劉亞靜,劉紅健
(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210)
土壤有機(jī)碳(SOC)庫是陸地上的最大碳庫[1],碳儲(chǔ)量約是大氣碳庫的3.3倍,生物碳庫的4.5倍[2]。土壤有機(jī)碳常以各種物質(zhì)形態(tài)存在于土壤有機(jī)質(zhì)中,是土壤有機(jī)碳的主要載體,也是植物生長(zhǎng)發(fā)育的直接養(yǎng)分來源[3],農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)也能夠在較短時(shí)間尺度內(nèi)調(diào)節(jié)土壤有機(jī)碳收支狀態(tài),因此,農(nóng)業(yè)發(fā)展與土壤有機(jī)碳是相互影響,相互促進(jìn)的交互關(guān)系[4]。而土壤有機(jī)碳受空間尺度影響較大,具有顯著的空間異質(zhì)性[5],因此,對(duì)農(nóng)業(yè)區(qū)土壤有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)估,不僅能促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展,對(duì)緩解當(dāng)前氣候變暖、實(shí)現(xiàn)"碳中和"可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的國(guó)家戰(zhàn)略布局也具有重要意義。
對(duì)土壤有機(jī)碳的研究目前主要匯聚在空間分布、影響因素及土壤碳儲(chǔ)量等估算等方面??臻g分布特征主要體現(xiàn)在水平和垂直方向2個(gè)維度[3],水平特征是由外部環(huán)境等導(dǎo)致的橫向空間變異,周仕軒等[6]、王超等[7]、孫清凡等[8]分別針對(duì)黃土高原、丹霞地貌、鄱陽湖濕地等典型地貌土壤有機(jī)碳的水平分布特征進(jìn)行了研究。垂直特征主要是不同深度下有機(jī)碳的縱向空間變異,目前主要以0~20的表層土壤為主[9],隨著研究的深入,針對(duì)深層土壤的研究不斷增多,孫文義[10]、王華靜等[11]對(duì)1 m深度的土壤有機(jī)碳垂直分布特征進(jìn)行研究,不同深度碳含量都表現(xiàn)出明顯的變化。有機(jī)碳影響因素主要體現(xiàn)在地形環(huán)境及理化性質(zhì)兩方面,影響土壤空間變異的主導(dǎo)因子也存在差異[12]。地形環(huán)境如高程、坡向、植被等[13],理化性質(zhì)主要包括pH、電導(dǎo)率、氮磷鉀等[14]。研究區(qū)域尺度大小對(duì)土壤有機(jī)碳的宏觀及微觀影響是不同的,楚夢(mèng)瑋等[15]對(duì)云南省SOC空間分布研究發(fā)現(xiàn)、海拔、降水及溫度是影響云南省深層土壤SOC的主要因素;鄧勛飛等[16]對(duì)杭州灣南岸濱海圍墾區(qū)的土壤有機(jī)碳含量研究發(fā)現(xiàn),圍墾年限、種植模式是制約土壤有機(jī)碳含量的關(guān)鍵因素。土壤碳儲(chǔ)量估算方法目前主要有土壤類型法、模型估算法、生命地帶法、GIS估算法等[17],但受限于區(qū)域尺度、估算精度的制約,GIS憑借能夠直觀顯示土壤碳庫的空間屬性及分布,以地理信息數(shù)據(jù)保存且便于數(shù)字化制圖的優(yōu)點(diǎn)成為目前的應(yīng)用最為廣泛的研究方法。
遵化市屬于燕山南麓的重要農(nóng)業(yè)區(qū),以板栗為代表的地方農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)占重要比重,被譽(yù)為"中國(guó)板栗之鄉(xiāng)",適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)和發(fā)展特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)?;诖?為探究遵化市土壤有機(jī)碳分布特征及影響因素,以遵化市典型農(nóng)業(yè)區(qū)為研究區(qū),以0~30 cm的土壤深度分析數(shù)據(jù)為主,分析小尺度下有機(jī)碳空間變異性及主導(dǎo)因子,估算土壤碳儲(chǔ)量,為其地方農(nóng)業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。
遵化市,隸屬于河北省唐山市,屬京、津、唐、承、秦腹地,位于河北省東北部燕山南麓,地理范圍北緯39°54′56″~40°22′18″,東經(jīng)117°33′45″~118°14′00″,總面積約1 521 km2。遵化市地處半山區(qū),地勢(shì)由北東向南西傾斜,屬于燕山南麓典型山間盆地地貌,呈"三山兩川"之勢(shì),平原、丘陵、山地各占三分之一。氣候類型為暖溫帶季風(fēng)半濕潤(rùn)氣候,屬于典型大陸性氣候,顯著年均降水量約800 mm。農(nóng)用地面積占土地總面積70%以上,以板栗、食用菌為主的特色農(nóng)產(chǎn)業(yè)比重達(dá)到80%以上。
