尹 輝, 李 暉, 蔣忠誠

(1.惠州學院 旅游系, 廣東 惠州 516007; 2.廣西師范大學 環(huán)境與資源學院,廣西 桂林 541004; 3.中國地質(zhì)科學院 巖溶地質(zhì)研究所, 廣西 桂林 541004)

果化示范區(qū)土壤pH值的空間自相關及其主導因子

尹 輝1, 李 暉2,3, 蔣忠誠3

(1.惠州學院 旅游系, 廣東 惠州 516007; 2.廣西師范大學 環(huán)境與資源學院,廣西 桂林 541004; 3.中國地質(zhì)科學院 巖溶地質(zhì)研究所, 廣西 桂林 541004)

[目的] 探索空間異質(zhì)性較大的巖溶區(qū)的土壤pH值空間自相關尺度及其空間結(jié)構(gòu),分析影響典型巖溶區(qū)土壤pH值空間結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子。[方法] 應用經(jīng)典統(tǒng)計學方法與“3S”技術(shù)。[結(jié)果] 不同深度土壤pH值的空間分布均存在高度的正向全局空間自相關和明顯的空間聚集區(qū),各深度土壤pH值的空間孤立區(qū)分布較少;影響不同深度土壤pH值空間分異的環(huán)境因子排序為:植被覆蓋度>石漠化程度>地質(zhì)背景。[結(jié)論] 土壤pH值的空間分異受到了不同植被覆蓋條件下酸性物質(zhì)含量的影響。石漠化程度和地質(zhì)背景對土壤pH值的影響,實質(zhì)上是典型巖溶環(huán)境的綜合反映。

土壤; pH值; 空間自相關; 主導因子; 果化示范區(qū)

土壤酸堿度的變化對土壤肥力的效性、各類生物的活性，以及污染物質(zhì)的毒性等會產(chǎn)生直接或間接的影響[1-2]。位于中國西南典型巖溶峰叢洼地的果化示范區(qū)，石漠化較為嚴重[3-4]，生態(tài)環(huán)境較為脆弱[5-7]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較為落后[8-10]。加強土壤pH值及相關理化指標的監(jiān)測和分析，有助于當?shù)赝寥赖膮^(qū)劃與針對性改良，以及農(nóng)作物的精細耕作，有利于當?shù)厥木C合治理和生態(tài)環(huán)境恢復[11-13]。可見，作為典型巖溶峰叢洼地土壤酸堿度重要評價因子之一的土壤pH值，其自相關及其主導因子的空間研究急待開展。據(jù)此，本文基于野外實地監(jiān)測、Geoda空間自相關軟件和“3S”技術(shù)，探討典型巖溶峰叢洼地果化示范區(qū)土壤pH值的空間自相關及其主導因子，為指導當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、保障區(qū)域土壤資源的可持續(xù)利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

果化示范區(qū)是中國“十五”科技攻關課題“喀斯特峰叢洼地生態(tài)重建技術(shù)與示范”和“十一五”科技支撐計劃課題“喀斯特峰叢山地脆弱生態(tài)系統(tǒng)重建技術(shù)研究”的石漠化治理與生態(tài)重建，以及立體農(nóng)業(yè)生態(tài)模式綜合示范區(qū)。果化示范區(qū)始建于2001年，位于廣西平果縣果化鎮(zhèn)。示范區(qū)屬典型亞熱帶季風性峰叢洼地，地質(zhì)以二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)、石炭系上統(tǒng)(C3)和二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)為主，海拔176.4～535.0 m(圖1)。土壤以棕色或黃棕色石質(zhì)石灰土為主，土壤質(zhì)地較黏重，團粒結(jié)構(gòu)和小核狀結(jié)構(gòu)較多。土壤厚度受地形因素影響較大，一般而言，洼地土層較厚，峰叢坡中、坡頂土壤較為淺薄且不均一，局部地段基巖裸露于地表。土地利用類型以種植玉米、黃豆的旱作坡耕地為主，植被類型主要為稀疏林地、灌叢和低矮灌草，絕大多數(shù)植物是陽生灌木和草本種類，如紅背山麻桿(Alchorneatrewioides)、黃荊條(Vitexnegundo)、灰毛漿果楝(Cipadessabaccifera)、類蘆(Neyraudiareynaudiana)、青香茅(Cgmbupogoncaesius)、蔓生秀竹(Microstegiumfasciculatum)等。

