丹江口水庫(kù)入庫(kù)河口土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

薛盈杉 ，雷俊山

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京 100083；2.長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，武漢 430051；3.長(zhǎng)江水利委員會(huì)湖庫(kù)水源地面源污染生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430051）

我國(guó)南方地區(qū)水資源量占全國(guó)的81%，北方地區(qū)僅占19%，水資源分布極不平衡。南水北調(diào)中線工程每年向北方調(diào)水近百億方，可有效削峰補(bǔ)枯，改善京津冀等受水區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。丹江口水庫(kù)是南水北調(diào)中線工程的水源地，是全國(guó)最大的飲用水源保護(hù)區(qū)。

入庫(kù)河口良好的植被生態(tài)能有效減少污染物進(jìn)入水庫(kù)[1]，對(duì)保持水土、涵養(yǎng)水源、穩(wěn)定庫(kù)岸和攔截地表徑流污染物效果明顯[2-5]。然而，隨著丹江口水庫(kù)大壩加高蓄水，入庫(kù)河口反復(fù)被淹沒(méi)，河口植被生態(tài)受到嚴(yán)重影響。而入庫(kù)河口土壤肥力的高低及空間分異對(duì)河口植被恢復(fù)、濕地空間結(jié)構(gòu)及生態(tài)修復(fù)具有直接影響[6-10]。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤肥力的學(xué)說(shuō)與觀點(diǎn)很多，尚不統(tǒng)一。多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為，土壤肥力是土壤為植物生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)條件和環(huán)境條件的能力，是土壤物理、化學(xué)、生物以及環(huán)境條件綜合作用下形成的總體表現(xiàn)[11-15]。土壤養(yǎng)分是土壤肥力的核心部分[13-15]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)區(qū)域土壤養(yǎng)分進(jìn)行了大量研究，R.Berndtsson等[16]研究了土壤母質(zhì)類型、質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、土壤pH和土地利用方式等因素對(duì)土壤養(yǎng)分空間分布的影響。J.O.Adejuwon等[17]定量化描述了土壤質(zhì)量的變化。很多研究采用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)土壤肥力進(jìn)行評(píng)價(jià)[18-20]。R.Webster，張陽(yáng)等[21-25]根據(jù)土壤養(yǎng)分空間變異性理論和點(diǎn)狀克里格空間內(nèi)插方法獲得了田間土壤養(yǎng)分狀況連續(xù)分布圖。

近年來(lái)關(guān)于流域土壤養(yǎng)分的研究[26-29]，大多側(cè)重于不同土地利用方式對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響，以期能夠通過(guò)合理規(guī)劃土地利用來(lái)實(shí)現(xiàn)流域植被的重建以及生態(tài)環(huán)境的改善。然而，本研究涉及的入庫(kù)河口區(qū)域，在丹江口水庫(kù)大壩加高蓄水后，水位會(huì)出現(xiàn)與自然洪枯規(guī)律逆反的反復(fù)周期性漲落[30]，新的庫(kù)岸帶還會(huì)面臨巨大的河水沖刷，嚴(yán)重威脅岸坡的安全[31]，導(dǎo)致該區(qū)域不適合通過(guò)人工改變土地利用來(lái)改善土壤肥力狀況。因此，本研究通過(guò)分析入庫(kù)河口土壤養(yǎng)分指標(biāo)的方式，對(duì)土壤綜合肥力進(jìn)行空間分布特征的研究，從而指導(dǎo)區(qū)域植被的恢復(fù)。

本研究的目的是通過(guò)改善入庫(kù)河口植被，達(dá)到涵養(yǎng)水源、穩(wěn)定庫(kù)岸和攔截污染物，從而最終實(shí)現(xiàn)丹江口水源地生態(tài)恢復(fù)、持續(xù)確保優(yōu)良水質(zhì)。對(duì)丹江口庫(kù)區(qū)入庫(kù)河口土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，并構(gòu)建評(píng)價(jià)土壤綜合肥力的理論模型，對(duì)入庫(kù)河口土壤肥力進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究一方面運(yùn)用克里金插值將離散的樣點(diǎn)轉(zhuǎn)為空間上的連續(xù)分布，彌補(bǔ)傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)的不足；另一方面對(duì)每個(gè)因子都進(jìn)行了空間分布研究，從單因子維度細(xì)化了土壤肥力的空間分布。因此，本研究對(duì)河口植被恢復(fù)、濕地生態(tài)構(gòu)建及生態(tài)修復(fù)具有參考意義。

