王鳳成

(鳳城市河道管理處，遼寧 丹東 118100)

土壤肥沃力和生產(chǎn)力隨養(yǎng)分的流失而逐漸下降，并且下游區(qū)域隨面源污染物的任意排入富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)人類的生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了眾多不利影響。據(jù)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)土壤養(yǎng)分流失問(wèn)題從多個(gè)方面和角度開(kāi)展了大量的防控作用研究；研究表明植被覆蓋率可有效對(duì)氮、磷的流失進(jìn)行防控，然而TN流失得到控制的同時(shí)可導(dǎo)致礦質(zhì)氮隨徑流的流失[1-3]。據(jù)此，在養(yǎng)分流失控制治理過(guò)程中采取有效措施改變耕地結(jié)構(gòu)形式，并提高植被覆蓋率是較為有效的方法。東北地區(qū)坡耕地面源污染物的主要流失方式是隨徑流泥沙作用而流失，據(jù)此在該區(qū)域通常采取不同形式的水土保持措施對(duì)坡耕地土壤養(yǎng)分進(jìn)行控制，如馮洋[4]等提出土壤中TP和TP的養(yǎng)分含量在水土保持措施區(qū)明顯高于無(wú)措施區(qū)。GIS技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，有利于提高土壤養(yǎng)分含量的評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)手段，雷能忠[5]等結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)基本理論，對(duì)土壤養(yǎng)分質(zhì)量評(píng)價(jià)采用GIS技術(shù)的相關(guān)模塊計(jì)算功能與插值法基本方法進(jìn)行了全面客觀的分析。土壤面源污染物指數(shù)可利用GIS空間分析功能以及制圖模塊進(jìn)行空間分布和變異狀況分析，而RUSLE模型是采用GIS法對(duì)土壤養(yǎng)分的N，P流失狀況進(jìn)行分析，對(duì)養(yǎng)分分布規(guī)律以及釋放過(guò)程利用GIS插值法計(jì)算分析，可揭示N，P在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。然而，當(dāng)前土壤養(yǎng)分含量在水土保持措施體系下的分布變化規(guī)律研究相對(duì)較少[6]。據(jù)此，文章采用GIS空間插值法對(duì)坡耕地土壤有機(jī)質(zhì)、N，P等養(yǎng)分在水土保持措施體系下的空間分布特征進(jìn)行研究分析，并對(duì)土壤養(yǎng)分隨在不同水保措施下的影響做出評(píng)價(jià)，以期為改善研究流域生態(tài)環(huán)境、水質(zhì)質(zhì)量，降低下游水體富營(yíng)養(yǎng)化程度、減少土壤養(yǎng)分流失和面源污染提供決策依據(jù)和理論支持[7]。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

1.1 研究區(qū)域概況

小城子小流域位于丹東市寬甸縣北部，屬于低丘陵石質(zhì)山區(qū)。流域面積6093hm2，水土流失危害嚴(yán)重；土壤類型以棕壤土為主，土質(zhì)黏緊結(jié)構(gòu)和通透性較差，土層較薄，有機(jī)質(zhì)含量低，耕作層肥力和有效養(yǎng)分不高，特別是棕壤土類型表現(xiàn)為“干瘦”，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一大限制因素。研究流域?yàn)榇箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，降雨集中，日照充足，溫差較大。多年平均降雨量為1100mm，且在時(shí)空分布上極不均衡，每年的6—9月為汛期或降雨旺季，占全年降雨量的70%及以上，且多為暴雨或強(qiáng)降雨，歷時(shí)短、強(qiáng)度大、對(duì)表層土壤破壞嚴(yán)重。水土保持措施體系在上坡位、中坡位和下坡位分別為水土保持林、水平梯田和地埂植物帶，其中水土保持林主要以落葉松和紅松為主；水平梯田田坎高1.5m，田面寬8m；地埂植物帶以株行距25cm×25cm的紫穗槐為主。

表1 研究區(qū)域坡耕地在各坡位上的基本狀況統(tǒng)計(jì)表

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該研究選取小城子小流域降雨量較大的2016年且農(nóng)事活動(dòng)較為頻繁的4—10月進(jìn)行各措施下的坡耕地逐月采樣，并結(jié)合該流域目前已有的水保措施體系選取了相同高度和坡面的無(wú)措施坡耕地作為試驗(yàn)對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比分析，研究區(qū)域坡耕地各坡位基本狀況統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見(jiàn)表1。

