甘肅隴西中藥材種植區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)分布特征

高順平，何明珠，白光祖，趙鵬善，管青霞

(1.隴西縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，甘肅 隴西 748000； 2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000)

土壤有機(jī)質(zhì)(Soil organic matter，SOM)是衡量土壤肥力和質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[1-4]。SOM是植物必須營養(yǎng)元素的主要來源，也在維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)發(fā)揮方面起著重要作用[5-6]。隴西縣是甘肅省重要的中藥材主產(chǎn)區(qū)，由于中藥材的連作種植，一定程度上引發(fā)了土壤肥力水平下降、病蟲害滋生等土壤環(huán)境和病害問題。研究表明土壤有機(jī)質(zhì)和氮、磷養(yǎng)分含量等會隨藥材種植年限增加而降低，其中輪作單調(diào)、施肥不合理、藥材大部分有機(jī)質(zhì)輸出農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)等是造成土壤肥力衰退的主要原因[7]。因此，精準(zhǔn)掌握區(qū)域內(nèi)的SOM空間分布特征及其影響因素是合理規(guī)劃和保障中藥材可持續(xù)種植的重要前提。已有研究通過多種方法有效地預(yù)測土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布特征[8-10]。段麗君等[11]通過分析SOM 空間分布的5種主要影響因子，以插值結(jié)果為參照，分別建立SOM及其主要影響因子間的多元線性回歸(MLR)、偏最小二乘回歸(PLSR)、地理加權(quán)回歸(GWR)、GWRMLR和GWRPLSR模型，探討它們對SOM含量及空間分布的預(yù)測效果,得出GWRPLSR模型預(yù)測研究區(qū)SOM含量具有最高的預(yù)測精度，GWRMLR其次。陳慕松等[12]使用 ArcGIS 的統(tǒng)計(jì)分析模塊研究了福安市耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間變異情況，發(fā)現(xiàn)其空間變異主要受土壤母質(zhì)、地形、氣候等結(jié)構(gòu)性因素作用的影響；同時(shí)利用Ordinary Kriging 繪制了福安市耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量分布圖，直觀地顯示了福安市耕地土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布情況及豐缺狀況。徐蘇源等[13]以南長山島為研究區(qū)，采用樣方法進(jìn)行調(diào)查，通過試驗(yàn)測定土壤和植被的各項(xiàng)指標(biāo)，基于SPSS進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)、相關(guān)性分析、方差分析和多重比較，發(fā)現(xiàn)影響南長山島土壤理化因子空間分布的因素有地形、植被和人類活動(dòng)等，其中地形和植被是主要影響因素。目前，基于第二次全國土壤普查資料，已有學(xué)者對甘肅省土壤有機(jī)碳儲量及空間分布[14]和隴西縣耕地土壤養(yǎng)分狀況[15]開展了前期研究，但是，針對中藥材主產(chǎn)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)水平及儲量的相關(guān)研究非常有限。鑒于此，本研究采用了ArcGIS 的統(tǒng)計(jì)分析以及用SPSS進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，對隴西縣17個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)200個(gè)中藥材種植區(qū)的土壤樣品有機(jī)質(zhì)進(jìn)行分析，以期明確隴西縣中藥材主產(chǎn)區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)儲量空間分布格局，為種植區(qū)的土壤管理、測土配方施肥及中藥材產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