1 研究區(qū)概況

本文選取青塘河小流域入庫(kù)河口為研究區(qū)，面積約為0.378 km2。高程為147～175 m，土地利用有河漫灘荒地、河漫灘沼澤、人工林地、農(nóng)田、撂荒地、河岸草地和經(jīng)果林。研究區(qū)植被條件較好，無(wú)明顯水土流失。青塘河小流域位于湖北省丹江口市習(xí)家店鎮(zhèn)，系漢江河的一級(jí)小支流，從北向南匯入丹江口水庫(kù)。流域?qū)贊h江北岸丘陵崗地，地勢(shì)北高南低。流域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造比較發(fā)育，地形復(fù)雜，地貌屬于構(gòu)造侵蝕低山區(qū)丘陵，山高谷深，呈樹枝狀水系。流域內(nèi)土壤類型主要有石灰土、紫色土和黃棕壤。流域內(nèi)基本農(nóng)田少，坡耕地面積大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)單一，肥力和土質(zhì)差。林地以柏樹為主，灌木林主要有楊樹、刺槐和紫穗槐等，經(jīng)濟(jì)林以柑橘和山楂為主，無(wú)成片草場(chǎng)，林草覆蓋率35.40%。青塘河流域?qū)俦眮啛釒О霛駶?rùn)季風(fēng)氣候，多年平均氣溫16.1℃，年均降水量797.6 mm。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究區(qū)布設(shè)31個(gè)采樣點(diǎn)位，經(jīng)度范圍覆蓋111°11′～111°12′E，緯度范圍覆蓋 32°43′～32°45′N，采樣點(diǎn)分布（圖1）。采樣分析工作有長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所完成，布設(shè)采樣點(diǎn)時(shí)，垂直于河流兩岸均勻布設(shè)6條采用條帶，每條采樣條帶根據(jù)地形均勻布設(shè)采樣點(diǎn)，兼顧包含各種土地利用（表1）。采樣時(shí)，根據(jù)采樣點(diǎn)距離水庫(kù)庫(kù)岸的距離，在青塘河主河道兩側(cè)定點(diǎn)采樣，采集不同植被覆蓋下土壤表層0～20 cm的土壤，記錄每個(gè)采樣點(diǎn)的坐標(biāo)，在樣點(diǎn)附近再取3～5個(gè)點(diǎn)，以幾個(gè)點(diǎn)的混合土樣作為該點(diǎn)的土壤樣品，記錄每個(gè)采樣點(diǎn)的坐標(biāo)與高程。將所采集土壤分揀出雜物，磨碎后過(guò)2 mm和0.149 mm孔篩，用于測(cè)定pH值、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀等指標(biāo)。pH值采用pH值計(jì)法（1∶2.5），堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，速效磷采用碳酸氫鈉法，速效鉀采用醋酸銨浸提火焰光度計(jì)法，有機(jī)質(zhì)采用外加熱重鉻酸鉀溶液法。為減小分析過(guò)程中的誤差，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的精確度，每個(gè)樣品各指標(biāo)分別進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)試。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖Figure 1 Distribution of sampling points

2.2 研究方法

兼顧指標(biāo)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要性和可度量等因素，選取全氮、全磷和全鉀等8個(gè)因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)（表2）。常規(guī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 25.0軟件完成，采用因子分析提取主成分分析法（PCA），綜合各土壤養(yǎng)分指標(biāo)對(duì)樣點(diǎn)區(qū)土壤養(yǎng)分進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，利用綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算出各樣點(diǎn)的綜合土壤肥力IFI值。再選擇系統(tǒng)聚類分析法，將研究區(qū)樣本點(diǎn)的IFI值進(jìn)行等級(jí)劃分，確定等級(jí)分界點(diǎn)。

表2 研究區(qū)土壤養(yǎng)分指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 2 Results of descriptive statistical analysis of soil nutrient indexes in the study area

