楊振奇，秦富倉，李 龍，任小同，錢秋穎，韓 君

砒砂巖區(qū)小流域土壤有機(jī)質(zhì)空間分布特征及其影響因素

楊振奇1，秦富倉1※，李 龍1，任小同1，錢秋穎1，韓 君2

（1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，呼和浩特 010018；2. 內(nèi)蒙古大興安嶺重點(diǎn)國有林管理局，牙克石 022150）

為了探究砒砂巖區(qū)小流域土壤有機(jī)質(zhì)空間分布特征，該文以砒砂巖區(qū)典型流域鮑家溝小流域?yàn)檠芯繉ο?。采用網(wǎng)格法布設(shè)取樣點(diǎn)，2018年7月取樣，按照0～20、＞20～40、＞40～60 cm劃分取樣層次。采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)，采用激光粒度測定儀測定土壤粒度，采用樣方拍照法計(jì)算植被覆蓋度。運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和約束性排序相結(jié)合的方法，研究環(huán)境因子影響下砒砂巖區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異特征。結(jié)果表明：砒砂巖區(qū)小流域土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.98～15.45 g/kg之間，不同地形土壤有機(jī)質(zhì)含量呈溝底>坡面>山脊的規(guī)律；研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布規(guī)律可以用半方差函數(shù)的指數(shù)模型進(jìn)行良好的模擬，塊金效應(yīng)在55.1%～57.5%范圍內(nèi)，屬中等程度變異。小流域土壤有機(jī)質(zhì)呈中間高邊緣低的規(guī)律；冗余分析的結(jié)果顯示，第1軸的特征值為0.58，解釋量為58%，第1軸對響應(yīng)變量的累積解釋量為96.1%，前兩軸對響應(yīng)變量的累計(jì)解釋量達(dá)到了99.3%。各環(huán)境因子與第1排序軸的相關(guān)系數(shù)大小順序?yàn)橹脖桓采w度>土壤侵蝕程度>土壤顆粒平均粒徑>坡位>高程>坡度，第1排序軸可以定義為植被-土壤侵蝕因子，坡度因子與第2排序軸的相關(guān)系數(shù)高于其他環(huán)境因子，第2排序軸可以定義為坡度因子。植被覆蓋度是影響砒砂巖區(qū)小流域土壤有機(jī)質(zhì)空間變異的主導(dǎo)因素，土壤侵蝕程度是決定土壤有機(jī)質(zhì)垂向變異的關(guān)鍵因素。砒砂巖區(qū)的土層淺薄且貧瘠的地帶，不宜開展大面積的整地和造林工作，而土層深厚且水肥條件良好的區(qū)域可以營造合理密度的灌木林、喬木林以及經(jīng)濟(jì)林。

土壤；有機(jī)質(zhì)；砒砂巖區(qū)；空間分布特征；約束性排序；影響因素

0 引 言

土壤是地表上體系最龐雜，功能最多樣的生態(tài)系統(tǒng)之一，土壤有機(jī)質(zhì)是土壤系統(tǒng)的重要組成部分，其含量的動態(tài)變化影響著土壤水肥的持續(xù)供給和土壤生態(tài)功能的穩(wěn)定發(fā)揮[1]。研究土壤有機(jī)質(zhì)在氣候、地形和人類活動等驅(qū)動力作用下的時空變異機(jī)制，是當(dāng)前國內(nèi)外土壤科學(xué)的熱點(diǎn)問題之一[2-4]。地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法作為空間預(yù)測與不確定性分析的有效工具，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到土壤有機(jī)質(zhì)空間分布規(guī)律的研究中[5-6]。約束性排序方法最初應(yīng)用于數(shù)量生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，常用來描述多個解釋變量影響下的響應(yīng)變量變化規(guī)律，近年來，約束性排序思想也逐步引入到土壤學(xué)的研究中，為定量分析土壤有機(jī)質(zhì)與環(huán)境變化關(guān)系開辟了新途徑[7-8]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，掌握土壤有機(jī)質(zhì)時空間變異規(guī)律并科學(xué)地運(yùn)用各類環(huán)境因素對其進(jìn)行有效調(diào)控，對于促進(jìn)土壤生態(tài)功能修復(fù)和可持續(xù)利用土地資源有重要意義。特別是在干旱和半干旱地區(qū)，土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布特征影響著土地生產(chǎn)力的高低和生態(tài)恢復(fù)的方向，關(guān)系到植被建設(shè)和土壤侵蝕治理工作的成敗與否[9-10]。

