渭河干流沿岸土壤有機質空間分布特征及其影響因素

張文博， 張福平,2， 蘇玉波， 景彩娥

(1.陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院， 陜西 西安 710062; 2.中國科學院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所， 甘肅 蘭州 730000)

土壤有機質(SOM)是土壤的重要組成部分，是植物營養(yǎng)元素的主要來源，可以促進植物和微生物的生理活性，增加土壤的蓄水、保水和保肥能力，促進土壤良好結構的形成等，對土壤物理、化學和生物學性質有著深刻的影響,在土壤肥力、環(huán)境保護、農業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面具有很重要的意義[1]。研究土壤有機質分布特征、影響因素和響應機制，有助于估算土壤碳庫和土壤碳匯潛力以及研究土壤生態(tài)系統(tǒng)演替規(guī)律、合理制定農業(yè)種植規(guī)劃及農田管理措施[2]。國內外學者對土壤有機質空間分布及其影響因素已進行了大量的研究，如陳沖等[3]研究了坡度坡向對耕地土壤養(yǎng)分空間差異的影響；潘明安[4]對不同種植方式與土壤有機質的關系作了研究；彭陶[5]研究了綠洲棉田土壤有機質在時間和空間上的變異性；杜冠華等[6]對不同濕地類型的土壤有機質的水平分布、垂直分布特征及其與pH值、土壤水分和容重等指標的相關性進行了研究； Mishra等[7]研究了農田尺度的土壤有機質的空間變異特征；李婷[8]分析了小流域尺度土壤有機質空間分布特征及影響因素。但這些研究大多使用統(tǒng)計分析方法，基于Kriging空間插值技術和GIS技術，側重在表層土壤有機質及理化因子在水平方向上的空間變異狀況[9]，而在中等流域尺度土壤有機質水平和垂直方向立體分布特征的研究鮮有報道，同時，對于流域內河流對兩岸土壤有機質分布影響還未見研究。本文利用2012年8月上旬渭河干流生態(tài)調查的土壤分析成果，使用緩沖區(qū)分析、方差分析等方法對河岸3 000 m范圍內的土壤有機質空間分布進行了研究，并探討了沿渭河干流的土壤有機質在水平和垂直方向上的空間分布特征及影響因素。

1 研究區(qū)概況

渭河是黃河流域的最大支流，發(fā)源于甘肅省渭源縣鳥鼠山，流經甘肅、寧夏、陜西3省區(qū)，干流全長818 km，流域總面積達 13.48 km2[10]。渭河兩岸為波狀起伏地形，自西向東地勢逐漸變緩,河谷變寬。上游主要為黃土丘陵區(qū)，中下游北部為陜北黃土高原，中部為經黃土沉積和渭河干支流沖積而成的河谷沖積平原區(qū)——關中盆地，南部為秦嶺土石山區(qū)[11]。渭河兩岸的土壤主要是近代河流的沖積物及重積物，土壤熟化程度較高，主要土壤類型有鹽堿土、砂土、黃土、黑黏土、紅油土、黑油土、耕侵灰褐土、紅黏土、水稻土[12]。主要土地利用類型是耕地，約占50%，其次是林地和草地[13]。

2 數據的采集與分析

2.1 樣品采集與測定

2012年8月，依據1∶10萬地形圖沿渭河干流關中段采集土樣，為揭示河流對土壤有機質的影響，采樣點均選在距離河岸3 000 m的范圍內。樣點深度1 m，每10 cm取一次樣，每次取土樣30～50 g。采樣點共60個，土壤樣品600個。野外調查記錄采樣點經緯度、高程和附近土壤類型，以及植被覆蓋程度和類型等多項參數。將土樣在105 ℃下烘干24 h，經過稱量、研磨、過60目篩(0.2 mm孔徑)，用重鉻酸鉀溶液容量法測定土壤有機質含量。

在國際科學數據服務平臺網站下載2009年空間分辨率為30 m的DEM圖像，經拼接裁剪，用以提取流域范圍坡度坡向。

2.2 數據處理與分析方法

(1)土壤有機質含量有兩種表示方法，分別為百分比含量(%)和絕對含量(g/kg)，本文采用后者。計算公式如下：

式中：1.33——氧化校正系數;C——0.5 mol/L硫酸亞鐵標準溶液的濃度;V0——滴定空白消耗硫酸亞鐵標準溶液的體積(ml);V——土樣消耗硫酸亞鐵標準溶液的體積(ml);m——烘干土質量(g)。

