王華++李亞函

摘要：以丹江口水庫青塘河小流域入庫河口37.8 hm2面積的土地為研究對象，利用SPSS 19、ArcGIS10.0及GS+9.0軟件研究該區(qū)域8種土壤養(yǎng)分的具體空間變異與分布。結(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)、全磷、全鉀、全氮超過95%面積的土壤處于中等及以下水平；從速效養(yǎng)分來看，堿解氮含量較低，速效磷和速效鉀含量相對較高，基本處于中等及以上水平；對土壤養(yǎng)分綜合指標(biāo)分析結(jié)果顯示，貧瘠土壤占整個研究區(qū)域面積的70%以上。通過對土壤養(yǎng)分綜合狀況分析，為庫區(qū)植被恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)的研究提供了數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：土壤養(yǎng)分；空間變異；地統(tǒng)計(jì)分析；克里格插值

中圖分類號：S158.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）21-5524-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.020

Horizontal Spatial Variability and Integrated Evaluation of Soil Nutrients

in River Estuary of Small Watershed

WANG Hua1，LI Ya-han2

（1.Dongfang College，Zhejiang University of Finance & Economics，Jiaxing 314000，Zhejiang，China；

2.Hangzhou Design Institute of Water Conservancy and Hydropower Co.，Ltd.，Hangzhou 310006，China）

Abstract：The estuary of Qingtanghe river watershed of Danjiangkou Reservoir was selected as the research region，whose area is 37.8 hm2. The spatial variability and distribution of the soil nutrients in this area were analyzed by using SPSS19.0，ArcGIS10.0 and GS+9.0. The results showed that，the contents of organic matter，TP，TK and TN in more than 95% areas were at the middle or lower level. From the available nutrients，available P and available K were higher than alkaline N，all at the middle or higher level. The results of comprehensive index analysis showed that the barren soil accounted for more than 70% of the total area in the research region. Based on the comprehensive analysis of soil nutrients，the data support for the research of the key technologies of the vegetation restoration in the reservoir area was provided.

Key words： soil nutrient； spatial variation； geo-statistical analyst； Kriging interpolation

丹江口水庫是全國最大的飲用水源保護(hù)地，其安全性對南水北調(diào)工程至關(guān)重要，要想從根本上保證南水北調(diào)中線水源區(qū)的水質(zhì)安全，必須切實(shí)加強(qiáng)水源區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)。由于丹江口大壩加高工程的影響，形成了新的水陸交錯帶，使水源地生態(tài)環(huán)境安全保障成為流域治理亟待解決的首要問題。入庫河口是控制外源污染進(jìn)入水庫的最后一道屏障[1]，其植被發(fā)揮著攔截污染、吸收水體中營養(yǎng)物、固定岸坡的作用，是影響庫區(qū)生態(tài)環(huán)境構(gòu)建、保障水質(zhì)安全的關(guān)鍵因素。

土壤是植被賴以生存的基礎(chǔ)，土壤養(yǎng)分作為土壤肥力的重要屬性，其含量的高低直接影響植被的生存狀況，正確理解土壤養(yǎng)分的空間變異是優(yōu)化土壤管理、指導(dǎo)植被恢復(fù)的關(guān)鍵。本研究以丹江口庫區(qū)青塘河小流域入庫河口的土壤作為研究對象，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與地理信息系統(tǒng)（GIS）相結(jié)合的方法分析研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分的空間變異與空間分布特征，以此揭示土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 流域概況

青塘河小流域位于湖北省丹江口市習(xí)家店鎮(zhèn)，水系發(fā)源于海拔300～500 m的丘陵山地，系漢江河的一級小支流，從北向南匯入丹江口水庫，在庫區(qū)很有代表性，土地總面積約32.29 km2，其中研究區(qū)面積37.8 hm2。青塘河小流域?qū)俦眮啛釒О霛駶櫦撅L(fēng)氣候，境內(nèi)年均降水量797.6 mm，降雨主要集中在汛期，降雨強(qiáng)度大、集中，徑流匯集時間短；小流域內(nèi)土壤類型主要有黃棕壤、石灰土和紫色土；用材林主要以柏樹為主，灌木林主要有楊類、刺槐、紫穗槐等。

