河北承德中部伊遜河紅旗地區土壤生源要素空間分布格局及其影響因素

孫厚云 ，衛曉鋒，張曉敏，賈鳳超，李多杰，劉衛，李健，陳自然

（1.中國地質大學（北京）水資源與環境學院，北京 100083；2.北京礦產地質研究院有限責任公司，北京 100012；3.承德華勘五一四地礦測試研究有限公司，河北 承德 067000）

0 引言

生源要素是指生物生長所必需的一類關鍵化學要素或化學物質，在土壤層中主要有包括營養鹽在內的碳、氮、磷、硅、硫、鉀等（劉叢強等,2009）。陸地生態系統中，土壤是碳、氮、磷等生源要素的主要蓄積庫之一，生源要素碳、氮、磷的地球化學豐度，遷移轉化過程與歸趨密切影響著農業生態系統的維持及其生態功能的發揮（葉玉適,2014;Mponela et al.,2020）。在森林-農田生態系統生物地球化學循環、巖石風化、農業化肥使用、土地利用類型變化、流域徑流和侵蝕等長期自然和人為因子共同作用下，土壤主要生源要素的分布具有明顯的空間異質性，分析研究土壤中生源要素的空間分布格局及其影響因素，對土地利用優化、指導農用地土壤肥力改善等具有重要意義。

河北省承德市位于冀北山區，是京津地區生態安全的綠色屏障和生態緩沖帶，土地資源豐富，是京津冀地區重要的農業、蔬菜和水果基地，納入首都菜籃子體系，生態農業已成為支撐地區經濟發展的重要產業（孫厚云等,2019,2020a）。2017年以來，為支撐生態文明建設和自然資源管理，“承德市生態文明示范區自然資源綜合地質調查”項目和工程相繼開展，土地質量調查是自然資源綜合調查的重要組成部分，對承德市土地利用適宜性評價與國土空間利用宜林宜草宜耕區劃具有重要支撐作用（王京彬等,2020;衛曉鋒等,2020a;殷志強等,2020）。土壤生源要素碳、氮、磷、鉀是土地質量-土壤肥力的主要組成指標，是土壤養分循環的核心（Su and Zhao,2003;劉亮等,2020;楊朝磊等,2020;衛曉鋒,2020b），查明土壤生源要素地球化學含量特征，空間分布異質性和生源要素空間分異影響因素，可以為保障承德地區生態農業發展，保護生態環境、助力承德綠色發展提供基礎信息和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區伊遜河紅旗鎮位于河北省承德市灤平縣境內，為伊遜河中下游地區。區內分布多處大中型釩鈦磁鐵礦礦山，為一釩鈦磁鐵礦礦集區。研究區地形總體西北高，東南低，中部礦集區地形凸起，海拔一般在379～1062 m，屬低山區。區內屬溫帶大陸性季風氣候，多年平均溫度5.6 ℃，多年平均降雨量565.7 mm，降水量多集中在6至9月，地表水系主要為伊遜河及其支流哈叭沁支流（王子為等,2020）。研究區總面積約105.45 km2，土地利用類型以草地、旱地、采礦用地和林地為主，其中草地占研究區總面積的23.87%，旱地和采礦用地分別占比18.51%和18.38%，喬木林地、灌木林地和其它林地分別占總面積的12.38%、6.19%和4.30%。農用地類型主要為水澆地和水田，分布于伊遜河及其支流哈叭沁河道兩側及溝谷地帶，占總面積的5.30%，園地面積占比為2.08%，城市和農村建筑用地面積占比為3.59%，河道坑坑塘等水域面積占2.36%。

研究區內河谷地帶分布第四系全新統河流沖積砂礫石，第四系上更新統沖積、坡積亞黏土與粗砂；北側哈叭沁上游出露侏羅系上統張家口組流紋巖、流紋巖夾凝灰質砂巖。研究區中部出露元古代基性、超基性侵入巖，為超貧磁鐵礦和釩鈦磁鐵礦賦礦巖體；主要分布中元古代大廟基性雜巖斑狀斜長巖，中元古代高寺臺超基性雜巖斜長角閃巖、輝石巖和透輝橄欖巖，古元古代窩鋪溝變質花崗閃長巖，新太古界單塔子巖群鳳凰咀巖組黑云斜長變粒巖，新太古代上白廟鉀長片麻巖。研究區下游小營鄉一帶分布晚二疊世雙廟鉀長花崗巖和新太古界單塔子巖群白廟巖組黑云斜長變粒巖、黑云斜長片麻巖和斜長淺粒巖。根據成土母質類型將研究區劃分為角閃巖類、變粒巖類、片麻巖類、花崗巖類、流紋巖類、閃長巖類、風成黃土和沖洪積砂礫石8個亞區（圖1），以便分區討論成土母質對土壤生源要素分布的影響。研究區內土壤類型以潮土、棕壤、褐土、粗骨土和風成堆積黃土為主，土壤類型隨地形變化呈一定分帶特征，山麓兩側主要分布粗骨土，河谷兩側分布潮土，潮土坡上地形相對較陡處分布風成堆積黃土，坡上主要分布褐土和棕壤（圖1）。