(2)應用ArcGIS空間分析工具從DEM圖像中提取采樣點的坡度、坡向及高程數據。

(3)本文采用單樣本K—S(Kolmogorov—Smirnov)檢驗方法檢驗樣本所屬的總體是否服從正態(tài)分布。在此基礎上使用方差分析進行計算。

為研究土地利用類型、坡度、坡向、高程4個因素的不同水平是否給土壤有機質造成了顯著差異和變動，本文采用單因素方差分析方法分別對這4個因素分析。當方差分析結果認為各水平間存在顯著差異時，進行驗后多重比較，即各個水平的均值進行兩兩比較，檢驗任意兩個水平之間的差異是否會對土壤有機質造成顯著影響。當兩水平組方差相等時使用LSD(最小顯著性差異法)，方差不相等時使用Tamhane′s方法。

本文采用緩沖區(qū)分析的方法研究河流對兩岸的土壤有機質的影響，即以河流這個線狀要素為中心向兩邊延伸一定范圍，以延伸的距離不同劃分為不同的等級范圍，再統(tǒng)計不同等級范圍內土壤有機質含量。應用ArcGIS緩沖區(qū)分析工具，以渭河及其各支流為基準向外擴展，每500 m為一個緩沖帶，將研究區(qū)分為6個緩沖帶，分別統(tǒng)計每個緩沖帶內各土層土壤有機質平均含量，再應用單因素方差分析計算不同緩沖帶對土壤有機質的影響。

依據采樣時記錄的樣點數據，將所有土樣按照土地利用類型分成4類，即農田、林地、果園和荒灘草地。再由坡度圖和坡向圖得到每個土樣的坡度坡向，應用相關分析方法計算土壤有機質與地形因子之間的相關性。按各地形因子將坡度分為0°～3°，3°～8°，>8°這3個等級，坡向分為正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西、西北8個方向，高程分<400，400～800和>800 m 3組。分別使用單因素方差分析計算各地形因子不同水平對有機質的影響程度。

3 結果與分析

3.1 土壤有機質分布特征

為定量分析所有土樣的概率分布，將其按深度分成10層，經K—S(Kolmogorov—Smirnov)方法檢驗，在0.05置信水平下，所有土層p值都大于0.05，服從正態(tài)分布(表1)。說明所采土樣可以代表渭河干流區(qū)域的土壤有機質狀況，并且可以進行相關分析和方差分析等。

從渭河干流的土壤有機質描述性統(tǒng)計可以看出，研究區(qū)有機質含量均值在24.85～41.86 g/kg，與全球土壤有機質含量均值相比較，渭河沿岸的土壤有機質含量整體偏低。隨著土層深度加深，均值逐漸變小，較深層的土壤中動植物不發(fā)育，有機質主要分布在表層。由于靠近河岸，部分地區(qū)為砂土，在50 cm層以下土層有機質含量極小，最小值只有1.72 g/kg。極差范圍為63.63～94.58 g/kg，范圍較大，標準差均在15.85 g/kg以上，各個土層的有機質含量波動較大，主要是受人工施肥的影響造成的。變異系數最小的0—10 cm層為51%，區(qū)域整體有機質差異較大，河岸邊許多農田多年閑置或者荒廢，土壤肥力不斷下降。說明研究區(qū)土壤較貧瘠，人為因素影響程度大，主要靠人工施肥維持土壤肥力，靠近河岸地區(qū)多沙石，不適宜耕種。

表1 土壤有機質基本統(tǒng)計學特征

3.2 土地利用類型與土壤有機質的關系

土地利用方式是影響土壤物理化學性質的重要因素[14]。為了定量研究土地利用類型對土壤有機質的影響，分別在農田、林地、果園和荒灘草地4種地類上進行采樣。如圖1所示，農田土壤有機質含量整體變化最大，在0—20 cm的耕層最高達到50 g/kg，并且隨深度增加有機質含量減少，30—100 cm層有機質含量波動較小，保持在25 g/kg左右。林地的有機質含量變化趨勢與農田相似，只是在50—100 cm層比農田略高，保持在30 g/kg水平。果園的有機質含量保持平穩(wěn)，50 cm以上在40 g/kg水平波動，50—100 cm土層有機質在30～35 g/kg波動。所有土層中荒灘草地的有機質含量最低，這是由于此種地類主要分布在河灘等沙石較多的地方，無人管理，長期受河流沖刷，植被覆蓋少。農田和果園受人為灌溉施肥的影響，有機質含量相對較高。本研究所采林地樣本均為人工林，所以在一定程度上也受人為因素影響，但相對農田果園，林地的投入少，時間長，所以有機質含量相對減少。

圖1 不同土地利用類型土壤有機質變化

經K—S檢驗，4種地類的土樣均服從正態(tài)分布(p>0.05)，本文采用單因素方差分析方法分別對10個土層的有機質加以分析，Levene’s方差齊性檢驗結果見表2。當方差齊性的值大于0.05時，說明通過方差齊性檢驗，使用LSD方法進行多重比較，當p值小于0.05時，說明4種地類對有機質含量的影響有顯著性差異。從表2可以看出，不同土地利用類型只在0—10和10—20 cm這兩個土層對有機質的影響效果有顯著性差異，20 cm以下土層不同地類間比較的p值均大于0.05，即說明4種地類間無顯著性差異。

