南四湖區(qū)農(nóng)田土壤有機質(zhì)和微量元素空間分布特征及影響因素

武 婕，李玉環(huán)，*，李增兵，方 正，鐘 豫

(1.土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，泰安 271018;2.平邑經(jīng)濟開發(fā)區(qū)管理委員會，平邑 273300;3.諸城國土局，諸城 262200)

土壤有機質(zhì)(SOM)是表征土壤肥力和質(zhì)量的重要因子，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)的重要源與匯［1-2］。土壤微量元素是作物營養(yǎng)物質(zhì)的重要組成部分，其豐缺狀況直接影響作物的生長發(fā)育，同時，一些微量元素如銅、鋅等含量過高易造成重金屬污染，破壞生態(tài)環(huán)境甚至危害人類健康［3-4］。

國內(nèi)外學(xué)者從20世紀(jì)70年代末開始將地統(tǒng)計學(xué)應(yīng)用于土壤屬性的空間變異研究，取得豐富成果。如Fachinelli等［5］利用地統(tǒng)計學(xué)與GIS技術(shù)相結(jié)合的方法研究了土壤微量元素的空間分布特征及變異規(guī)律。Rodriguez等［6］基于多尺度分析了西班牙埃布羅河流域農(nóng)田耕層土壤中鎘、銅、鋅等重金屬元素的空間變異規(guī)律。Cordora等［7］以英國洛桑實驗區(qū)土壤氮為研究對象，對其空間變異性進行了分析。國內(nèi)關(guān)于土壤有機質(zhì)和微量元素的空間變異性分析，主要從不同尺度、針對不同研究區(qū)域進行研究［8-17］，揭示了氣候、土壤類型、地形、地貌、土地利用等因素對其空間變異的影響。

綜上所述，近年來，針對土壤有機質(zhì)和微量元素空間變異的研究中，學(xué)者傾向于對不同地貌類型區(qū)的研究，如丘陵區(qū)、黃土高原區(qū)和小流域等，認(rèn)為在景觀和流域尺度上，由于氣候條件較為一致，土壤類型、地形和土地利用是影響土壤養(yǎng)分空間變異的主要因素［18-19］。湖泊景觀周圍地貌類型較為特別，為湖灘、洼地和傾斜平地等，目前針對湖泊景觀周圍農(nóng)田土壤有機質(zhì)和微量元素空間變異性研究鮮有報道，且大多數(shù)研究偏重于描述土壤屬性的空間變異，對引起變異的各因素的內(nèi)在影響機理研究并不十分透徹。

本文以南四湖區(qū)農(nóng)田土壤為研究對象，結(jié)合實地調(diào)查采樣數(shù)據(jù)，利用GS+9.0和Arcgis9.3中的地統(tǒng)計分析模塊，分析該區(qū)特殊地貌類型下土壤有機質(zhì)和微量元素的空間變異規(guī)律，繪制土壤有機質(zhì)和微量元素含量空間分布圖，并著重分析土壤類型、耕層質(zhì)地、坡度、土地利用類型和地貌類型對其空間變異的影響，為更好的了解該區(qū)土壤的特性，采取具有針對性的措施進一步提升南四湖區(qū)土壤的肥力和質(zhì)量等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

微山縣地處東經(jīng) 116°34'—117°24'，北緯 34°27'—35°20'，總面積 1780 km2，地勢東、北高，西、南低，海拔30—290 m，中間為微山、昭陽、獨山、南陽四湖，是南四湖區(qū)典型縣域(圖1)。研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫14.7℃，年均降水量760 mm。地貌類型主要有山前傾斜平地、洼地、低山丘陵區(qū)地、湖灘、緩平地等(圖2)。土壤類型依據(jù)第二次土壤普查共分為5個土類(圖2)。其中棕壤639.27 hm2，占1.3%，主要分布于兩城鄉(xiāng)、韓莊鎮(zhèn)的低山丘陵區(qū);褐土1.15×104hm2，占23.42%，分布于兩城、微山島、歡城等鄉(xiāng)鎮(zhèn);潮土 2.78×104hm2，占56.53%，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布;砂姜黑土5466.7 hm2，占11.24%，分布在歡城、塘湖、付村等鄉(xiāng)鎮(zhèn);水稻土3733 hm2，占 7.58%，分布于張樓、侯樓等鄉(xiāng)鎮(zhèn)［20］。研究區(qū)土地利用方式以灌溉水田、水澆地、旱地和菜地為主(圖2)，主要種植小麥、玉米、稻谷、大豆等作物。土壤質(zhì)地主要以輕壤和中壤為主，粘土和重壤分布較少(圖2)。

