三江平原小流域土地利用類(lèi)型與土壤理化性質(zhì)的灰色關(guān)聯(lián)分析

來(lái)雪慧， 任曉莉， 安曉陽(yáng)， 賀曉晨， 白田宇

(太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系，山西太原 030008

三江平原是我國(guó)最大的沼澤濕地分布區(qū)，地勢(shì)表現(xiàn)為西南高、東北低的趨勢(shì)。由于自然和人為因素的影響，近60年來(lái)三江平原的土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，由原來(lái)的濕地基質(zhì)變?yōu)楝F(xiàn)在以農(nóng)田為主要土地利用類(lèi)型的國(guó)家重要糧食生產(chǎn)基地[1]。對(duì)于土地利用方式與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系，國(guó)內(nèi)研究主要集中在黃土高原區(qū)、東北黑土區(qū)、南方紅壤區(qū)等地區(qū)[2-3]，國(guó)外研究更多的是印度堿性土和美國(guó)沙壤土等[4-5]。不同土地利用方式對(duì)小流域的土壤理化性質(zhì)具有顯著影響[6]，但目前對(duì)于三江平原的研究主要針對(duì)的是農(nóng)田和濕地對(duì)土壤性質(zhì)的影響[7]，對(duì)小流域的相關(guān)研究較少。本研究選取三江平原阿布膠河小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)層次分析法探討小流域不同土地利用類(lèi)型對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響。這不僅有利于更多地考慮各影響因素的權(quán)重，同時(shí)也為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及土地利用變化研究提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在東北三江平原阿布膠河小流域，流域面積為142.5 km2，屬于季節(jié)性河流，由西向東匯入烏蘇里江。研究區(qū)屬寒溫帶季風(fēng)性大陸氣候，多年平均凍土深度約為 141 cm，多年平均氣溫為2.5 ℃。域內(nèi)年均降水量為 583.2 mm，5—9月的降水量占多年平均年降水量的75%。土壤類(lèi)型以白漿土和沼澤土為主，其中白漿土占域內(nèi)總面積的60.7%。水田、旱地、濕地和林地為研究區(qū)主要的土地利用方式，占流域總面積的93.3%(圖1)。阿布膠河流域林地以落葉闊葉林為主，農(nóng)田的作物類(lèi)型主要為玉米和水稻。流域內(nèi)土壤表層0～20 cm的有機(jī)質(zhì)平均含量為38.3 g/kg，氮、磷含量的平均值分別為3.6、1.0 g/kg[8]。

1.2 樣品采集

根據(jù)三江平原阿布膠河的土地利用類(lèi)型分布，選取旱地、水田、林地、濕地4種具有代表性的土地利用方式進(jìn)行樣品采集?？紤]到研究區(qū)每年于4月底進(jìn)行農(nóng)田施肥，因此所有樣品采集均于2013年4月中下旬完成。旱地、水田、林地、濕地分別選擇6個(gè)樣地，每個(gè)樣地面積為1 m×1 m，土壤類(lèi)型均為白漿土。2013年4月初開(kāi)始采樣，每個(gè)樣地按照“S”形選擇5個(gè)樣點(diǎn)，用體積為100 cm3的土壤環(huán)刀采集0～10 cm、>10～20 cm土層土壤，并分別取2層土壤的1 kg混合土樣，去除土樣中的植物根系和沙石等雜物，裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其土壤理化性質(zhì)。

1.3 測(cè)定方法

本研究的土壤樣品采用中國(guó)人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部的土壤監(jiān)測(cè)規(guī)范方法相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定。將所有土壤樣品風(fēng)干磨碎，一部分樣品過(guò)1 mm土篩測(cè)定土壤pH值，另一部分通過(guò)0.25 mm土篩測(cè)定土壤陽(yáng)離子交換量、粒徑和土壤基本化學(xué)性質(zhì)。土壤pH值通過(guò)酸度計(jì)測(cè)定；土壤陽(yáng)離子交換量通過(guò)將土樣過(guò)60目土篩，之后再用乙酸銨法測(cè)定；土壤粒徑通過(guò)吸管法測(cè)定。通過(guò)重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量；土壤全氮和全磷含量分別采用半微量凱氏定氮法和酸溶-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量則分別通過(guò)堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法和NH4OAc浸提火焰光度法測(cè)定。

