陳澤濤, 沙占江, 王求貴, 余 迪, 胡菊芳, 馬玉軍

(1.青海師范大學 地理科學學院, 西寧 810008； 2.青藏高原地表過程與生態(tài)保育教育部重點實驗室, 西寧 810008； 3.中國科學院 青海鹽湖研究所, 西寧 810008； 4.青海省氣候中心, 西寧 810001)

土壤是作物賴以生存的物質基礎，是決定植物生長狀況的首要條件，同時也是植物生長所需氮、磷、鉀等養(yǎng)分的主要來源[1-3]。土壤養(yǎng)分的空間變化很大程度上影響著植物生長及空間分布，在一定程度上可以改變土地利用結構[4-5]。而植被覆蓋狀況、土地利用結構的改變會反作用于土壤，使得土壤養(yǎng)分含量在空間上發(fā)生變化，二者互為因果[6-7]。在青藏高原，草地是最主要的植被類型，占青?！鞑馗咴脖豢偯娣e的63.9%[8]。該區(qū)域近年來圍繞高寒草原草甸、土壤環(huán)境、以及生態(tài)環(huán)境變化的研究成果很多。如土壤退化與草地退化關系的研究[9-12]；草原草甸區(qū)土壤與植被之間的相互作用及其關系的研究[13-18]。

本研究通過土壤化學方法來對高寒草原草甸區(qū)興海盆地子科灘土壤TN(全氮)、TP(全磷)、TK(全鉀)、EXT-N(堿解氮)、EXT-P(速效磷)、EXT-K(速效鉀)以及OM(有機質)的空間分布及其空間關系進行研究；結合遙感方法監(jiān)測植被生長狀況及137Cs法分析土壤侵蝕強度，分析在不同的植被覆蓋類型、不同的植被覆蓋度以及不同的土壤侵蝕強度下的土壤養(yǎng)分的空間分布特征，探索土壤侵蝕、植被覆蓋以及植被類型對土壤養(yǎng)分空間分布的影響。為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護、土壤侵蝕預防與治理等提供基礎資料與科學依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原東北部，地理坐標為35°30′—35°55′N，99°38′—100°14′E(圖1)。為新生代山間斷陷切割盆地，其東北部為昆侖系河卡山，大河壩河流經盆地西南邊界注入黃河，盆地位于河卡山與大河壩河之間[19]。除西北部有部分山地、東部發(fā)育為第四紀河湖相沉積物形成的礫石溝谷外，其余均較為平坦。海拔為2 500～4 600 m，區(qū)內面積1 234.84 km2，年均溫-4～1℃，年降水量300 mm，年蒸發(fā)量1 680 mm。屬于典型的高原大陸性氣候，空氣稀薄，日照充足、輻射強烈，熱量條件差，氣候干燥、寒冷。風力侵蝕、水力侵蝕、風力水力復合侵蝕以及凍融侵蝕等侵蝕類型均在該區(qū)域分布。研究區(qū)屬于高寒草甸與高寒草原過度地帶，主要以高寒草甸土、高山草原土、栗鈣土、風沙土為主。植被類型主要以高山嵩草(Kobresiapygmaea)草甸和芨芨草(Achnatherumsplendens)草原、紫花針茅(Stipapurpurea)草原為主，有小面積的灌叢和喬木在河谷低地陽坡發(fā)育。

圖1 采樣點分布

2 研究方法及手段

本研究所有的空間數據采用Albers等面積圓錐投影，中央經線為99°40′，標準緯線為35°30′，該投影可以最大限度減少由投影方式帶來的面積變形[20]。將landsat 8 OLI遙感影像數據、土壤養(yǎng)分和137Cs采樣點坐標統一進行投影變換，為下一步研究工作做準備。

2.1 遙感數據獲取與處理

本研究主要通過landsat 8 OLI影像(p133，r35，p133，r36；2016/07/01地理空間數據云平臺)數據分類提取得到研究區(qū)植被覆蓋類型；VFC提取采用像元二分模型獲得[21-23]，該模型已被廣泛應用于VFC計算，其假定遙感影像由綠色植被信息和無植被信息(裸地)組成，VFC計算多采用NDVI數據，估算公式為：