隴西縣(104°18′～104°54′E ，34°50′～35°23′N)位于甘肅省東南部、定西市中部、渭河上游，地處隴中黃土高原中部?？h域總面積2 408 km2，下轄17個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)[13]。該縣因地處中緯內(nèi)陸，為溫帶季風(fēng)氣候；主要有山地、黃土丘陵地、河谷平原三大地貌形態(tài)，其中以黃土丘陵所占面積最大，在全國地貌區(qū)劃中屬于甘肅黃土高原黃土丘陵溝壑區(qū)?？h境內(nèi)土壤類型主要包括黃綿土、黑壚土、灰褐土、潮土、紅粘土，由于縣境所跨經(jīng)、緯度和海拔高差較小，土壤的垂直、水平分布不甚明顯；主要的植被多為闊葉落葉樹，其中楊、榆、柳、槐等易成活。隴西縣是中藥材種植的主要區(qū)域，其盛產(chǎn)的中藥材種類較多，共70余種，其中野生藥材的種類約為50余種，人工種植藥材約20余種，其中普遍種植的中藥材有黨參、黃芩、黃芪、甘草、柴胡等[16]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)采集 土壤數(shù)據(jù)來自于2018年8月份在隴西地區(qū)實(shí)地采集的200個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，其中樣地布設(shè)采用分區(qū)簡單隨機(jī)抽樣的方法，樣本量是根據(jù)成本費(fèi)用、所期望達(dá)到的精度要求以及當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況確定的，采用多點(diǎn)混合法進(jìn)行典型樣點(diǎn)采樣。其采樣點(diǎn)分布如圖1所示。在每一采樣點(diǎn)上采用分層抽樣的方法，去除土壤表層上面的植被和凋落物，抽取每一個(gè)樣點(diǎn)的0～10 cm、10～30 cm、30～50 cm土層的土樣，總共采集土壤樣本600份，將所采集的土樣裝袋并編號。土壤有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法(水合熱法)[17]。

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.nmic.cn)提供的2018年的日均數(shù)據(jù)。利用克里金插值獲取采樣點(diǎn)的2018年氣溫、相對濕度、累計(jì)蒸發(fā)量與累計(jì)降水量信息。DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(www.gscloud.cn/)平臺下載的GDEM 30 m空間分辨率的隴西縣高程數(shù)據(jù)。在獲取隴西縣的DEM高程數(shù)據(jù)之后，利用ArcGIS 10.6軟件得到整個(gè)隴西縣的高程、坡度以及坡向影像數(shù)據(jù)，并提取每一個(gè)采樣點(diǎn)的高程、坡度和坡向的數(shù)據(jù)。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 通過ArcGIS 10.6軟件對各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化并作圖。利用空間分析中插值工具得到整個(gè)研究區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)空間分布變化，利用整理的可以覆蓋研究區(qū)的14個(gè)氣象站2018年的觀測數(shù)據(jù)，使用空間插值方法得到研究區(qū)的年均溫和年降水量的空間分布數(shù)據(jù)，利用獲得的DEM遙感影像數(shù)據(jù)提取研究區(qū)的高程、坡度和坡向信息，并對坡度和坡向進(jìn)行分類，劃分為0°～5°、5°～15°、15°～25°、25°～35°、35°～45°、>45°，共6個(gè)等級，分別為平坡、緩坡、斜坡、陡坡、急坡、險(xiǎn)坡。利用ArcGIS 的空間分析技術(shù)，得出不同海拔、不同坡度的有機(jī)質(zhì)空間分布狀況。

1.2.3 插值方法 采用簡單克里金插值方法對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，采用局部多項(xiàng)式的方法對隴西縣土壤有機(jī)質(zhì)密度進(jìn)行插值，從而得到整個(gè)隴西縣域內(nèi)的有機(jī)質(zhì)密度空間分布狀況。

1.3 土壤有機(jī)質(zhì)密度計(jì)算方法

土壤有機(jī)質(zhì)密度(SOMD)是指一定土壤深度土層中單位面積土壤有機(jī)質(zhì)的存儲量，計(jì)算公式如下：

ρk=Ck×Dk×Ek×(1-Gk)/100

(1)

(2)

式中,ρk為第k層SOM密度(kg·m-2)；k為土層深度(cm)；Ck為第k層SOM含量(g·kg-1)；Dk為第k層土壤密度(g·cm-3)；Gk為第k層土層中直徑>2 mm石礫占土層體積的百分比(%)；ρ0～50為0～50 cm土層中有機(jī)質(zhì)密度(kg·m-2)；Ek為土層厚度(cm)。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

利用JMP 10進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，利用Pearson相關(guān)分析土壤有機(jī)質(zhì)與經(jīng)緯度、海拔、坡度因子之間的相關(guān)性，探索導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)空間異質(zhì)性的因子；并利用回歸分析的方法構(gòu)建SOM與各個(gè)因子之間的回歸模型，分析各個(gè)因子對土壤有機(jī)質(zhì)的影響程度；利用單因素方差分析比較不同地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 隴西縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤有機(jī)質(zhì)密度(SOMD)分布特征

