環境因子對四子王旗荒漠草原土壤速效磷分布的影響

曲文靜

(內蒙古師范大學地理科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022)

引言

土壤是自然地理要素、人類活動和時間綜合作用的產物，是一個復雜的開放系統，是地球表層系統的重要組成要素，與自然界的其它因子相互作用，不斷進行物質循環和能量交換[1]。土壤中的磷是作物生長必需因素,也是最重要的限制因子[2]。土壤中的磷主要來源于未完全分解的動植物殘體和土壤母質，農田土壤施肥也是很重要的一部分[1]。土壤速效養分是反映土壤肥力特征的重要指標，植物所需要的氮、磷、鉀等營養元素直接來源于土壤速效養分[3]。磷參與植物的光合作用，土壤中速效磷含量的多少與植物生長發育關系密切。因此，研究土壤速效磷含量的空間分布及其影響因素對于研究土壤肥力高低、評估土壤可持續利用潛力及區域土壤的高效管理有重要意義。人類在利用土壤資源進行物質生產的過程中，可以通過有意識地改變土壤與其它因子的物質能量遷移轉化過程和成土方向，如施肥、灌溉、排水、疏通、改良土質等使土壤質量不斷提高，從而提高土壤的農林牧生產能力。

溫度和降水等環境因子對土壤微氣候產生改變，導致海拔、水分等差異[4]。這種氣候的改變強烈影響土壤的生物、化學過程[5],導致磷元素的分布差異性。一些學者[6,7]在地統計學與地理信息系統的理論方法指導下，運用克里金插值方法，對土壤樣本數據進行插值，從而得出土壤養分含量的總體分布格局。因此，本文運用空間插值等方法研究荒漠草原速效磷的空間分布特征，以期為荒漠草原土壤磷的調控與循環模式提供數據支撐與科學參考，從而達到維護草原生態系統的穩定與草原的可持續利用。

1 材料與方法

1.1 研究區概述

四子王旗位于內蒙古自治區烏蘭察布市的西北部，地理坐標為E110°19′53″～112°59′37″，N41°11′32″～43°22′31″，東面與其毗鄰的是錫林郭勒盟蘇尼特右旗，南面與其相連的是呼和浩特市武川縣，西面為包頭市達爾罕茂明安聯合旗，北面則與蒙古國接壤，轄區總面積為25516km2[8]。地形從南至北分別為陰山山脈北緣、烏蘭察布丘陵和蒙古高原，總的趨勢為東南高西北低，海拔1000～2100m。該旗地處溫帶，屬于典型的大陸性干旱氣候，冬季寒冷干旱，多寒潮天氣；夏季暖濕，降水少而集中，日照充足。春秋兩季多風且氣溫變化劇烈，四季更替明顯。四子王旗境內南部為山地丘陵，北部為荒漠草原，在干旱的氣候條件下，形成了以棕鈣土為優勢的地帶性土壤，研究區內棕鈣土主要分為典型棕鈣土、鹽化棕鈣土和淡棕鈣土[9]。在局部區域有栗鈣土、草甸土和草甸栗鈣土等類型的土壤，全區大部分土地利用為中覆蓋度草地，其它地區有鹽堿土、高覆蓋度草地和低覆蓋度草地等。該旗屬于典型的農牧交錯帶，生態環境十分脆弱，土壤貧瘠且易發生水土流失和沙漠化現象。

1.2 樣品采集

2019年9月在內蒙古荒漠草原典型區四子王旗境內進行野外數據采集工作。研究區內的用地類型多種多樣，為了使樣本能夠代表總體樣本的特征，采用系統網格抽樣方法進行采樣。共選取了18個采樣點，采集土樣108個，如圖1所示。以采樣點位置為中心，設置邊長為2m的等邊三角形，將三角形的3個頂點作為樣品采集的位置，用直徑為10cm的土鉆采取6層土樣，土層深度分別為0～5cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm、20～25cm和25～30cm。均勻混合3個采樣位置相同深度的土樣，該土樣即為該樣點在該層的土樣，取180g混合樣品裝在密封袋中，按照此方法采集完108個土樣，即完成野外數據采集工作。