(1)

式中：NDVI為影像中各像元的歸一化植被指數；NDVIsoil和NDVIveg分別為全裸土覆蓋像元和全植被覆蓋像元的NDVI值，分別由高分二號衛(wèi)星PMS2影像獲得(2016年6月17日)，數據來源于青海省高分中心(http://qhgis.cn/)，坡度、坡向等信息則是通過1∶30 m的DEM提取所得，數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)。將地表形態(tài)因子坡度、坡向、高程等以及1∶100萬土壤類型圖、VFC和植被覆蓋類型等參考因子進行綜合分析。結合區(qū)域景觀特征分析土壤養(yǎng)分空間分布的差異。

2.2 土壤樣品獲取與處理

分別于2016年6月和2017年9月采集土壤樣品共128個。其中采集137Cs分層樣72個，其中平行樣12個。所有樣品稱重并用聚乙烯自封袋密封帶回實驗室。樣品剔除石子和植物根系，放入60℃烘箱進行恒溫烘干至恒重，分層樣品研磨混勻后過20目篩子，樣品裝入離心管并密封，樣品測試采用美國CANBERRA公司生產的GCW-3525高純鍺γ能譜儀，能量測定范圍為3～3×103KeV，相對探測效率為50.2%，能量分辨率為2.2 KeV，利用Genie-2000譜分析軟件提取137Cs的譜數據，通過對137Cs的γ能量峰661.7KeV(85%)進行計算，其重復測量相對誤差小于5%。測定的樣品用IAEA-SOIL-2(09～03)-T5進行標定。測定工作在青藏高原地表過程與生態(tài)保育教育部重點實驗室進行。

同時采集自地表向下0—15 cm全樣56個。全樣采用剖面豎切的方法采集立方體土柱，土壤全樣將大塊團塊狀土壤樣品捏碎即可，混勻后，取100 g樣品進行TN，TP，TK，EXT-N，EXT-P，EXT-K，OM以及pH值的測定，其中OM測定采用重鉻酸鉀氧化法、TN采用凱氏定氮法、TP用酸溶—鉬銻抗比色法、TK用酸溶—火焰光度法、EXT-N用擴散吸收法、EXT-P用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法、EXT-K用乙酸銨浸提—火焰光度法[24]。養(yǎng)分測定試驗委托青海大學農林科學院土壤肥力研究所進行。土壤養(yǎng)分經過數據篩選、異常值的處理以及正態(tài)變換檢驗后，將不符合正態(tài)分布的數據進行正態(tài)變換并進行地統計分析以及克里格插值。

2.3 地統計學方法

地統計學方法是基于區(qū)域化變量理論基礎上的一種統計方法，被廣泛應用于土壤特性空間變異方面的研究[25-27]，本文中只做簡要說明。假設區(qū)域化變量滿足二階平穩(wěn)假設，其半方差函數公式[28]如下：

(2)

式中：γ(h)為半方差函數；h為分隔兩樣點的矢量，稱為步長；N(h)為相距為h的樣點對數目；Z(xi)和Z(xi+h)分別為區(qū)域化變量Z(x)在位置xi和xi+h處的實測值。

空間變量數據的非平穩(wěn)性比較常見，只要變量在適度大小的鄰域內滿足平穩(wěn)性，仍然可以得出合理的統計分析結果[29]。因此選擇一個穩(wěn)定的半方差函數以及合適的鄰域對地統計制圖非常關鍵。

克里格插值法是一種最優(yōu)無偏線性估值方法[30]。對變量在點x處的估計值Z*(x)可以通過該點影響范圍內的n個有效觀測值Z(x)的線性組合得出，即：

(3)

