基于不同人為干擾的土壤全量氮磷鉀空間變異性研究

劉靖朝，熊黑鋼，何旦旦，喬娟峰，鄭曼迪

(1．新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046;2．北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院城市系，北京 100083)

土壤的空間異質(zhì)性是受氣候、母質(zhì)、地形、生物以及時間等成土因素的影響，而隨空間位置發(fā)生變化[1]。作為一種區(qū)域化變量，土壤同時具有地質(zhì)結(jié)構(gòu)特性和統(tǒng)計學(xué)的隨機特性[2]。地統(tǒng)計學(xué)是研究土壤屬性空間變異定量化的有效方法[3],并在土壤學(xué)科領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[4-5]。利用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)可將區(qū)域內(nèi)的樣點屬性數(shù)據(jù)與地理數(shù)據(jù)結(jié)合起來，更好地分析研究對象的分布格局與變異規(guī)律[6]。

土壤全氮(TN)、全磷(TP)和全鉀(TK)是土壤肥力的重要組成部分，其空間變異在一定程度上可以反映養(yǎng)分的狀態(tài)，可為土壤養(yǎng)分管理、生態(tài)環(huán)境保護和治理提供依據(jù)[7]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對土壤養(yǎng)分的空間變異研究逐漸增多。探討了不同土地利用方式下的土壤空間異質(zhì)性及其影響因素[8-9]；研究不同尺度土壤屬性的變異性，如田間、縣域尺度、區(qū)域尺度和單種復(fù)合類型[10-12]；也從生態(tài)化學(xué)角度，分析了碳、氮、磷特征空間變異的影響因子以及人類干擾對土壤的影響[13-14]。

干擾是自然界中最常見的一種現(xiàn)象。人類活動的方式、強度以及作用時間都會對土壤性質(zhì)產(chǎn)生重要影響，也是土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變的重要原因[15]。目前，對比不同干擾下土壤養(yǎng)分空間變異特征研究的文章較少。因此，本文以無人為干擾區(qū)25個樣本，人為干擾區(qū)30個樣本為例，以傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)、地統(tǒng)計學(xué)和GIS相結(jié)合的方法，定量研究在不同人為干擾下，0～10 cm土壤養(yǎng)分的空間分布特征，探討人類活動對土壤養(yǎng)分空間分布的影響，為不同干擾下土壤養(yǎng)分有效利用與管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處天山北麓與準(zhǔn)噶爾盆地南緣間(87°44′-88°46′E，43°29′-45°45′N)，位于三工河流域山?jīng)_洪積扇下部細土平原區(qū)。侏羅系中下統(tǒng)三工河組階段，湖面面積擴大，碎屑物顆粒表現(xiàn)出以粗粒碎屑流為特征的河湖相沉積模式，主要以粗砂、礫巖、含礫粗砂等沉積為主[16]。流域下游土壤類型以灰漠土為主，成土母質(zhì)為第三紀(jì)紅泥頁巖，荒漠區(qū)土壤以風(fēng)沙土為主，成土母質(zhì)為風(fēng)積沙[17]。該地區(qū)冬季時間長，春秋季節(jié)不明顯，夏季炎熱，晝夜溫差大，屬中溫帶大陸性干旱氣候。年均氣溫6.7℃，最高氣溫42.6℃，最低氣溫-41.6℃。降水稀少且空間分布不均勻，年均降雨量164 mm，年均蒸發(fā)潛力2 000 mm左右，冬季積雪3～29 cm。植被以梭梭、紅柳、雜草以及人工梭梭林、榆樹林等為主。pH值為7.76～8.98。