圖1 采樣點分布Fig.1 Distribution map of sampling sites

圖2 南四湖區(qū)地貌類型、土壤類型、土地利用類型、質(zhì)地和坡度圖Fig.2 Maps of topography type，soil type，land use type，soil texture and slope in Nansihu region

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與分析

2009年9月，以微山土地利用現(xiàn)狀圖、地形圖、第二次土壤普查土壤圖以及數(shù)字高程(DEM)等為基礎(chǔ)圖件，結(jié)合研究區(qū)實際情況，共布設(shè)1021個土壤采樣點(圖1)，采用S型取樣路線，采取多點混合和四分法采集0—20 cm耕作層土壤，利用手持GPS儀記錄采樣點經(jīng)緯度。實驗室內(nèi)樣品測定方法嚴(yán)格按照國家規(guī)定的土壤農(nóng)化分析方法進行，SOM采用重鉻酸鉀容量法測定，鐵(Fe)、錳(Mn)銅(Cu)和鋅(Zn)采用火焰原子吸收分光光度法，硼(B)采用姜黃色法。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

利用SPSS 17.0對數(shù)據(jù)進行一般描述性統(tǒng)計和K-S檢驗，如不符合正態(tài)分布，需進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(通常進行對數(shù)轉(zhuǎn)換)或剔除原始數(shù)據(jù)中的異常值。以探索南四湖區(qū)土壤有機質(zhì)和微量元素的空間異質(zhì)性為研究重點，利用GS+9.0軟件對經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布數(shù)據(jù)(B不需轉(zhuǎn)換)進行半方差分析和擬合，依據(jù)變異函數(shù)理論模型參數(shù)，在Arcgis9.3的地統(tǒng)計模塊中進行普通克里格空間局部插值，生成空間分布圖。為定量分析影響土壤有機質(zhì)和微量元素空間分布的主要因素，采用方差分析和多重比較(Games.Howell法)，分別分析了土壤類型、耕層質(zhì)地、坡度、土地利用類型和地貌類型對有機質(zhì)和微量元素的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計分析

表1為各觀測指標(biāo)的描述統(tǒng)計結(jié)果。按照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，SOM平均值處于中等水平(10.0—20.0 g/kg)。微量元素差異較大，Mn的平均含量最高(10.66 mg/kg);B的平均含量最低(0.57 mg/kg)。按照山東省土壤有效微量元素分級標(biāo)準(zhǔn)，從平均含量來看，F(xiàn)e處于中等水平(4.5—10 mg/kg)，Mn處于中等水平(5—15 mg/kg)，Cu處于高水平(1.0—1.8 mg/kg)，Zn、B 處于中等水平(0.5—1.0 mg/kg)。由土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［21］可知，Cu、Zn、Mn均沒有超過國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。按照反映離散程度的變異系數(shù)大小粗略的分級，SOM和微量元素均屬中等變異程度(10%—100%)。

正態(tài)分布檢驗表明，B符合正態(tài)分布，SOM、Fe、Mn、Cu和Zn的原始數(shù)據(jù)均表現(xiàn)為尖峰、正偏性，經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后，符合正態(tài)分布，滿足地統(tǒng)計學(xué)分析的要求。

表1 土壤有機質(zhì)和微量元素的描述性統(tǒng)計Table 1 Descriptive statistics of soil organic matter(SOM)and trace elements