式中：λi是賦予觀測值Z*(xi)的權重，表示各觀測值對估計值Z*(x)的貢獻，其和為1，在保證估值無偏性(即估計偏差的平均值為0)和最優(yōu)性(即估計值方差最小)條件下，可由變量半方差函數計算得到?？死锔穹ㄔ谶M行最優(yōu)無偏估值的同時，還能得出變量的估計方差[31]，這對提高制圖精度意義重大。

本研究半方差函數的計算和理論模型的擬合均采用地統計學軟件GS+進行，各項異性半方差函數計算時的角度容差(tolerance)定向為±22.5°。最優(yōu)模型的選擇主要參考模型擬合的決定系數R2和殘差RSS，一般認為，擬合模型的決定系數R2越大，殘差RSS越小，擬合精度越高[28]?？死锔癫逯涤葾rcGIS 10.2完成，生成grid數據后按照研究區(qū)邊界裁剪得到研究區(qū)土壤養(yǎng)分插值柵格圖。

3 結果與分析

3.1 植被類型空間分布

對landsat 8數據進行遙感解譯并進行精度評價，采用隨機選取檢驗區(qū)法，選取350個地面真實樣本進行精度評價，分類結果為83%，Kappa系數為0.84(附圖2)。研究區(qū)以高寒草原、草甸為最主要的植被類型，其中芨芨草草原面積為394.27 km2，占研究區(qū)面積的31.92%，廣泛分布在研究區(qū)南部大部分地區(qū)以及東北部山地緩坡處；高山嵩草草甸面積為371.93 km2，占研究區(qū)面積的30.11%，主要分布在研究區(qū)西部、西北部海拔較高的坡地。紫花針茅草原面積為268.23 km2，占研究區(qū)總面積的21.71%，在研究區(qū)中部低地分布；礫石溝谷面積為79.94 km2，占評價區(qū)面積的6.47%，主要分布在研究區(qū)南部。該區(qū)域為溝谷地貌，以第三紀沉積巖層為主；圓囊苔草(Carexorbicularis)沼澤和河流面積分別為12.46，20.68 km2，占研究區(qū)面積的1.01%，1.67%；居民地和耕地面積分別為9.09，6.79 km2，占研究區(qū)總面積的0.74%，0.55%；人工林占研究區(qū)面積的0.10%，零星分布在子科灘南部；山楊林占研究區(qū)面積的0.55%，零星分布在大河壩河河谷低地；錦雞兒(Caraganasinica)灌叢零星分布在河卡山南麓，金露梅(Potentillafruticosa)灌叢零星分布在南部河流溝谷緩坡處，分別占研究區(qū)總面積的0.11%，0.07%。總體分類效果較好，但是其中部分類型分類精度相對較低，尤其是草原草甸過度地帶以及河流、溝谷等地區(qū)，受遙感影像精度的限制以及地形、高程等的影響，降低了分類精度。

3.2 VFC分級提取

根據像元二分模型對研究區(qū)植被覆蓋度進行計算，得到該區(qū)域植被覆蓋度圖，本圖采用通常的5級表示法(0～0.2,0.2～0.4,0.4～0.6，0.6～0.8,0.8～1)(附圖3)。

從附圖3可以看出，研究區(qū)西部、西北部以及東部部分地區(qū)蓋度較高，約在0.8以上，該區(qū)域植被類型以高寒草甸為主，植被覆被狀況良好；研究區(qū)中部及中南部緩坡處，植被蓋度相對較低，以高寒草原為主，植被蓋度為0.4～0.8；植被蓋度最低的位置為研究區(qū)南部的礫石溝谷區(qū)域，植被覆蓋極少(0.2～0.4)；河流、裸巖、居民地等蓋度為0。

3.3 土壤侵蝕強度及其空間分布

研究區(qū)背景值以及各采樣點面積活度平均為(1 187.67±234.73) Bq/ m2(平均值±標準差)[32]。土壤侵蝕量利用非耕地土壤侵蝕模型進行計算[33]，其強度分級根據我國水利行業(yè)標準(SL190—2007)進行劃分。

