王 添,任宗萍,張 維,李 鵬,徐國策
(1 西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地,陜西 西安 710048;2 陜西省咸陽市種苗站,陜西 咸陽 712000)
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丹江中游典型小流域土壤有效鋅的空間分布特征
王添1,任宗萍1,張維2,李鵬1,徐國策1
(1 西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地,陜西 西安 710048;2 陜西省咸陽市種苗站,陜西 咸陽 712000)
[摘要]【目的】 研究丹江中游典型小流域土壤有效鋅的空間分布特征,為流域養(yǎng)分資源管理和治理措施的優(yōu)化提供科學依據。【方法】 2011-12,利用網格取樣和典型樣地取樣相結合的方法,在陜西丹江中游鸚鵡溝小流域分3層(0~10,10~20,20~40 cm)采集185個樣點的土樣,測定其有效鋅含量,采用地統(tǒng)計分析和Kriging插值的方法,對鸚鵡溝小流域土壤有效鋅含量的空間分布特征進行研究,并分析了土地利用和地形對有效鋅分布的影響。【結果】 土壤有效鋅含量隨土層深度的增加而降低,不同土地利用類型下土壤有效鋅含量平均值表現(xiàn)為林地>農地>草地。3個土層土壤有效鋅含量與海拔呈現(xiàn)出顯著(P<0.05)或極顯著負相關性(P<0.01),農地土壤有效鋅含量與坡度、坡向和海拔均呈現(xiàn)出極顯著負相關性(P<0.01)。研究區(qū)3個土層下,模擬0~10和20~40 cm土層有效鋅含量的最優(yōu)模型為線性模型,模擬10~20 cm土層有效鋅含量的最優(yōu)模型為指數模型。Kriging插值結果表明,研究區(qū)土壤有效鋅的空間分布呈帶狀格局,呈東部低西部高的變化趨勢?!窘Y論】 影響研究區(qū)土壤有效鋅含量分布的主要因素是土地利用類型和海拔;研究區(qū)大部分土壤有效鋅含量處于較低水平。
[關鍵詞]土壤有效鋅;土地利用;丹江;小流域
鋅是植物生長所必需的微量元素之一,一定量的鋅能夠促進植物光合作用酶、生長素、蛋白質和核酸的合成;另外鋅可以提高植物的耐寒和抗病能力[1]。在正常情況下,植物所需的鋅(有效鋅)主要來源于土壤,故有效鋅在一定條件下可表征土壤鋅元素的供給水平。土壤有效鋅含量受土壤性質、成土過程和農耕活動等因素的影響,其空間分布不均勻,從而使有些區(qū)域有效鋅含量缺乏或過量,對植物生長造成一定的影響。故科學區(qū)劃有效鋅含量范圍對于農作物生長及土壤生態(tài)環(huán)境保護很有必要。了解土壤有效鋅含量的空間變異性是有效鋅科學區(qū)劃的基礎,因此對研究區(qū)域進行有效鋅空間變異的研究非常重要。目前,對土壤養(yǎng)分的變異研究主要集中在氮[2]、有機碳[3]和有機質[4]等養(yǎng)分上,對于土壤微量元素的研究也多偏重于微量元素的全量分析[5-7],對有效態(tài)含量的研究相對較少。余存祖等[8]對黃土高原地區(qū)土壤的研究表明,全量元素的高低不能反映微量元素的有效態(tài)含量。近年來,國內外學者從土壤性質[9-12]及不同土地利用方式[13]對土壤有效鋅的分布進行了許多研究,但關于小流域土壤有效鋅空間分布特征的研究尚鮮有報道。
本試驗以丹江中游鸚鵡溝小流域為研究對象,結合地形因子采用網格法和分層采樣,運用地統(tǒng)計學的方法,對該地區(qū)土壤有效鋅含量的空間變異特征進行了研究,以期為流域養(yǎng)分資源管理和治理措施的優(yōu)化布局提供參考。
1材料與方法
1.1研究區(qū)概況
鸚鵡溝小流域位于陜西省商洛市商南縣城東南約2 km處的城關鎮(zhèn)五里鋪村,位于東經110°52′16″~110°55′30″、北緯33°29′55″~33°33′50″。流域總面積1.86 km2,流域內主溝長3 232.90 m,最大主溝道比降0.01,流域坡面比降0.33,屬于多邊形水系。流域大部分為低山丘陵地貌,溝谷開闊,最高海拔600 m,最低海拔464 m;年平均降水量803.2 mm,其中7-9月份的降水量占全年降水量的50%左右,且多以暴雨形式出現(xiàn)。
