為速效磷(F=0.579)、有機質(F=0.552)、堿解氮(F=0.342)、速效鉀(F=0.292)。從坡向因子來看，坡向對4種土壤養分沒有顯著影響。土地利用方式對四種土壤養分的影響作用由大到小依次為堿解氮(F=1.785)>速效鉀(F=1.718)>速效磷(F=1.679)>有機質(F=1.386)。土地利用方式對4種土壤養分的影響均不顯著。坡向因子和土地利用方式對4種表層土壤養分交互作用均不顯著，影響程度由高到低依次為速效磷(F=0.276)>有機質(F=0.264)>堿解氮(F=0.256)>速效鉀(F=0.089)。

2.5 海拔與土地利用方式交互作用下的土壤養分分布特征

對不同海拔等級和土地利用方式下的研究區0～20 cm表層土壤養分的平均含量做進一步探究，分析結果見表8。由表8可知，在同一海拔等級不同土地利用方式下，土壤養分平均含量存在差異。如在325～338 m海拔等級，耕地、草地和林地均有分布，土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的含量在耕地中最高，分別為26.17 g·kg-1、49.36 mg·kg-1、12.84 mg·kg-1和70.39 mg·kg-1；而土壤有機質、速效磷和速效鉀的含量在林地中含量最低，分別為22.90 g·kg-1、7.41 mg·kg-1和47.48 mg·kg-1，堿解氮平均含量在草地中最低，為43.02 mg·kg-1。在275～300 m海拔等級中，除堿解氮平均含量在林地中最低外，其他3種土壤養分分布規律與325～338 m海拔等級一致。250～275 m海拔等級只有耕地和林地分布，與其他海拔等級不同，土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的含量均是林地高于耕地，這主要由于林地枯枝落葉較多，腐殖質層較厚，各土壤養分含量較高。研究區內，在同一土地利用方式下，不同海拔高度對表層土壤養分含量有顯著影響，如林地在不同海拔等級區域內的表層土壤養分含量均不同，在海拔等級250～275 m范圍內養分含量最高，在海拔等級325～338 m范圍內養分含量最低。在不同土地利用方式與不同海拔高度之間的表層土壤養分含量也有明顯差異。在海拔等級250～275 m和300～325 m區域內，林地表層土壤各養分含量均大于耕地，而在海拔等級275～300 m和325～338 m范圍內，耕地表層土壤各養分含量大于林地。

表8 海拔與土地利用方式交互作用下的土壤養分分布特征

3 討論

以往土壤養分空間分布研究在空間差值時一般只采用球狀模型或高斯克里格模型等一種模型做差值，與此不同，本研究在地統計學基礎上，將GS+和GIS相結合的方法，擬合測算不同模型，最終根據各模型的最優參數選擇差值模型，以此來提供差值精度。

自然和人為因素綜合作用決定著土壤養分的空間分布和變異特征[23]，在不同地區影響土壤養分的因素也有所不同。孟陽陽等[24]綜合分析了部分研究學者的研究成果，有的研究表明地形是影響速效磷的主導因素，有的學者認為是海拔影響土壤養分的分布，還有學者研究表明海拔不是影響土壤養分空間分布的因素。本研究結果表明，海拔和坡度均是影響土壤養分空間分布的主要因素。

不同土地利用方式下土壤養分含量不同。蔣文惠[7]針對土地利用對山區土壤養分的影響研究表明，草地和林地的有機質、氮和磷的含量均高于耕地；朱菊蘭等[15]針對渾河太子河流域研究結果表明，草地和林地的有機質、氮和磷的平均含量要高于水田和旱地。本研究表明，耕地的土壤養分平均含量高于林地和草地。這主要由于部分耕地和草地是由原來的坡耕地退耕還林、退耕還草后形成的，在原來是坡耕地的時候，水土流失嚴重，土層變薄，土壤養分降低，而退耕還林還草年限較短，土壤養分還未恢復提高；蔣文惠[7]和朱菊蘭等[15]的研究區域中是天然林地和天然草地，凋落物較多，腐殖質層較厚，人為干擾較少，故土壤養分含量較高。

本文研究了小流域土壤養分空間變異特征，探究了地形因子(海拔、坡度、坡向)和土地利用方式及其對土壤養分空間分布的影響，在取得成果的同時又存在一些不足，在下一步工作中需要進一步完善；本研究只探討了4種土壤養分的空間分布，在后期研究中可以增加土壤養分中的其他重金屬元素或微量元素等；在分析對土壤養分空間分布影響因素時，只分析了地形因子和土地利用方式，未考慮其他的因素，如土壤有效土層厚度、土壤礫石度等情況，在后期研究時要加以分析。