圖1 伊遜河紅旗小流域位置與采樣點位示意圖

1.2 樣品采集與測試

本次研究共采集土壤樣品1117 件，其中表層樣品895 件，采集深度0～20 cm；深層樣品（100～120 cm）123件，垂向淺鉆剖面6組，采樣間隔20 cm，淺鉆深度160～240 cm不等，共計99件樣品，具體采樣位置見圖1。表層土壤樣品按土地利用類型圖斑以網格法進行布設和采集，保障樣品在空間上相對均勻。不同土地利用類型布設密度不同，水田和水澆地按16點/km2采集，園地采樣密度為9點/km2，旱地和林地、草地按6～9點/km2密度進行采樣，共采集樣表層樣品895件。為研究土壤生源要素的垂向分布特征，于研究區內按網格法采集123件深層樣品，并于哈叭沁河谷上游至盆窯段采集6處垂向土壤剖面樣品。樣品采集采用“S”或“X”形采集組合樣點進行混合，去除碎石、雜物、植物殘體后自然風干，研磨、過篩加工成200目進行測試。室內分析由承德華勘五一四地礦測試研究有限公司完成，樣品測試指標為土壤全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、有機碳（Corg）和pH，TN含量采用凱氏定氮法測定，土壤TP、TK采用ICP-OES（PE，USA）測定，Corg含量采用氧化熱解-電位法測定。樣品分析測試按規范要求加10 % 空白樣與平行樣控制，分析方法準確度和精密度采用國家一級土壤標準物質（GBW07349）控制，各項指標的加標回收率均在國家標準參比物質的允許范圍內。

1.3 數據分析方法

本研究通過描述性統計方法表征不同深度土壤生源要素碳、氮、磷、鉀的含量特征，再參照土地質量地球化學評價規范（DZ/T 0295-2016）劃定土壤生源要素土地質量地球化學等級。通過典型垂向土壤剖面的元素含量分布變化特征分析生源要素的垂向遷移轉化分布特征，采用地統計學變異函數半方差模型描述土壤生源要素的空間分異結構，土壤生源要素含量與土地利用類型、成土母質和土壤類型的冗余分析（redundancy analysis,RDA）反映土壤碳、氮、磷和鉀含量與環境因子的相關關系，識別土壤生源要素含量的空間結構影響因素。

1.3.1 地統計學

地統計學（Geostatistics）是由法國統計學家G.Matheron 于1950年代發展形成的一門統計學分支，近年來得到廣泛應用。地統計學是以區域變化量理論為基礎，研究在空間分布上既具有隨機性又具有結構性的自然現象的科學，能有效解釋變量在空間上的分布、變異和相關特征，是在有限區域內對區域化變量進行無偏最優估計的一種方法（張會瓊等,2018;孫厚云等,2019,2020c）。半變異函數，即半方差函數模型是地統計學的主要工具，其數學模型表達式為：

式中，γ(h) 為半方差函數；h為兩樣本點空間距離；N(h) 為間隔距離等于h的樣本點的對數；Z(xi)為空間位置點xi處指標的實測值；Z(xi+h) 為空間位置點xi+h處指標的實測值（安永龍等,2020）。

1.3.2 數據分析方法

利用SPSS21對測試數據進行描述性統計，基于地統計學原理，采用 GS+9.0 軟件完成半方差函數的計算和理論模型的擬合，并結合ArcGIS 10.3軟件克里格插值模塊生成土壤生源要素含量的空間分布圖。土壤生源要素含量與環境因子RDA分析采用Canoco 5.0進行。

2 結果與分析

2.1 土壤生源要素含量的總體分布特征

對測試數據進行Kolmogorov-Smirnov 檢驗與描述性統計，測試指標K-S系數均大于0.10，數據符合正態分布。在數據統計基礎上（表1），采用土地質量地球化學評價規范（DZ/T 0295-2016）劃定表層土壤生源要素含量地球化學等級，各元素地球化學分級占比見圖2。

