聊城市位山灌區(qū)耕層土壤磁化率和有機(jī)碳的空間變異分析

趙 璐， 劉子亭，陳 琳， 陳 亮， 陶寶先， 張保華， 湯慶新， 曹建榮

(1.聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東聊城 252000； 2.河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南開封 475004)

土壤作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要資源，其質(zhì)量與變化須要深入探究。土壤在成土過程中受到母質(zhì)、氣候、人類活動等因素的綜合影響[1]，具有高度空間異質(zhì)性[2]。磁化率和有機(jī)碳含量是表征土壤理化特征的重要指標(biāo)。土壤磁化率受成土母質(zhì)、氣候、地形、人類活動等因素的綜合影響[3]，其空間分布特征和變異規(guī)律是分析和合理利用土壤資源的基礎(chǔ)資料。土壤磁化率空間分布特征可指示土壤發(fā)育過程、成土作用強(qiáng)度和土壤環(huán)境現(xiàn)狀[4-9]，已經(jīng)成為區(qū)域土壤與環(huán)境變化研究的重要手段。近年來農(nóng)田土壤磁化率的研究主要集中于陜西、山西、遼寧、云南、廣東等地區(qū)[10-15]。引水灌溉是干旱、半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要措施，然而關(guān)于引水灌溉地區(qū)農(nóng)田土壤磁化率及有機(jī)碳含量空間分布特征的研究尚不多見。本研究選擇黃河下游最大的引黃灌區(qū)和重要的糧食生產(chǎn)基地——山東省聊城市位山引黃灌區(qū)為研究區(qū)，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析該區(qū)農(nóng)田土壤磁化率和有機(jī)碳含量的空間分布特征，旨在為土壤資源可持續(xù)利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

聊城市位于山東省西部，地理坐標(biāo)為35°47′～37°02′N、115°16′～116°32′E(圖1)。該區(qū)屬黃泛沖積平原，地勢平坦開闊，具有高地、緩平坡地、洼地相間的微地貌格局[16]，土壤以沙土、壤土、黏土為主。境內(nèi)主要河流有黃河、馬頰河、徒駭河、京杭運(yùn)河、小運(yùn)河等。該區(qū)氣候?qū)侔敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，降水時(shí)空分布不均，旱澇災(zāi)害頻發(fā)。該區(qū)主要農(nóng)作物有小麥、玉米和棉花，主要引黃河水灌溉。區(qū)內(nèi)建有位山、陶城鋪、郭口、彭樓4個(gè)引黃灌溉水利工程，覆蓋全市域耕地。其中，位山引黃灌區(qū)始建于1958年，1962年停灌，1970年復(fù)灌，設(shè)計(jì)引水流量為240 m3/s，設(shè)計(jì)灌溉面積為3.6×105hm2，占聊城市總耕地面積的65%，控制8個(gè)市(縣、區(qū))的大部分耕地，是黃河下游最大的引黃灌區(qū)，是我國第五大黃灌區(qū)。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與指標(biāo)測定

綜合考慮聊城市位山引黃灌區(qū)典型土壤類型的分布、農(nóng)田土壤利用方式等因素，選擇引黃灌溉時(shí)間長、地塊面積大、農(nóng)作物種植時(shí)間久的農(nóng)田為采樣區(qū)，于2016年選擇60個(gè)農(nóng)田土壤樣點(diǎn)制作土壤剖面(圖1)，以5 cm為間隔對剖面上部0～20 cm耕作層自上而下采集樣品。用手持全球定位系統(tǒng)(global position system，簡稱GPS)定位儀記錄采樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)。將采集的樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干，剔除碎石、植物根系等雜質(zhì)后研碎，分樣裝袋進(jìn)行磁化率和有機(jī)碳指標(biāo)測定。

樣品磁化率的測定使用英國Bartington MS-2型雙頻磁化率儀進(jìn)行。首先稱取10.00 g待測樣品用保鮮膜包緊，裝入10 mL圓柱形聚乙烯樣品盒中，然后分別在0.47、4.70 kHz頻率下測定樣品的低頻磁化率(χlf)和高頻磁化率(χhf)。每個(gè)樣品重復(fù)測量3次，取平均值。頻率磁化率(χfd)的計(jì)算方法見公式(1)。

(1)

樣品有機(jī)碳(SOC)含量采用重鉻酸鉀外加熱法進(jìn)行測定。首先稱取0.2～0.5 g待測樣品置于錐形瓶中，加入5 mL重鉻酸鉀溶液，再加入5 mL濃硫酸并輕輕搖勻，置于200 ℃電熱板上加熱，用蒸餾水定容，用硫酸亞鐵溶液滴定。記錄每個(gè)樣品的質(zhì)量(m)、滴定消耗的硫酸亞鐵溶液體積(V)以及空白對照試驗(yàn)消耗的硫酸亞鐵溶液體積(V0)。同時(shí)進(jìn)行空白對照試驗(yàn)。SOC含量的計(jì)算見公式(2)。

