河北壩上地區(qū)坡面尺度土壤機(jī)械組成的空間變異

鄒心雨, 張卓棟, 吳夢瑤, 萬緣強(qiáng)

(北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部 防沙治沙教育部工程研究中心，100875，北京)

土壤機(jī)械組成是重要的土壤性質(zhì)，影響土壤的侵蝕、水熱交換等過程，也是水文、生態(tài)和環(huán)境評(píng)價(jià)等模型中的重要參數(shù)[1-4]，研究土壤機(jī)械組成及其空間變異對(duì)土壤性質(zhì)和過程建模、土地管理規(guī)劃[5]、水土流失防治等具有重要的意義。

土壤機(jī)械組成空間變異存在尺度效應(yīng)，即在不同的空間尺度上，土壤機(jī)械組成的主要影響因子不同，空間變異格局也不同[6]。已有的研究多集中于大中區(qū)域尺度，大部分土壤粒級(jí)含量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性[7-9]，地形、母質(zhì)等是土壤質(zhì)地空間變異的主要影響因素[10-12]。這些研究多運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)與GIS相結(jié)合方法分析土壤機(jī)械組成的空間變異，但多局限于表層[7,9,11,13]，近年來逐漸有研究考慮不同土壤深度的土壤機(jī)械組成三維空間變異[10,14]。與大中尺度的研究相比，小尺度土壤機(jī)械組成空間變異的研究還較少。而已有的大尺度研究往往掩蓋了土壤機(jī)械組成較小尺度的空間分布與變異特征，無法滿足精細(xì)的土壤景觀建模、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土壤侵蝕防治等方面的要求，小尺度土壤機(jī)械組成的空間變異是重要的且有待于深入探索的問題[15]。目前僅有的小尺度土壤機(jī)械組成空間分布研究涉及紅壤丘陵區(qū)[14]、四川盆地[16]等，其空間異質(zhì)性研究結(jié)果有所差異，微地形、植被類型和耕作制度等是小尺度土壤機(jī)械組成空間變異的主要影響因素，而這些研究僅限于一般描述性統(tǒng)計(jì)分析，缺乏用地統(tǒng)計(jì)與GIS相結(jié)合方法進(jìn)行深入、定量的探討。

河北壩上地區(qū)位于內(nèi)蒙古高原南緣、季風(fēng)氣候尾閭區(qū)，屬于典型的農(nóng)牧交錯(cuò)帶。近年來隨著人口劇增和土地過度開發(fā)，水土流失嚴(yán)重[17]。作為京津冀地區(qū)阻滯風(fēng)沙入侵的生態(tài)屏障和水源涵養(yǎng)地，壩上地區(qū)對(duì)首都及其周邊區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[18]。土壤機(jī)械組成作為土地質(zhì)量、土壤侵蝕評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，壩上地區(qū)有關(guān)土壤機(jī)械組成空間分布的研究還少見報(bào)道，急需開展相關(guān)研究。

筆者以坡面為研究尺度，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)與GIS相結(jié)合方法研究壩上地區(qū)土壤機(jī)械組成的空間變異。目標(biāo)是獲取壩上地區(qū)坡面尺度土壤機(jī)械組成的三維空間分布與變異特征，進(jìn)一步確定土壤質(zhì)地類型的三維空間分布，并分析其主要影響因子，為農(nóng)牧交錯(cuò)帶的土壤精細(xì)化管理與水土保持工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省承德市豐寧滿族自治縣壩上草原，地處內(nèi)蒙古高原南緣，海拔為1 600 m左右。地貌以多山階地、丘梁地、草灘地和湖淖為主，地勢起伏比較明顯。區(qū)域氣候?qū)僦袦貛О敫珊禋夂颍昃鶞丶s為0.6 ℃，年均降水量為400 mm左右，雨熱同期。植被以草本灌木為主，優(yōu)勢種主要為中華隱子草(Cleistogeneschinensis(Maxim.) Keng.)、散穗早熟禾(PoasubfastigiataTrin.)、黃囊苔草(CarexkorshinskyiKom)等，覆蓋良好，但種類較為單一，結(jié)構(gòu)簡單。主要土壤類型為暗栗鈣土[19]。

本研究選取樣地為大灘鎮(zhèn)二道河村火石溝南側(cè)一東坡草地，位于E 116.112°，N 41.534°附近，坡向?yàn)?8°，坡面東西跨度280 m，南北跨度200 m，總面積為2萬7 000 m2。坡面坡度為14.8°，是典型的豐寧壩上草地丘陵山地地形。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

