楊振奇，秦富倉*，李 龍，任小同，錢秋穎，韓 君

砒砂巖區(qū)小流域土壤有機質(zhì)的空間分布及其環(huán)境影響因素研究①

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)大學沙漠治理學院, 呼和浩特 010018；2 內(nèi)蒙古大興安嶺重點國有林管理局，內(nèi)蒙古牙克石 022150)

砒砂巖區(qū)；土壤有機質(zhì)；環(huán)境解釋；冗余分析；通徑分析

土壤有機質(zhì)是土壤系統(tǒng)中結構最復雜，功能也最為多樣的物質(zhì)之一。土壤有機質(zhì)既是驅(qū)動土壤養(yǎng)分持續(xù)供給的重要動力，也是改善土壤結構的關鍵因素[1]，常將其作為表征土壤質(zhì)量的指標之一。土壤有機質(zhì)性質(zhì)活躍且時空異質(zhì)性明顯，對氣候、地形和人類活動等多種條件極為敏感，如何準確篩選出限制土壤有機質(zhì)變化的環(huán)境因子并進行科學調(diào)控，是農(nóng)林牧業(yè)共同的行業(yè)科技難題[2]。特別是在干旱和半干旱地區(qū)，土壤有機質(zhì)的動態(tài)變化決定了土地生產(chǎn)力的高低和生態(tài)恢復的方向，制約著植被建設和土壤侵蝕治理工作的順利開展[3-4]。因此，研究環(huán)境因素對土壤有機質(zhì)的影響機制，是當前國內(nèi)外土壤科學的熱點問題之一[5-6]。目前，地統(tǒng)計學方法是預測土壤有機質(zhì)空間分布的常用手段[7-8]，但其無法定量地描述土壤有機質(zhì)在多個環(huán)境梯度上的變化規(guī)律。冗余分析等約束性排序方法源于數(shù)量生態(tài)學，是研究變量與環(huán)境梯度關系的有效手段，已有部分專家學者將排序思想引入到土壤學的研究中，為進一步探索環(huán)境因素對土壤養(yǎng)分的影響機制奠定了基礎[9-10]。

砒砂巖區(qū)集中分布在晉陜蒙交界的三角區(qū)域，砒砂巖成巖程度低，礦物顆粒膠結強度弱，遇水成泥、遇風成砂。砒砂巖區(qū)土壤貧瘠且氣候干旱，天然植被稀疏，侵蝕劇烈，治理難度大，其分布面積僅為1.6× 104km2，多年平均輸沙量卻高達1.61×108t，是黃河流域中游段粗泥沙的集中來源區(qū)[11]。自20世紀80年代末期開始，該區(qū)營造了大面積的人工植被，減水減沙效益顯著，水土流失趨勢初步得到控制。然而，部分區(qū)域存在人工植被成活率低，長勢緩慢的問題。因此，探究制約砒砂巖區(qū)土壤有機質(zhì)變化的主控因素，對于科學指導植被建設，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有重要現(xiàn)實意義。關于影響土壤有機質(zhì)變化的環(huán)境因素的研究成果相對豐富，但砒砂巖區(qū)既具備地形破碎和氣候干旱的環(huán)境背景，又獨具基巖易于風化侵蝕的區(qū)域特征。以往的研究區(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]，并未對砒砂巖區(qū)單獨進行研究，影響該區(qū)土壤有機質(zhì)變化的環(huán)境因素尚不明確。基于以上背景，本研究選取砒砂巖區(qū)典型小流域為研究對象，冗余分析和通徑分析的理論方法，研究影響砒砂巖區(qū)小流域土壤有機質(zhì)變化的環(huán)境因素，以期為砒砂巖區(qū)土壤養(yǎng)分的空間預測提供數(shù)據(jù)支撐，為砒砂巖區(qū)生態(tài)修復工作提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)鮑家溝流域行政上隸屬于內(nèi)蒙古準格爾旗暖水鄉(xiāng)(110′31′~110°35′E，39°46′~39°48′N)，海拔1 110~1 300 m，地形北高南低；溫帶大陸性氣候，冬季漫長干燥，夏季短暫溫熱，年均氣溫7.2 ℃，年降水量400 mm；土壤類型以栗鈣土為主，土壤容重1.36 ~ 1.61 g/cm3，土壤全氮含量0.10 ~ 0.82 g/kg，土壤粉粒含量47.6 ~ 179.6 g/kg，土壤pH 7.5 ~ 8.3。研究區(qū)自20世紀80年代末陸續(xù)開展封育禁牧并大面積營造人工植被，土地利用類型以林地、灌木林和天然草地為主，主要人工植被有：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，布設取樣點150個，樣點布設見圖1，樣地基本情況如表1所示。野外土壤樣品采集于2018年7月進行，用手持GPS采集樣點坐標，并詳細記錄周圍地形條件、基巖裸露情況、植被蓋度和土層厚度信息。研究流域基巖出露面積較大，部分地區(qū)土層厚度小于10 cm，下伏砒砂巖，隨著取樣深度的延伸，巖石結構逐漸質(zhì)密堅硬，取樣難度極大，因而取樣深度極限設置在60 cm。開挖土壤剖面，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，每一取樣點隨機采取3份土樣，土壤樣品帶回室內(nèi)風干、處理以供分析測定。土壤有機質(zhì)的測定采用K2CrO7外加熱法，土壤容重和含水量的測定采用烘干法。

