建甌市竹林土壤有機質(zhì)時空變異特征研究

鮑思屹，徐夢潔，林振清，莊舜堯

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院，江蘇 南京 210095； 2.福建省建甌市林業(yè)局，福建 建甌 353100；3.中國科學(xué)院 南京土壤研究所 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，江蘇 南京 210008)

毛竹(Phyllostachysedulis)是我國栽培面積最大的筍材兩用散生竹種，具有生長快、成材早、產(chǎn)量高、再生能力強、用途廣、價值高等特點[1-2]。在許多地區(qū)，竹產(chǎn)業(yè)對當?shù)氐纳鐣?jīng)濟都有著重要影響。土壤是植物生長的基礎(chǔ)，了解土壤質(zhì)量及演變對于竹林可持續(xù)生產(chǎn)甚為重要。土壤有機質(zhì)(SOM)是土壤肥力及質(zhì)量的重要指標，在改善土壤理化性質(zhì)、土壤微環(huán)境及土壤養(yǎng)分循環(huán)方面作用顯著[3]，因此，竹林土壤有機質(zhì)對竹林的生長及可持續(xù)經(jīng)營具有重要的影響。同時，土壤有機質(zhì)的時空演變規(guī)律的研究、監(jiān)測和預(yù)測預(yù)警對于合理利用土壤資源、實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的生產(chǎn)目標以及促進環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有關(guān)鍵的作用[4]。地統(tǒng)計方法是研究時空變異性的常用方法，以區(qū)域變量理論為基礎(chǔ)，利用變異函數(shù)分析，反映空間數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)性、相關(guān)性以及空間格局與變異[5]。國內(nèi)外有不少學(xué)者結(jié)合地統(tǒng)計學(xué)方法和地理信息系統(tǒng)(GIS)開展區(qū)域土壤有機質(zhì)時空變異特征的研究。譬如，Kuzel等[6]研究了不同采樣尺度下的土壤有機質(zhì)空間變異特征；陳彥[7]研究了基于田間尺度的綠洲農(nóng)田土壤有機質(zhì)時空變異特征；白雪等[8]在浙江省寧波市開展了市域尺度土壤有機質(zhì)時空變異特征的研究；張世熔等[9]對黃淮海沖積平原區(qū)20 a間土壤有機質(zhì)時空變異特征進行探討。他們的研究表明地統(tǒng)計學(xué)方法結(jié)合GIS手段可以很好地體現(xiàn)不同尺度下土壤有機質(zhì)的空間變異特性。建甌市是福建省陸地面積最大的縣級市，擁有豐富的竹林資源。2015年年末竹林面積達82 000 hm2，毛竹立竹總數(shù)2.2億竹，是中國十大竹子之鄉(xiāng)。目前，有關(guān)建甌市毛竹林土壤有機質(zhì)的空間分布已有些許研究[10]，但結(jié)合時間與空間尺度的分析仍較缺乏。因此，本研究擬以建甌市為研究區(qū)域，結(jié)合地統(tǒng)計學(xué)方法與GIS來研究1978年至2015年期間竹林土壤有機質(zhì)的時空演變特征，并進一步探究地形因子(高程、坡度、坡向)對建甌市土壤有機質(zhì)變化的影響，以期為當?shù)刂窳值毓芾砑爸癞a(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

建甌市地處我國東南沿海低山丘陵區(qū)(26°38′54″～27°20′26″N，117°58′45″～118°57′11″E)，位于武夷山脈東南面和鷲峰山脈西北側(cè)，地勢東高西低，全市面積約4 233 km2。2016年年末人口為54.5萬，是閩北人口最多的縣級市。建甌市屬中亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為19.3 ℃，降水量為1 600～1 800 mm，四季分明，雨水充足。建甌盛產(chǎn)毛竹，其毛竹林面積、毛竹立竹總數(shù)、鮮筍產(chǎn)量和竹材產(chǎn)量均居全國縣級首位，竹業(yè)經(jīng)濟是當?shù)氐闹匾еa(chǎn)業(yè)之一。