砒砂巖區(qū)集中分布于黃河流域晉陜蒙交界地帶，其成巖程度低，礦物顆粒膠結(jié)強(qiáng)度差，在風(fēng)水復(fù)合侵蝕作用下極易風(fēng)化潰散[11]。砒砂巖區(qū)地形切割支離破碎，土壤貧瘠，氣候干旱，天然植被稀疏，該區(qū)每年每平方米侵蝕模數(shù)高達(dá)3×104～4×104t，被譽(yù)為“世界水土流失之最”，是黃河流域中游段主要的粗砂來源區(qū)。開展該區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)空間變異機(jī)制研究，對于科學(xué)指導(dǎo)植被建設(shè)，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，減少入黃泥沙，促進(jìn)黃河流域生態(tài)文明建設(shè)有重要現(xiàn)實(shí)意義。目前，國內(nèi)關(guān)于土壤有機(jī)質(zhì)空間變異規(guī)律的研究成果較為豐富，研究區(qū)域多集中于黃土區(qū)、黑土區(qū)和紫色土區(qū)等區(qū)域[12-14]。然而，針對砒砂巖區(qū)的研究相對較少，地形、土地利用方式和植被類型等因素對土壤有機(jī)質(zhì)空間分布的影響機(jī)理尚不明確。基于以上背景，本研究選取砒砂巖區(qū)典型小流域?yàn)檠芯繉ο?，?yīng)用地統(tǒng)計(jì)和典范排序的理論方法，研究砒砂巖區(qū)小流域的土壤有機(jī)質(zhì)空間變異機(jī)制，以期為砒砂巖區(qū)的土壤養(yǎng)分的空間預(yù)測提供數(shù)據(jù)支撐，為砒砂巖區(qū)生態(tài)修復(fù)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究區(qū)鮑家溝流域行政上隸屬于內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗暖水鄉(xiāng)（110′31′～110°35′E，39°46′～39°48′N）之間，小流域面積為12.67 km2，流域?yàn)榈湫偷那鹆隃羡智治g區(qū)。由圖 1可知，流域海拔在1110～1300 m之間，地形狹長，北高南低；溫帶大陸性氣候，冬季漫長干燥，夏季短暫溫?zé)幔昃鶜鉁?.2 ℃，年降水量400 mm；內(nèi)蒙古自治區(qū)第二次土壤普查結(jié)果顯示，準(zhǔn)格爾旗暖水鄉(xiāng)地帶土壤為栗鈣土，實(shí)地調(diào)查證實(shí)鮑家溝小流域土壤類型為栗鈣土。鮑家溝流域自20世紀(jì)90年代末實(shí)施生態(tài)移民搬遷政策，人類活動干擾較少，開展封育禁牧和大面積營造人工植被，絕大部分耕地退耕還林，保留少量耕地為水土保持技術(shù)示范田，林地面積占流域面積比為40.69%，草地面積占比為26.91%，未利用土地面積占比為31.61%，耕地面積占比為0.8%，流域平均植被覆蓋度為68.30%，主要木本植被有：油松（）、側(cè)柏（）、檸條（）以及沙棘（）等；草本植物主要有羊草（）、豬毛菜（）和阿爾泰狗娃花（）等。

1.2 樣品采集及測定

本研究基于以研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖和1∶10 000地形圖，根據(jù)研究流域地形特征和各類用地面積，布設(shè)取樣點(diǎn)，取樣點(diǎn)位置如圖1所示。野外土壤樣品采集于2018年7月進(jìn)行，用手持GPS采集樣點(diǎn)坐標(biāo)，并詳細(xì)記錄樣地海拔、坡度、坡位、土壤侵蝕程度、植被蓋度和土層厚度信息。研究流域部分地區(qū)覆土層厚度小于10 cm，覆土層下為砒砂巖，隨著取樣深度的延伸，巖石結(jié)構(gòu)逐漸質(zhì)密堅(jiān)硬，取樣難度極大，因而取樣深度極限設(shè)置在60 cm。開挖土壤剖面，記錄土壤剖面各層次厚度，用環(huán)刀和鋁盒采集0～20、＞20～40和＞40～60 cm土樣，每層取3個重復(fù)，每一取樣點(diǎn)隨機(jī)取3份土樣，土壤樣品帶回室內(nèi)風(fēng)干處理以供分析測定。植被覆蓋度計(jì)算采用樣方拍照法，土壤有機(jī)質(zhì)的測定采用K2CrO7外加熱法，土壤含水量的測定采用烘干法，土壤顆粒平均粒徑測定采用馬爾文3000激光粒度測定儀。