通過對隴西縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)SOMD進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表1)，發(fā)現(xiàn)馬河鎮(zhèn)、碧巖鎮(zhèn)、福星鎮(zhèn)的SOMD在整個(gè)縣域中較高，分別為65.87×103、59.79×103、57.90×103kg·hm-2，其中馬河鎮(zhèn)的有機(jī)質(zhì)含量最高；權(quán)家灣鄉(xiāng)、和平鄉(xiāng)、云田鎮(zhèn)的SOMD較低，分別為27.03×103、32.59×103、35.86×103kg·hm-2；其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)的SOMD在43.17×103～54.20×103kg·hm-2之間。變異系數(shù)可以反映數(shù)據(jù)分布的離散程度，從各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)采集樣點(diǎn)的有機(jī)質(zhì)含量的變異系數(shù)可以判斷出在各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中有機(jī)質(zhì)含量的變化幅度不盡相同。其中福星鎮(zhèn)、和平鄉(xiāng)、渭陽鄉(xiāng)的有機(jī)質(zhì)含量變化幅度較大，變異系數(shù)分別為51.78%、47.82%、46.21%，而菜子鎮(zhèn)、通安驛鎮(zhèn)的變化幅度較小，變異系數(shù)分別為19.57%、19.30%，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)的變異系數(shù)在20%～40%之間。因此，隴西縣SOMD的離散程度屬于中等變異程度。隴西縣不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤有機(jī)質(zhì)含量不同，是由于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的地形條件不同，隴西縣土壤有機(jī)質(zhì)含量的分布表現(xiàn)出自西向東逐漸減少的變化規(guī)律，并且局部地區(qū)具有聚集效應(yīng)(圖2,見196頁)。

圖1 采樣點(diǎn)空間分布Fig.1 The spatial distribution of sampling locations

表1 隴西縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤有機(jī)質(zhì)密度(SOMD)分布特征

2.2 隴西縣中藥材種植區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的空間變化特征

2.2.1 SOMD隨土層深度的變化特征 SOMD隨土壤深度的變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)表明，表層0～10 cm的SOMD水平最低，為10.76×103kg·hm-2；10～30 cm土層SOMD最高，為18.93×103kg·hm-2；不同土層之間具有顯著差異(P<0.05)，表現(xiàn)為10～30 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于0～10 cm和30～50 cm土層，30～50 cm土層顯著高于0～10 cm土層(P<0.05)。隨著土層深度的增加，SOMD呈先上升后下降的趨勢。

2.2.2 SOMD隨經(jīng)、緯度及海拔的變化特征 通過對隴西縣土壤有機(jī)質(zhì)密度與經(jīng)度和緯度進(jìn)行相關(guān)性分析，并利用最小二乘法進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)隴西縣土壤有機(jī)質(zhì)密度與經(jīng)度存在顯著負(fù)相關(guān)性，與緯度存在極顯著正相關(guān)性，表現(xiàn)出土壤有機(jī)質(zhì)密度自西向東、自南向北含量逐漸增大的趨勢(圖3)。隴西縣土壤有機(jī)質(zhì)含量與海拔存在極顯著正相關(guān)性，隨著海拔的升高，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸增加。研究區(qū)海拔落差為1 590～2 572 m，以200 m為區(qū)間，把海拔分為6個(gè)等級，隴西縣土壤有機(jī)質(zhì)密度含量在42×103～62×103kg·hm-2之間，按照2×103kg·hm-2，間隔分為10個(gè)等級(圖4)。由于隴西縣地勢中間低四周高，并且在西北、西南區(qū)域海拔最高，所以其有機(jī)質(zhì)密度最高，在中間渭河平原區(qū)域，海拔較低，其有機(jī)質(zhì)密度值也比較低。