1.4 統(tǒng)計(jì)與分析

本研究結(jié)合三江平原阿布膠河流域的土壤實(shí)際情況，運(yùn)用層次分析法(AHP)計(jì)算權(quán)重，并檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性。通過(guò)灰色系統(tǒng)理論，分析不同土地利用類(lèi)型的土壤理化性質(zhì)的灰色關(guān)聯(lián)度，以選取能夠保持土壤性質(zhì)和養(yǎng)分含量的最佳土地利用方式。所有數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類(lèi)型的土壤pH值、陽(yáng)離子交換量和土壤粒徑

土壤pH值和土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)與土壤有機(jī)質(zhì)含量、粒徑和緊實(shí)度等密切相關(guān)[9]。從表1可以看出，三江平原阿布膠河小流域水田土壤pH值在0～10 cm和>10～20 cm 深度基本持平，其他3種土地利用方式下土壤pH值均隨土層深度增加而減小。在0～10 cm土層，水田土壤的pH值高于其他土地利用方式，但差異不顯著；在>10～20 cm土層，水田土壤的pH值明顯高于旱地、濕地和林地土壤。4種土地利用方式的土壤pH值在2個(gè)土層間差異不顯著。土壤CEC，除水田土壤外，其他3種土地利用方式在0～10 cm土層均高于 >10～20 cm土層。在0～10 cm土層，濕地土壤的CEC顯著高于旱地、水田和林地；在>10～20 cm土層中4種土地利用方式的CEC差異不顯著，但濕地土壤的CEC仍然最高。

土壤粒徑分布可以反映土壤肥力狀況，土壤顆粒的不同組成是影響?zhàn)B分差異的主要原因[10]。阿布膠河流域不同土地利用方式的土壤粒徑主要分布在0.002～2 mm范圍，均表現(xiàn)出<0.002 mm的顆粒所占比例最小。在0～10 cm土層，粒徑分布在>0.2～2 mm范圍的土地利用類(lèi)型比例由高到低為濕地>林地>水田>旱地，其中濕地和林地均大于50%。在>10～20 cm土層，旱地和濕地在0.002～0.2 mm粒徑范圍內(nèi)的比例低于>0.2～2 mm粒徑范圍，而水田和林地則相反，但總體呈現(xiàn)出4種土地利用類(lèi)型的土壤粒徑在這2個(gè)范圍的分布差異不明顯。

2.2 不同土地利用類(lèi)型的土壤有機(jī)碳含量

土壤有機(jī)碳是土壤的重要組成部分，直接影響著土壤碳循環(huán)。從表2可以看出，旱地、水田、林地、濕地在0～10 cm土層的有機(jī)碳含量分別是>10～20 cm土層的1.74、1.70、3.32、2.45倍。除林地外，其他3種土地利用類(lèi)型在2個(gè)深度的土壤有機(jī)碳含量差異顯著。在0～10 cm土層，林地和濕地的土壤有機(jī)碳含量高于其他2種類(lèi)型土壤，且差異顯著，旱地和水田的有機(jī)碳含量較低，差異不顯著。在>10～20 cm土層，林地土壤的有機(jī)碳含量也高于其他類(lèi)型，為 13.50 g/kg，而濕地土壤的有機(jī)碳含量最低，但不同土壤利用類(lèi)型間差異不顯著。表明林地中土壤有機(jī)碳含量較高，具有提高碳含量的效果。

表1 不同土地利用類(lèi)型在不同土層的pH值、陽(yáng)離子交換量與粒徑分布

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示不同土地利用方式在相同土壤深度的差異顯著(P<0.05)；不同大寫(xiě)字母表示不同土壤深度間相同土地利用方式的差異顯著(P<0.05)。表2同。