圖1 樣點(diǎn)布設(shè)情況

Fig 1 Distribution of sample

1.3 環(huán)境因子的選取

大量研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量與氣候因素、土壤類型、人類活動、植被覆蓋和地形等因素密切相關(guān)，本研究小流域面積較小，流域內(nèi)氣候和土壤類型基本一致，且流域內(nèi)無村民居住且無生產(chǎn)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目，人類活動較少，因此本研究不考慮氣候、土壤類型和人類活動因素。參考前人的研究成果[15-16]，結(jié)合砒砂巖區(qū)獨(dú)特的侵蝕特征，本研究從地形、植被、土壤侵蝕和土壤角度選取環(huán)境因子。地形因素主要包括海拔、坡度和坡位；植被因素選取植被覆蓋度和枯落物蓄積量；土壤因素選取能夠反映土壤質(zhì)地和土壤水分條件的土壤顆粒平均粒徑和土壤含水量；土壤侵蝕因素選取土壤侵蝕程度，土壤侵蝕程度分級根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行劃分，結(jié)合研究區(qū)具體的植被覆蓋度、土層厚度和剖面情況特征來確定具體分級見表1，共計(jì)4類8項(xiàng)指標(biāo)。

表 1 土壤侵蝕程度分級

注：表中A、B、C層分別為淋溶層、沉積層和母質(zhì)層。

Note: The layers A, B and C in the table are leached layer, sedimentary layer and parent material layer, respectively.

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

排序方法是數(shù)量生態(tài)學(xué)領(lǐng)域常用的研究方法，其原理將樣方或植物種通過加權(quán)平均迭代運(yùn)算后，與環(huán)境因素進(jìn)行多元線性回歸，生成能夠反映一定生態(tài)梯度的排序軸，并解釋植被或植物種的分布與環(huán)境因子間的關(guān)系。應(yīng)用在土壤學(xué)領(lǐng)域，可以將土壤有機(jī)質(zhì)視為植物種，通過梯度分析找出各環(huán)境因子對土壤有機(jī)質(zhì)的影響作用，根據(jù)環(huán)境因子的影響大小可以確定排序軸的梯度意義，從而揭示土壤有機(jī)質(zhì)-環(huán)境間的梯度關(guān)系。

本研究采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和約束性排序相結(jié)合的方法，運(yùn)用GS+9.0進(jìn)行半方差函數(shù)和空間自相關(guān)性分析，利用ArcGIS10.2進(jìn)行克里格插值成圖，并進(jìn)行空間交叉驗(yàn)證。應(yīng)用Canoco5.0軟件對土壤有機(jī)質(zhì)因子進(jìn)行DCA分析后（去趨勢對應(yīng)），進(jìn)行環(huán)境因子分析前，需將環(huán)境因子中的定性指標(biāo)通過編碼形式轉(zhuǎn)換為定量指標(biāo)，坡位按照坡下、坡中、坡上分別編碼為1、2、3，土壤侵蝕程度按照輕度、中度、重度和劇烈分別編碼為1、2、3、4，將所有環(huán)境因子標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行分析。采用RDA（redundancy analysis，冗余分析）結(jié)合偏蒙特卡羅檢驗(yàn)方法篩選環(huán)境變量，最終通過PRDA（partial redundancy analysis，偏冗余分析）分析各環(huán)境因子的解釋量。描述性統(tǒng)計(jì)、單因素方差分析和LSD多重比較在SPSS22.0軟件中完成，數(shù)據(jù)可視化在Orgin9.0下完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)特征和趨勢效應(yīng)分析

