西北地區(qū)有機(jī)質(zhì)空間分布及其影響因素研究

雷 琪， 蔣洪麗， 吳淑芳，2， 馮 浩，2，3

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，陜西 楊凌 712100；3.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

土壤中的有機(jī)質(zhì)作為土壤的組成部分之一，它可以在植物生長過程中提供所需要的營養(yǎng)物質(zhì)。土壤有機(jī)質(zhì)具有的保水、保肥效果，在促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，改善土壤物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)揮著非常重要的作用。

我國對土壤空間變異方面的研究發(fā)展較晚，自上世紀(jì)八十年代起，我國學(xué)者逐步意識(shí)到研究土壤空間變異的重要性，并陸續(xù)開始使用半方差函數(shù)和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法對土壤物理性質(zhì)方面變異性進(jìn)行相關(guān)的研究，研究的重點(diǎn)是土壤制圖的分類和土壤物理性質(zhì)的變化。20世紀(jì)90年代后，地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)逐步被應(yīng)用于土壤空間變異的研究。劉東海等運(yùn)用地理信息系統(tǒng)，通過普通克里格插值繪制土壤養(yǎng)分分布圖，研究了漢南區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量的空間變異特征。海拔、降水、土地利用方式等都對土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布有一定影響。鄧歐平等研究分析了不同土壤養(yǎng)分與坡向、坡度和高程之間的相關(guān)關(guān)系表明，有機(jī)質(zhì)與坡度、坡向存在顯著的相關(guān)關(guān)系。Xiong等研究了美國佛羅里達(dá)州5個(gè)典型土地利用類型的0—20 cm土層土壤有機(jī)碳自相關(guān)性表明，土壤有機(jī)碳的田間尺度變化是有尺度依賴的，并且與土地利用、土地覆蓋類型和植被組成的結(jié)構(gòu)緊密耦合。上述研究表明，地統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)合GIS在探討區(qū)域有機(jī)質(zhì)空間變異性問題上發(fā)揮了重大作用，為研究大尺度土壤有機(jī)質(zhì)空間變異性提供了可行性。土壤有機(jī)質(zhì)含量空間變異受到自然因素、人為因素的綜合影響。但目前針對我國土壤有機(jī)質(zhì)研究大多數(shù)集中在較小尺度上，如村級或者縣級尺度，研究重點(diǎn)涉及某一類影響因子對于土壤有機(jī)質(zhì)空間變異性的影響。對于省級或更大尺度區(qū)域的復(fù)雜環(huán)境對土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異性研究涉及不多。我國西北地區(qū)自然環(huán)境、土地利用方式有著巨大的差異，對西北地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)空間變異及其影響因素還缺乏深入研究。因此，明確西北地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)空間分布及其影響因素十分有必要。

基于上述內(nèi)容，本研究結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS，研究西北地區(qū)的土壤有機(jī)物質(zhì)含量的空間分布基本情況，分析自然因素以及不同土地利用方法等對土壤有機(jī)質(zhì)變化的影響，以期為相關(guān)政府部門對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)政策制定、大范圍土地保護(hù)、土壤改良的實(shí)施等提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)為中國西北地區(qū)，位于75°40′—111°15′E，31°42′—49°10′N(圖1)，包括新疆、青海、甘肅、陜西、寧夏5個(gè)省及自治區(qū)，研究區(qū)面積為308萬km，約占我國陸地總面積的1/3。研究區(qū)是沙漠、戈壁地貌比較集中的地區(qū)，境內(nèi)地形復(fù)雜，山地、盆地、沙漠、戈壁犬牙交錯(cuò)。人口密度小，人均土地資源豐富，但難以利用是該地區(qū)的基本情況。西北地區(qū)處于亞歐大陸的腹地，海拔為-155～8 611 m，大部屬于干旱、半干旱地區(qū)，典型的溫帶大陸性氣候，夏季溫度高且多雨，冬季嚴(yán)寒干燥且降水較少。該地區(qū)年均降水稀少，大部分地區(qū)在500 mm以下，部分地區(qū)不足50 mm，但全區(qū)大部分地區(qū)年均蒸發(fā)量大于2 500 mm，部分地區(qū)達(dá)到4 000 mm以上，干旱是西北地區(qū)的主要特征之一。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所使用的土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)來自中國土壤數(shù)據(jù)(http://vdb3.soil.csdb.cn/)，共441個(gè)樣點(diǎn)；數(shù)據(jù)分析所使用到的土壤類型圖、土壤質(zhì)地空間分布圖、中國各省、市行政邊界數(shù)據(jù)以及各省土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)等來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)。