SOMD隨著坡度的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，但是趨勢較緩。隴西縣平坡區(qū)域較少，其有機(jī)質(zhì)密度變化范圍較大，在41.9×103～62.73×103kg·hm-2之間，同樣由于海拔的影響，表現(xiàn)出從東向北、西北、西、西南、南方向呈現(xiàn)逐漸增加的放射狀分布模式;隴西縣緩坡區(qū)域所占面積較大，其SOMD變化范圍在41.9×103～61.9×103kg·hm-2之間，大部分區(qū)域在48.9×103～52.3×103kg·hm-2之間，南部區(qū)域在45.4×103～48.9×103kg·hm-2之間(圖5)；隴西縣斜坡區(qū)域所占面積也比較大，其有機(jī)質(zhì)含量變化范圍在41.9×103～62.99×103kg·hm-2之間，在斜坡區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)出明顯的放射性分布規(guī)律，以權(quán)家灣鄉(xiāng)、和平鄉(xiāng)、渭陽鄉(xiāng)、云田鎮(zhèn)為中心向四周輻射，隨著海拔逐漸升高，土壤有機(jī)質(zhì)含量也逐漸升高；陡坡區(qū)域與斜坡區(qū)域表現(xiàn)出相似的分布規(guī)律，但是隴西縣陡坡區(qū)域較少。

表2 不同土層土壤有機(jī)質(zhì)密度統(tǒng)計(jì)特征

圖3 土壤有機(jī)質(zhì)密度隨經(jīng)、緯度及海拔的變化特征Fig.3 Variation characteristics of SOMD with longitude, latitude， and altitude

2.2.3 SOMD隨氣象因子的變化特征 通過對隴西縣土壤有機(jī)質(zhì)密度與降雨量、蒸發(fā)量、氣溫、相對濕度4個(gè)氣象因子進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，并利用最小二乘法進(jìn)行回歸擬合，發(fā)現(xiàn)隴西縣土壤有機(jī)質(zhì)密度與降雨量、蒸發(fā)量、氣溫、相對濕度4個(gè)氣象因子之間存在顯著相關(guān)性，并且與相對濕度和蒸發(fā)量之間達(dá)極顯著差異。土壤有機(jī)質(zhì)密度與降雨量、相對濕度之間呈顯著負(fù)相關(guān)，隨著降雨量的增多以及相對濕度的增大，有機(jī)質(zhì)密度降低；與氣溫和蒸發(fā)量之間呈顯著正相關(guān)，即隨著氣溫的升高、蒸發(fā)量增大，有機(jī)質(zhì)密度升高。雖然降雨量、蒸發(fā)量、氣溫、相對濕度與土壤有機(jī)質(zhì)密度之間存在顯著相關(guān)性，但是其各個(gè)因子對土壤有機(jī)質(zhì)密度的解釋水平較低(圖 6)。

3 討 論

本研究表明，隴西縣土壤有機(jī)質(zhì)含量在空間上呈現(xiàn)出自西向東逐漸減少的變化規(guī)律，且局部地區(qū)具有聚集效應(yīng)，而造成這一分布規(guī)律的原因是隴西縣的地形因子。地形因子通過影響土壤水熱資源的再分配和土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)過程與強(qiáng)度來影響土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異[4]。從地質(zhì)構(gòu)造看，隴西縣是一個(gè)構(gòu)造盆地，四周隆起，中間凹陷。地貌格局可以概括為渭南山地，渭北黃土丘陵，中部渭河平原，總體的海拔趨勢為自東向西、西南與西北逐漸升高，隨著海拔的升高，植物分布逐漸密集，且人類活動(dòng)減少，對土壤擾動(dòng)程度減少，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加[16, 18]。

