拉薩河流域中下游洪積扇土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)

張子琦，焦菊英,*，陳同德,3，陳玉蘭，林 紅，徐 倩，程玉卓，趙文婷

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所 / 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100；3 青海民族大學(xué)政治與公共管理學(xué)院，青海西寧 810007）

土壤是人類賴以生存的物質(zhì)支撐，是植物獲取生長(zhǎng)所需水分和養(yǎng)分的來源[1]。近年來由于氣候變化及人口數(shù)量的增加，引起的人地矛盾日益突出，土地利用強(qiáng)度的不斷加大導(dǎo)致土壤質(zhì)量持續(xù)降低。土壤質(zhì)量是土壤肥力質(zhì)量、土壤環(huán)境質(zhì)量和土壤健康質(zhì)量3方面的綜合維度[2]，其中土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容，其直接反映了土壤為植物供給水分和養(yǎng)分的能力，而土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)則是土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容[3]。

土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)的核心是評(píng)價(jià)方法的選取，直接決定了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。國內(nèi)外已有眾多學(xué)者將不同的方法運(yùn)用于不同區(qū)域、不同尺度的土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)當(dāng)中，這些方法的差異集中于各養(yǎng)分指標(biāo)權(quán)重的獲取，以及將各養(yǎng)分指標(biāo)綜合的數(shù)學(xué)模型的選擇[4–8]。目前評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的獲取方法主要分為兩類，一類是主觀賦權(quán)法，即由專家根據(jù)其知識(shí)體系、工作經(jīng)驗(yàn)以及評(píng)價(jià)目的等確定各指標(biāo)的重要性程度，然后給予相應(yīng)的權(quán)重，例如層次分析法[9]。雖然其評(píng)價(jià)結(jié)果貼近實(shí)際狀況，但主觀隨意性強(qiáng)，缺乏普適性；另一類是客觀賦權(quán)法，即是通過一系列的數(shù)學(xué)算法計(jì)算出原始數(shù)據(jù)之間的客觀差異及相互的影響程度，從而確定指標(biāo)權(quán)重，例如熵權(quán)法[10]、主成分分析法[11]等，其優(yōu)點(diǎn)是適用性廣。以主成分分析法確定指標(biāo)權(quán)重的客觀賦權(quán)法一方面可靠性高，另一方面其既能體現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要性，又能體現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的差異性[12]。土壤養(yǎng)分是一個(gè)多指標(biāo)體系，每一特定指標(biāo)只能反映出土壤養(yǎng)分水平的某一側(cè)面，而且各指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果往往是不相同的。目前將多個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)集成然后進(jìn)行土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型，主要有模糊數(shù)學(xué)[13–14]、BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[15–16]、物元模型[17–18]等，不同模型各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用尺度與精度也存在差異。其中，物元分析是我國學(xué)者蔡文于20世紀(jì)80年代首創(chuàng)的一種研究解決不相容問題的方法，其基本內(nèi)容是對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)區(qū)間界定，通過單指標(biāo)的關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算得到單指標(biāo)的等級(jí)，再通過模型集成得到多指標(biāo)的綜合等級(jí)[19]。運(yùn)用物元模型進(jìn)行土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)的優(yōu)點(diǎn)是，其不僅能計(jì)算某一地點(diǎn)的土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)，而且能得出單個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的等級(jí)，從而可以驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，目前物元模型已成功應(yīng)用于不同區(qū)域的土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)[17–20]。

拉薩河流域是藏南及喜馬拉雅中段生態(tài)安全屏障區(qū)的經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)發(fā)展亞區(qū)，也是“一江兩河”地區(qū)土地沙化和水土流失的重點(diǎn)治理區(qū)[21]。隨著全球氣候的變化以及人口數(shù)量的不斷增加，人地矛盾日益突出，洪積扇逐漸成為拉薩河流域中下游人類生產(chǎn)生活的重要場(chǎng)所[22]。為營(yíng)造可持續(xù)優(yōu)質(zhì)牧場(chǎng)、建設(shè)高質(zhì)量基本農(nóng)田，實(shí)現(xiàn)洪積扇土地資源的合理化利用，本研究通過對(duì)拉薩河流域中下游洪積扇草地、灌叢和農(nóng)田土壤養(yǎng)分指標(biāo)含量的測(cè)定，基于主成分分析確定各養(yǎng)分指標(biāo)的權(quán)重，應(yīng)用物元模型對(duì)拉薩河流域中下游洪積扇土壤養(yǎng)分狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為后續(xù)制定科學(xué)合理的洪積扇土地管理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