流域內土壤以黃棕壤為主,坡面有效土層厚度為20~70 cm;土地利用類型以農地、林地和草地為主;喬木以櫟樹、松樹為主,灌木樹種較多且雜,草地以禾本科草為主,林草覆蓋率在60%以上;農作物以小麥、玉米和花生為主[2]。
1.2土壤樣品的采集
在對研究區(qū)進行實地勘察的基礎上,結合其實際地形及土地利用方式,于2011-12在研究區(qū)域以100 m×100 m網格進行土壤樣品采集,采樣點以GPS定位,共185個點(圖1),分布于整個流域。
土樣采集深度為40 cm,每個采樣點分別按0~10,10~20,20~40 cm土層采集樣品,分裝后帶回實驗室。將土樣在自然狀態(tài)下風干,經研磨和過篩后進行分析測定。
1.3測定項目與方法
稱取25.0 g風干土樣放入180 mL塑料瓶中,加入50.00 mL的DTPA浸提液,在25 ℃下用振蕩機振蕩2 h,過濾后得到浸出液,用北京普析公司生產的原子吸收分光光度計測定土壤有效鋅含量。稱取經研磨為0.149 mm的風干土樣0.1 g于白色陶瓷取樣舟內,然后加入1~2滴0.1 mol/mL的鹽酸,充分潤濕后在105 ℃下恒溫烘4 h,取出后靜置冷卻12 h,然后用德國耶拿公司的TOC分析儀測定土壤總有機質含量。
1.4數據分析與處理方法
運用SPSS 16.0對試驗數據進行描述性分析;采用Pearson進行相關性檢驗;半方差函數采用GS+(7.0)進行計算;運用ArcGIS(9.3)進行空間分析。
半方差函數理論模型可用來分析土壤有效鋅空間變異的隨機性和結構性。該函數表達式為:
式中:γ(h)為半方差函數;[z(xi)-z(xi+h)]為間隔為h的2個觀測點的實測值;N(h)為以h為步長所有觀測點的成對數目。由r(h)對h作圖可以得到半方差函數圖,依據決定系數R2和殘差RSS對半方差函數進行擬合得到合理的理論模型。
圖 1研究區(qū)土地利用情況及采樣點分布
Fig.1Land use and distribution of sampling points in the study area
2結果與分析
2.1不同土層深度有效鋅含量的分布特征
從表1可以看出,隨著土層深度的增加土壤有效鋅的含量平均值逐漸減小,其中10~20與20~40 cm土層有效鋅含量平均值變化不大。0~10,10~20,20~40 cm土層土壤有機質含量平均值分別為9.10,5.83和6.54 g/kg。對不同深度土層下有效鋅含量與有機質進行相關性分析,結果僅0~10 cm土層土壤有效鋅與有機質呈顯著正相關關系(P<0.05),這與Wei等[14]、Mackowiak等[15]和Phillips[16]的研究結果一致。有效鋅在土層中的這種分布形式與動植物殘體在土壤中的分布關系密切,動植物殘體大部分存在于土壤表層,隨土層深度的增加逐漸減少[2]。動植物殘體的存在提高了有機物的含量,而有機物的分解物可以促進有效鋅的形成。
不同土層土壤有效鋅含量的變異系數(CV)為41%~63%。據Nielson等[17](1985) 的分類系統(tǒng)(CV≤10%,弱變異;10% 表 1 陜西鸚鵡溝小流域不同土層深度有效鋅含量的統(tǒng)計特征 2.2不同土地利用類型土壤有效鋅含量的分布特征 表2表明,農地、林地、草地3種土地利用方式下土壤有效鋅含量平均值分別為0.80,1.07,0.77 mg/kg,均高于陜南地區(qū)土壤有效鋅的均值(0.54 mg/kg)[18]。185份土樣只有16%的樣品有效鋅含量低于該平均值。3種土地利用方式下土壤有效鋅含量平均值表現(xiàn)為林地>農地>草地,這是因為林地中有大量的動植物殘體和發(fā)達的植物根系,促進了有效鋅的形成[14-15],故其有效鋅含量較高。 農地、林地和草地有效鋅含量平均值均高于有效鋅極低水平的臨界值(0.5 mg/kg)[8],而低于土壤受鋅污染的閾值(300 mg/kg)[19]。根據“全國農業(yè)系統(tǒng)的土壤速效微量元素豐缺指標”和“中國科學院微量元素組的土壤有效態(tài)微量元素評價指標”[20]可知,土壤有效鋅含量≤0.5 mg/kg,屬于極低水平;0.5<土壤有效鋅含量≤1.0 mg/kg,屬于低水平;1.0<土壤有效鋅含量≤2.0 mg/kg,屬于中等水平;2.0<土壤有效鋅含量≤5.0 mg/kg,屬于高水平。