在研究區(qū)內(nèi)布設(shè)A、B 2個采樣區(qū)。其中，A區(qū)遠離人類活動區(qū)，且與人類活動區(qū)間以上寬24 m，下寬6 m，長為15.30 km的水渠相隔，較少受到人類活動的影響，生態(tài)環(huán)境基本保持原貌，植被以梭梭林、紅柳和雜草為主，將其視為無人為干擾區(qū)。B區(qū)離新疆建設(shè)兵團102團較近，受人類活動影響強烈，近兩年區(qū)內(nèi)土地大部分被開發(fā)成人工育林地，主要包括梭梭林地、榆樹林地、育苗地等。其中梭梭林地表被開挖成上寬60 cm，下寬30 cm，深約50 cm的溝渠，溝渠間以3 m為間隔；榆樹育林地則被挖出寬1 m，深0.5 m，間隔2 m的溝，溝間種植榆樹；育苗地則被修整為“田”字格的平地。將該區(qū)視為人為干擾區(qū)。由于是普通林地，故不施用肥料。采樣前一個多月未進行人工灌溉，且無自然降水。

2 研究方法

2.1 樣品的采集

2014年7月中旬，在2個采樣區(qū)分別布設(shè)覆蓋整個區(qū)域的采樣線，其中無人為干擾區(qū)內(nèi)(A區(qū))布設(shè)5條采樣線，采樣線間距為600～800 m；人為干擾區(qū)內(nèi)(B區(qū))布設(shè)采樣線6條，采樣線間距為800～1 000 m。在每條采樣線上選擇5個能代表該區(qū)域土壤背景的采樣點，樣點間距為300～500 m，并對每個樣點進行GPS定位，共獲得樣點55個(圖1)。采集每個樣點0～10 cm的土壤樣品，將其編號入袋，帶回實驗室，經(jīng)自然風(fēng)干、剔除雜質(zhì)，過1 mm孔徑篩后，送至中科院新疆生態(tài)與地理研究所由專業(yè)人員測定土壤養(yǎng)分。在每個采樣點，選擇一塊具有對周邊環(huán)境有代表性的10 m×10 m樣方，統(tǒng)計樣方內(nèi)植被類型、株數(shù)及其覆蓋幅度。

圖1 采樣點分布Fig.1 Sampling points distribution map

2.2 研究方法

地統(tǒng)計學(xué)是一種以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以半方差函數(shù)為主要工具，揭示屬性變量在空間上的分布、變異和相關(guān)特征的空間分析方法[18]。半方差函數(shù)是用來描述區(qū)域化變量結(jié)構(gòu)性和隨機性并存的空間理論特征。作為半方差函數(shù)的重要參數(shù)，塊金值、基臺值和變程用來表達區(qū)域化變量在一定尺度上的空間變異和相關(guān)程度。變異函數(shù)理論模型的最優(yōu)選擇可綜合考慮塊金值和有效變程，用決定系數(shù)(R2)和殘差平方和(RSS)決定。R2越大，模型擬合的曲線精度越高，RSS值越小，表明實測值與回歸線越靠近，曲線擬合效果越好[9]。

Kriging插值方法，又稱空間局部估計或空間局部插值法，是建立在變異函數(shù)理論及其結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上的，在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量的取值進行無偏最優(yōu)估計的一種方法。選用C-V交叉檢驗法[19]對插值結(jié)果進行驗證，利用均值誤差(ME)、均方根誤差(RMSE)、平均標(biāo)準(zhǔn)差(ASE)和標(biāo)準(zhǔn)化均方根預(yù)測誤差(SRMSE)對結(jié)果進行評價。均值誤差越接近于0，說明預(yù)測值越是無偏的；平均標(biāo)準(zhǔn)差越接近于均方根誤差越好；均方根誤差越小，說明預(yù)測值與實測值偏差越小；標(biāo)準(zhǔn)化均方根預(yù)測誤差越接近于1越好。

2.3 數(shù)據(jù)處理

特異值會使連續(xù)表面離散、半方差函數(shù)發(fā)生畸變[4]。采用閾值法處理特異值，并用平均值代替。之后對數(shù)據(jù)進行Kolmogorov-Smirinov 正態(tài)分布檢驗。采用SPSS 21.0軟件計算數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計特征；GS+9.0擬合半方差函數(shù)；使用ArcGIS 10.2軟件實現(xiàn)土壤養(yǎng)分Kriging空間插值分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計分析

