成都平原土壤pH緩沖容量的空間變異性特征

蔣勝軍，顧 剛

(四川省遂寧市船山區(qū)農(nóng)業(yè)局，四川 遂寧 629000)

成都平原土壤pH緩沖容量的空間變異性特征

蔣勝軍，顧 剛*

(四川省遂寧市船山區(qū)農(nóng)業(yè)局，四川 遂寧 629000)

利用地統(tǒng)計學(xué)(與GIS結(jié)合)的方法研究了成都平原土壤pH緩沖容量的空間變異性特征，繪制了pH緩沖容量的空間分布圖。結(jié)果表明：土壤pH緩沖容量的各向同性變異函數(shù)的最佳理論模型為球狀模型，pH緩沖容量具有中等的空間相關(guān)性(C0/C0+C=52.8%)，而其各向異性在南-北(0°)方向上符合純塊金，西南-東北(45°)與東-西(90°)方向都符合線型有基臺，而西北-東南(135°)方向上符合高斯模型；土壤pH緩沖容量的大小與土壤的有機質(zhì)、土壤pH、碳酸鈣的含量、鹽基飽和度以及土壤質(zhì)地等密切相關(guān)。

pH緩沖容量；空間變異；地統(tǒng)計學(xué)；成都平原

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的迅速增長，能源的消耗與日俱增，大量的硫氧化物，氮氧化物以及煙塵排放在大氣中，以致形成酸雨對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞[1]。土壤系統(tǒng)作為陸生生態(tài)系統(tǒng)的基本組成部分，是酸雨污染的最終受體，所以酸雨對土壤危害的大小對維持整個生態(tài)系統(tǒng)的平衡具有重要影響[2]。酸雨進(jìn)入土壤，致使土壤酸化，促使土壤中各種養(yǎng)分淋失，微生物固氮作用降低，土壤日益貧瘠，進(jìn)而影響作物生長發(fā)育及產(chǎn)量，從而對人類健康造成威脅[3]。我國已經(jīng)成為繼歐洲、北美之后的第三大酸雨區(qū)[4]，而成都平原由于城市的不斷擴(kuò)展，工業(yè)的快速發(fā)展，已成為受酸雨侵蝕較為嚴(yán)重的地區(qū)之一。pH緩沖容量又是評價土壤酸化的一個重要指標(biāo)，它是指引起每1000g土壤單位pH變化所需的氫質(zhì)子的數(shù)量[5]。因而，研究土壤pH緩沖容量可以了解成都平原土壤被酸雨污染后的酸化趨勢，為酸雨污染綜合防治提供科學(xué)依據(jù)。

地統(tǒng)計學(xué)方法已被證明是研究土壤屬性空間變異的主要工具之一[6]，但在過去的研究中，許多學(xué)者應(yīng)用該方法主要著重于土壤養(yǎng)分(如N、P等)或重金屬的研究，而在pH緩沖容量空間變異上的應(yīng)用較少，且研究成都平原土壤pH緩沖容量的空間變異性征更是鮮有報道。因此，本文采用了地統(tǒng)計學(xué)方法，并結(jié)合ArcGIS9.0軟件進(jìn)行了成都平原土壤pH緩沖容量的插值分析，研究成都平原土壤pH緩沖容量的空間變異特征，并揭示出該區(qū)域pH緩沖容量各影響因素特征。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

本研究位于成都平原的核心區(qū)域，包括成都市的市郊及其周邊的幾個區(qū)縣。成都平原位于四川盆地的西部，又稱為盆西平原和川西平原，介于102°54′～104°53′E，30°05′～31°26′N之間，氣候溫和濕潤，無霜期長，四季分明，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候[7]。具有冬干﹑春旱﹑夏洪﹑秋雨等主要特點，該地區(qū)主要水系為西南部的岷江水系和東北部的沱江水系。土壤母質(zhì)主要為灰色沖積物，灰棕沖積物，紫色沖積物以及黃壤，土壤以灰色及灰棕色潮土平原沖積土基礎(chǔ)上發(fā)育而成的水稻土為主，養(yǎng)分豐富，肥力較高，農(nóng)作物品種齊全，主要有水稻﹑小麥﹑油菜﹑蔬菜等[8]。

