南四湖區農田土壤有機質和微量元素空間分布特征及影響因素

武 婕，李玉環，*，李增兵，方 正，鐘 豫

(1.土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東農業大學資源與環境學院，泰安 271018;2.平邑經濟開發區管理委員會，平邑 273300;3.諸城國土局，諸城 262200)

土壤有機質(SOM)是表征土壤肥力和質量的重要因子，也是陸地生態系統中碳循環的重要源與匯［1-2］。土壤微量元素是作物營養物質的重要組成部分，其豐缺狀況直接影響作物的生長發育，同時，一些微量元素如銅、鋅等含量過高易造成重金屬污染，破壞生態環境甚至危害人類健康［3-4］。

國內外學者從20世紀70年代末開始將地統計學應用于土壤屬性的空間變異研究，取得豐富成果。如Fachinelli等［5］利用地統計學與GIS技術相結合的方法研究了土壤微量元素的空間分布特征及變異規律。Rodriguez等［6］基于多尺度分析了西班牙埃布羅河流域農田耕層土壤中鎘、銅、鋅等重金屬元素的空間變異規律。Cordora等［7］以英國洛桑實驗區土壤氮為研究對象，對其空間變異性進行了分析。國內關于土壤有機質和微量元素的空間變異性分析，主要從不同尺度、針對不同研究區域進行研究［8-17］，揭示了氣候、土壤類型、地形、地貌、土地利用等因素對其空間變異的影響。

綜上所述，近年來，針對土壤有機質和微量元素空間變異的研究中，學者傾向于對不同地貌類型區的研究，如丘陵區、黃土高原區和小流域等，認為在景觀和流域尺度上，由于氣候條件較為一致，土壤類型、地形和土地利用是影響土壤養分空間變異的主要因素［18-19］。湖泊景觀周圍地貌類型較為特別，為湖灘、洼地和傾斜平地等，目前針對湖泊景觀周圍農田土壤有機質和微量元素空間變異性研究鮮有報道，且大多數研究偏重于描述土壤屬性的空間變異，對引起變異的各因素的內在影響機理研究并不十分透徹。

本文以南四湖區農田土壤為研究對象，結合實地調查采樣數據，利用GS+9.0和Arcgis9.3中的地統計分析模塊，分析該區特殊地貌類型下土壤有機質和微量元素的空間變異規律，繪制土壤有機質和微量元素含量空間分布圖，并著重分析土壤類型、耕層質地、坡度、土地利用類型和地貌類型對其空間變異的影響，為更好的了解該區土壤的特性，采取具有針對性的措施進一步提升南四湖區土壤的肥力和質量等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

微山縣地處東經 116°34'—117°24'，北緯 34°27'—35°20'，總面積 1780 km2，地勢東、北高，西、南低，海拔30—290 m，中間為微山、昭陽、獨山、南陽四湖，是南四湖區典型縣域(圖1)。研究區屬暖溫帶半濕潤季風氣候區，年均氣溫14.7℃，年均降水量760 mm。地貌類型主要有山前傾斜平地、洼地、低山丘陵區地、湖灘、緩平地等(圖2)。土壤類型依據第二次土壤普查共分為5個土類(圖2)。其中棕壤639.27 hm2，占1.3%，主要分布于兩城鄉、韓莊鎮的低山丘陵區;褐土1.15×104hm2，占23.42%，分布于兩城、微山島、歡城等鄉鎮;潮土 2.78×104hm2，占56.53%，各鄉鎮均有分布;砂姜黑土5466.7 hm2，占11.24%，分布在歡城、塘湖、付村等鄉鎮;水稻土3733 hm2，占 7.58%，分布于張樓、侯樓等鄉鎮［20］。研究區土地利用方式以灌溉水田、水澆地、旱地和菜地為主(圖2)，主要種植小麥、玉米、稻谷、大豆等作物。土壤質地主要以輕壤和中壤為主，粘土和重壤分布較少(圖2)。

圖1 采樣點分布Fig.1 Distribution map of sampling sites

圖2 南四湖區地貌類型、土壤類型、土地利用類型、質地和坡度圖Fig.2 Maps of topography type，soil type，land use type，soil texture and slope in Nansihu region

