冀北承德地區土壤生源要素生態化學計量與空間分異特征

孫厚云,衛曉鋒,賈鳳超,李多杰,陳自然,李 健,李 霞

1 中國地質大學(北京)水資源與環境學院, 北京 100083 2 北京礦產地質研究院有限責任公司, 北京 100012 3 中國地質環境監測院, 北京 100081

土壤生源要素是指土壤層中所含的生物生長發育所需的大量元素,主要包括土壤養分在內的碳(C)、氮(N)、磷(P)、硅(Si)、硫(S)、鉀(K)等元素[1]。土壤層是陸地生態系統生源要素的主要蓄積庫,生源要素的空間分布、富集礦化、分散流失和遷移轉化等生物地球化學循環過程,與山水林田湖草濕陸地生態系統服務功能的維持和發揮密切相關[2—4]。生態化學計量學主要研究生態系統能量和多重化學元素的平衡及元素平衡對生態系統交互作用的影響[5—6]。基于生態化學計量的土壤生源要素C、N、P、K和S的空間分布及影響因素研究,對揭示陸地生態系統空間演變和生源要素的循環和平衡機制,預測土壤肥力變化,指導土地利用優化具有重要意義[7—8]。

承德地處國家生態文明建設重大戰略布局、京津冀協同發展和脫貧攻堅三大戰略的交匯節點,2019年獲批為國家可持續發展議程創新示范區,定位于建設京津冀“城市群水源涵養功能可持續發展示范區”,發揮著京津冀水源涵養功能和防風固沙生態安全綠色屏障作用[9—11]。承德北部壩上高原屬渾善達克沙地防風固沙帶,中部屬燕山太行山水土保持生態涵養區,南部屬燕山山地水環境保護區。承德市是重要的農業、蔬菜和水果基地,同時也是我國第二大釩鈦磁鐵礦資源基地,在礦產資源開發趨緊和綠色發展背景下,生態農業已成為地區經濟發展的重要產業[12—13]。多年來,承德市土地利用類型和生態服務功能變化顯著,一方面北側塞罕壩機械林場等地區植被覆蓋顯著增加,另一方面全區建設用地增加,水體面積減少[14—16],對區域土壤生源要素空間分布具有重要影響。與此同時,承德市位于京津唐重要水源地密云水庫、潘家口水庫和大黑汀水庫上游,水環境氮素、磷素和硫酸鹽面源污染一直是區內水源涵養的重要影響因素[17—18]。土壤生源要素氮磷硫的空間分布和侵蝕風化流失過程研究對承德市“城市群水源涵養功能可持續發展示范區”的建設具有重要意義。生源要素是土壤養分循環的核心和水體富營養化的重要物質來源[19],土壤生源要素的生態化學計量,空間變異及影響因素研究,對全區宜林宜耕宜草土地利用適宜性評價,土地質量和林業生產力提升,指導特色農業和精準農業發展,可持續發展議程創新示范區建設,生態屏障和水源涵養功能的維持和改善具有重要意義。因此,本文選擇承德地區為研究區,通過資料收集、樣品采集和分析測試,基于生態化學計量理論運用描述性統計、地統計學、空間自相關分析和冗余分析,闡述土壤生源要素碳氮硫磷鉀的空間分布格局和垂向遷移特征,探討土地利用類型、土壤類型和成土母質類型及人類活動對土壤生源要素空間分布的影響,為區內國土空間利用優化和生態保護屏障及水源涵養功能維持提供科學參考和基礎數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

承德市位于河北省北部,西南部與京津接壤,地處內蒙古高原到華北平原過渡地帶,地勢總體北高南低,地貌由北向南從壩上高原、燕山山脈中低山、燕山南麓丘陵逐步過渡為華北平原區,平均海拔350 m,最高峰為霧靈山2118 m(圖1)。區內水系發育,橫跨三大流域單元,東側屬遼河流域,分布遼河和大凌河水系；中部屬灤河流域,位于天津和唐山水源地潘家口水庫和大黑汀水庫上游,占承德全區的72.5%；西側屬潮河、白河和薊運河流域,位于北京密云水庫上游。本區屬典型的中溫-暖溫帶大陸性季風型半干旱半濕潤氣候,年平均降水量 536 mm,氣象要素具立體分布特征,南北差異明顯。

圖1 承德市土壤樣品空間分布圖、土壤類型圖、土地利用類型圖、植被覆蓋圖和成土母質及礦產分布圖

由于全區橫跨三大地貌單元,南北氣候差異明顯,區內土地利用類型、土壤類型和成土母質類型分布亦具有一定分帶特征(圖1)。土地利用類型以林地、草地和耕地為主,其中林地面積占67.97%(喬木林地37.69%,灌木林地22.80%),草地面積占12.33%,耕地面積占10.89%,另分布有工礦用地占比約0.80%。全區地表植被覆蓋度較高處主要有北部塞罕壩機械林場和云霧山,中南部千層背和霧靈山周邊地區。土壤類型以褐土、棕壤、粗骨土和潮土為主,北部壩上地區分布草甸土、灰色森林土、栗鈣土及少量風沙土和沼澤土,壩上高原至燕山山地過渡帶分布棕壤,中部燕山山地主要分布褐土,河流溝谷地勢低洼處分布潮土[12]。成土母質類型總體為北部風成沙、玄武巖、安山巖、流紋巖和凝灰巖類,中部花崗巖、閃長巖、角閃巖和變粒巖類,北部碳酸鹽巖、陸源碎屑巖和片麻巖類,河谷兩側分布沖洪積物和黃土[13](圖1)。區內農業耕種方式以旱作為主,河流干流兩側分布少量水稻田,種植作物以玉米、高粱、谷子、豆類和水稻為主,經濟樹種有蘋果、山楂、板栗、核桃、山杏等。

