延河流域耕層土壤養(yǎng)分空間變異及與地形因子的相關(guān)性研究

羅 丹，毛忠安，張庭瑜,3,4,5，常慶瑞

（1陜西地建土地勘測規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司，西安 710075；2陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710075；3陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，西安 710075；4自然資源部退化及未利用土地整治重點實驗室，西安 710075；5陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，西安 710075；6西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100）

0 引言

土壤養(yǎng)分是農(nóng)作物攝取養(yǎng)分的重要來源之一，是土地生產(chǎn)力的基礎(chǔ)，也是土壤質(zhì)量評價的重要指標(biāo)[1]。土壤養(yǎng)分空間變異是指在土壤質(zhì)地相同的區(qū)域內(nèi)，同一時刻不同空間位置上也具有明顯差異[2]。土壤空間變異是普遍存在的，分析掌握變異規(guī)律是土地可持續(xù)利用的重要組成部分[3]。隨著地統(tǒng)計學(xué)和3S技術(shù)的普遍應(yīng)用，土壤養(yǎng)分空間變異研究取得了很大進(jìn)展。其中郭旭東等[4]基于GIS和地統(tǒng)計學(xué)對河北省遵化市5中養(yǎng)分要素空間變異規(guī)律進(jìn)行了研究，研究結(jié)果可用于有效指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；秦松等[5]通過對土壤空間變異與地形因子的相關(guān)關(guān)系的研究，得出地形因素與養(yǎng)分分布存在顯著相關(guān)性的結(jié)論；高潔等[6]對阜康市1982、2010、2018年3個時期土壤有機(jī)質(zhì)時空變化規(guī)律及其影響因素進(jìn)行分析，評價了該地區(qū)的土壤肥力情況。延河流域是典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，加之人為因素干擾，受到土地利用和地形因素的顯著影響，土壤屬性空間變異程度較大[7]。研究土壤養(yǎng)分空間變異特征對地區(qū)合理施肥和防治水土流失有著十分關(guān)鍵的作用。已有學(xué)者對延河流域水土流失、景觀格局、植被恢復(fù)等方面進(jìn)行研究，在協(xié)調(diào)空間布局和改善生態(tài)治理方面貢獻(xiàn)了理論支持[8-10]。對于流域內(nèi)土壤空間變異規(guī)律及其影響因素還未有研究進(jìn)行深入探討，特別是對于黃土高原地區(qū)，土壤肥力豐缺是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素。本文以延河流域為研究對象，利用地統(tǒng)計學(xué)與GIS相關(guān)方法，研究了該地區(qū)土壤空間分布及變異規(guī)律，并基于DEM數(shù)據(jù)提取相關(guān)地形因子，分析流域尺度下地形因子對土壤養(yǎng)分空間分布的影響，以期為土壤養(yǎng)分有效利用和農(nóng)業(yè)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

延河是陜北第二條大水系，全長286.9 km，源起榆林市靖邊縣天賜灣鄉(xiāng)周山白于山附近，由西北向東南，流經(jīng)延安市志丹縣、安塞縣、寶塔區(qū)，于延長縣南河溝涼水岸附近匯入黃河，流域面積7725 km2。流域以北為清澗河流域，西南臨北洛河流域，南于云巖河流域相接[11]，地勢西北高、東南低，海拔在500～1800 m之間（見圖1），平均海拔1212.34 m。延河分為上、中、下游三部分，屬于中游發(fā)達(dá)的河流，地貌形態(tài)特征較為分明。從源頭到安塞縣的化子坪為上游，地貌形態(tài)為黃土峁梁丘陵溝壑區(qū)，山大溝深，坡陡谷窄，植被稀少，地形破碎，侵蝕強(qiáng)烈，水土流失嚴(yán)重；從化子坪到寶塔區(qū)的甘谷驛為中游，地貌形態(tài)為黃土峁?fàn)钋鹆隃羡謪^(qū)，河谷寬闊，兩岸階地寬廣平坦，支流眾多，河流侵蝕沒有上游嚴(yán)重；從甘谷驛到河口為下游，地貌形態(tài)為破碎塬區(qū)，河流下切基巖，形成落差較大的陡峭峽谷，水土流失量低于上游。延河主要支流有杏子河、平橋川、西川河、南川河、蟠龍川等[12]，集中在中上游。受區(qū)位影響和地形制約，流域具有典型的大陸季風(fēng)氣候特征，平均溫度為8.8～10.2℃，夏秋季多雨，冬春季干旱少雨，年降水量為400～550 mm，從上游到下游徑流量逐漸減少，季節(jié)性明顯，夏季汛期徑流量明顯增加，冬季常有枯水。由此導(dǎo)致自然景觀和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)也具有明顯的過渡性特征，以干旱草本植物為主，間有塊狀灌木林地，少量喬木林地。