圖1 樣點分布圖

1.3 環(huán)境因子的選取

參考前人的研究成果結合砒砂巖區(qū)小流域的區(qū)域特征[15-16]，本研究將從地形、土壤和土地利用3個屬性層面選取環(huán)境因子，土壤屬性選取了土壤含水量、土壤容重和土層厚度3個因子；土地利用因子1個；地形因子主要包含海拔、坡度、坡位、坡向和曲率，同時考慮到研究區(qū)地形破碎且侵蝕劇烈的特性，加入能反映地形和徑流侵蝕的地表切割深度、TWI(地形濕度指數(shù))、SPI(匯流動力指數(shù))和STI(沉積物運移指數(shù))4個因子；共計13個因子。計算公式如下：

表1 樣點基本情況

式中：為垂直與特定水流方向的匯流面積(m2)，為坡度(°)。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

本研究應用Canoco 5.0軟件對土壤有機質(zhì)因子進行DCA分析后(去趨勢對應)，采用RDA(冗余分析)結合偏蒙特卡羅檢驗方法篩選環(huán)境變量，最終通過PRDA(偏冗余分析)分析各環(huán)境因子的解釋量。描述性統(tǒng)計、單因素方差分析、LSD多重比較、相關性分析和通徑分析在SPSS 22.0軟件中完成，數(shù)據(jù)可視化在Orgin 9.0下完成。

2 結果與分析

2.1 砒砂巖區(qū)小流域土壤有機質(zhì)空間分布特征

研究區(qū)小流域土壤有機質(zhì)含量的空間分布特征如圖2所示，不同地貌形態(tài)下土壤有機質(zhì)含量差異顯著，溝底土壤有機質(zhì)含量最高，其余依次為坡面和山脊，其中山脊各層土壤的有機質(zhì)含量最低分別為8.68、6.14和4.21 g/kg。隨土層深度的增加，不同地貌形態(tài)土壤有機質(zhì)含量整體呈下降趨勢，土層深度達到40 ~ 60 cm范圍內(nèi)，溝底與坡面的土壤有機質(zhì)含量差異不顯著。不同土地利用類型下土壤有機質(zhì)含量差異顯著，各層土壤有機質(zhì)均呈喬木林>灌木林>草地>耕地>裸地的趨勢，其中裸地各土層土壤有機質(zhì)含量最低，分別為3.64、3.43和2.44 g/kg。隨著土層深度的增加，耕地和裸地土壤有機質(zhì)含量呈明顯的下降趨勢，而喬木林、灌木林和草地在20 ~ 60 cm土層深度，其土壤有機質(zhì)含量均沒有顯著差異。表明了地形因素和土地利用方式均對土壤有機質(zhì)含量的變化有影響作用，但對于土壤有機質(zhì)的垂向分布的影響相對較弱。