1.2 樣品采集與分析

本次研究共采集土壤樣品1597件,其中表層樣品1551件,垂向淺鉆樣品46件；樣品分兩個時間段集中采集,分別為2019和2020年的6—9月。表層土壤樣品在考慮全區土地利用類型、成土母質和土壤類型等因素基礎上,總體以網格法進行采集,保障樣品在空間上的相對均勻；采樣深度為0—20cm,選取代表性地塊按“S”或“X”形組合4—5處樣點混合成一個樣品。為保證土壤樣品的代表性,在承德北部壩上農牧交錯帶,中南部燕山山地耕地集中區對樣點進行適當加密,并布設5處土壤淺鉆,根據土壤質地結構按10—20 cm間隔分層采集0—160 cm深度樣品46件。采樣時,去除碎石、雜物、植物殘體后,將樣品用清潔棉布樣袋編碼保存,在研磨、過篩加工后進行室內測試分析。土壤全氮(STN)采用半微量凱氏定氮法,土壤全磷(STP)采用鉬銻抗比色法,土壤全鉀(STK)采用火焰光度計法,土壤全硫(STS)采用燃燒碘量法,土壤有機碳(SOC)采用氧化熱解-電位法,pH 采用玻璃電極法測定。室內分析按規范要求加10%空白樣與平行樣控制,分析方法準確度和精密度采用國家一級土壤標準物質(GBW07349)控制,各指標的加標回收率均在國家標準參比物質的允許范圍內。

1.3 數據分析方法

在樣品分析測試基礎上,通過承德全區土壤生源要素含量統計結果與黃淮海平原、河北省全區、華北玉米種植區生源要素豐度特征及全國第二次土壤普查養分分級標準的對比,確定區內生源要素的相對豐缺程度。計算各生源要素的比值關系反映各元素的礦化程度和空間耦合變化,通過典型土壤剖面分析生源要素的垂向遷移轉化特征。結合地統計變異函數和全局Moran′sI指數描述土壤生源要素的空間自相關特征,通過土壤生源要素含量與土地利用類型、成土母質和土壤類型的冗余分析(RDA)反映生源要素及其比值與環境因子的相關關系,識別土壤生源要素空間分布的主要影響因素。

本次研究承德市土壤類型資料來自中國土壤科學數據庫1∶100萬土壤類型數據,土地利用類型采用最新土地三調圖斑數據,歸一化差分植被指數(NDVI)采用2019年Landsat 8遙感影像處理和計算。描述性統計和相關分析采用 SPSS 21.0完成,地統計分析采用GS+ 9.0完成,全局Moran′sI指數采用ArcGIS 空間自相關工具進行,生源要素含量與環境因子RDA分析采用Canoco 5.0進行,各要素含量空間分布圖在半方差擬合模型基礎上采用ArcGIS普通克里金插值獲得。

2 結果與討論

2.1 土壤生源要素生態化學計量特征

對研究區內1551件表層土壤樣品測試數據進行描述性統計和Kolmogorov-Smirnov 檢驗(α= 0.05),結果如表1所示。STN、STP、STK、SOC、STS含量和CNPS比值數據經對數轉換處理后,均符合正態分布。表土生源要素平均含量STK>SOC>STN>STP>STS,與全國第二次土壤普查養分分級標準[20—21]相比,STK含量屬高(二級)水平,STN和STP屬于中上(三級)水平,SOC含量屬于中下(四級)水平；土壤pH中位數為7.08。STP、SOC、STS、STN和STK含量變異系數(Cv)均小于1.0,根據Nielsen標準,均屬于中等程度變異。研究區STK含量變異系數最小,為0.303,含量較為穩定,STP和SOC變異系數相對較大,分別為0.923和0.911,含量波動范圍相對較大。

表1 表層土壤生源要素含量及其比值統計

與土壤生源要素全國平均水平[20—22]、承德下游黃淮海平原土壤生態地球化學基準值[23]、華北玉米種植區[24]及河北省全區表層土壤平均含量[7]相比,研究區表土STN平均含量顯著高于黃淮海平原基準值0.381 g/kg,與華北玉米種植區STN含量1.20—1.30 g/kg總體一致,但低于全國平均水平1.54 g/kg和河北省平均值1.29 g/kg；表土SOC含量顯著高于黃淮海平原基準值2.60 g/kg,略高于全國背景值17.53 g/kg和華北玉米種植區17.00—17.40 g/kg,顯著高于河北省平均值15.43 g/kg；STP、STK和STS則均高于黃淮海平原基準值和全國背景值,STP平均含量顯著低于河北省平均值1.23 g/kg[7]。