(2)

2.2 數(shù)據(jù)處理與地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 20.0軟件對全部樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。采用柯爾莫諾夫-斯米爾諾夫(Kolmogorov-Smirnov，簡稱 K-S)法進(jìn)行數(shù)據(jù)正態(tài)分布性檢驗(yàn)。利用ArcGIS 10.2軟件中的地統(tǒng)計(jì)分析模塊進(jìn)行半變異函數(shù)模型擬合和Kriging空間插值，得到土壤各變量含量的空間分布。

地統(tǒng)計(jì)學(xué)以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以變異函數(shù)為主要工具，揭示土壤特性的空間分布特征及其變化規(guī)律[17]。變異函數(shù)γ(h)是地統(tǒng)計(jì)分析的核心，其計(jì)算公式為

(3)

式中：N(h)為樣本對數(shù)；Z(x)是系統(tǒng)某屬性在空間位置x處的區(qū)域化隨機(jī)變量，并滿足二階平穩(wěn)假設(shè)；h為2個(gè)樣本點(diǎn)空間分隔距離；Z(xi)和Z(xi﹢h)分別是區(qū)域化變量Z(x)在空間位置xi和xi﹢h處的實(shí)測值，其中i=1，2，…，N(h)[18]。

變異函數(shù)能夠同時(shí)描述區(qū)域化變量的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性，包括3個(gè)重要的參數(shù)，即塊金值(C0)、基臺值(C0+C)、變程(a)。塊金值表示由試驗(yàn)誤差和小于最小取樣尺度引起的隨機(jī)變異，較大的塊金值表明較小尺度上的某些過程不容忽視?；_值是系統(tǒng)或系統(tǒng)屬性中最大的變異，包括結(jié)構(gòu)性變異和隨機(jī)性變異，是系統(tǒng)內(nèi)總的變異，基臺值越高，表示系統(tǒng)總的空間異質(zhì)性越高。變程表示要素的空間自相關(guān)范圍，其變化可反映出引起要素變異主要過程的變化[19]。

3 結(jié)果與分析

3.1 農(nóng)田土壤磁化率和SOC含量特征

樣品測定結(jié)果顯示，聊城市位山引黃灌區(qū)農(nóng)田土壤χlf的值范圍為48.34×10-8～78.88×10-8m3/kg，均值為66.04×10-8m3/kg；χhf的值范圍為43.25×10-8～74.08×10-8m3/kg，均值為61.53×10-8m3/kg；χfd的變化范圍為1.20%～10.75%，均值為6.85%；SOC含量范圍為4.17～13.69 g/kg，均值為8.68 g/kg(表1)。

從偏度、峰度、K-S值綜合判斷，研究區(qū)土壤χlf、χhf、SOC含量均服從正態(tài)分布。χfd經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后，χfd服從正態(tài)分布。從變異系數(shù)看，χlf、χhf的變異系數(shù)為10.18%、10.49%，參考相關(guān)研究結(jié)果[20]，屬于弱變異強(qiáng)度；χfd、SOC的變異系數(shù)為 25.50%、25.68%，屬于中等變異強(qiáng)度。

3.2 農(nóng)田土壤磁化率和有機(jī)碳的空間結(jié)構(gòu)特征

采用ArcGIS 10.2軟件中的地統(tǒng)計(jì)分析模塊進(jìn)行土壤各變量的半變異函數(shù)模型擬合，充分考慮各變量的各向異性和趨勢性，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)平均值(ME)最接近于0、標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差(RMSS)最接近于1、平均標(biāo)準(zhǔn)誤差(ASE)與均方根預(yù)測誤差(RMS)最接近這3個(gè)主要評判標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過模擬最終選取最優(yōu)擬合函數(shù)模型(表2)。

從擬合結(jié)果來看，χlf、χhf符合球面函數(shù)模型，χfd符合指數(shù)函數(shù)模型，SOC符合三角函數(shù)模型。從變程看，χlf、χhf、SOC分別在13.34～18.02 km、13.34～18.19 km、12.38～16.54 km、13.99～17.92 km范圍內(nèi)存在空間相關(guān)性。土壤χfd的自相關(guān)尺度最大，說明其在較大范圍內(nèi)具有相關(guān)關(guān)系，反映出結(jié)構(gòu)性因素對其影響較大。

表1 位山引黃灌區(qū)農(nóng)田土壤磁化率和有機(jī)碳的描述性統(tǒng)計(jì)