拉薩河發(fā)源于念青唐古拉山脈中段北側(cè)的羅布如拉，沿途流經(jīng)墨竹工卡縣、達(dá)孜區(qū)，最后經(jīng)過拉薩市，在拉薩市曲水縣匯入雅魯藏布江。拉薩河的干流呈一個(gè)巨大的“S”形，從東北向西南伸展，全長(zhǎng) 568 km，流域面積 31760 km2，平均海拔 5200 m，是雅魯藏布江的5大支流之一。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷母咴瓬貛О敫珊导撅L(fēng)氣候，位于 29°20′～31°15′N、90°05′～93°20′E，氣候寒冷干燥，1 月份平均氣溫為0℃，7月份平均氣溫為17℃，年平均降雨量為400～500 mm，在冬末和春天風(fēng)暴頻繁。中下游洪積扇發(fā)育廣泛，植物種豐富，如金露梅 (Potentilla fruticosa)、扁刺峨眉薔薇 (Rosa omeiensis f.pteracantha)、牛筋草 (Eleusine indica)、火絨草(Leontopodium leontopodioides)、披堿草 (Elymus dahuricus)等。土壤類型以草氈土、草甸土及黑氈土為主，還包括寒凍土、棕冷鈣土和沼澤土等多種土壤類型，各類型土壤中均含有較多的石礫[23]。

1.2 土壤樣品采集及養(yǎng)分含量測(cè)定

野外采樣前，在室內(nèi)通過Google Earth對(duì)拉薩河流域中下游的洪積扇進(jìn)行提取與選擇，綜合考慮洪積扇的空間分布和土地利用，結(jié)合實(shí)地情況，最終選取了拉薩河流域中下游的20個(gè)典型洪積扇作為調(diào)查對(duì)象 (圖1)，其主要分布于堆龍德慶、當(dāng)雄、林周和墨竹工卡4縣區(qū)轄區(qū)內(nèi)。于2019年和2020年7—8月分別進(jìn)行了野外調(diào)查，調(diào)查過程中按洪積扇的上中下布設(shè)樣點(diǎn)，綜合考慮洪積扇植被的分布狀況，共布設(shè)321個(gè)樣點(diǎn)，其中自然草地樣點(diǎn)224個(gè)，灌叢樣點(diǎn)52個(gè)，農(nóng)田樣點(diǎn)45個(gè)，各洪積扇的基本信息及對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)的數(shù)量見表1。土壤樣本采集時(shí)按照S形取樣法采取表層0—20 cm土壤，將土樣混合均勻裝入布袋，記錄各樣點(diǎn)的經(jīng)緯度及海拔。帶回室內(nèi)去除植物根系和石塊后放在實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，風(fēng)干后將土樣均勻分為2份，一份過1 mm篩，用于土壤堿解氮 (AN)、有效磷 (AP)和速效鉀 (AK)的測(cè)定，另外一份過0.149 mm篩，用于土壤有機(jī)質(zhì) (OM)、全氮 (TN)、全磷 (TP)和全鉀 (TK)的測(cè)定。土壤養(yǎng)分指標(biāo)的測(cè)定參考《土壤農(nóng)化分析》[24]，土壤OM采用K2Cr2O4容量法測(cè)定；土壤TN用全自動(dòng)定氮儀 (型號(hào)：福斯Kjetltec8400)測(cè)定；土壤TP用AA3全自動(dòng)連續(xù)流動(dòng)分析儀 (Seal AA3，產(chǎn)地：德國)測(cè)定；土壤TK用火焰光度計(jì) (上海分析儀器有限公司FP640)測(cè)定；土壤AN用堿解擴(kuò)散法 (國標(biāo))測(cè)定；土壤AP用UV-1780紫外分光度計(jì) (島津)測(cè)定；土壤AK用火焰光度計(jì) (上海分析儀器有限公司 FP6410)測(cè)定。

圖1 洪積扇分布圖Fig.1 Distribution map of sampling points

表1 各洪積扇基本信息及采樣點(diǎn)數(shù)Table 1 Basic information and the number of sampling points in alluvial fans

1.3 數(shù)據(jù)分析

通過物元模型綜合土壤養(yǎng)分各指標(biāo)對(duì)土壤養(yǎng)分狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。物元模型的基本組成有基本元、經(jīng)典域物元和節(jié)域物元。其中，基本元是由待評(píng)價(jià)事物、目標(biāo)特征以及特征量值構(gòu)成的矩陣，是待評(píng)價(jià)事物在物元模型中的基本形式；經(jīng)典域物元是由標(biāo)準(zhǔn)事物、目標(biāo)特征以及標(biāo)準(zhǔn)事物的目標(biāo)特征所包含的量值區(qū)間 (經(jīng)典域)構(gòu)成的矩陣；節(jié)域物元為經(jīng)典域物元的擴(kuò)充，其包含了標(biāo)準(zhǔn)事物以及可轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的事物。物元模型的基本運(yùn)算過程如下：判斷基本元的特征量值是否屬于經(jīng)典域物元的量值區(qū)間，屬于則直接通過關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算等級(jí)關(guān)聯(lián)度，不屬于則需經(jīng)過節(jié)域修正，再通過關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算等級(jí)關(guān)聯(lián)度；得到單指標(biāo)的等級(jí)關(guān)聯(lián)度之后，將其加權(quán)平均得到綜合關(guān)聯(lián)度，最后根據(jù)綜合關(guān)聯(lián)度輸出評(píng)價(jià)結(jié)果[25]。

