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焉耆盆地土壤養(yǎng)分系統(tǒng)敏感性空間分異特征研究

2023-05-28 02:28劉維忠劉新平
農業(yè)機械學報 2023年5期
關鍵詞:全氮速效氣候

盛 洋 劉維忠 劉新平

(1.新疆農業(yè)大學經濟管理學院, 烏魯木齊 830052; 2.新疆農業(yè)大學干旱區(qū)農村發(fā)展研究中心, 烏魯木齊 830052;3.新疆農業(yè)大學公共管理學院, 烏魯木齊 830052; 4.新疆農業(yè)大學土地科學研究所, 烏魯木齊 830052)

0 引言

土壤系統(tǒng)與全球變化密切相關,具有非線性和可變性特征,是自然環(huán)境中最為復雜的系統(tǒng)之一。土壤系統(tǒng)與地球各個圈層進行物質遷移轉化和能量交換是土壤系統(tǒng)演化的外部驅動力[1-3]。與此同時,土壤系統(tǒng)也是結合地理環(huán)境各組成要素的交叉紐帶[4]。由此可知,土壤系統(tǒng)是易受外部影響且敏感性極高的系統(tǒng),當其受到外部作用時可能產生的變化會對自然環(huán)境和人類社會經濟系統(tǒng)產生深刻影響。土壤養(yǎng)分系統(tǒng)是土壤系統(tǒng)的重要組成部分,其特征和循環(huán)演變機制與土壤系統(tǒng)具有相似性和同步性,在干旱區(qū)主要受到氣候變化和人類耕地利用活動的影響。

氣候變化是最為典型的全球變化現(xiàn)象之一,當其變化速度遠大于土壤養(yǎng)分系統(tǒng)內部循環(huán)機制運轉速度時,土壤養(yǎng)分系統(tǒng)便開始出現(xiàn)波動,可能表現(xiàn)為土壤肥力下降,進而影響農業(yè)生產的可持續(xù)性和陸地生態(tài)系統(tǒng)平衡[5-8];人類耕地利用活動對土壤養(yǎng)分系統(tǒng)的影響極為深刻,是有計劃和目的的對耕地進行改造、利用和管理。人類耕地利用活動具有雙向作用,科學合理的耕地利用與管理可以提高土壤肥力,保障農業(yè)生產。高強度耕地利用和低效管理可能會過度消耗土壤養(yǎng)分,造成土壤退化。因此,在全球變化背景下,亟需進行土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣候和人類耕地利用活動變化的響應研究,對于土壤肥力提高,耕地科學建設和管理,以及耕地可持續(xù)利用具有重要意義。

某一環(huán)境系統(tǒng)受地球圈層和地理環(huán)境要素脅迫或擾動的正反作用程度亦可稱之為敏感性。敏感性分析在氣候系統(tǒng)內部、氣候要素與地理環(huán)境要素之間的影響-反饋機制研究中得到廣泛使用[9-10]。雖然土壤系統(tǒng)對于全球變化的響應機制研究已經成為現(xiàn)代土壤地理學研究的前沿領域,但有關土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣候和人類耕地利用活動變化的敏感性分析仍未得到足夠關注。與此同時,現(xiàn)有關于土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣候和人類耕地利用活動變化的響應研究僅展現(xiàn)了氣候要素、人類耕地利用活動與土壤養(yǎng)分系統(tǒng)在固定時空節(jié)點的直接或間接相關關系[11-13],并未表明在氣候和人類耕地利用活動變化背景下一定時空尺度范圍內土壤養(yǎng)分系統(tǒng)的響應程度,不足以有效支撐土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣候和人類耕地利用活動變化在動態(tài)時空尺度響應關系上的研究。此外,通過敏感性分析,還可以進一步評估土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣候和人類耕地利用活動變化的適應性。

氣候變化導致的愈發(fā)頻繁且在不斷惡化的極端天氣正在對自然環(huán)境和人類社會產生全面影響[14-15],但氣候變化不只產生負面影響,其正面效應也應得到持續(xù)關注。通常多數(shù)研究觀點在考慮氣候變化所帶來的影響時,忽略了自然環(huán)境和人類社會系統(tǒng)的強大適應性,凸顯了脆弱性[16-17]。土壤養(yǎng)分系統(tǒng)是受到氣候變化影響最為深刻的系統(tǒng)之一,當其受到極端氣候變化影響時可能展現(xiàn)出不適應狀態(tài),但也有可能在及時有效的耕地管理措施作用下富有彈性,展示出極強適應性。因此,需要進一步揭示土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣候和人類耕地利用活動變化的適應性。