圖1 研究區(qū)地理位置及采樣點(diǎn)分布
在研究區(qū)內(nèi)結(jié)合地形、植被類型等,在遵化市西部按照由西向東采樣,選取土地利用方式的典型樣地,包括農(nóng)、林、草地等,共181個(gè)采樣點(diǎn),分別位于馬蘭峪、石門鎮(zhèn)等10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū),取樣深度為0~30 cm,用手持RTK記錄海拔、經(jīng)緯度等地理信息,按照五點(diǎn)取樣法進(jìn)行環(huán)刀剖面取樣,土壤樣品采集結(jié)束后帶回實(shí)驗(yàn)室,對(duì)土壤進(jìn)行烘干、去雜、過篩等處理流程,以進(jìn)行理化性質(zhì)的測(cè)定。
使用ArcGIS軟件提取環(huán)境因子(年均溫度、年均降雨量、NDVI、坡度、坡向、曲率、地表粗糙度和TWI);海拔、經(jīng)度和緯度通過GPS記錄。氣候數(shù)據(jù)來自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng),NDVI數(shù)據(jù)來自黃土高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心,地形數(shù)據(jù)基于GDEMV3DEM數(shù)據(jù)分析獲取。
土壤有機(jī)碳密度計(jì)算公式為:
(1)
式中,n為土層數(shù);Ci為不同土壤深度的有機(jī)碳含量;θi為土壤容重;δi為>2 mm礫石含量;Di為不同土層的厚度。
空間自相關(guān)分析是用來衡量事物在空間上是否存在集聚、離散或隨機(jī)分布情況,研究采用莫蘭指數(shù)(Global Moran's I)來檢驗(yàn)遵化市典型農(nóng)業(yè)區(qū)土壤養(yǎng)分之間是否存在相關(guān)性,公式如下:
(2)
半方差函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中研究土壤變異性的函數(shù),反映了區(qū)域尺度上空間變異性和相關(guān)程度,其公式為:
(3)
式中,γ(h)表示半方差函數(shù),Z(Xi),Z(Xi+h)分別是變量在空間位置xi和xi+h上的取值,N(h)為步長(zhǎng)為h時(shí)的樣本總對(duì)數(shù),h為樣本間距。實(shí)測(cè)的半方差函數(shù)以散點(diǎn)的形式繪制在圖上,應(yīng)用最小二乘法求解半方差函數(shù)的模型參數(shù),從而得到適合的擬合模型。目前,幾種常用的理論模型主要包括球狀模型(Spherical);高斯模型(Gaussian);指數(shù)模型(Exponential);冪函數(shù)(Power);對(duì)數(shù)函數(shù)(Logarithmic);線性函數(shù)(Linear)等。
克里金插值法是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中被廣泛應(yīng)用的一種空間插值技術(shù),該方法通過建立變異函數(shù)模型,利用已知樣本點(diǎn)的空間特征對(duì)未知位置的空間變量進(jìn)行推斷,并在一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行線性最優(yōu)無偏估計(jì)。克里金法不僅考慮了樣本點(diǎn)之間的空間關(guān)系,還通過在數(shù)據(jù)點(diǎn)上進(jìn)行交叉驗(yàn)證來評(píng)估插值結(jié)果的準(zhǔn)確性。多項(xiàng)研究結(jié)果表明,克里金法對(duì)于碳密度空間插值具有更高的精度,相比其它插值技術(shù)更為適用。
地理探測(cè)器可以探測(cè)自變量對(duì)因變量的影響并解釋背后的驅(qū)動(dòng)力,該方法主要通過探測(cè)空間分層異質(zhì)性來進(jìn)行分析,即在空間上對(duì)因變量進(jìn)行分層,并比較不同層次上因變量的差異。其中,分異因子探測(cè)用于確定自變量對(duì)因變量是否具有顯著影響,而交互作用探測(cè)則用于研究自變量之間以及自變量與空間因素之間是否存在相互作用效應(yīng)。在地理探測(cè)過程中,通常用q值來表示因子對(duì)因變量的貢獻(xiàn)程度和因子之間的交互作用程度。
(4)
2.1.1土壤養(yǎng)分統(tǒng)計(jì)特征值
