李海強, 郭成久, 李 勇

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學 水利學院, 沈陽 110866; 2.桓仁滿族自治縣水土保持站, 遼寧 桓仁 117200)

基于GIS的水土保持措施下坡耕地土壤養(yǎng)分變異特征

李海強1, 郭成久1, 李 勇2

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學 水利學院, 沈陽 110866; 2.桓仁滿族自治縣水土保持站, 遼寧 桓仁 117200)

以水保林地、水平梯田及地埂植物帶組成的水土保持措施體系和無措施坡耕地土壤養(yǎng)分為研究對象，利用GPS定點采樣，傳統(tǒng)統(tǒng)計分析和ArcGIS地統(tǒng)計分析相結(jié)合，并通過參數(shù)及誤差值對比，選取最佳空間插值擬合模型(球狀模型)，研究水土保持措施體系和無措施坡耕地土壤養(yǎng)分的空間變異特征。結(jié)果表明：(1) 5個指標的空間變異度對比：TP>有效P>TN>有機質(zhì)>pH，其TN，TP，有效P，pH值的空間變異受水土保持措施影響顯著，有機質(zhì)不僅受非人為因素影響，也受人為因素影響。(2) 運用Kriging插值制圖顯示，5個指標在空間上分布均不均勻。采取水土保持措施后對土壤養(yǎng)分有一定的富集作用，含量顯著高于無措施對照區(qū)；無措施坡耕地坡上、坡中和坡下部位土壤養(yǎng)分呈規(guī)律性降低趨勢。而土壤pH值空間變異與有機質(zhì)，TN，TP和有效P相反。(3) 上坡位的水保林地對TN，TP和有機質(zhì)的攔蓄作用最好，中坡位的水平梯田對有效P的攔蓄作用顯著；由于下坡位的無措施對照區(qū)作為土壤養(yǎng)分流失的必經(jīng)區(qū)域，土壤養(yǎng)分含量較高，表現(xiàn)出地埂植物帶對養(yǎng)分的攔蓄作用不顯著。通過土壤pH值的空間對比發(fā)現(xiàn)，種植相應(yīng)植物使水保林地和地埂植物帶土壤pH值下降了。

