朱溪流域土壤容重空間分異與地形和土地利用的關系

潘宗濤, 陳志強,2, 陳志彪,2

(1.福建師范大學 地理科學學院, 福建 福州 350007; 2.濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地, 福建 福州 350007)

土壤容重是一定容積的土壤(包括土粒及粒間的孔隙)烘干后的重量與同容積水重的比值。土壤容重是衡量土壤養(yǎng)分狀況的重要指標之一，對土壤的肥力、透氣性、入滲性能、持水性能、溶質遷移特征、土壤抗侵蝕能力以及生物生長具有重要影響[1-2]。相關研究表明，隨土壤容重的增加，植物根系生長受到抑制，當土壤容重達1.8 g/cm3時，植物根系基本不能生長[3]。

影響土壤容重空間分布的因素眾多，如土地利用方式[4]、植被蓋度[5]以及地形(包括海拔、坡度、坡位、坡向)[6]等。地形通過影響坡面土壤侵蝕以及人類活動而直接或間接影響土壤容重的空間分異。連綱等[7]在黃土高原小流域土壤容重研究中發(fā)現(xiàn)，土壤容重與復合地形指數(shù)CTI正相關，并且不同土地利用類型土壤容重變異較小。李卓等[8]在土壤容重對土壤水分蓄持能力的研究中表明，土壤各吸力段水分蓄持能力均隨容重增大遞減，比水容量值也隨容重增大遞減。沈奕彤等[2]研究發(fā)現(xiàn)，土壤容重是影響坡地溶質遷移以及坡面降雨產流產沙的重要因素。然而，目前國內對于中國南方紅壤侵蝕區(qū)土壤容重與地形及土地利用關系的研究較為少見。

本文擬基于地統(tǒng)計分析等空間分析方法，在小流域尺度內分析南方紅壤侵蝕區(qū)土壤容重的空間分布，探討高程、坡度、坡位和坡向等地形因子以及土地利用對朱溪流域土壤容重分布的影響，以期為該流域及類似區(qū)域水土流失治理提供一定的理論依據(jù)和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

朱溪流域位于福建省西南部長汀縣境內，面積約為4 495.65 hm2。流域地勢自東北向西南傾斜，海拔270～680 m，地貌以低山丘陵為主。該區(qū)域屬于中亞熱帶季風性濕潤氣候，濕熱多雨，多年平均氣溫18.3 ℃，年降水量1 700～2 000 mm，雨季較長，降雨集中[9]。濕熱氣候下生成了抗蝕性差的酸性紅壤，其風化殼較厚，一般可達10～20 m。天然植被受到破壞，現(xiàn)植被以次生馬尾松(Pinusmassoniana)為主，樹種單一，結構簡單，林下灌木主要為散生的小葉赤楠(Syzygiumbuxifolium)、黃瑞木(Adinandramillettii)、石斑木(Rhaphiolepisindica)等，草類包括芒萁(Dicranopterisdichotoma)、鷓鴣草(Eriachnepallescens)等[10]。該流域曾是福建省土壤侵蝕最嚴重的地區(qū)之一，也是中國亞熱帶花崗巖丘陵地區(qū)水蝕荒漠化的一個典型代表[11]。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

本研究數(shù)據(jù)來自2009年對整個朱溪流域土壤野外調查工作，共收集118個采樣點(附圖4)，涉及到草地、耕地、水域、林地、居民點及工礦用地、園地、交通用地及未利用地等用地類型。運用刪格采樣法確保采樣點分布相對均勻，以滿足地統(tǒng)計分析需要。樣品取自表層0—20 cm土壤，容重的測量采用環(huán)刀法。

利用SPSS 20.0對數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計，得到結果(表1)。運用ArcGIS 10.2地統(tǒng)計分析模塊對數(shù)據(jù)進行預處理，主要包括數(shù)據(jù)正態(tài)分布檢驗、趨勢分析、全局異常值與局部異常值的剔除[12]。從采樣點中剔除3個異常點，剩下的分為2部分。100個采樣點用來建立變異函數(shù)模型以及插值分析，另外15個樣點用于驗證插值結果。根據(jù)處理后的采樣點數(shù)據(jù)，選用普通Kriging空間插值法對朱溪流域土壤容重進行空間插值。利用SPSS 20.0分別對采樣點土壤容重值與高程和坡度做Pearson相關性分析。在相關性分析的基礎上，運用Origin 9將采樣點數(shù)據(jù)進行處理后，擬合土壤容重與坡度，容重與高程的散點關系。通過0/1賦值，0表示不存在，1表示存在，將坡位轉化為5個虛擬變量，將其與土壤容重進行相關性分析。通過求取坡向的正弦和余弦值，將原始坡向轉化為南北向和東西向2個虛擬變量(sinα>0，表示坡向偏北，cosα>0，表示坡向偏東)[13]，并將土壤容重與2個虛擬變量進行相關性分析。