研究區(qū)不同土層深度土壤有機(jī)質(zhì)含量的統(tǒng)計(jì)特征如圖2a所示，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍在0.98～15.45 g/kg之間。0～20，>20～40和>40～60 cm土層有機(jī)質(zhì)的平均值分別為8.73、7.27、6.07 g/kg，不同土層深度有機(jī)質(zhì)含量差異顯著（0.05），隨著土層深度增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量呈下降趨勢。統(tǒng)計(jì)學(xué)上通常用變異系數(shù)（coefficient of variation）反映數(shù)據(jù)的離散程度，規(guī)定>100%時為強(qiáng)變異，<10%時變異程度較弱，10%≤≤100%為中等程度變異，0～20、＞20～40和＞40～60 cm土層有機(jī)質(zhì)的變異系數(shù)分別為33.08 %、30.62 %和29.16 %，均屬于中等程度變異。K-S檢驗(yàn)（=0.05）結(jié)果顯示，0～20、＞20～40和＞40～60 cm土層值依次為0.696、0.711、1.205，值依次為0.718、0.694、0.109均超過5%顯著水平，數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，可以進(jìn)行下一步分析。

圖2b為土壤有機(jī)質(zhì)含量的趨勢效應(yīng)分析三維圖?？梢钥闯鐾寥烙袡C(jī)質(zhì)在自西向東和自北向南方向上均呈先升高后降低的趨勢效應(yīng)，對于此種趨勢效應(yīng)在半變異函數(shù)模型建模時予以去除。

注：線1和線2分別表示土壤有機(jī)質(zhì)在東西和南北方向的變化趨勢。

2.2 土壤有機(jī)質(zhì)空間變異模型分析

土壤有機(jī)質(zhì)在空間上的變異規(guī)律可以用半方差函數(shù)的理論模型來描述。表2為半方差函數(shù)的擬合結(jié)果，在均考慮各向異性的情況下，分別選擇無趨勢、一階趨勢和二階趨勢效應(yīng)，對插值的誤差進(jìn)行綜合比較后，確定土壤有機(jī)質(zhì)與移除二階趨勢效應(yīng)的指數(shù)模型擬合效果最好。擬合的決定系數(shù)2均在0.78以上，能夠較為準(zhǔn)確的反映研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異特征。研究流域不同土層深度半方差函數(shù)的塊金值依次為6.88、3.69和2.41，基臺值分別為15.33、8.639、5.67，表明隨著土層深度的增加，土壤有機(jī)質(zhì)的變異程度將逐漸減弱。研究區(qū)塊金效應(yīng)值為55.1%、57.3%和57.5%，均屬中等程度的空間相關(guān)性。不同土層土壤有機(jī)質(zhì)空間變異的變程分別為6.153、4.107、3.756 km。綜合來看，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異是地形等結(jié)構(gòu)因素和人工植被建設(shè)等隨機(jī)因素綜合作用的結(jié)果。

2.3 土壤有機(jī)質(zhì)空間分布特征分析

克里格插值繪圖可直觀的反映出土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布特征。經(jīng)交叉驗(yàn)證，其標(biāo)準(zhǔn)平均值誤差分別為0.026、0.039和0.038，均接近于0，標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差分別為1.027、1.006、1.005，均接近于1，插值效果良好。結(jié)合流域地形圖（圖1）和圖3a、3b、3c可知，研究流域地形西高東低，有機(jī)質(zhì)的高值區(qū)集中在地勢平緩的流域中部，有機(jī)質(zhì)的低值區(qū)集中在分水嶺地帶和流域東南角的出口區(qū)域，總體呈溝底>坡面>山脊的規(guī)律。0～20 cm深度土壤有機(jī)質(zhì)含量空間差異明顯，呈明顯的斑塊化和島狀聚集趨勢，這可能與研究區(qū)的土地利用方式和基巖裸露程度有關(guān)，隨著土層深度的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸下降，其空間分布規(guī)律也由斑塊化過渡到條帶狀。圖3d為0～20 cm土層與＞40～60 cm土層有機(jī)質(zhì)含量差值的克里格插值圖，可以看出，流域中西部地區(qū)是土壤有機(jī)質(zhì)含量的主要變化區(qū)，分水嶺地帶以及流域東緣地帶變化程度相對較弱，而部分地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量劇烈變化的原因可能與研究區(qū)土層厚度的突變有關(guān)。