表2 土壤有機質不同影響因素的方差分析結果

表3為0—10和10—20 cm土層均值兩兩比較結果，只有荒灘草地的土壤有機質與其他3種地類間具有顯著性差異，農田、林地和果園由于受到人工施肥的影響，有機質含量相對較高。但從標準差可以看出，農田有機質含量的波動也較大，說明只要實施合理有效的耕地管理方式便可以提高耕地肥力。

表3 不同土地利用類型土壤有機質均值兩兩比較結果(LSD方法)及相關統(tǒng)計量

3.3 地形因子對土壤有機質的影響

3.3.1 高程與土壤有機質的關系 所采樣點沿渭河干流上游到中下游，海拔范圍在300～1 000 m，落差較大。為定量研究海拔對有機質的影響，將所有樣點按高程分成3個級別(<400，400～800，>800 m)，分別對0—100 cm深度的10個土層作方差分析，分析結果見表2。不同高程組只在0—10和10—20 cm兩個土層對有機質的影響效果有顯著性差異，20—100 cm土層不同高程組的p值均大于0.05，說明不同高程組在20 cm以下對有機質的影響無顯著性差異。10—20 cm層方差齊性小于0.05，沒有通過方差齊性檢驗，使用Tamhane’s多重比較方法進行兩兩比較。

不同海拔高度影響土壤的水熱條件以及物質的堆積和遷移，高海拔地區(qū)的土壤環(huán)境處于半封閉狀態(tài)，人為因素影響小，微生物分解動植物殘體形成的有機質容易保存，土壤有機質所受破壞程度小。而低海拔地區(qū)相對農業(yè)耕作多一些，土壤有機質受外界環(huán)境的影響較大[15]。分別計算不同高程組土壤有機質含量的平均值，從圖2中看出，海拔越高土壤有機質含量越高。對3個高程組間的兩兩比較可以發(fā)現，在0—10 cm層，低于400 m海拔的土壤有機質含量較小，<400和>800 m高程組間具有顯著性差異；在10—20 cm層，低于400 m的有機質也明顯低于其他高程組，400～800和>800 m高程組之間沒有顯著性差異。

3.3.2 坡度和坡向與土壤有機質的關系 坡度、坡向對土壤有機質的腐殖化和礦化過程都有重要影響，從而影響其存在形態(tài)、含量及空間分布等[16]。一般說來土壤侵蝕強度隨坡度的增大而增大[17]。為了分析坡度對有機質的影響，本文將采樣點坡度分為0°～3°，3°～8°，>8°這3個等級。如表4所示，渭河干流區(qū)域的有機質有隨坡度增加而減少的趨勢,土層越深，趨勢越不明顯。在全部土層中，0°～3°的土壤有機質明顯高于3°～8°和>8°的有機質含量，平坦的土地更容易維持土壤肥力。方差分析結果表明，10個土層的有機質在3個坡度組間均無顯著差異性，這是由于采樣點分布在距離河岸3 000 m范圍內，河水對土壤的侵蝕影響所致，近河水地帶主要以沙土居多，有機質含量極少。

為分析坡向對有機質的影響，將337.5°～360°和0～22.5°規(guī)定為正北方向，沿順時針每隔45°分別為東北、東、東南、南、西南、西、西北8個方向。分別算出10個土層在每個方向上的有機質含量均值，50 cm以下土層有機質含量較低且均值接近，故未標示。如圖3所示，陰坡和半陰坡的有機質含量明顯要高于陽坡，陽坡接受的太陽輻射多，導致土壤溫度高濕度低，相對陰坡土壤干燥，有機質分解速度快，不易積累。土壤有機質含量水平通常隨熱量條件的增加而降低，隨濕潤度的增加而增高[18]。隨著深度增加，各個方向上的有機質含量都隨之降低，并且坡向對有機質的影響趨勢也隨之減弱，坡向只影響表層土壤有機質的分布。方差分析表明，不同坡向的有機質含量無顯著性差異。

圖2 不同高程組有機質含量變化

表4不同坡度分級土壤有機質變化 g/kg

坡 度 分級/(°)土層/cm0—1010—2020—3030—4040—5050—6060—7070—8080—9090—1000～345.51 37.83 30.18 31.42 23.29 29.51 32.15 29.53 27.36 24.89 3～842.50 31.81 22.82 21.42 21.59 20.64 25.41 24.08 25.15 20.88 >840.13 32.33 23.39 21.32 20.98 22.36 24.94 24.51 23.65 33.82