2.2 土樣的采集及制備

依據(jù)成都平原的基本情況，綜合考慮區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)狀況、土壤環(huán)境質(zhì)量的時空變化、地形和母質(zhì)、河流的分布、生產(chǎn)力水平及種植制度的變化等因素進(jìn)行布點，在成都市市郊、崇州、都江堰、溫江、雙流、郫縣、新都、彭州、新津、邛崍、德陽、廣漢等成都平原12個市(縣、區(qū))野外進(jìn)行采樣。采樣地點利用全球定位系統(tǒng)(GPS)進(jìn)行定位，在每個采樣點周圍約10 m2范圍內(nèi)采取5點0～20cm土樣組成一個混合土樣，共采集了86個土壤樣品(如圖1)。土壤經(jīng)自然風(fēng)干，人工碾碎后剔除動植物殘體，過1mm篩后進(jìn)行pH緩沖容量的測定。

圖1 研究區(qū)土壤采樣點空間分布

2.3 實驗分析方法：

pH緩沖容量的測定：取土樣5g兩份分別放入帶塞的三角瓶中，一份加入10mmol·L-1CaCl225mL(水∶土=5∶1)，振蕩1h，另一份加入0.5mmol·L-1CaCl2和9.5mmol·L-1Ca(OH)2混合溶液25mL(水∶土=5∶1)，振蕩16h，分別用pH計測定其pH，最后用5mmol/L的HCl去滴定CaCl2和Ca(OH)2浸提的土壤溶液中的[OH-]，以下為計算pH緩沖容量的公式[9]：

pHBC=mmol[OH-]×BD/(pH[Ca(OH)2/CaCl2]-pH[CaCl2])

BD表示土壤的容重，單位kg·m-3；

[OH-]表示每1000g土壤中OH-的毫摩爾數(shù)，單位mmol·kg-1。

土壤基本理化性質(zhì)的測定采用常規(guī)分析方法[10]。

2.4 數(shù)據(jù)處理分析方法

試驗所得的數(shù)據(jù)采用SPSS19.0進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析，采用地統(tǒng)計學(xué)軟件GS+7.0擬合半方差函數(shù)，并選取最佳擬合模型及各種參數(shù)值，半方差計算時的角度容差定為±30°，在ArcGIS9.0中進(jìn)行Kringing插值，最終得到pH緩沖容量的插值圖，并用Excel進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤pH緩沖容量的描述性統(tǒng)計分析

研究區(qū)域86個土樣的pH緩沖容量描述性統(tǒng)計結(jié)果見表1。其中變異系數(shù)反映的是各土樣之間的平均變異程度，一般認(rèn)為，CV(變異系數(shù))≤0.25為弱變異性，0.25lt;CVlt;0.75之間屬于中等變異，而CV≥0.75就為強變異性[11]，由表1可以看出，土壤pH緩沖容量的平均值、中數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差分別為4.37molH+·kg-1、2.07molH+·kg-1和5.06。且土壤pH緩沖容量的變異系數(shù)為1.28，明顯大于CV≥0.75的標(biāo)準(zhǔn)，所以變異程度為強變異性。但這種傳統(tǒng)的描述統(tǒng)計分析只能說明其含量變化的全貌，而不能反映出局部的變化特征，即不能反映pH緩沖容量的結(jié)構(gòu)性和隨機性，相關(guān)性和獨立性，因此，必須進(jìn)一步采用地統(tǒng)計學(xué)方法來描述pH緩沖容量的空間變異[12]。

