東江中下游流域森林土壤磷空間分布特征*

李瑩瑩 齊 也 康 劍,2 曲 仡卓桂珠 何超銀 王 洋 張中瑞

（1.廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520；2.中國(guó)科學(xué)院華南植物園，廣東廣州 510650）

森林土壤肥力狀況直接關(guān)系到林木的生長(zhǎng)和健康，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)具有重要影響。其中磷是林木生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，是森林土壤營(yíng)養(yǎng)狀況的指示劑[1-2]。若土壤中缺少磷，不僅會(huì)影響植物的正常生產(chǎn)，還會(huì)阻礙其他養(yǎng)分的吸收[3-4]。了解東江中下游流域森林土壤中磷的空間分布特征，揭示土壤磷含量在水平及垂直方向上的空間分布特征，可為東江中下游流域合理利用森林土壤資源、科學(xué)施肥和生態(tài)修復(fù)等提供科學(xué)的理論依據(jù)。

土壤的性質(zhì)在空間上通常是連續(xù)變化的，其空間變化可以用變異函數(shù)來(lái)量化[5]?？臻g插值法則是使用變異函數(shù)來(lái)確定計(jì)算平均值時(shí)應(yīng)用于數(shù)據(jù)的權(quán)重，通過(guò)已知點(diǎn)的空間信息對(duì)未知點(diǎn)的空間特征進(jìn)行估計(jì)的一種制圖方法[6]。張鐵嬋等[7]采用三種常用的空間插值法對(duì)5 種土壤養(yǎng)分元素進(jìn)行空間插值，插值結(jié)果表明在采樣點(diǎn)密度大的地區(qū)，插值精度理想?？臻g插值法因其操作過(guò)程簡(jiǎn)單且運(yùn)算速度迅速的優(yōu)勢(shì)在至今的土壤制圖工作當(dāng)中仍然具有舉足輕重的地位。

本研究主要以東江中下游森林土壤地區(qū)192個(gè)土壤樣點(diǎn)的磷實(shí)測(cè)值為基礎(chǔ)，在ArcGIS 10.7 中采用克里金空間插值模塊生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的磷空間分布圖，摸清東江中下游的森林土壤磷空間分布格局，為研究土壤退化、生物多樣性缺失、氣候變化和制定土地管理計(jì)劃等提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

珠江是我國(guó)南方最大的河流，是中國(guó)第二大和第四長(zhǎng)的河流；東江是珠江流域三大水系之一。研究區(qū)域主要位于東江中下游地區(qū)，位于廣東省中南部，主要涉及惠州市惠城區(qū)、博羅縣、惠東縣以及龍門(mén)縣。研究區(qū)內(nèi)雨量充沛，陽(yáng)光充足，氣候溫和，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，具有明顯的干濕季節(jié)。研究區(qū)土地利用類(lèi)型以林地為主，其中常綠闊葉林植被占據(jù)主要面積；土壤類(lèi)型主要以黃壤為主，在亞熱帶氣候環(huán)境下，巖石風(fēng)化作用強(qiáng)烈，殘積、沖積形成土層厚度較大，博羅羅浮山有山地草甸土分布，且表層土壤鉀、磷含量較高，潛在肥力較好。

1.2 土壤樣點(diǎn)調(diào)查、采樣方法及指標(biāo)測(cè)定

圖1 東江中下游流域森林土壤樣點(diǎn)布設(shè)Fig. 1 Layout of forest soil samples in the Dongjiang River Basin

基于林地的代表性和土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的適用性和可獲取性，采樣方法主要結(jié)合了專(zhuān)題布點(diǎn)與隨機(jī)布點(diǎn)兩種方法[8]，2021 年7 月，依據(jù)土壤屬性空間分布預(yù)測(cè)模型質(zhì)量要求，在東江中下游流域最終選取192 個(gè)采樣點(diǎn)，主要分布于惠城區(qū)、博羅縣、惠東縣以及龍門(mén)縣。選擇植被、地形條件(坡向、坡位等)具有代表性的地點(diǎn)作為剖面點(diǎn)，為保證土壤調(diào)查結(jié)果科學(xué)可靠，在每個(gè)樣點(diǎn)周邊選擇具有代表性的地帶挖掘3 個(gè)剖面，剖面水平間距不小于 10 m。取樣時(shí)每個(gè)剖面分D1（0～20 cm）、D2（20～40 cm）、D3（40～60 cm）、D4（60～80 cm），共4 層由下至上分別分層取樣，每個(gè)樣品重不少于500 g；將采集后的樣品進(jìn)行密封保存，帶回實(shí)驗(yàn)室后進(jìn)行自然風(fēng)干，研磨篩選后制樣，后參照《森林土壤磷的測(cè)定》LY/T1232—2015進(jìn)行測(cè)定[9-11]。

1.3 研究方法

在克里金空間插值法中普通克里金插值法是最為常見(jiàn)的用于預(yù)測(cè)連續(xù)性數(shù)據(jù)的一種插值方法。普通克里金插值法主要是將已知點(diǎn)的實(shí)測(cè)屬性加權(quán)值來(lái)代表未知點(diǎn)屬性值（預(yù)測(cè)值），且用廣義最小二乘法進(jìn)行無(wú)偏和最優(yōu)估計(jì)得到最優(yōu)的權(quán)重值。在ArcGIS 的地統(tǒng)計(jì)向?qū)K中可實(shí)現(xiàn)普通克里金插值法的流程化操作，其原理首先是計(jì)算已知點(diǎn)（樣點(diǎn)）之間的半變異函數(shù)，其次尋求最合適的擬合函數(shù)，最后用最優(yōu)擬合函數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1.4 數(shù)據(jù)處理及制圖