本研究區(qū)土壤有效鋅含量為0.28~2.94 mg/kg,其中有效鋅含量屬于極低水平的農地、林地和草地分別占10.71%,2.99%和23.08%,含量屬于低水平的分別占72.26%,52.24%和69.23%,含量屬于中等水平的分別占15.74%,34.33%和7.7%,含量屬于高水平的分別占1.56%,10.45%和0%。故研究區(qū)大部分土壤(超過50%)有效鋅含量處于較低水平。 表2還表明,農地、林地、草地的有效鋅含量分別為0.35~2.18,0.39~2.94,0.28~2.4 mg/kg,極差表現(xiàn)為林地>草地>農地。農地、林地、草地有效鋅的變異系數分別為41%,53% 和57%,均屬于中等變異,說明有效鋅的分布離散程度較大。 表 2 陜西鸚鵡溝小流域不同土地類型有效鋅含量的統(tǒng)計特征 2.3土壤有效鋅含量與地形因子的相關關系 2.3.1不同土層深度下有效鋅與地形因子的相關關系有研究表明,坡度、坡向和海拔對土壤有效鋅含量均有不同程度的影響[21-22],因此本研究分析了以上3種地形因子與土壤有效鋅的相關關系。從表3可以看出,0~10,10~20,20~40 cm土層有效鋅含量均與海拔呈顯著或極顯著負相關,相關系數分別為-0.176(P<0.05)、-0.330(P<0.01),-0.215(P<0.01),其原因可能是隨海拔的升高,氣溫降低,動植物的代謝受到影響,導致土壤有機質含量發(fā)生了變化,進而影響到土壤有效鋅的含量,故二者之間顯著相關[15];僅10~20 cm土層有效鋅含量與坡向呈顯著負相關, 3個土層有效鋅含量與坡度之間無顯著的相關性,這可能是由于人類對土地的開墾及種植模式的變化消弱了坡度和坡向對有效鋅含量的影響所致[2]。 表 3 陜西鸚鵡溝小流域不同土層深度下土壤有效鋅與地形因子的相關關系 注:*表示顯著相關(P<0.05);** 表示極顯著相關(P<0.01)。下表同。 Note:* significant atP<0.05;** significant atP<0.01.The same below. 2.3.2不同土地利用類型土壤有效鋅含量與地形因子的相關關系為了更全面地分析有效鋅在研究區(qū)域的空間分布特征,進一步分析了不同土地利用下土壤有效鋅含量與地形因子的相關性,結果見表4。從表4可以看出,農地有效鋅含量與坡度、坡向和海拔呈現(xiàn)出極顯著的負相關性,說明農地受地形因子的影響較大;林地和草地有效鋅含量與坡度、坡向及海拔之間均無顯著相關性,說明地形因子對林地和草地有效鋅含量的影響較小。 根據研究區(qū)的實際地形,將坡度劃分為5個等級,坡向劃分為3個類型,海拔劃分為4個等級,測算不同土地利用方式下不同坡度、坡向、海拔土壤有效鋅含量的平均值,結果見表5。從表5可以看出,農地土壤有效鋅含量平均值隨坡度和海拔的增大而減?。晦r地土壤有效鋅的含量與坡向的相關關系表現(xiàn)為無坡向>陽坡=陰坡,說明在一定范圍內隨著光照強度和溫度的升高土壤有效鋅的含量隨之增加。草地土壤有效鋅含量平均值隨著坡度的升高而增大,隨海拔的升高先增大后減?。煌寥烙行т\含量在坡向上表現(xiàn)為陰坡>陽坡>無坡向。林地土壤有效鋅含量平均值隨海拔的增大無明顯變化,隨坡度的增加總體上呈先升后降的趨勢;土壤有效鋅含量平均值在坡向上表現(xiàn)為陰坡>無坡向>陽坡。因為林地和草地多分布在立地條件較差的高海拔和大坡度地區(qū),故高海拔和大坡度地區(qū)的土壤有效鋅含量相對較高。 表 4 陜西鸚鵡溝小流域不同土地類型土壤有效鋅與地形因子的相關關系 表 5 陜西鸚鵡溝小流域不同土地類型在各地形因子下的土壤有效鋅含量平均值 2.4土壤有效鋅的空間分布特征 為了更直觀地反映土壤有效鋅的空間分布特征,對鸚鵡溝流域3個采樣深度下土壤有效鋅含量(SAZ)進行了Kriging插值, 由于Kriging插值對呈正態(tài)分布的指標預測較好,故在進行地統(tǒng)計學前,需檢驗土壤有效鋅含量是否滿足正態(tài)分布。對試驗數據進行K-S檢驗,結果發(fā)現(xiàn)3個土層土壤有效鋅含量的P值均小于0.05,不服從正態(tài)分布。因此,對采樣點數據進行常用對數轉化(lg(SAZ)),轉化后的分布曲線(圖2)經K-S檢驗P值均大于0.05,滿足正態(tài)分布的要求。 圖 2 陜西鸚鵡溝小流域不同土層土壤有效鋅含量(SAZ)經常用對數轉化后的分布曲線 在GS+中,對3個土層lg(SAZ)進行半方差函數模擬,得到半方差函數模型及其參數,擬合度(R2)最高且殘差平方和(RASS)最小的模型為最優(yōu)模型。