相對于土壤生源要素含量描述性統計,生源要素間的比值關系能更好的闡述各元素的相對富集關系和空間耦合變化,反映土壤生源要素的礦化和固定生物地球化學過程[25]。新鮮的外源有機殘體多具有較高的碳氮比(C/N Ratio, CNR),SOC累積礦化量隨CNR的增加而增加[4]。研究區表土CNR平均值為15.001,高于黃淮海平原6.824、河北省平均值13.57[7]和中國北方半干旱區的其他研究區及全國平均水平[26—27],表明區內表土SOC豐度相對高于STN,土壤碳源和有機質分解速率相對較低。土壤碳磷比(C/P Ratio, CPR)是衡量微生物礦化土壤有機物質釋放P或從環境中吸收固持P素潛力的一個指標,CPR較低時表明土壤P礦化程度高,P有效含量相對較高。研究區CPR平均值為33.881,顯著高于黃淮海平原5.029,高于全國地球化學基準值30.754,但略低于河北省平均值35.77[7],遠低于中國陸地平均值52.70[27],全球陸地平均水平72.0[28],表明研究區土壤P的礦化速率與河北省全區基本一致。區內土壤氮磷比(N/P Ratio, NPR)平均值為2.192,低于全球陸地平均值5.9及中國平均值3.9[28],STP含量的改變相對滯后于SOC和STN,相對穩定。土壤中S的固定是可逆反應,當SOC與STS比值(C/S Ratio, CSR)小于300—400區間時,對土壤有機硫礦化有利,CSR高于300—400區間時,則有利于生物固硫[29]。研究區表土CSR平均值為92.650,最大值為378.814,有利于土壤有機硫的礦化。研究區表土CSR和CNR的變異系數相對較小,分別為0.517和0.549,顯著低于CPR和NPR的變異系數,總體較為穩定,與土壤CNS對人類活動干擾具有一定耐受性,在特定地理環境下C、N和S元素含量比值往往較為穩定有關[30]。總體而言,研究區CNR<30,CPR>15,土壤化學計量比主要受控于C和N,其中C的影響作用更為明顯。

2.2 土壤生源要素的垂向分布

在圍場縣御道口牧場黃土山(PM01)和大壓岱(PM02)兩處,承德中部紅旗鎮釩鈦磁鐵礦礦集區(PM03),灤河河岸灤平縣五道河(PM04)和雙灤區陳柵子(PM05)處共采集5處土壤剖面,各剖面生源要素含量隨深度分布變化曲線見圖2。

圖2 承德地區典型土壤剖面生源要素含量垂向分布曲線

研究區不同土壤類型和土地利用的樣品STN、STP、SOC和STS含量具有明顯差異,隨著垂向剖面土層深度的增加,STN、SOC和STS含量總體呈逐漸降低特征。不同剖面STP和STK在垂向空間上的分布具有明顯差異,PM02和PM04剖面STP含量呈隨深度下降趨勢,其它剖面則呈先下降后上升趨勢,PM02土壤質地總體為風積粉細砂和亞砂土,STP含量保持在較低水平；PM04和PM05剖面STK含量隨深度增加而上升,其它剖面則呈先升高后下降并趨于穩定的變化特征。PM01和PM05處STN和SOC明顯高于其他3處剖面,STN分別為2.815 g/kg和3.014 g/kg,SOC分別達2.721 g/kg和5.086 g/kg,黃土山表層土壤屬湖沼積相成土母質,天然牧草地枯落物、凋落物和死亡根系等植物組織累積量較高；PM05處屬農用地聚集區,氮肥和有機肥料施用量較高,使得兩處剖面表層STN和SOC含量相對較高。PM01處STN含量在0—60 cm內迅速降低約一個數量級至0.198 g/kg后趨于穩定,SOC則于100 cm處降至0.910 g/kg,后處于較低水平。PM05處STN和SOC則均于100 cm深度降至最低,后保持在較低水平。表層土壤N多以硝銨態氮的形式呈聚集狀態存在,在植物根系吸收和重分配作用下,垂向剖面STN多表現為逐漸降低[31]。PM02處STN和SOC含量呈波動變化特征,0—40 cm處于較低水平,40—60 cm內相對升高,80—120 cm后又相對升高,與壩上地區特殊的土壤層沉積韻律有關。御道口地區全新世以來古植被與古氣候演變研究表明,由于氣候暖濕和冷干交替變化,湖沼積亞砂土亞粘土和風積粉細砂交替沉積,形成特殊的沉積韻律。氣候暖濕期,區域植被覆蓋好,風沙活動弱,湖沼積層STN和SOC含量則相對較高；反之氣候冷干期,植被覆蓋少,風沙活動強,風成粉細砂層STN和SOC含量則相對較低[32—33]。PM03和PM04處深部STP含量逐漸升高,與其周邊成土母質為釩鈦磁鐵礦賦礦巖體和圍巖有關,磷灰石為釩鈦磁鐵礦伴生礦物,使得深部風化程度較低的土壤母質層STP含量相對較高,其中紅旗剖面STP在60—140 cm處含量范圍為2.088—2.198 g/kg,穩定在較高水平。各剖面STK含量在垂向上的空間分異較小,含量總體較為穩定,PM04處土壤成土母質為黑云斜長片麻巖,隨深度增加土壤風化程度相對降低,強活動元素K的淋濾流失程度逐漸減小,故剖面STK含量隨深度增加逐漸升高。PM05處STK含量保持在較高且穩定水平,范圍為2.243—2.419 g/kg。