表1 土壤pH緩沖容量的描述性統(tǒng)計

3.2 土壤pH緩沖容量的空間結(jié)構(gòu)分析

3.2.1 各向同性下的半方差函數(shù)特征 半方差函數(shù)是研究空間變異規(guī)律比較穩(wěn)健的工具[13]，但其計算一般要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布或近似正態(tài)分布，否則可能存在比例效應(yīng)，由于pH緩沖容量的原始數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，因此將其經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入地統(tǒng)計軟件GS+5.3，得到相應(yīng)的半方差的函數(shù)模型。在半方差模型的選擇上一般以決定系數(shù)(r2)最大，殘差(RSS)最小為原則，從而選擇最佳的半方差函數(shù)模型。

半方差函數(shù)主要有兩種形式：一種是各位點的半方差變化不規(guī)律，忽高忽低，即半方差大致圍繞一條直線上下波動，方向性不明顯，這說明它們的變化是獨立的，隨機的，沒有空間結(jié)構(gòu)性，不受空間位置的影響，也就是純塊金效應(yīng)；一種是半方差隨著間距的增加而增加，當(dāng)達(dá)到一定的距離后，就趨于某一平穩(wěn)值，表明樣點之間超過這一點后就不再具有相關(guān)性[14]。

圖2和表2分別是pH緩沖容量的半方差函數(shù)圖和最佳模型及相應(yīng)的參數(shù)。塊金值表示實驗誤差和小于采樣尺度上施肥﹑耕作﹑管理等隨機因素而引起的變異，較大的塊金值表示在較小尺度下的某些過程不能忽略，反之，則能忽略。從表2可以看出pH緩沖容量的塊金值為0.25，其塊金值數(shù)值較大，說明在小于最小采樣間距的空間內(nèi)可能存在一些隨機因素影響pH緩沖容量，而這些因素很有可能來自于人為活動。變程反映了空間自相關(guān)范圍的大小，在變程之內(nèi)，變量具有空間自相關(guān)特性，反之，變量是空間獨立的。圖2和表2的結(jié)果表明，pH緩沖容量在38km內(nèi)存在空間相關(guān)性，且隨距離的增大空間變異具有增大的趨勢，當(dāng)達(dá)到38km后半方差函數(shù)值不再增大，而在一定的數(shù)值上下波動。塊金值與基臺值之比表示隨機部分引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總變異的比例。按照區(qū)域化變量空間相關(guān)性程度的分級標(biāo)準(zhǔn)，若比值﹤25%，說明變量具有強烈的空間自相關(guān)性，比值在25%～75%，表明變量屬于中等的空間自相關(guān)性，比值﹥75%，變量的空間自相關(guān)性較弱[15]。土壤pH緩沖容量的塊金值和基臺值之比為52.8%，符合比值在25%～75%的區(qū)間，因此具有中等的空間自相關(guān)性，這可能是因為pH緩沖容量受到結(jié)構(gòu)性因素(如土壤類型、母質(zhì)等)和隨機因素(如施肥、耕作等)的雙重影響的結(jié)果。

表2 土壤pH緩沖容量各向同性半方差函數(shù)的擬合模型及各種參數(shù)

圖.2 土壤pH緩沖容量各向同性半方差圖

3.2.2 各向異性下的半方差函數(shù)特征 由于影響pH緩沖容量的因素較多，如有機質(zhì)含量、粘粒含量、施肥、耕作等，因此在分析各向同性時，還要考慮半方差函數(shù)在各個方向上的變化，即各向異性[16]。本文在南-北(0°)、西南-東北(45°)、東-西(90°)、西北-東南(135°)4個方向用不同的理論模型擬合，擬合結(jié)果見表3和圖3。從表3可以看出，除在0°方向上為純塊金外(塊金值與基臺值之比為100%)，其余方向都表現(xiàn)出程度不同的空間自相關(guān)性。總體來看，在45°方向上表現(xiàn)出強烈的空間自相關(guān)性(塊金值與基臺值之比為9.26%)，而在90°和135°上具有中等的空間自相關(guān)性(塊金值與基臺值之比分別為33.33%和46.67%)。

表3 pH緩沖容量各向異性半方差函數(shù)的擬合模型及各種參數(shù)