利用Google Earth衛(wèi)星影像和GPS以網(wǎng)格法在坡面上選定32個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)，分別位于凸坡(A)、偏凸坡(B)、偏凹坡(C)、凹坡(D)4個(gè)條帶上，每個(gè)條帶各有8個(gè)采樣點(diǎn)，使用Eijkelkamp環(huán)刀鉆分別在0～5、5～10、15～20、25～30、40～45和55～60 cm 6個(gè)深度下采集土樣，采集的樣品經(jīng)過風(fēng)干與研磨，過2 mm篩備用。

采用篩分法和吸管法測定土壤機(jī)械組成[20]。土壤依次過1.00、0.50、0.25和0.10 mm標(biāo)準(zhǔn)篩篩分出2.00～1.00、1.00～0.50、0.50～0.25和0.25～0.10 mm共4個(gè)粒級(jí)顆粒。對(duì)吸管法，將<0.10 mm的顆粒洗入沉降筒，測定0.05～0.02、0.02～0.01、0.010～0.005、0.005～0.002和0.002～0.001 mm和<0.001 mm共6個(gè)粒級(jí)土壤顆粒含量。

2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)美國制標(biāo)準(zhǔn)將土壤顆粒劃分為砂粒(2.000～0.050 mm)、粉粒(0.050～0.002 mm)、黏粒(<0.002 mm)3個(gè)粒級(jí)，分別計(jì)算其質(zhì)量比例。利用SPSS 19軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，并檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布。利用GS+軟件進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析，得到各層各粒級(jí)含量的半方差函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)等。參考地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果，在ArcGIS 10.2軟件中進(jìn)行普通克里金插值，得到各層各粒級(jí)含量的空間插值圖，并評(píng)價(jià)其可靠性；以粒級(jí)含量插值結(jié)果為基礎(chǔ)，利用柵格計(jì)算器功能判斷各層各粒級(jí)含量插值結(jié)果的土壤質(zhì)地類型，得到各層土壤質(zhì)地空間分布圖。利用Origin 8.5軟件制作不同深度各粒級(jí)含量箱型圖和土壤質(zhì)地類型三角圖。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)分布Fig.1 Location of the study area and distribution of sampling points

3 結(jié)果與分析

3.1 描述性統(tǒng)計(jì)特征

表1顯示：上部4層土樣的粉粒含量均值最高，下部2層則是砂粒最高；上部2層中砂粒含量最低，下部4層則是黏粒最低。顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明，表層和次表層的砂粒、粉粒含量存在顯著性差異，中間2層和下部2層的砂粒、粉粒、黏粒含量均無顯著性差異。各深度各粒級(jí)含量的變異系數(shù)分布在9.45%～36.65%之間，根據(jù)Nielsen等[21]提出的變異程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，除0～5 cm層的黏粒含量為弱變異性外，其他各層各粒級(jí)均為中等變異，與張娜等[10]對(duì)內(nèi)蒙古河套灌區(qū)土壤顆粒含量的研究結(jié)果相比，本研究區(qū)各粒級(jí)含量變異程度更弱，認(rèn)為本研究區(qū)尺度相對(duì)較小，區(qū)域內(nèi)差異相對(duì)較小，因此變異程度相對(duì)較低。各層標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)均為砂粒最大，黏粒最小，表明砂粒含量的變異程度更強(qiáng)。K～S正態(tài)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，各層各粒級(jí)含量的P值均遠(yuǎn)大于0.05，服從正態(tài)分布，可直接進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析。

表1 不同深度土壤砂粒、粉粒、黏粒含量描述性統(tǒng)計(jì)特征Tab.1 Descriptive statistics of sand, silt and clay content at different depths

注：相同粒級(jí)土壤顆粒含量在不同深度小寫字母不同表示相同粒級(jí)土壤顆粒含量在不同深度差異顯著(P<0.05)。Notes: Different lowercase letters at different depths indicate significant differences in soil particle content of the same size at different depths (P<0.05).