2.2 空間變異結(jié)構(gòu)分析

由表2可知土壤有機質(zhì)和微量元素(除B是純塊金效應(yīng)外)的半方差函數(shù)擬合較好，R2均大于0.6，能較好的反映其空間結(jié)構(gòu)特征。SOM、Fe、Mn和Zn用指數(shù)模型擬合較好，Cu用球狀模型擬合較好。

塊金值表示隨機部分的空間變異性，較大的塊金值表明較小尺度上的某種過程不可忽略［3］。引起塊金值變化的主要因素有實驗誤差和小于實驗取樣尺度上施肥、作物、管理水平等隨機因素［22］。有機質(zhì)的塊金值為0.0016，微量元素中，Mn的塊金值最大(0.0635)，F(xiàn)e的最小(0.0120)?？傮w來看，土壤有機質(zhì)和微量元素的塊金值均較小，說明在最小間距內(nèi)的變異分析過程中引起的誤差較小。

塊金值與基臺之比表示隨機部分空間變異性占總空間變異性的程度，比值較大說明隨機部分起主要作用，比值較小說明非人為結(jié)構(gòu)因素起主要作用［23］。根據(jù) Cambardella 等［24］提出的區(qū)域化變量空間相關(guān)程度的分級標(biāo)準(zhǔn)，B的塊金值與基臺值的比為1，為純塊金效應(yīng)，在整個尺度上具有恒定變異。SOM和其余四種微量元素的塊金值與基臺值的比均小于0.25，空間相關(guān)程度強，說明在該研究區(qū)域內(nèi)，受人為因素(施肥、耕作、種植制度等)的影響較小，影響SOM和微量元素空間變異的主要因素有成土母質(zhì)、土壤類型、氣候條件等。

變程是空間變異自相關(guān)范圍的度量，SOM的變程為84 m，說明有機質(zhì)在此范圍內(nèi)具有空間自相關(guān)。微量元素中Fe的空間自相關(guān)距離最小(162 m)，Mn的空間自相關(guān)距離最大(2571 m)，這主要與湖區(qū)的影響有關(guān)，此外農(nóng)作物對微量元素的吸收偏好也可能影響變程的大?。?］。

表2 土壤有機質(zhì)和微量元素半方差函數(shù)理論模型與參數(shù)Table 2 Best-fitted semivariogram models and parameters of SOM and trace elements

2.3 空間局部插值

為便于全面、直觀的揭示土壤有機質(zhì)和微量元素的空間分布格局，在Arcgis9.3中，對SOM、Fe、Mn、Cu和Zn采用普通克里格插值(圖3)。由于B在該取樣間距下不具有空間相關(guān)性，采用反距離權(quán)重插值法(IDW)(圖3)?？芍琒OM大致呈現(xiàn)由北向南逐漸降低的趨勢，緩平地區(qū)有機質(zhì)含量較高，這些區(qū)域地勢平坦，土地利用類型多為水澆地，農(nóng)作物生長旺盛，施肥較多，故有機質(zhì)含量較高，而其他區(qū)域多為丘陵或洼地，土壤較為貧瘠，管理較為粗放，有機質(zhì)積累少。北部低山丘陵區(qū)Fe含量較高，在14 mg/kg以上，南部 Fe含量最低(3—9 mg/kg)。Mn、Cu、Zn分布總體趨勢均為中部高，南北兩端低，其中Mn最明顯，中部多大于13 mg/kg，兩端最低在5 mg/kg以下。B地域差異不明顯，大部分在0.55 mg/kg以上。微量元素空間分布較為復(fù)雜，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要與研究區(qū)的成土母質(zhì)有關(guān)，微山縣成土母質(zhì)主要為黃泛沖積物、代河流沖積物以及湖沖積物，成土母質(zhì)是影響微量元素含量和空間分布的首要因素［25］。