圖3 pH緩沖容量各向異性半方差圖

3.3 土壤pH緩沖容量的空間插值分析

在空間結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，對成都平原土壤pH緩沖容量變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了普通克里格插值分析，如圖4所示，圖4顯示：pH緩沖容量在整個調(diào)查區(qū)域的變化幅度較大，最低值為0molH+·kg-1，最高達(dá)到24.23molH+·kg-1，總的說來，沿西南-東北方向呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢；德陽、廣漢等地的pH緩沖容量較高，明顯要高于其它地區(qū)；成都、雙流、崇州等地則相對較低。

土壤pH緩沖容量受到諸多因素的影響，各種因素對其影響程度不同，由于一般的相關(guān)計算只能得出各因素與pH緩沖容量相關(guān)程度的大小，而不能進(jìn)行各因素間關(guān)聯(lián)程度的比較，故運用灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行分析[17]，分析結(jié)果見表4。

在灰色關(guān)聯(lián)度分析中，各因子的重要性以關(guān)聯(lián)度的大小表示，關(guān)聯(lián)度越大，則表示該因素對pH緩沖容量的貢獻(xiàn)越大，其相互關(guān)系越密切[18]。從表4中可看出rCaCO3﹥rBS﹥rpH﹥rCEC﹥rOM﹥r物粘﹥r交換性酸，且關(guān)聯(lián)度都達(dá)到0.9以上。其中，CaCO3和鹽基飽和度、pH與pH緩沖容量的關(guān)系最為緊密，緊隨其后的是有機質(zhì)與CEC、物理性粘粒，另外，交換性酸與pH緩沖容量的關(guān)系也較密切。德陽、廣漢等地的pH緩沖容量較高可能與土壤pH較高有關(guān)，該區(qū)域有長期施用石灰的習(xí)慣，在一定程度上防止了土壤酸化，致使測定結(jié)果相對較大。另外，地處岷江下游的新津地區(qū)雖然土壤質(zhì)地較粗，粘粒含量較少，但由于土壤本身pH較高，因此，在這一地區(qū)出現(xiàn)峰值區(qū)。成都、雙流、崇州等地pH緩沖容量較低可能與以下幾個因素有關(guān)：第一，該區(qū)域由于城市和工業(yè)的發(fā)展，各種酸性氣體排放到大氣中形成酸雨，酸雨又進(jìn)入土壤導(dǎo)致土壤變酸，從而使pH緩沖容量降低。另外未經(jīng)處理的污水作為灌溉水進(jìn)入土壤也是一個重要因素；第二，在崇州等地由于土壤為黃壤，其主要的膠體類型為高嶺石，由于高嶺石的陽離子交換量較小，從而影響pH緩沖容量，因此在這一區(qū)域出現(xiàn)較低值。土壤pH緩沖容量的大小與土壤的有機質(zhì)、土壤pH、碳酸鈣的含量、鹽基飽和度以及土壤質(zhì)地等密切相關(guān)，其具體機理有待進(jìn)一步的研究。

表4 土壤理化性質(zhì)與土壤pH緩沖容量的相關(guān)度

圖4 土壤pH緩沖容量空間分布圖

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)域土壤pH緩沖容量變異程度較大，其各向同性的最佳理論模型為球狀模型，具有中等程度的空間相關(guān)性，受到結(jié)構(gòu)性和隨機性因素的共同影響。

(2)pH緩沖容量各向異性半方差函數(shù)在不同方向上的空間變異程度的差異較大，除在0°方向上為純塊金效應(yīng)外，西南-東北(45°)與東-西(90°)方向都符合線型有基臺，而西北-東南(135°)方向上符合高斯模型。

(3)從土壤pH緩沖容量空間分布圖來看，由于受到人為耕作的影響，德陽、廣漢等地土壤pH緩沖容量較高，成都、雙流、崇州等地則相對較低。

(4)土壤pH緩沖容量的大小與土壤的有機質(zhì)、土壤pH、碳酸鈣的含量、鹽基飽和度以及土壤質(zhì)地等密切相關(guān)。

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2017-08-13

蔣勝軍，男，高級農(nóng)藝師。E-mail：461438927@qq.com。*為通訊作者。