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        渭河干流沿岸土壤有機質(zhì)空間分布特征及其影響因素

        2014-09-13 10:06:22張文博張福平蘇玉波景彩娥
        水土保持通報 2014年1期
        關(guān)鍵詞:坡向渭河坡度

        張文博, 張福平,2, 蘇玉波, 景彩娥

        (1.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710062; 2.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 甘肅 蘭州 730000)

        土壤有機質(zhì)(SOM)是土壤的重要組成部分,是植物營養(yǎng)元素的主要來源,可以促進植物和微生物的生理活性,增加土壤的蓄水、保水和保肥能力,促進土壤良好結(jié)構(gòu)的形成等,對土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)有著深刻的影響,在土壤肥力、環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面具有很重要的意義[1]。研究土壤有機質(zhì)分布特征、影響因素和響應(yīng)機制,有助于估算土壤碳庫和土壤碳匯潛力以及研究土壤生態(tài)系統(tǒng)演替規(guī)律、合理制定農(nóng)業(yè)種植規(guī)劃及農(nóng)田管理措施[2]。國內(nèi)外學(xué)者對土壤有機質(zhì)空間分布及其影響因素已進行了大量的研究,如陳沖等[3]研究了坡度坡向?qū)Ω赝寥鲤B(yǎng)分空間差異的影響;潘明安[4]對不同種植方式與土壤有機質(zhì)的關(guān)系作了研究;彭陶[5]研究了綠洲棉田土壤有機質(zhì)在時間和空間上的變異性;杜冠華等[6]對不同濕地類型的土壤有機質(zhì)的水平分布、垂直分布特征及其與pH值、土壤水分和容重等指標(biāo)的相關(guān)性進行了研究; Mishra等[7]研究了農(nóng)田尺度的土壤有機質(zhì)的空間變異特征;李婷[8]分析了小流域尺度土壤有機質(zhì)空間分布特征及影響因素。但這些研究大多使用統(tǒng)計分析方法,基于Kriging空間插值技術(shù)和GIS技術(shù),側(cè)重在表層土壤有機質(zhì)及理化因子在水平方向上的空間變異狀況[9],而在中等流域尺度土壤有機質(zhì)水平和垂直方向立體分布特征的研究鮮有報道,同時,對于流域內(nèi)河流對兩岸土壤有機質(zhì)分布影響還未見研究。本文利用2012年8月上旬渭河干流生態(tài)調(diào)查的土壤分析成果,使用緩沖區(qū)分析、方差分析等方法對河岸3 000 m范圍內(nèi)的土壤有機質(zhì)空間分布進行了研究,并探討了沿渭河干流的土壤有機質(zhì)在水平和垂直方向上的空間分布特征及影響因素。

        1 研究區(qū)概況

        渭河是黃河流域的最大支流,發(fā)源于甘肅省渭源縣鳥鼠山,流經(jīng)甘肅、寧夏、陜西3省區(qū),干流全長818 km,流域總面積達 13.48 km2[10]。渭河兩岸為波狀起伏地形,自西向東地勢逐漸變緩,河谷變寬。上游主要為黃土丘陵區(qū),中下游北部為陜北黃土高原,中部為經(jīng)黃土沉積和渭河干支流沖積而成的河谷沖積平原區(qū)——關(guān)中盆地,南部為秦嶺土石山區(qū)[11]。渭河兩岸的土壤主要是近代河流的沖積物及重積物,土壤熟化程度較高,主要土壤類型有鹽堿土、砂土、黃土、黑黏土、紅油土、黑油土、耕侵灰褐土、紅黏土、水稻土[12]。主要土地利用類型是耕地,約占50%,其次是林地和草地[13]。

        2 數(shù)據(jù)的采集與分析

        2.1 樣品采集與測定

        2012年8月,依據(jù)1∶10萬地形圖沿渭河干流關(guān)中段采集土樣,為揭示河流對土壤有機質(zhì)的影響,采樣點均選在距離河岸3 000 m的范圍內(nèi)。樣點深度1 m,每10 cm取一次樣,每次取土樣30~50 g。采樣點共60個,土壤樣品600個。野外調(diào)查記錄采樣點經(jīng)緯度、高程和附近土壤類型,以及植被覆蓋程度和類型等多項參數(shù)。將土樣在105 ℃下烘干24 h,經(jīng)過稱量、研磨、過60目篩(0.2 mm孔徑),用重鉻酸鉀溶液容量法測定土壤有機質(zhì)含量。