由全量氮磷鉀描述性統(tǒng)計特征(表1)及全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)(表2)分析可知，兩區(qū)土壤表層全氮含量介于0.197～0.747 g·kg-1之間，屬低、很低水平。無人為干擾區(qū)全磷含量較人為干擾區(qū)高，屬于很高、極高水平(>0.8 g·kg-1)，人為干擾區(qū)為高、很高、極高水平(>0.6 g·kg-1)。全鉀在無人為干擾區(qū)屬中、高、很高水平(10～25 g·kg-1)，而在人為干擾區(qū)屬中、高水平(10～20 g·kg-1)。偏度系數(shù)、峰度系數(shù)分別測度數(shù)據(jù)分布的不對稱性和集中程度。從偏度系數(shù)來看，除兩區(qū)全磷和人為干擾區(qū)全鉀數(shù)據(jù)分布為負偏態(tài)外，其余數(shù)據(jù)均為正偏態(tài)分布。峰度系數(shù)表明，無人為干擾區(qū)全氮和人為干擾區(qū)全鉀數(shù)據(jù)分布的集中程度高于正態(tài)分布，而其余指標(biāo)的分布則低于正態(tài)分布。從變異系數(shù)來看，無人為干擾區(qū)全磷和人為干擾區(qū)全鉀，變異系數(shù)分別為0.079和0.097，屬弱變異性(CV<0.1)，其余指標(biāo)均為中等變異性(0.1

相較于無人為干擾區(qū)，由于人類活動的影響，人為干擾區(qū)土壤全量氮磷鉀含量降低(表1)，全氮和全磷數(shù)據(jù)間的差異性增大，全氮和全鉀數(shù)據(jù)的分布狀態(tài)也發(fā)生了變化。造成這種狀況的原因無疑是，在人為干擾區(qū)，土地多被開發(fā)成育林地和育苗地，原有植被的枯枝落葉及其根系等被移除，有機物來源減少，土壤生土層上翻，透氣性變好，養(yǎng)分轉(zhuǎn)化速度加快，加之人工梭梭林、人工榆樹林等消耗了一定量的土壤養(yǎng)分，且在人工管理過程中未施加任何肥料，使得土壤養(yǎng)分含量降低。在人為干擾區(qū)，由于人類對土地的開發(fā)程度、利用方式不同，造成樣本數(shù)據(jù)間差異較大；而無人干擾區(qū)基本保持原貌，樣本數(shù)據(jù)空間變異較小，土壤養(yǎng)分含量的不同取決于周圍環(huán)境、植被類型及其覆蓋度等。

表1 無人為干擾區(qū)(A)和人為干擾區(qū)(B)土壤全量氮磷鉀含量描述性統(tǒng)計特征

注 Note：TN-全氮 total nitrogen, TP-全磷 total phosphorus,TK-全鉀 total potassium, 下同 the same below.

3.2 土壤養(yǎng)分空間變異及結(jié)構(gòu)特征

3.2.1 土壤養(yǎng)分趨勢面特征 對土壤養(yǎng)分進行半方差分析及Kriging插值時，先分離趨勢面。圖2中每根豎棒代表一個樣點的屬性值，將其投影到EW-SN正交平面，由投影點做出最佳擬合線，模擬特定方向上存在的趨勢，如果擬合線平直，說明無全局趨勢。從東西方向來看，兩區(qū)全鉀均呈現(xiàn)平滑下降的趨勢，且無人為干擾區(qū)下降更快；人為干擾區(qū)全磷和全鉀表現(xiàn)出凹形特征，具有二階趨勢；無人為干擾區(qū)全磷呈逐漸上升的趨勢。從南北方向來看，人為干擾區(qū)全氮和全磷表現(xiàn)出南北高，中間低的凹形特點，具有明顯的二階趨勢；無人為干擾區(qū)全量氮磷鉀和人為干擾區(qū)全鉀均表現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，其中，全鉀變化最明顯。