1.3.1 物元模型的構(gòu)建及各養(yǎng)分指標(biāo)等級(jí)關(guān)聯(lián)度的計(jì)算 本研究物元模型中的基本元是由土壤樣本N、土壤養(yǎng)分指標(biāo)ck和實(shí)測(cè)指標(biāo)量值vk構(gòu)成的矩陣，共選取土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀7個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)對(duì)土壤養(yǎng)分水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，基本元R可以表示為：

其中，N為待評(píng)價(jià)的土壤樣本；ck為土壤養(yǎng)分指標(biāo)；vk為土壤養(yǎng)分指標(biāo)ck的實(shí)測(cè)量值；k=1,2,···,7，分別對(duì)應(yīng)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀。

經(jīng)典域物元是由土壤養(yǎng)分指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)N0j，土壤養(yǎng)分指標(biāo)ck及其對(duì)應(yīng)等級(jí)的量值區(qū)間所構(gòu)成的矩陣，標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)N0j根據(jù)全國第二次土壤普查的土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[26]劃分，具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2。經(jīng)典域物元R0j可以表示為：

其中，N0j代表土壤養(yǎng)分指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，j=1,2,···,6；N0j分別對(duì)應(yīng)表2中土壤養(yǎng)分指標(biāo)的Ⅰ～Ⅵ級(jí)；X0jk為j等級(jí)的k指標(biāo)ck對(duì)應(yīng)的量值區(qū)間，其值為(a0jk，b0jk)，如表2中Ⅱ級(jí)土壤有機(jī)質(zhì)所對(duì)應(yīng)的量值區(qū)間為 (30，40)。

表2 全國第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Soil nutrient classification standards of the second national soil survey

節(jié)域物元是由土壤養(yǎng)分指標(biāo)等級(jí)P、土壤養(yǎng)分指標(biāo)ck及其量值區(qū)間所構(gòu)成的矩陣，其中P包含了上述土壤養(yǎng)分指標(biāo)的6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，量值區(qū)間為上述土壤養(yǎng)分指標(biāo)的6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)對(duì)應(yīng)量值區(qū)間的集合，節(jié)域物元Rp可以表示為：

其中，P為土壤養(yǎng)分指標(biāo)等級(jí)；Xpk為P關(guān)于土壤養(yǎng)分指標(biāo)ck的量值區(qū)間，其值為 (apk，bpk)，例如本研究節(jié)域物元中土壤全氮的量值區(qū)間為 (0，18)，其為全氮的6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)對(duì)應(yīng)量值區(qū)間的集合。

物元模型中通過計(jì)算待評(píng)土壤樣本的養(yǎng)分指標(biāo)值與標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)養(yǎng)分指標(biāo)量值區(qū)間之間的距離 (等級(jí)關(guān)聯(lián)度)，來判斷待評(píng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的等級(jí)，等級(jí)關(guān)聯(lián)度Kj(ck)的計(jì)算如下：

式中，P(vk，Xojk)為土壤養(yǎng)分指標(biāo)ck的實(shí)測(cè)量值vk與該指標(biāo)經(jīng)典域物元中標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的量值區(qū)間之間的距離；P(vk，Xpk) 為土壤養(yǎng)分指標(biāo)ck的實(shí)測(cè)量值vk與該指標(biāo)節(jié)域物元中的量值區(qū)間之間的距離；Kj(ck)為土壤養(yǎng)分指標(biāo)ck關(guān)于評(píng)價(jià)等級(jí)j的單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，Kj(ck)∈R。當(dāng)Kj(ck)=max[Kj(ck)]時(shí)，待評(píng)價(jià)土壤樣本的養(yǎng)分指標(biāo)ck屬于等級(jí)j。

土壤養(yǎng)分各指標(biāo)對(duì)土壤總體養(yǎng)分水平的貢獻(xiàn)程度不同，因此將各指標(biāo)綜合時(shí)需給予其相應(yīng)的權(quán)重，通過對(duì)土壤樣本各指標(biāo)等級(jí)關(guān)聯(lián)度的加權(quán)平均，得到土壤樣本養(yǎng)分等級(jí)與其標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)分等級(jí)之間的距離，該距離稱為綜合關(guān)聯(lián)度，則其綜合關(guān)聯(lián)度[Kj(N)]可以表示為：