表1 土壤容重的描述性統(tǒng)計

1.3 研究方法

1.3.1 地統(tǒng)計分析基本理論 半變異函數(shù)是地統(tǒng)計分析的基本工具，其基本公式如下[14]：

(1)

式中：γ(h)——半變異函數(shù);h——步長，即采樣點空間間隔距離;N(h)——間隔為h的采樣樣點對數(shù);Z(xi)和Z(xi+h)——變量在xi和xi+h空間位置上的實測值。

半變異函數(shù)主要有以下主要參數(shù)即基臺值(Sill)、塊金值(Nugget)、變程(Range)和結構方差(Partial Sill)。結構方差也稱為塊金系數(shù)即塊金值與基臺值的比值，可表示系統(tǒng)變量的空間相關性程度[15]。

根據(jù)計算出的半變異函數(shù)值，建立相應理論模型。模型的塊金系數(shù)反映了隨機性因素引起的變異占系統(tǒng)總變異的比例。當塊金系數(shù)小于25%時，說明系統(tǒng)具有很強的空間相關性，大于75%時說明系統(tǒng)空間相關性很弱[16]。半變異函數(shù)最常用的是球狀模型、高斯模型和指數(shù)模型[17]。利用ArcGIS地統(tǒng)計分析模塊選取最優(yōu)模型。模型的選擇標準為：標準平均值最接近于0，均方根最小，平均誤差最接近均方根誤差，平均標準誤差最接近1[18]。根據(jù)所選最優(yōu)模型，采用Kriging空間插值方法生成土壤容重的空間分布圖。

Kriging空間插值法是地統(tǒng)計學重要內容之一，它是建立在變異函數(shù)及結構分析基礎上對區(qū)域化變量的無偏最優(yōu)估計。Kriging法相對于普通估計方法的不同之處是它不僅考慮了待估樣點與鄰近樣點的空間位置，而且把鄰近樣點的位置關系考慮進去[19]。Kriging法運用的前提是區(qū)域化變量存在空間相關性。因此，Kriging插值的實質是一個實行局部估計的加權平均值[20]。Kriging估計法的線性組合公式為:

(2)

式中：Zv(x)——待估點的內插估計值;λi——權重;Z(xi)——在點x附近觀測點上得到的實測值。

1.3.2 ArcGIS空間分析 以覆蓋朱溪流域的1∶1萬地形圖為底圖，在ArcGIS 10.2中經過底圖掃描，圖像校正，投影(Beijing_1 954_3_Degree_GK_CM_117 E)以及矢量化等高線，并創(chuàng)建不規(guī)則三角網(TIN)生成高精度數(shù)字地形圖(DEM)[21]。運用ArcGIS空間分析模塊，從DEM中提取高程、坡度等地形因子，并進行高程和坡度分級。將高程分為0～300，300～350，350～400，400～450和>450 m這5個等級，將坡度分為0°～10°，10°～20°，20°～30°，30°～40°，40°～50°和>50°共6個等級。利用區(qū)域分析功能將重分類后得到的分級圖進行分區(qū)統(tǒng)計。將土壤容重空間插值圖轉換為刪格數(shù)據(jù)后進行重分類，并將其作為分區(qū)統(tǒng)計的賦值柵格，進行分區(qū)統(tǒng)計，最后分別得到以高程和坡度為基礎的土壤容重分區(qū)統(tǒng)計值。將土地利用類型圖進行重分類并與土壤容重重分類圖進行疊加運算，得到不同土地利用類型下的容重面積分布關系圖[22]。

2 結果與分析

2.1 土壤容重空間分異

當變異系數(shù)0.1

表2 朱溪流域土壤容重的理論模型和相應參數(shù)

