宋發(fā)軍

（奉節(jié)縣水利局，重慶 404600）

土壤是時(shí)空非均質(zhì)的礦質(zhì)綜合體，在成土過程中受外部因素侵?jǐn)_和內(nèi)部生化過程影響，具有普遍而復(fù)雜的空間異質(zhì)性。作為土壤屬性之一，空間異質(zhì)性影響著地表景觀演進(jìn)乃至區(qū)域環(huán)境與經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展［1，2］。探究土壤性質(zhì)空間分布模式，可揭示環(huán)境因子對其影響速率與方向，認(rèn)識土壤發(fā)育格局與元素的生物地球化學(xué)循環(huán)［3］。自然因素是土壤屬性的來源，也是其空間變異的內(nèi)生驅(qū)動力，其中地形是影響土壤養(yǎng)分在地理單元內(nèi)變異的主要因素［4］。Seibert等［5］研究認(rèn)為，低緩丘陵區(qū)陽坡的植被長勢較好，豐富的生物殘?bào)w礦化后有利于養(yǎng)分的積累，因而坡向是影響土壤養(yǎng)分的重要因素。陳洋等［6］分析表明，秦巴山區(qū)靠近溝谷地帶的土壤養(yǎng)分下滲淋溶強(qiáng)烈，養(yǎng)分含量低于緩坡處，高程和坡度及其組合效應(yīng)是土壤養(yǎng)分的主控因素。鄧歐平等［7］研究表明，川中紫色土區(qū)土壤養(yǎng)分含量隨著地形曲率增大而增加，且不同地形因子組合土壤養(yǎng)分分布不同。這些研究闡釋了部分地形相位對土壤養(yǎng)分積累速率的再分配機(jī)理，一是著重于定性分析，針對不同地形因素影響力的量化分析較少；二是多為探究高程、坡度、海拔等一級地形因子的影響機(jī)制，少有研究徑流強(qiáng)度指數(shù)、地形濕度指數(shù)等次級地形因子的影響。

大別山區(qū)是中部水土流失重點(diǎn)防護(hù)區(qū)，區(qū)域地形起伏、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、耕作分布離散，土壤性質(zhì)受地理環(huán)境特征與人為活動共同影響，具有強(qiáng)烈空間異質(zhì)性。為更深入解析地形梯度對土壤養(yǎng)分變異性的影響，以大別山丘陵地區(qū)為案例區(qū)，采用RDA方法對養(yǎng)分含量與地形因子進(jìn)行排序和偏回歸分析。RDA以線性模型能夠厘定單一地形因子的影響程度，通過排序圖予以可視化［8］。探究該區(qū)土壤空間變異性，定量解析不同地形因素與土壤屬性之間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省西南部花亭湖上游丘陵區(qū)，屬于大別山系向長江延伸的余脈。區(qū)域?yàn)楸眮啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候區(qū)，四季分明、夏季濕熱，年平均氣溫16.4℃，年均降水量1 300 mm，無霜期249 d。微地形以平地、丘陵為主，地勢周高中低、海拔高度38～304 m。區(qū)內(nèi)植物以亞熱帶常闊葉混交林為主，土地利用類型以耕地、林地、草地占優(yōu)，主要土壤類型為黃棕壤、水稻土和新積土。

1.2 土壤樣品制備

樣品采集時(shí)間為2015年秋季，根據(jù)區(qū)域地形、土地覆被等因素進(jìn)行實(shí)地踏勘和樣點(diǎn)布設(shè)，于每個(gè)采樣基點(diǎn)10 m范圍內(nèi)由四角及中心部位共采集5份0～20 cm表層土壤，混合均勻分裝至袋，并應(yīng)用GPS儀記錄樣點(diǎn)軌跡，樣點(diǎn)共計(jì)64個(gè)，其分布如圖1所示。樣品帶回后經(jīng)風(fēng)干、去雜、搗碎、過篩等處理流程，對土壤中的有機(jī)質(zhì)（OM）、全氮（TN）、速效氮（AN）、全磷（TP）、速效磷（AP）和速效鉀（AK）含量進(jìn)行測定分析［9］。