圖1 延河流域DEM圖

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

土壤樣品于2016年作物收獲后、施肥前采集，遵循科學(xué)性、均衡性、代表性原則[13]，選擇不同土壤類型、不同地貌形態(tài)的研究區(qū)耕層土壤作為樣本，用GPS定位，同時記錄灌溉條件、肥料施用等情況。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷、pH采用常規(guī)測定方法[14]。運用三倍標(biāo)準(zhǔn)差方法剔除異常值[15]，為保證樣本量，將剔除的異常值用最大值或最小值代替。

本文使用的ASTER GDEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，空間分辨率為30 m×30 m。在ArcGIS10.3支持下，從DEM中提取流域范圍，通過Spatial Analyst模塊Hydrological Analyst工具，F(xiàn)ill填充洼地—Flow direction分析流向—Flow accumulation計算柵格水流量—Stream link提取柵格河網(wǎng)—Stream to feature柵格河網(wǎng)矢量化—Watershed生成流域，得到研究區(qū)DEM影像。基于研究區(qū)DEM運用Spatial Analyst模塊表面分析中Slope、Aspect工具，生成坡度、坡向圖，運用臨域分析工具及地圖代數(shù)中柵格計算器工具求得地形起伏度，對高程、坡度、坡向、地形起伏度進(jìn)行重分類，得到延河流域地形因子分級及面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

半方差函數(shù)是地統(tǒng)計學(xué)中研究土壤養(yǎng)分變異性的關(guān)鍵函數(shù)。土壤在空間上應(yīng)該是連續(xù)變異的，采用相關(guān)函數(shù)對土壤養(yǎng)分進(jìn)行擬合，生成曲線方程即為半方差函數(shù)理論模型。采用GS+軟件計算半方差函數(shù)及模型并分析，用以對土壤養(yǎng)分含量空間連續(xù)變異進(jìn)行描述。計算公式如式(1)所示。

式中：γ(h)對應(yīng)間距為h時的半方差；h對應(yīng)采樣點間隔距離；N(h)對應(yīng)采樣點間距為h的所有樣本點對數(shù)和；Z(xi)和Z(xi+h)分別表示xi和xi+h處實測值。

半方差函數(shù)值隨著樣點間距的增加而增大，并在一定的間距（即變程）升大到一個基本穩(wěn)定的常數(shù)（即基臺），基臺代表了空間總變異，變程代表了空間變異尺度范圍；本該通過坐標(biāo)原點，在位置趨于零時而并不為零時的非零值即塊金方差，代表了隨機(jī)變異。

利用GS+軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)正態(tài)性檢驗、趨勢分析和半方差函數(shù)構(gòu)建；借助ArcGIS10.3地統(tǒng)計學(xué)模塊克里金插值進(jìn)行空間內(nèi)插得到延河流域土壤養(yǎng)分空間分布趨勢圖；利用SPSS軟件對土壤養(yǎng)分與地形因子進(jìn)行相關(guān)性分析等操作。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分總體統(tǒng)計特征

將處理異常值后的延河流域土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行基本特征統(tǒng)計，結(jié)果見表1。土壤全氮含量在0.27～0.77 g/kg之間，平均含量為0.52 g/kg，根據(jù)陜西省第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[16]，全氮集中分布在在第6級別(0.5～0.75 g/kg)，屬于較低含量水平；土壤速效鉀含量在50～168 mg/kg之間，平均含量為105.56 mg/kg，處于標(biāo)準(zhǔn)的第3、4和5級別(70～150 mg/kg)，屬于中等含量水平；土壤有效磷含量在4.5～13.6 mg/kg之間，平均含量為9.07 mg/kg，處于第5和6級別(5～15 mg/kg)，屬于中等含量水平；有機(jī)質(zhì)含量在4.9～12.2 g/kg之間，平均含量為8.55 g/kg，集中分布在第7級別(8～10 g/kg)，屬于較低含量水平；土壤pH 7.2～9.3，平均值為pH 8.19，集中在第4級別(pH 8.1～8.5)，整體呈弱堿性。對不同尺度區(qū)域背景值進(jìn)行對比分析，土壤養(yǎng)分平均含量與全省土壤養(yǎng)分背景值有較大差異，各指標(biāo)明顯低于全省平均含量；而在與陜北地區(qū)土壤養(yǎng)分平均含量對比中，各指標(biāo)呈基本持平，這也符合較大地域差異影響土壤養(yǎng)分含量的規(guī)律。