新疆焉耆盆地降水稀少、土壤貧瘠、生態(tài)脆弱,是對氣候變化極為敏感的干旱區(qū)域[18-20]。本文以焉耆盆地為研究區(qū),基于氣溫、降水、耕地利用強度(LUI)和土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù),使用敏感性、貢獻率方法分析土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣候和人類耕地利用活動變化的適應性,利用GIS方法刻畫土壤養(yǎng)分系統(tǒng)的敏感性空間分布格局,進而使用地理加權回歸模型(GWR)揭示土壤養(yǎng)分系統(tǒng)敏感性空間分異的控制因素,以期為區(qū)域土壤質量提高、耕地建設與管理提供理論和實踐參考。

1 概念解析與方法論框架

1.1 概念解析

土壤與大氣之間的水分和熱量交換處于常態(tài)。氣候直接影響著土壤水熱狀況,以及土壤中礦物質和養(yǎng)分的遷移轉換過程,在氣候要素中,氣溫和降水對土壤養(yǎng)分系統(tǒng)的影響具有最普遍的意義;人類耕地利用活動是影響土壤養(yǎng)分系統(tǒng)最重要和最直接的方式之一,主要體現(xiàn)在兩方面:一是通過物質投入(施肥)和農業(yè)生產活動(灌溉、翻耕)改變土壤養(yǎng)分狀況,二是通過農田改造和基礎設施建設直接或間接影響土壤養(yǎng)分系統(tǒng)。與此同時,不合理的耕地利用方式也會抑制土壤養(yǎng)分系統(tǒng)的演化和發(fā)展,甚至造成退化。

土壤養(yǎng)分受到氣候變化或人類耕地利用活動脅迫或擾動的正反作用程度[21-23],即為土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣候或人類耕地利用活動變化的敏感性(圖1a),可被定義為土壤養(yǎng)分要素變動率與氣候要素變動率或人類耕地利用活動變動率的比值,該比值為正時土壤要素會隨著氣候要素或人類耕地利用活動的變動正向增加,反之亦然(圖1b)。土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣候和人類耕地利用活動變化的敏感性可能存在程度不同的響應差異和空間差異(圖1a、1c),響應差異是指不同土壤養(yǎng)分要素對氣候或人類耕地利用活動變化的敏感性不同,空間差異是指響應差異在相對應空間尺度上的展現(xiàn)。 其中,土壤敏感性狀態(tài)分類借鑒LENHART等[23]對敏感度的分級。

圖1 土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣候變化敏感性的概念說明示意圖

敏感性能夠反映或表征適應性[24]。在土壤養(yǎng)分系統(tǒng)的不同敏感性狀態(tài)下,存在差異化的土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣候或人類耕地利用活動變化的適應性。這種適應性與土壤質量密切相關,土壤質量分為固有質量和動態(tài)質量,通常固有質量具有較高的穩(wěn)定性,不易被自然環(huán)境或農藝措施改變。動態(tài)質量穩(wěn)定性低,容易受到環(huán)境或管理措施變化的影響而改變性狀,是反映土壤動態(tài)變化的敏感指標。

本文遵循獲得性和代表性原則,同時考慮所選研究區(qū)自然環(huán)境背景,選擇能夠反映土壤動態(tài)變化的敏感指標——土壤養(yǎng)分含量以及氣溫、降水量和人類耕地利用活動表征指標LUI,用以評估土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣候和人類耕地利用活動變化的敏感性。

1.2 方法論框架

為了量化以及從空間視角刻畫土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣候和LUI變化的敏感性,制定了顯示不同土壤養(yǎng)分要素敏感性與適應性的方法論框架。首先,分析區(qū)域氣候要素、LUI和土壤養(yǎng)分要素的時空演化特征,使用統(tǒng)計分析與空間分析方法量化土壤養(yǎng)分要素對氣候要素和LUI變化的敏感性,并展現(xiàn)其空間分異特征;其次,敏感性分析僅能反映土壤養(yǎng)分要素對氣候要素、LUI變化的響應而不能明確氣候要素和LUI對土壤養(yǎng)分要素變化的實際貢獻,為克服這一缺陷,采用貢獻率方法分析氣候要素和LUI對土壤養(yǎng)分要素變化的貢獻程度。最后,揭示土壤養(yǎng)分系統(tǒng)敏感性空間分異的控制因素(圖2)。

