喀斯特坡耕地微地貌土壤養(yǎng)分空間變異性研究

程富東，戴全厚

(1.黔南州水土保持站，貴州 都勻 558000； 2.貴州大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025)

?

喀斯特坡耕地微地貌土壤養(yǎng)分空間變異性研究

程富東1,2，戴全厚2

(1.黔南州水土保持站，貴州 都勻 558000； 2.貴州大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025)

[摘要]為評(píng)價(jià)喀斯特坡耕地不同微地貌的土壤質(zhì)量和土地生產(chǎn)力，指導(dǎo)科學(xué)耕作施肥，預(yù)測(cè)水土流失趨勢(shì)，研究水土流失機(jī)理，在喀斯特坡耕地微地貌分類及特征研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)西南喀斯特坡耕地區(qū)域不同微地貌類型中7種土壤養(yǎng)分含量的變化范圍、最佳理論擬合模型、平均變異程度、空間相關(guān)性大小等進(jìn)行了分析比較。結(jié)果表明：不同微地貌類型中，土面土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀的含量最高，其次是土槽土壤，再次是土窩土壤，土被土壤最低；生境條件越嚴(yán)酷，變異程度越大，空間相關(guān)性最小。

土壤養(yǎng)分含量是土壤肥力的重要標(biāo)志，土壤養(yǎng)分含量差異性導(dǎo)致不同的土地生產(chǎn)力[1]?？λ固氐貐^(qū)巖石溶蝕與土壤流失雙重疊加，造成巖石裸露、土層厚度跳躍式分布、地表巖石與土壤間隔分布，呈現(xiàn)出不同于常態(tài)地貌的巖土組合單元景觀。生境條件迥異，微地貌組合方式多樣，使土壤養(yǎng)分空間分布差異明顯。從20世紀(jì)80 年代開始，我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的科研技術(shù)部門，使用GIS技術(shù)與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)的土壤養(yǎng)分空間分布特征進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究和應(yīng)用[2]。經(jīng)過多方面的應(yīng)用，地統(tǒng)計(jì)學(xué)現(xiàn)已被證明是研究土壤物理空間結(jié)構(gòu)和土壤養(yǎng)分空間變化規(guī)律與分布特征的極為有效的方法之一[3]。農(nóng)田土壤物理空間結(jié)構(gòu)和土壤養(yǎng)分空間變化規(guī)律與分布特征研究不僅可為農(nóng)業(yè)信息的描述、測(cè)量、田間管理奠定基礎(chǔ)，而且有利于構(gòu)建健康、可持續(xù)發(fā)展與高效循環(huán)的農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)[4]。所以，利用土壤養(yǎng)分調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)微地貌土壤養(yǎng)分空間分布規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)喀斯特地區(qū)坡耕地土壤質(zhì)量狀況與土壤養(yǎng)分空間特征進(jìn)行全面了解，對(duì)于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要意義[5]。

1研究區(qū)概況

本研究在微地貌特征及土壤質(zhì)量研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合微地貌的分布規(guī)模及其水土流失現(xiàn)狀，選擇水城縣一字河小流域、天生橋小流域作為研究對(duì)象。水城縣地處云貴高原向黔中山原過渡的梯級(jí)狀大斜坡地帶，山高、坡陡、谷深、土地瘠薄。境內(nèi)地勢(shì)呈梯級(jí)起伏，西北高、東南低，海拔1 400～2 276 m。地貌以山地為主，占全縣總面積的68%。氣候?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，降水充沛、雨熱同季，年均降水量1 261 mm，年平均氣溫12 ℃，無(wú)霜期223 d。