1.2 采樣方法

研究人員于2015年8月在建甌全市按鄉(xiāng)鎮(zhèn)竹林面積情況布點采樣，總計207個采樣點，利用GPS逐點地理定位，記錄其經(jīng)緯度與海拔高度；在每個采樣點，采集深度為0～20 cm的土壤樣，取樣時用土壤鉆在每一采樣點周圍1 m內(nèi)取3個樣，混合土樣，裝入封口袋帶回。樣品經(jīng)過風(fēng)干、研磨、過篩后，制成分析樣，備用。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法測定。從全國第2次土壤普查標準樣地數(shù)據(jù)庫中提取1978年建甌市毛竹林土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)單元為斑塊狀，并無精確標識采樣點位置，因此，參照2015年采樣點的位置，取其對應(yīng)斑塊的土壤有機質(zhì)值作為研究期初毛竹林土壤的有機質(zhì)數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1描述性統(tǒng)計分析 采用SPSS 22.0軟件對研究區(qū)1978年和2015年土壤有機質(zhì)進行描述性統(tǒng)計分析。

1.3.2地統(tǒng)計學(xué)方法 采用地統(tǒng)計學(xué)方法中的半變異函數(shù)來研究土壤有機質(zhì)的變異。半變異函數(shù)又稱半方差函數(shù)法，能反映不同距離觀測值之間的變化。變異函數(shù)計算一般都需要數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，否則可能會存在比例效應(yīng)[11]，在區(qū)域化變量滿足二階平穩(wěn)和本征假設(shè)。變異函數(shù)的公式[12]如下：

(1)

式中，r(h)為變異函數(shù)；h為采樣點空間間隔，或稱步長；N(h)為間隔距離為h的采樣點數(shù)；Z(xi)和Z(xi+h)是區(qū)域化變量Z(x)在空間位置xi和xi+h的實測值。在ArcGIS 10.2的支持下，以建甌市矢量圖為底圖，輸入2015年采樣數(shù)據(jù)坐標點，并結(jié)合全國第二次土壤普查圖提取1978年對應(yīng)采樣點的有機質(zhì)數(shù)據(jù)，從建甌市數(shù)字高程(DEM)數(shù)據(jù)中提取高程值、坡度值與坡向值；對建甌市采樣數(shù)據(jù)進行地統(tǒng)計分析，并對2期采樣數(shù)據(jù)以及兩期數(shù)據(jù)之差進行克里格(Kriging)插值。

1.3.3地形因子(高程、坡度、坡向)與土壤有機質(zhì)的相關(guān)分析 采用相關(guān)系數(shù)來分析縣域與次一級尺度上地形因子與竹林土壤有機質(zhì)變化的關(guān)聯(lián)。次一級尺度區(qū)域的劃分以鄉(xiāng)鎮(zhèn)的地理位置為依據(jù)，其中東部包括玉山鎮(zhèn)、順陽鄉(xiāng)、東游鎮(zhèn)和水源鄉(xiāng)；西部包括吉陽鎮(zhèn)、徐墩鎮(zhèn)、房道鎮(zhèn)以及南雅鎮(zhèn)；南部為迪口鎮(zhèn)；北部包括小松鎮(zhèn)、龍村鄉(xiāng)、川石鎮(zhèn)、東游鎮(zhèn)；中部區(qū)域包括小橋鎮(zhèn)、芝城。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機質(zhì)的描述性統(tǒng)計

由1978年與2015年建甌市毛竹林土壤有機質(zhì)的統(tǒng)計分析(表1)可以看出：1978年建甌市毛竹林土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)分布范圍為0.47%～9.13%，均值為3.13%，處于中等肥力水平[13]；2015年建甌市毛竹林土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)分布范圍為0.52%～10.97%，均值為3.03%，比1978年下降0.1%，但仍屬中等肥力水平。變異系數(shù)是描述土壤有機質(zhì)空間變異特征的參數(shù)，1978年建甌市土壤有機質(zhì)變異系數(shù)為48.65%，2015年為49.35%，均屬于中等變異水平[14]。