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與分析

2009年9月，以微山土地利用現狀圖、地形圖、第二次土壤普查土壤圖以及數字高程(DEM)等為基礎圖件，結合研究區實際情況，共布設1021個土壤采樣點(圖1)，采用S型取樣路線，采取多點混合和四分法采集0—20 cm耕作層土壤，利用手持GPS儀記錄采樣點經緯度。實驗室內樣品測定方法嚴格按照國家規定的土壤農化分析方法進行，SOM采用重鉻酸鉀容量法測定，鐵(Fe)、錳(Mn)銅(Cu)和鋅(Zn)采用火焰原子吸收分光光度法，硼(B)采用姜黃色法。

1.2.2 數據處理與統計分析

利用SPSS 17.0對數據進行一般描述性統計和K-S檢驗，如不符合正態分布，需進行數據轉換(通常進行對數轉換)或剔除原始數據中的異常值。以探索南四湖區土壤有機質和微量元素的空間異質性為研究重點，利用GS+9.0軟件對經對數轉換后符合正態分布數據(B不需轉換)進行半方差分析和擬合，依據變異函數理論模型參數，在Arcgis9.3的地統計模塊中進行普通克里格空間局部插值，生成空間分布圖。為定量分析影響土壤有機質和微量元素空間分布的主要因素，采用方差分析和多重比較(Games.Howell法)，分別分析了土壤類型、耕層質地、坡度、土地利用類型和地貌類型對有機質和微量元素的影響。

2 結果與分析

2.1 描述性統計分析

表1為各觀測指標的描述統計結果。按照全國第二次土壤普查養分分級標準，SOM平均值處于中等水平(10.0—20.0 g/kg)。微量元素差異較大，Mn的平均含量最高(10.66 mg/kg);B的平均含量最低(0.57 mg/kg)。按照山東省土壤有效微量元素分級標準，從平均含量來看，Fe處于中等水平(4.5—10 mg/kg)，Mn處于中等水平(5—15 mg/kg)，Cu處于高水平(1.0—1.8 mg/kg)，Zn、B 處于中等水平(0.5—1.0 mg/kg)。由土壤環境質量標準［21］可知，Cu、Zn、Mn均沒有超過國家規定的標準。按照反映離散程度的變異系數大小粗略的分級，SOM和微量元素均屬中等變異程度(10%—100%)。

正態分布檢驗表明，B符合正態分布，SOM、Fe、Mn、Cu和Zn的原始數據均表現為尖峰、正偏性，經對數轉換后，符合正態分布，滿足地統計學分析的要求。

表1 土壤有機質和微量元素的描述性統計Table 1 Descriptive statistics of soil organic matter(SOM)and trace elements

2.2 空間變異結構分析

由表2可知土壤有機質和微量元素(除B是純塊金效應外)的半方差函數擬合較好，R2均大于0.6，能較好的反映其空間結構特征。SOM、Fe、Mn和Zn用指數模型擬合較好，Cu用球狀模型擬合較好。

塊金值表示隨機部分的空間變異性，較大的塊金值表明較小尺度上的某種過程不可忽略［3］。引起塊金值變化的主要因素有實驗誤差和小于實驗取樣尺度上施肥、作物、管理水平等隨機因素［22］。有機質的塊金值為0.0016，微量元素中，Mn的塊金值最大(0.0635)，Fe的最小(0.0120)。總體來看，土壤有機質和微量元素的塊金值均較小，說明在最小間距內的變異分析過程中引起的誤差較小。

塊金值與基臺之比表示隨機部分空間變異性占總空間變異性的程度，比值較大說明隨機部分起主要作用，比值較小說明非人為結構因素起主要作用［23］。根據 Cambardella 等［24］提出的區域化變量空間相關程度的分級標準，B的塊金值與基臺值的比為1，為純塊金效應，在整個尺度上具有恒定變異。SOM和其余四種微量元素的塊金值與基臺值的比均小于0.25，空間相關程度強，說明在該研究區域內，受人為因素(施肥、耕作、種植制度等)的影響較小，影響SOM和微量元素空間變異的主要因素有成土母質、土壤類型、氣候條件等。

變程是空間變異自相關范圍的度量，SOM的變程為84 m，說明有機質在此范圍內具有空間自相關。微量元素中Fe的空間自相關距離最小(162 m)，Mn的空間自相關距離最大(2571 m)，這主要與湖區的影響有關，此外農作物對微量元素的吸收偏好也可能影響變程的大小［9］。