        在國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺網(wǎng)站下載2009年空間分辨率為30 m的DEM圖像,經(jīng)拼接裁剪,用以提取流域范圍坡度坡向。

        2.2 數(shù)據(jù)處理與分析方法

        (1)土壤有機質(zhì)含量有兩種表示方法,分別為百分比含量(%)和絕對含量(g/kg),本文采用后者。計算公式如下:

        式中:1.33——氧化校正系數(shù);C——0.5 mol/L硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度;V0——滴定空白消耗硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積(ml);V——土樣消耗硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積(ml);m——烘干土質(zhì)量(g)。

        (2)應(yīng)用ArcGIS空間分析工具從DEM圖像中提取采樣點的坡度、坡向及高程數(shù)據(jù)。

        (3)本文采用單樣本K—S(Kolmogorov—Smirnov)檢驗方法檢驗樣本所屬的總體是否服從正態(tài)分布。在此基礎(chǔ)上使用方差分析進行計算。

        為研究土地利用類型、坡度、坡向、高程4個因素的不同水平是否給土壤有機質(zhì)造成了顯著差異和變動,本文采用單因素方差分析方法分別對這4個因素分析。當(dāng)方差分析結(jié)果認(rèn)為各水平間存在顯著差異時,進行驗后多重比較,即各個水平的均值進行兩兩比較,檢驗任意兩個水平之間的差異是否會對土壤有機質(zhì)造成顯著影響。當(dāng)兩水平組方差相等時使用LSD(最小顯著性差異法),方差不相等時使用Tamhane′s方法。

        本文采用緩沖區(qū)分析的方法研究河流對兩岸的土壤有機質(zhì)的影響,即以河流這個線狀要素為中心向兩邊延伸一定范圍,以延伸的距離不同劃分為不同的等級范圍,再統(tǒng)計不同等級范圍內(nèi)土壤有機質(zhì)含量。應(yīng)用ArcGIS緩沖區(qū)分析工具,以渭河及其各支流為基準(zhǔn)向外擴展,每500 m為一個緩沖帶,將研究區(qū)分為6個緩沖帶,分別統(tǒng)計每個緩沖帶內(nèi)各土層土壤有機質(zhì)平均含量,再應(yīng)用單因素方差分析計算不同緩沖帶對土壤有機質(zhì)的影響。

        依據(jù)采樣時記錄的樣點數(shù)據(jù),將所有土樣按照土地利用類型分成4類,即農(nóng)田、林地、果園和荒灘草地。再由坡度圖和坡向圖得到每個土樣的坡度坡向,應(yīng)用相關(guān)分析方法計算土壤有機質(zhì)與地形因子之間的相關(guān)性。按各地形因子將坡度分為0°~3°,3°~8°,>8°這3個等級,坡向分為正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西、西北8個方向,高程分<400,400~800和>800 m 3組。分別使用單因素方差分析計算各地形因子不同水平對有機質(zhì)的影響程度。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 土壤有機質(zhì)分布特征

        為定量分析所有土樣的概率分布,將其按深度分成10層,經(jīng)K—S(Kolmogorov—Smirnov)方法檢驗,在0.05置信水平下,所有土層p值都大于0.05,服從正態(tài)分布(表1)。說明所采土樣可以代表渭河干流區(qū)域的土壤有機質(zhì)狀況,并且可以進行相關(guān)分析和方差分析等。

        從渭河干流的土壤有機質(zhì)描述性統(tǒng)計可以看出,研究區(qū)有機質(zhì)含量均值在24.85~41.86 g/kg,與全球土壤有機質(zhì)含量均值相比較,渭河沿岸的土壤有機質(zhì)含量整體偏低。隨著土層深度加深,均值逐漸變小,較深層的土壤中動植物不發(fā)育,有機質(zhì)主要分布在表層。由于靠近河岸,部分地區(qū)為砂土,在50 cm層以下土層有機質(zhì)含量極小,最小值只有1.72 g/kg。極差范圍為63.63~94.58 g/kg,范圍較大,標(biāo)準(zhǔn)差均在15.85 g/kg以上,各個土層的有機質(zhì)含量波動較大,主要是受人工施肥的影響造成的。變異系數(shù)最小的0—10 cm層為51%,區(qū)域整體有機質(zhì)差異較大,河岸邊許多農(nóng)田多年閑置或者荒廢,土壤肥力不斷下降。說明研究區(qū)土壤較貧瘠,人為因素影響程度大,主要靠人工施肥維持土壤肥力,靠近河岸地區(qū)多沙石,不適宜耕種。