2.2 土壤有機質(zhì)含量與環(huán)境因子的相關性

地形對地表的溫度和水分起再分配的作用，通過控制局部微環(huán)境影響土壤有機質(zhì)的積累和分解過程。從表2中可以看出，研究區(qū)土壤有機質(zhì)與坡度、坡位、坡向和高程呈極顯著負相關(<0.01)，與地形濕度指數(shù)、河流動能指數(shù)以及沉積物運移指數(shù)均呈極顯著正相關(<0.01)，與地表切割深度和平面曲率沒有顯著的相關關系。坡度與地表切割深度、坡位呈極顯著正相關(<0.01)，與地形濕度指數(shù)、河流動能指數(shù)以及沉積物運移指數(shù)均呈極顯著正相關(<0.01)。充分說明了，隨著坡度的增加，地表切割深度增加，地形愈加破碎，徑流沖刷劇烈，土壤有機質(zhì)大幅流失。相反，坡度越低，地形越平緩，徑流流速緩慢，有利于土壤細顆粒的沉積和有機質(zhì)的積累。因此緩坡和溝谷地帶是土壤有機質(zhì)高值區(qū)的聚集區(qū)，而陡坡和山脊等地貌類型區(qū)是土壤有機質(zhì)低值區(qū)的聚集區(qū)。

(圖中大寫字母不同表示同一地貌或地類不同土層深度土壤有機質(zhì)含量差異顯著(P<0.05)，小寫字母不同表示同一土層深度不同地貌形態(tài)或地類土壤有機質(zhì)含量差異顯著(P<0.05))

表2 地形因子與土壤有機質(zhì)的相關性

注：表中 * 表示相關性達到<0.05顯著水平，**表示相關性達到<0.01顯著水平，下表同。

土地利用方式和土層厚度的不同則決定了土壤理化性質(zhì)并間接地影響地表植被覆蓋度和枯落物的輸入量，從而限制著土壤有機質(zhì)的物質(zhì)來源。表3列出了土壤有機質(zhì)含量與土壤因素和土地利用方式的相關性，可以看出土壤有機質(zhì)含量與土地利用方式和土層厚度呈極顯著正相關(<0.01)，相關系數(shù)分別高達0.725和0.687。土壤有機質(zhì)與土壤含水率呈顯著正相關(<0.05)。土層厚度與土地利用方式和土壤含水率分別呈顯著正相關(<0.05)和極顯著正相關(<0.01)，表明土壤有機質(zhì)變化受土地利用方式的影響相對土壤因素更為強烈，也說明了砒砂巖地區(qū)土層厚度顯著影響著土壤的水肥特征和土地利用方式。

表3 土地利用和土壤因子與土壤有機質(zhì)的相關性

2.3 土壤有機質(zhì)與環(huán)境因子的關系

約束性排序思想是將相應變量按照一定的關系排列在特定的環(huán)境梯度上，從而揭示變量對多變環(huán)境梯度的響應機制。對研究流域各樣地土壤有機質(zhì)含量進行去趨勢對應分析，由表4可知典范軸梯度長度的最大值為0.605，適宜采用冗余分析方法開展進一步分析。采用自動預選和偏蒙特卡羅檢驗結合方式，篩選出最優(yōu)變量數(shù)為4個(<0.05)，分別為土地利用方式、地形濕度指數(shù)、坡位和土層厚度。冗余分析結果顯示，第一軸和所有軸的蒙特卡羅置換檢驗結果值均小于0.05，說明冗余分析的結果可信(=0.05)，土壤有機質(zhì)-環(huán)境因子與4個排序軸的相關度依次為0.646、0.260、0.191、0.067，環(huán)境因子與第一軸的相關系數(shù)大小順序為0.599>0.445>0.396>0.104，第一軸對響應變量的解釋量達到了98.8%，前兩軸對響應變量的累計解釋量達到了99%，說明前兩軸能夠充分反映土壤有機質(zhì)含量與環(huán)境因子之間的響應關系。