表1中QN37土壤侵蝕模數為-299.83 t/(km2·a)，該采樣點位于研究區(qū)中部谷地，在坡面流水堆積作用明顯[土壤侵蝕模數<0 t/(km2·a)]，地表植被以紫花針茅草原為主要建群種，植被覆蓋茂密(VFC>0.9)地形平坦(slope<2°)；QN11的土壤侵蝕模數為53.98 t/(km2·a)，該點位于研究區(qū)西南部緩坡處(slope<4°)、植被覆蓋較密集(VFC>0.8)且地表植被以高山嵩草草甸為主要建群種，土壤侵蝕模數<200 t/(km2·a)，侵蝕類型以微度侵蝕為主；采樣點QN51所在區(qū)域土壤侵蝕模數為899.77 t/(km2·a)，該點位于研究區(qū)北部山區(qū)陡坡溝谷處，流水侵蝕發(fā)育明顯(slope>25°)，地表植被覆蓋以金露梅灌叢為建群種，植被覆蓋度低(VFC<0.1)，為輕度侵蝕區(qū)域。

表1 各采樣點土壤侵蝕模數

3.4 土壤養(yǎng)分的空間分布及關系

通過對興海盆地子科灘土壤養(yǎng)分進行普通克里格插值，半方差函數模型及有關參數見表2，經評價，7種土壤養(yǎng)分均符合高斯模型，其中OM的擬合精度最高，R2為0.887，RSS為13.7；TN，EXT-N，EXT-P的R2較高，分別為0.764，0.729，0.725，RSS分別為1.8，3.83，0.67；TP，TK以及EXT-K的R2分別為0.588，0.587，0.620，RSS分別為1.07，36.7，4.47。插值結果見圖2。研究區(qū)土壤養(yǎng)分中OM，TN，EXT-N，EXT-P空間分布規(guī)律明顯，均呈現出從西南到東北逐漸降低的趨勢，其中OM含量為13.96～76.01 g/kg，TN含量為1.23～4.95 g/kg，EXT-N含量為52.01～297.50 mg/kg，EXT-P含量為1.38～11.85 mg/kg，最高值均出現在研究區(qū)西部的大河壩河以東的區(qū)域；TP含量為0.82～1.82 g/kg，最高值位于研究區(qū)南部，最低值位于研究區(qū)北部，呈由南向北遞減趨勢；TK含量為19.63～28.57 mg/kg，最高值位于研究區(qū)中南部、子科灘鎮(zhèn)所在地及周邊地區(qū)，最低值位于研究區(qū)北部，由子科灘鎮(zhèn)附近區(qū)域向周邊遞減；EXT-K含量為76.11～248.80 mg/kg，最高值位于研究區(qū)中南部，中部含量高于平均含量，呈由中部向南北方向遞減的趨勢。

植被蓋度和植被類型的空間分布特征高度相關，而地表植被覆蓋狀況良好與否很大程度影響著土壤養(yǎng)分的積累和存儲[34]，植被覆蓋狀況與土壤侵蝕關系密切[35]，它在防止土壤侵蝕中主要對降雨的削減、保水作用和抗侵蝕作用[33]。

