基于GIS和RDA的丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異及其與地形因子的關系

宋發(fā)軍

（奉節(jié)縣水利局，重慶 404600）

土壤是時空非均質的礦質綜合體，在成土過程中受外部因素侵擾和內部生化過程影響，具有普遍而復雜的空間異質性。作為土壤屬性之一，空間異質性影響著地表景觀演進乃至區(qū)域環(huán)境與經濟、社會發(fā)展［1，2］。探究土壤性質空間分布模式，可揭示環(huán)境因子對其影響速率與方向，認識土壤發(fā)育格局與元素的生物地球化學循環(huán)［3］。自然因素是土壤屬性的來源，也是其空間變異的內生驅動力，其中地形是影響土壤養(yǎng)分在地理單元內變異的主要因素［4］。Seibert等［5］研究認為，低緩丘陵區(qū)陽坡的植被長勢較好，豐富的生物殘體礦化后有利于養(yǎng)分的積累，因而坡向是影響土壤養(yǎng)分的重要因素。陳洋等［6］分析表明，秦巴山區(qū)靠近溝谷地帶的土壤養(yǎng)分下滲淋溶強烈，養(yǎng)分含量低于緩坡處，高程和坡度及其組合效應是土壤養(yǎng)分的主控因素。鄧歐平等［7］研究表明，川中紫色土區(qū)土壤養(yǎng)分含量隨著地形曲率增大而增加，且不同地形因子組合土壤養(yǎng)分分布不同。這些研究闡釋了部分地形相位對土壤養(yǎng)分積累速率的再分配機理，一是著重于定性分析，針對不同地形因素影響力的量化分析較少；二是多為探究高程、坡度、海拔等一級地形因子的影響機制，少有研究徑流強度指數、地形濕度指數等次級地形因子的影響。

大別山區(qū)是中部水土流失重點防護區(qū)，區(qū)域地形起伏、地質環(huán)境復雜、耕作分布離散，土壤性質受地理環(huán)境特征與人為活動共同影響，具有強烈空間異質性。為更深入解析地形梯度對土壤養(yǎng)分變異性的影響，以大別山丘陵地區(qū)為案例區(qū)，采用RDA方法對養(yǎng)分含量與地形因子進行排序和偏回歸分析。RDA以線性模型能夠厘定單一地形因子的影響程度，通過排序圖予以可視化［8］。探究該區(qū)土壤空間變異性，定量解析不同地形因素與土壤屬性之間的關系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省西南部花亭湖上游丘陵區(qū)，屬于大別山系向長江延伸的余脈。區(qū)域為北亞熱帶季風性氣候區(qū)，四季分明、夏季濕熱，年平均氣溫16.4℃，年均降水量1 300 mm，無霜期249 d。微地形以平地、丘陵為主，地勢周高中低、海拔高度38～304 m。區(qū)內植物以亞熱帶常闊葉混交林為主，土地利用類型以耕地、林地、草地占優(yōu)，主要土壤類型為黃棕壤、水稻土和新積土。

1.2 土壤樣品制備

樣品采集時間為2015年秋季，根據區(qū)域地形、土地覆被等因素進行實地踏勘和樣點布設，于每個采樣基點10 m范圍內由四角及中心部位共采集5份0～20 cm表層土壤，混合均勻分裝至袋，并應用GPS儀記錄樣點軌跡，樣點共計64個，其分布如圖1所示。樣品帶回后經風干、去雜、搗碎、過篩等處理流程，對土壤中的有機質（OM）、全氮（TN）、速效氮（AN）、全磷（TP）、速效磷（AP）和速效鉀（AK）含量進行測定分析［9］。

1.3 地形特征因子確定

選取與土壤養(yǎng)分關系密切的地形特征因子，包括一級地形指標海拔（ELE）、坡度（SLO）、坡向（ASP）、坡位（SP）、到河流的距離（DTR），反映區(qū)域基本的地貌形態(tài)特征；二級地形指標地形曲率（TC）、地形起伏度（RDSL）、地表粗糙度（SRL）、徑流強度指數（SPI）、地形濕度指數（TWI），反映微地形、地表徑流強度、土壤濕度等特性。各地形因子的計算與地理意義見參考文獻［10-12］。

1.4 數據處理

以6種土壤養(yǎng)分為目標變量，以確定的10個地形因子為解釋變量。用SPSS 21.0軟件對土壤養(yǎng)分含量的均值、標準差及變異系數等特征進行計算，采用K-S方法檢驗正態(tài)分布特性；用GS+9.0進行半方差模型擬合運算，基于模型與參數進行空間插值。地形因子提取以研究區(qū)1∶10 000的地形圖為基礎，用ArcG 10.2軟件投影校正、矢量化、拓撲檢查處理后生成DEM數據，應用Spatial analysis軟件的地形分析和柵格計算器輔助提取。解釋變量中定性的地形因子量化處理，坡向量化公式為α=cosβ，式中，β為實際坡度（°），α為坡度編碼值，數字越大，表示坡向越向陽；坡位編碼為下坡為1，中坡為2，上坡為3，數值越大，表示坡位越高。