        表1 土壤有機質(zhì)基本統(tǒng)計學(xué)特征

        3.2 土地利用類型與土壤有機質(zhì)的關(guān)系

        土地利用方式是影響土壤物理化學(xué)性質(zhì)的重要因素[14]。為了定量研究土地利用類型對土壤有機質(zhì)的影響,分別在農(nóng)田、林地、果園和荒灘草地4種地類上進行采樣。如圖1所示,農(nóng)田土壤有機質(zhì)含量整體變化最大,在0—20 cm的耕層最高達到50 g/kg,并且隨深度增加有機質(zhì)含量減少,30—100 cm層有機質(zhì)含量波動較小,保持在25 g/kg左右。林地的有機質(zhì)含量變化趨勢與農(nóng)田相似,只是在50—100 cm層比農(nóng)田略高,保持在30 g/kg水平。果園的有機質(zhì)含量保持平穩(wěn),50 cm以上在40 g/kg水平波動,50—100 cm土層有機質(zhì)在30~35 g/kg波動。所有土層中荒灘草地的有機質(zhì)含量最低,這是由于此種地類主要分布在河灘等沙石較多的地方,無人管理,長期受河流沖刷,植被覆蓋少。農(nóng)田和果園受人為灌溉施肥的影響,有機質(zhì)含量相對較高。本研究所采林地樣本均為人工林,所以在一定程度上也受人為因素影響,但相對農(nóng)田果園,林地的投入少,時間長,所以有機質(zhì)含量相對減少。

        圖1 不同土地利用類型土壤有機質(zhì)變化

        經(jīng)K—S檢驗,4種地類的土樣均服從正態(tài)分布(p>0.05),本文采用單因素方差分析方法分別對10個土層的有機質(zhì)加以分析,Levene’s方差齊性檢驗結(jié)果見表2。當(dāng)方差齊性的值大于0.05時,說明通過方差齊性檢驗,使用LSD方法進行多重比較,當(dāng)p值小于0.05時,說明4種地類對有機質(zhì)含量的影響有顯著性差異。從表2可以看出,不同土地利用類型只在0—10和10—20 cm這兩個土層對有機質(zhì)的影響效果有顯著性差異,20 cm以下土層不同地類間比較的p值均大于0.05,即說明4種地類間無顯著性差異。

        表2 土壤有機質(zhì)不同影響因素的方差分析結(jié)果

        表3為0—10和10—20 cm土層均值兩兩比較結(jié)果,只有荒灘草地的土壤有機質(zhì)與其他3種地類間具有顯著性差異,農(nóng)田、林地和果園由于受到人工施肥的影響,有機質(zhì)含量相對較高。但從標(biāo)準(zhǔn)差可以看出,農(nóng)田有機質(zhì)含量的波動也較大,說明只要實施合理有效的耕地管理方式便可以提高耕地肥力。

        表3 不同土地利用類型土壤有機質(zhì)均值兩兩比較結(jié)果(LSD方法)及相關(guān)統(tǒng)計量

        3.3 地形因子對土壤有機質(zhì)的影響

        3.3.1 高程與土壤有機質(zhì)的關(guān)系 所采樣點沿渭河干流上游到中下游,海拔范圍在300~1 000 m,落差較大。為定量研究海拔對有機質(zhì)的影響,將所有樣點按高程分成3個級別(<400,400~800,>800 m),分別對0—100 cm深度的10個土層作方差分析,分析結(jié)果見表2。不同高程組只在0—10和10—20 cm兩個土層對有機質(zhì)的影響效果有顯著性差異,20—100 cm土層不同高程組的p值均大于0.05,說明不同高程組在20 cm以下對有機質(zhì)的影響無顯著性差異。10—20 cm層方差齊性小于0.05,沒有通過方差齊性檢驗,使用Tamhane’s多重比較方法進行兩兩比較。

