寧夏中部干旱帶天然草地土壤顆粒空間分布特征

曹 媛，孟 明，王 磊，楊新國，曲文杰

(1.寧夏大學 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建教育部重點實驗室，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學 西北土地退化與生態(tài)系統(tǒng)恢復省部共建國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川 750021)

土壤顆粒反映了土壤的組成結構，與土壤的持水性、透水性、保蓄性等相關[1-3]，受成土母質(zhì)類型、氣候、地形、耕作、施肥、排灌等因素的影響[4-7]，在空間分布上呈現(xiàn)出特定的規(guī)律性和結構性[8-10]。目前，很多學者對土壤顆粒的空間變異性進行了研究，但是多集中在樣地尺度的土壤演變等方面，對區(qū)域尺度的土壤顆?？臻g分布研究較少。寧夏中部干旱帶是我國典型的干旱區(qū)，土地荒漠化嚴重，對其土壤顆?？臻g分布規(guī)律進行研究，對于研究區(qū)的生態(tài)恢復具有一定的指導價值。本研究以寧夏中部干旱帶(清水河以東)區(qū)域天然草地為對象，通過空間柵格取樣，對0～10、10～30 cm土層土壤顆粒含量進行經(jīng)典統(tǒng)計學分析和地質(zhì)統(tǒng)計學分析，以闡明研究區(qū)天然草地土壤顆粒的空間變異性和分布規(guī)律。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究以寧夏中部干旱帶(清水河以東)區(qū)域天然草地為研究對象。寧夏中部干旱帶(東徑104°17′～107°39′、北緯36°54′～38°23′)地處中國西北內(nèi)陸干旱中心地區(qū)、寧夏回族自治區(qū)中部，東部與毛烏素沙漠相鄰，南靠寧南黃土丘陵山區(qū)，西接騰格里沙漠，地形較為平緩，平均海拔在1 100～1 600 m之間。研究區(qū)屬典型溫帶大陸性氣候，日照充足，四季分明。土壤以灰鈣土為主，包括風沙土、鹽土、灰褐土、灰鈣土等[11-12]。土地利用類型以草地、林地、耕地為主[13]。

1.2 采樣及分析

1.2.1 空間取樣方法與土壤樣品采集

通過ArcGIS 10.3在研究區(qū)數(shù)字化圖上確定采樣點37個(圖1)，采樣點位置均用GPS精確定位。對每個采樣點的土壤分0～10、10～30 cm兩層進行采樣，共采集土壤樣品74個。

圖1 研究區(qū)采樣點分布

1.2.2 樣品處理與分析

將野外采集的74個塑封袋土壤樣品帶回實驗室，在室內(nèi)陰涼通風處自然風干，剔除樣品中較大的石塊、植物根系，將土壤樣品過2 mm篩后密封保存，避免樣品之間接觸污染。使用激光粒度儀測定土壤粒徑，土壤顆粒分級采用美國制土壤顆粒組分分級標準，分為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、砂粒(0.05～2 mm)3個等級。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 20.0進行經(jīng)典統(tǒng)計學分析，對不同土層土壤黏粒、粉粒、砂粒含量進行描述性統(tǒng)計分析，并采用Kolmogorov-Smirnov(K-S)法進行樣本正態(tài)性分布檢驗，顯著性水平為0.05。利用ArcGIS 10.3中的地統(tǒng)計模塊(Geostatistical Analyst)對不同土層土壤顆?？臻g分布進行趨勢分析、半變異分析，獲得最優(yōu)半方差函數(shù)和特征值，最后進行Kriging插值，獲得各土層土壤顆粒的空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 土壤顆粒組成描述性統(tǒng)計

利用SPSS 20.0軟件，采用經(jīng)典統(tǒng)計學方法對不同土層土壤顆粒含量進行描述性統(tǒng)計分析，計算其統(tǒng)計特征和概率分布，結果見表1。由表1可知，0～10、10～30 cm土層土壤黏粒平均含量分別為34.58%、41.42%，粉粒平均含量分別為31.34%、28.35%，砂粒平均含量分別為34.08%、30.23%，各土層不同粒級土壤顆粒平均含量均為黏粒最多，砂粒其次，粉粒最少；0～10 cm土層土壤黏粒含量明顯小于10～30 cm土層，砂粒含量大于10～30 cm土層，即隨土層深度增加土壤砂粒含量減少。