2研究方法

研究區(qū)土壤高度不連續(xù)、厚度跳躍性分布，使土壤養(yǎng)分空間分布具有顯著差異性。本研究通過資料查閱與樣地調(diào)查，在喀斯特微地貌分類及特征研究的基礎(chǔ)上，采集土樣，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)微地貌土壤養(yǎng)分空間變異性進(jìn)行系統(tǒng)分析。地統(tǒng)計(jì)學(xué)是以區(qū)域化變量為基礎(chǔ)，借助變異函數(shù)，研究既具有隨機(jī)性又具有結(jié)構(gòu)性或具有空間相關(guān)性和依賴性的自然現(xiàn)象的一門科學(xué)[6]。它是以區(qū)域化變量為核心和理論基礎(chǔ)，以空間結(jié)構(gòu)和變異函數(shù)為基本工具的一種數(shù)學(xué)方法[6]。半變異函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中研究空間變異性的工具函數(shù)，用來(lái)表征隨機(jī)變量的空間變異結(jié)構(gòu)[7]。Kriging插值又稱空間局部差值法，是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法[8]。

3結(jié)果分析

3.1微地貌與土壤養(yǎng)分綜合效應(yīng)

喀斯特坡耕地不同微地貌下土壤主要養(yǎng)分含量不同(見表1)，土壤有機(jī)質(zhì)平均含量的變化范圍是61.14～191.34 g/kg，土壤全氮、全磷、全鉀平均含量的變化范圍分別是1.50～3.58、0.67～1.31和13.7～36.4 g/kg，土壤堿解氮、速效磷和速效鉀平均含量的變化范圍分別是210.96～320.88、1.47～3.91、94.61～226.76 mg/kg。

表1　喀斯特坡耕地微地貌土壤養(yǎng)分含量

土被土壤有機(jī)質(zhì)含量最低，而土面、土槽和土窩土壤中的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于土被土壤，其中土面和土槽土壤有機(jī)質(zhì)的平均含量分別是土被土壤的3.13和2.52倍。土面土壤全氮、堿解氮含量與土槽、土窩、土被土壤存在顯著性差異。土面、土槽、土窩土壤全氮平均含量分別是土被土壤的2.39、1.80和1.24倍，堿解氮含量則分別是土被土壤的1.52、1.41和1.25倍。土面土壤中全磷、速效磷含量顯著高于土槽、土窩、土被土壤，土槽、土窩和土被土壤間速效磷含量也存在明顯的差異。土面土壤的全鉀、速效鉀含量明顯比土槽、土窩和土被土壤高。

總的看來(lái)，在不同微地貌土壤中，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量均有相同的變化趨勢(shì)，即土面>土槽>土窩>土被。因此，不同微地貌下土壤主要養(yǎng)分的差異主要表現(xiàn)為數(shù)量上的變化，這種變化與微地貌類型、施肥狀況、微地貌土壤搬運(yùn)過程和微地貌形成過程密切相關(guān)。

3.2地統(tǒng)計(jì)分析

計(jì)算微地貌中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀等7項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的變異函數(shù)大小，運(yùn)用理論模型進(jìn)行擬合，比較后得到不同微地貌土壤養(yǎng)分的最優(yōu)理論模型及其相關(guān)參數(shù)，結(jié)果見表2。其中，有機(jī)質(zhì)含量半變異函數(shù)最佳理論模型以球形模型為主，全氮、全鉀、堿解氮含量半變異函數(shù)最佳理論模型以高斯模型為主，全磷、速效磷、速效鉀含量半變異函數(shù)最佳理論模型以圓形模型為主。根據(jù)目前研究成果，擬合結(jié)果能很好地反映微地貌土壤養(yǎng)分空間變異特征。從表2可知，不同微地貌土壤養(yǎng)分指標(biāo)的塊金值均為正值，說(shuō)明存在著由采樣誤差、隨機(jī)和固有變異引起的各種正基底效應(yīng)，這是由不同微地貌類型和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)等因素引起的變異。從變異綜合系數(shù)可以看出：有機(jī)質(zhì)變異程度依次是土被>土窩>土面>土槽；對(duì)于全氮而言，變異程度依次是土被>土窩>土槽>土面；對(duì)于全磷而言，變異程度依次是土被>土面>土窩>土槽；對(duì)于全鉀而言，變異程度依次是土槽>土窩=土被>土面；對(duì)于堿解氮而言，變異程度依次是土被>土窩>土面>土槽；對(duì)于速效磷而言，變異程度依次是土被>土窩>土槽>土面；對(duì)于速效鉀而言，變異程度依次是土窩>土被>土槽>土面。