表2 半方差指數(shù)模型參數(shù)

圖3 不同土層深度土壤有機(jī)質(zhì)空間分布圖

2.4 土壤有機(jī)質(zhì)空間分布特征與環(huán)境因子的關(guān)系

約束性排序思想是將相應(yīng)變量按照一定的關(guān)系排列在特定的環(huán)境梯度上，從而揭示變量對多變環(huán)境梯度的響應(yīng)機(jī)制。對研究流域土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行去趨勢對應(yīng)分析，結(jié)果表明典范軸梯度長度的最大值為0.642，適宜采用冗余分析方法開展進(jìn)一步分析。冗余分析結(jié)果顯示（表3），第1軸和所有軸的蒙特卡羅置換檢驗(yàn)結(jié)果值均小于0.05，說明冗余分析的結(jié)果可信（=0.05水平），變量—環(huán)境與4個排序軸的相關(guān)度依次為0.897、0.311、0.305、0.253，各環(huán)境因子與第1排序軸的相關(guān)系數(shù)大小順序?yàn)橹脖桓采w度>土壤侵蝕程度>土壤顆粒平均粒徑>坡位>高程>坡度，因此第1排序軸可以定義為植被-土壤侵蝕因子，坡度因子與第2排序軸的相關(guān)系數(shù)高于其他環(huán)境因子，因此第2排序軸可以定義為坡度因子。第1軸的特征值為0.580，解釋量為58.0%，第1軸對響應(yīng)變量的累積解釋量為96.1%，前2軸對響應(yīng)變量的累計(jì)解釋量達(dá)到了99.3%，說明前2個排序軸所形成的二維線性關(guān)系可以充分反映土壤有機(jī)質(zhì)含量與環(huán)境因子之間的響應(yīng)關(guān)系。

排序圖4a直觀地顯示了環(huán)境因子與不同土層深度土壤有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系，環(huán)境因子箭頭的長度反映了環(huán)境因子對響應(yīng)變量的解釋量，可以看出植被覆蓋度、土壤侵蝕程度和土壤顆粒平均粒徑3個環(huán)境因子對不同深度土壤有機(jī)質(zhì)變化的影響作用最為強(qiáng)烈；箭頭的夾角可以反映出環(huán)境因子與土壤有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性，（夾角<90度時兩變量呈正相關(guān)關(guān)系反之呈負(fù)相關(guān)關(guān)系）可以看出土壤侵蝕程度和土壤顆粒平均粒徑與各深度土壤有機(jī)質(zhì)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，植被覆蓋度和土壤含水量與各土層深度土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈正相關(guān)關(guān)系，表明隨著地表植被覆蓋度的增加和土壤水分的提升，各土層深度的土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈升高趨勢。相反，隨著植被的退化以及土壤侵蝕程度的加劇，土壤細(xì)顆粒流失，土壤質(zhì)地條件轉(zhuǎn)變，各土層深度的有機(jī)質(zhì)含量將呈下降趨勢。圖4b反映了環(huán)境因子與所有樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系，樣地距離反映了各樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量的相近程度，可以看出大部分的樣地受植被覆蓋和土壤侵蝕的影響作用，均勻分布在第1排序軸的周圍，而只有少量的樣地聚集在第2排序軸的周圍，表明植被和土壤侵蝕因素在土壤有機(jī)質(zhì)空間變異過程中起主導(dǎo)作用，坡度等地形因素起輔助性作用。