表1 建甌市40 a來土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)描述性統(tǒng)計結(jié)果

對研究期初與期末建甌市毛竹林土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)進行配對t檢驗(表2)，研究區(qū)北部、南部和中部的顯著性水平均小于0.05，表明近40 a間這些地區(qū)的土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)存在顯著變化。

2.2 克里格插值的模型擬合

利用半變異函數(shù)法對2期建甌市竹林土壤有機質(zhì)空間分布特征進行研究，K-S檢驗結(jié)果均不服從正態(tài)分布，因此，對數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉(zhuǎn)換，得到正態(tài)分布的數(shù)據(jù)后進行半變異函數(shù)分析，分別用球狀模型、指數(shù)模型和穩(wěn)定模型3個常用的理論模型進行擬合，獲得不同模型的擬合參數(shù)表，如表3所示。

表2 建甌市土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)配對t檢驗結(jié)果

根據(jù)模型優(yōu)劣的判別標準[15]，測誤差的均值越接近于0，標準均方根預(yù)測誤差越接近于1，其他檢驗參數(shù)值越小時，模型的擬合情況越好。根據(jù)模型擬合的參數(shù)表得到，2期數(shù)據(jù)均是指數(shù)模型的模擬情況最好，因此，選取指數(shù)模型進行半變異函數(shù)進行模擬(見表4)。

塊金值反映的是最小抽樣尺度以下變量的變異性及測量誤差[16]，分析結(jié)果表明2期誤差均控制在有效的范圍內(nèi)。塊金值與基臺值的比值稱為塊基比，用C0/C0+C1表示，它反映的是空間相關(guān)度，如果比值<25%，說明系統(tǒng)具有強烈的空間相關(guān)性；如果比值在25%～75%之間，表明系統(tǒng)具有中等的空間相關(guān)性；如果比值>75%，說明系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱[17]。1978年塊基比為19.29%，顯示出強烈的空間相關(guān)性，表明竹林土壤有機質(zhì)受到隨機因素如施肥、灌溉、種植等影響較小，而受內(nèi)在因素及結(jié)構(gòu)性因素如氣候、母質(zhì)、生物和地形影響較大。2015年塊基比為25.38%，屬中等相關(guān)性，空間相關(guān)性與1978年相比變?nèi)酰砻鹘?0年來建甌土壤有機質(zhì)受隨機因素的影響增大。1978年變程距離為802.0 m，表明土壤有機質(zhì)在802.0 m的范圍內(nèi)具有空間相關(guān)性；2015年該值為620.4 m，有機質(zhì)的空間相關(guān)范圍變小，意味著人類活動對有機質(zhì)的影響增強，這與塊基比反映的結(jié)果一致。

表3 克里格模型擬合檢驗參數(shù)表

表4 建甌市竹林土壤有機質(zhì)半變異函數(shù)模型參數(shù)值

2.3 土壤有機質(zhì)的空間分布特征及演變

根據(jù)1978年與2015年建甌市毛竹林土壤有機質(zhì)半變異函數(shù)模型，進行2期土壤有機質(zhì)Kriging插值分析，并以建甌市竹林分布圖為基準進行掩模提取，得到2期竹林土壤有機質(zhì)插值圖。由圖1(a)可知：1978年建甌市毛竹林土壤有機質(zhì)分布差異較為明顯，高值區(qū)域較少且分布較為零散，包括中部的小橋鎮(zhèn)、東部的玉山鎮(zhèn)以及西部的房道鎮(zhèn)。有機質(zhì)中低區(qū)域面積較大，低值區(qū)域主要出現(xiàn)在東北的水源鄉(xiāng)、北部的龍村鄉(xiāng)和西部的吉陽鎮(zhèn)。參考中國土壤有機質(zhì)分級，將其單位換算成百分比，可知1978年研究區(qū)竹林土壤有機質(zhì)等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的面積占比分為3.95%、34.02%、56.50%、5.52%，平均處于Ⅱ級，為高等肥力水平。由圖1(b)可知，與近40 a前相比，2015年建甌市毛竹林土壤有機質(zhì)空間分布發(fā)生了強烈的變化，有機質(zhì)高的區(qū)域向北部的龍村鄉(xiāng)、川石鄉(xiāng)以及西部的南雅鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，且高值區(qū)域由塊狀分布逐漸轉(zhuǎn)為條帶狀分布，這種變化與當?shù)卣畬τ诿窳值募泄芾砼嘤忻懿豢煞值年P(guān)系。根據(jù)圖中等值線分析，2015年土壤有機質(zhì)等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的面積占比分別為8.63%、16.66%、73.81%和0.89%；與1978年相比，Ⅰ級和Ⅲ級土壤面積略有增加，而Ⅱ、Ⅳ級土壤面積則有所下降，整體平均水平也略有下降。