3.2 土壤機(jī)械組成空間變異特征

表2是各變異函數(shù)理論模型的參數(shù)表。各深度各粒級(jí)含量均為高斯模型和球狀模型，除表層外，各變異函數(shù)的決定系數(shù)R2在0.6～0.9之間，擬合精度較高。塊金值C0表示實(shí)驗(yàn)誤差和小于實(shí)驗(yàn)取樣尺度所引起的變異，即隨機(jī)部分的空間異質(zhì)性，較大的塊金值C0表明較小尺度上的某種過程不容忽視[22]。整體上各深度各粒級(jí)含量的塊金值C0均較小，表明小于最小取樣尺度影響土壤機(jī)械組成空間變異的過程較小。其中砂粒和粉粒的塊金值C0較大，且整體隨深度增加而增大，表明砂粒和粉粒的實(shí)驗(yàn)誤差相對(duì)于黏粒較大，或小于最小取樣尺度(最小采樣間距為15 m)影響砂粒和粉粒含量空間變異的過程相對(duì)于黏粒較強(qiáng)，且隨深度增加，該過程有增強(qiáng)的趨勢?；_(tái)值C0+C反映區(qū)域化變量變化幅度的大小，總體上，砂粒的基臺(tái)值C0+C大于粉粒大于黏粒，表明研究區(qū)砂粒的空間變異更強(qiáng)。隨著深度的增加，各粒級(jí)的基臺(tái)值C0+C呈先增后減再增的波動(dòng)增加趨勢，表明隨著深度增加各粒級(jí)含量的空間變異性有增強(qiáng)趨勢，這與Paterson等[15]在0～60 cm深度內(nèi)隨深度增加土壤質(zhì)地空間變異有增強(qiáng)趨勢的研究結(jié)論一致。本研究基臺(tái)值C0+C結(jié)果與馮娜娜等[14]對(duì)小尺度蒙頂山茶園表層土壤顆粒含量的基臺(tái)值C0+C研究結(jié)果大致相當(dāng)，且均小于江厚龍等[9]、張娜等[10]對(duì)大中尺度煙田、河套灌區(qū)土壤顆粒含量基臺(tái)值C0+C的研究結(jié)果，認(rèn)為大尺度土壤機(jī)械組成空間變異強(qiáng)于小尺度。塊金值C0和基臺(tái)值C0+C之比塊金系數(shù)C0/(C0+C)表示隨機(jī)部分的空間異質(zhì)性占總空間異質(zhì)性的大小。大部分深度大部分粒級(jí)含量的塊金系數(shù)C0/(C0+C)均低于25%，表明大部分深度大部分粒級(jí)含量具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，40～45 cm深度的砂粒、粉粒以及55～60 cm深度的粉粒含量具有中等程度的空間相關(guān)性[23]。變程反映了區(qū)域化變量空間自相關(guān)范圍的大小，整體各粒級(jí)含量的變程隨深度增加呈先增后減再增的波動(dòng)增加趨勢，表明隨深度增加，各粒級(jí)含量的空間變異尺度增加，這與表層受人為因素干擾較大有關(guān)。

表2 不同深度砂粒、粉粒、黏粒含量半變異函數(shù)理論模型及相關(guān)參數(shù)Tab.2 Theoretical model and related parameters of semivariogram of sand, silt and clay contents at different depths

各層各粒級(jí)含量的空間插值結(jié)果與研究區(qū)三維地形疊加結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，整體上砂粒和粉粒含量較高，黏粒含量相對(duì)較低。除表層外，土壤黏粉砂含量均呈較明顯的漸變規(guī)律。整體上砂粒含量高值區(qū)出現(xiàn)在更易受土壤侵蝕的凸坡、坡上和坡中，低值區(qū)出現(xiàn)在凹坡和坡下，土壤粉粒和黏粒含量的空間變異特征與砂粒含量相反，高值區(qū)出現(xiàn)在凹坡和坡下，低值區(qū)在凸坡、坡上和坡中，這與王冬冬等[14]、陳曉燕等[24]和趙明月等[25]的研究結(jié)果一致。土壤砂粉黏含量的分布走向多沿凹凸地形條帶，其中凸坡和偏凸坡的坡中處多分布半圓形斑塊，斑塊內(nèi)砂粒含量高于周邊區(qū)域，粉黏粒含量則與之相反。表層的砂粒和粉粒含量較均一，粉粒含量高于砂粒，隨深度增加，砂粒含量整體呈增大趨勢，粉粒含量呈減少趨勢，至55～60 cm層時(shí)砂粒含量已高于粉粒。不同層黏粒含量總體比較穩(wěn)定，其中5～10 cm層具有相對(duì)較大范圍的黏粒含量高值區(qū)，主要位于凹坡的中下坡處。

圖2 不同深度土壤砂粒、粉粒、黏粒含量空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of sand, silt and clay content at different depths