3.2.2 半方差函數(shù) 半方差函數(shù)有3個重要的參數(shù)，即塊金值、基臺值和變程，用來表達區(qū)域化變量在一定尺度上的空間變異和相關(guān)程度。對兩區(qū)土壤全量氮磷鉀進行半方差函數(shù)擬合，并確定最優(yōu)理論模型，結(jié)果見表3。

表2 全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[20]/(g·kg-1)

注：旋轉(zhuǎn)角度：水平方向120°，垂直方向15°；綠色：東西方向，藍色：南北方向Note: rotation angle: horizontal 120 °, vertical 15 °； green: east-west, blue: north-south圖2 無人為干擾區(qū)(A)和人為干擾區(qū)(B)土壤全量氮磷鉀分布趨勢Fig.2 Trend of soil total N, P, and K in two types of study areas

區(qū)域Area項目Item樣本Sample塊金值Nugget Co基臺值(Co+C)有效變程/mEffectiverange A0塊基比/%Co/(Co+C)理論模型Theoreticalmodel決定系數(shù)Coefficient ofdeterminationR2殘差和Sum ofresidualRSSATN255.30×10-41.21×10-21812.08 4.39高斯模型 Gaussian0.692.61×10-5TP259.98×10-46.09×10-3498.0016.39球狀模型 Spherical0.906.44×10-8TK259.99×10-47.75×10-31615.0012.89高斯模型 Gaussian0.892.42×10-6BTN309.94×10-41.38×10-2758.007.20高斯模型 Gaussian0.663.42×10-5TP305.31×10-41.06×10-2829.005.01高斯模型 Gaussian0.847.01×10-6TK300.183.371543.005.34高斯模型 Gaussian0.790.52

無人為干擾區(qū)，土壤全氮和全鉀符合高斯模型，而全磷符合球狀模型；人為干擾區(qū)土壤全量氮磷鉀均符合高斯模型。兩區(qū)理論模型精度R2為0.66～0.90，且無人為干擾區(qū)全量氮磷鉀的理論模型的R2均高于人為干擾區(qū)。RSS也以無人為干擾區(qū)更小(表3)。

塊金值表示由測量誤差和空間變異引起的隨機變異，較大的塊金值表明較小尺度上的某些過程不容忽視。兩區(qū)全量氮磷鉀的塊金值均接近于0，表明由測量、實驗誤差或小于最小取樣尺度引起的隨機變異較小。

基臺值的大小可以反映變量變化幅度或系統(tǒng)的總變異程度，其值越高，表明總的空間變異程度越高。雖然不同區(qū)域土壤養(yǎng)分變量的塊金值和基臺值無可比性，但可通過塊基比來反映區(qū)域變量的空間結(jié)構(gòu)特征。塊金值與基臺值之比Co/(Co+C)表示由隨機因素引起的空間變異占系統(tǒng)總變異的比例，可用其反映變量的空間自相關(guān)程度。一般認為Co/(Co+C)<25%，變量具有強烈的空間自相關(guān)性；25%75%，變量空間自相關(guān)性很弱[21]。依據(jù)空間自相關(guān)性程度的劃分及兩區(qū)土壤全量氮磷鉀的塊基比值可知，兩區(qū)土壤全量氮磷鉀由隨機變異引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總變異的比例均小于25%，表明在研究尺度上均具有強烈的空間自相關(guān)格局，其空間變異主要是由內(nèi)在的結(jié)構(gòu)性因素引起，如氣候、母質(zhì)、地形、土壤類型等[22]。