圖2 方法論框架

1.2.1氣候傾向率

氣候傾向率能夠反映氣候要素的變化趨勢?;貧w分析可以建立區(qū)域氣候要素與時間序列的具體數(shù)量關系從而表達氣候傾向率,假設某一氣候要素為因變量X,受到時間序列自變量t的影響,其中有n個觀測數(shù)值為X1、X2、…、Xn,時間序列數(shù)值為t1、t2、…、tn,它們的線性回歸方程為

Xn=atn+b

(1)

式中Xn——氣象要素擬合值

tn——時間序列

其中,回歸系數(shù)a和常數(shù)項b使用最小二乘法計算,通常用10a表示氣候要素的傾向率。

氣候要素變化趨勢的顯著性使用Mann-Kendall檢驗法進行判斷。

1.2.2LUI測算

LUI能夠綜合反映人類耕地利用與管理以及農業(yè)生產,可以用以表征人類耕地利用活動。本文從投入、產出、系統(tǒng)3個維度構建LUI測算指標體系,其中投入維度是指不同投入方面的LUI;產出維度是指農業(yè)生產產出與耕地面積的比率關系;系統(tǒng)維度是指以耕地為基礎的生產投入和產出與整個系統(tǒng)之間的關系(表1)。采用多因素綜合評價法測算LUI,公式為

表1 LUI測算指標體系

(2)

式中Xi——第i個指標標準化值,采用極值標準化法計算

wi——第i個指標權重,使用熵權法確定

m′——數(shù)據(jù)集中指標數(shù)量

1.2.3氣候要素、LUI和土壤養(yǎng)分空間插值方法

利用普通克里金法對氣候要素、LUI和土壤養(yǎng)分要素進行空間插值。普通克里金法插值的前提條件是指標數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正態(tài)分布,本文中氣溫和LUI數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布,而降水數(shù)據(jù)與土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)使用ArcGIS軟件(10.2版本)的地統(tǒng)計分析工具實現(xiàn)對數(shù)轉換以符合正態(tài)分布規(guī)律。

氣溫和降水變化通常遵循垂直地帶性分異規(guī)律,與氣象站點的高程具有相關性,所以使用普通克里金法模擬空間分布時需要納入氣象站點的高程協(xié)同插值;利用GS+(9.0版本)軟件篩選土壤養(yǎng)分的空間插值模型,決定系數(shù)R2越大,殘差平方和(RSS)越小,模型精度越高。有效磷、速效鉀和有機質含量符合指數(shù)模型(Exponential),全氮含量符合球狀模型(Spherical)(表2)。

表2 土壤養(yǎng)分空間插值模型選擇

1.2.4敏感性分析方法

敏感性分析在氣候學研究與經濟學分析(彈性)中得到廣泛使用[25-26],是一種可以不考慮計量單位測度區(qū)域環(huán)境因素之間敏感度的方法,在形式上被定義為一個因素變化率與另一個因素變化率之比。使用敏感性分析測度耕地土壤養(yǎng)分中全氮、有效磷、速效鉀和有機質對區(qū)域氣溫、降水和LUI變化的敏感度,公式為

(3)

式中n0——土壤養(yǎng)分(全氮、有效磷、速效鉀和有機質)含量

x——氣溫或降水量

Sx——土壤養(yǎng)分對氣溫、降水和LUI的敏感系數(shù)敏感系數(shù)為正表示土壤養(yǎng)分隨氣溫、降水、LUI的增加而增加;敏感系數(shù)為負表示土壤養(yǎng)分隨氣溫、降水量、LUI的增加而下降。

1.2.5貢獻率分析方法

敏感性分析方法能夠反映土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣候和LUI變化的響應,但不能確定氣候和LUI變化對土壤養(yǎng)分的實際貢獻。所以,將氣候要素、LUI變化和敏感系數(shù)有效結合構建貢獻率分析模型,用于量化氣候要素和LUI對土壤養(yǎng)分變化的貢獻程度[27],公式為