其中，Wk為土壤養(yǎng)分各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，k=1,2,···,7，分別對(duì)應(yīng)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀；Kj(N)為待評(píng)土壤樣本N和等級(jí)j的綜合關(guān)聯(lián)度。當(dāng)Kj(N)=max[Kj(N)]時(shí)，待評(píng)價(jià)土壤樣本N的綜合評(píng)價(jià)等級(jí)屬于j。當(dāng)Kj(N)

1.3.2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)權(quán)重Wk計(jì)算 本研究采用主成分分析法計(jì)算土壤養(yǎng)分各指標(biāo)的權(quán)重。首先通過KMO和Bartlett檢驗(yàn)確定本研究中的各養(yǎng)分指標(biāo)是否適用于主成分分析。經(jīng)過分析，本研究中各土壤養(yǎng)分指標(biāo)的KMO值為0.690，且其Bartlett檢驗(yàn)顯著性小于0.05 (n＝21)；此外，各土壤養(yǎng)分指標(biāo)之間存在不同程度的相關(guān)性 (圖2)，因此可以用主成分分析計(jì)算本研究中各養(yǎng)分指標(biāo)的權(quán)重。指標(biāo)權(quán)重是基于各主成分的方差貢獻(xiàn)率，對(duì)該指標(biāo)在各主成分線性組合中系數(shù)的加權(quán)平均值歸一化，本研究中土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀指標(biāo)權(quán)重分別為0.1448、0.1760、0.1245、0.1604、0.1726、0.1012和 0.1204。

圖2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)之間的相關(guān)性Fig.2 Correlations between soil nutrient indexes

1.3.3 實(shí)例試算 以樣點(diǎn)1-草-1為例，將其各養(yǎng)分指標(biāo)值導(dǎo)入物元模型 (表3)，計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 樣點(diǎn)1-草地-1土壤物元模型Table 3 Soil matter-element model of sample point 1-caodi-1

表4 樣點(diǎn)1-草地-1土壤養(yǎng)分指標(biāo)與各養(yǎng)分等級(jí)的關(guān)聯(lián)度Table 4 Relevancy degrees between soil nutrient indexes and nutrient grades at sample point 1-caodi-1

1.3.4 洪積扇土壤養(yǎng)分等級(jí)計(jì)算 本研究將洪積扇草地、灌叢和農(nóng)田土壤樣點(diǎn)與各等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度進(jìn)行面積加權(quán)，從而得到各洪積扇與相應(yīng)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(H)。

式中，Wg、Ws和Wc分別為根據(jù)草地、灌叢和農(nóng)田的面積計(jì)算出的權(quán)重值；Kj(Hg)、Kj(Hs)和Kj(Hc)分別為草地、灌叢和農(nóng)田樣點(diǎn)綜合關(guān)聯(lián)度的均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究采用Duncan顯著性檢驗(yàn)，分析不同植被類型下土壤養(yǎng)分含量之間的差異 (P<0.05為差異顯著)；通過單因素方差分析 (One-way ANOVA)，研究不同植被類型下土壤養(yǎng)分含量的差異以及不同等級(jí)洪積扇的環(huán)境因子之間的差異 (P<0.05為差異顯著)；通過因子分析確定不同養(yǎng)分指標(biāo)對(duì)土壤養(yǎng)分總體水平的貢獻(xiàn)率；通過Spearman相關(guān)性分析確定環(huán)境因子對(duì)土壤養(yǎng)分等級(jí)的影響程度。

本研究中，除野外調(diào)查獲得的數(shù)據(jù)外，拉薩河流域中下游洪積扇各樣點(diǎn)的年平均降雨量[27]、年平均溫度[28]和土壤類型[29]數(shù)據(jù)均來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心；洪積扇各樣點(diǎn)的坡度數(shù)據(jù)基于ALOS 12.5M DEM計(jì)算得到；洪積扇土壤養(yǎng)分指標(biāo)含量的描述性統(tǒng)計(jì)及相關(guān)分析均通過SPSS 26.0軟件完成；圖文件通過 Arc GIS 10.2 和 Origin 2021b 軟件制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 洪積扇土壤養(yǎng)分含量