地統(tǒng)計(jì)分析，采用空間自相關(guān)性分析和半方差函數(shù)在GS+9.0軟件中計(jì)算樣區(qū)土壤各養(yǎng)分指標(biāo)空間變異特性，并對(duì)理論模型進(jìn)行擬合，按照決定系數(shù)（R）最大、殘差平方和（RSS）最小的原則求出各指標(biāo)的最優(yōu)半方差函數(shù)及其相關(guān)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，利用ArcGIS 10.2軟件中的半方差函數(shù)對(duì)經(jīng)過(guò)模型擬合后的各指標(biāo)進(jìn)行普通Kriging插值分析，繪出插值結(jié)果柵格圖。然后利用ArcGIS 10.2軟件中的柵格計(jì)算工具，根據(jù)主成分分析的建模結(jié)果，求出樣區(qū)IFI值的空間分布圖。最后，依據(jù)聚類分析結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行等級(jí)劃分，并計(jì)算各肥力等級(jí)所占面積的比例。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)

采用SPSS 25.0軟件對(duì)研究區(qū)采樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)（表2）。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[32]，研究區(qū)土壤pH值處于中性水平（6.5～7.5）。有機(jī)質(zhì)含量符合三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（20～30 g/kg）。全氮含量符合三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（1～1.5 g/kg）。全磷含量符合三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（0.6～0.8 g/kg）。全鉀含量符合四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（10～15g/kg）。堿解氮含量符合四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（60～90mg/kg）。速效磷含量符合六級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（＜3 mg/kg）。速效鉀量符合一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（＜3 mg/kg）。

從變異情況可以看出，pH值變異系數(shù)僅為4.99%，呈弱變異，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)土壤酸堿性變化程度不大，屬于中性土壤。有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量、堿解氮含量、速效鉀和速效磷含量的變異系數(shù)為23.43%～86.51%，屬于中等變異?？梢姡芯繀^(qū)土壤養(yǎng)分為中等及以下變異。變異程度從大到小的順序?yàn)椋核傩Я祝舅傩р洠居袡C(jī)質(zhì)＞堿解氮＞全鉀＞全氮＞全磷，其中速效磷數(shù)值變化范圍較大，變異系數(shù)也最大，說(shuō)明速效磷屬性值存在較大的波動(dòng)，受個(gè)別極大值干擾作用強(qiáng)烈。

3.2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)的相關(guān)性分析

采用Pearson相關(guān)分析對(duì)表示土壤養(yǎng)分的各屬性指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)表明（表3），pH值除了與速效鉀呈現(xiàn)較弱的負(fù)相關(guān)性外，與其余各養(yǎng)分指標(biāo)均呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中，pH值與有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性最顯著，相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.637。說(shuō)明在土壤呈酸性的條件下，有機(jī)質(zhì)含量較高。有機(jī)質(zhì)含量除了與全鉀含量呈較弱正相關(guān)性外，與其他養(yǎng)分含量均呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)性。全氮含量與全磷含量、堿解氮含量、速效磷含量以及速效鉀含量呈極顯著的正相關(guān)性，與全鉀含量的正相關(guān)性較弱。全磷含量與全鉀含量、堿解氮含量、速效磷含量以及速效鉀含量呈極顯著的正相關(guān)性。全鉀含量與堿解氮含量、速效磷含量與速效鉀含量分別具有顯著、極顯著、極顯著的正相關(guān)性。堿解氮含量與速效磷、速效鉀含量分別呈現(xiàn)極顯著、顯著的正相關(guān)關(guān)系。速效磷含量與速效鉀含量具有極顯著的正相關(guān)性。

表3 土壤各養(yǎng)分指標(biāo)Pearson相關(guān)性分析結(jié)果Table 3 Pearson correlation analysis results of soil nutrient indexes

3.3 土壤養(yǎng)分的主成分分析

對(duì)各變量進(jìn)行KMO和Bartlett球狀檢驗(yàn)，結(jié)果表明，KMO統(tǒng)計(jì)量為0.778，同時(shí)Bartlett球狀檢驗(yàn)表明相伴概率P值小于顯著性水平0.01，因此拒絕Bartlett球狀檢驗(yàn)的零假設(shè)。檢驗(yàn)表明各變量間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，可能存在冗余信息，需要通過(guò)因子分析進(jìn)行主成分提取[33]。