由表1可知,研究區(qū)土壤pH介于3.80~8.40之間,平均值為6.46,整體呈微酸性;全氮含量范圍為0.05%~0.26%,平均值為0.11%;速效磷和有效鉀含量范圍為8.40~227.60 mg/kg和63.00~745.00 mg/kg,平均值分別為64.95 mg/kg和221.62 mg/kg;有機(jī)質(zhì)含量范圍為6.90~44.80 g/kg,均值為18.47 g/kg。參照土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),全氮屬于較低水平,有機(jī)質(zhì)屬于略微缺乏水平,而有效磷和速效鉀屬于高等水平。
表1 土壤養(yǎng)分描述統(tǒng)計(jì)特征值
變異系數(shù)(CV)是描述隨機(jī)變量離散程度的指標(biāo),用于體現(xiàn)樣本的空間變異性大小。根據(jù)表1,土壤pH、全氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)的變異系數(shù)分別為15.6%、34.7%、54.7%、54.5%和29.4%。根據(jù)變異等級(jí)的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn),五項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)為中等變異,其中,有效磷的變異系數(shù)最大,pH的變異系數(shù)最小,有效磷和速效鉀的離散程度相對(duì)較大。
2.1.2土壤養(yǎng)分的空間自相關(guān)分析
利用GeoDa軟件的空間分析模塊對(duì)土壤養(yǎng)分的五項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行全局空間自相關(guān)分析。圖2所示為土壤養(yǎng)分的LISA空間聚類圖,遵化市典型農(nóng)業(yè)區(qū)pH、全氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)的全局Moran's I指數(shù)分別為0.199、0.122、0.155、0.305和0.102,結(jié)果說明土壤養(yǎng)分之間具有空間正相關(guān)性,即某一區(qū)域土壤養(yǎng)分值的高低對(duì)周圍區(qū)域值存在正向影響,其中,速效鉀的空間相關(guān)性最高,有機(jī)質(zhì)的空間相關(guān)性最低。
圖2 土壤養(yǎng)分的LISA空間聚類圖
2.1.3土壤養(yǎng)分的空間變異特征
進(jìn)行半方差函數(shù)分析之前,為了避免半方差函數(shù)產(chǎn)生波動(dòng),增大誤差,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)化。同時(shí),樣本間距也是半方差函數(shù)的主要影響因素之一,通常取樣間隔在10 m以上,可以滿足絕大多數(shù)半方差函數(shù)的擬合。擬合后的半方差函數(shù)見圖3,結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2、表3。
表2 土壤養(yǎng)分分布特征檢驗(yàn)
表3 土壤養(yǎng)分的半方差函數(shù)參數(shù)及模型
圖3 半方差函數(shù)擬合模型圖
塊金值、基臺(tái)值、變程和塊金效應(yīng)是半方差函數(shù)模型中的重要參數(shù),用于描述隨機(jī)變量在空間上的變異程度和空間相關(guān)性。其中,塊金值反映了指標(biāo)的平均空間變化趨勢(shì);基臺(tái)值反映了空間變異性的整體水平;變程反映隨機(jī)變量的空間相關(guān)性;塊金效應(yīng),也稱為基底效應(yīng),反映了半方差函數(shù)對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)變異性的解釋能力。從土壤養(yǎng)分?jǐn)M合模型的研究結(jié)果來看,土壤pH、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)的最佳擬合模型為指數(shù)模型,全氮的最佳擬合模型為高斯模型,從塊金效應(yīng)來看,各指標(biāo)空間變異強(qiáng)度由大到小為有效磷>有機(jī)質(zhì)>全氮>pH>速效鉀,有效磷的塊金效應(yīng)最高,說明這種養(yǎng)分在空間上的差異最為明顯,有效磷和pH的決定系數(shù)較高,說明空間相關(guān)性較強(qiáng),全氮的決定系數(shù)較低,只有0.041,說明采樣點(diǎn)之間存在較強(qiáng)的隨機(jī)性。塊金值整體較小,說明土壤養(yǎng)分分布較為均勻,空間變化程度低。此外,而各指標(biāo)的變程從全氮的433 m到速效鉀的50 040 m,說明存在著較大的空間變異性。