由表6可知,0~10, 20~40 cm土層土壤有效鋅的最優(yōu)模型為線性模型,其決定系數均為0.83;10~20 cm土層土壤有效鋅的最優(yōu)模型為指數模型,其決定系數為0.74。此外,3個模型的殘差平方和也均較小,表明模型的擬合精度較好,可以很好地反映研究區(qū)域土壤有效鋅含量的空間結構。 表 6 陜西鸚鵡溝小流域不同土層lg(SAZ)的地統(tǒng)計學參數 用最優(yōu)模型進行插值后繪制3個土層土壤有效鋅的空間分布圖,結果見圖3。從圖3可以看出,隨著土層深度的增加,土壤有效鋅含量呈降低趨勢,且變化范圍也逐漸縮小。0~10 cm土層的有效鋅含量最高;10~20 cm土層的有效鋅含量的分布范圍明顯比0~10 cm土層小,有效鋅含量為0.4~1.3 mg/kg;20~40 cm土層的有效鋅含量相對較低,有效鋅含量為0.4~1.0 mg/kg。3個土層下,土壤有效鋅含量沿河流流向逐漸增加,整體呈東部低西部高的變化趨勢。因為河流處于溝谷處,且由高海拔處流向低海拔處,雨水由陡坡或高海拔處流向緩坡或低海拔處,泥沙隨之遷移,從而使有效鋅沿水流方向富集。 圖 3 陜西鸚鵡溝小流域3個土層土壤有效鋅含量的空間插值分布 3結論 1)研究區(qū)0~10,10~20,20~40 cm土層土壤有效鋅含量的平均值分別為1.24,0.76和0.75 mg/kg,可知土壤有效鋅含量隨土層深度的增加而逐漸減小。3個土層有效鋅含量的變異均為中等變異,變異系數隨土層深度的增加逐漸減小。 2)農地、林地、草地3種土地利用方式下土壤有效鋅含量均值均高于陜南地區(qū)的均值,采樣點中有16%的土壤在均值以下;農地、林地、草地土壤有效鋅含量均值分別為1.07,0.80和0.77 mg/kg,表現(xiàn)為林地>農地>草地,其中農地有效鋅含量的變異系數最小。 3)0~10 cm 土層土壤有效鋅含量與海拔呈現(xiàn)出顯著相關性(P<0.05),10~20 和20~40 cm土層土壤有效鋅含量與海拔呈現(xiàn)極顯著相關性(P<0.01)。農地土壤有效鋅含量與坡度、坡向和海拔均呈現(xiàn)出極顯著的相關性(P<0.01)。 4)研究區(qū)3個土層下,模擬0~20 和20~40 cm土層土壤有效鋅含量的最優(yōu)模型為線性模型,模擬10~20 cm土層土壤有效鋅含量的最優(yōu)模型為指數模型。流域不同土層下土壤有效鋅的空間分布呈帶狀格局,且隨土層深度的增加有效鋅含量及其變化范圍也逐漸減小,沿水流方向逐漸增加,總體呈東部低西部高的趨勢。 [參考文獻] [1]Lin Y P,Teng T P,Chang T K.Multivariate analysis of soil heavy metal pollution and landscape pattern in Changhua county in Taiwan [J].Landscape and Urban Planning,2002,62(1):19-35. 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Key words:soil available zinc;land use;Danjiang River;small watershed DOI:網絡出版時間:2016-02-0209:3710.13207/j.cnki.jnwafu.2016.03.012 [收稿日期]2014-08-04 [基金項目]國家科技支撐計劃項目(2011BAD31B01);國家自然科學基金項目(41401316);水利部公益性行業(yè)科研專項(201201084);陜西省自然科學基礎研究計劃項目(2014JQ5175) [作者簡介]王添(1989-),男,河南南陽人,在讀碩士,主要從事水土保持生態(tài)修復與環(huán)境保護研究。E-mail: wthuanjing@126.comE-mail:lipeng74@163.com [通信作者]李鵬(1974-),男,山東煙臺人,教授,博士,博士生導師,主要從事水土資源與環(huán)境研究。 [中圖分類號]S143.7+2 [文獻標志碼]A [文章編號]1671-9387(2016)03-0082-07