結(jié)合水土保持措施分布狀況以及GIS空間插值分布特點(diǎn)，該研究的水土保持林、水平梯田、地埂植物帶和無(wú)措施坡耕地均沿順坡方向按照“S”型分別設(shè)置50個(gè)采樣點(diǎn)(100個(gè)土樣)、28個(gè)采樣點(diǎn)(56個(gè)土樣)、15個(gè)采樣點(diǎn)(30個(gè)土樣)和28個(gè)采樣點(diǎn)(56個(gè)土樣)。采用手持GPS和PTK定位儀同時(shí)對(duì)各采樣點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)定位，并按照九宮格交叉取樣法分別對(duì)土層縱深在0～15cm、15～30cm處樣品進(jìn)行兩次采集，然后在實(shí)驗(yàn)室對(duì)樣品處理。經(jīng)自然風(fēng)干和碾磨，采用四分法取樣并對(duì)各土樣的TN，TP、有機(jī)質(zhì)、有效P和pH值等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，以7月份暴雨集中期和3月份的0～15cm深土樣作為研究數(shù)據(jù)來(lái)源。各指標(biāo)參數(shù)試驗(yàn)檢測(cè)方法均參考相關(guān)國(guó)標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)[8]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

該研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析采用SPSS17.0和Excel進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和空間插值分布狀況采用ArcGIS10.0軟件進(jìn)行計(jì)算分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析

土壤養(yǎng)分在無(wú)措施以及不同水保措施下坡耕地的含量存在一定差異，水保措施在一定程度上可促進(jìn)土壤養(yǎng)分的富集。研究區(qū)域不同土壤樣本的TN，TP、有機(jī)質(zhì)、有效P和pH值含量變化范圍分別為1.90～3.12g/kg、0.15～0.50g/kg、23.18～31.06g/kg、17.58～50.26g/kg和5.72～6.40，上述5種土壤養(yǎng)分的空間變異度分別為25.40%，20.62%，11.85%，7.06%和3.28%。

土壤養(yǎng)分含量最小值均出現(xiàn)在無(wú)措施坡耕地，而TN含量最大值位于水保林地，TP和有機(jī)質(zhì)含量最大值位于地埂植物帶，有效P含量最大值位于水平梯田。相同研究區(qū)域的土壤母質(zhì)變化相對(duì)較低，故pH值相對(duì)于其他參數(shù)的變異系數(shù)最低；TP和有機(jī)質(zhì)在秸稈還田措施作用下的空間變異性較低，受施肥措施或土壤中磷的流動(dòng)性較低等因素影響，土壤的有效P和TP空間變異度較高[9]。

土壤養(yǎng)分各指標(biāo)相關(guān)性計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2。由表2可知，土壤養(yǎng)分含量隨水土保持措施影響顯著，水保措施與土壤養(yǎng)分各指標(biāo)呈顯著的相關(guān)性。

水保措施與pH值呈顯著的負(fù)相關(guān)性，其原因主要與研究區(qū)域林地和植物帶的不斷完善相關(guān)，研究區(qū)域水土流失治理關(guān)鍵性技術(shù)措施基本建設(shè)完成，植物的生產(chǎn)有利于促進(jìn)土壤理化性質(zhì)的改善，并引起林地pH值的降低，水保措施相對(duì)無(wú)措施的坡耕地pH增大；pH值受土壤有機(jī)質(zhì)中氮素的影響，全氮和有機(jī)質(zhì)與pH值呈顯著相關(guān)性；在土壤養(yǎng)分流失過(guò)程中磷素的流動(dòng)性能較弱，因此水保措施與磷素的相關(guān)性一般；而全氮和有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)性且相關(guān)系數(shù)最大，研究表明TN和有機(jī)質(zhì)之間具有密切的關(guān)系。作為土壤磷素供給的重要參數(shù)，有效P與TP呈顯著的正相關(guān)性[10]。

2.2 構(gòu)建土壤特性的空間變異模型

經(jīng)檢驗(yàn)，土壤養(yǎng)分有機(jī)質(zhì)含量、TP，TN以及pH值各指標(biāo)呈正態(tài)分布，同時(shí)經(jīng)轉(zhuǎn)化處理后的有效P數(shù)據(jù)也為正態(tài)分布，因此滿足插值計(jì)算相關(guān)要求[11]。通過(guò)設(shè)定不同擬合模型，采用普通克里金法進(jìn)行插值計(jì)算，各模型預(yù)測(cè)誤差結(jié)果對(duì)比分析狀況詳見(jiàn)表3。

表2 土壤養(yǎng)分各參數(shù)指標(biāo)的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析表

注：*代表0.05置信水平上的相關(guān)性，**代表在0.01置信水平上的相關(guān)性。

表3 半方差函數(shù)擬合模型誤差值統(tǒng)計(jì)分析表

根據(jù)RMSE值越小則模型的擬合結(jié)果越好的基本原則，分析各擬合模型的RMSSE、ASE、MSE和ME數(shù)據(jù)值的大小和經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比分析本實(shí)驗(yàn)最佳插值擬合模型采用球狀模型進(jìn)行研究分析，球狀模型計(jì)算公式如下：