從本研究321個(gè)樣點(diǎn)的土壤養(yǎng)分各指標(biāo)含量(表5)和在Ⅰ～Ⅵ級(jí)中的占比(圖3)可以看出，洪積扇土壤有機(jī)質(zhì)的含量為2.65～314.57 g/kg，在不同植被類型中的含量表現(xiàn)為草地>灌叢>農(nóng)田 (P>0.05)，僅有3.43%的樣點(diǎn)等級(jí)為Ⅴ和Ⅵ級(jí)，土壤有機(jī)質(zhì)含量貧乏或極貧乏；土壤全氮的含量為0.14～17.55 g/kg，在不同植被類型中的含量表現(xiàn)為草地>灌叢>農(nóng)田(P>0.05)，82.55%的樣點(diǎn)土壤全氮含量等級(jí)為Ⅰ～Ⅲ級(jí)，土壤全氮含量極豐富、豐富或較豐富，9.97%的樣點(diǎn)土壤全氮含量等級(jí)在Ⅳ級(jí)以下；土壤全磷含量為0.04～2.06 g/kg，在不同植被類型中的含量表現(xiàn)為草地>農(nóng)田>灌叢 (P>0.05)，等級(jí)為Ⅲ和Ⅳ級(jí)的樣點(diǎn)占62.93%，土壤全磷含量較豐富或適宜，但也有15.89%的樣點(diǎn)等級(jí)為Ⅳ級(jí)以下，土壤全磷含量貧乏或極貧乏；土壤全鉀含量為7.71～25.57 g/kg，在不同植被類型中的含量表現(xiàn)為農(nóng)田>草地>灌叢(P>0.05)，僅有0.31%的樣點(diǎn)等級(jí)為Ⅴ級(jí)，土壤全鉀含量貧乏，無Ⅵ級(jí)，并且有88.16%的樣點(diǎn)等級(jí)為Ⅱ和Ⅲ級(jí)，土壤全鉀含量豐富或較豐富；土壤堿解氮含量為7.70～358.56 mg/kg，在不同植被類型中的含量表現(xiàn)為草地>農(nóng)田>灌叢農(nóng)田 (P>0.05)，46.42%的樣點(diǎn)堿解氮等級(jí)為Ⅴ和Ⅵ級(jí)，土壤堿解氮含量貧乏或極貧乏；土壤有效磷含量為0.12～342.50 mg/kg，在不同植被類型中的含量表現(xiàn)為農(nóng)田>草地>灌叢 (P<0.05)，48.60%的樣點(diǎn)有效磷等級(jí)為Ⅴ和Ⅵ級(jí)，有效磷含量貧乏或極貧乏；土壤速效鉀含量為17～1350 mg/kg，在不同植被類型中的含量表現(xiàn)為草地>農(nóng)田>灌叢 (P>0.05)，66.67%的樣點(diǎn)速效鉀等級(jí)為Ⅲ和Ⅳ級(jí)，僅有15.26%的樣點(diǎn)速效鉀等級(jí)在Ⅳ級(jí)以下，速效鉀含量較豐富或適宜。相對(duì)于土壤全氮和全磷，土壤堿解氮和有效磷等級(jí)為Ⅴ和Ⅵ級(jí)的樣點(diǎn)占比分別增加了36.45%和32.71%。不同植被類型中也均存在相似的現(xiàn)象，草地、灌叢和農(nóng)田堿解氮等級(jí)為Ⅴ和Ⅵ級(jí)的樣點(diǎn)占比相對(duì)于全氮分別增加了35.71%、36.54%和40%，草地和灌叢全磷等級(jí)為Ⅴ和Ⅵ級(jí)的樣點(diǎn)占比相對(duì)于全磷分別增加了38.84%和40.38%。

圖3 土壤養(yǎng)分指標(biāo)各等級(jí)占比Fig.3 Proportions of soil nutrient indexes in different grades

表5 拉薩河流域中下游洪積扇土壤養(yǎng)分含量Table 5 Soil nutrient contents of the alluvial fans in the middle and lower reaches of the Lhasa River Basin

2.2 土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)

本研究基于主成分分析確定指標(biāo)權(quán)重，再通過物元模型計(jì)算土壤養(yǎng)分的綜合評(píng)價(jià)等級(jí)(圖4和圖5)。61.99%的樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)在Ⅳ級(jí)以上，土壤養(yǎng)分含量充足，土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ和Ⅵ級(jí)的樣點(diǎn)在各洪積扇有零星分布，而分別位于曲水縣中南部和東北部的洪積扇11和13、位于拉薩市達(dá)孜區(qū)西部的洪積扇16的樣點(diǎn)相對(duì)較多，土壤養(yǎng)分水平相對(duì)較低；洪積扇草地、灌叢和農(nóng)田中Ⅳ級(jí)以上的樣點(diǎn)分別占63.84%、55.77%和60%。不同植被類型樣點(diǎn)等級(jí)的分布特征相似，均主要分布在Ⅲ和Ⅳ級(jí)，草地、灌叢和農(nóng)田樣點(diǎn)分別有60.71%、65.38%和68.89%。土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅵ級(jí)的土壤其堿解氮含量均為貧乏或極貧乏，而全磷和全鉀含量則相對(duì)充足 (表6)。

圖4 土壤樣點(diǎn)各等級(jí)占比Fig.4 Proportion of soil sample in different grades

表6 土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅵ級(jí)的樣點(diǎn)各養(yǎng)分等級(jí)Table 6 Each soil nutrient grade in sample points of soil nutrient comprehensive evaluation grade Ⅵ