垂向剖面上,CPR、NPR和CSR總體呈逐漸降低趨勢,表土SOC和STN受植被生物量、微生物呼吸作用以及植被根系分布深度影響,礦化程度相對更高,CPR和NPR亦顯著較高。PM04和PM05的CNR值范圍分別為13.513—22.266和15.009—19.036,顯著高于壩上地區PM01平均值12.063和PM02平均值15.669,可能與灤河沿岸耕地氮肥的施用有關。壩上地區PM01和PM02及PM04的CPR值相對PM03和PM05較高,可能與成土母質P含量較高有關。PM03處CSR明顯小于其他剖面,與硫化物礦床周圍土壤S礦化程度較高有關。總體而言, 不同剖面表層土壤受土地利用類型、質地、成土母質等因素影響,生源要素垂向分布空間分異差別較大。各剖面STN和STS和SOC含量至深層后差異逐漸減小,其分布受有機質和氮的外源輸入影響更為明顯；深層STP和STK則主要受成土母質和巖石風化程度影響,不同成土母巖區剖面STP和STK差異明顯。

2.3 土壤生源要素的空間變異特征

地統計學能在有限空間內對區域化變量進行無偏最優估計,有效解釋變量在空間上的分布、變異和相關特征,通過變異函數理論和結構分析模型定量刻畫變量在空間尺度上的隨機性、結構性、獨立性及自相關性[34—35]。本次研究在描述性統計基礎上,采用地統計方法得到各生源要素的半方差函數參數見表2。半方差函數的表征參數主要有擬合理論模型、基臺值(Still)、塊金值(Co)、塊金系數(Co/Still)、變程(range)和決定系數(R2)。基臺值表示空間總變異,塊金值表示隨機變異。塊金系數(Co/Still)描述變量隨機變異的占比,用以度量變量空間相關性的強弱,揭示空間變異受到自然結構變異和隨機人為因素影響的作用程度[34—35]。塊金系數≤0.25時,變量空間變異以結構性變異為主,空間自相關性較強；塊金系數在0.25—0.75時,變量的空間自相關程度為中等,空間變異受到結構性和隨機性因素共同影響；塊金系數≥0.75時,變量空間變異以隨機性變異為主,空間自相關程度弱。變程(range)用以表征空間變異的尺度范圍,即空間自相關的作用范圍；決定系數(R2)用以衡量半方差函數理論模型的擬合精度。

表2 承德地區土壤生源要素的半方差模型參數及全局Moran′s I指數

研究區表土STN和SOC半方差函數最佳擬合模型為指數模型,STK和STS的最佳擬合模型為線性模型,STP的最佳擬合模型為高斯模型。表土STN、STP、STK和STS半方差函數塊金系數值均介于0.25—0.75之間,空間分異受氣候、地形、成土母質、土壤類型等結構性因素和土地利用管理、施肥、種植制度和耕作措施隨機性因素共同影響。SOC含量的半方差函數塊金系數小于0.25,變程相對最小,表明SOC具有小范圍,強烈的空間自相關性,空間分異主導因素為結構性自然因素。STK和STS半方差擬合模型為偏方差模型擬合,變程相對較大,決定系數(R2)相對較小,表明STK和STS空間變異的尺度范圍相對較大,空間相關性相對減弱,在成土母質和土壤類型等自然因素和礦山開采、耕作措施和農業施肥等人為因素影響下,STK和STS朝均一化方向發展[36]。STN和SOC半方差函數決定系數(R2)大于0.75,理論模型的擬合精度相對較高,能較好的反映出變量的空間自相關性。

由半方差函數獲取的STN、STP、STK和STS塊金系數相對較為接近,空間分異影響因素差異不明顯,采用全局Moran′sI指數(Global Moran′sIindex)能進一步闡明生源要素的空間自相關性。全局Moran′sI指數常用以揭示變量在有限區域內觀測數據分布的相互依賴性,即空間自相關程度。通過ArcGIS空間自相關分析得到的土壤生源要素Moran′sI參數見表2,數據標準化后的全局Moran′sI指數范圍為[-1, 1],其值為正時表明變量空間正相關,其值為負時表明變量空間負相關；其絕對值愈接近于1,空間自相關程度愈高,愈接近于0則表明變量在空間上愈趨向于隨機分布。Moran′sI指數Z值用以判斷數據標準化后空間自相關性的顯著程度,±1.96、±2.58是空間自相關顯著、極顯著的分界值。研究區表土SOC存在極顯著空間自相關(Moran′sI>0.05,Z>2.58,P<0.01),呈聚集分布特征,與半方差分析結論相一致。STK全局Moran′sI指數為0.146,相對最大,Z值介于1.96—2.58間(P<0.05),空間自相關性顯著[37—38]。STN和STP全局Moran′sI指數略小于STK,Z值接近1.96,具有相對較顯著的空間自相關性；STS全局Moran′sI指數相對最小,且Z值小于1.96(P>0.05),其空間自相關程度相對最弱。結合半方差分析結果,表土SOC空間自相關程度極顯著,主導因素為結構性因素；STK空間自相關程度較高,但自相關作用尺度范圍較大,STK在空間分布上較為穩定。STP空間自相關程度相對較顯著,空間異質性較大；STS空間自相關程度相對最弱,受隨機性因素即人為因素影響最為明顯。