采用SPSS 25.0軟件，將研究區(qū)土壤的pH值與其余7個(gè)養(yǎng)分含量值進(jìn)行主成分分析，標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算后原始數(shù)據(jù)矩陣的相關(guān)性矩陣的特征值與特征向量，基于特征值大于1的原則，提取出前兩個(gè)主要因子（表4）?？梢钥闯?，成分1、成分2的特征值分別為5.355及1.167，符合提取原則，方差貢獻(xiàn)百分比分別為66.942%及14.585%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到81.527%，說(shuō)明前兩個(gè)主成分可以很好地表示原始數(shù)據(jù)的絕大部分信息，反映研究區(qū)各采樣點(diǎn)土壤的肥力特征。

表4 養(yǎng)分指標(biāo)提取主要因子結(jié)果Table 4 Results of main factors of nutrient index extraction

通過(guò)計(jì)算獲得主成分因子載荷矩陣和成分得分系數(shù)矩陣（表5）。可以看出，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷以及速效鉀含量在成分1中具有較大的正向載荷，說(shuō)明這7個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)在第一主成分上占有較高的比重。

表5 主成分因子載荷與得分矩陣Table 5 Principal component factor load and score matrix

3.4 土壤養(yǎng)分的IFI空間分布特征

用 x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7和 x8分別表示研究區(qū)土壤的pH值、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量、堿解氮含量、速效磷含量和速效鉀含量這8個(gè)因子，根據(jù)主成分因子載荷矩陣和成分得分系數(shù)矩陣可以得出前兩個(gè)主要因子的擬合模型[34]：

再根據(jù)指數(shù)和法的綜合肥力計(jì)算表達(dá)式

Fn（權(quán)重系數(shù)）計(jì)算土壤養(yǎng)分綜合得分，通過(guò)各主成分的方差貢獻(xiàn)率數(shù)值，經(jīng)過(guò)歸一化，計(jì)算其貢獻(xiàn)率占總方差貢獻(xiàn)率的比例，得到線性表達(dá)式的系數(shù)矩陣，從而得到本研究最終使用的土壤肥力綜合評(píng)價(jià)模型：

利用上述模型，求出31個(gè)樣點(diǎn)的綜合土壤肥力指標(biāo)值IFI（表6）。對(duì)IFI進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析?？梢钥闯觯芯繀^(qū)土壤綜合肥力指數(shù)IFI的范圍為-25.30～39.47，平均值為 7.18，變異系數(shù)為173.50%，屬于極強(qiáng)變異性，說(shuō)明研究區(qū)土壤綜合肥力指數(shù)差異較大，土壤肥力受人類活動(dòng)以及土壤酸堿性影響顯著。綜合所求出的各樣點(diǎn)土壤的肥力指數(shù)IFI，可以推斷出，IFI綜合肥力指標(biāo)值越高，表明土壤肥力越高，反之則表明土壤肥力低。

表6 土壤肥力IFI的描述性統(tǒng)計(jì)Table 6 Descriptive statistics of soil fertility IFI

以歐氏距離為衡量樣本間差異大小的依據(jù)，采用類平均法進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，將31個(gè)樣點(diǎn)按照其綜合肥力指數(shù)大小分為3類，得到3種肥力級(jí)別的樣本數(shù)及對(duì)應(yīng)的IFI指標(biāo)值取值范圍（表7），3種級(jí)別分別代表土壤肥力高、中和低3個(gè)等級(jí)，作為劃分研究區(qū)土壤肥力級(jí)別的模型依據(jù)。

表7 3種肥力級(jí)別劃分依據(jù)及所占比例Table 7 Basis and proportion of three fertility grades

研究表明，研究區(qū)31個(gè)土壤樣本點(diǎn)中，土壤養(yǎng)分屬于三級(jí)肥力（IFI≤8.38）的樣本點(diǎn)有18個(gè)，占總樣點(diǎn)數(shù)的58.06%，表明青塘河入庫(kù)河口新增淹沒(méi)地有較大面積區(qū)域的土壤肥力屬于低水平級(jí)別。有22.58%的采樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分處于二級(jí)（8.38＜IFI≤15.82）肥力，19.36%處于一級(jí)（IFI＞15.82）肥力，屬于中、高水平，表明部分土壤具有一定肥力，可以通過(guò)恢復(fù)植被實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)。

3.5 研究區(qū)土壤肥力指標(biāo)的地統(tǒng)計(jì)分析

用GS+9.0軟件，對(duì)影響土壤綜合肥力指數(shù)的8個(gè)決定性因子進(jìn)行半方差分析，計(jì)算出各擬合模型所對(duì)應(yīng)的塊金值、基臺(tái)值、變程、塊金效應(yīng)、殘差平方以及決定系數(shù)，根據(jù)殘差平方和最小以及決定系數(shù)最大的原則選定各因子的最佳理論插值擬合模型。