1.2 圖件來源與處理

本研究區(qū)的行政區(qū)、地形圖、alos遙感影像等圖件主要來源于中國地質(zhì)科學院巖溶與石漠化研究室，本研究的前期工作是將行政區(qū)劃圖、地形圖導入ArcGIS軟件進行空間參考的賦值和空間坐標的幾何校正，在ENVI軟件平臺下完成遙感影像的遙感預處理，包括空間定標、校正大氣、校正水平和垂直誤差圖件進行空間校正，并將融合、裁剪、增強后的影像用于空間樣點的布設，為實地監(jiān)測樣點的選取提供依據(jù)。

1.3 樣點選取與實地監(jiān)測

本研究的空間樣點選取原則為：以果化示范區(qū)行政區(qū)劃圖為調(diào)研路線選擇的依據(jù)，同時與前期預處理好的遙感影像相結(jié)合，在圖像上進行基于網(wǎng)格的空間布點，并導出各待監(jiān)測樣點的經(jīng)緯度。2011年9月，將待調(diào)研的樣點坐標導入GPS，將GPS的空間參考與計算機相匹配(本研究選擇投影坐標系下高斯克呂格3度帶36帶的空間投影)，完成土壤樣點的空間導航。實地監(jiān)測時，考慮到土壤空間環(huán)境的相似性與差異性，同時兼顧峰叢洼地的地形、交通可達性、人類活動等因素，對部分土壤樣點進行空間調(diào)整并記錄實際監(jiān)測點的空間坐標，最終得到圖1所示的191個有效監(jiān)測樣點(各樣點的平均間距約為120 m，樣點密度約為70個/km2)。每個土壤樣點均挖取土壤剖面，量測0—5，5—10，10—20和20—30 cm不同土層的土壤深度，用校正后的土壤三參數(shù)儀監(jiān)測各土層的土壤pH值(各土層均測量3次)，以各監(jiān)測點不同深度的土壤pH值均值作為示范區(qū)空間自相關分析的基礎數(shù)據(jù)源。

圖1 果化示范區(qū)土壤樣點布設

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 基于RS的植被覆蓋度提取 運用Envi 4.8軟件對alos影像近紅外波段和紅光波段進行處理，得到NDVI植被指數(shù)，進而換算出植被覆蓋度[14]，計算公式如下：

(1)

式中：NDVI——歸一化植被指數(shù)； NIR——近紅外波段反射率(%)；R——紅光波段反射率(%)。

(2)

式中：FVC——植被覆蓋度(%)； NDVI——歸一化植被指數(shù)； NDVImax，NDVImin——像元所在地類的轉(zhuǎn)換系數(shù)，轉(zhuǎn)換系數(shù)為影像中不同植被DNVI的最大值和裸地NDVI的最小值所在像元空間范圍內(nèi)的NDVI平均值。

1.4.2 基于RS的石漠化信息提取 石漠化遙感信息的提取模型決定了石漠化信息提取的精度，參考已有的研究[15]，選取增強型植被指數(shù)法建立示范區(qū)石漠化信息提取模型：

Di=DNR·MG/(DNG·MR)

(3)

式中：Di——第i個像元的石漠化指數(shù)； DNR和DNG——紅光和綠光波段的像元亮度值；MR和MG——紅光和綠光波段的平均像元亮度值。

提取石漠化信息后，本文選用基巖裸露度遙感模型來表征石漠化指數(shù)，計算式如下[16]：

(4)

式中：Dgi——第i個像元的巖石裸露率(%)；Di——第i個像元的石漠化指數(shù)；Dmax，Dmin——示范區(qū)石漠化指數(shù)的最大值和最小值。

基于Envi 4.8和ArcGIS 9.3平臺，參照式(3) 、式(4) 所示的石漠化提取方法和水利部制定的“巖溶地區(qū)水土流失綜合治理技術(shù)標準”(中華人民共和國水利行業(yè)標準SL461—2009)中關于巖溶區(qū)石漠化程度分級標準，按基巖裸露率將示范區(qū)劃分為無明顯石漠化/潛在石漠化(<30%)、輕度石漠化(30%～50%)、中度石漠化(50%～70%)和重度石漠化(>70%)4大類。