表2 土壤有機質和微量元素半方差函數理論模型與參數Table 2 Best-fitted semivariogram models and parameters of SOM and trace elements

2.3 空間局部插值

為便于全面、直觀的揭示土壤有機質和微量元素的空間分布格局，在Arcgis9.3中，對SOM、Fe、Mn、Cu和Zn采用普通克里格插值(圖3)。由于B在該取樣間距下不具有空間相關性，采用反距離權重插值法(IDW)(圖3)。可知，SOM大致呈現由北向南逐漸降低的趨勢，緩平地區有機質含量較高，這些區域地勢平坦，土地利用類型多為水澆地，農作物生長旺盛，施肥較多，故有機質含量較高，而其他區域多為丘陵或洼地，土壤較為貧瘠，管理較為粗放，有機質積累少。北部低山丘陵區Fe含量較高，在14 mg/kg以上，南部 Fe含量最低(3—9 mg/kg)。Mn、Cu、Zn分布總體趨勢均為中部高，南北兩端低，其中Mn最明顯，中部多大于13 mg/kg，兩端最低在5 mg/kg以下。B地域差異不明顯，大部分在0.55 mg/kg以上。微量元素空間分布較為復雜，產生這種現象的原因主要與研究區的成土母質有關，微山縣成土母質主要為黃泛沖積物、代河流沖積物以及湖沖積物，成土母質是影響微量元素含量和空間分布的首要因素［25］。

2.4 土壤屬性空間分布影響因素分析

土壤有機質和微量元素的空間變異通常是由土壤類型、地形、母質以及土地利用方式等各種因素在不同方向、不同尺度共同作用的結果［26］。前文已初步揭示出區域因素對土壤有機質和微量元素的空間變異起主導作用。為進一步探討引起空間變異的各因素的內在機理，選取研究區空間差異較為明顯的土壤類型、耕層質地、坡度、土地利用類型、地貌類型5個因素參與分析。

2.4.1 土壤類型

表3為不同土壤類型下有機質和微量元素含量。可知，除B外，5種土壤類型下SOM和微量元素含量存在明顯不同。SOM平均含量高低依次排列為:砂姜黑土＜褐土＜潮土＜棕壤＜水稻土。研究區水稻土的成土母質為黃泛沖積物和湖積物，該土類是1964年改造澇洼、旱田改水田以來的人工產物，土質粘重，水耕熟化過程積累了豐富的有機質，故有機質含量最高(15.77 g/kg)。褐土成土母質為洪沖積物，表層質地以輕、中壤為主，通氣良好，土體中的好氣微生物活動旺盛，腐殖質積累較少，因此，有機質含量較低(14.37 g/kg);潮土成土母質為黃泛沖積物和代河流沖積物，表層質地以重壤、中壤為主，土層深厚，土壤肥力中等(14.65 g/kg)。砂姜黑土成土母質為湖河相沖積沉積物，表層質地以粘土、重壤為主，宜耕性差，存有粘、濕、板、砂姜障礙，有機質含量最低(14.22 g/kg)。成土母質也是影響微量元素含量高低的主要因素，其中褐土中Fe、Mn的平均含量最高，砂姜黑土中Cu、Zn的平均含量最高。

圖3 土壤有機質和微量元素空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of soil organic matter and trace elements

表3 不同土壤類型下土壤有機質和微量元素含量Table 3 The contents of SOM and trace elements under different soil types

2.4.2 耕層質地

從表4 可知，質地對SOM、Fe、Mn、Cu、Zn 含量有較大影響，對B無影響。不同質地SOM平均含量高低排列依次為:砂壤＜重壤＜輕壤＜中壤＜粘土。從總的趨勢來看，隨質地由砂變粘SOM升高。一方面是由于粘性高的土壤，水分充足，透氣性差，原有機殘體在水分作用下易于腐爛降解，因而SOM含量高。另一方面，不同土壤質地下，土壤微生物含量和酶活性也不同，砂性土壤下，有機物質更容易被微生物分解，因而有機質含量較低［27-28］。而重壤有機質平均含量小于輕壤的原因可能是由于當地土壤施肥不均造成的。一般情況下微量元素含量高低遵循粘土＞壤土＞砂土［29］，但由于施肥等會嚴重影響微量元素的空間分布，這也是導致本研究中微量元素隨質地粘重變化無明顯趨勢的主要原因。