1.2 樣品采集和分析

采用GPS定位技術(shù)，根據(jù)采樣點(diǎn)距離水庫岸邊的距離，在青塘河主泓道兩側(cè)進(jìn)行定點(diǎn)采樣，采集不同植被覆蓋下土壤表層0～20 cm的土壤，在樣點(diǎn)附近再取3～5個點(diǎn)，以幾個點(diǎn)的混合土樣作為該點(diǎn)的樣本，共采集土壤樣本31個，記錄每個采樣點(diǎn)的坐標(biāo)與高程，加標(biāo)簽后帶回實(shí)驗(yàn)室。

將所采集的土壤樣本分別平攤在牛皮紙上于室內(nèi)風(fēng)干，揀出樣品內(nèi)的石子、樹根、雜草等，磨碎過20目（0.9 mm）和100目（0.149 mm）孔篩，分裝于自封袋中，貼上標(biāo)簽，用于測定土壤養(yǎng)分含量，每組3個重復(fù)。土壤養(yǎng)分分析方法見表1。

1.3 數(shù)據(jù)處理

為了保證數(shù)據(jù)分析的精確度，采用格拉布斯準(zhǔn)則對異常值進(jìn)行剔除處理。

以青塘河流域現(xiàn)有的DEM圖為基礎(chǔ)，在ArcGIS 10.0軟件下，裁剪出所需要的區(qū)域作為研究區(qū)。將GPS定位的樣點(diǎn)坐標(biāo)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入Excel表，導(dǎo)入ArcGIS生成點(diǎn)文件，而后轉(zhuǎn).shp文件，進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，生成以m為單位的平面坐標(biāo)。采用GS+軟件對土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行半方差分析，并在Arcgis10.0中利用Geostatistic analysis模塊Kriging法進(jìn)行插值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)分析

利用IBM SPSS Statistics 19對研究區(qū)31個樣點(diǎn)土壤的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)包括最大值、最小值、中值、均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)[2]，結(jié)果見表2。

按照變異系數(shù)（CV）的大小劃分等級：弱變異性CV<10%，中等變異性10%100%強(qiáng)變異性[3]。從表2可知，土壤pH的變化范圍較小，變異系數(shù)為3.7%，屬弱變異性。土壤各養(yǎng)分屬性均存在一定的梯度變化，變異系數(shù)的變化范圍為22.9%～97.9%，均位于10%～100%之間，屬于中等強(qiáng)度變異，變異程度從大到小的順序?yàn)樗傩Я?、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、全鉀、全氮、全磷，其中速效磷變化范圍較大，變異系數(shù)也最大，接近100%，達(dá)到強(qiáng)變異，說明速效磷屬性值存在較大的波動，受個別極大值干擾作用強(qiáng)烈。

2.2 土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析

相關(guān)系數(shù)|r|≥0.8，表示兩變量之間具有較強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系；|r|≤0.3，表示兩變量之間的線性關(guān)系較弱[4，5]。利用SPSS軟件對土壤養(yǎng)分各個指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。從表3可知，pH與各個養(yǎng)分指標(biāo)均呈負(fù)相關(guān)，表明隨著土壤酸性的增強(qiáng)，土壤養(yǎng)分的有效性得到提高；各個養(yǎng)分指標(biāo)之間均存在不同程度的正相關(guān)關(guān)系，其中有機(jī)質(zhì)與全氮、堿解氮呈顯著正相關(guān)，表明有機(jī)質(zhì)的積累與分解速率對土壤全氮及堿解氮的分布有重要影響，其他養(yǎng)分指標(biāo)之間呈中等水平相關(guān)。

2.3 土壤養(yǎng)分半方差分析

變異函數(shù)的計(jì)算要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布規(guī)律。檢驗(yàn)結(jié)果顯示，全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)屬于或者接近正態(tài)分布，堿解氮、全氮、速效鉀、速效磷經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后均呈正態(tài)分布，研究區(qū)內(nèi)各個養(yǎng)分屬性數(shù)據(jù)已滿足了地統(tǒng)計(jì)分析的假設(shè)條件。

總體來看，全磷、速效磷、速效鉀、全氮、堿解氮的塊金值都較小，這說明在最小間距內(nèi)的變異分析過程中引起的誤差較小[6]。按照區(qū)域化變量空間相關(guān)性程度的分級標(biāo)準(zhǔn)，土壤養(yǎng)分的空間變異程度可用塊金值與基臺值比值（塊金效應(yīng)）的大小來劃分，7種養(yǎng)分的塊金效應(yīng)在25%～75%范圍之間，屬于中等的空間相關(guān)性，說明這些土壤屬性的空間變化是結(jié)構(gòu)性因素（如土壤母質(zhì)、地形、氣候等非人為因素）和隨機(jī)性因素（施肥、作物、管理水平等人為措施）共同作用的結(jié)果。

