丹江水源區(qū)小流域土壤有效鐵空間分布特征

楊媛媛， 李占斌,2， 宋曉強， 徐國策， 王添， 唐潤芒， 成玉婷

(1.西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048；2.中國科學院水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；3.陜西省水土保持局，陜西 西安 710004)

丹江水源區(qū)小流域土壤有效鐵空間分布特征

楊媛媛1， 李占斌1,2， 宋曉強3， 徐國策1， 王添1， 唐潤芒3， 成玉婷1

(1.西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048；2.中國科學院水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；3.陜西省水土保持局，陜西 西安 710004)

土壤有效鐵含量對生態(tài)環(huán)境和農作物生長有重要影響，本研究對鸚鵡溝小流域土壤有效鐵含量的空間分布特征進行分析，以期為該流域養(yǎng)分資源管理提供參考。通過網格法和分層法對0～10cm、10～20cm、20～40cm三個土層分別采樣，并借助傳統統計學和地統計學的方法，對鸚鵡溝小流域農地、林地和草地三種土地利用類型土壤有效鐵含量的空間分布特征進行了研究。結果表明：①在0～40cm土層范圍內，土壤有效鐵含量隨土層深度先減少后增加，且土壤有效鐵含量均值表現為林地>農地>草地；②0～10cm、10～20cm和20～40cm土層有效鐵含量變化的最優(yōu)模型分別為球狀模型、指數模型和線性模型，均具有中等空間相關性；③3個土層土壤有效鐵含量與海拔呈現出極顯著相關性(p<0.01)或顯著相關性(p<0.05)；④研究區(qū)不同土地利用下0～40cm每平方米有效鐵含量為林地>農地>草地。

丹江； 土壤有效鐵 ； 土地利用； Kriging插值

鐵是植物體內多種氧化還原酶的重要組分和合成葉綠素所必需的微量元素。同時，一定量的鐵能夠增強植株抗病性[1]。另外，酸性土壤中過量積累有效鐵可使植物受到鐵脅迫而影響生長[2]。土壤是植物所需有效鐵的主要供給源，一定條件下土壤有效鐵含量反映其鐵元素供給水平。土壤有效鐵含量分布受農耕活動、土壤性質、成土過程等影響，易造成空間分布不均，導致區(qū)域有效鐵含量缺乏或過量，影響植物生長，因此研究土壤有效鐵含量及其空間變異性對評價土壤生態(tài)環(huán)境和農作物生長非常必要。目前，對于土壤微量元素的研究多偏于全量分析[3-4]，對有效態(tài)含量的研究相對較少。根據余存祖[5]的研究，黃土高原地區(qū)土壤全量微量元素的高低不能反映作物的生長狀況，故對土壤微量元素有效態(tài)的研究更有意義。近年來，國內外學者對土壤有效鐵分布的研究主要集中于不同土地利用方式[6-8]、不同利用強度[9]和不同土壤性質[10-12]等方面，而結合地形因子對小流域土壤有效鐵的空間分布特征鮮有研究。為此，本研究通過網格法和分層法對0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm三個土層分別采樣，對鸚鵡溝小流域農地、林地和草地三種土地利用類型土壤有效鐵的空間分布特征進行了研究，以期為流域養(yǎng)分資源管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鸚鵡溝小流域位于陜西省商洛市商南縣城的城關鎮(zhèn)五里鋪村(E110°52′16″～110°55′30″、N33°29′55″～33°33′50″)。流域面積1.86 km2，主溝長3 232.9 m，最大主溝道比降0.01 m/m，坡面比降0.33 m/m，屬多邊形水系。流域以低山丘陵地貌為主，溝谷開闊，海拔464～600 m。年均降水量803.2 mm，約50%降水量集中在7～9月，且多為暴雨。

流域土壤以黃棕壤為主，有機質、微量元素缺乏，土壤多呈微酸性，pH值5.0～6.5。坡面有效土層厚20～70cm。土地覆蓋類型主要是農地、林地和草地。農地主要種植小麥、花生和玉米；林地主要為松樹和櫟樹；草地主要為禾本科。林地和草地覆蓋率達60%以上[13]。