采用K-S法對不同土層土壤顆粒含量數(shù)據(jù)進行概率分布檢驗(表1)可知，其K-S檢驗P值均大于0.05，因此均符合正態(tài)分布。

變異系數(shù)是概率分布離散程度的一個歸一化量度，其定義為標準差與平均值之比。按照土壤學中一般對變異系數(shù)值的評價，當Cv<10%時為弱變異性，10%≤Cv≤100%時為中等變異性，Cv>100%時為強變異性。由表1可知，不同土層土壤顆粒含量變異系數(shù)分布在16%～61%之間，因此各土層土壤顆粒組成均呈現(xiàn)中等變異性；隨土層深度增加，土壤黏粒含量的變異系數(shù)減小，粉粒和砂粒含量的變異系數(shù)增大；0～10 cm土層土壤黏粒含量的變異系數(shù)大于粉粒和砂粒。

表1 土壤顆粒含量描述性統(tǒng)計特征

2.2 土壤顆粒組成空間分布趨勢分析

利用ArcGIS 10.3中趨勢分析(Trend Analyses)模塊，獲得各土層土壤顆粒趨勢分析圖，見圖2、3、4。圖中X軸表示東西方向，Y軸表示南北方向，Z軸表示各采樣點的測量值，投影在YZ平面的曲線表示在南北方向的趨勢效應變化，投影在XZ平面的曲線表示在東西方向的趨勢效應變化。由圖2、3、4可知，土壤黏粒在東西方向西高東低，南北方向南高北低；土壤粉粒在東西方向0～10 cm土層東部略高于西部，10～30 cm土層則顯示出相反的趨勢，西部略高于東部，在南北方向呈拱形，中部高而兩端較低，北部略高于南部；土壤砂粒在東西方向東高西低，南北方向北高南低。因此，土壤黏粒、粉粒、砂粒含量均需要用二次曲面擬合。

圖2 土壤黏粒組成趨勢分析

圖3 土壤粉粒組成趨勢分析

圖4 土壤砂粒組成趨勢分析

2.3 土壤顆粒組成空間變異分析

利用ArcGIS 10.3中地統(tǒng)計模塊對各土層土壤顆粒含量數(shù)據(jù)進行半變異函數(shù)分析，獲得黏粒、粉粒、砂粒含量的最優(yōu)半方差函數(shù)及變程、塊金值、基臺值等參數(shù)，結果見表2。由表2可知，各土層土壤黏粒含量和砂粒含量空間分布均符合高斯模型，土壤粉粒含量空間分布滿足球狀模型。按照區(qū)域化變量空間相關程度的分級標準，C0/(C0+C)值越大說明受隨機性因素影響越大。當C0/(C0+C)<25%時，表明結構性因素對于空間變異性起主要作用，具有強烈的空間相關性；當25%≤C0/(C0+C)≤75%時，表明隨機性因素和結構性因素共同影響空間變異性，具有中等空間相關性；當C0/(C0+C)>75%時，表明隨機性因素對于空間變異性起主導作用，空間相關性較弱。由表2可知，10～30 cm土層的黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量C0/(C0+C)值分別為68%、43%、36%，表明具有中等空間相關性；0～10 cm土層各粒級含量C0/(C0+C)值均<25%，表明具有強烈的空間相關性。各土層土壤顆粒含量塊金值在0.10～0.35之間，塊金值較小，表明隨機性因素對空間變異性的影響較小，擬合模型可較好地反映各土層土壤黏粒、粉粒、砂粒的空間分布特征。

表2 土壤顆粒含量半變異函數(shù)理論模型及相關參數(shù)

2.4 土壤顆粒組成的空間分布特征

利用ArcGIS 10.3中地統(tǒng)計模塊對各土層土壤顆粒數(shù)據(jù)進行Kriging插值，根據(jù)插值圖(圖5、6、7)分析其空間分布規(guī)律。由圖5可知，土壤黏粒含量的空間分布規(guī)律為：各土層黏粒含量均呈帶狀分布，整體由東