2.4 土壤屬性空間分布影響因素分析

土壤有機質(zhì)和微量元素的空間變異通常是由土壤類型、地形、母質(zhì)以及土地利用方式等各種因素在不同方向、不同尺度共同作用的結(jié)果［26］。前文已初步揭示出區(qū)域因素對土壤有機質(zhì)和微量元素的空間變異起主導(dǎo)作用。為進一步探討引起空間變異的各因素的內(nèi)在機理，選取研究區(qū)空間差異較為明顯的土壤類型、耕層質(zhì)地、坡度、土地利用類型、地貌類型5個因素參與分析。

2.4.1 土壤類型

表3為不同土壤類型下有機質(zhì)和微量元素含量?？芍鼴外，5種土壤類型下SOM和微量元素含量存在明顯不同。SOM平均含量高低依次排列為:砂姜黑土＜褐土＜潮土＜棕壤＜水稻土。研究區(qū)水稻土的成土母質(zhì)為黃泛沖積物和湖積物，該土類是1964年改造澇洼、旱田改水田以來的人工產(chǎn)物，土質(zhì)粘重，水耕熟化過程積累了豐富的有機質(zhì)，故有機質(zhì)含量最高(15.77 g/kg)。褐土成土母質(zhì)為洪沖積物，表層質(zhì)地以輕、中壤為主，通氣良好，土體中的好氣微生物活動旺盛，腐殖質(zhì)積累較少，因此，有機質(zhì)含量較低(14.37 g/kg);潮土成土母質(zhì)為黃泛沖積物和代河流沖積物，表層質(zhì)地以重壤、中壤為主，土層深厚，土壤肥力中等(14.65 g/kg)。砂姜黑土成土母質(zhì)為湖河相沖積沉積物，表層質(zhì)地以粘土、重壤為主，宜耕性差，存有粘、濕、板、砂姜障礙，有機質(zhì)含量最低(14.22 g/kg)。成土母質(zhì)也是影響微量元素含量高低的主要因素，其中褐土中Fe、Mn的平均含量最高，砂姜黑土中Cu、Zn的平均含量最高。

圖3 土壤有機質(zhì)和微量元素空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of soil organic matter and trace elements

表3 不同土壤類型下土壤有機質(zhì)和微量元素含量Table 3 The contents of SOM and trace elements under different soil types

2.4.2 耕層質(zhì)地

從表4 可知，質(zhì)地對SOM、Fe、Mn、Cu、Zn 含量有較大影響，對B無影響。不同質(zhì)地SOM平均含量高低排列依次為:砂壤＜重壤＜輕壤＜中壤＜粘土。從總的趨勢來看，隨質(zhì)地由砂變粘SOM升高。一方面是由于粘性高的土壤，水分充足，透氣性差，原有機殘體在水分作用下易于腐爛降解，因而SOM含量高。另一方面，不同土壤質(zhì)地下，土壤微生物含量和酶活性也不同，砂性土壤下，有機物質(zhì)更容易被微生物分解，因而有機質(zhì)含量較低［27-28］。而重壤有機質(zhì)平均含量小于輕壤的原因可能是由于當(dāng)?shù)赝寥朗┓什痪斐傻?。一般情況下微量元素含量高低遵循粘土＞壤土＞砂土［29］，但由于施肥等會嚴(yán)重影響微量元素的空間分布，這也是導(dǎo)致本研究中微量元素隨質(zhì)地粘重變化無明顯趨勢的主要原因。

表4 不同耕層質(zhì)地下土壤有機質(zhì)和微量元素含量Table 4 The contents of SOM and trace elements under different topsoil textures

2.4.3 坡度

利用微山DEM數(shù)據(jù)提取坡度信息(圖2)，并按坡度將采樣點分為 3 組:﹤ 3°、3°—15°、≥15°(表5)?？芍?5°組的SOM平均含量最高(15.07 g/kg)，﹤3°組的最低(14.70 g/kg)?？傏厔轂殡S坡度升高SOM升高，原因在于微山并無坡度極高的區(qū)域，坡度較低區(qū)域為南四湖周圍區(qū)域，湖灘植被較少，不利于有機質(zhì)的積累，相對于湖灘區(qū)坡度較高的區(qū)域，植被較多，有機質(zhì)豐富。此外已有研究表明，具有一定傾斜程度的平地有利于SOM的積累［30］。不同坡度組下微量元素含量差異不大，說明坡度不是影響微量元素的主要因素。