1.3 樣品處理及其它數據來源

將采集的土樣帶回實驗室，待土樣自然風干后，除去其中的植物草根和石塊等雜質，進行研磨，使其全部通過1mm和0.15mm孔徑的篩子，裝進分裝袋留存備用。采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定土壤速效磷含量。土壤利用數據下載于中國科學院資源環境科學數據中心網站(help://www.resdc.cn)，氣溫和降水數據下載于中國氣象科學數據共享服務網(help: //cdc.cma.gov.cn)。

1.4 方法與數據處理

利用IBM SPSS Statistics 25和Excel 2016對研究區土壤速效氮和速效磷含量進行描述性統計分析，計算均值、最大值、最小值、標準差和變異系數等。土壤速效磷的空間分布采用普通克里金插值方法在ArcMap 10.7中進行。普通克里金插值方法的一般公式：

式中，Z(X0)表示預測值；n表示采樣點的數目；λi代表權重；Z(Xi)是測量點的實測值。土壤速效磷與各影響因子之間的關系采用相關性分析方法在IBM SPSS Statistics 25中進行。為進一步明確不同影響因素對于土壤速效磷的影響程度，在IBM SPSS Statistics 25中對各影響因素進行逐步回歸分析。

2 結果與分析

2.1 土壤速效磷含量描述性統計分析

如表1所示，研究區各土層的土壤速效磷含量的平均值介于4.722～7.021mg·kg-1，表層土壤中的速效磷含量顯著高于下層土壤，25～30cm土層土壤速效磷含量最少，研究區土壤速效磷含量平均值明顯地隨著土層深度的增加而減少。從均值來看，對照全國第2次土壤普查養分分級標準，研究區土壤速效磷含量除25～30cm土層屬于五級標準，其它土層都屬于四級標準，總體上屬于中等偏下水平，速效磷含量都比較缺乏。

表1 四子王旗荒漠草原典型區土壤速效磷、速效氮含量的統計特征

標準差的大小可以反映數據的離散程度，由表1可發現，各層土壤速效磷的標準差由表層至深層依次呈現出有規律遞減的變化趨勢，這與其均值的變動趨勢一致。0～5cm土層速效磷含量的離散程度最大，分布相對分散；25～30cm土層的離散程度最小，分布相對集中；各層土壤速效氮的標準差從表層向下遞減，至15～20cm土層顯著增加，接著又向下遞減；15～20cm土層速效氮含量的離散程度最大，分布相對分散；25～30cm土層的離散程度最小，分布相對集中。變異系數(CV)能夠表示數值的空間變異的程度，根據土壤變異性的分級標準，當CV≤10%時，為弱變異性；10%100%時，為強變異性。從表1可以看出，速效磷在0～30cm的6個土層中均具有中等變異性。土壤速效磷在0～25cm的5個土層中變異程度隨土層深度增加而逐漸降低，在25～30cm土層中變異程度增加，但土壤表層變異性最強，在15～30cm的3個土層中變異性都比較弱，表明速效磷在這一層次分布較為均勻。

2.2 普通克里金插值結果分析

空間插值方法是利用采樣點的數據建立數學模型，對研究區內的未知點進行模擬預測，并能夠獲得連續的某些屬性值的空間分布特征[10]。為反映不同土層深度速效磷含量的整體變化趨勢以及空間分布特征，基于克里金插值方法對研究區測得的0～5cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm、20～25cm和25～30cm深度的土壤速效磷含量進行插值，生成土壤速效磷水平分布圖。從圖2中可以看出，在0～5cm土層中，土壤速效磷含量中間低，東部、北部和南部高，整體上呈現出由東南向西北、由東向西逐漸降低的趨勢；在5～10cm土層中，速效磷含量北部和東南高，其它區域分布比較均勻，含量都在4.9～5.9mg·kg-1；在10～15cm土層中，速效磷含量東部高于西部，北部高于南部，整體上呈現出由東向西、由北向南逐漸降低趨勢；在15～20cm土層中，速效磷含量由東南向西北遞減，南北大致對稱分布；在20～25cm土層中，速效磷含量由東南向西北、由北向南逐漸降低；在25～30cm土層中，速效磷含量中部略微高于東部和北部，但整體分布較為均一，含量在4.0～5.0mg·kg-1。對照全國第2次土壤普查養分分級標準可以發現，在0～15cm的3個土層內，東南和北部都有一小塊兒范圍屬于三級標準，是研究區速效磷含量最高的區域；在0～25cm的5個土層范圍內，東南部和北部均是研究區內豐富的區域。在0～5cm土層中，中部和西部的土壤速效磷含量缺乏，隨著土層深度的增加，缺乏的范圍進一步擴大；在25～30cm土層中，東部和北部在其它土層含量高的區域內含量也出現明顯缺乏現象。