2.1.4土壤養(yǎng)分的空間插值分析
通過普通克里金插值對(duì)土壤理化性質(zhì)進(jìn)行插值分析,其空間分布見圖4。根據(jù)插值結(jié)果可知,pH表現(xiàn)為西北高東南低的分布,全氮、有效磷、速效鉀的分布趨勢(shì)類似,中部地區(qū)普遍較低,這一地帶的農(nóng)田以水澆地為主,有機(jī)質(zhì)也呈四周高,中部低的分布,可能是受土壤氮磷鉀等的影響。
圖4 土壤養(yǎng)分克里金插值結(jié)果
圖5為土壤有機(jī)碳密度分布情況。
圖5 土壤有機(jī)碳密度分布
如圖5所示,高碳密度區(qū)主要集中在中南部及東部的平原地帶,以旱地和水澆地為主,農(nóng)業(yè)設(shè)施類型以露天農(nóng)業(yè)及設(shè)施農(nóng)業(yè)為主,中部高海拔區(qū)將其分為南北兩部,南部土壤有機(jī)碳密度相對(duì)高于北部,此外,東部區(qū)域碳密度高聚集態(tài)勢(shì)要強(qiáng)于中部和西部,但從土地利用情況來看,其主要為城鎮(zhèn)用地及居民地,并非主要農(nóng)業(yè)聚集區(qū)。低碳密度區(qū)主要分布在北部及中部的山地區(qū),同時(shí),也是遵化市西部主要的林地及灌木地帶,由此可以看出,遵化市西部土壤有機(jī)碳分布表現(xiàn)為北低南高的分布,農(nóng)業(yè)聚集區(qū)的碳密度要高于林地、灌木等的有林地帶。對(duì)研究區(qū)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量進(jìn)行估算,其0~30 cm表層土壤的碳儲(chǔ)量約為4.377 Tg。
由表4可知,土壤pH與土壤有機(jī)碳密度的相關(guān)性極不顯著,相關(guān)性系數(shù)僅為-0.05,呈極不顯著的負(fù)相關(guān);與全氮、有效磷及速效鉀與有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)為正相關(guān)性,其中,與有效磷的相關(guān)性最強(qiáng),說明有機(jī)碳密度含量隨著土壤全氮、有效磷及速效鉀含量的提升而提高。有機(jī)質(zhì)含量作為有機(jī)碳密度的直接影響因素,與有機(jī)碳密度的關(guān)聯(lián)程度不如有效磷,但整體來看,土壤化學(xué)性質(zhì)對(duì)有機(jī)碳密度均為正向影響,氮、磷、鉀等元素能促進(jìn)植物根系對(duì)碳的吸收效率,顯著提升農(nóng)業(yè)區(qū)土壤有機(jī)碳密度,加強(qiáng)對(duì)土壤性質(zhì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。在相關(guān)性分析基礎(chǔ)上,分別對(duì)土壤有機(jī)碳密度及土壤理化性質(zhì)進(jìn)行多元線性回歸分析和通徑分析,因pH與有機(jī)碳間相關(guān)性系數(shù)過低,將其剔除。不作為分析指標(biāo)。
表4 土壤有機(jī)碳密度與土壤特征pearson相關(guān)系數(shù)
為了避免因子量綱不統(tǒng)一帶來的影響,將各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行[0-1]標(biāo)準(zhǔn)化,基于SPSS分析軟件進(jìn)行多元回歸分析,得到有機(jī)碳密度與理化性質(zhì)間的回歸關(guān)系結(jié)果如式(5)。
CE=0.304X1+0.355X2+0.069X3+0.019X4+0.128
(5)
式中:CE為土壤有機(jī)碳密度;X1表示有機(jī)質(zhì);X2表示有效磷。X3表示速效鉀;X4表示全氮。
從回歸方程中可以看出,有機(jī)質(zhì)和有效磷的回歸系數(shù)分別為0.304和0.355,遠(yuǎn)大于速效鉀的0.069和全氮的0.019,影響程度排序?yàn)橛行Я?有機(jī)質(zhì)>速效鉀>全氮。
線性回歸能夠體現(xiàn)自變量對(duì)因變量的直接影響,但無法體現(xiàn)變量之間的深層關(guān)聯(lián)關(guān)系的復(fù)雜性傳遞過程。而通徑分析作為多元回歸分析的拓展,對(duì)影響因子對(duì)因變量的影響程度進(jìn)行量化,確定影響某一現(xiàn)象的因素之間的直接和間接關(guān)系,可以發(fā)掘隱藏在數(shù)據(jù)背后的復(fù)雜影響關(guān)系,進(jìn)一步理解研究對(duì)象本質(zhì)。因此,在回歸分析的基礎(chǔ)上,對(duì)理化性質(zhì)變量與土壤有機(jī)碳密度進(jìn)行通徑分析,結(jié)果如表5所示。
表5 土壤有機(jī)碳影響因素通徑分析結(jié)果