1.4.3 空間自相關分析與分類統(tǒng)計 運用空間自相關軟件Geoda 9.2完成不同深度土壤pH值空間權(quán)重矩陣、Moran’I指數(shù)和空間自相關性的計算，并運用ArcGIS 9.3進行相關圖件的繪制。將示范區(qū)各深度土壤樣點與地質(zhì)背景、樣點高程、樣點坡度、土壤厚度、植被覆蓋度和石漠化程度在ArcGIS 9.3完成空間疊加，以統(tǒng)計示范區(qū)不同環(huán)境背景下各深度土壤的pH值。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度和石漠化程度遙感解譯結(jié)果

以式(1)—(4)所示的植被覆蓋度和石漠化遙感解譯方法為依據(jù)，得到2009年9月的果化示范區(qū)植被覆蓋度和石漠化程度遙感解譯結(jié)果(如表1—2所示)。

表1 果化示范區(qū)植被覆蓋度解譯結(jié)果

表2 果化示范區(qū)石漠化解譯結(jié)果

2.2 土壤pH值的空間結(jié)構(gòu)

圖2表明，不同深度土壤pH值呈現(xiàn)正向的全局空間自相關：各深度土壤pH值并未呈現(xiàn)出空間的隨機分布特征，而是表現(xiàn)出一定的集聚效應：多數(shù)分別位于“高—高”集聚和“低—低”集聚類型的第1象限和第3象限內(nèi)；少數(shù)土壤pH值分別位于“低—高”集聚和“高—低”集聚類型的第2象限和第4象限內(nèi)。其中，10 cm土壤pH值的高、低值分布相對集中；而5，20和30 cm土壤pH值的高、低值分布較為分散。圖3表明，5和30 cm深度的土壤pH值空間自相關尺度分別為2 200和2 000 m；10和20 cm深度的土壤pH值空間自相關尺度均為1 600 m。

果化示范區(qū)局部自相關分析表明，土壤pH值以空間集聚分布為主，空間孤立分布較少(圖4)。其中，“高—低”空間孤立區(qū)主要在“低一低”空間集聚區(qū)附近；“低─高”空間孤立區(qū)多在“高一高”空間集聚區(qū)分布。

土壤pH值的空間集聚還隨土壤深度的變化而有少許變化，主要表現(xiàn)為：較其他深度土壤pH值而言，20 cm深度龍何耕作區(qū)北部的“高—高”空間集聚規(guī)模較??；5 cm深度布堯耕作區(qū)集聚了較大規(guī)模的“低—低”土壤pH值空間分布，其集聚程度隨土壤深度的遞增而漸趨不顯著；隴堯屯土壤pH值的“低—低”和“高—低”空間分布也隨土壤深度的遞增而有所變化。

圖2 土壤pH值的Moran’I散點圖

圖3 土壤pH值的間隔距離與Moran’s I指數(shù)

2.3 土壤pH值空間變異的影響因素

從表3可以看出，地質(zhì)背景為二疊系下統(tǒng)的土壤pH值均值在總體上略高于石炭系上統(tǒng)；不同深度土壤pH值在總體上隨高程、坡度和植被覆蓋度的遞增而有所減小，卻隨石漠化程度的遞增而有所增加；不同深度土壤pH值隨土壤厚度的影響較為明顯，但未呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。

本文基于SPSS 18.0的方差分析模塊，計算不同環(huán)境背景下各深度土壤pH值的方差值，以此來判別各環(huán)境因子對土壤pH值的影響程度排序。從表4可見，植被覆蓋度、石漠化程度、地質(zhì)背景是影響土壤pH值空間分布的主導因子。