由附圖5可以看出：土壤容重具有從東北向西南增大的趨勢。土壤容重值大于1.28 g/cm3的高值區(qū)主要分布在中部和南部地區(qū)。容重值小于1.14 g/cm3的地區(qū)主要分布于東部和東北部。容重值大于1.35 g/cm3的高值區(qū)主要零星分布在西南部。容重次高值的區(qū)域大致呈“人”字型成片分布，并出現(xiàn)由其兩側向遠處逐漸遞減的趨勢。

2.2 地形與土壤容重空間分異

2.2.1 坡度、坡向和坡位與土壤容重空間分異 通過相關分析，得到坡度與容重的相關系數(shù)(r=-0.66，p<0.05)，表明坡度與容重相關性良好。如圖1所示，土壤容重隨坡度增加大致呈線性遞減的趨勢(R2=0.410)。

圖1 土壤容重隨坡度增加的變化情況

由附圖6可以看出，研究區(qū)域坡度大致由東向西降低，西部河流下游地區(qū)以及中部河谷地區(qū)坡度較小均小于10°。由坡度分區(qū)統(tǒng)計(表3)可以分析出，各分區(qū)內土壤容重均值隨坡度值增大而減少，這與以上擬合曲線變化趨勢基本一致。坡度小于20°的區(qū)域占研究區(qū)面積比重達62.07%，其土壤容重均值介于1.23～1.25 g/cm3，容重值相對較大。坡度值大于40°的地區(qū)主要分布于東部和東北部，占面積比重僅為2.18%，區(qū)域內土壤容重均值介于1.14～1.17 g/cm3，容重值相對西部較小。

表3 朱溪流域土壤容重坡度分區(qū)統(tǒng)計

土壤容重分別與坡向虛擬變量和坡位的虛擬變量相關分析(表4)。坡位虛擬變量與土壤容重相關系數(shù)為正，則表明其容重值大于其他位置，為負則相反，絕對值越大說明不同部位容重值差異顯著。sin(坡向)和cos(坡向)與土壤容重相關系數(shù)為正值，表示容重值在偏北坡大于偏南坡或者偏東坡大于偏西坡，負值則相反。

經過數(shù)據(jù)處理后，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土壤容重在不同坡位和坡向上存在一定差異，但是容重空間變異與坡位和坡向相關性并不明顯(p>0.05)。

表4 朱溪流域土壤容重與坡位和坡向的相關性分析

2.2.2 高程與土壤容重空間分異 通過分析，得到高程與土壤容重的相關系數(shù)(r=-0.53，p<0.05),高程與容重擬合函數(shù)的決定系數(shù)R2=0.280。從附圖7可以看出，高程與坡度具有相似的變化趨勢，即由東部向西部逐漸降低。將土壤容重空間插值圖與高程分級圖進行分區(qū)統(tǒng)計，得到表5。從表5可以分析得出，土壤容重均值隨高程增加而減少的趨勢較為明顯。高程小于300 m的區(qū)域占研究區(qū)面積比重為27.38%，主要分布于西部和中部部分地區(qū)，其區(qū)域內的土壤容重均值為1.27 g/cm3，大于采樣點均值1.24 g/cm3。而在高程大于450 m的區(qū)域，土壤容重均值為1.16 g/cm3，明顯小于總體均值。人類活動也是土壤容重分布影響因素之一，而居民點及工礦用地是人類活動較為集中的區(qū)域。通過將DEM與居民點及工礦用地面積進行疊加分析，發(fā)現(xiàn)居民點及工礦用地面積隨海拔增加而顯著下降，分別在0～300，300～350，350～400 m占該用地類型總面積比重為77.5%，19.6%和2.9%，而在海拔為400～450和大于450 m區(qū)域的面積總和，占總面積比卻小于0.1%。

表5 朱溪流域土壤容重高程分區(qū)統(tǒng)計

2.3 土地利用方式與土壤容重空間分異

如表6所示，研究區(qū)域林地占總面積的62.5%，林地主要以次生馬尾松林為主，林下分布著多種雜草。根據(jù)土樣分析發(fā)現(xiàn)，在該地區(qū)土地利用中，林地土壤容重均值最小，為1.21 g/cm3。草地占流域總面積的0.2%，容重均值為1.23 g/cm3。容重均值較大的土地利用類型分別是居民點及工礦用地和交通用地，其均值分別為1.37，1.35 g/cm3。其中耕地主要分布在河流沿岸的河谷盆地，占區(qū)域總面積22.5%，其土壤容重均值為1.25 g/cm3，耕地以水稻田種植為主，其土壤容重受人為影響明顯。居民點及工礦用地、交通用地、水域以及未利用地等土壤容重最小值均大于1.07 g/cm3，并且在容重值較大的1.28～1.35 g/cm3范圍內占比重分別為38.3%，32.7%，35.4%和56.6%，明顯大于其他土地利用類型。未利用地土壤容重值最小值大于1.21 g/cm3，而林地、園地和草地等植被覆蓋良好，受人類活動影響相對較小的區(qū)域，土壤容重最小值均小于1.07 g/cm3。