表1 土壤養(yǎng)分統(tǒng)計特征

各土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)大小依次為速效鉀(19.34%)＞有效磷(16.27%)＞全氮(16.09%)＞有機(jī)質(zhì)(13.98%)＞pH(2.36%)，按照變異等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)[弱變異性，變異系數(shù)(cv)＜10%；中等變異性，10%≤cv≤100%；強(qiáng)變異性，cv＞100%]，研究區(qū)各土壤養(yǎng)分除pH外在空間上都存在中等程度的變異性。土壤pH在土壤性質(zhì)中變異性較低，屬于比較穩(wěn)定的因素，不易受施肥、灌溉等人為因素影響[8]。經(jīng)過Box-Cox變換后，各養(yǎng)分指標(biāo)符合或基本符合正態(tài)分布，達(dá)到空間克里格插值的前提條件。

2.2 土壤養(yǎng)分空間變異特征

利用GS+軟件求取土壤養(yǎng)分半方差函數(shù)，以決定系數(shù)接近于1、殘差趨向于0選取理論模型，土壤全氮最優(yōu)擬合模型為球狀模型，速效鉀符合高斯模型，其他3種指標(biāo)最優(yōu)模型為指數(shù)模型，半方差函數(shù)決定系數(shù)均大于0.6，表明半方差函數(shù)擬合精度較高（表2、圖2）。在變程范圍內(nèi)，距離越近的點相關(guān)性越大，而距離大于變程則不具備相關(guān)性，pH的變程相對其他土壤養(yǎng)分較小，在空間上表現(xiàn)的更離散，實地分布更加破碎。所有指標(biāo)塊金值均大于0，表示養(yǎng)分指標(biāo)存在人為等隨機(jī)性變異；均不同程度的具有一定的基臺值，說明存在實驗誤差和短距離變異，土壤有效磷的基臺值最大，表明空間總變異最大；塊金與基臺兩者的比值為塊金系數(shù)，比例大小被稱為塊金效應(yīng)，表示變量的空間相關(guān)性程度，塊金系數(shù)小于25%表明空間相關(guān)性強(qiáng)，塊金系數(shù)在25%～75%之間表明空間相關(guān)性中等，塊金系數(shù)大于75%表明空間相關(guān)性非常弱[18]。氣候、地形、土壤類型等結(jié)構(gòu)性自然因素會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分空間相關(guān)性增強(qiáng)，而施肥、種植制度、耕作措施等人為隨機(jī)性因素會致使其空間相關(guān)性減弱。延河流域土壤速效鉀和pH塊金系數(shù)小于25%，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，說明受到隨機(jī)因素的影響較??；土壤全氮、有效磷、有機(jī)質(zhì)塊金系數(shù)均位于中等空間相關(guān)性區(qū)間內(nèi)，說明同時受到結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)因素共同影響；有效磷塊金系數(shù)最大，為50%，表明其受到人類活動影響更大。

圖2 土壤養(yǎng)分最優(yōu)半方差函數(shù)圖

表2 土壤養(yǎng)分最優(yōu)半方差擬合模型及相關(guān)參數(shù)

2.3 土壤養(yǎng)分空間分布特征

基于Kriging插值獲得研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量分布圖（圖3）。插值結(jié)果對采樣點進(jìn)行了一定的延展，通過分級仍可表現(xiàn)出養(yǎng)分的空間分布差異和規(guī)律。延河流域全氮與有機(jī)質(zhì)分布規(guī)律較為相似，低值位于西北部海拔較高處和東南部海拔較低處，高值位于流域中部寶塔區(qū)附近，呈現(xiàn)出由西北向東南先遞增后遞減的規(guī)律。這與延河流域泥沙量存在明顯地區(qū)差異相關(guān)，從上游到中游含沙量和輸沙模數(shù)是逐漸減少的，從中游到下游逐漸增多，延河上、下游水土流失嚴(yán)重，中游相對較輕，有機(jī)質(zhì)和全氮在中游含量相對較高。速效鉀與全氮、有機(jī)質(zhì)分布規(guī)律不同，低值分布在西北高海拔地區(qū)，高值分布在東南部延長縣附近，呈現(xiàn)由西北向東南波浪形遞減的分布格局。有效磷除少量高值位于西北部靖邊縣附近，整體分布趨勢表現(xiàn)為由中游寶塔區(qū)向兩端減少。土壤pH沿某一方向變化的趨勢不強(qiáng)，各個級別呈塊狀分布。