2.4 土壤生源要素空間分布格局

在半方差分析獲得的最佳擬合模型基礎上,采用普通克里金插值得到土壤生源要素和pH值的空間分布圖(圖3)。表土STN和SOC的空間分布格局較為一致,高值區位于北側塞罕壩、豐寧灤河源山區,中部隆化東側茅荊壩自然保護區,南部霧靈山白草洼、潘家口水庫千鶴山和都山自然保護區周邊,均為植被覆蓋度相對較高區域。STN和SOC含量總體呈現出北部塞罕壩地區高,向中部逐漸降低,至南部興隆至寬城霧靈山-潘家口水庫-都山周邊升高且變化較快的分布特征,其中隆化西北部和平泉西北部STN和SOC含量總體較低、茅荊壩地區相對較高。土壤pH低值區與STN和SOC高值區分布總體較為一致,植被高覆蓋區塞罕壩、茅荊壩、霧靈山白草洼等地土壤枯落物等植物殘體累積量大,微生物群落豐富,土壤腐殖質層相對較厚,使得STN和SOC含量相對較高。STP總體呈北低南高分布格局,主要存在兩處高異常區,一處為圍場縣牌樓鄉至道壩子鄉一帶,一處為灤平至雙灤的紅旗-大廟釩鈦磁鐵礦礦集區一帶,低值區則主要位于圍場御道口牧場等植被覆蓋為天然牧草地區域。STK總體呈現出北部和中部高,至南部后明顯降低的分布格局,高值主要濃集于豐寧西北側和紅旗-大廟一帶。全區北部和中部STK含量明顯高于南部,且中北部STK含量較穩定的處于相對高值水平,與中北部分布火山巖成土母質,巖土中鉀長石等富鉀礦物含量較高,南側分布貧鉀的沉積巖碳酸鹽巖成土母質有關。STS高值區多以斑塊狀分布,呈現出高值濃集中心較為聚集的分布格局,中部灤河流域STS由北至南總體呈現出隨地勢降低逐漸升高特點,高值區主要為豐寧魚兒山至黃旗,灤平至雙灤紅旗-大廟和南部鷹手營子、興隆和寬城峪耳崖一帶,多為煤礦、金礦和釩鈦磁鐵礦等硫化物礦床聚集區(圖1)。

圖3 承德市表層土壤pH和生源要素含量的空間分布

空間分布上,表土CNR空間自相關程度高,CNR值較為穩定,與SOC和STN的空間格局耦合程度較高。表土CPR和CSR高值區與SOC高值區分布較為一致,分布于區內北側壩上、中部茅荊壩、南側霧靈山白草洼和潘家口水庫周邊,SOC高值區外源碳的輸入緩解了能源物質對微生物分解速率的限制,加速了微生物對P和S的礦化,有利于土壤中有效 P和S的增加。表土NPR的空間分異較明顯,其受耕作措施、外源氮肥和磷肥的輸入影響較為明顯。

2.5 土壤生源要素分布與主要環境因子的關系

地統計半方差分析和全局Moran′sI指數僅對土壤生源要素空間分布的結構性和隨機性影響因素進行了簡要區分,但對結構性和隨機因素的具體內涵及其影響程度未經剖析。為進一步探討土壤生源要素空間分布的影響因素,分不同土地利用類型、土壤類型和成土母質類型統計1551件表層樣土壤樣品5種生源要素含量差異,得到不同生源要素含量分布箱線和正態分布曲線(圖4)。同時在土壤生源要素含量、比值和pH及各樣點處NDVI指數相關分析基礎上,采用冗余分析辨析生源要素含量與環境因子的相關關系,識別生源要素空間分布格局的主導影響因素。