2.3 土壤速效磷影響因素的相關性分析

土壤速效磷的空間變異是其自身性質變化以及外部因素共同作用形成的。因此，利用IBM SPSS Statistics 25，進行相關性分析，得出土壤速效磷與降水量、氣溫、海拔高度、土壤剖面深度、土壤中黏粒含量百分比、粉砂粒含量百分比、砂粒含量百分比的相關系數矩陣，歸納不同因素對土壤速效磷的影響，如表2所示。速效磷與土壤剖面深度呈極顯著負相關關系(P<0.01)，相關系數為-0.374；與海拔高度和平均降水量均呈顯著負相關關系(P<0.05)，相關系數分別為-0.206和-0.201；與平均氣溫呈顯著正相關關系(P<0.05)，相關系數為0.206；與土壤中的黏粒含量百分比、粉砂粒含量百分比、砂粒含量百分比之間的相關性并不大。

2.4 土壤速效磷影響因素的逐步回歸分析

為了進一步明確不同影響因素對于土壤速效磷、速效氮的影響程度，對各影響因素進行逐步回歸分析。如表3所示，運用逐步回歸分析方法，對每一個自變量和因變量建立一元簡單線性回歸模型，逐步剔除影響不顯著的變量，保留影響顯著的原變量，建立最優模型。在對土壤速效磷含量影響因素進行逐步回歸分析時，以Y1為因變量，即為土壤速效磷的含量；X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7為自變量，分別為降水量、氣溫、海拔高度、土壤剖面深度、土壤中黏粒含量百分比、粉砂粒含量百分比、砂粒含量百分比。最終建立的最優回歸模型為：Y1=0.479X2-0.082X4+2.651。這表明，氣溫對土壤速效磷含量空間分布影響的作用最大，土壤剖面深度對土壤速效磷含量空間分布具有負效應。

表3 土壤速效磷分布影響因素的逐步回歸分析的多元回歸系數參數估計值

3 討論

一般而言，土壤養分隨著土層的加深而逐漸降低，在本研究區0～30cm土層中，土壤速效磷含量在垂直方向上隨土層深度增加而降低，這可能是因為表層施肥和枯枝落葉都會增加土壤表層養分含量，當土壤不受擾動或者擾動較少時，肥料與殘渣留存或分解在土壤表層，使得養分富集于表層。植物根系能夠大量吸收土壤養分，這使得下層土壤中的養分被植物大量吸收，并且表層土壤養分可以得到充足的補充，但是下層土壤補充相對較少[11]。另外，耕作方式也會影響其分布，耕作深度與土壤容重、土壤孔隙度、植物根系和土壤養分含量存在著密切關系[12,13]。

土壤速效磷含量水平分布特征在不同土層深度上都不大相同，但在0～25cm各土層范圍內，東南部和北部均是研究區內豐富的區域；速效氮含量的水平分布沒有明顯的規律性，但是隨著土層深度的增加，速效氮含量在中部的分布逐漸增加，在東部和西部逐漸降低。這可能與土地利用方式、地形因子、氣候因子和人為因素等有關[14-16]，其中，母質類型與成土條件是不同土壤類型養分間存在差異的根本原因。在農田過量施肥、林地過度采伐以及草地過度放牧的影響下，不同土地利用方式下的土壤養分差異明顯。

為了更清晰這些影響因素的作用程度，通過逐步回歸分析，建立土壤速效磷影響因素的最優回歸模型。結果表明，土壤剖面深度對于土壤速效磷具有顯著負影響，氣溫是影響速效磷的顯著因素。

4 結論

研究區土壤速效磷含量總體上屬于中等偏下水平，表層土壤中的速效磷含量顯著高于下層土壤，速效磷含量在0～30cm各土層中均具有中等變異性。

結合土壤速效磷影響因素的相關性分析以及逐步回歸分析結果可知，在該研究區內，氣溫和土壤剖面深度顯著影響土壤速效磷含量的空間分布。