表2　不同微地貌土壤養(yǎng)分的變異函數(shù)模型及其參數(shù)

空間異質(zhì)比說(shuō)明自相關(guān)部分引起的空間異質(zhì)性程度的高低[9]。根據(jù)Cambardella等提出的區(qū)域化變量空間相關(guān)程度分組標(biāo)準(zhǔn)，空間異質(zhì)比>75%，說(shuō)明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；比值25%～75%，表明系統(tǒng)具有中等相關(guān)性；比值<25%，說(shuō)明相關(guān)性很弱[10-11]。由表2可知，不同微地貌類型的7種土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)比除土面全鉀外均大于25%，說(shuō)明坡耕地微地貌分布區(qū)土壤養(yǎng)分空間相關(guān)性屬于中等或者強(qiáng)烈。對(duì)于有機(jī)質(zhì)來(lái)說(shuō)，空間相關(guān)性土被>土面>土槽>土窩；對(duì)于全氮來(lái)說(shuō)，空間相關(guān)性土面>土窩>土槽>土被；對(duì)于全磷來(lái)說(shuō)，空間相關(guān)性土面>土窩>土被>土槽；對(duì)于全鉀來(lái)說(shuō)，空間相關(guān)性土槽>土窩>土被>土面；對(duì)于堿解氮來(lái)說(shuō)，空間相關(guān)性土被>土槽>土窩>土面；對(duì)于速效磷來(lái)說(shuō)，空間相關(guān)性土被>土槽>土面>土窩；對(duì)于速效鉀來(lái)說(shuō)，空間相關(guān)性土窩>土面>土槽>土被。

變程是變異函數(shù)達(dá)到基臺(tái)值所對(duì)應(yīng)的距離，表明屬性因子空間自相關(guān)范圍的大小。在變程之內(nèi)，空間自相關(guān)存在，反之則不存在[12]。因此，變程提供了研究某種屬性相似范圍的一種測(cè)度，變程大小可以表示空間異質(zhì)性尺度。由表2可看出：對(duì)于有機(jī)質(zhì)來(lái)說(shuō)，變程土槽>土面>土窩>土被；對(duì)于全氮來(lái)說(shuō)，變程土面>土被>土槽>土窩；對(duì)于全磷來(lái)說(shuō)，變程土被>土面>土窩>土槽；對(duì)于全鉀來(lái)說(shuō)，變程土槽>土窩=土被>土面；對(duì)于堿解氮來(lái)說(shuō)，變程土窩>土面=土槽>土被；對(duì)于速效磷來(lái)說(shuō)，變程土窩>土面=土槽>土被；對(duì)于速效鉀來(lái)說(shuō)，變程土窩>土面=土槽>土被。

3.3空間Kriging插值及分析

由于上述7種土壤養(yǎng)分都具有明顯的空間異質(zhì)比，因此利用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)模塊Kriging進(jìn)行最優(yōu)內(nèi)插，繪制微地貌影響下土壤養(yǎng)分含量等值線圖。Kriging插值的結(jié)果受變異函數(shù)模擬精度、樣點(diǎn)分布、鄰近樣點(diǎn)的選取數(shù)量等影響。對(duì)比不同微地貌土樣養(yǎng)分含量和分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果呈現(xiàn)相同的規(guī)律，即養(yǎng)分含量為土面>土槽>土窩>土被。土面土壤變異相對(duì)較小。土槽土壤和土窩土壤具有相近的養(yǎng)分分布規(guī)律，變異程度相似。采樣區(qū)養(yǎng)分含量按土面、土槽、土窩、土被順序呈現(xiàn)逐步減少的趨勢(shì)，說(shuō)明變異較為平緩且有規(guī)律性?？傊?，喀斯特坡耕地土壤養(yǎng)分出現(xiàn)差異顯著的分布格局，主要是受土地利用、微地貌類型等因素的綜合影響。