圖3 土壤養(yǎng)分含量空間分布

2.4 土壤養(yǎng)分與地形因子的關(guān)系

地形條件通過水熱條件和成土物質(zhì)再分配，造成土壤養(yǎng)分空間差異[19]。通過ArcGIS地統(tǒng)計模塊，計算耕地地形因子和土壤養(yǎng)分平均值，利用SPSS軟件計算其相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表3，各土壤養(yǎng)分指標(biāo)與地形因子之間均存在不同程度的相關(guān)。其中，全氮、速效鉀、有效磷與所有地形因子均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，全氮與高程、地形起伏度、坡向達(dá)到極顯著水平；速效鉀除坡向外，與其他地形因子均達(dá)到極顯著相關(guān)；有效磷與高程、坡度呈極顯著負(fù)相關(guān)；有機(jī)質(zhì)與高程、地形起伏度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與坡向呈極顯著正相關(guān)；pH除與高程呈極顯著正相關(guān)，與其他地形因子無顯著相關(guān)關(guān)系，說明選取的地形因子對土壤pH變化解釋能力不強(qiáng)。

表3 土壤養(yǎng)分與地形因子的相關(guān)性分析

對研究區(qū)各地形因子進(jìn)行分級，分別統(tǒng)計不同地形因子條件下土壤養(yǎng)分分布特征，結(jié)果見表4。海拔變化會引起溫度、濕度變化，從而影響土壤中營養(yǎng)元素的積累、遷移和分解，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分有所差異[20-21]。研究區(qū)耕地大部分位于海拔1000～1400 m之間，占耕地總面積的78.07%。隨著海拔的升高，全氮、速效鉀、有效磷、有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)降低趨勢，全氮、有機(jī)質(zhì)在1200～1400 m海拔范圍內(nèi)變化幅度較大，速效鉀在1000～1200 m變化幅度較大，有效磷在1400～1600 m變化幅度較大；土壤pH呈升高趨勢，但變化幅度較大。坡度表示了該局部地表坡面的傾斜程度，坡度的大小直接影響地表物質(zhì)流動與能量轉(zhuǎn)換的強(qiáng)度與規(guī)模[22]，坡度變化越大，養(yǎng)分越不容易積累。研究區(qū)耕地坡度主要分布在6～25°，占地總面積的96.90%。隨著坡度的增加，速效鉀、有效磷呈減小趨勢；全氮、有機(jī)質(zhì)在不同地形因子級別下變化不大，在6～25°分布較離散。土壤養(yǎng)分空間分布具有海拔梯度性[23]，地形起伏度是描述區(qū)域地形特征的宏觀指標(biāo)，尤其是對于丘陵溝壑區(qū)等切割性較強(qiáng)的地區(qū)，地形起伏度變化越大，地形地貌越復(fù)雜多樣[24]。研究區(qū)地形起伏度主要分布在70～150 m，占總面積的91.85%，其中110～150 m所占比例為64.50%。地形起伏度小于30 m區(qū)域內(nèi)，耕地土壤養(yǎng)分含量高且分布集中；隨著地形起伏度升高，全氮、速效鉀、有效磷、有機(jī)質(zhì)呈下降趨勢，全氮變化幅度逐漸增加。坡向是決定地表面局部地面接收陽光和重新分配太陽輻射量的重要地形因子之一，直接造成局部地區(qū)氣候特征的差異[25]，從而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分差異。將坡向劃分為平地、陰坡、半陽坡、陽坡、半陰坡，研究區(qū)各坡向面積相差不大，分布較為均衡。各方位的地面光熱資源分配及地表徑流也表現(xiàn)較為均衡，除平地外不同坡向土壤養(yǎng)分變化規(guī)律不明顯，變化幅度也基本相當(dāng)，平地上各營養(yǎng)指標(biāo)變化幅度低于有坡向地區(qū)。地形因子對土壤養(yǎng)分的影響與土壤養(yǎng)分空間分布格局基本一致。在地勢較低且平坦的區(qū)域內(nèi)，溫度濕度較高，土壤養(yǎng)分較為充足；在高海拔、地形起伏較大區(qū)域土壤貧瘠，養(yǎng)分含量低。