1.3 地形特征因子確定

選取與土壤養(yǎng)分關(guān)系密切的地形特征因子，包括一級地形指標(biāo)海拔（ELE）、坡度（SLO）、坡向（ASP）、坡位（SP）、到河流的距離（DTR），反映區(qū)域基本的地貌形態(tài)特征；二級地形指標(biāo)地形曲率（TC）、地形起伏度（RDSL）、地表粗糙度（SRL）、徑流強(qiáng)度指數(shù)（SPI）、地形濕度指數(shù)（TWI），反映微地形、地表徑流強(qiáng)度、土壤濕度等特性。各地形因子的計(jì)算與地理意義見參考文獻(xiàn)［10-12］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

以6種土壤養(yǎng)分為目標(biāo)變量，以確定的10個(gè)地形因子為解釋變量。用SPSS 21.0軟件對土壤養(yǎng)分含量的均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)等特征進(jìn)行計(jì)算，采用K-S方法檢驗(yàn)正態(tài)分布特性；用GS+9.0進(jìn)行半方差模型擬合運(yùn)算，基于模型與參數(shù)進(jìn)行空間插值。地形因子提取以研究區(qū)1∶10 000的地形圖為基礎(chǔ)，用ArcG 10.2軟件投影校正、矢量化、拓?fù)錂z查處理后生成DEM數(shù)據(jù)，應(yīng)用Spatial analysis軟件的地形分析和柵格計(jì)算器輔助提取。解釋變量中定性的地形因子量化處理，坡向量化公式為α=cosβ，式中，β為實(shí)際坡度（°），α為坡度編碼值，數(shù)字越大，表示坡向越向陽；坡位編碼為下坡為1，中坡為2，上坡為3，數(shù)值越大，表示坡位越高。

土壤養(yǎng)分與地形因子的關(guān)系用Canoco 4.5軟件進(jìn)行可視化表達(dá)。對土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)去趨勢對應(yīng)分析（DCA）以計(jì)算排序軸梯度，結(jié)果顯示4個(gè)排序軸的最大梯度為0.346<3，表明其不滿足單峰模型，遂采用線性模型對土壤屬性與地形因子數(shù)據(jù)進(jìn)行RDA分析，土壤養(yǎng)分排序得分的尺度比例選用標(biāo)準(zhǔn)偏差法，并進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換成lg（x+1），以減弱特異值影響［7］。

2 結(jié)果與分析

2.1 大別山丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異性

2.1.1 土壤養(yǎng)分描述性特征 土壤各組分特征參數(shù)具有一定差異（表1）。有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷等主要土壤特性的變異系數(shù)較小且相差不大，分別為22.73%、28.68%、23.24%；速效氮、速效磷和速效鉀速效養(yǎng)分的變異程度略高，達(dá)到54.04%、90.67%、62.69%。參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、全磷的含量屬于3級中等水平，速效氮、速效鉀為4級缺乏水平。經(jīng)單樣本K-S檢驗(yàn)，除了速效氮雙側(cè)漸進(jìn)顯著性值大于0.05，服從正態(tài)分布外，其他組分?jǐn)?shù)據(jù)未能通過檢驗(yàn)，在后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析中需進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換。

2.1.2 土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)特征 GS+9.0中提供了高斯、球面、線性、指數(shù)4種類型函數(shù)用以擬合變量空間結(jié)構(gòu)。依據(jù)決定系數(shù)R2趨向于1、殘差RSS接近于0的原則選擇了最優(yōu)理論模型，并以200 m為步長，以2 400 m為有效分離距離，計(jì)算全向半分差函數(shù)，結(jié)果如表2所示。由于取樣分布較均勻，相鄰地塊能夠很好傳遞空間關(guān)聯(lián)信息，各半方差模型的R2在0.912～0.992擬合度較高，能夠反映該景觀尺度下的土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)特征。其中全磷、全氮的塊基比<25%，呈現(xiàn)強(qiáng)烈空間相關(guān)，說明其分布主要受自然因素控制；其他養(yǎng)分塊基比介于25%～75%，屬于中等空間相關(guān)，表明養(yǎng)分含量受到一定的隨機(jī)因素影響，結(jié)構(gòu)性略弱。其中速效磷的塊基比值最大，達(dá)到59.05%，說明在小于采樣尺度存在一定程度人為影響。從變程來看，各養(yǎng)分自相關(guān)距離不一，其中速效氮和速效鉀變程較小，為1.5、1.7 km，說明其斑塊破碎程度高，全局變化較大；而速效磷的變程較大，達(dá)2.7 km，表明其空間連續(xù)性較好（表2）。