注：①單位為10-8m3/kg；②單位為%；③單位為g/kg。

表2 位山引黃灌區(qū)農(nóng)田土壤磁化率和SOC半變異函數(shù)模型參數(shù)及檢驗(yàn)指標(biāo)

除χlf、χhf、SOC外，χfd的塊金值(C0)為0.001 3，說明由試驗(yàn)誤差和小于試驗(yàn)取樣尺度引起的土壤性質(zhì)的變異較??；各變量的基臺值(C0+C)均為正值，說明存在由采樣誤差、短距離的變異、隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性變異引起的各種正基底效應(yīng)。由于塊金值(C0)、基臺值(C0+C)不能用于比較不同變量間的隨機(jī)變異，而塊金系數(shù)[C0/(C0+C)]可以反映塊金值占總空間異質(zhì)性變異的大小，即由隨機(jī)性因素所引起的異質(zhì)性占總空間異質(zhì)性的大小。比值較高，說明由隨機(jī)性因素引起的空間變異程度較大，比值較低，說明由空間自相關(guān)部分引起的空間變異程度較大。按照區(qū)域化變量空間相關(guān)性程度的分級標(biāo)準(zhǔn)[21]，土壤χlf、χhf、χfd的塊金系數(shù)分別為70.57%、68.62%、29.55%，均在25%～75%之間，說明研究區(qū)農(nóng)田土壤的磁化率含量具有中等空間相關(guān)程度；土壤SOC的塊金系數(shù)為87.56%，大于75%，說明研究區(qū)農(nóng)田土壤SOC含量的空間相關(guān)性很弱。參考相關(guān)研究成果表明，研究區(qū)農(nóng)田土壤χfd的塊金系數(shù)為 29.55%，小于50%，說明由結(jié)構(gòu)性因素(土壤母質(zhì)、氣候、地形等)引起的空間變異程度大于由隨機(jī)性因素(灌溉、施肥、耕種和土壤改良等)產(chǎn)生的空間變異[22]；本研究土壤χlf、χhf和SOC的塊金系數(shù)均大于50%，說明由隨機(jī)性因素引起的空間變異程度大于由結(jié)構(gòu)性因素產(chǎn)生的空間變異。

3.3 農(nóng)田土壤磁化率和SOC的空間分布特征

運(yùn)用半變異函數(shù)模型結(jié)果在ArcGIS 10.2軟件中進(jìn)行Kriging空間插值，得到研究區(qū)農(nóng)田土壤磁化率和SOC的空間分布(圖2)。土壤χlf、χhf的空間分布規(guī)律相似，研究區(qū)土壤χlf、χhf值普遍較高，而高唐縣北部、臨清市西北部土壤χlf、χhf值分布最高，陽谷縣東部、東昌府區(qū)東南部和東阿縣大部等黃河沿岸區(qū)域農(nóng)田土壤χlf、χhf值較低。研究區(qū)農(nóng)田土壤χfd值表現(xiàn)為東北-西南條帶狀延伸、由北向南逐漸增大的空間分布趨勢。研究區(qū)農(nóng)田土壤SOC含量的空間分布呈現(xiàn)出東西高、中部低的空間分布格局。其中，陽谷縣東部、東阿縣西部、東昌府區(qū)大部、冠縣東北部和臨清市大部引黃灌渠和河流交錯(cuò)密集區(qū)土壤SOC含量相對較低，臨清市中部、東昌府區(qū)北部的小面積區(qū)域土壤SOC含量最低。總體而言，土壤χlf、χhf、χfd值、SOC含量的空間分布具有明顯差異。

4 結(jié)論與討論

4.1 農(nóng)田土壤磁化率特征的影響因素

聊城市位山引黃灌區(qū)農(nóng)田土壤χlf、χhf平均值分別為 66.04×10-8、61.53×10-8m3/kg，其空間分布格局具有一定的空間變異性，主要受結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性因素共同影響。其中，結(jié)構(gòu)性因素主要包括土壤成土母質(zhì)、土壤類型、氣候和地形等因素，隨機(jī)性因素主要包括灌溉、施肥、種植制度和管理措施等因素。黃河沿岸地區(qū)土壤χlf、χhf值明顯低于西北大部分地區(qū)，主要是由于沿黃河地區(qū)黃河泥沙輸入較多所致。高唐縣北部局部土壤χlf、χhf值較高，可能與該區(qū)域化石燃料的大量使用有關(guān)。相關(guān)研究表明，引黃灌溉會導(dǎo)致土壤磁化率變化[23]，而化石燃料的燃燒會產(chǎn)生大量亞鐵磁性礦物[24]，加之研究區(qū)土壤耕作歷史悠久，近年來聊城市各縣區(qū)大力發(fā)展化工、有色金屬加工、機(jī)械裝備制造以及交通運(yùn)輸業(yè)等產(chǎn)業(yè)，這些都有可能導(dǎo)致研究區(qū)農(nóng)田土壤磁化率的增強(qiáng)。