1.3 異常值處理

本文所指的數(shù)據(jù)異常值，是在收集所得的數(shù)據(jù)中，出現(xiàn)可能性非常小的觀測值，其數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了樣本的其他值。因此，對于異常值要予以剔除。通過數(shù)據(jù)檢查，一般情況下認(rèn)為，高度異常的異常值是大于或小于平均值的3倍標(biāo)準(zhǔn)差，即數(shù)據(jù)超出-3～+3的范圍，這樣的值應(yīng)當(dāng)予以剔除。本文中共有數(shù)據(jù)點(diǎn)441個(gè)，經(jīng)異常值處理后剔除16個(gè)，最終選取有效數(shù)據(jù)425個(gè)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為，樣本之間是獨(dú)立的，不存在相關(guān)關(guān)系，本文將根據(jù)不同的條件，將樣本劃分統(tǒng)計(jì)和計(jì)算經(jīng)典統(tǒng)計(jì)參數(shù)，如均值、方差、中值、最大值、最小值、偏度和峰度等，用來描述土壤有機(jī)質(zhì)及氣溫、海拔高度、降水等相關(guān)環(huán)境因素的統(tǒng)計(jì)分布情況；并計(jì)算皮爾遜相關(guān)系數(shù)、顯著性，用來描述土壤有機(jī)質(zhì)與相關(guān)的環(huán)境因素之間的相關(guān)關(guān)系。變異系數(shù)也是一個(gè)重要的參數(shù)，將被用來表示土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)的整體變異大小。本文的數(shù)據(jù)分析處理是使用SPSS 23軟件實(shí)現(xiàn)。

圖1 研究區(qū)位置及土壤樣點(diǎn)

式中：CV為變異系數(shù)；為標(biāo)準(zhǔn)差；為表示均值。

式中：,為皮爾遜相關(guān)系數(shù)；Cov(,)為變量和協(xié)方差；為變量的標(biāo)準(zhǔn)差；為變量的標(biāo)準(zhǔn)差。

地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法是用于揭示土壤有機(jī)質(zhì)空間變異特征的有效手段，能夠?yàn)榭死锔窨臻g插值提供參數(shù)。使用該方法時(shí)，需要數(shù)據(jù)符合或近似符合正態(tài)分布，需提前對數(shù)據(jù)分布進(jìn)行檢驗(yàn)。本文利用K—S檢驗(yàn)法對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，若出現(xiàn)數(shù)據(jù)不符合要求，則須對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)化處理。常用的正態(tài)化處理方法有對數(shù)轉(zhuǎn)化、冪函數(shù)轉(zhuǎn)化、平方根轉(zhuǎn)化、倒數(shù)轉(zhuǎn)化等。正態(tài)化的數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后需要經(jīng)過反轉(zhuǎn)還原。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布特征

對研究區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)樣本的數(shù)據(jù)預(yù)處理和異常值剔除。由表1可知，研究區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量為1.1～107.50 g/kg，平均值為20.13g/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為19.55 g/kg，變異系數(shù)為97.36%，屬中等變異，研究區(qū)內(nèi)有機(jī)質(zhì)的含量穩(wěn)定程度較低。依據(jù)全國土壤普查有機(jī)質(zhì)分級表結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)68.94%的土壤樣品屬于中等及以下水平，僅有17.64%的樣點(diǎn)屬于第1和第2等級，土壤有機(jī)質(zhì)含量處于一個(gè)相對較低的水平。土壤有機(jī)質(zhì)的偏度為2.295，峰度為5.524，均>1，土壤有機(jī)質(zhì)原始數(shù)據(jù)不符合使用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的前提。因此，將土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自然對數(shù)轉(zhuǎn)化，能夠通過K—S正態(tài)性檢驗(yàn)(<0.05)。

表1 西北地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)基本統(tǒng)計(jì)信息

運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)軟件GS+9.0中的半方差函數(shù)分析模塊，對西北地區(qū)及各省土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(表2)，球狀模型模擬效果最好，決定系數(shù)最大為0.955，而殘差(RSS)最小，為0.019；高斯模型模擬結(jié)果次之，線性模型的決定系數(shù)最低，不適用于西北地區(qū)。指數(shù)模型和高斯模型更適用于各省份間的插值。選擇最優(yōu)模型繪制出西北地區(qū)及各省份土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間分布(圖2)。

表2 西北地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)函數(shù)擬合模型及參數(shù)

由圖2可知，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量高值區(qū)有2個(gè)，分別為青海省南部、甘肅南部和新疆的伊寧市、阿勒泰市一帶；土壤有機(jī)質(zhì)含量低值區(qū)也有2個(gè)，分別為新疆南疆的塔里木盆地和陜西榆林市北部。有機(jī)質(zhì)含量分布則呈現(xiàn)出2個(gè)趨向。從陜北、銀川至陜南、甘肅南，有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)出梯級增加的趨向；在新疆范圍內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)出由中心區(qū)域向邊界遞增的同心圓分布趨向。