Cw=SxRmw

(4)

(5)

式中Rmw——氣候要素/LUI相對變化率

m——樣本時序長度

z——氣候要素/LUI傾向率

Cw——相互對應的氣候要素/LUI對土壤養(yǎng)分要素變化的貢獻率

當Cw>0表示正向貢獻,Cw=0表示無貢獻,Cw<0表示負向貢獻。

1.2.6地理加權回歸模型(GWR)

使用GWR模型分析土壤養(yǎng)分系統(tǒng)敏感性空間分異的控制因素。GWR模型與最小二乘法等線性回歸方法相比,更加充分考慮了空間全局的局部效應,所得結果并不是簡單的在研究區(qū)范圍內的某種“平均”,具有更高的準確性。選取氣溫、降水量、海拔、地表水流量(地表水的影響使用歐氏距離法計算獲得的土壤采樣點到河流水面距離表征,土壤采樣點到河流水面距離越近表明地表水資源影響越大,反之亦然)、坡度、歸一化植被指數(shù)(NDVI)和LUI分別表征自然環(huán)境背景和人類耕地利用活動,使用GWR模型建立土壤養(yǎng)分系統(tǒng)敏感性指數(shù)與自然環(huán)境背景和人類耕地利用活動表征指標的局部回歸方程,進而揭示土壤養(yǎng)分系統(tǒng)敏感性空間分異的控制因素,公式為

(6)

式中Yi——第i個樣本點的因變量

Xij——第i個樣本點的自變量

β0——回歸常數(shù)項

(μi,υi)——第i個樣本點的坐標

βi(μi,υi)——第i個樣本點第j個回歸參數(shù);其值大于0則因變量和自變量為正相關,反之為負相關

εi——變量隨機分布而產生的誤差項,通常假設符合正態(tài)分布

p——變量個數(shù)

2 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源及預處理

2.1 研究區(qū)概況

焉耆盆地位于塔里木盆地東北端(41°33′~42°42′N,85°06′~87°36′E),屬天山山脈中的山間盆地,海拔為791~6 804 m[28],地勢西北高東南低;該地區(qū)處于干旱/半干旱區(qū)域,屬于典型的溫帶大陸性氣候,具有干燥少雨、光熱資源豐富的氣候特征,境內囊括博斯騰湖流域大部,開都河、孔雀河等河流流經;該地區(qū)灌溉農業(yè)發(fā)達,耕地主要分布在西北部的河流沖積平原,土壤類型主要以潮土、草甸土和棕漠土為主(圖3)。

圖3 新疆焉耆盆地區(qū)位及氣象站點、土壤采樣點空間分布

2.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

2.2.1氣候和LUI數(shù)據(jù)

氣候數(shù)據(jù)采用國家氣象科學數(shù)據(jù)中心位于新疆塔里木河中下游(塔河中下游)13個氣象站點(圖3a)的1960—2019年常規(guī)逐日觀測數(shù)據(jù)集;LUI數(shù)據(jù)中糧食最高單產數(shù)據(jù)通過縣級農業(yè)主管部門獲取,剩余數(shù)據(jù)來源于《新疆統(tǒng)計年鑒》(2010—2020年)。

土壤采樣點氣候數(shù)據(jù)的獲取。首先,將逐日觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計匯總獲得逐年數(shù)據(jù)。其次,使用ArcGIS軟件的地統(tǒng)計分析工具結合氣象站點高程進行普通克里金插值,模擬氣候空間分布。最后,利用ArcGIS軟件中“值提取至點”工具獲取模擬氣候空間分布圖中每個土壤采樣點對應的氣候數(shù)據(jù);土壤采樣點的 LUI數(shù)據(jù)是以縣域為單位進行空間插值,獲取方法與氣候數(shù)據(jù)獲取一致。

2.2.2土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)

土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)來源于耕地地力評價和耕地質量等別監(jiān)測兩套數(shù)據(jù)集。2008—2009年和2017—2019年的5—10月,在焉耆盆地進行耕層(0~30 cm)土壤采樣,每次采集固定監(jiān)測點252份樣品。采樣點布設方法是使用ArcGIS軟件疊加耕地資源分布圖和土壤類型圖作為采樣底圖,考慮耕地圖斑的個數(shù)、面積、作物類型、作物產量水平等因素以及采樣點位在空間分布的均勻性,將采樣點均勻布設于耕地地塊,確保每個耕地地塊均有采樣點,在面積較大的耕地地塊增加采樣點數(shù)(圖3b)。