表3 土壤有機(jī)質(zhì)與環(huán)境因子冗余分析結(jié)果

圖5中給出了7個環(huán)境因子的偏冗余分析結(jié)果，分別以其中一個環(huán)境因子單獨(dú)作為主變量，其余6個因子作為協(xié)變量進(jìn)行冗余分析，各環(huán)境因子的蒙特卡羅置換檢驗(yàn)結(jié)果值均小于0.05，單個環(huán)境因子對砒砂巖區(qū)小流域土壤有機(jī)質(zhì)空間變異的解釋能力，依次為植被覆蓋度（23.79%）>土壤含水量（6.90%）>土壤顆粒平均粒徑（3.62%）>土壤侵蝕程度（3.27%）>坡度（2.24%）>坡位（1.20%）>高程（0.17%），單個環(huán)境因子的解釋量之和為41.21%，其余58.79%為各因子間的交互解釋作用。表明植被覆蓋度是引起砒砂巖區(qū)小流域土壤有機(jī)質(zhì)發(fā)生空間變異的首要因素，其次為土壤的水分條件和質(zhì)地因素，坡度等地形因素對土壤有機(jī)質(zhì)的影響作用相對較弱。同時，也說明了在地形破碎，基巖出露的砒砂巖區(qū)，仍可以通過適當(dāng)?shù)闹脖唤ㄔO(shè)和土壤侵蝕治理，以有效地遏制土壤養(yǎng)分的流失，從而促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的修復(fù)。

注：0～20、>40～60、>40～60 cm處的箭頭為對應(yīng)土層深度的有機(jī)質(zhì)含量。

圖5 環(huán)境因子偏冗余分析結(jié)果

Fig 5 Partial redundancy analysis of environmental factors

3 討 論

土壤有機(jī)質(zhì)的積累和分解過程對環(huán)境條件極為敏感，其空間異質(zhì)性是土壤在自然界中長期演變的結(jié)果。相關(guān)研究表明，不同研究尺度上制約土壤有機(jī)質(zhì)空間變異規(guī)律的環(huán)境因子有所區(qū)別，大尺度的研究認(rèn)為氣候和地形因素是決定土壤有機(jī)質(zhì)空間分布特征的主導(dǎo)因素，中小尺度的研究則將影響因素歸結(jié)為地形和人類活動因素兩方面[17-19]。本研究以砒砂巖區(qū)小流域?yàn)檠芯繉ο?，土壤有機(jī)質(zhì)半方差函數(shù)模型的塊金效應(yīng)值在55.1%～57.3%之間，屬中等程度的空間相關(guān)性，進(jìn)一步說明引起砒砂巖區(qū)小流域土壤有機(jī)質(zhì)空間變異的因素同時包含了地形因素和植被覆蓋因素兩方面。這是因?yàn)?，以研究流域?yàn)榇淼呐皫r區(qū)溝壑密布，侵蝕劇烈，土壤細(xì)顆粒物質(zhì)由山脊和陡坡等部位被沖刷搬運(yùn)至緩坡和溝底地帶，研究流域土壤有機(jī)質(zhì)含量整體呈溝底>坡面>山脊的趨勢。另一方面，研究區(qū)小流域區(qū)氣候干旱且土壤貧瘠，實(shí)施生態(tài)移民后，可以排除生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的擾動作用，人類活動的主要形式即為營造大面積的人工林地，人工林地大量蓄積的枯枝落葉為有機(jī)質(zhì)提供了豐富的來源，土壤有機(jī)質(zhì)高值聚集區(qū)既是水熱條件良好的溝谷地帶同時也是人工林地的分布地帶，連綱和孟國欣等的研究也得出了相近的結(jié)果[12,20]。地統(tǒng)計(jì)方法基于已知點(diǎn)的半方差函數(shù)模型進(jìn)行插值，可以基本描述土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布現(xiàn)狀，但是無法準(zhǔn)確反映出某一環(huán)境因素對土壤有機(jī)質(zhì)空間分布的影響機(jī)制[21]。與薛志婧等[22-23]研究有所不同的是，研究為了判斷具體哪一類因素在土壤有機(jī)質(zhì)空間變異過程中起何種作用，通過冗余分析和偏冗余方差分解對環(huán)境因子進(jìn)一步分析，結(jié)果顯示植被和土壤侵蝕因素在第1軸占據(jù)的解釋量要大于地形因素，單因素偏冗余分析的結(jié)果顯示，植被覆蓋度對土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布影響作用最大。綜上所述，砒砂巖區(qū)小流域土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異性是植被覆蓋度和地形因素共同作用結(jié)果，但植被覆蓋因素的提升和土壤侵蝕趨勢的逆轉(zhuǎn)顯著地影響著小流域土壤有機(jī)質(zhì)的源匯過程，在土壤有機(jī)質(zhì)的積累和分解過程中起主導(dǎo)作用，但是局部區(qū)域由于地形因素的限制作用，如陡峭的溝坡地帶，大面積的基巖出露和劇烈侵蝕使得植被難以生存，仍然會造成該區(qū)域的土壤貧瘠，因此地形因子在土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異過程中起輔助作用。