排序圖3A直觀地顯示了環(huán)境因子與不同土層深度土壤有機質(zhì)含量的關系，環(huán)境因子箭頭的長度反映了環(huán)境因子對響應變量的解釋量，環(huán)境因子解釋量大小順序依次為地形濕度指數(shù)>土地利用方式>坡位>土層厚度；箭頭的夾角可以反映出環(huán)境因子與土壤有機質(zhì)含量的相關性，(夾角<90°時兩變量呈正相關關系，反之呈負相關關系)可以看出土地利用因子與各深度土壤有機質(zhì)含量呈負相關關系，土層厚度因子與各土層深度土壤有機質(zhì)含量均呈正相關關系，地形濕度指數(shù)和坡位因子與0 ~ 20 cm深度土壤有機質(zhì)呈正相關關系。圖3B反映了環(huán)境因子與所有樣地土壤有機質(zhì)含量的關系，樣地距離反映了各樣地土壤有機質(zhì)含量的相近程度，可以看出部分樣地的聚集現(xiàn)象與土地利用因子和地形濕度指數(shù)因子有關。

表4 土壤有機質(zhì)與環(huán)境因子冗余分析結果

(A. 不同土層深度土壤有機質(zhì)與環(huán)境因子關系；B. 各樣地土壤有機質(zhì)含量與環(huán)境因子關系)

2.4 影響土壤有機質(zhì)含量變化的環(huán)境因子通徑分析

冗余分析篩選出了影響砒砂巖區(qū)小流域土壤有機質(zhì)空間異質(zhì)性的4個關鍵因子，主控因子的直接效應和間接效應仍需要通過進一步的通徑分析來確定。將土壤有機質(zhì)與地形濕度指數(shù)等4個因子間建立回歸分析，得到回歸方程為：

回歸方程的檢驗值為303.807，<0.01達到極顯著水平，2為0.890，方程具有統(tǒng)計學意義。

表5為4個環(huán)境因子在回歸方程中所起到的直接作用和間接作用。直接通徑系數(shù)反映了環(huán)境因子對土壤有機質(zhì)空間異質(zhì)性的直接影響作用，可以看出各因子的直接影響作用程度依次為坡位(0.603)、土地利用方式(0.336)、地形濕度指數(shù)(0.114)和土層厚度(-0.016)，表明坡位因子對砒砂巖區(qū)小流域土壤有機質(zhì)空間異質(zhì)性的直接影響作用最為強烈。間接通徑系數(shù)表示某環(huán)境因子通過其余環(huán)境因子對土壤有機質(zhì)空間異質(zhì)性的間接影響作用，間接影響作用的大小依次為地形濕度指數(shù)>坡位>土層厚度>土地利用方式，說明地形濕度指數(shù)對土壤有機質(zhì)空間異質(zhì)性的影響作用最大，主要通過影響土地利用方式等其他因素產(chǎn)生的間接影響作用。決定系數(shù)是通徑分析中的綜合性決策指標，對各環(huán)境因子的綜合影響作用進行排序，決定系數(shù)大小順序為土地利用方式>坡位>土層厚度>地形濕度指數(shù)，因此，土地利用方式和坡位因子是影響砒砂巖區(qū)小流域土壤有機質(zhì)空間異質(zhì)性的主控因子，而地形濕度指數(shù)和土層厚度指數(shù)是次要因素。