土壤樣本采集過程中以采樣底圖布設的采樣點為導向,使用GPS定位采集土壤樣本,將采集的土壤樣品帶回實驗室風干、雜質去除和研磨過篩,取約20 g樣品使用冷凍混合球磨儀進行細磨。土壤全氮、有效磷、速效鉀和有機質含量分別使用凱氏蒸餾法、碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法、乙酸銨浸提—火焰光度計法、油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法測定。

3 結果與分析

3.1 氣候要素、LUI和土壤養(yǎng)分時空變化

焉耆盆地氣候暖濕化趨勢明顯。1960—2019年焉耆盆地的氣溫和降水量呈現(xiàn)較大振幅的上升趨勢(氣溫傾向率為3℃/(10a),降水量傾向率為39 mm/(10a))。其中,2009—2019年氣溫和降水量在振蕩之中的上升趨勢更加顯著(氣溫傾向率為7℃/(10a),降水量傾向率為56 mm/(10a)(圖4a、4b);在空間分布格局上,氣溫變化基本呈現(xiàn)由東南向西北的階梯遞減,降水量變化基本呈現(xiàn)由東南向西北的階梯遞增(圖5a、5b);LUI整體變化幅度較小,平均增加0.04,增加區(qū)域呈現(xiàn)由南向北梯度遞增的空間格局(圖5c)。

圖4 焉耆盆地氣候、LUI和土壤養(yǎng)分時序變化

圖5 焉耆盆地氣候、LUI和土壤養(yǎng)分變化空間格局

土壤養(yǎng)分含量及其空間分布存在差異。土壤養(yǎng)分中全氮含量平均增加0.05 g/kg,有效磷含量平均減少1.70 mg/kg,速效鉀含量平均增加17.59 mg/kg,有機質含量平均增加8.03 mg/kg(圖4c,圖中土壤養(yǎng)分中全氮、有效磷、速效鉀、有機質含量變化量單位分別為g/kg、mg/kg、mg/kg、g/kg);在空間分布格局上,整體而言,全氮、有效磷、速效鉀、有機質含量增/減區(qū)域在盆地廣布,全氮含量的減少區(qū)域基本呈現(xiàn)環(huán)狀分布,有機質含量的增加區(qū)域主要分布在東南,速效鉀含量的減少區(qū)域呈現(xiàn)島狀分布于盆地中西部(圖5d、5e、5f、5g)。

3.2 土壤養(yǎng)分對氣候和LUI變化的敏感性及其空間分布

3.2.1土壤養(yǎng)分對氣溫變化的敏感性及其空間分布

全氮含量(敏感系數(shù)0.38)、速效鉀含量(敏感系數(shù)4.84)和有機質含量(敏感系數(shù)4.61)對氣溫變化的敏感系數(shù)為正,有效磷含量(敏感系數(shù)-1.94)為負(圖6a),全氮處于高敏感狀態(tài),有效磷、速效鉀、有機質處于極高敏感性狀態(tài)。因此,土壤全氮、速效鉀和有機質含量會隨著氣溫的升高而增加,有效磷含量會隨著氣溫的升高而減少。

圖6 土壤養(yǎng)分敏感性及氣候要素、LUI貢獻率

土壤養(yǎng)分對氣溫變化的敏感性在空間分布上存在差異。全氮對氣溫變化的高/低敏感性呈現(xiàn)相間分布;有效磷對氣溫的高敏感性區(qū)域主要分布在東北和西北方向;速效鉀對氣溫的高敏感性區(qū)域主要分布在東西兩側,低敏感性區(qū)域則分布在中部;有機質對氣溫的高敏感性區(qū)域基本遍布全域,低敏感性區(qū)域零散分布(圖7a)。

圖7 土壤養(yǎng)分對氣溫、降水和LUI變化的敏感性空間格局

3.2.2土壤養(yǎng)分對降水變化的敏感性及其空間分布

全氮含量(敏感系數(shù)0.01)、速效鉀含量(敏感系數(shù)1.44)和有機質含量(敏感系數(shù)0.43)對降水變化的敏感性為正,有效磷含量(敏感系數(shù)-0.09)為負(圖6b),全氮處于微弱甚至無敏感性狀態(tài),有效磷處于中等敏感性狀態(tài),有機質處于高敏感性狀態(tài),速效鉀處于極高敏感性狀態(tài)。土壤養(yǎng)分含量因降水量變化而變化的趨勢與因氣溫變化而變化的趨勢一致,但是顯著程度較小。