2.3 不同土地利用類(lèi)型的土壤全氮、全磷含量

2.3.1 土壤全氮含量 從表2可以看出，不同土地利用類(lèi)型0～10 cm土層的全氮含量高于>10～20 cm土層。其中，濕地、林地土壤2土層間的全氮含量差異顯著，濕地表層土壤的全氮含量為3.18 g/kg，是>10～20 cm土層的3.12倍。旱地、水田和林地的0～10 cm土層全氮含量分別是>10～20 cm 土層的1.38、1.38、2.46倍。0～10 cm土層4種土地利用類(lèi)型的土壤全氮含量由高到低依次為林地>濕地>旱地>水田，林地和濕地顯著高于旱地、水田。>10～20 cm土層土壤全氮含量由高到低為旱地>林地>水田>濕地，濕地土壤的全氮含量明顯低于其他3種土壤類(lèi)型。整體而言，4種土地利用類(lèi)型的土壤全氮含量隨著土壤深度的增加而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，且林地具有較高的全氮含量。

2.3.2 土壤全磷含量 4種土地利用類(lèi)型土壤全磷含量在0～10 cm土層均明顯高于>10～20 cm土層。旱地、水田、濕地和林地表層土壤的全磷含量分別是>10～20 cm土層含量的1.33、1.31、1.71、1.58倍。不同土地利用類(lèi)型的土壤全磷含量在0～10 cm和>10～20 cm土層差異均顯著。在0～10 cm 土層，土壤全磷含量由高到低依次為林地>水田>濕地>旱地。林地的全磷含量為0.98 g/kg，旱地的全磷含量為0.77 g/kg，林地全磷含量是旱地土壤的1.27倍。在>10～20 cm 土層，不同土地利用類(lèi)型的土壤全磷含量由高到低為水田>林地>旱地>濕地(表2)。

表2 不同土地利用類(lèi)型在不同土層的有機(jī)碳和養(yǎng)分含量

2.4 不同土地利用類(lèi)型的土壤速效養(yǎng)分含量差異

2.4.1 土壤堿解氮含量 從表2還可以看出，不同土地利用類(lèi)型在0～10 cm土層的土壤堿解氮含量高于>10～20 cm土層，其中旱地、濕地的差異顯著。研究區(qū)濕地土壤的堿解氮含量相差最大，0～10 cm土層是>10～20 cm土層的2.93倍，旱地、水田和林地0～10 cm土層則分別是>10～20 cm土層的1.70、1.55和1.93倍。表明同一土地利用類(lèi)型2土層間的含量差異均超過(guò)1.5倍。在不同土層，林地土壤的堿解氮含量均最高，分別為276.32、143.11 mg/kg。0～10 cm土層4種土地利用類(lèi)型的堿解氮含量由高到低依次為林地>濕地>水田>旱地；在>10～20 cm土層，則由高到低的變化規(guī)律為林地>水田>旱地>濕地。表明林地具有較好的提高速效氮養(yǎng)分的能力，同時(shí)隨著土壤深度的增加，不同土地利用類(lèi)型的速效氮養(yǎng)分含量逐漸減少。

2.4.2 土壤有效磷含量 旱地、水田、濕地和林地土壤有效磷含量在0～10 cm土層分別是>10～20 cm土層的5.20、1.75、3.21和2.26倍。旱地和濕地的差異最大，旱地在0～10 cm和>10～20 cm土層的有效磷含量分別為32.43、6.24 mg/kg。在0～10 cm土層，4種土地利用類(lèi)型間的有效磷含量差異不顯著，旱地的含量最高，濕地最低。在>10～20 cm 土層，研究區(qū)旱地、水田和林地土壤的有效磷含量明顯高于濕地土壤。其中，水田土壤的有效磷含量最高，為 6.83 mg/kg，濕地土壤含量為2.83 mg/kg(表2)。

2.4.3 土壤速效鉀含量 從表2還可以看出，0～10 cm土層的旱地、水田、濕地和林地的土壤速效鉀含量分別比>10～20 cm 土層高39.59%、6.35%、128.02%和69.37%，水田土壤的速效鉀含量在不同土層間差異最小。在0～10 cm土層，4種土地利用類(lèi)型的速效鉀含量差異不明顯；在>10～20 cm土層，林地和水田的速效鉀含量顯著高于旱地和濕地。不同土層中，林地土壤的速效鉀含量均最高，表明林地具有提高速效鉀養(yǎng)分的能力。