檢驗(yàn)結(jié)果表明，pH值、經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)變換的堿解氮含量和速效鉀含量，3個(gè)指標(biāo)的最佳擬合模型均為高斯模型；有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量的最佳擬合模型均為線性模型；全鉀含量的最佳擬合模型為球狀模型，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)變換后的速效磷含量最佳擬合模型為指數(shù)模型。

依據(jù)上述結(jié)論，采用ArcGIS 10.2軟件，對(duì)模型（1）模型（3）計(jì)算的土壤肥力綜合指標(biāo)IFI進(jìn)行普通Kriging插值，獲得研究區(qū)域土壤綜合肥力IFI值的空間分布圖（圖2～圖9）。總體來(lái)看，研究區(qū)養(yǎng)分含量的總體分布特點(diǎn)為西北方向較低，東南方向較高。這是因?yàn)檠芯繀^(qū)耕作、施肥、水分等原因造成，東南部分地勢(shì)平坦，水分充足，耕作活動(dòng)頻發(fā)，土壤養(yǎng)分偏高。土壤養(yǎng)分與有機(jī)質(zhì)等有關(guān)，土壤有機(jī)質(zhì)來(lái)源主要依靠作物的根茬、秸稈還田、耕地利用及施肥管理等，同時(shí)，其他肥料的施用也會(huì)對(duì)有機(jī)質(zhì)含量造成一定的影響。

圖2 pH值分布圖Figure 2 pH distribution圖3 有機(jī)質(zhì)含量分布圖Figure 3 Distribution of organic matter content

圖4 全氮含量分布圖Figure 4 Distribution of total nitrogen content圖5 全磷含量分布圖Figure 5 Distribution of total phosphorus content

圖6 全鉀含量分布圖Figure 6 Distribution of total potassium content圖7 堿解氮含量分布圖Figure 7 Distribution of alkali hydrolyzable nitrogen content

圖8 速效磷含量分布圖Figure 8 Distribution of available phosphorus content圖9 速效鉀含量分布圖Figure 9 Distribution of available potassium content

依據(jù)表6對(duì)IFI空間分布圖進(jìn)行重分類，得到研究區(qū)土壤綜合肥力等級(jí)劃分圖（圖10）?？梢钥闯?，研究區(qū)綜合土壤肥力指數(shù)IFI的總體變化趨勢(shì)為由西北到東南方向增高。其中，達(dá)到一級(jí)肥力標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域集中在東南部。不同等級(jí)肥力面積占比分別為：一級(jí)肥力占14%、二級(jí)肥力占46%、三級(jí)肥力占40%。研究區(qū)土壤綜合肥力主要集中在中等等級(jí)，總體肥力屬于中下水平。

圖10 研究區(qū)土壤肥力等級(jí)空間分布圖Figure 10 Spatial distribution of soil fertility grades in the study area

4 結(jié)論

研究區(qū)土壤大多屬于中等偏低的肥力水平。其中，速效鉀含量達(dá)到了一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量和全磷含量均達(dá)到三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，全鉀含量、堿解氮含量?jī)H達(dá)到四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

研究區(qū)土壤基本呈中性，酸性區(qū)域土壤養(yǎng)分含量較高。速效磷變異系數(shù)高達(dá)86.51%，其余養(yǎng)分變異處于中等強(qiáng)度。

研究區(qū)土壤肥力分布由西北到東南方向呈上升趨勢(shì)。一、二級(jí)土壤肥力主要分布在農(nóng)田、人工林地、河岸草地和經(jīng)果林等植被覆蓋較好的區(qū)域，表明研究結(jié)果合理可信。在入庫(kù)河口濕地生態(tài)構(gòu)建中，二、三級(jí)肥力土壤應(yīng)選擇以恢復(fù)植被生態(tài)為主的耐貧瘠、耐淹耐旱的植物種類。并結(jié)合不同肥力因子的分布差異，依據(jù)不同植物生長(zhǎng)對(duì)不同肥力因子相應(yīng)機(jī)制的差異，有針對(duì)性地選取植物種類。一級(jí)區(qū)肥力土壤條件較好，選擇以具有較高的污染阻控和攔截泥沙能力的植物種類。