基于GIS的水土保持措施下坡耕地土壤養(yǎng)分變異特征研究

王鳳成

(鳳城市河道管理處，遼寧 丹東 118100)

土壤肥沃力和生產(chǎn)力隨養(yǎng)分的流失而逐漸下降，并且下游區(qū)域隨面源污染物的任意排入富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴重，對人類的生活和經(jīng)濟發(fā)展帶來了眾多不利影響。據(jù)此，國內(nèi)外學者針對土壤養(yǎng)分流失問題從多個方面和角度開展了大量的防控作用研究；研究表明植被覆蓋率可有效對氮、磷的流失進行防控，然而TN流失得到控制的同時可導致礦質(zhì)氮隨徑流的流失[1-3]。據(jù)此，在養(yǎng)分流失控制治理過程中采取有效措施改變耕地結(jié)構(gòu)形式，并提高植被覆蓋率是較為有效的方法。東北地區(qū)坡耕地面源污染物的主要流失方式是隨徑流泥沙作用而流失，據(jù)此在該區(qū)域通常采取不同形式的水土保持措施對坡耕地土壤養(yǎng)分進行控制，如馮洋[4]等提出土壤中TP和TP的養(yǎng)分含量在水土保持措施區(qū)明顯高于無措施區(qū)。GIS技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，有利于提高土壤養(yǎng)分含量的評價和監(jiān)測手段，雷能忠[5]等結(jié)合統(tǒng)計學基本理論，對土壤養(yǎng)分質(zhì)量評價采用GIS技術(shù)的相關(guān)模塊計算功能與插值法基本方法進行了全面客觀的分析。土壤面源污染物指數(shù)可利用GIS空間分析功能以及制圖模塊進行空間分布和變異狀況分析，而RUSLE模型是采用GIS法對土壤養(yǎng)分的N，P流失狀況進行分析，對養(yǎng)分分布規(guī)律以及釋放過程利用GIS插值法計算分析，可揭示N，P在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。然而，當前土壤養(yǎng)分含量在水土保持措施體系下的分布變化規(guī)律研究相對較少[6]。據(jù)此，文章采用GIS空間插值法對坡耕地土壤有機質(zhì)、N，P等養(yǎng)分在水土保持措施體系下的空間分布特征進行研究分析，并對土壤養(yǎng)分隨在不同水保措施下的影響做出評價，以期為改善研究流域生態(tài)環(huán)境、水質(zhì)質(zhì)量，降低下游水體富營養(yǎng)化程度、減少土壤養(yǎng)分流失和面源污染提供決策依據(jù)和理論支持[7]。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 研究區(qū)域概況

小城子小流域位于丹東市寬甸縣北部，屬于低丘陵石質(zhì)山區(qū)。流域面積6093hm2，水土流失危害嚴重；土壤類型以棕壤土為主，土質(zhì)黏緊結(jié)構(gòu)和通透性較差，土層較薄，有機質(zhì)含量低，耕作層肥力和有效養(yǎng)分不高，特別是棕壤土類型表現(xiàn)為“干瘦”，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一大限制因素。研究流域為大陸性季風氣候，四季分明，降雨集中，日照充足，溫差較大。多年平均降雨量為1100mm，且在時空分布上極不均衡，每年的6—9月為汛期或降雨旺季，占全年降雨量的70%及以上，且多為暴雨或強降雨，歷時短、強度大、對表層土壤破壞嚴重。水土保持措施體系在上坡位、中坡位和下坡位分別為水土保持林、水平梯田和地埂植物帶，其中水土保持林主要以落葉松和紅松為主；水平梯田田坎高1.5m，田面寬8m；地埂植物帶以株行距25cm×25cm的紫穗槐為主。

表1 研究區(qū)域坡耕地在各坡位上的基本狀況統(tǒng)計表

1.2 試驗設(shè)計

該研究選取小城子小流域降雨量較大的2016年且農(nóng)事活動較為頻繁的4—10月進行各措施下的坡耕地逐月采樣，并結(jié)合該流域目前已有的水保措施體系選取了相同高度和坡面的無措施坡耕地作為試驗對照組進行對比分析，研究區(qū)域坡耕地各坡位基本狀況統(tǒng)計結(jié)果詳見表1。

