程富東，戴全厚

(1.黔南州水土保持站，貴州 都勻 558000； 2.貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550025)

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喀斯特坡耕地微地貌土壤養(yǎng)分空間變異性研究

程富東1,2，戴全厚2

(1.黔南州水土保持站，貴州 都勻 558000； 2.貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550025)

[摘要]為評價喀斯特坡耕地不同微地貌的土壤質(zhì)量和土地生產(chǎn)力，指導(dǎo)科學(xué)耕作施肥，預(yù)測水土流失趨勢，研究水土流失機理，在喀斯特坡耕地微地貌分類及特征研究的基礎(chǔ)上，運用地統(tǒng)計學(xué)方法對西南喀斯特坡耕地區(qū)域不同微地貌類型中7種土壤養(yǎng)分含量的變化范圍、最佳理論擬合模型、平均變異程度、空間相關(guān)性大小等進行了分析比較。結(jié)果表明：不同微地貌類型中，土面土壤有機質(zhì)、氮、磷、鉀的含量最高，其次是土槽土壤，再次是土窩土壤，土被土壤最低；生境條件越嚴(yán)酷，變異程度越大，空間相關(guān)性最小。

土壤養(yǎng)分含量是土壤肥力的重要標(biāo)志，土壤養(yǎng)分含量差異性導(dǎo)致不同的土地生產(chǎn)力[1]?？λ固氐貐^(qū)巖石溶蝕與土壤流失雙重疊加，造成巖石裸露、土層厚度跳躍式分布、地表巖石與土壤間隔分布，呈現(xiàn)出不同于常態(tài)地貌的巖土組合單元景觀。生境條件迥異，微地貌組合方式多樣，使土壤養(yǎng)分空間分布差異明顯。從20世紀(jì)80 年代開始，我國相關(guān)領(lǐng)域的科研技術(shù)部門，使用GIS技術(shù)與地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的方法對農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)的土壤養(yǎng)分空間分布特征進行了較系統(tǒng)的研究和應(yīng)用[2]。經(jīng)過多方面的應(yīng)用，地統(tǒng)計學(xué)現(xiàn)已被證明是研究土壤物理空間結(jié)構(gòu)和土壤養(yǎng)分空間變化規(guī)律與分布特征的極為有效的方法之一[3]。農(nóng)田土壤物理空間結(jié)構(gòu)和土壤養(yǎng)分空間變化規(guī)律與分布特征研究不僅可為農(nóng)業(yè)信息的描述、測量、田間管理奠定基礎(chǔ)，而且有利于構(gòu)建健康、可持續(xù)發(fā)展與高效循環(huán)的農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)[4]。所以，利用土壤養(yǎng)分調(diào)查數(shù)據(jù)對微地貌土壤養(yǎng)分空間分布規(guī)律進行研究，對喀斯特地區(qū)坡耕地土壤質(zhì)量狀況與土壤養(yǎng)分空間特征進行全面了解，對于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要意義[5]。

1研究區(qū)概況

本研究在微地貌特征及土壤質(zhì)量研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合微地貌的分布規(guī)模及其水土流失現(xiàn)狀，選擇水城縣一字河小流域、天生橋小流域作為研究對象。水城縣地處云貴高原向黔中山原過渡的梯級狀大斜坡地帶，山高、坡陡、谷深、土地瘠薄。境內(nèi)地勢呈梯級起伏，西北高、東南低，海拔1 400～2 276 m。地貌以山地為主，占全縣總面積的68%。氣候?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，降水充沛、雨熱同季，年均降水量1 261 mm，年平均氣溫12 ℃，無霜期223 d。

2研究方法

研究區(qū)土壤高度不連續(xù)、厚度跳躍性分布，使土壤養(yǎng)分空間分布具有顯著差異性。本研究通過資料查閱與樣地調(diào)查，在喀斯特微地貌分類及特征研究的基礎(chǔ)上，采集土樣，運用地統(tǒng)計學(xué)方法對微地貌土壤養(yǎng)分空間變異性進行系統(tǒng)分析。地統(tǒng)計學(xué)是以區(qū)域化變量為基礎(chǔ)，借助變異函數(shù)，研究既具有隨機性又具有結(jié)構(gòu)性或具有空間相關(guān)性和依賴性的自然現(xiàn)象的一門科學(xué)[6]。它是以區(qū)域化變量為核心和理論基礎(chǔ)，以空間結(jié)構(gòu)和變異函數(shù)為基本工具的一種數(shù)學(xué)方法[6]。半變異函數(shù)是地統(tǒng)計學(xué)中研究空間變異性的工具函數(shù)，用來表征隨機變量的空間變異結(jié)構(gòu)[7]。Kriging插值又稱空間局部差值法，是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進行無偏最優(yōu)估計的一種方法[8]。