土壤有機(jī)質(zhì)的空間異質(zhì)性包含水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)兩方面的內(nèi)容。相關(guān)研究證實(shí)，土層厚度與植被的生長、土壤水文過程和土壤養(yǎng)分的積累密切相關(guān)[24-26]。研究流域重度侵蝕和劇烈侵蝕程度的區(qū)域基巖大面積裸露，中度侵蝕地區(qū)土層厚度小于10 cm，植被的根系在相對松散的砒砂巖中活動（10～60 cm），隨著垂直深度的增加（>60 cm），砒砂巖結(jié)構(gòu)逐漸變得質(zhì)密堅(jiān)硬不易被根系穿透。研究表明[27]，砒砂巖礦物成分主要為蒙脫石和方解石，水蝕作用下極易潰散風(fēng)化，致使砒砂巖抗蝕能力弱，黏粒顆粒大量流失，持水保肥能力極差。而砒砂巖區(qū)的土層厚度特征可以通過土壤侵蝕程度來進(jìn)行描述，針對砒砂巖區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異性的研究必須充分考慮土壤侵蝕因素，本研究流域中土壤有機(jī)質(zhì)低值聚集區(qū)主要集中在基巖裸露的坡頂，然而土層淺薄區(qū)域的有機(jī)質(zhì)含量的垂向下降幅度遠(yuǎn)大于其他區(qū)域，充分說明了土壤侵蝕程度顯著影響著土壤有機(jī)質(zhì)的垂向分布。與此同時，本文結(jié)果顯示，土壤侵蝕程度對土壤有機(jī)質(zhì)空間變異性的單體影響作用小于植被因素，本文前期的研究表明砒砂巖區(qū)土層厚度特征會顯著改善土壤的水肥特性和植被的生長狀況[26,28]，這也說明土壤侵蝕程度對土壤有機(jī)質(zhì)的垂直方向變異性的影響作用不容忽視。本研究嘗試地統(tǒng)計(jì)學(xué)和約束性排序相結(jié)合的方法，開展了砒砂巖區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)空間變異機(jī)制的研究，在明確土壤有機(jī)質(zhì)空間分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，將土壤有機(jī)質(zhì)約束在特定的環(huán)境梯度上分析，選擇的植被覆蓋因子、土壤侵蝕因子、地形因子有效地解釋了砒砂巖區(qū)小流域土壤有機(jī)質(zhì)在水平方向和垂直方向的空間變異機(jī)制，并判斷出主控因素，冗余分析中未解釋的部分可能包含著造林前的整地方式、人工林管護(hù)和撫育作用引起的土壤有機(jī)質(zhì)的遷移過程以及砒砂巖風(fēng)化物對土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響等方面的因素[29-31]。

4 結(jié) 論

1）砒砂巖區(qū)小流域土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.98～15.45 g/kg之間，有機(jī)質(zhì)的高值區(qū)集中在地勢平緩的流域中部，低值區(qū)集中在分水嶺地帶和流域出口區(qū)域，隨著土層深度的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸下降，其空間分布規(guī)律由斑塊化過渡到條帶狀。不同地形土壤有機(jī)質(zhì)呈溝底>坡面>山脊的規(guī)律。

2）植被覆蓋度是影響砒砂巖區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)空間變異的主要因素，地形因子為輔助性因子。土壤侵蝕程度是決定砒砂巖區(qū)小流域土壤有機(jī)質(zhì)垂向變異規(guī)律的關(guān)鍵因素。

恢復(fù)土地生產(chǎn)力是砒砂巖區(qū)生態(tài)修復(fù)工作的核心內(nèi)容，建議在土層淺薄的區(qū)域，土壤養(yǎng)分恢復(fù)較慢，不適宜開展大面積的整地和造林工作，應(yīng)以封育禁牧保護(hù)天然草地為主。而土層深厚且水肥條件良好的溝谷和緩坡地帶可以營造喬木林甚至經(jīng)濟(jì)林，積累大量的枯落物快速提高有機(jī)質(zhì)。而其余立地條件略差的地區(qū)可以通過營造合理密度的灌木林、或帶狀結(jié)合的灌草形式，以削弱侵蝕動能，避免土壤有機(jī)質(zhì)的流失。