圖5 洪積扇土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)分布圖Fig.5 Comprehensive evaluation grade distribution of soil nutrients in the alluvial fan

進(jìn)一步對(duì)各養(yǎng)分因子進(jìn)行主成分分析，提取特征值大于1的3個(gè)主成分，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)79.36%，可以得出土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和堿解氮對(duì)土壤養(yǎng)分總體水平的貢獻(xiàn)率最大 (表7)。此外，Spearman相關(guān)性分析結(jié)果 (表8)顯示，海拔和年平均降雨量與土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)極顯著負(fù)相關(guān) (P<0.01)，年平均溫度和土壤類型與土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)極顯著正相關(guān) (P<0.01)，坡度和植被類型與土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)相關(guān)性不顯著 (P>0.05)。

表7 因子載荷矩陣Table 7 Factor load matrix

表8 土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)與環(huán)境因子的相關(guān)性Table 8 Correlations between comprehensive evaluation grades of soil nutrients and environmental factors

2.3 洪積扇的土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)

從本研究中20個(gè)洪積扇的土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(表9)可以看出，洪積扇4的土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，土壤養(yǎng)分含量極豐富；洪積扇13的土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅵ級(jí)，土壤養(yǎng)分含量極貧乏；洪積扇2、5、6、7、8、10、17、19、20的土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，土壤養(yǎng)分含量較豐富；洪積扇 1、3、9、11、12、14、15、16、18 的土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅳ級(jí)，土壤養(yǎng)分含量適宜。首先，洪積扇4的年平均降雨量位于626.00～642.80 mm，在拉薩河流域?qū)儆诮涤炅肯鄬?duì)充沛的地區(qū) (圖6a)，地面植被發(fā)育良好，返還給土壤更多的有機(jī)質(zhì)，從而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量豐富。其次，洪積扇4僅包含棕黑氈土一種土壤 (圖6d)，該土種常位于陽坡，光照充足，氣候較同海拔其他區(qū)域溫和，植被返青早，生長(zhǎng)速度也快。此外，洪積扇4位于墨竹工卡縣的西北部，遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)且交通不便，人類足跡少，從而減輕了當(dāng)?shù)爻Ｒ姷挠煽撤ス鄥?、過度放牧等引起的植被退化現(xiàn)象。洪積扇13的氣候較暖干 (圖6b，c)，年平均降雨僅有469.50 mm，年平均氣溫大約為9.30℃。土壤主要為棕冷鈣土，該土種土層深厚，礫石量少，質(zhì)地粘重，曬干后易板結(jié)，故植被發(fā)育較差，土壤養(yǎng)分含量極貧乏。由不同等級(jí)洪積扇環(huán)境因子間的單因素方差分析結(jié)果(表10)可知，土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅲ、Ⅳ和Ⅵ級(jí)的洪積扇的海拔和年平均降雨量逐級(jí)顯著降低 (P<0.05)，年平均氣溫逐級(jí)顯著升高 (P<0.05)，說明區(qū)域海拔越低，氣候趨于相對(duì)暖干，其土壤養(yǎng)分含量越貧乏。坡度僅在土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅲ和Ⅵ級(jí)的洪積扇之間差異顯著，而坡度又與土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)等級(jí)不相關(guān) (P>0.05)，說明坡度對(duì)本研究中洪積扇土壤養(yǎng)分水平的影響不大。

表9 洪積扇的土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)Table 9 Comprehensive evaluation grades of soil nutrients in the alluvial fan

表10 不同等級(jí)洪積扇環(huán)境因子間的單因素方差分析Table 10 One-way ANOVA of environmental factors of alluvial fans at different grades

圖6 拉薩河流域環(huán)境因子分布圖Fig.6 Distribution map of environmental factors in the Lhasa River Basin

