曲文靜

(內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

引言

土壤是自然地理要素、人類活動(dòng)和時(shí)間綜合作用的產(chǎn)物，是一個(gè)復(fù)雜的開放系統(tǒng)，是地球表層系統(tǒng)的重要組成要素，與自然界的其它因子相互作用，不斷進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)和能量交換[1]。土壤中的磷是作物生長必需因素,也是最重要的限制因子[2]。土壤中的磷主要來源于未完全分解的動(dòng)植物殘?bào)w和土壤母質(zhì)，農(nóng)田土壤施肥也是很重要的一部分[1]。土壤速效養(yǎng)分是反映土壤肥力特征的重要指標(biāo)，植物所需要的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素直接來源于土壤速效養(yǎng)分[3]。磷參與植物的光合作用，土壤中速效磷含量的多少與植物生長發(fā)育關(guān)系密切。因此，研究土壤速效磷含量的空間分布及其影響因素對(duì)于研究土壤肥力高低、評(píng)估土壤可持續(xù)利用潛力及區(qū)域土壤的高效管理有重要意義。人類在利用土壤資源進(jìn)行物質(zhì)生產(chǎn)的過程中，可以通過有意識(shí)地改變土壤與其它因子的物質(zhì)能量遷移轉(zhuǎn)化過程和成土方向，如施肥、灌溉、排水、疏通、改良土質(zhì)等使土壤質(zhì)量不斷提高，從而提高土壤的農(nóng)林牧生產(chǎn)能力。

溫度和降水等環(huán)境因子對(duì)土壤微氣候產(chǎn)生改變，導(dǎo)致海拔、水分等差異[4]。這種氣候的改變強(qiáng)烈影響土壤的生物、化學(xué)過程[5],導(dǎo)致磷元素的分布差異性。一些學(xué)者[6,7]在地統(tǒng)計(jì)學(xué)與地理信息系統(tǒng)的理論方法指導(dǎo)下，運(yùn)用克里金插值方法，對(duì)土壤樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，從而得出土壤養(yǎng)分含量的總體分布格局。因此，本文運(yùn)用空間插值等方法研究荒漠草原速效磷的空間分布特征，以期為荒漠草原土壤磷的調(diào)控與循環(huán)模式提供數(shù)據(jù)支撐與科學(xué)參考，從而達(dá)到維護(hù)草原生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與草原的可持續(xù)利用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概述

四子王旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市的西北部，地理坐標(biāo)為E110°19′53″～112°59′37″，N41°11′32″～43°22′31″，東面與其毗鄰的是錫林郭勒盟蘇尼特右旗，南面與其相連的是呼和浩特市武川縣，西面為包頭市達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗，北面則與蒙古國接壤，轄區(qū)總面積為25516km2[8]。地形從南至北分別為陰山山脈北緣、烏蘭察布丘陵和蒙古高原，總的趨勢為東南高西北低，海拔1000～2100m。該旗地處溫帶，屬于典型的大陸性干旱氣候，冬季寒冷干旱，多寒潮天氣；夏季暖濕，降水少而集中，日照充足。春秋兩季多風(fēng)且氣溫變化劇烈，四季更替明顯。四子王旗境內(nèi)南部為山地丘陵，北部為荒漠草原，在干旱的氣候條件下，形成了以棕鈣土為優(yōu)勢的地帶性土壤，研究區(qū)內(nèi)棕鈣土主要分為典型棕鈣土、鹽化棕鈣土和淡棕鈣土[9]。在局部區(qū)域有栗鈣土、草甸土和草甸栗鈣土等類型的土壤，全區(qū)大部分土地利用為中覆蓋度草地，其它地區(qū)有鹽堿土、高覆蓋度草地和低覆蓋度草地等。該旗屬于典型的農(nóng)牧交錯(cuò)帶，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，土壤貧瘠且易發(fā)生水土流失和沙漠化現(xiàn)象。

1.2 樣品采集

2019年9月在內(nèi)蒙古荒漠草原典型區(qū)四子王旗境內(nèi)進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集工作。研究區(qū)內(nèi)的用地類型多種多樣，為了使樣本能夠代表總體樣本的特征，采用系統(tǒng)網(wǎng)格抽樣方法進(jìn)行采樣。共選取了18個(gè)采樣點(diǎn)，采集土樣108個(gè)，如圖1所示。以采樣點(diǎn)位置為中心，設(shè)置邊長為2m的等邊三角形，將三角形的3個(gè)頂點(diǎn)作為樣品采集的位置，用直徑為10cm的土鉆采取6層土樣，土層深度分別為0～5cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm、20～25cm和25～30cm。均勻混合3個(gè)采樣位置相同深度的土樣，該土樣即為該樣點(diǎn)在該層的土樣，取180g混合樣品裝在密封袋中，按照此方法采集完108個(gè)土樣，即完成野外數(shù)據(jù)采集工作。