采用Excel 2019 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理計(jì)算，并用R 軟件進(jìn)行可視化；采用SPSS 26.0 軟件對(duì)森林土壤磷的實(shí)測(cè)值進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)、相關(guān)性分析等；最后采用ArcGIS 10.7 軟件繪制空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土層森林土壤磷含量描述性統(tǒng)計(jì)

研究區(qū)的土壤樣本數(shù)據(jù)情況如表1 所示，并用R 軟件的工具包可視化樣點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖2 所示。由表1 和圖2 可知，磷含量的平均水平隨著土壤深度在下降，平均水平最高的土層（D1）比平均水平最低的土層（D4）高出58 mg/kg。且磷在D1 土層的變化最大，最大值和最小值之間相差5 304.14 mg/kg。從標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)看，D1 土層的土壤樣點(diǎn)的磷含量數(shù)據(jù)最為離散，圖2 的箱線圖也直觀的展現(xiàn)出D1 土層的磷樣點(diǎn)含量最為離散分布。根據(jù)表1 的峰度和偏度值以及圖2 的箱線圖顯示，4個(gè)土層均呈現(xiàn)偏正態(tài)分布。另外，圖2 箱線圖顯示，D1 土層與D3 土層之間土壤磷的含量存在顯著差異，其余各土層之間的磷含量均不存在顯著差異。

圖2 東江中下游流域森林土壤磷含量箱線圖Fig. 2 Box line diagram of phosphorus content in forest soil in the middle and lower reaches of Dongjiang River

表1 東江中下游流域森林土壤磷含量描述性統(tǒng)計(jì)Table 1 Descriptive statistics of phosphorus content of forest soils in the middle and lower reaches of the Dongjiang River

對(duì)比全國(guó)第二次土壤調(diào)查的養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知[9]，東江中下游流域森林土壤磷平均水平處于Ⅴ級(jí)水平（表2）。

表2 土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[9] mg/kgTable 2 Soil nutrient grading standards

2.2 不同土層森林土壤磷含量空間分布

東江中下游流域森林土壤4 個(gè)土層磷含量的空間分布狀況如圖3 所示。從水平方向上看，D1～D4 土層土壤磷含量的空間分布整體上均呈現(xiàn)西部和南部高東部低的變化趨勢(shì)，其中東部有局部地區(qū)的磷含量也較高。D1 土層西部較高的磷含量主要處于274.58～424.94 mg/kg 之間，東部較低的磷含量主要處于112.68～201.36 mg/kg 之間；D2 土層西部較高的磷含量主要處于209.01～479.68 mg/kg 之間，東部較低的磷含量主要處于105.87～154.39 mg/kg 之間；D3 土層西部較高的磷含量主要處于217.15～430.12 mg/kg 之間，東部較低的磷含量主要處于103.36～155.92 mg/kg 之間；D4 土層西部較高的磷含量主要處于191.97～359.31 mg/kg 之間，東部較低的磷含量主要處于95.68～191.97 mg/kg 之間。從垂直方向上看，D1～D4 土層土壤磷含量整體上呈現(xiàn)出逐漸遞減的變化趨勢(shì)。

圖3 東江中下游流域不同土層森林土壤磷含量空間分布Fig.3 Spatial distribution map of forest soil phosphorus content in different soil layers in the middle and lower reaches of the Dongjiang River

3 結(jié)論與討論

東江中下游流域森林土壤磷含量平均水平屬于Ⅴ級(jí)水平，可能是磷作為植被生長(zhǎng)的限制性因素，由于林木生長(zhǎng)旺盛磷含量消耗較大，也有可能是因?yàn)樵诓糠至謪^(qū)，林業(yè)管理者沒(méi)有施足夠的磷肥。在水平方向上，D1-D4 共4 個(gè)土層磷含量的空間格局呈現(xiàn)西高東低的趨勢(shì)，其中東部有局部地區(qū)的磷含量較高。在垂直方向上，由上至下的土層磷含量整體上表現(xiàn)為逐漸下降，與前人研究結(jié)果一致[10]，隨著土層深度的增加，深層土壤受到生物的作用影響較小，因此含量普遍較低。

在本研究中雖然基于較密集的樣本數(shù)據(jù)用空間插值法得到了較傳統(tǒng)土壤調(diào)查更為精確的土壤磷分布圖，更能表示土壤的連續(xù)性，但該方法沒(méi)有考慮到土壤發(fā)生過(guò)程，并且假設(shè)空間自相關(guān)，這在土壤形成因素發(fā)生突變的復(fù)雜地形區(qū)不是一個(gè)很好的制圖方法[11]。并且，其精度過(guò)分依賴(lài)采樣點(diǎn)的密度、原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布以及測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量[12]。因此，如果在一個(gè)大范圍或地形復(fù)雜的研究區(qū)域內(nèi)難以收集到密集型的樣本數(shù)據(jù)，這種制圖方法就不適用[12-14]。要解決這些問(wèn)題需要更先進(jìn)的土壤理論和地理信息技術(shù)。因此，今后的研究中可采用更適合的預(yù)測(cè)模型以及能夠反映土壤和植被條件的預(yù)測(cè)變量，提高土壤制圖精度。