不同坡型下土壤機(jī)械組成隨深度變化箱式圖如圖3。垂直方向上，砂粒含量整體呈增-減-增-減的波動(dòng)增加趨勢，拐點(diǎn)深度分別為20 cm、30 cm和45 cm。粉粒含量的變化趨勢與砂粒相反，為減—增—減—增的波動(dòng)減少，拐點(diǎn)深度與砂粒相同。黏粒含量在不同深度下相對(duì)穩(wěn)定，整體的增減趨勢不明顯。這與東北典型黑土區(qū)[26]和壩上地區(qū)中度退化草地[27]土壤機(jī)械組成垂直方向的變異規(guī)律相同，與部分學(xué)者的砂粒含量隨深度減少，黏粒含量隨深度增加的研究結(jié)論不一致[14,28]，這是研究區(qū)土壤特性與植被類型不同的結(jié)果。前者研究區(qū)為沙蓋黃土丘陵區(qū)，因此表層砂粒含量高；而后者植被類型為橘園地，植物根系深，黏粒含量在垂直方向的遷移率大，因此黏粒含量隨深度增加，而砂粒含量隨深度減少。各深度不同粒級(jí)含量在不同坡型下有差異，砂粒含量表現(xiàn)為凸坡>偏凸坡>偏凹坡>凹坡，粉粒和黏粒則與之相反，表現(xiàn)為凸坡<偏凸坡<偏凹坡<凹坡。

圖3 不同深度砂粒、粉粒、黏粒含量箱型圖Fig.3 Box diagram of sand, silt and clay content at different depths

3.3 土壤質(zhì)地類型及其空間變異

圖4 研究區(qū)土壤質(zhì)地類型三角圖Fig.4 Triangular map of soil texture type in the study area

由研究區(qū)土壤質(zhì)地類型三角圖(圖4)可知，研究區(qū)所有土壤樣本的質(zhì)地類型共有5種。其中：最主要的類型為黏壤土，占總樣本數(shù)的70.79%；其次是粉質(zhì)黏壤土和壤土，分別占9.90%和9.41%；砂質(zhì)黏壤土占7.92%；砂質(zhì)壤土最少，只占1.98%。質(zhì)地類型三角圖中土樣呈線狀分布，且垂直跨度最小，即黏粒變化范圍最小，這與圖3結(jié)果一致。

不同深度土壤質(zhì)地類型空間分布預(yù)測結(jié)果如圖5。研究區(qū)各層土壤中分布最廣泛的質(zhì)地類型是黏壤土，這與圖4結(jié)果一致；僅次于黏壤土的類型是粉壤土和粉質(zhì)黏壤土，而壤土占比最小，這與圖4顯示的有較大差異；預(yù)測圖顯示研究區(qū)6個(gè)深度的質(zhì)地類型雖然也有5種，但相對(duì)于圖4新增了“粉壤土”這一類型，缺少“砂質(zhì)壤土”。這是因?yàn)闃狱c(diǎn)的屬性值在插值后發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其質(zhì)地類型的判斷發(fā)生變化，進(jìn)而影響整個(gè)區(qū)域土壤質(zhì)地類型的預(yù)測結(jié)果。不同深度土壤質(zhì)地空間分布均呈以一種質(zhì)地類型廣泛分布，其他質(zhì)地類型鑲嵌分布的特點(diǎn)，這與Safari等[29]制作出的伊朗Shahrekord平原3種深度下土壤質(zhì)地空間分布圖的特點(diǎn)一致。上部2層土壤質(zhì)地類型較單一，多為黏壤土，少部分為粉壤土；中間2層土壤質(zhì)地類型最多，共有4種，比上部2層多了砂質(zhì)黏壤土和粉質(zhì)黏壤土；下部2層共有3種土壤質(zhì)地類型，其中55～60 cm深度的粉壤土比例相對(duì)最高，并出現(xiàn)壤土。從坡型看，不同深度偏凹坡的質(zhì)地類型均為黏壤土，凸坡質(zhì)地類型的變異性最強(qiáng)。

圖5 不同深度土壤質(zhì)地類型空間分布Fig.5 Spatial distribution of soil texture at different depths

3.4 坡面尺度土壤機(jī)械組成空間變異形成機(jī)制及意義

地統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明壩上地區(qū)坡面尺度0～60 cm土壤大部分深度大部分粒級(jí)含量均具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，與馮娜娜等[16]的研究一致。隨著深度增加，各粒級(jí)含量空間變異呈波動(dòng)增強(qiáng)的趨勢，土壤質(zhì)地類型也表現(xiàn)為表層類型較單一，中下層類型較多(圖5)。土壤機(jī)械組成與土壤質(zhì)地大致呈沿坡型漸變、坡中間雜斑塊的空間分布特征(圖2、圖5)，表明坡型和坡位是影響土壤機(jī)械組成空間變異的重要因素。