土壤養(yǎng)分與地形因子的關系用Canoco 4.5軟件進行可視化表達。對土壤養(yǎng)分數據去趨勢對應分析（DCA）以計算排序軸梯度，結果顯示4個排序軸的最大梯度為0.346<3，表明其不滿足單峰模型，遂采用線性模型對土壤屬性與地形因子數據進行RDA分析，土壤養(yǎng)分排序得分的尺度比例選用標準偏差法，并進行對數轉換成lg（x+1），以減弱特異值影響［7］。

2 結果與分析

2.1 大別山丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異性

2.1.1 土壤養(yǎng)分描述性特征 土壤各組分特征參數具有一定差異（表1）。有機質、全氮、全磷等主要土壤特性的變異系數較小且相差不大，分別為22.73%、28.68%、23.24%；速效氮、速效磷和速效鉀速效養(yǎng)分的變異程度略高，達到54.04%、90.67%、62.69%。參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準，有機質、全氮、速效磷、全磷的含量屬于3級中等水平，速效氮、速效鉀為4級缺乏水平。經單樣本K-S檢驗，除了速效氮雙側漸進顯著性值大于0.05，服從正態(tài)分布外，其他組分數據未能通過檢驗，在后續(xù)統(tǒng)計分析中需進行相應轉換。

2.1.2 土壤養(yǎng)分空間結構特征 GS+9.0中提供了高斯、球面、線性、指數4種類型函數用以擬合變量空間結構。依據決定系數R2趨向于1、殘差RSS接近于0的原則選擇了最優(yōu)理論模型，并以200 m為步長，以2 400 m為有效分離距離，計算全向半分差函數，結果如表2所示。由于取樣分布較均勻，相鄰地塊能夠很好傳遞空間關聯(lián)信息，各半方差模型的R2在0.912～0.992擬合度較高，能夠反映該景觀尺度下的土壤養(yǎng)分空間結構特征。其中全磷、全氮的塊基比<25%，呈現強烈空間相關，說明其分布主要受自然因素控制；其他養(yǎng)分塊基比介于25%～75%，屬于中等空間相關，表明養(yǎng)分含量受到一定的隨機因素影響，結構性略弱。其中速效磷的塊基比值最大，達到59.05%，說明在小于采樣尺度存在一定程度人為影響。從變程來看，各養(yǎng)分自相關距離不一，其中速效氮和速效鉀變程較小，為1.5、1.7 km，說明其斑塊破碎程度高，全局變化較大；而速效磷的變程較大，達2.7 km，表明其空間連續(xù)性較好（表2）。

表1 土壤養(yǎng)分指標描述

表2 土壤養(yǎng)分半方差模型及參數

2.1.3 土壤養(yǎng)分空間分布特征 Kriging法基于樣點之間的空間相關性對鄰域進行線性無偏最優(yōu)估計，圖2為研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量空間插值結果。雖然預估值與實測值域存在一定出入，但其整體趨勢性仍然能夠反映養(yǎng)分總體空間格局。依圖2可知，研究區(qū)北側有機質含量較高并沿山脊線分布，中部河岸地帶含量低，南部海拔較高處的樣方也存在高值；全氮的分布特征與有機質相似，說明二者具有密切的循環(huán)過程；速效氮的高值區(qū)集中分布在南北側丘陵緩坡處，中部以西的地形平坦處其含量稍低。全磷、速效磷的高值或低值區(qū)呈斑塊狀分布于海拔較低的樣方，而邊緣山脊線處的含量相對較低；其中速效磷的空間連續(xù)性較好。速效鉀與速效氮的分布特征相似、均存在獨立斑點，且空間連續(xù)性較差，這與前述半方差分析結果一致。整體來看土壤養(yǎng)分呈帶狀分布，局部地形增強了其空間異質性。

2.2 大別山丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分與地形因子的關系

2.2.1 土壤—地形因子排序整體解釋度 RDA分析（表3）表明，第一排序軸的典范特征值達到0.421，各排序軸的特征值與土壤數據的累計貢獻水平逐漸遞減，反映了排序軸的重要性呈減小趨勢，地形因子總計解釋了土壤養(yǎng)分54.7%的變異信息。土壤養(yǎng)分與地形因子之間的相關系數都較高，介于0.343～0.813，共解釋總方差的99.6%，表明前4軸的排序結果能夠較好地反映土壤養(yǎng)分與地形因子的關系。