從表5分析結(jié)果可以看出,對(duì)土壤有機(jī)碳密度直接影響最大的是有效磷,直接通徑系數(shù)為0.331,其次為速效鉀和有機(jī)質(zhì),直接通徑系數(shù)為-0.070和0.250,其中,速效鉀表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng),最后為全氮,為0.018。結(jié)合各影響因素,通過影響其他因素對(duì)土壤有機(jī)碳密度的間接影響可以發(fā)現(xiàn),有效磷對(duì)碳密度的間接影響最大,其次為有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀,這與直接通徑系數(shù)的分析結(jié)果表現(xiàn)一致,但各個(gè)影響因素對(duì)有機(jī)碳的間接通徑系數(shù)方向并不完全相同。綜上所述,氮磷鉀等基本化學(xué)性質(zhì)是影響研究區(qū)土壤有機(jī)碳密度的主要因素,適當(dāng)增加土壤氮磷鉀含量能夠?qū)ν寥烙袡C(jī)碳密度增加起到促進(jìn)作用,進(jìn)而增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。
基于地理探測(cè)器方法,分析不同地形環(huán)境因素對(duì)典型農(nóng)業(yè)區(qū)SOC空間分異的影響程度,包括海拔、坡度、坡向、曲率、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、地形濕度指數(shù)(TWI)、地形起伏度、年均氣溫和年均降水量。
2.4.1 SOC影響因子分異及因子探測(cè)
主要探究影響因子對(duì)土壤有機(jī)碳空間分布的驅(qū)動(dòng)影響程度。圖6所示為因子探測(cè)結(jié)果雷達(dá)圖,由圖6可知,不同因素對(duì)SOC空間分布的影響結(jié)果為年均氣溫(0.404)>海拔(0.374)>年均降水(0.257)>NDVI(0.174)>坡度(0.099)>TWI(0.079)>地形起伏度(0.077)>曲率(0.024)>坡向(0.016)。其中,氣溫、海拔、年均降水和NDVI對(duì)有機(jī)碳密度的影響較大,坡度、TWI、地形起伏度、曲率和坡向影響較低,q值均在0.1以下。
圖6 因子探測(cè)結(jié)果雷達(dá)圖
2.4.2 SOC影響因子交互探測(cè)
表6為利用交互作用探測(cè)器探測(cè)影響因子兩兩交互共同對(duì)SOC空間分異性的影響。任何2個(gè)影響因子的交互作用對(duì)遵化市農(nóng)業(yè)表層土壤SOC密度空間分異性影響的解釋程度均大于單個(gè)因子的解釋程度,均為增強(qiáng)作用,大多數(shù)為非線性增強(qiáng)。交互作用解釋程度較為靠前的5對(duì)交互分別為:年均氣溫∩年均降水、海拔∩年均氣溫、海拔∩年均降水、NDVI∩年均降水、地形起伏度∩年均降水。
表6 影響因子對(duì)SOC的交互作用
2.4.3 SOC影響因子生態(tài)探測(cè)
為理解不同因素對(duì)農(nóng)業(yè)區(qū)SOC空間分布的影響是否存在顯著差異,如表7利用生態(tài)探測(cè)器探測(cè)遵化市典型農(nóng)業(yè)區(qū)地形因子對(duì)土壤有機(jī)碳含量的解釋程度的顯著性差異。如果任意2個(gè)因素為顯著差異影響(P<0.05),則標(biāo)記為Y,否則就記為N。兩兩因素之間的相互作用對(duì)農(nóng)業(yè)區(qū)SOC的空間分布影響并未表現(xiàn)出一致的顯著性差異,這表明眾因子沒有表現(xiàn)突出的因子,影響較為均衡。
表7 影響因子生態(tài)探測(cè)結(jié)果
(1)根據(jù)土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),研究區(qū)土壤全氮屬于較低水平,有機(jī)質(zhì)屬于略微缺乏水平,而有效磷和速效鉀屬于高等水平,有機(jī)質(zhì)含量較差。五項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)為中等變異,存在明顯的空間正相關(guān)性,且存在不同程度的空間變異性。
(2)對(duì)研究區(qū)土壤有機(jī)碳分布進(jìn)行分析,高碳密度區(qū)主要集中在中南部及東部的平原地帶,以旱地和水澆地為主,東部區(qū)域碳密度高聚集態(tài)勢(shì)要強(qiáng)于中部和西部,遵化市西部土壤有機(jī)碳分布表現(xiàn)為北低南高的分布,其0~30 cm表層土壤的碳儲(chǔ)量約為4.377 Tg。
(3)通過對(duì)遵化市西部農(nóng)業(yè)區(qū)土壤有機(jī)碳密度的影響因子分析可知,土壤特性中,有效磷和有機(jī)質(zhì)是主要的影響因素,地形因子中,年均氣溫、海拔、年均降水和NDVI是主要影響因子。