2.5 不同土地利用類(lèi)型土壤理化性質(zhì)的加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)法可以定量評(píng)價(jià)土地利用類(lèi)型變化對(duì)土壤理化性質(zhì)改變和土壤養(yǎng)分含量提高的效果。本研究選取三江平原阿布膠河流域土壤pH值、陽(yáng)離子交換量、土壤粒徑分布、有機(jī)碳、全氮含量、全磷含量、堿解氮含量、有效磷含量和速效鉀含量指標(biāo)中的最大值為參考數(shù)列，將旱地、水田、濕地和林地的這些指標(biāo)測(cè)定值進(jìn)行比較，采用無(wú)量綱化處理(表3)。然后通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算不同土地利用類(lèi)型的關(guān)聯(lián)系數(shù)(灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)§=0.5)和加權(quán)關(guān)聯(lián)度。各土地利用類(lèi)型間的關(guān)聯(lián)度越大，說(shuō)明所采用的措施對(duì)于改善土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分含量具有的效果越好。

表3 阿布膠河流域不同土地利用類(lèi)型土壤物理性質(zhì)和氮磷鉀含量的無(wú)量綱化數(shù)據(jù)

根據(jù)三江平原阿布膠河流域的土壤情況，利用層次分析法重要性的等級(jí)標(biāo)度，確定11個(gè)影響土壤理化因子的等級(jí)順序并構(gòu)建判斷矩陣A，進(jìn)而計(jì)算各因子的權(quán)重(表4)。

研究中需要對(duì)判斷矩陣A的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算得到λmax=11.86。根據(jù)CI=(λmax-n)/(n-1)，得到一致性指標(biāo)CI=0.086。查表發(fā)現(xiàn)，11階矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=1.51，可知一致性比率CR=CI/RI=0.057 0<0.1，說(shuō)明矩陣A可以通過(guò)一致性檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)科學(xué)可靠。

三江平原阿布膠河流域4種土地利用類(lèi)型的各項(xiàng)理化指標(biāo)權(quán)重和關(guān)聯(lián)度見(jiàn)表4。可以看出，0～10 cm和 >10～20 cm土層的關(guān)聯(lián)度排序不同。在0～10 cm土層，水田的關(guān)聯(lián)度最大，為0.863 7，林地最小。說(shuō)明土壤表層中水田對(duì)于保持土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分的能力最優(yōu)。在>10～20 cm 土層，4種土地利用方式的關(guān)聯(lián)度排序?yàn)闈竦?旱地>水田>林地，表明該層濕地對(duì)于保持土壤養(yǎng)分和改善土壤物理指標(biāo)的效果最好。

表4 阿布膠河流域不同土地利用類(lèi)型土壤理化指標(biāo)的權(quán)重、關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度

3 討論與結(jié)論

關(guān)于土壤有機(jī)碳含量與物理性質(zhì)的關(guān)系研究較多，如土壤有機(jī)碳含量與pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤肥力、持水能力和陽(yáng)離子交換量等呈正相關(guān)關(guān)系，但與土壤粒徑分布幾乎沒(méi)有相關(guān)性[11]。本研究結(jié)果與前人報(bào)道一致，0～10 cm和 >10～20 cm土層林地土壤的有機(jī)碳含量較高，而其pH值偏低，同時(shí)土壤的粒徑分布與有機(jī)碳含量沒(méi)有明顯的關(guān)系。本研究中4種土地利用類(lèi)型的土壤有機(jī)碳含量和陽(yáng)離子交換量的正相關(guān)關(guān)系不明顯，可能是由不同類(lèi)型間的有機(jī)碳含量差異不明顯和研究區(qū)土壤的機(jī)械組成引起的。0～10 cm土層中，濕地土壤的陽(yáng)離子交換量最大，為37.1 cmol/kg，其有機(jī)碳含量為26.79 g/kg，僅低于林地。>10～20 cm土層中，濕地的陽(yáng)離子交換量也最大，但其有機(jī)碳含量卻最小。土壤陽(yáng)離子作為土壤保肥能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，有必要在未來(lái)的研究中討論二者之間的關(guān)系。