圖3 不同坡向土壤有機質變化

3.4 河流不同距離緩沖帶的土壤有機質結構分析

毛麗麗等[19]關于黑河下游河道滲漏面積估算中得出結論，黑河滲漏近似平均寬度約321.7 m。為研究與河流距離對土壤有機質的影響，依據此黑河滲漏寬度，本研究將500 m作為一個緩沖帶寬度，則第1緩沖帶就可以基本包含兩岸浸潤帶，第2至第6緩沖帶不受河流滲漏影響。使用ArcGIS 9.3的緩沖區(qū)分析工具，分別統(tǒng)計了10個土層在不同緩沖帶上的有機質含量如圖4所示。從圖4可看出，距離河岸越遠，土壤有機質含量逐漸增加，這種趨勢在0—10和10—20 cm土層尤其明顯，隨著深度向下，這種趨勢逐漸減弱，說明不同緩沖帶只對土壤表層有機質有顯著的影響。0—10和10—20 cm層的趨勢線明顯高于其他土層，表明不論距河遠近，有機質均隨著深度增加而減低。

圖4 不同緩沖區(qū)土壤有機質變化

3.5 土壤有機質垂直分布特征分析

由于成土過程對疏松物質的改造作用，特別是腐殖質的形成和加入過程，以及顆粒與溶解物質的轉移過程，導致土壤內部沿垂直方向發(fā)生分異，形成了一些物理和化學性質明顯不同的水平層次[20]。為研究土壤有機質在垂直方向上的分布特征，將所有土樣按土層深度分成10層，對每一土層做不同地類、高程、坡度、坡向以及緩沖區(qū)的方差分析，分析結果如表2所示。從表2可以看出，當p<0.05，則說明其具有顯著性差異，不同地類間只在0—10和10—20 cm土層具有顯著性差異，其p值分別為0.003和0.042。不同高程組間也有同樣的結果，坡度和坡向因素的結果顯示都不具有顯著性差異。

土壤有機質沿垂直方向分布的特征主要是由有機質的積累和分解兩個過程共同影響，而此過程又受到多種因素控制，例如土地利用類型、地貌特征、生態(tài)景觀類型、土壤類型、土壤坡面沉積發(fā)育、植被覆蓋程度和氣候條件等因素。本研究通過對地類、高程、坡度、坡向和緩沖區(qū)分別做單因素方差分析得知，在渭河干流區(qū)域只有土地利用類型和高程因素在20 cm以上土層有顯著性差異，有機質主要分布在耕層，尤其是農田、果園地類，耕層以下土壤含有機質極少，所以影響程度也相對減弱。本研究區(qū)是一個沿河流方向的狹長地帶，坡度坡向因素差異較小，并且耕層下層土壤多沙石，造成坡度坡向等其他因素并未對有機質造成顯著影響。但在10 cm深度以上的表層p值明顯小于下層土壤，有機質主要分布在地表最上面的有機質層和淋溶層，所以各影響因素只在表層土壤有顯著影響，隨著土層深度向下，有機質含量逐漸減少，各影響因素對有機質的影響效果也逐漸減弱。

4 結 論

(1)渭河流域干流區(qū)域土壤有機質含量總體偏低，分布不均，變異性較大，隨著土層深度向下逐漸降低。不同用地類型的有機質含量的順序是：農田>林地>果園>荒灘草地。高程對表層土壤有機質有顯著影響，隨著海拔升高，有機質含量逐漸增加。坡度對有機質的影響不顯著，但隨著坡度增加，有機質有下降的趨勢。陰坡和半陰坡的有機質含量明顯高于陽坡，但隨著深度增加，這種現象越來越不明顯。

(2)隨著緩沖區(qū)域的擴大，0—20 cm深度，在同一水平土層上，有機質含量逐漸升高，20 cm以下土層這種趨勢逐漸減弱。每一個緩沖帶與總體土壤有機質的分布規(guī)律相似，即隨深度增加有機質含量逐漸減少。

(3)土地利用類型、海拔、坡度、坡向以及距離河流的距離這些影響有機質變化的因素，只在20 cm以上土層具有顯著性，對下層土壤的影響效果逐漸減弱。所以在研究渭河干流區(qū)域土壤有機質時，所采土壤樣本可以只取到表層20 cm。

(4)本研究依據相關文獻以及采樣條件，選擇500 m為緩沖帶寬度，僅分析了3 000 m范圍內的有機質分布規(guī)律。鑒于研究區(qū)域地形復雜，人為影響等因素干擾，河流對兩岸的土壤有機質影響范圍、強度及作用機理還有待進一步研究。本研究所得結論與大部分研究基本一致，并且適合于渭河流域，為流域內土壤資源開發(fā)、保護以及生態(tài)修復提供重要決策依據。

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