水土保持措施; 土壤養(yǎng)分; ArcGIS; 空間插值

坡耕地土壤養(yǎng)分的流失不僅造成土壤肥力降低、土地生產(chǎn)力下降，而且面源污染物會引起下游水體富營養(yǎng)化，給人們的生產(chǎn)和生活帶來了諸多不便。為此，許多學者研究了不同措施對坡耕地土壤養(yǎng)分流失的防控作用。有學者研究表明增加植被覆蓋度能夠減少氮、磷的流失量，但是增加植被覆蓋在有效減少TN流失的同時，會造成土壤礦質(zhì)氮的流失[1-2]，因此在防治土壤養(yǎng)分流失過程中，不僅要增加植被覆蓋度，而且可采用水土保持工程措施，通過改造耕地地形而減少土壤養(yǎng)分的流失。為了有效控制東北黑土區(qū)坡耕地面源污染物以徑流泥沙方式的流失[3]，在黑土區(qū)占地59%的坡耕地可修筑各種不同水土保持措施。馮洋等[4]曾研究表明采取水土保持措施后的土壤TP和TN的含量顯著高于未采取水保措施坡耕地土壤TP和TN含量。近些年，隨著GIS技術(shù)在水土保持方面逐漸成熟，使土壤養(yǎng)分流失的監(jiān)測和評價更為方便、簡易。雷能忠等[5]研究表明，利用GIS的Kriging插值與柵格疊加功能和地統(tǒng)計學方法進行土壤養(yǎng)分質(zhì)量評價能較客觀地反映土壤養(yǎng)分狀況。運用GIS空間分析功能，通過GIS軟件顯示制圖，可繪制面源污染物污染指數(shù)圖，從而清晰表現(xiàn)污染的空間分布和變異情況[6]。結(jié)合RUSLE模型[7]，利用GIS可確定土壤的N，P流失情況[8-9]，且通過GIS空間插值法可對研究區(qū)域徑流水體和土壤N，P含量空間分布規(guī)律、釋放特征進行研究，從而分析土壤中N，P的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。但利用GIS技術(shù)對東北黑土區(qū)建設(shè)有水土保持措施體系的坡耕地土壤養(yǎng)分變化規(guī)律的研究較少，因此本文運用GIS空間插值方法，分析整個水土保持措施體系下坡耕地土壤有機質(zhì)、N，P含量空間上的變化特征，完成研究區(qū)整個水土保持措施體系對坡耕地土壤養(yǎng)分變化的影響評價，從而緩解由水土流失造成的下游水體富營養(yǎng)化，減少面源污染，改善生態(tài)環(huán)境，為遏制坡耕地養(yǎng)分流失、改善小流域水質(zhì)提供參考依據(jù)與技術(shù)保障。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗選擇遼寧省本溪市桓仁滿族自治縣渾江流域雅河鄉(xiāng)大泉眼小流域為典型試驗區(qū)，地理位置位于東經(jīng)125°15′25″，北緯41°11′24″。雅河鄉(xiāng)大泉眼小流域位于桓仁縣南部，屬渾江流域，流域內(nèi)有一條河流大泉眼河，全長6.5 km，匯入渾江。流域面積28.67 km2，水土流失面積956.5 hm2，水土流失面積占總面積的33.36%。雅河鄉(xiāng)大泉眼小流域?qū)匍L白山系龍崗支脈的中低山區(qū)，流域內(nèi)最高海拔為753 m，地貌屬低山丘陵區(qū)，氣候為北溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均降水量808.8 mm，年均蒸發(fā)量1 282.3 mm，每年7—9月為暴雨集中期，其降雨量約占全年的69.3%。流域內(nèi)種植的主要作物為玉米(Zeamays)。研究區(qū)水土保持措施體系上坡位水土保持林植被以紅松(Pinuskoraiensis)和落葉松(Larixspp)為主；中坡位水平梯田田面凈寬為8 m，田坎高度1.45 m；下坡位地埂植物帶栽植紫穗槐(AmorphafruticosaL.)，株行距20 cm×20 cm。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗選取2015年該流域降雨較多且農(nóng)事管理活動較頻繁的3—9月份逐月采樣，同時，根據(jù)研究區(qū)已經(jīng)修建完善的水土保持措施體系(從坡頂?shù)狡碌椎乃帘３执胧┮来问撬Ａ值?、水平梯田、地埂植物?的實際情況，選擇同一坡面上相應(yīng)高度無措施坡耕地作為對照區(qū)，水土保持體系與無措施坡耕地基本情況見表1。

表1 研究區(qū)基本情況

為了滿足GIS對空間插值布設(shè)點的要求，又結(jié)合各水土保持措施的布設(shè)情況，水土保持林內(nèi)順坡設(shè)置10個“S”形，共50個采樣點，分0—15 cm和15—30 cm層，分層取樣，即100個土樣；從坡上至坡下等距選取4個水平梯田，每個梯田內(nèi)順田面按“S”形設(shè)置7個采樣點，共28個采樣點，即56個土樣；地埂植物帶內(nèi)橫坡設(shè)置3個“S”形，共15個采樣點，30個土樣；無措施順坡設(shè)置4個“S”形，共28個采樣點，56個土樣。每次對研究區(qū)域設(shè)置的121個采樣點，用精準RTK定位儀和手持GPS同時測點定位，并以定位點為中心選取2 m×2 m樣方，先剔除表土中的動植物殘體、礫石，然后每個樣方內(nèi)按九宮格交叉取5個重復樣品充分均勻混合為1個樣品，并分縱向深度0—15 cm和15—30 cm兩個層次共采集242個土樣，帶回實驗室處理。樣品自然風干后，選取四分法取樣，用缽碾磨成粉末，過不同孔徑篩后來測定土壤有機質(zhì)、TN，TP，有效P和pH值等數(shù)據(jù)。本研究主要選取3月份0—15 cm土層深土壤養(yǎng)分測定數(shù)據(jù)作為本底值(表1)，暴雨較為集中的8月份數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)源。

土壤有機質(zhì)的測定方法采用重鉻酸鉀容量法(GB9834—88)，TN采用開氏消煮—常量蒸餾—納氏試劑光度法(GB7173—87)，TP采樣濃硫酸—高氯酸高溫消解—鉬銻抗比色法(GB9837—88)，有效P采用紫外分光光度法測試，土壤pH采用電位法。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本試驗采用Excel和SPSS 17.0軟件統(tǒng)計數(shù)據(jù)并作相關(guān)性分析，采用ArcGIS 10.0進行數(shù)據(jù)檢驗及空間插值作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量描述性統(tǒng)計分析

