基于Kriging和GIS的西江下游典型流域森林土壤全磷的空間分布研究*

康 劍 王 洋 何超銀 張中瑞 丁曉綱

（1. 廣東省森林培育與保護利用重點實驗室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520；2. 中國科學(xué)院華南植物園，廣東廣州 510650）

森林土壤是森林植被的基礎(chǔ)，土壤質(zhì)量的高低直接影響森林的生長發(fā)育。土壤養(yǎng)分（氮、磷、鉀、有機碳等）作為最基礎(chǔ)的土壤屬性，代表了土壤的肥力狀況，決定了土壤為森林提供營養(yǎng)物質(zhì)的能力[1]。森林土壤養(yǎng)分的空間分布特征直接影響到林地生產(chǎn)力的高低以及生態(tài)恢復(fù)的方向與途徑，因此，研究森林土壤養(yǎng)分的空間分布特征，對了解土壤質(zhì)量狀況和制定生態(tài)修復(fù)措施具有重要意義。

磷素是多種生物酶的組成部分，參與生物呼吸代謝、酶促反應(yīng)等重要的生理生化過程，影響生物的生長及生理活動，是植物必需的大量營養(yǎng)元素[2]。而土壤磷素對植物的生長代謝產(chǎn)生重要影響，從而影響到生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，以及SOC 和土壤磷素含量[3]。土壤中磷的形態(tài)主要可分為有機態(tài)磷和無機態(tài)磷[4]。磷素在土壤中的化學(xué)行為主要為磷的固定和釋放過程。相對于土壤碳和土壤磷素，土壤磷素多以難溶態(tài)存在，移動性差[5]。因此，磷常常制約著植物的生長和發(fā)育，成為限制生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的重要元素之一。

本文以西江下游典型流域為研究對象，利用普通克里金法對磷的分布情況進行預(yù)測，并利用GIS 技術(shù)進行空間插值模擬，了解該區(qū)域土壤磷含量及空間分布特征，以期了解西江流域下游土壤質(zhì)量狀況，為今后生態(tài)修復(fù)措施的實施，生態(tài)環(huán)境評價與利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于西江流域下游，位于珠江三角洲的西部，主要包含江門市鶴山市、蓬江區(qū)、新會區(qū)，研究區(qū)域坐標(biāo)為東經(jīng)112°28′～113°01′，北緯22°28′～22°51′，地勢北低西高，以低山丘陵為主，土壤多為赤紅壤。地屬亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和多雨，冬夏分明，年均氣溫23.0℃，年降雨量約2 424.4 mm，日照平均1 612.5 h，無霜期在360 d 以上。

1.2 土壤樣點布設(shè)

2021 年7 月，采用專題布點和空間隨機布點相結(jié)合的方式，依據(jù)土壤屬性空間分布預(yù)測模型質(zhì)量要求，在土壤調(diào)查區(qū)域內(nèi)生成抽樣網(wǎng)格，并進行無人機踏查及各調(diào)查專題點的高分辨率DEM衍生數(shù)據(jù)提取，確定土壤樣點布設(shè)位置及調(diào)查線路[6]，共布設(shè)121 個樣點（圖1）。

圖1 西江下游流域森林土壤樣點布設(shè)Fig. 1 Layout of forest soil samples in lower reaches of Xijiang River Basin

1.3 土壤樣品采集

將布設(shè)樣點的地理坐標(biāo)定位到林相圖上的地籍小班，借助GPS 找到樣點區(qū)域。選擇樣點內(nèi)能夠充分代表該地林分特征的區(qū)域挖掘3 個土壤剖面（長1.2～1.5 m，寬0.8～1.0 m，高1.0～1.2 m），分5 層取樣，由上至下依次為0～20 cm（D1）、20～40 cm（D2）、40～60 cm（D3）、60～80 cm（D4）、80～100 cm（D5），每層均勻采集土壤（不少于500 g），每個樣點3 個剖面共采集樣品5 層/個×3 個（剖面）=15 份。采集后的土壤樣品用封口袋盛裝，并及時帶回實驗室，風(fēng)干、過篩后以用于測定土壤基本指標(biāo)。

1.4 指標(biāo)測定方法

土壤全磷含量采用酸溶法測定[7]。

1.5 研究方法與數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019 軟件進行數(shù)據(jù)處理和匯總，應(yīng)用SPSS 25.0 軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析。用普通克里金空間插值法對研究區(qū)域的全磷含量分布情況進行空間預(yù)測，用ArcGIS 10.7 對空間分布圖預(yù)測進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同層次森林土壤全磷含量描述性統(tǒng)計