表2 土壤養(yǎng)分半方差函數模型及有關參數

注：表中G表示高斯模型。

圖2 土壤養(yǎng)分插值

整體而言，研究區(qū)西部和西北部由于植被覆蓋良好(0.8

4 討 論

4.1 植被蓋度與土壤養(yǎng)分含量之間的關系

將采樣點的植被蓋度與采樣點各類養(yǎng)分數據進行相關分析，結果見表3。

表3 VFC與土壤養(yǎng)分相關性分析

注：**代表0.01水平上顯著相關，*代表0.05水平上顯著相關，下表同。

研究區(qū)植被蓋度與養(yǎng)分之間的相關性分析表明：植被蓋度與土壤中的TN，OM，EXT-P呈極顯著相關(p<0.01)，與EXT-N顯著相關(p<0.05)。這與陳濤等[38]在藏北高原的研究結果一致，土壤養(yǎng)分中TN和OM含量與植被覆被、微生物等作用有密切關系，土壤中氮素主要來源于植物的固氮作用且主要在表層土壤中富集，植物的生長使得氮大量富集到地表；高寒草原草甸OM主要是由植物的殘體腐爛產生的，并富集在表層，植被生長茂盛的區(qū)域生物量豐富，OM的含量也高[38]，因此當植物蓋度高時，TN和OM含量則相對較高，兩者正相關。以嵩草草甸為優(yōu)勢群落的高寒草甸土壤中，95%以上的氮素形態(tài)是有機氮，但隨著植被退化，OM含量降低，引起土壤有機氮含量減少[39]。前人在青海果洛等地的高寒草地對土壤(0—20 cm)中的OM及TN含量的研究發(fā)現隨著VFC的增加呈顯著的正相關[40]。因此研究區(qū)土壤中的TN和OM對高寒草原草甸地表植物的生長有著顯著的、積極的影響，同時土壤TN，OM，EXT-N含量可以作為衡量高寒草原草甸退化程度的重要指標。

磷主要通過原生礦物的風化作用進入生態(tài)系統[41],主要來源于巖石的緩慢礦化(鈣磷灰石、氟磷灰石等)[42]；土壤磷按化學結構可分為有機磷和無機磷兩種形態(tài)，在大多數土壤中，磷以無機形態(tài)為主，主要以正磷酸鹽的形式存在，焦磷酸鹽的數量很少；有機形態(tài)的磷含量較低，而且變幅較大。其溶解度可分為水溶性磷、枸溶性磷和難溶性磷[43]。土壤中的EXT-P是指能為當季植物吸收的磷量，主要以無機磷為主。磷的遷移率很低，主要在植物根系富積，有機膠體或無機膠體對磷酸根產生吸附作用[44]，植物所需磷素的唯一來源是通過根系從土壤中吸收[45]，因此土壤中EXT-P供應充足的區(qū)域，植物可吸收的EXT-P越多，其植被生長狀況越好，蓋度越高[46-51]。前人在黃土高原森林邊緣區(qū)域退耕地的研究中認為EXT-P可能受植被恢復狀況的影響，但與其他養(yǎng)分的相關性很小。TP與植被的生長并無密切相關關系，然而本次研究表明EXT-P與TN，EXT-N呈極顯著相關(p<0.01)。

本研究主要對比了高寒草原和高寒草甸植被下土壤養(yǎng)分的含量分布狀況，主要植被類型有高山嵩草草甸、線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)草甸，紫花針茅草原、芨芨草草原。因為高山嵩草草甸和線葉嵩草草甸植被類型屬于同一個植被型，紫花針茅草原和芨芨草草原屬于一個植被型，因此選取了高寒草原和高寒草甸植被類型的4組采樣點來進行探討，其侵蝕強度等級均為輕度侵蝕、植被蓋度相近(0.6～0.9)，分組情況見表4。

由表4可以得出，4組采樣點的植被蓋度為0.6～0.9，土壤侵蝕模數為218.23～379.78 t/(km2·a)，且4組采樣點植被蓋度從A—D逐步遞減，土壤侵蝕模數逐步遞增，4組采樣點均為輕度侵蝕。

由圖3可知，高寒草甸土壤中的OM，TN，EXT-N，EXT-P以及EXT-K的含量要高于高寒草原土壤中的養(yǎng)分。該現象與兩種植被型特點有關，高寒草甸中草叢生長密集、根系密、表層覆蓋有植氈層[49]，表層向下有約15 cm厚的草皮層，雖然高寒草原植被根系也很發(fā)達，但其植被密度較小，生長海拔比高寒草甸低，更容易受到風力、水力侵蝕，容易造成地表養(yǎng)分流失[50]，因此OM總體儲量前者要高于后者；高寒草甸植被根系在0—15 cm交錯分布，生物量較為豐富，動植物殘體的分解使得土壤表層的速效養(yǎng)分再次富集。同時高寒草甸地表具有厚密的植氈層，可以有效的保存土壤中的養(yǎng)分，因此高寒草甸土壤養(yǎng)分中的OM，TN，EXT-N和EXT-P含量要高于高寒草原植被。土壤中鉀素和全磷的供應主要受成土母質和礦化作用的影響[51]，和植被的關系并不明顯。