在整個研究區(qū)內(nèi)，不同水保措施及無措施對土壤養(yǎng)分含量影響不同，采取水土保持措施后對土壤養(yǎng)分有一定的富集作用。其TN含量范圍為1.92～3.00 g/kg，TP含量范圍為0.15～0.53 g/kg，有機質(zhì)含量范圍為23.14～30.14 g/kg，有效P含量范圍為17.65～49.27 mg/kg，pH值變化范圍為5.71～6.39，且TN，TP，有機質(zhì)和有效P的最小值均出現(xiàn)在無措施坡耕地，最大值分別出現(xiàn)在水保林地、地埂植物帶、地埂植物帶和水平梯田。土壤TP，有效P，TN，有機質(zhì)和pH值的空間變異度分別為25.39%，21.58%，11.50%，7.04%，3.25%。同一研究區(qū)域其土壤母質(zhì)的變化較小，因此土壤pH值變異系數(shù)最?。挥捎谘芯繀^(qū)人們采取秸稈還田，因此，有機質(zhì)和TN的空間變異較小。土壤TP和有效P空間變異度較高，可能與人們的施肥管理習慣及磷素本身在土壤中的流動性較小有關(guān)。

表2 各個指標間的相關(guān)性分析

**.在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，*.在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

從表2可看出，水土保持措施對土壤有機質(zhì)、TN，TP，有效P，pH均有較大影響，各指標均與水保措施呈極顯著相關(guān)。pH值與水土保持措施之間呈極顯著負相關(guān)，這主要受水土保持林地和地埂植物帶植被影響，由于整個水土保持體系已于2012年完成建設(shè)，體系內(nèi)植物逐漸對生長土壤理化性質(zhì)有所改善，使水保林地土壤pH值有所下降，從而表現(xiàn)為有措施比無措施pH值大；土壤有機質(zhì)主要是土壤氮素的存在場地，受到土壤pH值的影響，其pH值與有機質(zhì)和全氮均呈極顯著相關(guān)。磷素在土壤中流動性弱，使磷素與水保措施的相關(guān)性顯著。有機質(zhì)和全氮呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達到0.822，說明研究區(qū)內(nèi)土壤有機質(zhì)和TN含量關(guān)系密切。有效P作為磷素養(yǎng)分供應(yīng)水平高低的一個重要表征[10]，與TP呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

2.2 土壤特性的空間變異模型建立

通過數(shù)據(jù)檢驗發(fā)現(xiàn)，土壤TN，TP，有機質(zhì)含量和pH值的原始采樣數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布；有效P含量采樣數(shù)據(jù)在經(jīng)過對數(shù)變換處理后，呈正態(tài)分布，符合插值要求。研究中空間插值選取普通克里金法，但插值過程中參數(shù)的設(shè)置及擬合模型選取不同均會導致插值結(jié)果不同，從而影響評價結(jié)論。

表3是選取普通克里金法進行插值過程中設(shè)置不同擬合模型和其預(yù)測誤差值對比情況。5個指標所選擬合模型ME的絕對值和MSE均較接近0；而所選三種模型全P的RMSSE>1，說明在預(yù)測過程中，低估了預(yù)測值，且高斯模型中有機質(zhì)的RMSSE也大于1；根據(jù)RMSE越小越好的原則,高斯模型擬合造成的RMSE相對較小。但通過表3中ME，RMSE，ASE，RMSSE，MSE和經(jīng)驗函數(shù)綜合對比分析，最終選取球狀模型作為本試驗最佳插值擬合模型。