圖2 土壤生源要素土地質量地球化學等級

表1 伊遜河紅旗小流域土壤生源要素碳氮磷鉀含量統計

研究區表層土壤TN含量平均為848.74 mg/kg，總體以缺乏-較缺乏為主，TN屬較缺乏和缺乏水平樣品分別占總樣品的25.03%和48.04%，地球化學等級屬較豐富以上樣品占比為7.71%。表層土壤TP含量相對較為豐富，平均為999.20 mg/kg，最高達11370.00 mg/kg，地球化學等級豐富和較豐富樣品占比分別為22.91%和12.18%，屬中等水平樣品亦占比36.15%，地球化學等級為缺乏樣品僅占比9.50%。表層土壤TK以較豐富為主，平均含量為2.58%（以K2O計），屬較豐富水平樣品占比為69.82%，TK屬豐富水平和中等水平樣品亦分別占8.03%和16.97%。表層土壤Corg含量地球化學等級以中等-較缺乏水平為主，Corg含量屬中等和較缺乏水平樣品占比分別為28.68%和34.21%，屬較豐富以上水平樣品總計占比為26.18%。土壤碳氮比（carbon-nitrogen ratio,C/N）既是評價土壤質量的重要因素，也是衡量土壤碳、氮營養平衡狀況的重要指標（Dharmakeerthi et al.,2005;Huang et al.,2007）。研究區表層土壤碳氮比范圍為2.98～74.51，平均為16.46，顯著高于C/N全國平均水平1.38（李啟權等,2010a），可能與農用地氮肥施用有關（熊杏等,2020）。研究區深層土壤TN和TP含量平均值分別為430.12 mg/kg和777.64 mg/kg，深層土壤TN含量顯著低于表層土壤層，地球化學等級總體為缺乏水平，占樣品總數的95.93%，TN屬豐富水平占比僅為0.81%。深層土壤TP含量略低于表層土壤，地球化學等級水平屬豐富水平樣品占比為20.33%，屬較豐富水平占比為4.07%，較缺乏和缺乏水平樣品占比總體為67.48%。

總體而言，研究區表層和深層土壤TP含量變異系數（Cv）值均大于1.0，數據空間異質性強，數值波動性較大，可能與P元素為釩鈦磁鐵礦伴生元素，礦集區土壤P元素分布異質性較高有關。表層和深層土壤TN含量、表層土壤Corg含量變異系數略高于0.5，屬中等程度的空間變異性；表層土壤TK含量變異系數相對最小，土壤TK含量較為穩定，空間異質性小，可能與成土母質多為火山碎屑巖、侵入巖，鉀長石等礦物含量較高有關（孫厚云等,2020d）。與全國土壤元素地球化學基線值（王學求等,2016）和黃淮海平原土壤生態地球化學基準值（朱立新等,2006）進行對比，表層土壤TN、TP、TK和Corg含量平均值均高于黃淮海平原土壤生態地球化學基準值和全國地球化學基線值；土壤TN和表層Corg平均含量低于第二次全國土壤普查確定的表層TN平均水平1.54 g/kg和Corg平均水平17.53 mg/kg（李啟權等,2010b）。

2.2 土壤生源要素含量的垂向分布特征

由鐵馬村和盆窯村路邊農用地內兩處土壤剖面的元素含量分布變化圖（圖3）可知，兩處典型剖面土壤TN和TP含量總體均呈現出表層0～20 cm含量較高，20～60 cm逐漸降低，至深部后含量總體降低并趨于穩定的特征。土壤TK則呈現出隨著深度增加含量先降低后升高的趨勢。典型剖面PM01和PM02處土壤TN和TP含量在0～60 cm含量下降明顯，PM01處TN含量由最高值918 mg/kg降低至147 mg/kg，TP則由最高值2223 mg/kg降低至最小值639 mg/kg；PM02處TN含量由最高值963 mg/kg降低至514 mg/kg，TP由最高值1369 mg/kg降低至699 mg/kg。PM01處土壤TK含量在40～60 cm，PM02土壤TN、TP和TK含量在60～80 cm處均有不同程度升高，可能與土壤質地為粘土和亞砂土，在剖面中質地粘土質含量相對較高，直接影響土壤的通氣性，從而影響微生物活動所致（白軍紅等,2007）。