表1 土壤養(yǎng)分指標(biāo)描述

表2 土壤養(yǎng)分半方差模型及參數(shù)

2.1.3 土壤養(yǎng)分空間分布特征 Kriging法基于樣點(diǎn)之間的空間相關(guān)性對鄰域進(jìn)行線性無偏最優(yōu)估計(jì)，圖2為研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量空間插值結(jié)果。雖然預(yù)估值與實(shí)測值域存在一定出入，但其整體趨勢性仍然能夠反映養(yǎng)分總體空間格局。依圖2可知，研究區(qū)北側(cè)有機(jī)質(zhì)含量較高并沿山脊線分布，中部河岸地帶含量低，南部海拔較高處的樣方也存在高值；全氮的分布特征與有機(jī)質(zhì)相似，說明二者具有密切的循環(huán)過程；速效氮的高值區(qū)集中分布在南北側(cè)丘陵緩坡處，中部以西的地形平坦處其含量稍低。全磷、速效磷的高值或低值區(qū)呈斑塊狀分布于海拔較低的樣方，而邊緣山脊線處的含量相對較低；其中速效磷的空間連續(xù)性較好。速效鉀與速效氮的分布特征相似、均存在獨(dú)立斑點(diǎn)，且空間連續(xù)性較差，這與前述半方差分析結(jié)果一致。整體來看土壤養(yǎng)分呈帶狀分布，局部地形增強(qiáng)了其空間異質(zhì)性。

2.2 大別山丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分與地形因子的關(guān)系

2.2.1 土壤—地形因子排序整體解釋度 RDA分析（表3）表明，第一排序軸的典范特征值達(dá)到0.421，各排序軸的特征值與土壤數(shù)據(jù)的累計(jì)貢獻(xiàn)水平逐漸遞減，反映了排序軸的重要性呈減小趨勢，地形因子總計(jì)解釋了土壤養(yǎng)分54.7%的變異信息。土壤養(yǎng)分與地形因子之間的相關(guān)系數(shù)都較高，介于0.343～0.813，共解釋總方差的99.6%，表明前4軸的排序結(jié)果能夠較好地反映土壤養(yǎng)分與地形因子的關(guān)系。

表3 土壤養(yǎng)分與地形因子的RDA分析

2.2.2 土壤養(yǎng)分與地形因子的排序關(guān)系 土壤養(yǎng)分與地形因子RDA排序見圖3。矢量箭頭長度與方向代表土壤與此環(huán)境因子的典范相關(guān)關(guān)系。海拔的矢量箭頭在速效磷上的余弦投影較長，表明海拔對速效磷的積累具有重要意義，在亞熱帶暖濕氣候的低山丘陵區(qū)，較高海拔處地表景觀以林草地為主，植物殘?bào)w的礦化以及土壤礦質(zhì)顆粒風(fēng)化速率相對較快，一定程度上提高了磷的生物有效性［13］。坡位和坡度作為高程的派生地形因子，與速效鉀和全氮關(guān)系密切，區(qū)域中下坡地形和緩，多為耕地和放牧牧用地，表層土壤受干擾頻繁，速效鉀和全氮積累較少；上坡植被覆蓋密集下遮陰條件好、溫濕度適中，枯枝落葉的分解能有效補(bǔ)充地表土壤氮素。坡向矢量箭頭方向與各養(yǎng)分相反，表明呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，尤其與速效磷負(fù)相關(guān)性顯著，由于坡向越向陽氣溫較高而干燥，不利于動植物殘?bào)w對土壤的肥化累積。就區(qū)域地形看，南坡坡度陡，水土流失效應(yīng)較強(qiáng)［14］。地形濕度指數(shù)也與養(yǎng)分存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，地形曲率與速效鉀負(fù)相關(guān)關(guān)系明顯，到河流距離、地表粗糙度、坡度等與各養(yǎng)分存在一定正相關(guān)?？傮w而言這些因子的矢量距離較短，表明其對土壤養(yǎng)分的影響只存在于一定尺度范圍。