圖1 建甌市毛竹林土壤有機質(zhì)Kriging插值結(jié)果(a-1978年，b-2015年)Fig.1 Spatial interpolation distribution of SOM content of Jian′ou(a-1978; b-2015)

近40 a來建甌市土壤有機質(zhì)的變化表明(圖2)，約59.25%的竹林土壤有機質(zhì)降低，約40.75%的竹林土壤有機質(zhì)升高，且主要集中于北部的龍村、川石以及西部的南雅等地，最大增加值為7.96%。有機質(zhì)下降最多的地方主要分布在小橋鎮(zhèn)，最多減少量為6.7%。在相同的氣候條件下，由于一些地區(qū)土地利用強度過高、施肥不當[18]，使得毛竹林土壤有機質(zhì)積累困難，從而導(dǎo)致建甌市竹林土壤有機質(zhì)下降較多，這給毛竹生長帶來了不良影響，當?shù)剞r(nóng)戶應(yīng)當加強對于毛竹林土壤的培肥管理。

圖2 建甌市毛竹林土壤有機質(zhì)近40 a變化的Kriging插值Fig.2 Spatial interpolation distribution of SOM content difference from 1978 to 2015 in Jian′ou

2.4 建甌市地形特征

根據(jù)建甌市的數(shù)字高程圖(DEM)，可以得到坡度和坡向的空間分布圖(圖3(a)與圖3(b))，從DEM圖、坡度圖、坡向圖中提取所有采樣點的高程、坡度與坡向數(shù)據(jù)。將坡度分為0°～5°、5°～ 10°、10°～15°、15°～20°、20°～25°、25°～35°、>35°等7級，建甌市坡度主要在8°～15°與15°～25°之間，占比分別為24.27%和30.20%。根據(jù)坡向重分類計算結(jié)果，建甌市陰坡、陽坡、半陰坡、半陽坡的分布較為平均，面積占比均在22%至24%之間，平地面積較少，占比約8.81%。

圖3 建甌市地形的坡度圖(a)與坡向圖(b)Fig.3 Spatial distribution of topographical slope (a) and aspect (b) of Jian′ou

2.5 地形因子對土壤有機質(zhì)的影響

對1978年和2015年建甌市土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)差值與地形因子之間進行相關(guān)性分析，得出結(jié)果(表5)。從表5可知：建甌全市有機質(zhì)變化與地形因子間的關(guān)系不大。分區(qū)來看，建甌市北部區(qū)域40 a間土壤有機質(zhì)的變化與高程、坡度、坡向顯著性水平均小于5%，且相關(guān)系數(shù)分別為0.450、-0.420與-0.354；西部區(qū)域40 a間毛竹林土壤有機質(zhì)的變化與高程和坡度有明顯關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.280和0.323。東部、南部、中部區(qū)域毛竹林土壤有機質(zhì)的變化與地形因子間則沒有顯著關(guān)聯(lián)。

表5 地形因子與土壤有機質(zhì)變化的相關(guān)性分析

說明：*表示在0.05水平上差異顯著

3 討論

傅平[19]于2008年的研究中指出建甌市耕地土壤有機質(zhì)分布范圍為0.20%至8.59%，均值為2.85%，屬中等偏上水平。本研究結(jié)果要明顯高于該值，這與竹林土壤的特性有關(guān)，因為一般情況下林地土壤有機質(zhì)普遍要高于農(nóng)田[1]。