結(jié)合水土保持措施分布狀況以及GIS空間插值分布特點，該研究的水土保持林、水平梯田、地埂植物帶和無措施坡耕地均沿順坡方向按照“S”型分別設(shè)置50個采樣點(100個土樣)、28個采樣點(56個土樣)、15個采樣點(30個土樣)和28個采樣點(56個土樣)。采用手持GPS和PTK定位儀同時對各采樣點進行精準測點定位，并按照九宮格交叉取樣法分別對土層縱深在0～15cm、15～30cm處樣品進行兩次采集，然后在實驗室對樣品處理。經(jīng)自然風干和碾磨，采用四分法取樣并對各土樣的TN，TP、有機質(zhì)、有效P和pH值等參數(shù)進行測量，以7月份暴雨集中期和3月份的0～15cm深土樣作為研究數(shù)據(jù)來源。各指標參數(shù)試驗檢測方法均參考相關(guān)國標進行試驗[8]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

該研究試驗數(shù)據(jù)相關(guān)性分析采用SPSS17.0和Excel進行統(tǒng)計分析，對試驗數(shù)據(jù)的檢驗和空間插值分布狀況采用ArcGIS10.0軟件進行計算分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量的描述性統(tǒng)計分析

土壤養(yǎng)分在無措施以及不同水保措施下坡耕地的含量存在一定差異，水保措施在一定程度上可促進土壤養(yǎng)分的富集。研究區(qū)域不同土壤樣本的TN，TP、有機質(zhì)、有效P和pH值含量變化范圍分別為1.90～3.12g/kg、0.15～0.50g/kg、23.18～31.06g/kg、17.58～50.26g/kg和5.72～6.40，上述5種土壤養(yǎng)分的空間變異度分別為25.40%，20.62%，11.85%，7.06%和3.28%。

土壤養(yǎng)分含量最小值均出現(xiàn)在無措施坡耕地，而TN含量最大值位于水保林地，TP和有機質(zhì)含量最大值位于地埂植物帶，有效P含量最大值位于水平梯田。相同研究區(qū)域的土壤母質(zhì)變化相對較低，故pH值相對于其他參數(shù)的變異系數(shù)最低；TP和有機質(zhì)在秸稈還田措施作用下的空間變異性較低，受施肥措施或土壤中磷的流動性較低等因素影響，土壤的有效P和TP空間變異度較高[9]。

土壤養(yǎng)分各指標相關(guān)性計算結(jié)果詳見表2。由表2可知，土壤養(yǎng)分含量隨水土保持措施影響顯著，水保措施與土壤養(yǎng)分各指標呈顯著的相關(guān)性。

水保措施與pH值呈顯著的負相關(guān)性，其原因主要與研究區(qū)域林地和植物帶的不斷完善相關(guān)，研究區(qū)域水土流失治理關(guān)鍵性技術(shù)措施基本建設(shè)完成，植物的生產(chǎn)有利于促進土壤理化性質(zhì)的改善，并引起林地pH值的降低，水保措施相對無措施的坡耕地pH增大；pH值受土壤有機質(zhì)中氮素的影響，全氮和有機質(zhì)與pH值呈顯著相關(guān)性；在土壤養(yǎng)分流失過程中磷素的流動性能較弱，因此水保措施與磷素的相關(guān)性一般；而全氮和有機質(zhì)呈正相關(guān)性且相關(guān)系數(shù)最大，研究表明TN和有機質(zhì)之間具有密切的關(guān)系。作為土壤磷素供給的重要參數(shù)，有效P與TP呈顯著的正相關(guān)性[10]。

2.2 構(gòu)建土壤特性的空間變異模型

經(jīng)檢驗，土壤養(yǎng)分有機質(zhì)含量、TP，TN以及pH值各指標呈正態(tài)分布，同時經(jīng)轉(zhuǎn)化處理后的有效P數(shù)據(jù)也為正態(tài)分布，因此滿足插值計算相關(guān)要求[11]。通過設(shè)定不同擬合模型，采用普通克里金法進行插值計算，各模型預測誤差結(jié)果對比分析狀況詳見表3。