表5 環(huán)境因子通徑分析結果

3 討論

3.1 影響砒砂巖區(qū)土壤有機質(zhì)空間異質(zhì)性的主導因素

土壤中有機質(zhì)含量的高低取決于有機物的輸入和分解過程，相關研究表明，地形因素是影響縣域和流域等中小尺度區(qū)域土壤有機質(zhì)空間異質(zhì)性的主導性因素[17-18]，特別是小流域尺度范圍，海拔、坡度和坡向等因素對地表水熱資源起到了再分配的作用，從而造成了局部區(qū)域的溫濕度差異，為土壤有機質(zhì)的積累和分解締造了不同的分解環(huán)境。本研究選取了5個反映基本地表形態(tài)的指標和4個綜合反映地形和徑流侵蝕的指標，除地表切割深度和平面曲率外，其余均與土壤有機質(zhì)呈極顯著的相關關系，充分說明了地形因素是影響土壤有機質(zhì)空間異質(zhì)性的重要因素，本研究認為坡位是制約砒砂巖區(qū)小流域土壤有機質(zhì)空間異質(zhì)性的主導性因子。砒砂巖區(qū)侵蝕劇烈，山脊處坡度陡峭且基巖裸露，土壤有機質(zhì)含量最低，隨著雨季徑流的產(chǎn)生土壤細顆粒由坡頂搬運至溝底灘涂地帶平緩處沉積，土壤有機質(zhì)隨之遷移，因而溝底土壤有機質(zhì)顯著高于坡面和山脊處，與孟國欣等人[19]的研究成果一致。此外，部分專家學者指出，土地利用方式與土壤有機質(zhì)空間異質(zhì)性密切相關[20-21]，本研究得出，砒砂巖區(qū)小流域不同土地利用方式土壤有機質(zhì)含量呈喬木林>灌木林>草地>耕地>裸地的規(guī)律，這充分體現(xiàn)了砒砂巖區(qū)的基巖特征和氣候條件。研究表明，砒砂巖是一種成巖程度較低的巖石互層，其原生礦物主要為長石和石英，成分相對單一，礦質(zhì)營養(yǎng)元素來源匱乏，從而限制了風化成土過程中養(yǎng)分釋放對土壤的補給作用[22-23]。因而，砒砂巖區(qū)整體土壤有機質(zhì)含量較低，且存在大面積基巖裸露區(qū)域，故裸露區(qū)土壤有機質(zhì)含量最低。以研究區(qū)小流域為代表的砒砂巖區(qū)氣候干旱，多風少雨，土地生產(chǎn)力低下且缺少灌溉條件，耕地質(zhì)量差，人工林地是該區(qū)的主要土地利用類型。楊振奇等[24]的研究結果顯示，砒砂巖區(qū)喬木林地枯落物蓄積量顯著高于灌木林地和草地，林地有著豐富的有機物輸入源，因此喬木林的土壤有機質(zhì)含量顯著高于其他土地利用類型。