土壤養(yǎng)分距地形因子質(zhì)心的距離反映了其空間變異性受環(huán)境因素的支配程度。速效氮離質(zhì)心最近，表明其空間變異受到較多的環(huán)境因素影響；速效鉀、全氮、速效氮、有機(jī)質(zhì)位于第二象限，離質(zhì)心較近，說明其影響因子較多；速效磷距質(zhì)心最遠(yuǎn)，表明只有較個(gè)別地形因子對其存在強(qiáng)烈影響。

2.2.3 地形因子的定量分析 Monte Carlo置換檢驗(yàn)直觀顯示了各地形因子對土壤養(yǎng)分變異解釋度，如表4。地形因子海拔、坡向、坡位對土壤養(yǎng)分變異性影響達(dá)到顯著水平（P<0.05），其解釋度依次為15.2%、14.1%、7.1%，說明它們是土壤屬性呈現(xiàn)空間分異的主要地形因素。到河流距離也對土壤養(yǎng)分空間差異性產(chǎn)生一定影響（變量解釋度5.7%），尚未達(dá)到顯著水平；其他地形指標(biāo)因子的影響程度有限，對養(yǎng)分變異的解釋能力共計(jì)只有12.5%，徑流強(qiáng)度指數(shù)對養(yǎng)分的影響程度最低，解釋能力僅有0.3%。綜合來看，一級地形因子的解釋能力較強(qiáng)，共解釋了44.7%的變異信息，而二級地形因子解釋能力較差，僅為10.1%，表明其對土壤空間異質(zhì)性的影響較弱。

表4 環(huán)境因子解釋的重要性排序和顯著性檢驗(yàn)

為進(jìn)一步分析土壤養(yǎng)分對地形因子的依賴性，采用t-value雙序圖予以可視化表達(dá)，如圖4。Van Dobben圈表征了土壤養(yǎng)分分布與環(huán)境變量的相關(guān)關(guān)系，對高程的分析顯示，速效磷、速效氮、有機(jī)質(zhì)和全氮落入Van Dobben實(shí)線圈內(nèi)，說明養(yǎng)分與該因子呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其中速效氮與之相交，表明高程對其的影響不具有顯著意義。由地形因子分析可知，各養(yǎng)分矢量線落入虛線圈中，表明其與地形因子之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中坡向?qū)λ傩Я椎挠绊懽铒@著，對速效氮則影響最弱，其他養(yǎng)分則居中，并均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。分析養(yǎng)分與坡位的關(guān)系，兩者呈正相關(guān)關(guān)系，對各養(yǎng)分影響力依次為速效氮>速效鉀>全氮>有機(jī)質(zhì)>速效氮>速效磷。

3 結(jié)論

通過經(jīng)典統(tǒng)計(jì)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究大別山丘陵區(qū)表層土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性，并應(yīng)用RDA法量化地形因子對其影響程度，得出以下結(jié)論。

1）研究區(qū)土壤養(yǎng)分有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、全磷含量為中等水平，速效氮、速效鉀較缺乏；6種養(yǎng)分均屬于中等程度變異，變異性依次為速效磷（90.67%）>速效鉀（62.69%）>速效氮（54.04%）>全氮（28.68%）>全磷（23.24%）>有機(jī)質(zhì)（22.73%）。

2）研究區(qū)土壤速效磷的最適模型為指數(shù)模型，有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮為高斯模型，全磷和速效鉀以球面模型擬合最佳。全氮、全磷的塊基比為20.41%、20.25%，呈強(qiáng)烈空間自相關(guān)性；有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀為中等空間自相關(guān)性，塊基比依次為43.10%、48.57%、59.05%、44.81%。Kriging插值顯示，土壤養(yǎng)分呈帶狀分布，表現(xiàn)出隨地形分布的趨勢特征。

3）地形因子共解釋了54.7%的變異信息，其中一級地形因子如海拔、坡向、坡位、到河流距離、坡度的解釋程度較高，達(dá)到15.2%、14.1%、7.1%、5.7%和2.5%，而二級地形因子地形曲率、地形起伏度、地表粗糙度、徑流強(qiáng)度指數(shù)、地形濕度指數(shù)的解釋能力較低，共解釋了10.1%的信息。其中高程、坡向、坡位對土壤養(yǎng)分的綜合影響達(dá)到顯著水平（P<0.05），是區(qū)域土壤養(yǎng)分空間變異的主導(dǎo)地形因子。