新疆由天山山脈分為南疆與北疆2個(gè)區(qū)域，新疆有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)北高南低的趨勢。青海省有機(jī)質(zhì)含量高值區(qū)位于青南，有機(jī)質(zhì)含量最高達(dá)到50 g/kg以上，青海省西北部主要是柴達(dá)木盆地，有機(jī)質(zhì)含量明顯低于青南。最低僅有5 g/kg。甘肅省有機(jī)質(zhì)高值區(qū)位于甘南、隴南；低值區(qū)位于酒泉市。寧夏自治區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)范圍在5～23 g/kg，其分布隨緯度的降低而增加的，由西向南逐漸增加。陜西省土壤有機(jī)質(zhì)低值區(qū)位于陜西北部，有機(jī)質(zhì)含量低于12 g/kg，隨著緯度降低，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸增加，陜南地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量高。

圖2 西北地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量分布

2.2 土壤有機(jī)質(zhì)的分布影響因素

2.2.1 降水與海拔高度對土壤有機(jī)質(zhì)的影響 由圖3可知，西北地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量隨海拔高度和降水的變化，整體上西北地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量是與高程和降水呈正相關(guān)關(guān)系。降水為100～400 mm，有機(jī)質(zhì)與降水基本呈線性關(guān)系，由于隨著降水量的增加，植被更豐富，群落更加復(fù)雜，因而有機(jī)質(zhì)含量也逐漸增加。當(dāng)降水>400 mm后，降水對有機(jī)質(zhì)的影響逐漸變小，當(dāng)降水量進(jìn)一步增加時(shí)，降水對有機(jī)質(zhì)的影響逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2.2 土壤類型對土壤有機(jī)質(zhì)的影響 西北地區(qū)土壤類型多、分布廣，主要土壤類型有風(fēng)沙土、棕漠土、草氈土、寒鈣土、灰棕漠土、棕鈣土、寒凍土、黃綿土等。其中，寒鈣土、寒凍土、冷鈣土、石質(zhì)土所在地區(qū)人跡罕至，樣本數(shù)量較少，不足以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，不予討論。除去以上4種土壤類型外，按照面積大小在西北地區(qū)選取16種典型土壤進(jìn)行分析(圖4)。在16類典型土壤類型中，灰褐土的平均有機(jī)質(zhì)含量最大，為57.51 g/kg；風(fēng)沙土的有機(jī)質(zhì)含量最小，僅為3.89 g/kg，不同土壤類型平均土壤有機(jī)質(zhì)最大值和最小值相差達(dá)到14.78倍。土壤有機(jī)質(zhì)的變異系數(shù)變化范圍為14.70%～95.39%，平均變異系數(shù)為57.58%，屬中等變異程度。有機(jī)質(zhì)水平達(dá)到豐富及以上的(SOM>30 g/kg)有6類，分別為灰褐土、黑鈣土、草氈土、棕壤土、草甸土和沼澤土。有機(jī)質(zhì)平均含量達(dá)到極缺水平的土壤類型有風(fēng)沙土和棕漠土，平均有機(jī)質(zhì)含量僅有3.89，5.74 g/kg，這2種土壤面積為4 409，2 493 hm，在16類典型土壤中分別居第1和第2。其變異系數(shù)也極為接近，分別為49.87%，49.87%，屬于中等變異程度。

圖3 西北地區(qū)海拔、年降水量與土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化關(guān)系

2.2.3 土地利用類型對有機(jī)質(zhì)的影響 將研究區(qū)土地分為4種主要類型，分別為耕地、林地、草地、未利用土地(圖5)。西北地區(qū)不同土地利用方式的土壤有機(jī)質(zhì)含量之間存在著顯著差異(<0.01)。就有機(jī)質(zhì)含量均值來說，草地>林地>耕地>未利用土地，有機(jī)質(zhì)均值最高的草地為29.00 g/kg，最低的未利用土地僅為10.70 g/kg。草地與林地之間平均土壤有機(jī)質(zhì)含量無顯著性差異。耕地有機(jī)質(zhì)含量呈中等。

2.2.4 有機(jī)質(zhì)影響因素逐步回歸分析 采用逐步回歸分析方法，以上述4個(gè)因素為自變量，以土壤有機(jī)質(zhì)含量為因變量，建立回歸預(yù)測模型。由表3可知，對土壤有機(jī)質(zhì)影響最大的是海拔，其次是降水。土壤類型和土地利用類型屬于被排除的變量，對有機(jī)質(zhì)的影響相對較小。模型中Pearson相關(guān)系數(shù)為0.49，說明海拔和降水能夠解釋土壤有機(jī)質(zhì)變化的49%。4個(gè)變量能夠解釋有機(jī)質(zhì)變化的57%。