3 討論

3.1 拉薩河流域中下游洪積扇土壤養(yǎng)分狀況

本研究的321個(gè)樣點(diǎn)中，洪積扇土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量貧乏或極貧乏的樣點(diǎn)占比均不到10%，這可能是由以下3方面因素引起的。首先，洪積扇是由暫時(shí)性流水形成的堆積地貌，洪積物中包含著上游溝道及溝坡表層中的土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分物質(zhì)，后來成為洪積扇表層土壤的主要構(gòu)成部分，因此養(yǎng)分含量豐富[30]。其次，調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)洪積扇植被生長(zhǎng)發(fā)育良好，覆蓋度高，枯落物層厚，因而土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富。第三，洪積扇土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量高也有氣候方面的原因，近年來由于農(nóng)業(yè)中化肥的廣泛使用和化石燃料燃燒的增加，導(dǎo)致全球氮沉降的增加[31]，而青藏高原獨(dú)特的地理位置及其高海拔使得對(duì)N沉降的響應(yīng)更為敏感，其氮沉降量可達(dá)0.40～1.38 g/(m2·a)[32]。土壤磷和鉀元素主要來自于土壤母質(zhì)及其巖石的風(fēng)化，而西藏地區(qū)土壤母質(zhì)中缺磷富鉀[33]，因此洪積扇土壤中的鉀元素含量充足，僅有0.31%和15.26%的樣點(diǎn)土壤全鉀和速效鉀等級(jí)在Ⅳ級(jí)以下；而洪積扇土壤有效磷等級(jí)在Ⅴ和Ⅵ級(jí)的樣點(diǎn)占48.60%，有效磷含量貧乏或極貧乏。但仍然有51.40%的樣點(diǎn)土壤有效磷等級(jí)在Ⅳ級(jí)及以上，這可能與磷元素的表聚效應(yīng)有關(guān)[34]，洪積扇植被生長(zhǎng)發(fā)育良好，覆蓋度高，由于表層土壤不能滿足植物對(duì)磷元素的需求，使得植物從更深層的土壤中獲取磷，而植物死亡后其殘?bào)w分解，磷元素在表層就會(huì)聚積。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)洪積扇土壤堿解氮和有效磷含量貧乏或極貧乏的樣點(diǎn)，相對(duì)于全氮和全磷其占比分別增加了36.45%和32.71%，且這種現(xiàn)象在不同植被類型下均存在，這可能與洪積扇土壤與氮、磷轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶活性較低有關(guān)[35]，未來可以就這一現(xiàn)象展開更深入的研究。

洪積扇草地土壤養(yǎng)分含量充足，共有61.99%的樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)在Ⅰ～Ⅲ級(jí)，相比于Lu等[36]調(diào)查的西藏全區(qū)高山草原土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和有效磷的含量，本研究洪積扇草地上述指標(biāo)的平均含量分別高了153.24%、21.00%、32.16%和195.91%。這一方面是由于洪積扇的形成過程使得洪積扇表層土壤的養(yǎng)分含量豐富；另一方面也與放牧強(qiáng)度有關(guān)。Du等[37]在青藏高原東部高山草甸的研究指出，自由放牧條件下表層0—10 cm土壤碳、氮、磷濃度顯著低于禁牧9年，而調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)洪積扇存在明確的輪牧區(qū)劃，利用強(qiáng)度相對(duì)較低，因此土壤養(yǎng)分較豐富。洪積扇灌叢與草地不同養(yǎng)分指標(biāo)含量之間無顯著差異 (P>0.05)，但土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀的含量均顯著低于余衛(wèi)等[38]在青藏高原灌叢草甸的調(diào)查結(jié)果，這可能與灌叢的生長(zhǎng)發(fā)育狀況有關(guān)，洪積扇灌叢多生長(zhǎng)在山腳且土壤中礫石密布，生境較差，因此土壤養(yǎng)分含量較青藏高原其他區(qū)域低。本研究中洪積扇農(nóng)田的養(yǎng)分含量較豐富，其中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮和有效磷含量與鮮林霏等[39]調(diào)查的拉薩市農(nóng)田土壤養(yǎng)分平均含量差異不大，全鉀含量是其的4.5倍，但速效鉀含量?jī)H為其的53.25%，洪積扇農(nóng)田土壤速效鉀含量低可能與其鉀肥的施用量有關(guān)。