1.2 土壤樣品采集

2011年12月，在研究區(qū)進行實地勘察，并結合實際地形與土地利用方式進行土樣采集，采樣網格按100 m×100 m分布整個流域，用GPS定位采樣點，共185個(圖1)。每個采樣點按0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm垂直采樣后分裝帶回實驗室分析。土樣經自然風干、研磨和過篩后備用。后文中用A1、A2、A3分別表示0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm層土壤。

1.3 測試與分析

稱取25.0 g土樣放入180 ml塑料瓶中，加入50.00 ml的DTPA(二乙基三胺五乙酸)浸提液，在25℃條件下用震蕩機震蕩2 h，經過濾得到浸出液。土壤有效鐵含量采用原子吸收分光光度計測定。采用統計學分析軟件SPSS16.0對數據進行描述性分析，運用空間分析軟件ArcGIS(9.3)進行空間分析，用自動擬合能力很強的GS+(7.0)做半方差函數計算。

2 結果與分析

2.1 土壤有效鐵剖面統計特征

為說明鸚鵡溝小流域土壤有效鐵含量分布的剖面統計特征，將相關參數列于表1。

表1顯示，土壤剖面有效鐵含量整體A1>A3>A2，即在0～40cm剖面內，隨土層深度的增加，土壤有效鐵含量先減少后增大，但A2和A3層的含量變化相對不大。A1層土壤有效鐵含量最高，是因為表層大量枯落物及根系分泌物對土壤中有機質有較大補給[7-8]，有機質可提高微量元素的有效性[8]；A2層根系較多，土壤中有效鐵被大量消耗而使其含量降低；A3層根系數量減少，土壤有效鐵消耗量隨之減少，另外，土壤有效鐵被降雨淋溶及該土層深度含有鐵膠膜，使土壤呈微酸性，有利于有效鐵的析出，故在A3層土壤有效鐵含量較高。不同土層有效鐵含量極差均較大，表現為A1>A3>A2，因為A1層受耕作措施、種植制度、施肥等人為農業(yè)活動干擾最大。

據Nielson 和 Bouma (1985)分類系統：CV≤10%、10%0.05)。由表1可知，經SPSS中正態(tài)分布檢驗的K-S (P)檢驗，只有A1層P=0.098>0.05，滿足正態(tài)分布。為了獲得更好的空間插值效果，同時對A1、A2和A3三個土層采樣點數據進行對數轉化，經K-S (P>0.05)檢驗，均滿足正態(tài)分布(圖2)，滿足空間分析插值的要求。

2.2 土壤有效鐵的空間特征分析

運用GS+對三個土層的土壤有效鐵含量做半方差函數模擬，得出各自的半方差模型及參數值，結果見圖3和表2。

表2 不同采樣深度下土壤有效鐵的地統計學參數

Tab.2 Geostatistical parameters at different sampling depth of soil available iron

最優(yōu)模型是擬合度(R2)最高且殘差平方和(RSS)最小的模型[13]。模擬得出A1、A2、A3層土壤有效鐵含量的最優(yōu)模型分別為球狀模型、指數模型、線性模型，模型的擬合精度分別為0.96、0.78和0.75，故土壤有效鐵含量的空間結構可以得到很好地反映。

變程是指區(qū)域化變量影響范圍的大小。三個土層有效鐵含量的變程均大于本次采樣間距(100 m)，滿足空間分析的要求。塊金值是指由隨機因素引起的空間異質性，基臺值表示系統內總的變異性。塊金系數是塊金值與基臺值的百分比，代表了系統變量空間相關性的程度[13]。百分比>75%、25%～75%和<25%，分別說明系統空間相關性弱、中等和強烈，因此三個土層均具有中等空間相關性。