表4 不同耕層質地下土壤有機質和微量元素含量Table 4 The contents of SOM and trace elements under different topsoil textures

2.4.3 坡度

利用微山DEM數據提取坡度信息(圖2)，并按坡度將采樣點分為 3 組:﹤ 3°、3°—15°、≥15°(表5)。可知，≥15°組的SOM平均含量最高(15.07 g/kg)，﹤3°組的最低(14.70 g/kg)。總趨勢為隨坡度升高SOM升高，原因在于微山并無坡度極高的區域，坡度較低區域為南四湖周圍區域，湖灘植被較少，不利于有機質的積累，相對于湖灘區坡度較高的區域，植被較多，有機質豐富。此外已有研究表明，具有一定傾斜程度的平地有利于SOM的積累［30］。不同坡度組下微量元素含量差異不大，說明坡度不是影響微量元素的主要因素。

表5 不同坡度等級下土壤有機質和微量元素含量Table 5 The contents of SOM and trace elements under different grade level

2.4.4 土地利用類型

從表6可知，灌溉水田 SOM平均含量最高(15.33 g/kg)，旱地最低(13.85 g/kg)。由于不同土地利用類型之間收益存在較大差異，農戶的投入與管理水平會有所不同，水田和水澆地收益高，農戶投入的施肥量和管理水平較旱地高。此外當地秸稈還田現象較普遍，有機物質歸還量較高，大部分被微生物稍經分解即轉化為腐殖質儲存于土壤中，水田地勢低，土壤長期處于滯水狀態，SOM的分解速率明顯低于其他利用方式，有利于有機質的積累。菜地土壤由于高度熟化，人類對于菜地的管理加強，應該含有較高的SOM，但研究區內，菜地分布較為分散，并未形成大規模化種植，人們的投入較低，因而菜地SOM含量較低。土地利用類型對微量元素Fe、Cu含量影響較大，對Mn、Zn、B影響不顯著，發生變化的原因主要與水田和旱地氧化還原環境不同有關。

表6 不同土地利用類型下土壤有機質和微量元素含量Table 6 The contents of SOM and trace elements under different land using types

2.4.5 地貌類型

由表7可知，地貌類型對 SOM、Fe、Mn、Zn含量有較大影響，對Cu和B影響不顯著。SOM平均含量高低依次為:低山丘陵區＜湖灘＜山前傾斜平地＜緩平地＜洼地。總體看來，土地越平緩，有機質積累越高，原因是地貌類型主要通過影響侵蝕和水土流失影響SOM的含量狀況［15］，另一方面通過影響水熱資源的分配，進而影響植被的生長情況，從而影響SOM的積累。湖灘SOM較少的原因主要是由于湖泊周圍植物較少，有機質積累不多。洼地區土壤水分較多，有機殘體在水分作用下易于腐爛降解，SOM含量高。地貌對微量元素的影響主要是通過影響地表物質循環的方式和方向影響土地利用類型，而土地利用類型和農田管理措施又是影響微量元素變化的重要因素。

表7 不同地貌類型下土壤有機質和微量元素含量Table 7 The contents of SOM and trace elements under different topography types

3 結論

本文利用地統計與GIS技術相結合的方法對南四湖區農田SOM和微量元素空間變異特征及影響因素進行分析，主要結論如下:

(1)描述性統計分析表明，B符合正態分布，SOM、Fe、Mn、Cu和Zn符合對數正態分布，均屬中等變異程度。SOM平均值為14.66 g/kg，微量元素中Mn的平均含量最高(10.66 mg/kg);B的平均含量最低(0.57 mg/kg)。

(2)半方差分析表明，SOM、Fe、Mn和Zn用指數模型擬合較好，Cu用球狀模型擬合較好。B為純塊金效應，在整個尺度上具有恒定變異，SOM和其余4種微量元素具有強烈空間變異，其中區域因素占主導作用。

(3)普通克里格插值結果表明，SOM分布總體趨勢為由北向南逐漸降低，Mn、Cu、Zn分布總體趨勢為中部高，南北兩端低，B地域差異不明顯。除B外，土壤類型、耕層質地、坡度、土地利用類型、地貌類型與SOM和微量元素的含量高低以及分布狀況密切相關。

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