表5 不同坡度等級下土壤有機質(zhì)和微量元素含量Table 5 The contents of SOM and trace elements under different grade level

2.4.4 土地利用類型

從表6可知，灌溉水田 SOM平均含量最高(15.33 g/kg)，旱地最低(13.85 g/kg)。由于不同土地利用類型之間收益存在較大差異，農(nóng)戶的投入與管理水平會有所不同，水田和水澆地收益高，農(nóng)戶投入的施肥量和管理水平較旱地高。此外當(dāng)?shù)亟斩掃€田現(xiàn)象較普遍，有機物質(zhì)歸還量較高，大部分被微生物稍經(jīng)分解即轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)儲存于土壤中，水田地勢低，土壤長期處于滯水狀態(tài)，SOM的分解速率明顯低于其他利用方式，有利于有機質(zhì)的積累。菜地土壤由于高度熟化，人類對于菜地的管理加強，應(yīng)該含有較高的SOM，但研究區(qū)內(nèi)，菜地分布較為分散，并未形成大規(guī)?；N植，人們的投入較低，因而菜地SOM含量較低。土地利用類型對微量元素Fe、Cu含量影響較大，對Mn、Zn、B影響不顯著，發(fā)生變化的原因主要與水田和旱地氧化還原環(huán)境不同有關(guān)。

表6 不同土地利用類型下土壤有機質(zhì)和微量元素含量Table 6 The contents of SOM and trace elements under different land using types

2.4.5 地貌類型

由表7可知，地貌類型對 SOM、Fe、Mn、Zn含量有較大影響，對Cu和B影響不顯著。SOM平均含量高低依次為:低山丘陵區(qū)＜湖灘＜山前傾斜平地＜緩平地＜洼地?？傮w看來，土地越平緩，有機質(zhì)積累越高，原因是地貌類型主要通過影響侵蝕和水土流失影響SOM的含量狀況［15］，另一方面通過影響水熱資源的分配，進而影響植被的生長情況，從而影響SOM的積累。湖灘SOM較少的原因主要是由于湖泊周圍植物較少，有機質(zhì)積累不多。洼地區(qū)土壤水分較多，有機殘體在水分作用下易于腐爛降解，SOM含量高。地貌對微量元素的影響主要是通過影響地表物質(zhì)循環(huán)的方式和方向影響土地利用類型，而土地利用類型和農(nóng)田管理措施又是影響微量元素變化的重要因素。

表7 不同地貌類型下土壤有機質(zhì)和微量元素含量Table 7 The contents of SOM and trace elements under different topography types

3 結(jié)論

本文利用地統(tǒng)計與GIS技術(shù)相結(jié)合的方法對南四湖區(qū)農(nóng)田SOM和微量元素空間變異特征及影響因素進行分析，主要結(jié)論如下:

(1)描述性統(tǒng)計分析表明，B符合正態(tài)分布，SOM、Fe、Mn、Cu和Zn符合對數(shù)正態(tài)分布，均屬中等變異程度。SOM平均值為14.66 g/kg，微量元素中Mn的平均含量最高(10.66 mg/kg);B的平均含量最低(0.57 mg/kg)。

(2)半方差分析表明，SOM、Fe、Mn和Zn用指數(shù)模型擬合較好，Cu用球狀模型擬合較好。B為純塊金效應(yīng)，在整個尺度上具有恒定變異，SOM和其余4種微量元素具有強烈空間變異，其中區(qū)域因素占主導(dǎo)作用。

(3)普通克里格插值結(jié)果表明，SOM分布總體趨勢為由北向南逐漸降低，Mn、Cu、Zn分布總體趨勢為中部高，南北兩端低，B地域差異不明顯。除B外，土壤類型、耕層質(zhì)地、坡度、土地利用類型、地貌類型與SOM和微量元素的含量高低以及分布狀況密切相關(guān)。

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