表3 半方差函數(shù)擬合模型誤差值對比

通過對5個指標進行球狀模型擬合，同時可利用半變異曲線圖得出參數(shù)，其基本值和各個指標的球狀模型公式見表4。球面模型公式為：

式中：C0為塊金值，表示由隨機變量帶來的空間變異；C為偏基臺值，表示基臺值與塊金值的差值；a為變程，表示樣點間距的上限；h為樣點間距。

從表4可知，5個試驗指標擬合過程中塊金值(C0)均小于變程a,說明試驗中任意兩個采樣點之間存在相關(guān)性。C0/(C0+C)值可以表明各個指標的空間相關(guān)程度。當C0/(C0+C)<25%，表示有強烈空間相關(guān)性，這種空間變異是非人為因素造成的；當25≤C0/(C0+C)≤75%，表示有中等空間相關(guān)性；當C0/(C0+C)>75%，表示空間相關(guān)性較弱，這種空間變異主要是人為因素導致的。通過C0/(C0+C)值的對比表明，有機質(zhì)的空間相關(guān)度大于25%，說明空間相關(guān)性處于中等程度，這主要是除水保林地之外，水平梯田、地埂植物帶和無措施對照區(qū)均有人為活動的參與，因此，有機質(zhì)的空間變異不僅受到自然環(huán)境的影響，還受到人類耕作管理的影響，但其C0/(C0+C)較接近25%，說明其受到人為影響較小。土壤TN，TP，有效P，pH值的C0/(C0+C)均小于25%，說明它們的空間變異基本是非人為因素導致的。綜上分析表明，本試驗所研究的土壤有機質(zhì)，TN，TP，有效P和pH值的空間變異主要是采取水土保持措施所造成的。

表4 各個指標球面模型函數(shù)基本值及公式

2.3 不同土壤特性空間分布

2.3.1 研究區(qū)各個指標空間分布特征 圖1是研究區(qū)降雨較集中的8月份土壤有機質(zhì)，TN，TP，有效P和pH值的空間分布。5個指標在空間上分布均不均勻?？傮w空間分布特征：水土保持措施體系土壤有機質(zhì)，TN，TP和有效P含量比無措施高，而土壤pH值空間變異與有機質(zhì)，TN，TP和有效P相反。

研究區(qū)無措施坡耕地有機質(zhì)，TN，TP和有效P均呈現(xiàn)帶狀分布，且從坡上、坡中至坡下有機質(zhì)、TN和有效P含量依次增高，但全P呈現(xiàn)坡中>坡下>坡上，與賀小容等[11]研究結(jié)果一致。有機質(zhì)和有效P在水土保持體系內(nèi)從坡上到坡底順坡呈條帶狀，這表明在暴雨情形下，采取水土保持措施對水保林地、水平梯田和地埂植物帶中心部位有機質(zhì)和有效P流失緩解作用大于其四周。水土保持措施體系和無措施坡耕地TN均在坡下部達到最高。與賀小容等[11]研究結(jié)果不同的是，在水土保持措施體系內(nèi)，水保林地內(nèi)TP坡上部較高，坡下部較低，而地埂植物帶內(nèi)呈坡下>坡中>坡上的趨勢，但這一結(jié)果與馮洋等[4]研究結(jié)論一致。研究區(qū)pH值分布相對均勻，且值較高，但受水土保持措施內(nèi)植被因素的影響，地埂植物帶土壤pH值較低，整個水土保持措施體系內(nèi)水保林地土壤pH值最低。

2.3.2 研究區(qū)各個指標空間變化 從表5可看出，在三個坡位范圍內(nèi)，水保林地、水平梯田和地埂植物帶的有機質(zhì)、TN均高于無措施坡耕地，表明水土保持措施具有攔蓄有機質(zhì)、氮素的作用。同時，不同坡位范圍間相比，從坡上到坡下，水土保持措施對TN的攔蓄率逐漸減小，分別為水保林地7.46%，水平梯田6.30%，地埂植物帶5%；水保林地和地埂植物帶對有機質(zhì)的攔蓄率較高，分別為水保林地15.72%，水平梯田5.72%，地埂植物帶15.82%。表明上坡位的水保林地對TN的富集作用較好，有利于上坡位TN在流失過程再利用，另外，在耕地上種植非農(nóng)作物還可提高有機質(zhì)含量。

由表5還可看出，水保林地、水平梯田和地埂植物帶的TP與有效P含量均明顯高于無措施坡耕地。TP的攔蓄率分別為水保林地13.33%，水平梯田9.52%，地埂植物帶10%；而有效P的攔蓄率分別為水保林地8.97%，水平梯田26.52%，地埂植物帶13.04%。表明水保林地對TP的攔蓄最好，而水平梯田對有效P的攔蓄作用顯著。

由于水土保持林和地埂植物帶常年對土壤的改善，水保林地和地埂植物帶土壤pH均低于無措施坡耕地，由表5可看出，pH值的空間對比度分別為上坡位-7.08%，中坡位-0.72%，下坡位-2.38%，表明水土保持措施體系內(nèi)非農(nóng)作物使土壤pH有所下降。