土壤養(yǎng)分中全氮對降水量變化的敏感性在西部極其微弱,在東部基本處于中等敏感性狀態(tài);有效磷對降水量變化的高敏感性及以上區(qū)域主要分布在南北兩側,中等和微弱敏感性區(qū)域貫穿分布于東西部;速效鉀對降水量的敏感性基本呈現(xiàn)由東向西遞減的空間格局;有機質對降水量的中/低敏感性區(qū)域分布在盆地西南部,其余區(qū)域基本為高敏感性(圖7b)。

3.2.3土壤養(yǎng)分對LUI變化的敏感性及其空間分布

全氮含量(敏感系數(shù)0.05)、速效鉀含量(敏感系數(shù)21.24)和有機質含量(敏感系數(shù)50.08)對LUI變化的敏感性為正,有效磷含量為負(敏感系數(shù)-12.66)(圖6c),全氮處于微弱甚至無敏感性狀態(tài),有效磷、速效鉀和有機質處于極高敏感性狀態(tài)。土壤養(yǎng)分含量因LUI變化而變化的趨勢與因氣候變化而變化的趨勢一致,但是顯著程度明顯較大。

土壤養(yǎng)分中全氮對LUI變化的高/低敏感性在空間上呈現(xiàn)相間分布;有效磷在全域基本為高敏感性狀態(tài);速效鉀對LUI變化的高敏感性狀態(tài)主要分布在東部和西部,剩余區(qū)域高低敏感性相間分布;有機質對LUI變化的中等/微弱敏感性區(qū)域主要分布在博斯騰湖周邊及南部,高敏感性及以上狀態(tài)區(qū)域主要分布在北部(圖7c)。

3.3 氣候要素和LUI對土壤養(yǎng)分變化的貢獻率

氣溫、降水量對土壤養(yǎng)分含量變化的貢獻率由大到小都依次為:速效鉀含量、有機質含量、全氮含量、有效磷含量。其中:氣溫對速效鉀、有機質、全氮含量變化的貢獻率為正值,分別為17.20、13.36、0.15,有效磷為負值(-3.64);降水量對速效鉀、有機質、全氮含量變化的貢獻率也為正值,分別為9.91、2.98、0.07,有效磷為負值(-0.63)(圖6d、6e),表明氣溫和降水量對速效鉀、有機質、全氮含量變化具有正向促進作用,而對有效磷含量則會抑制其增加。

LUI對土壤養(yǎng)分含量變化的貢獻率由大到小依次為:有效磷含量、全氮含量、速效鉀含量、有機質含量。其中:全氮含量、速效鉀含量、有機質含量的貢獻率為負值,分別為-0.32、-26.80、-83.33,有效磷含量為正值(22.61),表明LUI對速效鉀含量和有機質含量變化具有極強的抑制作用,對全氮含量的作用微弱,而對有效磷含量具有極強的正向促進作用。

在與貢獻率狀態(tài)相對應的空間分布格局上,氣溫對全域速效鉀含量和有機質含量的貢獻率普遍處于正向高值狀態(tài),呈現(xiàn)由東向西遞減的空間格局;氣溫對全氮變化的貢獻率呈現(xiàn)島狀的空間分布格局;氣溫對全域有效磷變化的貢獻率基本處于-11.34~0區(qū)間(圖8a)。降水量對速效鉀含量的貢獻率也呈現(xiàn)由東向西遞減的空間格局,而對全域有機質含量的貢獻率普遍處于2.53~5.62的高值狀態(tài);降水量對全氮含量和有效磷含量變化的貢獻率呈現(xiàn)破碎化空間分布格局(圖8b)。LUI對速效鉀含量貢獻率的高值區(qū)域基本分布于東北和西部,剩余區(qū)域為中低值;LUI對有效磷含量、速效鉀含量和有機質含量的貢獻率在空間上普遍處于0~36.19、-64.55~0和-123.98~0區(qū)間(圖8c)。