表4 不同地形因子分級下土壤養(yǎng)分含量分布特征統(tǒng)計

3 結(jié)論

延河流域土壤全氮、有機(jī)質(zhì)平均含量處于較低水平，土壤速效鉀、有效磷屬于中等水平，土壤pH整體呈弱堿性。各土壤養(yǎng)分空間變異大小依次為速效鉀＞有效磷＞全氮＞有機(jī)質(zhì)＞pH，除pH外在空間上都存在中等程度變異。通過構(gòu)建半方差函數(shù)得到養(yǎng)分指標(biāo)理論模型和相應(yīng)參數(shù)，模型決定系數(shù)均大于0.6，擬合精度較高。土壤pH空間分布最為破碎；所有指標(biāo)均存在人為等隨機(jī)性變異；土壤有效磷空間總變異最大；土壤速效鉀和pH塊金系數(shù)較小，主要影響因素為氣候、地形地貌、成土母質(zhì)等結(jié)構(gòu)性因素；土壤全氮、有效磷、有機(jī)質(zhì)具有中等水平的塊金效應(yīng)，受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)因素共同作用；其中有效磷塊金系數(shù)最大，受到人類活動等隨機(jī)因素影響更大。

土壤全氮與有機(jī)質(zhì)空間分布為西北和東南低，中部高，整體呈現(xiàn)由西北向東南先遞增后遞減的分布規(guī)律，與高程、地形起伏度呈極顯著負(fù)相關(guān)；速效鉀含量西北低，東南高，呈現(xiàn)由西北向東南波浪形遞減的分布格局，與高程、坡度、地形起伏度呈極顯著負(fù)相關(guān)；有效磷整體分布趨勢表現(xiàn)為由中游向上下游降低，與高程、坡度呈極顯著負(fù)相關(guān)；土壤pH沿某一方向變化的趨勢不強(qiáng)，除與高程呈極顯著正相關(guān)外，與其他地形因子無顯著相關(guān)關(guān)系。對研究區(qū)地形因子進(jìn)行分級，分析不同高程、坡度、地形起伏度、坡向下土壤養(yǎng)分差異，結(jié)果表明土壤養(yǎng)分變異情況與地形因子的相關(guān)性計算結(jié)果相一致，地形因子對土壤養(yǎng)分的影響與土壤養(yǎng)分空間分布格局基本一致。在地勢較低且平坦的區(qū)域內(nèi)，更有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，土壤養(yǎng)分較為充足；在高海拔、地形起伏較大區(qū)域養(yǎng)分含量相對較低。

4 討論

地形條件影響土壤和環(huán)境間物質(zhì)能量交換，是造成土壤養(yǎng)分空間變異的主要因素之一[26]。海拔除了影響溫、光、水、熱條件，還與土層厚度及成土母質(zhì)相關(guān)，土壤養(yǎng)分隨著海拔的升高均呈降低趨勢。坡度和地形起伏度越大，實地地勢越陡峭，養(yǎng)分流失更嚴(yán)重；而地勢平緩的地區(qū)易于保水保肥，土壤養(yǎng)分更豐富。光照在一定程度上影響?zhàn)B分的分解速率，所以坡向也會導(dǎo)致養(yǎng)分差異。延河流域上、下游水土流失與中游相比更加嚴(yán)重，除了暴雨因素外，與上游坡大溝深的丘陵溝壑地形，土壤抗蝕力差；下游農(nóng)業(yè)行動頻繁，又缺乏植被保護(hù)也有一定關(guān)系。而中游植被較好，特別是延安以南地區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)、植樹造林等因素影響，中游水土流失低于上、下游。全氮與有機(jī)質(zhì)空間結(jié)構(gòu)較為相似，氮素容易流失淋溶[27]，在上中下游表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間變異性。在東南海拔較低區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用鉀肥較多，植物吸收量低或鉀肥隨徑流流向下游造成速效鉀含量較高。植物對磷肥吸收利用較差，中下游有效磷隨泥沙流失造成含量降低，而中游含量較高。

土壤養(yǎng)分空間變異是普遍存在的，主要由自然因素和人為因素引發(fā)。前人研究表明，土壤養(yǎng)分空間變異主要取決于氣候、地形、土壤類型等結(jié)構(gòu)性自然因素，此外施肥、種植制度、耕作措施等人為隨機(jī)性因素也會對土壤養(yǎng)分空間變異產(chǎn)生較大影響。本文僅對土壤空間變異特征及地形因素的影響進(jìn)行了分析，在今后的研究中仍需對于土壤類型等自然因素、土壤養(yǎng)分間相互影響以及人為因素在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的影響進(jìn)行深入研究，以期為地區(qū)土壤養(yǎng)分管理、合理配方施肥提供依據(jù)。