3結(jié)果分析

3.1微地貌與土壤養(yǎng)分綜合效應(yīng)

喀斯特坡耕地不同微地貌下土壤主要養(yǎng)分含量不同(見表1)，土壤有機質(zhì)平均含量的變化范圍是61.14～191.34 g/kg，土壤全氮、全磷、全鉀平均含量的變化范圍分別是1.50～3.58、0.67～1.31和13.7～36.4 g/kg，土壤堿解氮、速效磷和速效鉀平均含量的變化范圍分別是210.96～320.88、1.47～3.91、94.61～226.76 mg/kg。

表1　喀斯特坡耕地微地貌土壤養(yǎng)分含量

土被土壤有機質(zhì)含量最低，而土面、土槽和土窩土壤中的有機質(zhì)含量顯著高于土被土壤，其中土面和土槽土壤有機質(zhì)的平均含量分別是土被土壤的3.13和2.52倍。土面土壤全氮、堿解氮含量與土槽、土窩、土被土壤存在顯著性差異。土面、土槽、土窩土壤全氮平均含量分別是土被土壤的2.39、1.80和1.24倍，堿解氮含量則分別是土被土壤的1.52、1.41和1.25倍。土面土壤中全磷、速效磷含量顯著高于土槽、土窩、土被土壤，土槽、土窩和土被土壤間速效磷含量也存在明顯的差異。土面土壤的全鉀、速效鉀含量明顯比土槽、土窩和土被土壤高。

總的看來，在不同微地貌土壤中，有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量均有相同的變化趨勢，即土面>土槽>土窩>土被。因此，不同微地貌下土壤主要養(yǎng)分的差異主要表現(xiàn)為數(shù)量上的變化，這種變化與微地貌類型、施肥狀況、微地貌土壤搬運過程和微地貌形成過程密切相關(guān)。

3.2地統(tǒng)計分析

計算微地貌中有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀等7項土壤養(yǎng)分指標(biāo)的變異函數(shù)大小，運用理論模型進行擬合，比較后得到不同微地貌土壤養(yǎng)分的最優(yōu)理論模型及其相關(guān)參數(shù)，結(jié)果見表2。其中，有機質(zhì)含量半變異函數(shù)最佳理論模型以球形模型為主，全氮、全鉀、堿解氮含量半變異函數(shù)最佳理論模型以高斯模型為主，全磷、速效磷、速效鉀含量半變異函數(shù)最佳理論模型以圓形模型為主。根據(jù)目前研究成果，擬合結(jié)果能很好地反映微地貌土壤養(yǎng)分空間變異特征。從表2可知，不同微地貌土壤養(yǎng)分指標(biāo)的塊金值均為正值，說明存在著由采樣誤差、隨機和固有變異引起的各種正基底效應(yīng)，這是由不同微地貌類型和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動等因素引起的變異。從變異綜合系數(shù)可以看出：有機質(zhì)變異程度依次是土被>土窩>土面>土槽；對于全氮而言，變異程度依次是土被>土窩>土槽>土面；對于全磷而言，變異程度依次是土被>土面>土窩>土槽；對于全鉀而言，變異程度依次是土槽>土窩=土被>土面；對于堿解氮而言，變異程度依次是土被>土窩>土面>土槽；對于速效磷而言，變異程度依次是土被>土窩>土槽>土面；對于速效鉀而言，變異程度依次是土窩>土被>土槽>土面。

表2　不同微地貌土壤養(yǎng)分的變異函數(shù)模型及其參數(shù)

空間異質(zhì)比說明自相關(guān)部分引起的空間異質(zhì)性程度的高低[9]。根據(jù)Cambardella等提出的區(qū)域化變量空間相關(guān)程度分組標(biāo)準(zhǔn)，空間異質(zhì)比>75%，說明系統(tǒng)具有強烈的空間相關(guān)性；比值25%～75%，表明系統(tǒng)具有中等相關(guān)性；比值<25%，說明相關(guān)性很弱[10-11]。由表2可知，不同微地貌類型的7種土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)比除土面全鉀外均大于25%，說明坡耕地微地貌分布區(qū)土壤養(yǎng)分空間相關(guān)性屬于中等或者強烈。對于有機質(zhì)來說，空間相關(guān)性土被>土面>土槽>土窩；對于全氮來說，空間相關(guān)性土面>土窩>土槽>土被；對于全磷來說，空間相關(guān)性土面>土窩>土被>土槽；對于全鉀來說，空間相關(guān)性土槽>土窩>土被>土面；對于堿解氮來說，空間相關(guān)性土被>土槽>土窩>土面；對于速效磷來說，空間相關(guān)性土被>土槽>土面>土窩；對于速效鉀來說，空間相關(guān)性土窩>土面>土槽>土被。