圖3 典型土壤剖面生源要素含量垂向分布曲線

土壤表層TN含量較高與地表積累的枯落物不斷分解，凋落物、死亡根系等植物組織累積量的增加及人為施肥等作用有關，且表層土壤氮通常以硝銨態氮的形式呈聚集狀態存在，在植物根系吸收和重分配作用下，垂向剖面上TN含量表現為逐漸降低（白軍紅等,2007;Gao et al.,2019）。土壤TP和TK主要來源于成土母巖風化淋濾釋出，垂向剖面TP、TK受植物根系吸收再分配，微生物活動和成土母質風化程度影響明顯（任玉連等,2019）；風化過程中巖石-風化層-土壤剖面TP和TK表現為淋濾流失（孫厚云等,2020b），故靠近釩鈦磁礦礦集區土壤剖面PM01至下部砂礫石層土壤風化程度相對較低時，TP含量相對較高，但在PM02以粘土和亞砂土為主剖面上TP含量在土層之間具有較高的連續性。土壤TK至一定深度后含量逐漸升高，與TK主要來源于長石等硅酸鹽礦物風化，至深部時土壤風化程度相對降低，TK含量逐漸升高有關（Babechuk et al.,2014）。

2.3 土壤氮磷鉀含量的空間變異特征

采用 GS+9 模型擬合分析得到表層土壤TN、TP、TK和Corg，深層土壤TN和TP的變異函數半方差模型表征參數-擬合理論模型、塊金值（Co）、基臺值（Still）、塊金系數（Co/Still）、變程（range）和決定系數（R2）（圖4）。塊金系數（Co/Still）用以度量所研究變量的空間相關性的強弱程度，能反映空間變異受到自然和人為因素影響的作用程度（Matheron,1981）。當Co/Still≤0.25時，變量空間變異以結構性變異為主，表明變量具有強烈的空間自相關性，空間分異主要受氣候、成土母質、土壤質地、地形等自然因素影響。當0.25＜Co/Still≤0.75時，表明變量具有中等程度的空間自相關性，空間變異受到自然和人為因素共同作用影響，變量空間變異在結構因子影響的基礎上同時受土地利用管理、施肥和耕作等措施影響。當Co/Still＞0.75 時，變量空間變異以隨機變異為主，空間自相關性弱，變量空間變異主要受人為因素影響（李文博等,2019；李龍等,2020;熊杏等,2020）。決定系數（R2）表示半方差函數理論模型的擬合精度，變程（range）則用以表征在某種觀測尺度下空間自相關的作用范圍。

圖4 不同深度土壤生源要素碳氮磷鉀含量空間變異函數擬合曲線

由圖4可知，表層土壤TN、TP和TK最佳擬合模型為指數模型，表層土壤Corg和深層土壤TN最佳擬合模型為高斯模型，深層土壤TP最佳擬合模型為球面模型。表層土壤各項指標半方差函數決定系數（R2）均大于0.75，理論模型的擬合精度較高，深層土壤TN和TP半方差函數決定系數均小于0.50，擬合精度相對小于表層土壤。表層土壤TN和Corg含量的半方差函數塊金系數值介于0.25～0.75之間，受氣候、成土母質、土壤質地、地形等自然因素和土地利用管理、施肥和耕作等人為因素共同影響；表層土壤TP和TK，深層土壤TN和TK含量的半方差函數塊金系數小于0.25，空間分異主要受成土母質、土壤類型和地形等自然因素影響。除深層土壤TN變程為20.03 km外，其它變量變程總體均小于3.0 km，擬合模型對變量的空間變異的解釋程度相對較高，除深層土壤TP外，其它變量空間自相關程度較高。

3 土壤生源要素空間分布影響因素討論

半方差變異函數模型對生源要素空間分布影響因素的解釋主要為定性-半定量分析，為進一步分析土壤生源要素碳、氮、磷、鉀空間分布格局的制約因素，在地統計模型基礎上，結合最佳擬合模型對測試數據進行普通克里金空間插值，得到生源要素的空間分布圖（圖5），并對不同土地利用類型、不同土壤類型、不同成土母質類型生源要素含量進行分區統計（表2），通過RDA分析識別環境因子對生源要素分布的影響程度。

圖5 伊遜河紅旗地區土壤生源要素碳氮磷鉀含量空間分布

3.1 研究區土壤生源要素的空間分布格局

由土壤生源要素碳氮磷鉀含量空間分布圖（圖5）可知，表層土壤TN高值區主要分布于山麓兩側喬木林地和溝谷水澆地和水田內，與喬木林地表層土壤枯落物含量較高，農用地化肥施用有關。表層土壤TP高值區具有較好的濃集中心，主要位于哈叭沁和鐵馬村采礦用地周邊，與成土母質釩鈦磁鐵礦高地質背景密切相關。表層土壤TK高值區呈東西向帶狀分布，主要位于塔子溝小流域與盆窯至小營鄉一帶，高值區空間分布與中粗粒鉀長花崗巖分布具有明顯的耦合關系。表層土壤Corg含量地球化學等級總體屬中等-較缺乏水平，高值區僅鐵馬村東側山麓上一處，與深層土壤TN高值濃集中心相一致。深層土壤TP半方差擬合模型變程值較大，使得深層土壤TP克里金插值圖高值半徑相對擴大，TP高值區相對擴大，從樣品點統計分析來看，深層土壤TP高值點主要分布于鐵馬村、塔子溝和紅旗鎮3處，與表層土壤TP空間分布較為類似，主要位于采礦用地周圍，與成土母質高地質背景有關。