1.3 樣品處理及其它數(shù)據(jù)來源

將采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，待土樣自然風(fēng)干后，除去其中的植物草根和石塊等雜質(zhì)，進(jìn)行研磨，使其全部通過1mm和0.15mm孔徑的篩子，裝進(jìn)分裝袋留存?zhèn)溆?。采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定土壤速效磷含量。土壤利用數(shù)據(jù)下載于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站(help://www.resdc.cn)，氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)下載于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(help: //cdc.cma.gov.cn)。

1.4 方法與數(shù)據(jù)處理

利用IBM SPSS Statistics 25和Excel 2016對(duì)研究區(qū)土壤速效氮和速效磷含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)等。土壤速效磷的空間分布采用普通克里金插值方法在ArcMap 10.7中進(jìn)行。普通克里金插值方法的一般公式：

式中，Z(X0)表示預(yù)測值；n表示采樣點(diǎn)的數(shù)目；λi代表權(quán)重；Z(Xi)是測量點(diǎn)的實(shí)測值。土壤速效磷與各影響因子之間的關(guān)系采用相關(guān)性分析方法在IBM SPSS Statistics 25中進(jìn)行。為進(jìn)一步明確不同影響因素對(duì)于土壤速效磷的影響程度，在IBM SPSS Statistics 25中對(duì)各影響因素進(jìn)行逐步回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤速效磷含量描述性統(tǒng)計(jì)分析

如表1所示，研究區(qū)各土層的土壤速效磷含量的平均值介于4.722～7.021mg·kg-1，表層土壤中的速效磷含量顯著高于下層土壤，25～30cm土層土壤速效磷含量最少，研究區(qū)土壤速效磷含量平均值明顯地隨著土層深度的增加而減少。從均值來看，對(duì)照全國第2次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)土壤速效磷含量除25～30cm土層屬于五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其它土層都屬于四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，總體上屬于中等偏下水平，速效磷含量都比較缺乏。

表1 四子王旗荒漠草原典型區(qū)土壤速效磷、速效氮含量的統(tǒng)計(jì)特征

標(biāo)準(zhǔn)差的大小可以反映數(shù)據(jù)的離散程度，由表1可發(fā)現(xiàn)，各層土壤速效磷的標(biāo)準(zhǔn)差由表層至深層依次呈現(xiàn)出有規(guī)律遞減的變化趨勢，這與其均值的變動(dòng)趨勢一致。0～5cm土層速效磷含量的離散程度最大，分布相對(duì)分散；25～30cm土層的離散程度最小，分布相對(duì)集中；各層土壤速效氮的標(biāo)準(zhǔn)差從表層向下遞減，至15～20cm土層顯著增加，接著又向下遞減；15～20cm土層速效氮含量的離散程度最大，分布相對(duì)分散；25～30cm土層的離散程度最小，分布相對(duì)集中。變異系數(shù)(CV)能夠表示數(shù)值的空間變異的程度，根據(jù)土壤變異性的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)CV≤10%時(shí)，為弱變異性；10%100%時(shí)，為強(qiáng)變異性。從表1可以看出，速效磷在0～30cm的6個(gè)土層中均具有中等變異性。土壤速效磷在0～25cm的5個(gè)土層中變異程度隨土層深度增加而逐漸降低，在25～30cm土層中變異程度增加，但土壤表層變異性最強(qiáng)，在15～30cm的3個(gè)土層中變異性都比較弱，表明速效磷在這一層次分布較為均勻。

2.2 普通克里金插值結(jié)果分析

空間插值方法是利用采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)研究區(qū)內(nèi)的未知點(diǎn)進(jìn)行模擬預(yù)測，并能夠獲得連續(xù)的某些屬性值的空間分布特征[10]。為反映不同土層深度速效磷含量的整體變化趨勢以及空間分布特征，基于克里金插值方法對(duì)研究區(qū)測得的0～5cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm、20～25cm和25～30cm深度的土壤速效磷含量進(jìn)行插值，生成土壤速效磷水平分布圖。從圖2中可以看出，在0～5cm土層中，土壤速效磷含量中間低，東部、北部和南部高，整體上呈現(xiàn)出由東南向西北、由東向西逐漸降低的趨勢；在5～10cm土層中，速效磷含量北部和東南高，其它區(qū)域分布比較均勻，含量都在4.9～5.9mg·kg-1；在10～15cm土層中，速效磷含量東部高于西部，北部高于南部，整體上呈現(xiàn)出由東向西、由北向南逐漸降低趨勢；在15～20cm土層中，速效磷含量由東南向西北遞減，南北大致對(duì)稱分布；在20～25cm土層中，速效磷含量由東南向西北、由北向南逐漸降低；在25～30cm土層中，速效磷含量中部略微高于東部和北部，但整體分布較為均一，含量在4.0～5.0mg·kg-1。對(duì)照全國第2次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可以發(fā)現(xiàn)，在0～15cm的3個(gè)土層內(nèi)，東南和北部都有一小塊兒范圍屬于三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，是研究區(qū)速效磷含量最高的區(qū)域；在0～25cm的5個(gè)土層范圍內(nèi)，東南部和北部均是研究區(qū)內(nèi)豐富的區(qū)域。在0～5cm土層中，中部和西部的土壤速效磷含量缺乏，隨著土層深度的增加，缺乏的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大；在25～30cm土層中，東部和北部在其它土層含量高的區(qū)域內(nèi)含量也出現(xiàn)明顯缺乏現(xiàn)象。