表6 土地利用類型與土壤容重空間分布面積 hm2

3 討 論

3.1 地形對朱溪流域土壤容重空間分異的影響

朱溪小流域土壤容重均值隨坡度增大而減小，并且坡度與容重相關性較大。主要是因為該流域坡度小的區(qū)域為農業(yè)生產區(qū)域、高速公路和國道由此經過，各種活動對土壤的踩踏造成土壤的緊實，從而導致土壤容重值較高[24]。而坡度較大的區(qū)域，海拔相對較高，人為影響小，植被覆蓋良好，從而降低了土壤容重值。

土壤質地是影響土壤容重的重要因素[25]，低海拔區(qū)域位于河流的下游地區(qū)，高程和坡度較低，從高海拔表土沖刷而來的細土粒在低海拔沉積。因此，隨海拔的升高，土壤黏粒與粉粒含量降低，而砂粒含量相對增加，土壤質地隨海拔的這種變化造成土壤容重隨海拔的升高而降低[26]。此外，人類活動較為活躍的地帶主要分布于低海拔區(qū)域，且隨海拔升高而影響逐漸減小，從而在一定程度上影響土壤容重隨海拔升高而產生的空間變異。

3.2 土地利用方式對朱溪流域土壤容重空間分異的影響

朱溪流域不同土地利用類型下的土壤容重均值存在明顯差異，該結果與連綱等[7]在黃土高原區(qū)不同土地利用下土壤容重分析結果并不一致，可能與研究區(qū)域差異以及植被類型差異和樣本數(shù)量等有關。該流域中下游地區(qū)是人口聚居區(qū)域，有關研究表明，在該區(qū)域以居民點建立緩沖區(qū)，土壤容重值在緩沖區(qū)內大于緩沖區(qū)外[27]。因此，人類活動在一定程度上破壞了該流域土壤容重的結構性，因而隨機性因素擴大。居民點及工礦用地、未利用地、交通用地等土地利用類型人類活動較為活躍，容重均值相對較大。林地、草地和園地等土地利用類型，由于該區(qū)域植被覆蓋相對較好，土壤平均孔隙度相對較大，土壤容重因此相對較低，土壤容重均值明顯小于其他土地利用類型。由于歷史人為破壞嚴重以及土壤抗蝕性差等原因，該流域曾經是中國南方水土流失較為嚴重地區(qū)，經過一系列綜合治理與開發(fā)，朱溪流域生態(tài)環(huán)境得到很大改善，形成以林地為主的土地利用格局，有效改善了土壤結構。因此，應繼續(xù)堅持水土保持工作，加大植被保護力度，以保證該流域土壤結構的持續(xù)性改善。

4 結 論

(1) 朱溪流域土壤土壤容重值大致存在由東北向西南逐漸增加的趨勢，土壤容重高值區(qū)域主要分布在河流下游的中部和西南部，低值區(qū)主要分布在東部、東北部和西北部等區(qū)域。

(2) 研究區(qū)土壤容重值的變化與高程和坡度變化存在負相關關系，即土壤容重值隨海拔和坡度的增加而降低。高程和坡度是影響該流域土壤容重空間分異的主要地形因子，而坡位和坡向等因子對于研究區(qū)土壤容重的空間分異相關性不明顯。

(3) 不同土地利用類型土壤容重分布存在明顯差異，相似土地利用類型的土壤容重均值差異較小。居民點及工礦用地、未利用地、交通用地和水域土壤容重均值較大，且在容重高值區(qū)域，占面積比重大于其它土地利用類型。耕地土壤容重均值為1.25 g/cm3，接近該區(qū)域容重均值，土壤結構良好。林地、草地和園地等土地利用類型土壤容重相對較低，土壤容重均值明顯小于其他土地利用類型，說明植被覆蓋可以有效改善該流域土壤結構。