3.2 拉薩河流域中下游洪積扇土地管理建議

洪積扇土地資源的利用應(yīng)以實(shí)際土壤質(zhì)量狀況為基礎(chǔ)，綜合考慮區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，制定科學(xué)合理的土地管理政策。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和堿解氮是影響洪積扇土壤養(yǎng)分水平最主要的指標(biāo)，因此在洪積扇土地資源的開發(fā)利用過程中應(yīng)注意對(duì)上述指標(biāo)的補(bǔ)充。針對(duì)本研究中土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅲ和Ⅳ級(jí)的18個(gè)洪積扇，在其開發(fā)利用過程中一定要注重其開發(fā)利用強(qiáng)度，目前對(duì)洪積扇土地資源的開發(fā)利用主要包括放牧和作物種植兩方面。針對(duì)洪積扇牧場(chǎng)而言，補(bǔ)充土壤養(yǎng)分一個(gè)非常重要的方面是對(duì)于牛、羊糞便的利用。牛、羊糞便是一種優(yōu)良的有機(jī)肥料，可以顯著提升土壤養(yǎng)分水平[40]，而當(dāng)?shù)鼐用衲壳皩?duì)于牲畜糞便的處理，普遍是大量回收后用作燃料或圍墻的堆砌。因此在后續(xù)的土地利用過程中政府可給予一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼，減少對(duì)于牛羊糞便的回收，為牧場(chǎng)提供充足的有機(jī)肥料，從而促進(jìn)牧場(chǎng)的可持續(xù)發(fā)展。此外，不同植物種類對(duì)土壤肥力的提升效果存在差異，因此可以通過引進(jìn)優(yōu)良牧草如苜蓿，來改善和維持牧場(chǎng)的土壤肥力質(zhì)量[41]。針對(duì)洪積扇農(nóng)田而言，可以通過以下3方面的措施來維持和提升土壤養(yǎng)分水平。首先是培肥措施，西藏地區(qū)對(duì)農(nóng)田的培肥方面存在有機(jī)肥施用不完善，一味采用“多氮、少磷、少鉀”的化肥施用比例等問題[42]，應(yīng)完善施肥管理制度，以有機(jī)肥為主搭配化肥施用，化肥以磷肥為主、氮肥為輔合理配置。第二是耕作管理措施，西藏地區(qū)對(duì)農(nóng)耕管理措施還相對(duì)粗放，為追求產(chǎn)量增長(zhǎng)而種植密度很大，播種之后也很少進(jìn)行除草管理?？梢酝ㄟ^間作和輪作等措施改善種植結(jié)構(gòu)，充分利用作物秸稈，用地養(yǎng)地相結(jié)合，適當(dāng)配置糧食與經(jīng)濟(jì)作物，提高土地產(chǎn)量、產(chǎn)值及效益。第三是水利工程措施，西藏地區(qū)常因農(nóng)田在上、河流在下的分布格局而使得灌溉不便。因此，該區(qū)農(nóng)田水利工程建設(shè)既要重視大型水利工程這樣的“大動(dòng)脈”建設(shè)，也要重視田間地頭的“毛細(xì)血管”，大力推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，以渠道防滲技術(shù)、渠系配水技術(shù)為主，開展新型灌溉技術(shù)的研究與推廣，減少輸水損失，提高田間灌水的有效利用率。洪積扇4和13的植被類型均只有草地和灌叢，人類活動(dòng)以牛羊放牧為主。洪積扇4的土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，土壤養(yǎng)分含量極豐富，應(yīng)確定科學(xué)合理的放牧強(qiáng)度，嚴(yán)格管控以建立高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)產(chǎn)的模范牧場(chǎng)。而洪積扇13的土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)為Ⅵ級(jí)，土壤養(yǎng)分含量極貧乏，應(yīng)圍欄禁牧10年左右，以提升土壤肥力水平[37, 43–44]，恢復(fù)土地生產(chǎn)力。

4 結(jié)論

1)洪積扇土壤養(yǎng)分含量總體呈現(xiàn)出海拔越低、土壤養(yǎng)分含量越貧乏的分布特征。20個(gè)洪積扇中僅有1個(gè)洪積扇的土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅵ級(jí)，土壤養(yǎng)分含量極貧乏，應(yīng)圍欄禁牧10年左右以提升土壤肥力水平，恢復(fù)土地生產(chǎn)力。有9個(gè)洪積扇的土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為分別Ⅲ和Ⅳ級(jí)，土壤養(yǎng)分含量較豐富或適宜，一方面通過減少牧場(chǎng)牛羊糞便的回收以及設(shè)立圍欄來劃分輪牧區(qū)及家庭牧場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)洪積扇牧場(chǎng)土地資源的可持續(xù)發(fā)展；另一方面通過改善農(nóng)田培肥、耕作措施，建設(shè)水利工程措施以營(yíng)造洪積扇高質(zhì)量基本農(nóng)田。土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅰ級(jí)的洪積扇，土壤養(yǎng)分含量極豐富，應(yīng)確定科學(xué)合理的放牧強(qiáng)度，嚴(yán)格管控以建立高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)產(chǎn)的模范牧場(chǎng)。

2) 321個(gè)樣點(diǎn)中61.99%的樣點(diǎn)土壤綜合評(píng)價(jià)等級(jí)在Ⅳ級(jí)以上，土壤養(yǎng)分含量充足；洪積扇草地、灌叢和農(nóng)田中Ⅳ級(jí)以上的樣點(diǎn)分別占63.84%、55.77%和60%；洪積扇土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀等級(jí)在Ⅳ級(jí)以下的樣點(diǎn)，分別占3.43%、9.97%、15.89%、0.31%、46.42%、48.60%和15.26%，其中土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和堿解氮對(duì)洪積扇土壤養(yǎng)分總體水平貢獻(xiàn)最大。

3)洪積扇土壤堿解氮和有效磷含量貧乏或極貧乏的樣點(diǎn)數(shù)相較于其全量養(yǎng)分分別增加了36.45%和32.71%，并且在不同植被類型下均存在這種現(xiàn)象，這可能是由于洪積扇土壤中與氮、磷轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶活性較低引起的，未來可以就這一現(xiàn)象進(jìn)行更深入的研究。

致謝：感謝國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心 (http://data.tpdc.ac.cn)提供拉薩河流域的年平均降雨量、年平均氣溫以及土壤類型數(shù)據(jù)。