表2 土壤養(yǎng)分各參數(shù)指標的相關(guān)性統(tǒng)計分析表

注：*代表0.05置信水平上的相關(guān)性，**代表在0.01置信水平上的相關(guān)性。

表3 半方差函數(shù)擬合模型誤差值統(tǒng)計分析表

根據(jù)RMSE值越小則模型的擬合結(jié)果越好的基本原則，分析各擬合模型的RMSSE、ASE、MSE和ME數(shù)據(jù)值的大小和經(jīng)驗函數(shù)，經(jīng)過綜合對比分析本實驗最佳插值擬合模型采用球狀模型進行研究分析，球狀模型計算公式如下：

(1)

式中，C0—隨機變量帶來的空間變異，為塊金值；C—基臺值與塊金值的差值，為偏基臺值；a—樣點間距的上限值，為變程；h—樣點間距。

球狀模型對各參數(shù)指標的擬合函數(shù)及相關(guān)公式基本值詳見表4。由表4可知，C0均小于a，由此表明任意兩采樣點在試驗中均表現(xiàn)出相關(guān)性。土壤養(yǎng)分各指標的相關(guān)程度可采用C0/(C0+C)值進行表征，C0/(C0+C)小于25%時為強烈相關(guān)，其變異受自然因素影響；C0/(C0+C)值為25%～75%時為中等相關(guān)；C0/(C0+C)值大于75%時為弱相關(guān)性，其空間變異受認為因素影響。

由表4計算結(jié)果可知，有機質(zhì)空間相關(guān)度為26%，其相關(guān)性處于中等程度，其原因主要與人為活動參與相關(guān)。據(jù)此，人類耕作活動以及自然環(huán)境是影響有機質(zhì)空間變異的主要因素，然而C0/(C0+C)值趨近于25%可表明有機質(zhì)受人類耕作活動的影響較自然因素低；其他各要素相關(guān)度均低于25%，研究表明自然活動影響是引起其他各參數(shù)控編變異的主要因素。

2.3 土壤特性的空間分布變化

小城子小流域流域土壤養(yǎng)分各要素指標在不同坡位上的空間分布狀況詳見表5。由表5可知，在三個坡位條件下，坡耕地在水土保持措施體系下的TN和有機質(zhì)均明顯大于無措施區(qū)，說明水保措施有利于提高土壤對氮素和有機質(zhì)的攔蓄作用。通過對比分析不同坡位變化范圍可知，水保措施對TN的攔蓄作用由坡上至坡下逐漸降低，分別為水保林地、水平梯田和地埂植物帶的7.42%、6.25%和4.8%；地埂植物帶和水保林地對有機質(zhì)的攔蓄作用較為顯著。研究表明，水保林地在上坡為對TN的富集作用較為明顯，同時有利于提高TN在流失過程中的利用效率，并且非農(nóng)作物的種植可有利于促進土壤對有機質(zhì)的攔蓄和利用。相對于無措施坡耕地，水平梯田、水保林地以及地埂植物帶的有效P和TP含量高，水平梯田對有效P的攔蓄作用較為顯著而水保林地對TP的攔蓄作用最佳。

表4 球面模型對各參數(shù)指標的擬合函數(shù)及相關(guān)公式基本值

表5 小城子小流域土壤養(yǎng)分各指標空間分布狀況 單位：g·kg-1

由表5可見，pH在不同坡位的空間對比度變化可知，上坡至下坡的空間對比度分別為-7.02%，-0.71%和-2.40%，說明非農(nóng)作物在水保體系作用下可降低pH值，此變化規(guī)律和文中上述結(jié)果保持一致。

3 結(jié)論

(1)土壤養(yǎng)分含量最小值均出現(xiàn)在無措施坡耕地，而TN含量最大值位于水保林地、TP和有機質(zhì)含量最大值位于地埂植物帶，有效P含量最大值位于水平梯田。水保措施與pH值呈顯著的負相關(guān)性；全氮和有機質(zhì)與pH值呈顯著相關(guān)性；而有效P與TP呈顯著的正相關(guān)性。

(2)人類耕作活動以及自然環(huán)境是影響有機質(zhì)空間變異的主要因素，然而值趨近于25%可表明有機質(zhì)受人類耕作活動的影響較自然因素較低；其他各要素相關(guān)度均低于25%，研究表明自然活動影響是引起其他各參數(shù)控編變異的主要因素。

(3)不同坡位內(nèi)坡耕地在水土保持措施體系下的TN和有機質(zhì)均明顯大于無措施區(qū)，水保措施有利于提高土壤對氮素和有機質(zhì)的攔蓄作用。