有效變程用以表示變量的最大相關(guān)距離，其大小反映區(qū)域化變量影響范圍的大小，反映空間變異程度或空間自相關(guān)尺度。無人為干擾區(qū)有效變程波動幅度較大，其值介于498.00～1 812.08 m，其中全氮的變程最大，為1 812.08 m，表明其空間連續(xù)性較好。人為干擾區(qū)有效變程波動幅度較無人為干擾區(qū)小，有效變程在758.00 m到1 543.00 m間變化，其中全鉀變程最大，值為1 543.00 m。

3.3 土壤養(yǎng)分空間分布特征

3.3.1 Kriging插值精度驗證 對土壤全量氮磷鉀的Kriging插值后的交叉驗證結(jié)果見表4。無人為干擾區(qū)，全量氮磷鉀的均值誤差較小，趨近于0；均方根誤差除全鉀相對較大，值為1.271外，其余指標(biāo)均小于1;平均標(biāo)準(zhǔn)差亦趨近于均方根誤差;標(biāo)準(zhǔn)化均方根預(yù)測誤差趨近于1。人為干擾區(qū)，均值誤差和均方根誤差均小于1，且平均標(biāo)準(zhǔn)差趨近于均方根誤差;標(biāo)準(zhǔn)化均方根預(yù)測誤差值也在1左右?？傮w來看，兩區(qū)全量氮磷鉀插值精度較好，能用來進行空間分布預(yù)測。

3.3.2 土壤養(yǎng)分空間分布規(guī)律 運用ArcGIS 10.2中的地統(tǒng)計模塊，結(jié)合半方差函數(shù)參數(shù)以及趨勢分布圖，采用Kriging插值法，得到兩區(qū)土壤全量氮磷鉀的空間分布插值圖(圖3)。

自然狀態(tài)下，土壤中的氮主要來源于動植物殘體、生物固氮，少量來自大氣降水，磷主要來源于成土母質(zhì)和動植物殘體的歸還[23],鉀含量與土壤類型、母質(zhì)風(fēng)化程度和土壤質(zhì)地等因素有關(guān)，基本上源于土壤母質(zhì)中的含鉀礦物[24]。無人為干擾區(qū)，全氮有3個高值區(qū)，且在南北方向上有先升高后降低的趨勢，東西方向呈現(xiàn)減少趨勢；全磷分布相對均勻，無明顯的高值區(qū)和低值區(qū)，含量分布由中心向四周逐漸減少；全鉀含量空間分布有2個高值區(qū)，且以其為中心，含量分布向南北遞減。這與趨勢圖分析結(jié)果相吻合。由表5可知，全量氮磷鉀的高值區(qū)在L2-L4采樣線范圍內(nèi)，該區(qū)域植被覆蓋度在25%以上，多為梭梭、琵琶柴和紅柳等自然植被，凋落的植物殘體和根系分泌物為該區(qū)域提供大量的腐殖質(zhì)，地表腐殖質(zhì)層較其他區(qū)域厚。隨著腐殖質(zhì)的增加，土壤中的氮素、磷素逐漸積聚，致使該區(qū)域氮磷含量高。土壤有機質(zhì)(腐殖質(zhì))與粘粒組成的有機-無機膠體是交換性陽離子的基本載體，具有突出的保鉀作用[25]，因此該區(qū)全鉀含量也相對較高。

表4 無人為干擾區(qū)(A)和人為干擾區(qū)(B)插值精度交叉驗證參數(shù)

圖3 無人為干擾區(qū)(A)和人為干擾區(qū)(B)全量氮磷鉀含量空間分布Fig.3 Spatial distribution of total N, P, and K contents in two types of study areas