圖4 承德地區不同土地利用類型、土壤類型和成土母質類型生源要素含量統計箱線圖

冗余分析(RDA)可用以描述環境因子對定量屬性變量的相關關系,通過原始變量與典型變量之間的相關性,分析引起原始變量變異的原因[39—40]。RDA分析圖內指示線表征各變量因子主成分分析(PCA)的特征向量大小,變量因子指示線間夾角的余弦值表示因子的相關系數[18]。通過表層土壤生源要素與11種主要土地利用類型、8種主要土壤類型和12種成土母質類型間的RDA分析(圖5)與Pearson相關分析(表3)表明,RDA分析第一軸和第二軸分別解釋了土壤生態化學計量84.90%和7.29%的變量,生源要素含量及其比值、NDVI和pH值等指標提取的2個主成分特征值方差分別36.68%和12.95%,具有較好的代表性,能有效解釋變量。STN和SOC呈顯著的正相關關系,相關系數為0.879,對STN和SOC分布影響相對最大的環境因子為林地(喬木林地、灌木林地及其他林地)和NDVI值,NDVI與STN和SOC的相關系數分別為0.103和0.114,存在一定的正相關關系。由圖4知,各土地利用類型STN平均值大小關系為灌木林地>喬木林地>其他林地>草地>水域灘涂>交通運輸用地>水澆地和水田>園地>住宅用地>工礦用地>旱地；其中喬木林地、灌木林地和其他林地STN平均值分別為1.383 g/kg、1.339 g/kg和1.231 g/kg,其他類型用地STN平均值在1.097—1.198 g/kg之間,較為穩定；旱地內STN相對最低,平均為0.941 g/kg。STN正態分布曲線表明,灌木林地、喬木林地和其他林地STN含量變異系數分別為1.14、0.99和1.02,波動范圍相對最大,其他用地內則均屬于中等程度變異。喬木林地和園地內SOC相對最高,平均達21.567 g/kg和21.237 g/kg,在旱地內最低,平均為13.870 g/kg。NDVI 反映了地表植被的覆蓋及生長狀態,林地等植被覆蓋度相對較高區域凋落物體量明顯高于其他用地,使得土壤腐殖質含量較高,表土具高STN和SOC。土壤pH受氣候、地形、成土母質、植被覆蓋和人為活動等眾多因素影響,不同成土母質區,風成粉細砂、玄武巖、凝灰巖、片麻巖、花崗巖和安山巖區土壤總體呈弱酸性,pH平均為6.59、6.68、6.79、6.86、6.91和6.92,碳酸鹽巖區和第四系風成黃土和沖擊洪積物分布區土壤總體呈弱堿性,pH平均為7.31、7.54和7.25。研究區北側成土母巖以酸性火山巖為主,與酸性母巖上形成的土壤pH較碳酸鹽巖區低有關。不同土地利用類型分區土壤中,園地、草地、喬木林地、灌木林地和其他林地pH平均為6.64、6.89、6.95和7.07,相對較低；工礦用地、住宅用地、水域灘涂、水澆地和水田土壤pH平均為7.49、7.42、7.41和7.29,呈弱堿性。植被覆蓋度較高的林地土壤pH值相對較低,pH與SOC和STN呈顯著程度較弱的負相關關系,植物根系對土壤溶液離子的選擇性吸收、表層土壤枯落物和腐殖酸含量較高、土壤微生物活性相對較強使得林地土壤pH偏酸性。林地多分布于高坡地形部位,風化淋溶作用相對較強,pH較低地為低；工礦活動和農業生產生活較強烈區域多分布于寬緩河谷和溝谷地帶,水域灘涂、水田和水澆地相對林地多分布于地勢低洼處,由于承納高處淋濾成分較多,鹽基離子相對聚集,土壤pH相對升高[29]。對STN和SOC分布影響相對較大的土壤類型因子為棕壤和其他土壤,平均值分別為1.586 g/kg和1.355 g/kg；其他土壤類型主要為沼澤土和新積土,多位于壩上地區河湖濕地旁,屬自然界生產力最高的生態系統之一,碳儲備豐富[41]。對STN和SOC分布影響相對最大的成土母質環境因子為碳酸鹽巖,平均為1.543 g/kg,與其他成土母質相比,碳酸鹽巖含豐富的白云石和方解石等無機碳源,在微生物和植物根系生物風化作用下,無機碳源轉化為有機碳,使得區內碳酸鹽成土母質區SOC和STN含量相對較高。承德市內塞罕壩林場、茅荊壩和霧靈山自然保護區等林地分布區,即植被覆蓋度NDVI高值區,SOC和STN含量亦相對較高。塞罕壩地區林地面積的增加,顯著增加了土壤碳氮儲備,STN和SOC明顯高于周邊風沙活動區草地土壤。塞罕壩地區沙地和草地向林地的流轉[15,42],使得土壤團聚體增加,對SOC和STN的積累發揮了積極作用,從風沙治理和水源涵養功能角度來看,土壤團聚體和植被恢復有利于防風固沙,增加了灤河源、遼河源及潮白河源頭地區水源涵養資源量,能有效控制土壤氮素隨降雨徑流的流失,對壩上高原和燕山山地過渡帶農牧交錯帶退耕還林,風沙治理具有積極意義。

圖5 承德地區表層土壤生源要素含量與環境因子冗余分析相關關系圖

表3 研究區表層土壤生源要素相關系數矩陣

對區內表土STP分布影響最大的環境因子為成土母質,不同成土母質STP平均值大小關系為角閃-閃長巖>片麻巖類>沖洪積物>花崗巖類>流紋巖類>碳酸鹽巖類>安山巖類>陸源碎屑巖(砂巖和砂礫巖)>凝灰巖類>風成黃土類>玄武巖類>風成粉細砂類。角閃巖和閃長巖類、片麻巖類STP平均含量分別為1.034 g/kg和0.837 g/kg,顯著高于其他成土母質區土壤。玄武巖區和風成沙區STP平均含量分別為0.510 g/kg和0.342 g/kg,壩上草原風沙帶STP含量相對較低。承德市大廟-黑山斜長巖、斜長角閃巖巖體為釩鈦磁鐵礦賦礦巖體,黑云斜長片麻巖、花崗巖巖體為斜長巖賦礦巖體圍巖,巖石礦物中含有大量的釩鈦磁鐵礦伴生礦物磷灰石[43—44],使得相應成土母巖區STP含量具高地質背景特征。與前文所述紅旗-大廟釩鈦磁鐵礦周圍STP具高值區濃集,土壤垂向分布上具有逐漸升高特征相一致。對STP分布響應程度較高的土壤類型為褐土、粗骨土和潮土,土地利用類型為水田和水澆地、住宅用地、水域灘涂及工礦用地等,STP高值區多位于河漫灘和溝谷兩側地勢較低洼處。一方面,P屬于一種沉積性礦物[45—46],在礦物風化程度較低的粗骨土中含量相對較高,粗骨土區STP平均達0.729 g/kg。另一方面,斜長角閃巖、斜長片麻巖和花崗巖在侵蝕風化過程中淋濾流失,露天礦山開采使得地表植被覆蓋度減小,一定程度上加速了成土母質中P的流失,使得地勢低洼磷素趨向于匯水處水成土潮土和淋溶褐土STP沉淀聚集,含量相對升高,平均分別達0.835 g/kg和0.781 g/kg。土壤pH對STP的淋濾釋出存在一定影響,pH與STP含量相關系數為0.119,總體呈正相關關系,pH值的升高有利于土壤P元素的固定。褐土主要由枯枝落葉層、腐殖質層、黏化層、鈣質層和母質組成,隨著土層深度增加,STP含量在垂向分布上呈逐漸增加趨勢。STP高值區與工礦用地和農用地分布耦合程度較高,交通運輸用地、住宅用地和旱地、水澆地和水田及工礦用地內STP平均含量相對較高,平均分別為0.879 g/kg、0.814 g/kg、0.798 g/kg、0.793 g/kg和0.736 g/kg,交通運輸用地和旱地內STP含量變異系數分別為0.920和0.900,波動相對最大,表明區內礦業活動和農業活動對STP的分布具有一定影響。