土壤有機(jī)質(zhì)影響著土壤的保水保肥能力以及通透性[12]。本研究中旱地、水田、林地和濕地的表層枯落物，由于腐殖化作用導(dǎo)致土壤表層有機(jī)質(zhì)含量高。東北土壤的黏土礦物以蒙脫石型土為主，進(jìn)入土壤的有機(jī)質(zhì)有助于形成大的團(tuán)聚體，形成更多的孔隙。由于有機(jī)質(zhì)的分解，會(huì)釋放出氮磷，這樣使得 0～10 cm土層的土壤氮磷含量高于>10～20 cm土層。本研究結(jié)論與李成亮等研究得出的有機(jī)質(zhì)含量提高可以促進(jìn)全氮、有效氮的積累和程艷麗等研究得出的有機(jī)質(zhì)和有效磷含量保持一致的結(jié)果[13-14]一致。

本研究中林地的有機(jī)碳含量在0～10 cm和>10～20 cm土層均最高。這是因?yàn)榱值乇韺涌葜β淙~較多，保護(hù)地面不受雨水的沖刷，同時(shí)林地形成的腐殖質(zhì)大多呈中性，增加了土壤的孔隙，使得有機(jī)質(zhì)可以隨著林地凋落物歸還土壤。有機(jī)質(zhì)含量高導(dǎo)致氮磷轉(zhuǎn)化旺盛，使得林地保持較高的土壤氮磷含量。在土壤表層，除總磷和有效磷含量外，濕地的其他養(yǎng)分含量均高于旱地和水田。一方面是因?yàn)闈竦赜袡C(jī)碳含量較高，使得土壤氮含量也高；另一方面是由于研究區(qū)濕地逐漸被開(kāi)墾為水田，僅有的濕地中絕大部分被水田包圍，受到水田的施肥影響也較大。而土壤磷素受施肥的影響大[15]，如果施用的磷肥少，就會(huì)導(dǎo)致土壤全磷和有效磷含量降低。旱地和水田作為農(nóng)業(yè)用地，會(huì)受到人為施肥、翻耕等干擾，這樣就增加了土壤的孔隙度[16]，使得土壤氮磷含量也較高。同時(shí)，由于阿布膠河流域耕地坡度小，可以減少由于地表徑流引起的土壤養(yǎng)分流失。三江平原作為國(guó)家重要的糧食生產(chǎn)基地，施肥管理措施具有顯著效果。有研究表明，施肥對(duì)土壤速效鉀含量影響顯著，而對(duì)全鉀的影響卻較小[17]。筆者研究了速效鉀的含量，發(fā)現(xiàn)林地、濕地、旱地和水田4種土地利用類(lèi)型的有機(jī)碳與速效鉀含量也保持相似的變化態(tài)勢(shì)。

三江平原阿布膠河流域不同土地利用類(lèi)型的土壤pH值、有機(jī)碳含量、全氮含量、全磷含量、堿解氮含量、有效磷含量、速效鉀含量整體上隨土壤深度的增加而減??；而土壤陽(yáng)離子交換量和粒徑分布沒(méi)有明顯的變化。由于土壤表層的凋落物、枯枝落葉的腐殖化作用，使得相同土層的林地和濕地有機(jī)碳含量基本高于旱地和水田，且0～10 cm土層濕地的有機(jī)碳和氮鉀含量均高于旱地和水田。通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)綜合分析，在0～10 cm和>10～20 cm土層，濕地對(duì)于改善土壤物理性質(zhì)和保持土壤養(yǎng)分含量的能力最優(yōu)。

通過(guò)加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)模型分析了不同土地利用類(lèi)型對(duì)土壤理化性質(zhì)的保持和改善作用，從而篩選出最優(yōu)的土地利用類(lèi)型，發(fā)現(xiàn)濕地是三江平原阿布膠河流域改良土壤性質(zhì)的最佳土地利用方式，本研究結(jié)果可為后期研究土壤性質(zhì)和面源污染提供理論支持。