圖8 氣溫、降水和LUI對土壤養(yǎng)分變化貢獻率的空間格局

4 討論

耕地土壤養(yǎng)分是保證農產品高產穩(wěn)產的基礎物質,而氣溫和降水對土壤養(yǎng)分系統(tǒng)的影響具有普遍意義,是影響干旱區(qū)農業(yè)生產最主要的氣候因素。雖然焉耆盆地氣候變化呈現(xiàn)暖濕化趨勢,但是氣溫和降水量大幅波動上升仍會造成土壤養(yǎng)分系統(tǒng)演變的不確定性。而人類大規(guī)模的耕地利用活動有可能導致土壤退化,也有可能在氣候和人類耕地利用活動的共同作用下實現(xiàn)土壤養(yǎng)分系統(tǒng)良性發(fā)展,這都有待于探究?;诖?本文構建了一個完整的方法論框架,用以量化和空間展示干旱區(qū)土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣候和人類耕地利用活動變化的響應,分析在不同敏感性情景下,土壤養(yǎng)分要素對氣候和人類耕地利用活動變化的適應性。此外,方法論框架中的敏感性與貢獻率分析可以跨越不同要素的計量單位障礙(無量綱化)[26],實現(xiàn)橫向比較。

土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對LUI變化的敏感性最高,多分布于高敏感性及以上狀態(tài);土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣溫的敏感性較高,在多種敏感性狀態(tài)下離散分布;土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對降水的敏感性最低,主要集中于少數(shù)敏感性狀態(tài)(圖6)。在研究區(qū)氣候暖濕化背景下,本研究通過Pearson相關性方法分析進一步發(fā)現(xiàn),土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣溫和降水變化的敏感性與平均氣溫、降水總量等密切相關(表3)。其中,全氮含量對氣溫變化的敏感性與平均氣溫呈現(xiàn)正向極顯著相關關系,剩余土壤養(yǎng)分含量對氣溫變化的敏感性與平均氣溫呈現(xiàn)正向顯著性相關關系;速效鉀含量對氣溫變化的敏感性與氣溫變化幅度呈現(xiàn)正向顯著性相關關系,其余土壤養(yǎng)分含量對氣溫變化的敏感性與氣溫變化幅度呈現(xiàn)正向極顯著相關關系;日溫差和年溫差的變化幅度較小導致兩者對土壤養(yǎng)分敏感性的影響較小(表3)。土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對降水量變化的敏感性與降水總量表現(xiàn)為正向極顯著相關關系;全氮含量和有機質含量對降水量變化的敏感性與降水量變化幅度表現(xiàn)為正向極顯著相關關系,其余土壤養(yǎng)分對降水變化的敏感性與降水變化幅度表現(xiàn)為正向顯著性相關關系;降水量季節(jié)分配和地表水豐富度變化較小導致兩者對土壤養(yǎng)分系統(tǒng)的敏感性影響相對較弱(表3)。

表3 土壤養(yǎng)分含量與平均氣溫、降水總量等變量的相關系數(shù)

將敏感性狀態(tài)與其空間分布格局相結合,全氮、有效磷和速效鉀對氣溫變化敏感性的空間分布較為細碎離散;全氮、速效鉀和有機質對降水和LUI變化敏感性的空間分布較為集中(圖7)。這就進一步證明了土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣候和LUI變化的敏感性具有響應差異和空間差異,并且土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣溫變化敏感性的空間異質性更高,對LUI變化更具有響應深度。在現(xiàn)有自然環(huán)境和人類耕地利用活動背景下,通過GWR模型分析土壤養(yǎng)分對氣候和LUI變化敏感性呈現(xiàn)空間異質性的原因發(fā)現(xiàn),土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣候和LUI變化的敏感性與自然環(huán)境因素和人類耕地利用活動存在響應差異和空間分異規(guī)律(圖9),不同土壤養(yǎng)分敏感性的主導機制不同,且各機制不是孤立的對土壤養(yǎng)分系統(tǒng)敏感性產生影響,而是相互影響綜合作用。海拔和LUI對土壤養(yǎng)分系統(tǒng)的敏感性影響最深。研究區(qū)地處山間盆地,四周高海拔區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱,耕地利用條件復雜,造成高海拔區(qū)域相對于地勢平坦的中間區(qū)域對土壤養(yǎng)分系統(tǒng)敏感性的影響更大;除有機質外,LUI對剩余土壤養(yǎng)分敏感性的影響均呈現(xiàn)由西向東遞增的空間分布格局。研究區(qū)農業(yè)生產以大規(guī)模集約化為特征,高標準農田建設和較高的耕地利用強度對土壤養(yǎng)分系統(tǒng)的敏感性產生了較大影響;氣溫、降水和地表水對土壤養(yǎng)分系統(tǒng)敏感性影響次之,在空間上呈現(xiàn)分異。