對STK分布響應程度較高的成土母質類型為花崗巖類、變粒巖類和風成黃土類。不同成土母質表土STK含量的變異系數均小于0.1,屬低變異水平,空間分布相對最為穩定,STK平均值范圍為19.757—24.009 g/kg。風成黃土、花崗巖、安山巖和凝灰巖區STK平均含量相對最高,分別為24.009 g/kg、23.875 g/kg、23.254 g/kg和23.217 g/kg。研究區富鉀火山巖廣泛分布,巖石礦物中鉀長石含量較高,如紅旗-大廟一帶中粗粒鉀長花崗巖鉀長石成分約占60—65%,承德中部張家口組凝灰巖和安山巖內鉀長成分可達45%—50%[13],與此同時風成黃土分布與火山巖分布較為一致,亦具有較高的K含量,使得全區北部和中部火山巖分布區STK含量明顯高于南部碳酸鹽巖地區。對STK分布影響最大的土地利用因子為工礦用地、住宅用地、交通運輸用地和草地等植被覆蓋相對較低區域,工礦用地和住宅用地區STK平均含量分別為23.663 g/kg和23.100 g/kg,其他地類STK平均值則在21.086—22.985 g/kg區間,較為穩定。全區STK高異常區主要位于大型礦集區周邊,即紅旗-大廟黑山一帶等植被覆蓋度明顯降低區域。STK和NDVI呈一定程度的負相關關系,大型鐵礦露天開采裸露基巖和山區交通運輸筑路切坡裸露對巖石風化成土過程中K的淋濾釋出存在一定影響,礦區周邊和交通運輸道路旁等人類活動強烈區域STK含量相對升高。區內栗鈣土分布區STK含量顯著高于其他類型土壤,平均達27.622 g/kg。栗鈣土主要分布于研究區豐寧西北角,即渾善達克沙地南緣壩上高原中部,屬溫帶半干旱大陸氣候和草原植被覆蓋區,風沙活動強烈,晝夜溫差大[42]。與此同時,栗鈣土分布區出露基巖多為鉀長花崗巖,在強烈風蝕、晝夜溫差和凍融作用下,巖石風化程度相對較高,風化過程中強活動元素K表現為淋濾流失并向地勢低洼處遷移聚集。再者,栗鈣土成土過程中腐殖質積累和鈣積過程中形成了碳酸鈣淀積層或膏鹽層,使得降水難以入滲,表土由于風化淋溶承納的K+和Na+含量較高,局部土壤具鹽漬土特征[47—48],故此栗鈣土分布區STK含量相對較高。

對STS分布響應程度較高的成土母質類型為碳酸鹽巖、片麻巖、角閃巖-閃長巖類和流紋巖。碳酸鹽巖區STS含量明顯高于其他成土母質區,平均達0.258 g/kg；片麻巖區STS平均為0.207 g/kg,角閃-閃長巖類和片麻巖區STS的含量變異系數相對最大,分別為1.451和1.039,含量波動相對最大。研究區碳酸鹽巖區多含炭質泥頁巖和煤質夾層,含硫量相對較高,而角閃-閃長巖和片麻巖為釩鈦磁鐵礦賦礦巖體,含黃鐵礦、黃銅礦、閃鋅礦和方鉛礦等金屬硫化礦物,故此STS高值區主要位于碳酸鹽巖和片麻巖,角閃-閃長巖和流紋巖成土母巖區。植被覆蓋度對STS分布的響應程度亦相對較高,STS和STN、SOC存在一定的正相關關系,相關系數分別達0.543(P<0.05)和0.492(P<0.01),區內表土CSR值總體均小于400,有利于有機硫的礦化,SOC和STN含量高值區STS礦化程度亦相對較高。沼澤土-新積土和粗骨土土壤類型區STS含量相對較高,平均分別為0.288 g/kg和0.232 g/kg,與沼澤濕地土壤有機硫礦化程度較高,粗骨土內硫素流失較少有關,其他土類STS平均在0.163—0.199 g/kg之間,相對較為穩定。另外,人類活動強度相對較大的住宅用地、水澆地和水田、工礦用地周圍STS含量亦相對較高,平均分別達0.296 g/kg、0.210 g/kg和0.198 g/kg,住宅用地周邊STS含量變異系數最大,達1.940,具有強變異特征。人類活動生活污水,農業耕種施肥,礦業活動加速了硫化物氧化淋濾釋放過程,使得住宅用地、農用地和礦山周圍STS顯著升高。住宅用地和農用地主要分布于河谷地勢低洼處,具有較好的耦合關系,農業種植施用含硫肥料如過磷酸鈣、生活糞肥等有機肥料等,對硫的礦化有利；礦業活動改變了金屬硫化物的原生氧化還原環境,加速了硫化物的氧化,且在富含鐵、鋁氧化物和水化氧化物等礦物的土壤中,硫酸根吸附量相對最高,故礦集區周邊STS具高異常特征。