不同土壤層全磷含量描述性統(tǒng)計如表1 所示。土壤全磷含量平均值在D1-D5 土壤層分別為240.12 mg/kg、232.09 mg/kg、218.00 mg/kg、209.21 mg/kg 和208.50 mg/kg。5 個土壤層全磷的平均值隨著土層的加深整體呈下降趨勢。各土層全磷含量的標(biāo)準(zhǔn)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差在D1-D4 層含量逐漸減少，D5 層略微上升。如圖2 所示，不同層次土壤之間全磷含量的差異性不顯著。除D1 與D4、D5 層土壤差異性顯著外，其余層次土壤間全磷含量無顯著差異性。

表1 西江下游典型流域森林土壤全磷含量描述性統(tǒng)計Tab.1 Descriptive statistical table of forest soil total phosphorus content in lower reaches of Xijiang River Basin

圖2 西江下游流域森林土壤全磷含量箱線圖Fig. 2 Box line diagram of soil total phosphorus content in lower reaches of Xijiang River Basin

2.2 森林土壤全磷含量空間分布特征

如圖3 所示，根據(jù)空間插值預(yù)測值的結(jié)果，西江下游流域D1-D5 層土壤全磷含量分別位于48.55～719.21 mg/kg、48.75～713.70mg/kg、48.48～772.18 mg/kg、46.89～577.48 mg/kg、47.31～562.34 mg/kg 的范圍內(nèi)。從水平分布情況來看，研究區(qū)域全磷含量整體呈中、北部高，東部和西南部較低的分布特征，即鶴山市北部和中部、新會區(qū)中部區(qū)域土壤全磷的含量相對較高，蓬江區(qū)和其他區(qū)域土壤全磷含量相對較低。對于全磷含量較高的中部和北部區(qū)域來說，全磷含量在D1-D3 層呈上升趨勢，隨后呈下降趨勢。而其他區(qū)域則表現(xiàn)出先下降后上升的相反趨勢。整體來講，土壤全磷含量在水平方向基本呈中、北部高，東部和西南部較低的的趨勢，在垂直方向上無明顯變化規(guī)律。

圖3 東江中下游流域不同土壤層森林土壤全磷含量空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil total phosphorus content in forests of different soil layers of Xijiang River Basin

3 結(jié)論與討論

對研究區(qū)域內(nèi)的全磷含量進行常規(guī)計算統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示土壤全磷含量的變化范圍為46.89～772.18 mg/kg。從土壤養(yǎng)分含量的均值來看，研究區(qū)域土壤全磷均值為221.19 mg/kg，根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[8]，研究區(qū)域的土壤全磷為五級標(biāo)準(zhǔn)，即養(yǎng)分處于缺乏水平。因此，在后續(xù)的經(jīng)營過程中，要及時施肥還養(yǎng)，加強土壤全磷肥效的補充，促進林木的生長。從均值來看，五層土壤中D1 層全磷含量最高，隨著土壤層次的加深呈逐漸下降趨勢，呈現(xiàn)出表聚趨勢，這與前人研究結(jié)果一致[9、10]。不同層次土壤之間全磷含量的差異性不顯著，除D1 與D4、D5 層土壤差異性顯著外，其余層次土壤間全磷含量無顯著差異性。

根據(jù)預(yù)測分布圖顯示，水平來看，研究區(qū)域中土壤全磷分布整體呈呈中、北部高，東部和西南部較低的分布特征。因此，要根據(jù)實際情況有針對性的對各區(qū)域施加全磷肥料。從垂直分布來看，D1 層土壤全磷含量顯著高于D4、D5 層，這與前人研究結(jié)果一致[10]，這可能是因為土壤深處受到人為施肥影響較小。但整體來說，研究區(qū)域土壤全磷在垂直方向上無明顯的變化規(guī)律，因為土壤全磷含量受土壤母質(zhì)、土壤類型、土壤特性、植被類型、氣候條件及土地管理措施等多方面的影響[11]，需對研究結(jié)果進行進一步的分析驗證。

土壤磷素既是限制植物生長和土壤肥力的關(guān)鍵指標(biāo)，也是調(diào)控土壤碳、氮生物地球化學(xué)循環(huán)過程的重要元素[12-13]。研究區(qū)域土壤全磷含量大部分處于缺乏水平，為促進研究區(qū)域森林可持續(xù)發(fā)展，需要根據(jù)各地全磷分布情況有針對性的增施磷肥，促進土壤肥力的提升和林木的生長。