注：框圖中□表示均值；—表示中位數(shù)；◇表示數(shù)據(jù)點(diǎn)；-表示上、下界。下同。

圖5 西北地區(qū)不同土地利用類型土壤分布和有機(jī)質(zhì)均值含量

表3 逐步回歸模型參數(shù)

3 討 論

土壤是一個(gè)時(shí)空連續(xù)的自然變異體，具有空間的高度變異性，受多種因素影響。新疆天山山脈阻隔來自大西洋的水汽進(jìn)入南疆，導(dǎo)致植被覆蓋少，荒漠居多，使得有機(jī)質(zhì)含量南低北高。柴達(dá)木盆地周圍因高山阻擋，水汽無法進(jìn)入形成降水，植被覆蓋少，荒漠居多，有機(jī)質(zhì)含量整體偏低。青海省南部海拔高峻，向東傾斜呈梯型下降，低溫抑制了有機(jī)質(zhì)的礦化，土壤有機(jī)質(zhì)含量偏高。甘肅省有機(jī)質(zhì)南高北低，與甘肅復(fù)雜多樣的地貌特征有關(guān)。楊帆等研究發(fā)現(xiàn)，寧夏土壤有機(jī)質(zhì)平均含量低，僅為13.61 g/kg。陜西有機(jī)質(zhì)由南至北由東至西大致呈降低趨勢，與本文的結(jié)果基本一致。

楊東等研究表明，低海拔地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量略高于高海拔地區(qū)，但其研究是基于縣域范圍的研究結(jié)果，與大尺度研究存在一定差異。鐘聰?shù)妊芯勘砻?，在大尺度范圍?nèi)海拔與有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系。降水增加使得植被初級生產(chǎn)力增加，植物適宜生存的條件增加，使得有機(jī)質(zhì)含量較高。而當(dāng)降水的進(jìn)一步增加時(shí)，通過構(gòu)建土壤表層微生物群落加速了表土中有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化率。

土壤類型對有機(jī)質(zhì)含量的影響一方面來源于成土母質(zhì)，另一方面，來自于土壤本身的理化性質(zhì)。不同土壤類型的有機(jī)質(zhì)含量也存在著巨大的差異，有研究表明，鹽土、風(fēng)沙土、黃壤土的有機(jī)質(zhì)含量較低，而草甸土、褐土等有機(jī)質(zhì)含量高，本文研究結(jié)果與前人結(jié)果一致。

非耕地的土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于耕地，高值區(qū)主要分布在草地和林地，與本文的研究結(jié)果一致。森林和草原生態(tài)系統(tǒng)有大量凋落物輸入，受到較少的人為擾動(dòng)，在西北地區(qū)，森林草原主要分布在溫度較低的高海拔地區(qū)，進(jìn)一步限制了有機(jī)質(zhì)的分解。耕地主要分布在降水較豐富，地形相對較為平坦的平原、河谷、盆地，具有較好水熱條件，經(jīng)過人為種植作物，有機(jī)質(zhì)逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，其變異性也逐漸變低。西北地區(qū)未利用土地多處在干旱荒漠地區(qū)，干旱荒漠區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)總體水平較低，未利用土地總體水平較低，變異性也較弱。

4 結(jié) 論

(1)西北地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，呈中等程度變異，變化范圍為1.10～107.50 g/kg，均值為20.13 g/kg，不考慮各項(xiàng)變異性，土壤有機(jī)質(zhì)半變異方差函數(shù)的最佳擬合模型為球狀模型。

(2)西北地區(qū)表層土壤有機(jī)質(zhì)分布呈現(xiàn)2個(gè)趨勢，以祁連山脈為界，研究區(qū)東部區(qū)域從寧夏、陜北至甘南、陜南，有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)出梯級增加趨勢；研究區(qū)西部有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)出由新疆塔里木盆地中心區(qū)域向邊界遞增的同心圓分布。

(3)降水、海拔對土壤有機(jī)質(zhì)具有顯著影響，呈正相關(guān)關(guān)系。不同土壤類型的土壤有機(jī)質(zhì)含量具有顯著差異。土地利用類型對土壤有機(jī)質(zhì)分布有顯著影響，有機(jī)質(zhì)含量草地>林地>耕地>未利用土地，草地和林地的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于耕地和未利用土地，草地與林地之間無顯著性差異。海拔和降水是影響土壤有機(jī)質(zhì)的主要因素，能解釋49%的有機(jī)質(zhì)變化。