山地土壤多為基巖就近風化而成,成土母質影響著STK、STP和STS的原生背景[49—50],豐寧和圍場等馬鈴薯種植區、河谷地帶水澆地和水田磷肥的使用,增加了土壤外源磷素的輸入,釩鈦磁鐵礦礦山采掘活動加速了裸露基巖侵蝕過程中磷素的淋溶過程,使得地勢低洼處沉積型礦物P相對固定富集。承德北部壩上風沙活動區草甸土STP相對缺乏,南側碳酸鹽巖分布區STK含量相對缺乏,在相應地區農業種植活動中可合理施用磷肥和鉀肥進行調控。工礦活動造成的基巖裸露和植被破壞一定程度上造成了承德中南部地區水土流失,加速了巖石侵蝕P和S元素的流失,是區內水環境和下游水源地總磷和硫酸鹽的重要來源,研究區中南部應注意控制礦山采選,交通運輸筑路等造成的水土流失,以防區域氮素、磷素和硫素流失對區內水環境及下游水源地水質的影響。

研究區表土CNR值大小主要受SOC含量控制,其與SOC的相關系數為0.409(表3),對CNR分布響應程度較高的環境因子為土地利用類型,各地類CNR平均大小關系為水澆地和水田>園地>喬木林地>旱地>住宅用地>草地>水域灘涂>其他林地>灌木林地>工礦用地>交通運輸用地,水澆地和水田CNR平均值為16.342,變異系數相對最大,為1.785；園地CNR平均值為17.138,其他用地內土壤CNR總體均小于15.000。水澆地和水田存在施肥等外源氮的輸入[18],一定程度上促進了硝化-反硝化微生物的生長,農作物種植加速了土壤中N的流失；另一方面,土壤中硝化-反硝化微生物的生長抑制了其他微生物活性,或者外源氮素與土壤中木質素結合形成了更為穩定的有機物,降低了土壤中有機碳的利用,使得CNR值相對升高[4]。流紋巖區土壤CNR平均為18.840,明顯高于其他成土母巖區,可能與承德市內流紋巖分布區多形成高陡剝蝕侵蝕山地地貌有關,流紋巖區地形切割深度相對高于其他成土母巖區,土壤氮素的流失相對高于其他地區,使得CNR相對升高。粗骨土區CNP平均值為19.322,相對高于其他類型土壤,與粗骨土多分布于流域地勢較高處,STN淋濾流失程度相對較高有關。SOC和STN呈顯著正相關關系,故CPR和NRP亦具正相關關系,對二者空間分布響應程度較高的環境因子與SOC和STP較為一致,主要為植被覆蓋度。與此同時,CSR與SOC相關系數為0.709,呈顯著正相關關系,CSR與SOC高值區分布基本一致,植被覆蓋程度較高區域表層土壤多具有更高的碳氮礦化速率,故此林地、沼澤土和新積土、玄武巖和碳酸鹽巖分布區等STN和SOC高值區CPR、CPR和CSR值亦相對較高。SOC和STN空間分布主要受土地利用類型影響,STP和STS則主要受成土母質影響,SOC和STN含量相對STP和STS含量高出約一個數量級,植被覆蓋和土地利用對STN和SOC的空間分異特征的影響明顯高于STP和STS,區內土壤生源要素化學計量比主要受控于C和N,其中C的影響作用更明顯。

3 結論

承德市表層土壤生源要素平均含量大小關系為STK>SOC>STN>STP>STS,STK相對豐富,STN和STP屬中上水平,SOC則相對缺乏。表土SOC和STN含量顯著相關,空間分布耦合程度高。垂向分布上STN和SOC含量總體呈隨土層深度降低特征。表土SOC具有小范圍、強烈的空間自相關性,空間分異主導因素為結構性因素；STN具有較顯著的空間自相關性,空間分異受結構因素和隨機因素共同影響。影響SOC空間分異的主要環境因子為土地利用類型,STN分布除受土地利用類型影響較大外,還受外源氮素的輸入等因素影響。STK、STP和STS空間分異受結構和隨機因素共同影響,STK空間自相關程度高,空間分布較為穩定；STP空間自相關程度相對較顯著,空間異質性較大；STS空間自相關程度相對最弱,受人為影響最為明顯。不同地區土壤剖面STK和STP分布具有明顯差異,成土母質高背景區STP和STK含量隨深度增加而上升,STS隨深度增加逐漸降低。STK和STP空間分異的主要影響因素為成土母質,受巖石風化影響,鉀長石含量較高的火山巖成土母巖區STK含量相對較高,釩鈦磁鐵礦賦礦巖體和圍巖成土母巖區角閃-閃長巖和片麻巖區STP含量相對較高。STS空間分異主導因素為成土母質,其次為工礦活動；硫化物金屬礦賦礦巖體角閃巖-閃長巖和片麻巖,含煤質夾層的碳酸鹽巖成土母巖區STS相對較高。