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Spatial distribution characteristics of soil organic matter and its influencing factors in small watershed of feldspathic sandstone region

Yang Zhenqi1, Qin Fucang1※, Li Long1, Ren Xiaotong1, Qian Qiuying1, Han Jun2

(1.,,010018,; 2.,022150,)

The feldspathic sandstone region in middle reach of Yellow river is the main origin of course sand eroded to the river. It features with complex and diverse landforms characterized by ravines and gullies criss-cross, and is a key region for implementing the soil-water conservation and ecological restoration program in China. Since soil organic matter (SOM) plays an important role in almost all physical and biochemical processes in soil, understanding the spatial distribution of SOM is imperative to guide vegetation construction and reduce erosion of coarse sand into Yellow River. The Baojiagou small watershed, with an area of 12.67 km2, is a representative watershed in the Feldspathic sandstone region. It has been kept uninhabited and off anthrophonic effect in the test of an ecological immigration policy. Survey results reveal that forest and grassland are the main land use in the watershed. In this research, we analyzed SOM by sampling soils from a grid network in a plot in July 2018. Soil samples were taken from the depths of 0-20, 20-40 and 40-60 cm from each grid in the plot, and the SOM content in them was analyzed using sulfate digestion method. Soil potassium, dichromate and mechanical composition were measured by laser particle-size analyzer, and vegetation coverage was analyzed using photographic measurement. The spatial distribution of SOM and its dependence on environmental and topographical factors were analyzed using geo-statistics and the constrained ordination respectively. The results show that SOM content varied from 0.98 to 15.45 g/kg, and its dependence on topographic factors was ranked in the order of valley floor>slope> ridge. The semi-variance of SOM can be fitted by an exponential function, with its spatial variability being at medium level and the nugget effect ranging from 55.1 % to 57.5 %. SOM was rich in the center of the plot. Redundancy analysis (RDA) showed that the first and second axis explained 96.1% and 2. 8% of the total variation of SOM, respectively, and the first two axes explained 99.3% of the relationship between SOM and environmental factors. The correlation coefficient of SOM to the environmental factors in the first axis was ranked in the order of vegetation coverage > soil erosion degree > soil particle diameter > slope position > elevation > slope. Vegetation coverage and soil erosion degree correlated to SOM most closely with the first ranking axis defined as the vegetation-soil erosion factor. The slope has the largest correlation coefficient with the second ranking axis, which was defined as slope factor. Vegetation coverage was the dominant factor affecting the spatial distribution of SOM, and soil erosion degree was the main factor impacting the vertical distribution of SOM in the feldspathic sandstone region. Our results suggest that the areas with shallow soil are not suitable for large-scale land preparation and afforestation, and that surface sealing works better for these areas. Gully areas with deep soil and good water and soil fertility are suitable for planting trees.

soils; organic matter; feldspathic sandstone region; spatial distribution characteristics; constrained ordination; influencing factors

2019-04-22

2019-08-20

內(nèi)蒙古自治區(qū)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（B2018111939Z）；2018內(nèi)蒙古科技計(jì)劃項(xiàng)目，“黃河粗沙集中來源區(qū)典型流域生態(tài)修復(fù)技術(shù)體系研究”；國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（41807079）

楊振奇，博士生，主要從事水土保持方面研究。Email：843296578@qq.com

秦富倉，博士生導(dǎo)師，主要從事水土保持與荒漠化防治教學(xué)與研究工作。Email：qinfc@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.019

S158.9

A

1002-6819(2019)-17-0154-08

楊振奇，秦富倉，李 龍，任小同，錢秋穎，韓 君. 砒砂巖區(qū)小流域土壤有機(jī)質(zhì)空間分布特征及其影響因素[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(17)：154－161. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.019 http://www.tcsae.org

Yang Zhenqi, Qin Fucang, Li Long, Ren Xiaotong, Qian Qiuying, Han Jun. Spatial distribution characteristics of soil organic matter and its influencing factors in small watershed of feldspathic sandstone region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(17): 154－161. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.019 http://www.tcsae.org