3.2 影響砒砂巖區(qū)土壤有機質(zhì)空間異質(zhì)性的次要因素

制約土壤有機質(zhì)空間異質(zhì)性的主導因素多與研究的尺度密切相關，可以反映出該尺度下土壤有機質(zhì)含量的整體變化趨勢，但土壤有機質(zhì)在局部區(qū)域的不確定性和異質(zhì)性則取決于其他輔助性因素。已有研究表明，土壤有機質(zhì)的垂向分布與氣象因素和土壤類型關系密切[25]，然而在氣象和土壤類型一致的小尺度區(qū)域，土層厚度的差異則會顯著地影響著土壤養(yǎng)分循環(huán)和土壤水分運動過程[26]，特別是在砒砂巖區(qū)，該區(qū)基巖大面積裸露，土層淺薄，部分地區(qū)土層厚度小于10 cm，楊振奇等[27]的研究結果顯示，土層厚度與地表的草本植物的生物多樣性和生物量密切相關，因而間接影響著枯落物的輸入量。本研究RDA的分析結果也證實，雖然土層厚度的整體解釋量低于其他環(huán)境因子，但其與各土層的土壤有機質(zhì)含量關系密切(夾角均呈銳角)，說明土層厚度是影響砒砂巖區(qū)土壤有機質(zhì)的垂向異質(zhì)性規(guī)律的關鍵性因素。此外，除了地形、土地利用方式和土層厚度以外，土壤的水分特征也影響著土壤有機質(zhì)的空間分布特征，流域內(nèi)土壤水分的分布規(guī)律常通過坡度和匯水面積來進行模擬，地形濕度指數(shù)是同時考慮地形和土壤特性對土壤水分分布影響的綜合性指標，可以量化流域內(nèi)某區(qū)域的理論土壤水分含量和徑流產(chǎn)匯能力[28]。本研究通過對土壤有機質(zhì)與環(huán)境因子進行RDA分析結果顯示，坡位、土地利用、土層厚度和地形濕度指數(shù)對土壤有機質(zhì)空間異質(zhì)性的解釋能力最強，進一步的通徑分析結果顯示，土層厚度和地形濕度的直接通徑系數(shù)低于坡位和土地利用，但其通過其余環(huán)境因子的間接影響作用較大，因此可以認為土層厚度和地形濕度指數(shù)是影響砒砂巖區(qū)小流域土壤有機質(zhì)空間異質(zhì)性的次要因素。

4 結論

1)砒砂巖區(qū)小流域溝底土壤有機質(zhì)空間分布特征是受地形和土地利用因素綜合作用的結果，在該區(qū)獨特的地形條件下，受土壤侵蝕的長期搬運，土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為溝底>坡面>山脊；大范圍的封育禁牧和退耕還林措施有助于改善砒砂巖區(qū)土壤有機質(zhì)含量，不同土地利用類型下土壤有機質(zhì)含量呈現(xiàn)為喬木林和灌木林高于草地和耕地的趨勢；部分砒砂巖出露區(qū)域，侵蝕劇烈，植被恢復困難，其土壤有機質(zhì)遠低于其他地類。

2)坡位、土地利用方式、地形濕度指數(shù)和土層厚度是影響砒砂巖區(qū)小流域土壤有機質(zhì)空間異質(zhì)性的主要因素，其中坡位和土地利用方式起主導作用，地形濕度和土層厚度起間接影響作用，土層厚度是引起土壤有機質(zhì)垂向異質(zhì)性的主要因素。

3)根據(jù)砒砂巖區(qū)小流域土壤有機質(zhì)的空間變異規(guī)律和環(huán)境因子的影響機制，建議在砒砂巖區(qū)植被建設的實踐中，對土壤養(yǎng)分和水分要求較高的樹種應配置在溝谷或緩坡地帶，坡面和溝道地帶應以耐干旱貧瘠的灌木樹種為主并配置徑流攔蓄措施，而基巖裸露的山脊地帶的植被配置應以封育措施為主。

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Study on Spatial Distribution of SOM and Environmental Impact Factors in Small Watershed of Feldspathic Sandstone Region

YANG Zhenqi1, QIN Fucang1*, LI Long1, REN Xiaotong1, QIAN Qiuying1, HANJun2

(1 College of Desert Science and Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China; 2Inner Mongolia Daxinganling Key State Forestry Administration, Yakeshi, Inner Mongolia 022150, China)

Feldspathic sandstone region; Soil organic matter; Environmental interpretation; Redundancy analysis; Path analysis

S157

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.03.029

楊振奇, 秦富倉, 李龍, 等. 砒砂巖區(qū)小流域土壤有機質(zhì)的空間分布及其環(huán)境影響因素研究. 土壤, 2020, 52(3): 625–632.

內(nèi)蒙古科技計劃項目(201802106)和國家自然科學基金青年基金項目(41807079)資助。

(qinfc@126.com)

楊振奇(1993—)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士研究生，主要從事水土保持方面研究。E-mail: 843296578@qq.com