表4 不同植被覆蓋下采樣點土壤侵蝕對比

圖3 不同植被型下養(yǎng)分含量對比

4.2 土壤侵蝕強度與土壤養(yǎng)分之間的關系

研究區(qū)土壤侵蝕模數與養(yǎng)分的相關分析表明(表5)，土壤中TN和OM與土壤侵蝕模數之間呈顯著負相關關系(p<0.05)，土壤侵蝕模數與TK，EXT-N相關程度相對較弱，與TP，EXT-P，EXT-K無明顯相關關系。研究區(qū)TN與OM，EXT-N，EXT-P，EXT-K呈p<0.01水平上顯著相關關系。

研究區(qū)土壤侵蝕模數與TN和OM的顯著負相關說明土壤侵蝕影響著他們在土壤中的含量，主要原因是在發(fā)生土壤侵蝕的同時，附著在土壤顆粒中的養(yǎng)分也隨之流失，土壤OM含量會顯著下降[52],因此當侵蝕程度較強時，土壤中OM含量較少，當侵蝕程度較弱時，土壤中OM含量較高。同樣，前人研究發(fā)現青藏高原三江源區(qū)土壤侵蝕強度與TN和OM也有明顯的負相關(p<0.01)[53]，因此土壤OM和TN可作為衡量高寒草原草甸退化程度的重要土壤性狀指標。并能敏感反映高寒草原草甸土壤侵蝕強度。隨著侵蝕程度的增加，土流失最多的養(yǎng)分為TN和OM。

EXT-N是TN中組成較簡單、活性較大的部分，其含量在一定時期內是土壤供肥的標志，它的高低與OM和TN密切相關[54-56]。該研究區(qū)土壤侵蝕速率與TN和OM呈(p<0.05)水平上的負相關關系，說明隨著侵蝕程度的增加，土流失最多的養(yǎng)分為TN和OM。

表5 土壤侵蝕模數與土壤養(yǎng)分相關性分析

5 結 論

(1) 不同植被蓋度下各類養(yǎng)分的分布狀況有所不同，TN，OM以及EXT-P與植被蓋度呈顯著相關關系，其變化能明顯影響植被覆蓋的變化，同時植被覆蓋變化也能反作用于以上該類養(yǎng)分，二者相互影響。

(2) 不同植被類型下的土壤養(yǎng)分含量差異較為明顯，從結果分析來看研究區(qū)以高寒草原、草甸為最主要的植被類型，占研究區(qū)面積的83.74%。芨芨草草原和紫花針茅草原主要分布在研究區(qū)南部、東北山地緩坡處，高山嵩草草甸和線葉嵩草草甸主要分布在研究區(qū)西部和西北部，南部有第三紀沉積巖層分布，約占研究區(qū)的6.7%，其他植被類型占研究區(qū)面積較小，分別為人工林、山楊林、金露梅灌叢、錦雞兒灌叢等，零星分布在研究區(qū)內；各植被類型下的土壤養(yǎng)分含量分別為：高山嵩草草甸>線葉嵩草草甸>芨芨草草原>紫花針茅草原。

(3) 土壤侵蝕主要發(fā)生在地表0—15 cm，侵蝕量與養(yǎng)分中的TN，EXT-N以及OM呈顯著相關關系。高寒草原草甸土層較薄，養(yǎng)分主要集中在土壤表層，且全量養(yǎng)分中TN和OM含量最高，速效養(yǎng)分中EXT-N含量最高，因此侵蝕發(fā)生時以上3類養(yǎng)分的流失最為明顯。