4結(jié)論

微地貌土壤養(yǎng)分空間變異性是喀斯特坡耕地的重要特征，日益成熟的地統(tǒng)計(jì)學(xué)為研究養(yǎng)分的分布提供了有效的途徑與方法，可以定量研究不同的微地貌形態(tài)對(duì)養(yǎng)分分布的影響，并揭示這種分布格局的空間差異，為分析空間分布與水土流失過程的關(guān)系、揭示內(nèi)在規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。

對(duì)喀斯特微地貌的7項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)做半變異函數(shù)分析和空間自相關(guān)分析的結(jié)果表明，土壤養(yǎng)分空間主要受到微地貌格局的控制影響。由于喀斯特地區(qū)的特殊地理構(gòu)造，微地貌的形成是不同土壤侵蝕的結(jié)果，土壤養(yǎng)分含量可以間接作為不同微地貌侵蝕強(qiáng)度的衡量指標(biāo)，作為監(jiān)測(cè)水土流失情況的手段，對(duì)不同微地貌單元土壤熵值的預(yù)測(cè)具有指示意義。

對(duì)微地貌養(yǎng)分空間變異性的研究，可以為喀斯特地區(qū)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)機(jī)制，有助于建立精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)生產(chǎn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王建鋒,謝世友.喀斯特石漠化地區(qū)土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性研究構(gòu)想[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,49(7):1605-1608.

[2] 郭旭東,傅伯杰,馬克明.基于GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的土壤養(yǎng)分空間變異特征研究[J].應(yīng)用學(xué)報(bào),2000,11(4):557-563.

[3] 譚萬(wàn)能,李志安,鄒碧,等.地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在土壤學(xué)中的應(yīng)用[J].熱帶地理,2005,25(4):307-311.

[4] 楊忠華,劉方,趙澤英,等.基于GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異性研究[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(9):120-123.

[5] 王珂.精確農(nóng)業(yè)田間土壤空間變異與采樣方式研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2001,17(3):33-36.

[6] 史丹,李艷.地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤學(xué)中的應(yīng)用[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2006:1-6.

[7] 羅林,周應(yīng)書,何興輝,等.喀斯特山地石漠化的垂直變異[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2009,29(1):332-336.

[8] 王軍,傅伯杰,邱揚(yáng),等.黃土高原小流域土壤養(yǎng)分的空間分布格局——Kriging插值分析[J].地理研究,2003,22(3):373-379.

[9] 羅林,周應(yīng)書,何興輝,等.巖溶山地植物群落不同層次物種豐富度的海拔垂直空間變異[J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究,2008,24(3):373-377.

[10] Goovaerts P.Geostatistics in soil science：state-of-the-art and perspectives[J].Geoderma,1999,89(1-2):1-45.

[11] Cambardella C A,Moorman T B,Novak J M,et al.Field-scale variability of soil properties in central Iowa soils[J].Soil Science of America Journal,1994,58(5):1501-1511.

[12] 王政權(quán).地統(tǒng)計(jì)學(xué)及在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,1999:20-33.

(責(zé)任編輯徐素霞)

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41061029)；貴州省優(yōu)秀青年科技人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(黔科合人字〔2011〕13號(hào))；國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAC02B02)

[中圖分類號(hào)]S158；P931.5

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1000-0941(2016)01-0051-03

[作者簡(jiǎn)介]程富東(1987—)，男，甘肅臨洮縣人，工程師，碩士，研究方向?yàn)橥嘶鷳B(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建；通信作者戴全厚(1969—)，男，陜西長(zhǎng)武縣人，教授，博士，研究方向?yàn)樗帘３峙c退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建。

[收稿日期]2015-03-10

[關(guān)鍵詞]坡耕地；微地貌；土壤養(yǎng)分；空間變異性；喀斯特地區(qū)