研究區(qū)農(nóng)田土壤χfd在較大范圍內(nèi)具有較好的空間相關(guān)性。已有研究表明，χfd反映粒徑介于超順磁(<0.03 μm)與單疇(0.03～0.10 μm)閾值范圍內(nèi)的顆粒對磁化率的貢獻(xiàn)，能夠在一定程度上判斷超順磁顆粒的相對含量[25]。研究區(qū)農(nóng)田土壤的χfd特征表明，引黃灌區(qū)農(nóng)田土壤在成土過程中會形成大量的超順磁顆粒。土壤χfd的空間自相關(guān)性主要與母質(zhì)、氣候、地形等結(jié)構(gòu)性因素有關(guān)[26]。在本研究區(qū)內(nèi)，全區(qū)屬于黃泛沖積平原，母質(zhì)相同，因而母質(zhì)不是影響χfd空間分布的主要因素。聊城市境內(nèi)地勢西高東低，表層土壤中超順磁顆粒可能受地勢坡度影響，在空間上呈現(xiàn)隨坡度減緩而逐漸積累增加的趨勢。

4.2 農(nóng)田土壤SOC特征的影響因素

位山引黃灌區(qū)農(nóng)田土壤SOC含量為4.17～13.69 g/kg，均值為8.68 g/kg，在空間上表現(xiàn)出東西高、中部低的分布格局，這主要與人類活動等隨機(jī)性因素相關(guān)。已有研究表明，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)具有東西高、中部低的空間分布特征，且這一空間差異性有加劇趨勢[27]，這與本研究中的土壤SOC空間分布格局是一致的。作為重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，聊城市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中長期施肥、燃燒秸稈還田等人為活動影響持久[28-29]，這可能也是東、西部農(nóng)田土壤SOC含量較高的主要原因。位于研究區(qū)中部的陽谷縣東部、東阿縣西部、東昌府區(qū)大部、冠縣東北部、臨清市大部農(nóng)田土壤的SOC含量相對較低，這可能與引黃灌渠、河流等帶來的大量泥沙有關(guān)，泥沙是導(dǎo)致土壤SOC含量減少的主要載體[30-31]。該區(qū)域密集分布的引黃灌渠、京杭運(yùn)河、小運(yùn)河均攜帶著大量的泥沙，農(nóng)田土壤的SOC含量因灌溉過程中泥沙入田而下降。研究區(qū)臨清市中部、東昌府區(qū)北部為農(nóng)田土壤SOC含量最低區(qū)域(4.17～7.55 g/kg)。相關(guān)研究表明，林地轉(zhuǎn)換為耕地可導(dǎo)致土壤SOC含量下降[32-36]。區(qū)內(nèi)臨清市中部、東昌府區(qū)北部區(qū)域農(nóng)田土壤的SOC含量最低，可能與林地轉(zhuǎn)換為耕地有關(guān)。

聊城市位山引黃灌區(qū)耕層土壤χlf、χhf值分別為 48.34～78.88×10-8、43.25～74.08×10-8m3/kg，均值分別為 66.04×10-8、61.53×10-8m3/kg；χfd的變化范圍為 1.20%～10.75%，均值為6.85%；SOC含量為4.17～13.69 g/kg，均值為8.68 g/kg。

地統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，變異函數(shù)的最優(yōu)理論模型中，土壤χlf、χhf為球面函數(shù)模型，χfd為指數(shù)函數(shù)模型，SOC為三角函數(shù)模型。土壤χlf、χhf、χfd的塊金系數(shù)分別為70.57%、68.62%、29.55%，研究區(qū)耕層土壤的磁化率含量具有中等空間相關(guān)程度；土壤SOC的塊金系數(shù)為87.56%，具有較強(qiáng)的空間變異性。

采用Kriging最優(yōu)內(nèi)插法得到的土壤磁化率和SOC的空間分布結(jié)果表明，研究區(qū)黃河沿岸農(nóng)田土壤χlf、χhf低于其他大部分區(qū)域，主要受到引黃灌溉引沙入田的影響。土壤χfd在空間上呈東北-西南方向逐漸增大的條帶狀分布格局，主要取決于土壤母質(zhì)、氣候、地形等結(jié)構(gòu)性因素影響；土壤SOC含量呈東西高、中部低的空間分布格局，主要與引黃灌溉引沙入田以及林地轉(zhuǎn)為耕地等隨機(jī)性因素有關(guān)。