變程是變異函數(shù)達到基臺值所對應(yīng)的距離，表明屬性因子空間自相關(guān)范圍的大小。在變程之內(nèi)，空間自相關(guān)存在，反之則不存在[12]。因此，變程提供了研究某種屬性相似范圍的一種測度，變程大小可以表示空間異質(zhì)性尺度。由表2可看出：對于有機質(zhì)來說，變程土槽>土面>土窩>土被；對于全氮來說，變程土面>土被>土槽>土窩；對于全磷來說，變程土被>土面>土窩>土槽；對于全鉀來說，變程土槽>土窩=土被>土面；對于堿解氮來說，變程土窩>土面=土槽>土被；對于速效磷來說，變程土窩>土面=土槽>土被；對于速效鉀來說，變程土窩>土面=土槽>土被。

3.3空間Kriging插值及分析

由于上述7種土壤養(yǎng)分都具有明顯的空間異質(zhì)比，因此利用ArcGIS地統(tǒng)計模塊Kriging進行最優(yōu)內(nèi)插，繪制微地貌影響下土壤養(yǎng)分含量等值線圖。Kriging插值的結(jié)果受變異函數(shù)模擬精度、樣點分布、鄰近樣點的選取數(shù)量等影響。對比不同微地貌土樣養(yǎng)分含量和分析統(tǒng)計結(jié)果呈現(xiàn)相同的規(guī)律，即養(yǎng)分含量為土面>土槽>土窩>土被。土面土壤變異相對較小。土槽土壤和土窩土壤具有相近的養(yǎng)分分布規(guī)律，變異程度相似。采樣區(qū)養(yǎng)分含量按土面、土槽、土窩、土被順序呈現(xiàn)逐步減少的趨勢，說明變異較為平緩且有規(guī)律性?？傊?，喀斯特坡耕地土壤養(yǎng)分出現(xiàn)差異顯著的分布格局，主要是受土地利用、微地貌類型等因素的綜合影響。

4結(jié)論

微地貌土壤養(yǎng)分空間變異性是喀斯特坡耕地的重要特征，日益成熟的地統(tǒng)計學(xué)為研究養(yǎng)分的分布提供了有效的途徑與方法，可以定量研究不同的微地貌形態(tài)對養(yǎng)分分布的影響，并揭示這種分布格局的空間差異，為分析空間分布與水土流失過程的關(guān)系、揭示內(nèi)在規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。

對喀斯特微地貌的7項土壤養(yǎng)分指標(biāo)做半變異函數(shù)分析和空間自相關(guān)分析的結(jié)果表明，土壤養(yǎng)分空間主要受到微地貌格局的控制影響。由于喀斯特地區(qū)的特殊地理構(gòu)造，微地貌的形成是不同土壤侵蝕的結(jié)果，土壤養(yǎng)分含量可以間接作為不同微地貌侵蝕強度的衡量指標(biāo)，作為監(jiān)測水土流失情況的手段，對不同微地貌單元土壤熵值的預(yù)測具有指示意義。

對微地貌養(yǎng)分空間變異性的研究，可以為喀斯特地區(qū)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供動態(tài)預(yù)測機制，有助于建立精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)科學(xué)生產(chǎn)。

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(責(zé)任編輯徐素霞)

[基金項目]國家自然科學(xué)基金項目(41061029)；貴州省優(yōu)秀青年科技人才培養(yǎng)計劃項目(黔科合人字〔2011〕13號)；國家“十二五”科技支撐計劃項目(2011BAC02B02)

[中圖分類號]S158；P931.5

[文獻標(biāo)識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)01-0051-03

[作者簡介]程富東(1987—)，男，甘肅臨洮縣人，工程師，碩士，研究方向為退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建；通信作者戴全厚(1969—)，男，陜西長武縣人，教授，博士，研究方向為水土保持與退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建。

[收稿日期]2015-03-10

[關(guān)鍵詞]坡耕地；微地貌；土壤養(yǎng)分；空間變異性；喀斯特地區(qū)