圖9 土壤養(yǎng)分系統(tǒng)敏感性空間分異的控制因素

氣溫和降水對土壤養(yǎng)分系統(tǒng)敏感性的低值正向影響或低值負向影響多分布在鄰近山地的氣候環(huán)境復雜區(qū)域,盆地平原區(qū)域多為高值正向影響。在干旱區(qū),水資源是影響土壤養(yǎng)分循環(huán)演變的關鍵因素[28-31],地表水對土壤養(yǎng)分系統(tǒng)敏感性的影響基本呈現(xiàn)沿河流、湖泊的高值區(qū)域向周邊遞減;坡度和NDVI對土壤養(yǎng)分系統(tǒng)的敏感性影響最淺,影響程度在空間上呈現(xiàn)差異化分布。坡度對土壤養(yǎng)分系統(tǒng)敏感性的深度影響主要分布在臨近山地的高海拔區(qū)域。植被和土壤是協(xié)同進化的關系,植被能夠保護土壤,防止土壤養(yǎng)分流失[32-34],因而NDVI對土壤養(yǎng)分系統(tǒng)敏感性的影響基本呈現(xiàn)由南部植被豐度較高的平原區(qū)域向植被豐度較低的山地區(qū)域遞減的空間分布格局(圖9)。

在氣溫和降水量振蕩上升,以及LUI增加的綜合作用下,土壤養(yǎng)分中速效鉀和有機質含量基本呈現(xiàn)顯著的上升趨勢,而全氮含量微弱上升,有效磷含量則表現(xiàn)為下降。其中,氣溫對土壤養(yǎng)分系統(tǒng)變化的實際貢獻顯著大于降水量,并且貢獻率數(shù)值分布集中,離散度小。而LUI對土壤養(yǎng)分系統(tǒng)變化的貢獻率絕對值(貢獻率均值為負)大于氣候(圖6),并且正向貢獻率在空間分布上占據(jù)主導地位(圖8)。

綜合上述分析可知,土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣溫和LUI變化的響應更為積極,而對降水量變化響應程度較小。焉耆盆地相對豐富的地表水資源使降水沒有成為制約農業(yè)生產的主要因素,而氣溫的作用更為突出,大規(guī)模集約化的耕地利用方式使LUI變化產生的影響極為顯著。

土壤養(yǎng)分系統(tǒng)循環(huán)演變狀況是氣候和人類耕地利用活動綜合作用的結果,某一要素無法單獨決定土壤養(yǎng)分系統(tǒng)現(xiàn)狀的形成。通過研究結果可以發(fā)現(xiàn),土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣溫變化的適應性優(yōu)于降水和LUI。有機質的適應能力最強,有效磷和速效鉀次之,全氮最弱。在氣候暖濕化背景下,氣溫對土壤養(yǎng)分含量的增加起到明顯的正向促進作用。此外,科學合理的耕地利用方式和高標準農田建設提升了土壤肥力,有效促進了土壤養(yǎng)分中速效鉀和有機質含量的增加。

5 結論

(1)焉耆盆地氣候暖濕化趨勢明顯,人類耕地利用活動不斷加劇。

(2)土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣候和LUI變化的敏感性具有響應差異和空間差異。土壤養(yǎng)分系統(tǒng)對氣溫變化敏感性的空間異質性更高,對LUI變化敏感性的響應更深。

(3)氣候和LUI對土壤養(yǎng)分系統(tǒng)變化的貢獻率空間分異明顯,并且LUI的貢獻率大于氣候。

(4)自然環(huán)境和人類耕地利用活動與土壤養(yǎng)分系統(tǒng)敏感性的關系存在空間異質性,土壤養(yǎng)分系統(tǒng)的敏感性及其空間布局是自然環(huán)境和人類耕地利用活動相互調節(jié)和空間分異的綜合結果。

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