圖1 研究區(qū)域各指標空間分布

坡位措施有機質(zhì)含量/(g·kg-1)對比度/%全氮含量/(g·kg-1)對比度/%全磷含量/(g·kg-1)對比度/%有效磷含量/(g·kg-1)對比度/%pH值對比度/%上坡位水保林地20.4615.722.107.460.2613.3317.918.975.82-7.08無措施13.361.340.1511.596.26中坡位水平梯田20.115.721.996.300.339.5224.0726.526.24-0.72無措施14.501.590.2114.526.29下坡位地埂植物帶19.5315.822.215.000.3910.0019.7113.046.12-2.38無措施15.752.080.2015.876.27

3 結(jié) 論

(1) 采取水土保持措施對土壤養(yǎng)分有一定的富集作用，水保林地、地埂植物帶和水平梯田的TN，TP，有機質(zhì)和有效P含量顯著高于無措施對照區(qū)。土壤TN，TP，有機質(zhì)，有效P和pH值均與水保措施呈極顯著相關(guān)；有機質(zhì)和TN，有效P和TP均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，有機質(zhì)和TN的相關(guān)系數(shù)達到0.822。5個指標的空間變異度表現(xiàn)TP>有效P>TN>有機質(zhì)>pH，TN，TP，有效P，pH的空間變異基本是非人為因素導致的，而有機質(zhì)不僅受到非人為因素影響，也受人為因素影響。

(2) 運用Kriging插值制圖顯示，5個指標在空間上均分布不均勻。本研究表明，處在不同坡位的不同水土保持措施對不同土壤養(yǎng)分含量影響不同；無措施坡耕地土壤養(yǎng)分坡上、坡中和坡下部位呈明顯規(guī)律性變化。其研究區(qū)pH值分布相對均勻，其水保林地土壤pH值最低。

(3) 不同坡位范圍間相比，上坡位的水保林地對TN，TP和有機質(zhì)的攔蓄作用最好，中坡位的水平梯田對有效P的攔蓄作用顯著；由于下坡位的無措施對照區(qū)作為土壤養(yǎng)分流失的必經(jīng)區(qū)域，土壤養(yǎng)分含量較高，表現(xiàn)出地埂植物帶對養(yǎng)分的攔蓄作用不顯著。

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VariationCharacteristicsofSoilNutrientsinSlopingFarmlandWithMeasuresofSoilandWaterConservationBasedonGIS

LI Haiqiang1, GUO Chengjiu1, LI Yong2

(1.CollegeofWaterConservancy,ShenyangAgricultruralUniversity,Shenyang110866,China;2.SoilandWaterConservationStationofHuanrenManchuAutonomousCounty,Huanren,Liaoning117200,China)

We selected soil nutrient in soil and water conservation measures system composed of water conservation forest, level terrace and terrace plants and no measures slope farmland as the research sample. We used GPS to locate the sampling point and combined traditional statistical analysis and ArcGIS′s statistical analysis, compared the parameters and error values, and selected the best spatial interpolation model (spherical model) to study soil nutrient spatial variability in soil and water conservation measures system and no measures slope farmland. The results showed as follows. (1) The spatial variability of five indicators follows the order: TP>available P>TN>organic matter>pH, the spatial variabilities of TN, TP, available P and pH are significantly affected by soil and water conservation measures, while organic matter is impacted not only by non-human factors but also by human factors. (2) The use of Kriging interpolation mapping shows that the five indicators unevenly distributed in the space. The content of soil nutrient resulting from taking conservation measures was significantly higher than that of the control area. From the top of the hill to the bottom of the slope, soil nutrient decreased regularity under no measure. The spatial variation of soil pH was opposite to that of organic matter, TN, TP and available P. (3) Soil and water conservation forest interception effects on TN, TP and organic matter are the best, and the interception effect of level terrace of P is significant. As a result of no control area as a necessary sink part of the lost soil nutrients, soil nutrient content was high in this area, showing that ridge plants have no significant effect on nutrient retention. With regard to pH in space, the corresponding planting plants make soil pH value of in water conservation forest and ridge plant belt decrease.

soil and water conservation measures; soil nutrient; ArcGIS; spatial interpolation

2016-06-07

：2016-06-20

國家農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)東北黑土區(qū)水土流失重點治理科技推廣項目“面源污染防控技術(shù)體系在水土保持當中的應(yīng)用”

李海強(1990—),男,甘肅平?jīng)?碩士,主要從事土壤侵蝕規(guī)律及其治理研究。E-mail:13372836721@163.com

郭成久(1964—),男,遼寧錦州,教授,主要從事土壤侵蝕規(guī)律及其治理研究。E-mail:chengjiuguo11@163.com

S152.71

：A

：1005-3409(2017)02-0043-06