表3 土壤養(yǎng)分與地形因子的RDA分析

2.2.2 土壤養(yǎng)分與地形因子的排序關系 土壤養(yǎng)分與地形因子RDA排序見圖3。矢量箭頭長度與方向代表土壤與此環(huán)境因子的典范相關關系。海拔的矢量箭頭在速效磷上的余弦投影較長，表明海拔對速效磷的積累具有重要意義，在亞熱帶暖濕氣候的低山丘陵區(qū)，較高海拔處地表景觀以林草地為主，植物殘體的礦化以及土壤礦質顆粒風化速率相對較快，一定程度上提高了磷的生物有效性［13］。坡位和坡度作為高程的派生地形因子，與速效鉀和全氮關系密切，區(qū)域中下坡地形和緩，多為耕地和放牧牧用地，表層土壤受干擾頻繁，速效鉀和全氮積累較少；上坡植被覆蓋密集下遮陰條件好、溫濕度適中，枯枝落葉的分解能有效補充地表土壤氮素。坡向矢量箭頭方向與各養(yǎng)分相反，表明呈負相關關系，尤其與速效磷負相關性顯著，由于坡向越向陽氣溫較高而干燥，不利于動植物殘體對土壤的肥化累積。就區(qū)域地形看，南坡坡度陡，水土流失效應較強［14］。地形濕度指數也與養(yǎng)分存在負相關關系，地形曲率與速效鉀負相關關系明顯，到河流距離、地表粗糙度、坡度等與各養(yǎng)分存在一定正相關?？傮w而言這些因子的矢量距離較短，表明其對土壤養(yǎng)分的影響只存在于一定尺度范圍。

土壤養(yǎng)分距地形因子質心的距離反映了其空間變異性受環(huán)境因素的支配程度。速效氮離質心最近，表明其空間變異受到較多的環(huán)境因素影響；速效鉀、全氮、速效氮、有機質位于第二象限，離質心較近，說明其影響因子較多；速效磷距質心最遠，表明只有較個別地形因子對其存在強烈影響。

2.2.3 地形因子的定量分析 Monte Carlo置換檢驗直觀顯示了各地形因子對土壤養(yǎng)分變異解釋度，如表4。地形因子海拔、坡向、坡位對土壤養(yǎng)分變異性影響達到顯著水平（P<0.05），其解釋度依次為15.2%、14.1%、7.1%，說明它們是土壤屬性呈現空間分異的主要地形因素。到河流距離也對土壤養(yǎng)分空間差異性產生一定影響（變量解釋度5.7%），尚未達到顯著水平；其他地形指標因子的影響程度有限，對養(yǎng)分變異的解釋能力共計只有12.5%，徑流強度指數對養(yǎng)分的影響程度最低，解釋能力僅有0.3%。綜合來看，一級地形因子的解釋能力較強，共解釋了44.7%的變異信息，而二級地形因子解釋能力較差，僅為10.1%，表明其對土壤空間異質性的影響較弱。

表4 環(huán)境因子解釋的重要性排序和顯著性檢驗

為進一步分析土壤養(yǎng)分對地形因子的依賴性，采用t-value雙序圖予以可視化表達，如圖4。Van Dobben圈表征了土壤養(yǎng)分分布與環(huán)境變量的相關關系，對高程的分析顯示，速效磷、速效氮、有機質和全氮落入Van Dobben實線圈內，說明養(yǎng)分與該因子呈顯著正相關關系，其中速效氮與之相交，表明高程對其的影響不具有顯著意義。由地形因子分析可知，各養(yǎng)分矢量線落入虛線圈中，表明其與地形因子之間呈負相關關系，其中坡向對速效磷的影響最顯著，對速效氮則影響最弱，其他養(yǎng)分則居中，并均呈負相關關系。分析養(yǎng)分與坡位的關系，兩者呈正相關關系，對各養(yǎng)分影響力依次為速效氮>速效鉀>全氮>有機質>速效氮>速效磷。

3 結論

通過經典統(tǒng)計和地統(tǒng)計學方法研究大別山丘陵區(qū)表層土壤養(yǎng)分空間異質性，并應用RDA法量化地形因子對其影響程度，得出以下結論。

1）研究區(qū)土壤養(yǎng)分有機質、全氮、速效磷、全磷含量為中等水平，速效氮、速效鉀較缺乏；6種養(yǎng)分均屬于中等程度變異，變異性依次為速效磷（90.67%）>速效鉀（62.69%）>速效氮（54.04%）>全氮（28.68%）>全磷（23.24%）>有機質（22.73%）。

2）研究區(qū)土壤速效磷的最適模型為指數模型，有機質、全氮、速效氮為高斯模型，全磷和速效鉀以球面模型擬合最佳。全氮、全磷的塊基比為20.41%、20.25%，呈強烈空間自相關性；有機質、全氮、速效磷、速效鉀為中等空間自相關性，塊基比依次為43.10%、48.57%、59.05%、44.81%。Kriging插值顯示，土壤養(yǎng)分呈帶狀分布，表現出隨地形分布的趨勢特征。

3）地形因子共解釋了54.7%的變異信息，其中一級地形因子如海拔、坡向、坡位、到河流距離、坡度的解釋程度較高，達到15.2%、14.1%、7.1%、5.7%和2.5%，而二級地形因子地形曲率、地形起伏度、地表粗糙度、徑流強度指數、地形濕度指數的解釋能力較低，共解釋了10.1%的信息。其中高程、坡向、坡位對土壤養(yǎng)分的綜合影響達到顯著水平（P<0.05），是區(qū)域土壤養(yǎng)分空間變異的主導地形因子。