3 討 論

植被覆蓋度是影響土壤pH值空間分布的第1主導因子，主要體現(xiàn)在：植被覆蓋度較大，植被群落下的動植物生長較快，各種生物死亡后的殘體所分泌的酸性物質(zhì)較多，隨著酸性物質(zhì)在土壤中的不斷富集，導致堿性母質(zhì)風化而成的土壤逐漸酸化，最終形成pH值相對較低的偏酸性土壤；石漠化程度是影響土壤pH值空間分布的第2主導因子，主要體現(xiàn)在：石漠化程度越高，基巖的裸露程度會相應增加。由于巖溶區(qū)的基巖主要為偏堿性、易風化的石灰?guī)r，該類巖石風化后的殘留物能在一定程度上中和土壤酸化過程中所產(chǎn)生的酸性物質(zhì)，從而達到中和酸性土壤的作用，使得重度石漠化程度背景下，土壤pH值基本接近于中性值7；地質(zhì)背景是影響土壤pH值空間分布的第3主導因子，主要體現(xiàn)在：土壤的組成與土壤母質(zhì)的風化殘留物質(zhì)成分密切相關，土壤的酸堿性會受到地質(zhì)背景中基巖母質(zhì)風化成分的較大影響。以夾硅質(zhì)巖和燧石灰?guī)r分布為主的石炭系上統(tǒng)，硅酸鹽物質(zhì)常以膠體形式存在，易于淋失而富集于土壤之中，土壤鹽基離子略偏酸性，從而降低了土壤pH值；而以泥質(zhì)灰?guī)r和中—厚層層狀灰?guī)r分布為主的二疊系下統(tǒng)，基巖皆以偏堿性鹽基離子為主，從而增加了其分布區(qū)的土壤pH值。然而，以泥質(zhì)灰?guī)r和層狀灰?guī)r為主的二疊系下統(tǒng)，其巖層在淋溶程度上，比起硅酸鹽膠體而言要小得多，其偏堿性鹽基離子富集于土壤的含量也相對較少，從而不會較大程度地提高土壤的堿性。

4 結(jié) 論

本文基于室內(nèi)外布點與監(jiān)測手段，運用“3S”技術(shù)與自相關分析方法，對果化示范區(qū)的土壤pH值空間自相關特征及其環(huán)境背景進行了分析，得到如下結(jié)論：(1) 全局自相關分析表明各深度土壤pH值呈現(xiàn)正向的全局空間自相關； (2) 局部自相關分析表明土壤pH值以空間集聚分布為主，空間孤立分布較少； (3) 土壤pH值的主導因子排序為：植被覆蓋度>石漠化程度>地質(zhì)背景>坡度>高程>土壤厚度。

表3 不同環(huán)境條件下的土壤pH均值

注：行內(nèi)相同小寫字母表示同一深度土壤在不同環(huán)境條件下的pH值均值差異不顯著；列中相同大寫字母表示同一環(huán)境條件下不同深度土壤的pH值均值差異不顯著(α=0.05)。

表4 不同環(huán)境背景下各深度土壤pH值的方差值及排序

圖4 5，10，20，30 cm深度土壤各pH值自相關空間分布 [參考文獻]

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Spatial Autocorrelation and Its Dominant Factors o Soil pH Value in Guahua Demonstration Zone

YIN Hui1, LI Hui2,3, JIANG Zhongcheng3

(1.TourismDepartment,HuizhouUniversity,Huizhou,Guangdong516007,China;2.CollegeofEnvironment&Resources,GuangxiNormalUniversity,Guilin,Guangxi541004,China;3.InstituteofKarstGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Guilin,Guangxi541004,China);

[Objective] This paper aims to demonstrate the spatial autocorrelation and the pattern of soil pH value in order to find the main influencing environmental factors. [Methods] Classical statistics and 3S technology were used. [Results] The spatial distribution of soil pH value in different soil depth showed a highly positive spatial autocorrelation and had obvious spatial clusters, nearly no isolated distribution was found. The factors influencing the spatial distribution of soil pH value in different soil depth ranked as: vegetation coverage, rocky desertification and geological background. [Conclusion] The spatial heterogeneity of soil pH value was affected by the content of acid materials under different vegetation covers, and the influence of rocky desertification and geological background on soil pH value is a comprehensive reflection of typical karst environment.

soil; pH value; spatial autocorrelation; dominant factors; Guohua demonstration zone

2014-06-10

2014-07-23

廣東省青年創(chuàng)新人才類項目“基于3S技術(shù)的粵北石漠化地區(qū)雨水資源化潛力研究”(2014KQNCX212); 廣西自然科學基金項目(2013GXNSFBA019222)，(2015A030310275)

尹輝(1983—),男(漢族),廣西省桂林市人,博士,講師,主要研究方向為生態(tài)恢復、3S和水土保持。 E-mail:yinhui741852963@163.com。

李暉(1981—),男(漢族),河南省南陽市人,博士,副教授,主要從事水文水資源與生態(tài)環(huán)境等方面的研究。 E-mail:lh1029@126.com。

A

1000-288X(2015)05-0183-06

S152.7