為直觀反映土壤有效鐵含量的空間分布情況，對三個土層深度有效鐵含量分別進行Kriging插值，繪制出土壤有效鐵含量空間分布(圖4)。

從圖4可看出，土壤有效鐵含量A1層最高，變幅最大，A2層明顯小于A1層，A3層介于A2與A1層之間，這與表1的結論相符。總體來說，土壤有效鐵含量林地最高；流域左岸和坡腳部位也較高，因多為農地，土地肥沃。

2.3 不同土地利用下土壤有效鐵含量分布特征

為表明不同土地利用類型下土壤有效鐵含量的統計特征，將相關參數列于表3。

表3顯示，農地、林地和草地有效鐵含量均值分別為6.53 mg/kg、8.49 mg/kg和5.44mg/kg。按全國農業(yè)系統土壤有效態(tài)微量元素豐缺指標[15]，3種土地利用方式下土壤有效鐵含量均高于臨界值(4.5mg/kg)，土壤有效鐵含量屬中等水平(4.5～10mg/kg)。根據中國土壤數據庫可知，該區(qū)域黃棕壤45cm左右土層中含有鐵膠膜，使土壤呈微酸性，更有利于有效鐵在土壤中溶出，故土壤有效鐵含量稍高，屬于中等水平。

從表3可以看出，有效鐵含量均值為林地>農地>草地。由于草地處于植被發(fā)展演變的早期，立地條件差，有機質含量低，而土壤有效鐵含量與有機質含量呈極顯著正相關[16]，故土壤有效鐵含量低；農地多處于土壤肥沃地區(qū)，有機質含量偏高，故土壤有效鐵含量稍偏高；林地的大量動植物殘體和根系分泌物促進了有效鐵的形成[7-8]，故土壤有效鐵含量相對農地和草地都高。極差為林地>草地>農地，林地多分布在高海拔地區(qū)且地形變化較大，降雨作用導致高海拔地區(qū)粘粒向低海拔處沉積，而土壤有效鐵與粘粒含量呈極顯著正相關[16]，故低海拔處有效鐵含量多，所以林地有效鐵含量變化大。3種立地類型有效鐵含量變異均屬中等變異，說明有效鐵含量的分布離散程度較大。

2.4 不同土層有效鐵含量與地形因子相關性分析

坡度、坡向和海拔對土壤有效鐵含量均有不同程度地影響。從表4可看出，0～10cm、20～40cm土層均與海拔呈極顯著負相關(p<0.01)，10～20cm土層與海拔呈顯著負相關(p<0.05)；各土層與坡向、坡度均未表現出較好的相關性。這是因為人類對土地的開墾、種植模式的改變削弱了坡度和坡向的影響[11]。隨海拔升高，氣溫降低，動植物代謝減弱，對有機質的分解減弱，從而腐殖質減少[7-8]，土壤酸性減弱，故有效鐵含量隨之減少。

注：*表示顯著相關，p<0.05；**表示極顯著相關，p<0.01

2.5 土壤有效鐵含量估算

圖5為鸚鵡溝流域0～40 cm土層有效鐵含量分布圖。由圖5可看出，鸚鵡溝流域土壤有效鐵含量空間分布呈近似條帶狀分布；同時可看出，土壤有效鐵含量的空間分布與地形和土地利用緊密相關，左岸坡腳林地處和河道兩岸地勢相對平緩處有效鐵含量高。

表5為鸚鵡溝流域不同土地各土層有效鐵含量。如表5所示，鸚鵡溝流域不同土地利用下0～40 cm土層有效鐵含量為林地(23.94g/m2)>農地(20.62g/m2)>草地(19.41 g/m2)，這是因為林地大量動植物殘體和根系分泌物促進了有效鐵的形成[7-8]。農地、林地和草地0～40 cm土層有效鐵儲量分別為23.00 t、12.41 t和3.24 t，總儲量38.65 t。農地儲量大于林地儲量，是因為農地面積大。0～10 cm和10～20 cm土層每平方米有效鐵含量為林地>農地>草地，而20～40 cm土層每平方米有效鐵含量則表現為林地>草地>農地。3種土地每平方米有效鐵含量均屬中等變異，總體表現為草地>農地>林地。草地多處于植被發(fā)展演變的早期階段，立地條件差異較大，故每平方米土壤有效鐵含量相對農地和林地變異性更大；農地受人為影響較多，致使土壤有效鐵含量差異相對較大。相對來說，農地與人們的生活生產更加緊密，所以更要注重農地土壤養(yǎng)分的保護。