        不同海拔高度影響土壤的水熱條件以及物質(zhì)的堆積和遷移,高海拔地區(qū)的土壤環(huán)境處于半封閉狀態(tài),人為因素影響小,微生物分解動植物殘體形成的有機質(zhì)容易保存,土壤有機質(zhì)所受破壞程度小。而低海拔地區(qū)相對農(nóng)業(yè)耕作多一些,土壤有機質(zhì)受外界環(huán)境的影響較大[15]。分別計算不同高程組土壤有機質(zhì)含量的平均值,從圖2中看出,海拔越高土壤有機質(zhì)含量越高。對3個高程組間的兩兩比較可以發(fā)現(xiàn),在0—10 cm層,低于400 m海拔的土壤有機質(zhì)含量較小,<400和>800 m高程組間具有顯著性差異;在10—20 cm層,低于400 m的有機質(zhì)也明顯低于其他高程組,400~800和>800 m高程組之間沒有顯著性差異。

        3.3.2 坡度和坡向與土壤有機質(zhì)的關(guān)系 坡度、坡向?qū)ν寥烙袡C質(zhì)的腐殖化和礦化過程都有重要影響,從而影響其存在形態(tài)、含量及空間分布等[16]。一般說來土壤侵蝕強度隨坡度的增大而增大[17]。為了分析坡度對有機質(zhì)的影響,本文將采樣點坡度分為0°~3°,3°~8°,>8°這3個等級。如表4所示,渭河干流區(qū)域的有機質(zhì)有隨坡度增加而減少的趨勢,土層越深,趨勢越不明顯。在全部土層中,0°~3°的土壤有機質(zhì)明顯高于3°~8°和>8°的有機質(zhì)含量,平坦的土地更容易維持土壤肥力。方差分析結(jié)果表明,10個土層的有機質(zhì)在3個坡度組間均無顯著差異性,這是由于采樣點分布在距離河岸3 000 m范圍內(nèi),河水對土壤的侵蝕影響所致,近河水地帶主要以沙土居多,有機質(zhì)含量極少。

        為分析坡向?qū)τ袡C質(zhì)的影響,將337.5°~360°和0~22.5°規(guī)定為正北方向,沿順時針每隔45°分別為東北、東、東南、南、西南、西、西北8個方向。分別算出10個土層在每個方向上的有機質(zhì)含量均值,50 cm以下土層有機質(zhì)含量較低且均值接近,故未標(biāo)示。如圖3所示,陰坡和半陰坡的有機質(zhì)含量明顯要高于陽坡,陽坡接受的太陽輻射多,導(dǎo)致土壤溫度高濕度低,相對陰坡土壤干燥,有機質(zhì)分解速度快,不易積累。土壤有機質(zhì)含量水平通常隨熱量條件的增加而降低,隨濕潤度的增加而增高[18]。隨著深度增加,各個方向上的有機質(zhì)含量都隨之降低,并且坡向?qū)τ袡C質(zhì)的影響趨勢也隨之減弱,坡向只影響表層土壤有機質(zhì)的分布。方差分析表明,不同坡向的有機質(zhì)含量無顯著性差異。

        圖2 不同高程組有機質(zhì)含量變化

        表4不同坡度分級土壤有機質(zhì)變化 g/kg

        坡 度 分級/(°)土層/cm0—1010—2020—3030—4040—5050—6060—7070—8080—9090—1000~345.51 37.83 30.18 31.42 23.29 29.51 32.15 29.53 27.36 24.89 3~842.50 31.81 22.82 21.42 21.59 20.64 25.41 24.08 25.15 20.88 >840.13 32.33 23.39 21.32 20.98 22.36 24.94 24.51 23.65 33.82

        圖3 不同坡向土壤有機質(zhì)變化

        3.4 河流不同距離緩沖帶的土壤有機質(zhì)結(jié)構(gòu)分析

        毛麗麗等[19]關(guān)于黑河下游河道滲漏面積估算中得出結(jié)論,黑河滲漏近似平均寬度約321.7 m。為研究與河流距離對土壤有機質(zhì)的影響,依據(jù)此黑河滲漏寬度,本研究將500 m作為一個緩沖帶寬度,則第1緩沖帶就可以基本包含兩岸浸潤帶,第2至第6緩沖帶不受河流滲漏影響。使用ArcGIS 9.3的緩沖區(qū)分析工具,分別統(tǒng)計了10個土層在不同緩沖帶上的有機質(zhì)含量如圖4所示。從圖4可看出,距離河岸越遠,土壤有機質(zhì)含量逐漸增加,這種趨勢在0—10和10—20 cm土層尤其明顯,隨著深度向下,這種趨勢逐漸減弱,說明不同緩沖帶只對土壤表層有機質(zhì)有顯著的影響。0—10和10—20 cm層的趨勢線明顯高于其他土層,表明不論距河遠近,有機質(zhì)均隨著深度增加而減低。