2.4 土壤養(yǎng)分空間插值分析

根據(jù)半方差函數(shù)模型，借助ArcGIS 10.0地統(tǒng)計(jì)模塊普通Kriging插值法對研究區(qū)內(nèi)的各個養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)內(nèi)插分析，繪制各個土壤養(yǎng)分含量空間分布插值預(yù)測圖（圖1），用以對各土壤養(yǎng)分在研究區(qū)域的空間分布特征、變異情況及影響因素進(jìn)行具體分析。根據(jù)全國第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分布標(biāo)準(zhǔn)，利用ArcGIS重分類功能對不同土壤屬性不同等級的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表4。從表4可知，在7種養(yǎng)分中，有機(jī)質(zhì)、全磷、全鉀、全氮、堿解氮處于中等及以下水平的土壤所占的面積達(dá)95%，尤其是全磷和全鉀，大部分區(qū)域含量處于中等及較貧瘠水平，速效磷和速效鉀含量相對較高，大部分區(qū)域超過中等水平，其中速效鉀接近50%的區(qū)域達(dá)到極豐富水平。

3 土壤養(yǎng)分綜合評價

空間變異圖能夠很好地反映土壤要素含量的空間分布和變異特征，但不能充分反映各類土壤要素的綜合信息[7]。為此，本研究利用SPSS19.0軟件對研究區(qū)土壤要素指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，在此基礎(chǔ)上對土壤綜合狀況進(jìn)行評價。

在主成分分析中，根據(jù)特征值>1來確定主成分。由表5可知，可選取前2個作為主成分。前2個因子對于總方差的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)85.711%，即把全部土壤肥力指標(biāo)信息的85.711%反映出來，較好地反映了土壤養(yǎng)分的綜合狀況。

通過主成分分析，最終得到各個土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)的計(jì)算公式。

NFI=Wi×Q（xi） （1）

式中，NFI表示土壤養(yǎng)分的綜合指標(biāo)；Wi表示各肥力因子的權(quán)重向量；Q（xi）表示各肥力因子的隸屬度值。

經(jīng)檢驗(yàn)，土壤養(yǎng)分綜合指標(biāo)值呈正態(tài)分布，半方差理論模型可以用指數(shù)模型擬合，土壤NFI的塊金效應(yīng)為25%，說明土壤養(yǎng)分條件的空間變異不僅受結(jié)構(gòu)性因子如氣候、地形地貌、土壤母質(zhì)、土壤類型等自然因素的影響，同時也受隨機(jī)性因素如施肥、耕作措施、種植制度等人類活動的影響。

在獲得半方差模型后，結(jié)合半方差分析獲取的參數(shù)，利用ArcGIS的Geostatistical Analyst模塊對土壤養(yǎng)分綜合指標(biāo)值進(jìn)行普通克里格插值，并繪制空間分布圖（圖2）。

總體來看，在整個研究區(qū)域內(nèi)，綜合土壤養(yǎng)分狀況集中在貧瘠和中等水平，利用ArcGIS的重分類功能對柵格圖像中不同等級土壤面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，土壤養(yǎng)分處于中等水平（0.4～0.6）的面積約占25.44%，其余區(qū)域土壤養(yǎng)分處于貧瘠范圍（0.2～0.4），面積達(dá)74.56%。

4 小結(jié)與討論

對研究區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異的研究結(jié)果表明，基于GIS與地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法能夠很好地反映土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律。有機(jī)質(zhì)、全磷、全氮和堿解氮4種土壤養(yǎng)分含量在大部分區(qū)域處于中等及較貧瘠的水平；全磷含量處于中等及以下水平，速效磷處于中等及以上水平；全鉀和速效鉀含量在中部偏東處于最高值，全鉀含量處于較貧瘠及以下水平的區(qū)域占95%以上，速效鉀含量在中等及以上水平。

土壤水分是影響水土流失過程、植被生長和植被恢復(fù)的關(guān)鍵因子，建議今后對于恢復(fù)植被的相關(guān)研究將水土兩個因子結(jié)合起來，系統(tǒng)地全面地分析土壤的水肥條件對植被的限制作用，以便更有效地指導(dǎo)研究區(qū)的植被重建。

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