圖5 土壤黏?？臻g分布

圖6 土壤粉?？臻g分布

圖7 土壤砂粒空間分布

北向西南呈遞增趨勢，其中北部地區(qū)0～10 cm土層黏粒含量明顯大于10～30 cm土層。由圖6可知，土壤粉粒含量的空間分布規(guī)律為：0～10 cm土層粉粒含量北部、南部和中部部分區(qū)域較低，西部和東部較高，西部和東部基本在32.05%～43.34%之間；10～30 cm土層粉粒含量空間分布與0～10 cm規(guī)律一致，不同的是0～10 cm土層東部高于西部，而10～30 cm土層西部高于東部。由圖7可知，土壤砂粒含量的空間分布規(guī)律為：各土層砂粒含量均有較明顯的漸變性分布規(guī)律，由南向北呈階梯狀遞增，北部含量最高，北部0～10、10～30 cm土層砂粒含量基本在42.00%～71.64%和35.73%～71.27%之間，分布范圍較大。

3 討 論

(1)土壤顆?？臻g分布的影響因素。研究區(qū)天然草地土壤顆?？臻g分布變化存在漸變性，從南部到北部沙化程度逐步增強。不同土層土壤顆粒含量的空間變異性主要受結構性因素影響，受隨機性因素影響較小，這與張娜等[14]對內(nèi)蒙古河套灌區(qū)解放閘灌域土壤質(zhì)地研究結果、江厚龍等[15]對平頂山地區(qū)典型煙田耕層土壤質(zhì)地研究結果、張世文等[16]對縣域尺度下北京市平谷區(qū)土壤質(zhì)地研究結果、馬黎春等[17]對克拉瑪依干旱生態(tài)農(nóng)業(yè)區(qū)不同土層的土壤質(zhì)地研究結果、高君亮等[18]對戈壁地表土壤顆粒的空間變異特征研究結果一致。研究區(qū)地處西北內(nèi)陸，風大少雨、空氣干燥、海陸環(huán)流弱等氣候原因導致研究區(qū)整體容易發(fā)生沙化。但是相對而言，東北部與靈鹽臺地相連，為主要的風蝕區(qū)，土壤沙化程度往往更高；南部與寧南黃土丘陵山區(qū)相連，屬于黃土高原的北緣，水蝕和風蝕并存，土壤沙化程度相對較低。這是決定研究區(qū)土壤顆?？臻g分布變異的主要結構性因素。隨機性因素主要是灌溉、土地利用類型、退耕還林等人為活動，從研究結果看，這些隨機性因素對于區(qū)域土壤質(zhì)地分布的影響不大。

(2)不同粒徑土壤顆粒含量空間變異程度的比較。土壤顆粒組成的差異與土壤的抗風蝕能力有極為密切的關系[19-20]。研究區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱，植被覆蓋度低，常年干旱，土壤松散，易發(fā)生風蝕。本研究結果表明，0～10 cm土層土壤黏粒含量明顯小于10～30 cm土層，且0～10 cm土層土壤黏粒含量的變異系數(shù)大于粉粒和砂粒，這主要是由于黏粒更容易受到風蝕作用的影響[21]。研究區(qū)土壤砂粒含量隨土層深度的增加而減少，變異性增大。

4 結 論

(1)研究區(qū)天然草地各土層土壤顆粒平均含量均為黏粒最大，砂粒其次，粉粒最小，這反映了研究區(qū)土壤顆粒分布在垂直方向上的穩(wěn)定性。各土層土壤顆粒組成變異系數(shù)分布在16%～61%之間，均呈現(xiàn)中等變異性；隨土層深度的增加，土壤砂粒的變異系數(shù)增大。

(2)土壤黏粒含量的空間分布在東西方向西高東低，南北方向南高北低；土壤粉粒含量的空間分布未表現(xiàn)出明顯的帶狀變化趨勢，主要表現(xiàn)為在東西方向0～10 cm土層東部高于西部，而10～30 cm土層西部高于東部，在南北方向南部、北部與中部部分區(qū)域較低，其他區(qū)域較高；土壤砂粒含量的空間分布東高西低，北高南低。受結構性因素的制約，研究區(qū)土壤從南向北砂粒含量逐漸增多。