漢江余姐河小流域土地利用對(duì)土壤粉粘粒分布的影響研究

胡克志， 李占斌， 李　鵬， 徐國(guó)策， 袁水龍， 王　添， 王　丹

(1.陜西省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，陜西 西安 710004；2.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048；3.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

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漢江余姐河小流域土地利用對(duì)土壤粉粘粒分布的影響研究

胡克志1， 李占斌2,3， 李鵬2， 徐國(guó)策2， 袁水龍2， 王添2， 王丹2

(1.陜西省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，陜西 西安 710004；2.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048；3.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

為了研究漢江流域土地利用對(duì)土壤粉粘粒分布的影響，使用統(tǒng)計(jì)學(xué)及地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)3個(gè)土層的粉粘粒數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：研究區(qū)3個(gè)土層的粉粘粒含量表現(xiàn)為0～20 cm(A1) < 20～40 cm(A2) < 40～60 cm(A3)，變異系數(shù)分別為13%、4%和14%，均屬中等變異。三個(gè)土層的粉粘粒最優(yōu)半方差模型均為指數(shù)模型，空間分布也都表現(xiàn)為中等空間相關(guān)。方差分析表明，在農(nóng)地、林地、草地三種土地利用類型下，只有A3層粉粘粒含量存在顯著性差異(P< 0.05)。另外，A1、A2、A3層之間的粉粘粒含量存在極顯著差異(P< 0.01)。余姐河流域0～60 cm土壤粉粘粒儲(chǔ)量為10.21萬t，其中農(nóng)地、林地、草地的粉粘粒儲(chǔ)量分別為3.44萬t、3.23萬t和3.54萬t。

土壤粉粘粒； 土地利用； 空間變異； Kriging插值

土壤的顆粒級(jí)配不僅影響土壤的水力學(xué)特性，而且影響土壤的肥力狀況以及土壤侵蝕強(qiáng)度等，是土壤重要的物理指標(biāo)之一[1-3]。在水蝕過程中，土壤中的細(xì)顆粒最容易流失，同時(shí)伴隨著養(yǎng)分的流失，不同的土地利用類型對(duì)水土流失有不同的攔截效果[4-5]，顆粒級(jí)配特征能夠反映不同土地利用方式對(duì)土壤侵蝕的影響。有研究發(fā)現(xiàn)，坡地流失泥沙中大量富集小于0.02mm的粉粘粒[6-7]。侵蝕往往導(dǎo)致由粉粒和粘粒組成的泥沙細(xì)顆粒和養(yǎng)分的富集[8-9]。土壤中細(xì)顆粒的流失使得土壤中粉粘粒儲(chǔ)量下降，不僅造成土壤肥力降低，同時(shí)還造成大量營(yíng)養(yǎng)元素流失，導(dǎo)致河流湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化。近年來，許多學(xué)者利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)土壤性質(zhì)的空間變異進(jìn)行了研究[10-13]，但是土地利用對(duì)小流域土壤粉粘?？臻g變異特征影響的研究還鮮見報(bào)道。本文以余姐河小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，采用網(wǎng)格法和分層方式，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，研究了該區(qū)的土壤粉粘粒含量的空間變異特征，并估算了土壤粉粘粒的儲(chǔ)量。以期為漢江流域水土流失防治與水環(huán)境保護(hù)政策制定提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

余姐河小流域位于陜西省安康市漢濱區(qū)大同、恒口兩鎮(zhèn)境內(nèi)(E108°48′15"～108°48′42"，N32°44′55"～32°45′13")，余姐河屬漢江一級(jí)支流月河左岸二級(jí)支流，流域總面積0.141 km2，河道平均比降39.2‰。流域土壤主要為母巖風(fēng)化的巖屑，雜以少量砂質(zhì)粘土構(gòu)成石碴土。流域內(nèi)植被為次生林，喬、冠混交，針、闊葉混交。上游植被較好，耕地分散，下游植被差，耕地相對(duì)集中，以坡耕地為主。流域多年平均降雨量850 mm，實(shí)測(cè)最大年降水量為1 156 mm，最小降水量561.5 mm。降水量年內(nèi)分配不均，一般夏季多雨，冬春偏少， 7～10月(豐水期)降水量占全年降水量的65%， 11月到次年3月(枯水期)占全年降水量不足10%。