2.3 土壤速效磷影響因素的相關(guān)性分析

土壤速效磷的空間變異是其自身性質(zhì)變化以及外部因素共同作用形成的。因此，利用IBM SPSS Statistics 25，進(jìn)行相關(guān)性分析，得出土壤速效磷與降水量、氣溫、海拔高度、土壤剖面深度、土壤中黏粒含量百分比、粉砂粒含量百分比、砂粒含量百分比的相關(guān)系數(shù)矩陣，歸納不同因素對(duì)土壤速效磷的影響，如表2所示。速效磷與土壤剖面深度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為-0.374；與海拔高度和平均降水量均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.206和-0.201；與平均氣溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.206；與土壤中的黏粒含量百分比、粉砂粒含量百分比、砂粒含量百分比之間的相關(guān)性并不大。

2.4 土壤速效磷影響因素的逐步回歸分析

為了進(jìn)一步明確不同影響因素對(duì)于土壤速效磷、速效氮的影響程度，對(duì)各影響因素進(jìn)行逐步回歸分析。如表3所示，運(yùn)用逐步回歸分析方法，對(duì)每一個(gè)自變量和因變量建立一元簡單線性回歸模型，逐步剔除影響不顯著的變量，保留影響顯著的原變量，建立最優(yōu)模型。在對(duì)土壤速效磷含量影響因素進(jìn)行逐步回歸分析時(shí)，以Y1為因變量，即為土壤速效磷的含量；X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7為自變量，分別為降水量、氣溫、海拔高度、土壤剖面深度、土壤中黏粒含量百分比、粉砂粒含量百分比、砂粒含量百分比。最終建立的最優(yōu)回歸模型為：Y1=0.479X2-0.082X4+2.651。這表明，氣溫對(duì)土壤速效磷含量空間分布影響的作用最大，土壤剖面深度對(duì)土壤速效磷含量空間分布具有負(fù)效應(yīng)。

表3 土壤速效磷分布影響因素的逐步回歸分析的多元回歸系數(shù)參數(shù)估計(jì)值

3 討論

一般而言，土壤養(yǎng)分隨著土層的加深而逐漸降低，在本研究區(qū)0～30cm土層中，土壤速效磷含量在垂直方向上隨土層深度增加而降低，這可能是因?yàn)楸韺邮┓屎涂葜β淙~都會(huì)增加土壤表層養(yǎng)分含量，當(dāng)土壤不受擾動(dòng)或者擾動(dòng)較少時(shí)，肥料與殘?jiān)舸婊蚍纸庠谕寥辣韺?，使得養(yǎng)分富集于表層。植物根系能夠大量吸收土壤養(yǎng)分，這使得下層土壤中的養(yǎng)分被植物大量吸收，并且表層土壤養(yǎng)分可以得到充足的補(bǔ)充，但是下層土壤補(bǔ)充相對(duì)較少[11]。另外，耕作方式也會(huì)影響其分布，耕作深度與土壤容重、土壤孔隙度、植物根系和土壤養(yǎng)分含量存在著密切關(guān)系[12,13]。

土壤速效磷含量水平分布特征在不同土層深度上都不大相同，但在0～25cm各土層范圍內(nèi)，東南部和北部均是研究區(qū)內(nèi)豐富的區(qū)域；速效氮含量的水平分布沒有明顯的規(guī)律性，但是隨著土層深度的增加，速效氮含量在中部的分布逐漸增加，在東部和西部逐漸降低。這可能與土地利用方式、地形因子、氣候因子和人為因素等有關(guān)[14-16]，其中，母質(zhì)類型與成土條件是不同土壤類型養(yǎng)分間存在差異的根本原因。在農(nóng)田過量施肥、林地過度采伐以及草地過度放牧的影響下，不同土地利用方式下的土壤養(yǎng)分差異明顯。

為了更清晰這些影響因素的作用程度，通過逐步回歸分析，建立土壤速效磷影響因素的最優(yōu)回歸模型。結(jié)果表明，土壤剖面深度對(duì)于土壤速效磷具有顯著負(fù)影響，氣溫是影響速效磷的顯著因素。

4 結(jié)論

研究區(qū)土壤速效磷含量總體上屬于中等偏下水平，表層土壤中的速效磷含量顯著高于下層土壤，速效磷含量在0～30cm各土層中均具有中等變異性。

結(jié)合土壤速效磷影響因素的相關(guān)性分析以及逐步回歸分析結(jié)果可知，在該研究區(qū)內(nèi)，氣溫和土壤剖面深度顯著影響土壤速效磷含量的空間分布。