(1)

式中，C0—隨機(jī)變量帶來(lái)的空間變異，為塊金值；C—基臺(tái)值與塊金值的差值，為偏基臺(tái)值；a—樣點(diǎn)間距的上限值，為變程；h—樣點(diǎn)間距。

球狀模型對(duì)各參數(shù)指標(biāo)的擬合函數(shù)及相關(guān)公式基本值詳見(jiàn)表4。由表4可知，C0均小于a，由此表明任意兩采樣點(diǎn)在試驗(yàn)中均表現(xiàn)出相關(guān)性。土壤養(yǎng)分各指標(biāo)的相關(guān)程度可采用C0/(C0+C)值進(jìn)行表征，C0/(C0+C)小于25%時(shí)為強(qiáng)烈相關(guān)，其變異受自然因素影響；C0/(C0+C)值為25%～75%時(shí)為中等相關(guān)；C0/(C0+C)值大于75%時(shí)為弱相關(guān)性，其空間變異受認(rèn)為因素影響。

由表4計(jì)算結(jié)果可知，有機(jī)質(zhì)空間相關(guān)度為26%，其相關(guān)性處于中等程度，其原因主要與人為活動(dòng)參與相關(guān)。據(jù)此，人類耕作活動(dòng)以及自然環(huán)境是影響有機(jī)質(zhì)空間變異的主要因素，然而C0/(C0+C)值趨近于25%可表明有機(jī)質(zhì)受人類耕作活動(dòng)的影響較自然因素低；其他各要素相關(guān)度均低于25%，研究表明自然活動(dòng)影響是引起其他各參數(shù)控編變異的主要因素。

2.3 土壤特性的空間分布變化

小城子小流域流域土壤養(yǎng)分各要素指標(biāo)在不同坡位上的空間分布狀況詳見(jiàn)表5。由表5可知，在三個(gè)坡位條件下，坡耕地在水土保持措施體系下的TN和有機(jī)質(zhì)均明顯大于無(wú)措施區(qū)，說(shuō)明水保措施有利于提高土壤對(duì)氮素和有機(jī)質(zhì)的攔蓄作用。通過(guò)對(duì)比分析不同坡位變化范圍可知，水保措施對(duì)TN的攔蓄作用由坡上至坡下逐漸降低，分別為水保林地、水平梯田和地埂植物帶的7.42%、6.25%和4.8%；地埂植物帶和水保林地對(duì)有機(jī)質(zhì)的攔蓄作用較為顯著。研究表明，水保林地在上坡為對(duì)TN的富集作用較為明顯，同時(shí)有利于提高TN在流失過(guò)程中的利用效率，并且非農(nóng)作物的種植可有利于促進(jìn)土壤對(duì)有機(jī)質(zhì)的攔蓄和利用。相對(duì)于無(wú)措施坡耕地，水平梯田、水保林地以及地埂植物帶的有效P和TP含量高，水平梯田對(duì)有效P的攔蓄作用較為顯著而水保林地對(duì)TP的攔蓄作用最佳。

表4 球面模型對(duì)各參數(shù)指標(biāo)的擬合函數(shù)及相關(guān)公式基本值

表5 小城子小流域土壤養(yǎng)分各指標(biāo)空間分布狀況 單位：g·kg-1

由表5可見(jiàn)，pH在不同坡位的空間對(duì)比度變化可知，上坡至下坡的空間對(duì)比度分別為-7.02%，-0.71%和-2.40%，說(shuō)明非農(nóng)作物在水保體系作用下可降低pH值，此變化規(guī)律和文中上述結(jié)果保持一致。

3 結(jié)論

(1)土壤養(yǎng)分含量最小值均出現(xiàn)在無(wú)措施坡耕地，而TN含量最大值位于水保林地、TP和有機(jī)質(zhì)含量最大值位于地埂植物帶，有效P含量最大值位于水平梯田。水保措施與pH值呈顯著的負(fù)相關(guān)性；全氮和有機(jī)質(zhì)與pH值呈顯著相關(guān)性；而有效P與TP呈顯著的正相關(guān)性。

(2)人類耕作活動(dòng)以及自然環(huán)境是影響有機(jī)質(zhì)空間變異的主要因素，然而值趨近于25%可表明有機(jī)質(zhì)受人類耕作活動(dòng)的影響較自然因素較低；其他各要素相關(guān)度均低于25%，研究表明自然活動(dòng)影響是引起其他各參數(shù)控編變異的主要因素。

(3)不同坡位內(nèi)坡耕地在水土保持措施體系下的TN和有機(jī)質(zhì)均明顯大于無(wú)措施區(qū)，水保措施有利于提高土壤對(duì)氮素和有機(jī)質(zhì)的攔蓄作用。