本研究中，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著土層深度的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的特征。孫忠祥等[19]研究表明，隨著土層深度的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低。與本研究有所不同，可能是因?yàn)楫?dāng)?shù)刂兴幉牡倪B作種植及人類活動(dòng)的干擾，致使生物環(huán)境惡化，土壤養(yǎng)分減弱，從而表層土壤有機(jī)質(zhì)含量低于中層土壤，而在10 cm以下符合垂直分布規(guī)律，隨著土層深度的逐漸增加，植物根系數(shù)量減少，分解者的活動(dòng)減弱，有機(jī)質(zhì)含量降低。隨著經(jīng)緯度以及坡度的增大，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低。大量研究表明氣溫是導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)發(fā)生變化的重要因素[20]，隨著緯度的逐漸升高，年平均氣溫逐漸降低，植物生長速度變慢，微生物活性減弱，有機(jī)質(zhì)輸入大于輸出；微生物是土壤有機(jī)質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動(dòng)力，對有機(jī)質(zhì)的分解量遠(yuǎn)大于輸入量，在一定溫度范圍內(nèi)，隨著氣溫的升高土壤微生物分解土壤有機(jī)質(zhì)的速度加快，因此土壤有機(jī)質(zhì)含量與經(jīng)緯度呈負(fù)相關(guān)。劉立文等[21]的研究中得出，隨著坡度的增大，土壤有機(jī)質(zhì)含量降低；與本研究結(jié)果相同?？墒怯捎陔S著坡度的增加，土壤侵蝕逐漸增加，地表徑流的流量增加，導(dǎo)致凋落物的積累變少，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的含量逐漸減少。

圖2 隴西縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤有機(jī)質(zhì)密度空間(SOMD)分布特征Fig.2 The spatial distribution characteristics of SOMDin each township of Longxi County

圖4 不同海拔高度土壤有機(jī)質(zhì)密度空間分布Fig.4 Spatial distribution of SOMDat different elevations

圖5 緩坡區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)密度空間分布Fig.5 SOMD spatial distribution in thegentle slope region

圖6 土壤有機(jī)質(zhì)密度隨氣象因子的變化特征Fig.6 Variation characteristics of SOMD with meteorological factors

研究表明在一定的溫度范圍內(nèi)，土壤有機(jī)質(zhì)密度與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)性，隨著溫度的升高異養(yǎng)呼吸增加，CO2的排放量增多，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)密度降低[22]。降雨是土壤水分的主要來源之一，它影響著土壤的濕度、通透性以及土壤氧化還原反應(yīng)，土壤中的礦化作用、有機(jī)物的合成與分解等過程都需要土壤水的參與[23]。由于隴西縣土壤類型主要為黃綿土、黑壚土、潮土，其占全縣面積的75.16%，而黃綿土、黑壚土、潮土的質(zhì)地較粗、耕作性較差、漏水嚴(yán)重，隨著降雨量的增多及蒸發(fā)量的減少，土壤的含水量增多，加快了土壤的礦化作用，加速了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量降低。而隨著溫度的升高，土壤酶活性增強(qiáng)，加快了土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率，但同時(shí)土壤的濕度逐漸降低，又限制了有機(jī)質(zhì)的分解速率。而本研究表明土壤有機(jī)質(zhì)密度與氣溫之間呈顯著正相關(guān)，隨著氣溫的升高，土壤有機(jī)質(zhì)密度逐漸升高，也即隨著氣溫的升高，土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率逐漸降低，其原因可能是在隴西縣影響土壤有機(jī)質(zhì)分解速率的首要限制因素為土壤水分，雖然溫度升高可以提高分解速率，但是會導(dǎo)致土壤濕度的降低；而隴西縣的土壤類型主要為黃綿土、黑壚土、潮土，保水性差，其有機(jī)質(zhì)總分解速率降低，所以提高隴西縣土壤有機(jī)質(zhì)含量首先要解決的是土壤的保水性問題。

4 結(jié) 論

隴西縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)SOMD在27.03×103～65.87×103kg·hm-2之間，變異系數(shù)在19.30%～51.78%之間，屬中等變異強(qiáng)度。在空間上自西向東呈逐漸減少的趨勢，且局部聚集；隨土層深度增加，有機(jī)質(zhì)含量先上升后下降；與經(jīng)緯度、坡度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與海拔呈正相關(guān)。SOMD的空間分布受到緯度、坡度、海拔的影響，尤其海拔對有機(jī)質(zhì)的影響程度最大。隴西縣土壤有機(jī)質(zhì)密度與降雨量、蒸發(fā)量、氣溫、相對濕度4個(gè)氣象因子之間存在顯著相關(guān)性，并且與相對濕度和蒸發(fā)量之間相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，與降雨量、相對濕度之間呈顯著負(fù)相關(guān)，與氣溫和蒸發(fā)量之間呈顯著正相關(guān)。