1.2土壤樣品的采集與測(cè)定

2013年12月，在對(duì)研究區(qū)進(jìn)行實(shí)地勘察的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦渭巴恋乩梅绞?，?0 m×30 m的網(wǎng)格進(jìn)行土壤樣品采集，采樣點(diǎn)共計(jì)185個(gè)，并用GPS定位采樣點(diǎn)的坐標(biāo)，如圖1所示。采樣深度60 cm，每個(gè)采樣點(diǎn)分別按0～20 cm(A1)，20～40 cm(A2)，40～60 cm(A3)分層采集土樣，裝袋后帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

將土樣自然晾干，過2 mm篩子后，使用馬爾文激光粒度儀經(jīng)超聲波震蕩15 s后測(cè)量土壤粒徑的體積分?jǐn)?shù)(%)。根據(jù)美國(guó)農(nóng)部制分類標(biāo)準(zhǔn)，土壤顆?？梢苑譃闃O粗砂粒( 2～1 mm) 、中粗砂粒(1～0.25 mm)、細(xì)砂粒( 0.25～0.05 mm) 、粉粒(0.05～0.002 mm) 和粘粒(<0.002 mm)。所以粒徑設(shè)為2～1 mm(d1)、1～0.5 mm(d2)、0.5～0.25 mm(d3)、0.25～0.1 mm(d4)、0.1～0.05 mm(d5)、0.05～0.002 mm(d6)和小于0.002 mm(d7)7級(jí)。

圖1　研究區(qū)土地利用及樣點(diǎn)分布圖Fig.1　Land use types and distribution of sampling sites in the study area

1.3數(shù)據(jù)分析與處理方法

采用SPSS16.0 軟件對(duì)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析，采用ArcGIS(10.1)制作空間分布圖，采用GS+ (7.0) 進(jìn)行半方差函數(shù)計(jì)算。

半方差函數(shù)公式為：

(1)

式中，z(xi)為隨機(jī)變量Z在點(diǎn)xi處的值；z(xi+h)為Z在距離點(diǎn)xi為h遠(yuǎn)處的值，N(h)為滯后距離為h時(shí)的樣本對(duì)數(shù)。

參照有機(jī)碳儲(chǔ)量的計(jì)算方法[14]估算粉粘粒儲(chǔ)量：

Ck=10dkpkwk

(2)

Sk=AkCk

(3)

式中，C為土壤粉粘粒密度(kg/m2)，k為土壤不同層次，d為土層厚度(cm)，p為土壤容重(g/cm3)，w為土壤粉粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)，A為各土地利用類型所占面積，S為土壤粉粘粒儲(chǔ)量。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤粉粘粒的統(tǒng)計(jì)特征

余姐河流域不同深度下土壤粉粘粒含量的統(tǒng)計(jì)特征如表1所示。

表1　余姐河流域不同深度下土壤粉粘粒含量的統(tǒng)計(jì)特征

由表1可以得出，不同深度下土壤粉粘粒含量的平均值隨土壤深度的減小而減小。這種現(xiàn)象與土壤侵蝕關(guān)系密切，因?yàn)橥寥狼治g主要發(fā)生在土壤的表層，而且在侵蝕過程中，小粒徑的土壤顆粒更容易被徑流攜帶遷移[15-16]，而中等或較大粒徑被保留在土壤中。三個(gè)土層的粉粘粒含量極差表現(xiàn)為A2>A3>A1。表層由于受人類的翻耕作用影響，土壤的粉粘粒分布更均勻，故極差最小。根據(jù)Nielson 和Bouma (1985) 的分類系統(tǒng)：弱變異CV≤ 10%，中等變異10%

使用正態(tài)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行Kriging插值預(yù)測(cè)效果最好，故對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行K-S 檢驗(yàn)，由表1可知A1、A2、A3層的P值都大于0.05，說明A1、A2和A3層的粉粘粒數(shù)據(jù)都服從正態(tài)分布。

2.2土壤粉粘粒的空間特征分析

為了進(jìn)一步分析土壤粉粘粒的空間結(jié)構(gòu)，采用軟件GS+7.0 對(duì)三個(gè)土層粉粘粒的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖2為半方差函數(shù)圖，表2為余姐河流域不同深度土壤粉粘粒含量的地統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)。由表2知，三個(gè)土層指數(shù)模型的擬合優(yōu)度(R2)分別是0.823、0.816和0.708，殘差平方和(RSS)是308、797和863。最高的擬合程度及比較小的殘差平方和表明指數(shù)模型可以很好地描述該地區(qū)土壤粉粘粒的空間結(jié)構(gòu)特征。三個(gè)土層的變程值從表層到深層逐漸減小，其最小值為93.6 m。由圖2也能明顯得出變程的最小值大于采樣間隔30 m，表明采樣數(shù)據(jù)能夠用來進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)分析。