張希彪等[26]分析了人為干擾對人工林土壤物理性質(zhì)的影響，表明隨著干擾程度的增加，砂粒增加，粉粒和粘粒減少，土壤向粗骨化方向發(fā)展；微團聚體數(shù)量上升，土壤結(jié)構(gòu)變差；土壤容重增加，土壤變緊實。人為干擾除使土壤物理性質(zhì)發(fā)生改變外，土壤類型也發(fā)生了變化，與無人為干擾的風(fēng)沙土相比，人為干擾區(qū)土壤以母質(zhì)為第三紀(jì)紅泥頁巖的灰漠土為主。采樣線L7-L10內(nèi)，大面積土地被平整成人工育林地，人類活動對該區(qū)域土地的影響高于人為干擾區(qū)其他樣點。在土地平整過程中，自然植被被移除，有機質(zhì)來源減少，加之由于人工翻動，土壤透氣性變好，加速了有機氮的礦化過程。另外，有機質(zhì)礦化提供部分無機磷外，其分解產(chǎn)生的有機酸和螯合劑將部分固態(tài)磷釋放為可溶態(tài)[24]，這也是全磷含量降低的原因。在該區(qū)域全氮和全磷形成低值區(qū)。全鉀在L7和L8采樣線范圍內(nèi)形成2個高值區(qū)的原因可能是，該區(qū)域干擾程度高于其他樣點，除成土母質(zhì)影響外，人類對土層的翻動，破壞原有生物和物理結(jié)皮，使地表失去對土壤水分的保護能力，加之研究區(qū)位于西北干旱區(qū)，水分蒸發(fā)強烈，自然降水少，主要通過人工灌溉補充育林地植物水分需求，干濕交替可加劇巖石風(fēng)化，使鉀釋放[27]，增加了該區(qū)域土壤鉀含量。

4 結(jié) 論

1)由于人類活動的影響，人為干擾區(qū)全量氮磷鉀含量降低，全氮和全磷數(shù)據(jù)間的差異性增大，全氮和全鉀數(shù)據(jù)的分布狀態(tài)發(fā)生變化。造成這種狀況的原因可能是該區(qū)土地多被開發(fā)成育林地和育苗地，對土壤養(yǎng)分有一定的消耗，加之土壤翻動，透氣性變好，養(yǎng)分分解速度加快，但無人工肥料補充，造成土壤養(yǎng)分的含量、數(shù)據(jù)間差異及分布狀態(tài)發(fā)生變化。

2)兩區(qū)除無人為干擾區(qū)全磷符合球狀模型分布外，其余養(yǎng)分指標(biāo)均以高斯模型擬合效果好。理論模型的R2介于0.66和0.90，擬合精度較好。且均以無人為干擾區(qū)全量氮磷鉀的理論模型的R2較高，RSS較小。兩區(qū)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的空間變異主要由結(jié)構(gòu)性因素引起。

表5 無人為干擾區(qū)(A)和人為干擾區(qū)(B)采樣線植被情況

3)無人為干擾區(qū)全量氮磷鉀的高值區(qū)在植被覆蓋度25%以上的區(qū)域內(nèi)，較高的植被覆蓋度為該區(qū)提供大量的腐殖質(zhì)。伴隨著腐殖質(zhì)的增加，土壤中的氮素、磷素含量升高；全鉀含量高則與有機-無機膠體的固鉀作用有關(guān)。人為干擾區(qū)，尤其是受人為干擾程度較高的L7-L10采樣線范圍內(nèi)，土地大面積平整為人工育林、育苗地，消耗一部分土壤養(yǎng)分，且在人工翻動過程中，土壤透氣性變好，加速了土壤養(yǎng)分的分解，但由于沒有人工肥料的補充，全氮和全磷含量在該區(qū)空間分布相對減少。全鉀的2個高值區(qū)則是由于人類對土層的翻動，加快水分蒸發(fā)，頻繁的干濕交替促進了含鉀礦物的風(fēng)化，使鉀含量增加。因此，人為干擾區(qū)，尤其是人類活動影響較大的區(qū)域內(nèi)，要適時補充一定量的氮肥和磷肥，以滿足育林、育苗養(yǎng)分需求。