從建甌市竹林土壤有機質(zhì)2期插值來看，近40 a間毛竹林土壤有機質(zhì)空間分布發(fā)生了重大變化，有機質(zhì)分布高的區(qū)域由建甌南部的小橋鎮(zhèn)、玉山鎮(zhèn)向北部的龍村鄉(xiāng)、川石鄉(xiāng)以及西部的南雅鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移。1978年及以前，由于林地利用方式不合理及竹林管理不當?shù)仍?，使得竹林土壤有機質(zhì)高質(zhì)量分數(shù)區(qū)域面積小且分布零散；近40 a，隨著竹林經(jīng)濟的開發(fā)，建甌市加強了毛竹林的集中管理，減少了不當砍伐，使得當?shù)馗哔|(zhì)量分數(shù)有機質(zhì)區(qū)域增多，且由原先的塊狀分布轉(zhuǎn)變?yōu)闂l帶狀分布。然而描述性統(tǒng)計結(jié)果顯示，建甌市有機質(zhì)平均質(zhì)量分數(shù)較40 a前有所下降，這是由于建甌市土地集約化程度以及土地利用強度提高過快，從而導(dǎo)致有些地區(qū)土壤有機質(zhì)積累入不敷出，這與胡克林等[17]在北京郊區(qū)進行的研究結(jié)果相似。

以往的研究表明[20-21]，地形因子(高程、坡度、坡向)會對土壤有機質(zhì)的空間分布造成影響。本研究結(jié)果顯示：縣域尺度上地形因子對毛竹林土壤有機質(zhì)的變化沒有顯著影響，但在次一級尺度上則有一定程度的影響。一方面，高程、坡度、坡向等會導(dǎo)致水熱條件差異，從而影響土壤有機質(zhì)；另一方面，人類活動也與地形因子密切相關(guān)，對地形復(fù)雜的區(qū)域開發(fā)較少，而對平原地區(qū)開發(fā)較多，從而對土壤有機質(zhì)變化產(chǎn)生影響。

本研究對近40 a間建甌市毛竹林土壤有機質(zhì)的時空變異特征進行分析，并揭示了不同尺度上地形因子對有機質(zhì)變化的顯著性與否的影響，但地形因子影響有機質(zhì)變化的方向及其作用機制還需更深層次的研究討論。同時，土壤有機質(zhì)的變化與人類活動密不可分，對于毛竹林土壤有機質(zhì)變化的原因以及如何提高毛竹林土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)，以保證當?shù)孛竦漠a(chǎn)量與質(zhì)量，還需進一步的研究。

4 結(jié)論

1978年建甌市毛竹林土壤有機質(zhì)平均質(zhì)量分數(shù)為3.13%，2015年為3.03%，略微下降。竹林土壤有機質(zhì)在研究期初與期末的變程分別為802.0 m與620.4 m，表明近40 a來建甌市毛竹林土壤有機質(zhì)受人類活動影響有所增加。從1978年到2015年，建甌市毛竹林土壤有機質(zhì) 級與 級土地面積分別增加了4.68%和17.31%，而II與IV級土壤面積則分別減少了17.36%和4.63%；建甌市毛竹林土壤有機質(zhì)下降面積占比約59.25%，有機質(zhì)升高面積約為40.75%。建甌市多數(shù)毛竹林土壤有機質(zhì)呈下降趨勢與當?shù)赝恋乩脧姸冗^高，施肥不當?shù)热藶橐蛩赜幸欢ǖ年P(guān)系。高程、坡度和坡向這些地形因子對建甌市竹林土壤有機質(zhì)變化的作用在縣域尺度上無顯著影響，但在次一級尺度上對某些區(qū)域有影響。因此，在竹林土壤的規(guī)劃與管理上既要考慮地形因素又要考慮人為措施管理，從而為竹林土壤的可持續(xù)利用提供保障。