        圖4 不同緩沖區(qū)土壤有機質(zhì)變化

        3.5 土壤有機質(zhì)垂直分布特征分析

        由于成土過程對疏松物質(zhì)的改造作用,特別是腐殖質(zhì)的形成和加入過程,以及顆粒與溶解物質(zhì)的轉(zhuǎn)移過程,導(dǎo)致土壤內(nèi)部沿垂直方向發(fā)生分異,形成了一些物理和化學(xué)性質(zhì)明顯不同的水平層次[20]。為研究土壤有機質(zhì)在垂直方向上的分布特征,將所有土樣按土層深度分成10層,對每一土層做不同地類、高程、坡度、坡向以及緩沖區(qū)的方差分析,分析結(jié)果如表2所示。從表2可以看出,當(dāng)p<0.05,則說明其具有顯著性差異,不同地類間只在0—10和10—20 cm土層具有顯著性差異,其p值分別為0.003和0.042。不同高程組間也有同樣的結(jié)果,坡度和坡向因素的結(jié)果顯示都不具有顯著性差異。

        土壤有機質(zhì)沿垂直方向分布的特征主要是由有機質(zhì)的積累和分解兩個過程共同影響,而此過程又受到多種因素控制,例如土地利用類型、地貌特征、生態(tài)景觀類型、土壤類型、土壤坡面沉積發(fā)育、植被覆蓋程度和氣候條件等因素。本研究通過對地類、高程、坡度、坡向和緩沖區(qū)分別做單因素方差分析得知,在渭河干流區(qū)域只有土地利用類型和高程因素在20 cm以上土層有顯著性差異,有機質(zhì)主要分布在耕層,尤其是農(nóng)田、果園地類,耕層以下土壤含有機質(zhì)極少,所以影響程度也相對減弱。本研究區(qū)是一個沿河流方向的狹長地帶,坡度坡向因素差異較小,并且耕層下層土壤多沙石,造成坡度坡向等其他因素并未對有機質(zhì)造成顯著影響。但在10 cm深度以上的表層p值明顯小于下層土壤,有機質(zhì)主要分布在地表最上面的有機質(zhì)層和淋溶層,所以各影響因素只在表層土壤有顯著影響,隨著土層深度向下,有機質(zhì)含量逐漸減少,各影響因素對有機質(zhì)的影響效果也逐漸減弱。

        4 結(jié) 論

        (1)渭河流域干流區(qū)域土壤有機質(zhì)含量總體偏低,分布不均,變異性較大,隨著土層深度向下逐漸降低。不同用地類型的有機質(zhì)含量的順序是:農(nóng)田>林地>果園>荒灘草地。高程對表層土壤有機質(zhì)有顯著影響,隨著海拔升高,有機質(zhì)含量逐漸增加。坡度對有機質(zhì)的影響不顯著,但隨著坡度增加,有機質(zhì)有下降的趨勢。陰坡和半陰坡的有機質(zhì)含量明顯高于陽坡,但隨著深度增加,這種現(xiàn)象越來越不明顯。

        (2)隨著緩沖區(qū)域的擴大,0—20 cm深度,在同一水平土層上,有機質(zhì)含量逐漸升高,20 cm以下土層這種趨勢逐漸減弱。每一個緩沖帶與總體土壤有機質(zhì)的分布規(guī)律相似,即隨深度增加有機質(zhì)含量逐漸減少。

        (3)土地利用類型、海拔、坡度、坡向以及距離河流的距離這些影響有機質(zhì)變化的因素,只在20 cm以上土層具有顯著性,對下層土壤的影響效果逐漸減弱。所以在研究渭河干流區(qū)域土壤有機質(zhì)時,所采土壤樣本可以只取到表層20 cm。

        (4)本研究依據(jù)相關(guān)文獻以及采樣條件,選擇500 m為緩沖帶寬度,僅分析了3 000 m范圍內(nèi)的有機質(zhì)分布規(guī)律。鑒于研究區(qū)域地形復(fù)雜,人為影響等因素干擾,河流對兩岸的土壤有機質(zhì)影響范圍、強度及作用機理還有待進一步研究。本研究所得結(jié)論與大部分研究基本一致,并且適合于渭河流域,為流域內(nèi)土壤資源開發(fā)、保護以及生態(tài)修復(fù)提供重要決策依據(jù)。

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