3 結 論

1) 在0～40 cm剖面內，隨著土層加深，有效鐵含量先減再增，0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層均值分別10.82 mg/kg、5.06 mg/kg和5.95 mg/kg；20～40 cm土層有效鐵含量變異最大。

2) 不同土層有效鐵含量呈近似帶狀分布，有效鐵含量林地最高，流域左岸和坡腳部位較高。

3) 農地、林地和草地有效鐵含量均值分別為6.53 mg/kg、8.49 mg/kg和5.44 mg/kg，均高于臨界值(4.5 mg/kg)，屬中等水平；對應變異系數分別為53%、44%和68%，均屬中等變異。

4) 0～10 cm和20～40 cm土層有效鐵含量與海拔呈極顯著負相關，10～20 cm土層有效鐵含量與海拔呈顯著負相關。

5) 0～40 cm土層有效鐵含量林地(23.94 g/m2)>農地(20.62 g/m2)>草地(19.41 g/m2)；0～40 cm土層，農地、林地和草地有效鐵儲量分別為23.00 t、12.41 t和3.24 t。

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(責任編輯 周蓓)

Spatial distribution of soil available iron in a small watershed of Danjiang River water resource district

YANG Yuanyuan1， LI Zhanbin1,2， SONG Xiaoqiang3， XU Guoce1，WANG Tian1， TANG Runmang3， CHENG Yuting1

(1.State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area，Xi’an University of Technology，Xi’ an 710048，China； 2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dry-land Farming on the Loess Plateau，Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，Yangling 712100，China；3.Shaanxi Bureau of Soil and Water Conservation，Xi’ an 710004，China)

The content of soil available iron has an important impact on the ecological environment and crop growth, and this study aims to analysis the spatial distribution characteristics of the content of soil available iron in order to provide a reference for the basin nutrient resource management. The grid method and hierarchical method are used to take samples in three soil layers of 0～10 cm, 10～20 cm, and 20～40 cm in depths respectively. The traditional statistical and geostatistical methods are adopted to study the spatial distribution behaviors of soil available iron contents in farmland, woodland and grassland of three types of land use in Yingwugou small watershed. The results indicate: ①In the rang of 0～40cm soil layer, the soil available iron content is first to decrease and then to increase with an increase in soil depth, and the average of soil available iron content shows as woodland> farmland> grassland in three different types of land use. ②The best fitted models of 0～10 cm, 10～20 cm and 20～40 cm layer soil available iron change are spherical model, exponential model and linear model, and all have medium spatial correlation. ③There is a highly significant correlation (p<0.01) or significant correlation (p<0.05) between the soil available iron content and elevation in three soil layers. ④In the study area, the soil available iron content of 0～40cm per square meter of different land use shows as woodland> farmland> grassland.

Danjiang River； soil available iron； land use； Kriging interpolation

1006-4710(2015)02-0201-06

2015-01-10

國家自然科學基金重點資助項目(41330858)；國家自然科學基金資助項目(41271290，41401316，41471226)；國家科技支撐計劃課題資助項目(2011BAD31B01)；陜西省自然科學基礎研究計劃資助項目(2014JQ5175)。

楊媛媛，女，碩士生，研究方向為水文水資源及農業(yè)水利方面的研究。E-mail:yangyuanyuan_a@163.com。

徐國策，男，博士，講師，研究方向為水土流失與非點源污染模擬與調控方面的研究。E-mail: xuguoce_x@163.com。

S718.56

A