坡面是重要的水土流失單元，坡度和坡長等地形因子影響坡面土壤侵蝕強(qiáng)度和方向[30]，導(dǎo)致土壤顆粒在坡面內(nèi)的再分配。粒徑較小的黏粒和粉粒在水流動(dòng)能相同的條件下比砂粒更容易被水流侵蝕、搬運(yùn)[31]，因而坡上和凸坡的砂粒含量更高。研究區(qū)凸坡和偏凸坡的坡中部有一微小的地形凸起，因此凸坡、偏凸坡的坡中處呈現(xiàn)半圓形斑塊特征，斑塊內(nèi)砂粒含量偏高，粉粒和黏粒含量偏低。王雪妍等[32]對(duì)同一坡地根系生物量的研究表明，研究坡5～10 cm深度凹坡的坡中、坡下處根系生物量較高，這與圖2黏粒含量在5～10 cm深度的空間分布規(guī)律一致。地形能影響土壤水分與養(yǎng)分等植物生境條件的空間再分配[33]，而植物根系能改善土壤結(jié)構(gòu)、保持水土，同時(shí)還能分泌有機(jī)酸等促進(jìn)礦物風(fēng)化，提高黏粒含量[1,22]。此外，人類活動(dòng)也是土壤機(jī)械組成空間分布的影響因素之一，表層受人為因素干擾大，土壤機(jī)械組成分布較為均一，隨著深度增加，人為因素干擾減少，土壤機(jī)械組成空間變異有增強(qiáng)趨勢。

在本研究區(qū)這一坡面尺度上有5種不同的土壤質(zhì)地類型，而內(nèi)蒙古河套灌區(qū)大尺度上的土壤質(zhì)地類型為6種[10]，伊朗Shahrekord平原的質(zhì)地類型僅有4種[29]，表明壩上地區(qū)坡面尺度與其他大中尺度土壤質(zhì)地類型數(shù)量相當(dāng)，這進(jìn)一步驗(yàn)證了Paterson等[15]的小尺度土壤質(zhì)地空間變異的研究同樣重要的觀點(diǎn)。研究區(qū)表層土壤質(zhì)地類型均較單一，而中層和深層土壤質(zhì)地類型空間變異較強(qiáng)，因此在今后的研究中不同深度上土壤性質(zhì)的空間變異不容忽視。即使在土壤質(zhì)地類型較為單一的表層，0～5 cm層的黏粒含量仍呈現(xiàn)較大的空間變異，在5～10 cm層，黏粉砂含量均有較明顯的空間變異，土壤機(jī)械組成能比土壤質(zhì)地類型反映出更精細(xì)的空間差異。在研究中可根據(jù)不同的需求選擇使用土壤機(jī)械組成或者土壤質(zhì)地參數(shù)，這些參數(shù)在小尺度的空間變異不容忽視，能為更精細(xì)的土地管理與水土流失治理提供重要的信息。這些小尺度土壤機(jī)械組成空間變異規(guī)律可進(jìn)一步服務(wù)于更大尺度的土壤性質(zhì)預(yù)測與制圖，以提高其模擬與制圖的精度。

4 結(jié)論

坡面尺度大部分深度的大部分粒級(jí)含量具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，砂粒的空間變異性最強(qiáng)。隨著深度的增加，土壤砂粒含量波動(dòng)增加，粉粒含量波動(dòng)下降，黏粒含量則比較穩(wěn)定，且土壤機(jī)械組成空間變異性有增強(qiáng)趨勢。凸坡、坡上和坡中的砂粒含量高，粉粒和黏粒則與之相反。坡型和坡位是坡面尺度土壤機(jī)械組成空間變異的主要影響因素。本坡面主要土壤質(zhì)地類型為黏壤土，共有5種土壤質(zhì)地類型，與大尺度土壤質(zhì)地類型數(shù)量相當(dāng)，表明了小尺度土壤機(jī)械組成空間變異研究的重要性。本研究可為小尺度更精細(xì)的土地管理與水土流失治理提供重要的信息，同時(shí)也可以進(jìn)一步服務(wù)于更大尺度的土壤性質(zhì)預(yù)測與制圖，提高其模擬與制圖的精度。

感謝北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部高曉飛高級(jí)實(shí)驗(yàn)師在土壤實(shí)驗(yàn)方面提供的指導(dǎo)，感謝肖人杰、朱瑜在土壤樣品準(zhǔn)備與處理方面提供的幫助。