塊金值能夠表征區(qū)域化變量隨機(jī)性的大小，該值較大表示其隨機(jī)性不能忽略?；_(tái)值表征隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異總和。塊金系數(shù)表征隨機(jī)性因素引起的變異占總變異的比重，塊金系數(shù)較大表明主要是由隨機(jī)性因素導(dǎo)致了空間變異。A1、A2及A3層的塊金系數(shù)分別是50.0%、50.0%和54.5%，表明土壤粉粘?？臻g變異中占比較大的是隨機(jī)因素。塊金系數(shù)同樣可以反映區(qū)域化變量空間相關(guān)性的大小，塊金系數(shù)在25%～75%之間表示區(qū)域化變量空間相關(guān)性中等。

由表2可知，三個(gè)土層粉粘粒分布均為中等空間相關(guān)，說明結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性因素共同決定了土壤粉粘粒的空間分布。結(jié)構(gòu)性因素使土壤粉粘粒空間相關(guān)性增強(qiáng)，相反隨機(jī)性因素使得土壤粉粘粒空間相關(guān)性減弱，向一致化方向發(fā)展[18]。A1與A2層的塊金系數(shù)相等且都小于A3層，說明0～40 cm深度土壤粉粘粒的空間相關(guān)性小于40～60 cm，這是由于0～40 cm土層受水力侵蝕、耕作措施等人為活動(dòng)的影響較大。

表2　余姐河流域不同深度下土壤粉粘粒含量的地統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)

圖2　余姐河流域三個(gè)土壤深度下粉粘粒的半方差函數(shù)理論模型Fig.2　Semivariogram theoretical model of the three soil depths of CS content

2.3空間插值分析

為了能夠比較直觀的判斷土壤粉粘粒的空間分布狀況，對(duì)不同土層的粉粘粒數(shù)據(jù)進(jìn)行了Kriging 插值，并在ArcGIS(10.1)中繪制了該地區(qū)不同深度土壤粉粘粒的空間分布圖(見圖3)。由圖3可以看出，三個(gè)土層粉粘粒含量的空間分布呈現(xiàn)整體帶狀、局部塊狀的格局，并且隨著深度的增加，粉粘粒含量也逐漸增加，其中A3層的含量最高，A2層的空間分布范圍最大。A1層粉粘粒含量高的地方，A2層和A3層也相對(duì)較高，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的一致性，但A2層和A3層的分布范圍更大?？傮w來說，土壤粉粘粒含量相對(duì)較高的地方主要分布在林地、草地，而農(nóng)地的含量最低。這是因?yàn)榱值?、草地的水力侵蝕較弱，而農(nóng)地由于耕作侵蝕與水力侵蝕相對(duì)嚴(yán)重，造成大量粉粘粒的流失。

圖3　余姐河流域三個(gè)土壤深度下粉粘粒含量空間插值結(jié)果Fig.3　Spatial interpolation distribution at the three depths of soil CS content in Yujiehe watershed

2.4不同土地利用下粉粘粒含量及容重

余姐河流域不同土地利用下粉粘粒含量均值統(tǒng)計(jì)特征如表3所示。由表3能夠得出，A1和A2層粉粘粒含量的平均值表現(xiàn)為林地> 草地> 農(nóng)地，A3層則為草地> 林地> 農(nóng)地。不同土地利用下土壤容重從A1層至A3層逐漸增大。經(jīng)方差檢驗(yàn)，A1和A2層在農(nóng)地、林地、草地三種土地利用方式下，粉粘粒含量不存在顯著性差異(P> 0.05)，A3層則存在顯著性差異(P< 0.05)。另外，A1、A2、A3不同層之間的土壤粉粘粒含量存在極顯著差異(P< 0.01)。

表3　余姐河流域不同土地利用下粉粘粒含量均值統(tǒng)計(jì)特征

不同土地利用下A1和A2層粉粘粒含量表現(xiàn)為林地>草地>耕地，這是因?yàn)榱值氐墓趯涌梢詳r截降雨并減小雨滴的擊濺作用，其較厚的腐殖質(zhì)層又可以有效的增加入滲，減少地表徑流。和林地相比，草地在降低雨滴末速和增加入滲方面的作用較弱，所以林地粉粘粒流失要比草地少。而耕地因?yàn)槿鄙僦脖槐Ｗo(hù)和經(jīng)常翻耕導(dǎo)致流失量最大。A3層表現(xiàn)為草地>林地>耕地，這可能因?yàn)椴煌脖桓档淖饔檬雇寥李w粒組成產(chǎn)生了差異[19]。由于研究區(qū)處于濕潤(rùn)地區(qū)，草地在A3層已沒有根系存在，而林地存在大量的根系，根系的分泌物會(huì)使土壤中的粉粒和粘粒膠結(jié)，從而使A3層粉粘粒含量表現(xiàn)為草地大于林地。

2.5土壤粉粘粒儲(chǔ)量估算

余姐河流域不同土地利用下各土層的土壤粉粘粒含量如表4所示。

由表4可知，不同土地利用類型下土壤粉粘粒密度分別為718.45 kg/m2、732.02 kg/m2和745.17 kg/m2，表現(xiàn)為草地>林地>農(nóng)地，變異系數(shù)表現(xiàn)為農(nóng)地>草地>林地。這是因?yàn)檗r(nóng)地經(jīng)常受到人類農(nóng)業(yè)耕作的影響，且農(nóng)地的立地條件差異要比林地、草地大很多。

表4　余姐河流域不同土地利用下各土層的土壤粉粘粒含量

在ArcGIS(10.1)中，將余姐河流域按照1m的網(wǎng)格劃分為570行×414列。由公式2和3計(jì)算得余姐河流域0～60 cm土壤粉粘粒儲(chǔ)量為10.21萬t，其中農(nóng)地、林地、草地的粉粘粒儲(chǔ)量分別為3.44萬t、3.23萬t和3.54萬t，表現(xiàn)為草地>農(nóng)地>林地。農(nóng)地面積最大而儲(chǔ)量最小，說明農(nóng)地粉粘粒流失最嚴(yán)重。這是因?yàn)樵谒亮魇н^程中，農(nóng)田容易遭受徑流沖刷[20-21]，而林地、草地具有良好的水土保持作用[22-23]，良好的土壤結(jié)構(gòu)和廣泛分布的根系在一定程度上保護(hù)了土壤顆粒免受土壤侵蝕，從而造成林地、草地立地條件下粉粘粒儲(chǔ)量大于農(nóng)地。

3　結(jié)　論

1) 研究區(qū)土壤粉粘粒含量表現(xiàn)為A1

2) 研究區(qū)三個(gè)土層的粉粘粒最優(yōu)半方差模型均為指數(shù)模型，空間分布也都表現(xiàn)為中等空間相關(guān)。三個(gè)土層粉粘粒含量的空間分布呈現(xiàn)為整體帶狀、局部塊狀的格局，并且隨著深度的增加，粉粘粒含量也逐漸增加。

3) 土地利用類型對(duì)0～40 cm土壤粉粘粒含量沒有顯著影響，在農(nóng)地、林地、草地三種土地利用類型下，只有A3層存在顯著性差異(P< 0.05)。另外，A1、A2與A3不同層間的粉粘粒含量存在極顯著差異(P< 0.01)。

4) 余姐河流域0～60 cm土壤粉粘粒儲(chǔ)量為10.21萬t，其中農(nóng)地、林地、草地的粉粘粒儲(chǔ)量分別為3.44萬t、3.23萬t和3.54萬t，表現(xiàn)為草地>農(nóng)地>林地。不同土地利用類型下土壤粉粘粒密度表現(xiàn)為草地>林地>農(nóng)地。

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(責(zé)任編輯周蓓)

Research on the influence of land use on distribution of clay and silt in the Yujiehe Watershed of the Hanjiang River

HU Kezhi1， LI Zhanbin2,3, LI Peng2, XU Guoce2, YUAN Shuilong2, WANG Tian2, WANG Dan2

(1.Shannxi Monitoring Center of Soil and Water Conservation and Eco-environment, Xi’an 710004, China；2. State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area，Xi’an University of Technology，Xi’ an 710048，China；3. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dry-land Farming on the Loess Plateau，Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，Yangling 712100，China)

In the study of the influence of land use on the distribution of the clay(CS) and silt in the Hanjiang River, the traditional statistics and geostatistics method were used to analyse the silt and clay data of three layers. The results indicated that the contents of CS among the three soil layers were A1

clay and silt; land use; spatial variations; Kriging interpolation

1006-4710(2016)02-0180-06

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.02.009

2015-09-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41401316)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014JQ5175)；陜西水利科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014slkj-13)

胡克志，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗摹⒛嗌撤治龊退帘３直O(jiān)測(cè)等。E-mail: hkz0809@126.com

李占斌，男，博導(dǎo)，教授，博士，研究方向?yàn)橥寥狼治g和水土保持。E-mail: zbli@ms.iswc.ac.cn

S714.7

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