3.2 土壤生源要素含量空間分布的影響因素

在生態環境領域中，冗余分析（RDA）常用以判別“解釋變量”對“響應變量”的影響情況，可用以描述定性環境因子對定量屬性變量的相關關系，通過原始變量與典型變量之間的相關性，分析引起原始變量變異的原因（張燕江等,2020）。RDA分析圖內指示線表征各變量因子主成分分析（PCA）的特征向量大小，變量因子指示線間夾角的余弦值表示其相關系數（cos20°=0.94）。通過表層土壤TN、TP、TK、Corg和3類環境因子的RDA分析結果（圖6）可知，表層土壤TN和Corg含量呈顯著的正相關關系，相關系數達0.931（表3），土壤有機碳含量對土壤TN含量的影響最大。對表層土壤TN和Corg含量影響較大的環境因子，土地利用類型為水澆地、水田和喬木林地，土壤類型為潮土、褐土，成土母質類型為沖洪積砂礫石和風成黃土亞砂土。表層土壤TN和Corg含量呈水澆地和水田＞喬木林地＞其他草地＞園地＞其他林地關系，二者呈正相關關系，與土壤Corg和TN的固定具有同步效應有關（Guo et al.,2019）。TN和Corg含量受枯落物、植物根系和分泌物影響，且在微生物作用下，有機質分解主要聚集于表層土壤中。喬木林地和其他林地TN和Corg含量較高主要與林地表層枯落物含量較高有關，而水澆地和水田TN含量相對較高與農業活動施肥和耕作等人為活動密切相關。潮土和褐土，沖洪積砂礫石和風成黃土亞砂土主要分布于河谷地帶水系兩側，與水澆地和水田的空間分布基本一致，故潮土和褐土，沖洪積砂礫石和風成黃土亞砂土區土壤TN和Corg平均含量亦相對較高。

表3 伊遜河紅旗小流域表層土壤生源要素相關關系矩陣

圖6 伊遜河紅旗地區土壤生源要素碳氮磷鉀含量與環境因子之間關系的冗余分析

對表層土壤TP含量影響較大的環境因子，主要為成土母質類型，土壤TP含量與角閃巖、片麻巖、花崗巖和流紋巖的空間分布密切相關；土地利用類型影響因子則主要為采礦用地和工業建筑用地；土壤類型中則為粗骨土TP含量相對較高。采礦用地TP含量平均達2773.36 mg/kg，明顯高于其他用地類型，角閃巖、片麻巖和花崗巖為超貧磁鐵礦和釩鈦磁鐵礦賦礦巖體，粗骨土主要位于山麓上部，土壤中未風化巖石碎屑成分含量較高，TP淋濾流失較小。區內相關研究表明，土壤P、V、Ti和Fe2O3呈顯著正相關關系，土壤礦物磷灰石（Ca5(PO4)3OH）含量較高，巖石風化成壤使得區內土壤TP、V、Fe2O3和Ti元素具高地質背景特征（孫厚云等,2020d）。研究區土壤TP含量空間分布主要受成土母質因素影響，與釩鈦磁鐵礦鐵族元素及伴生礦物元素豐度高地質背景有關，礦業采選活動亦一定程度上影響了表層土壤TP的空間分布，使得住宅用地、建筑用地周邊表層土壤TP含量相對較高。

區內表層土壤TK分布較為均勻，不同土地利用類型除采礦用地TK平均含量為18.87 mg/kg外，其他地類TK平均含量范圍為20.69～22.21 mg/kg（表2），空間分異特征不明顯。閃長巖、變粒巖和花崗巖成土母質區內表層土壤TK含量相對較高，與成土母質中巖石礦物鉀長石含量較高有關，結合地統計半方差分析結果，研究區表層土壤TK含量空間分布格局主要影響因素為成土母質。

綜上所述，結合地統計分析、RDA分析和不同分區統計結果表明，研究區土壤TN和Corg的空間分布格局主要制約因素為土地利用類型，同時受農業活動等人為因素影響。土壤TP的空間分布受成土母質自然因素和礦業活動人為因素共同影響；土壤TK空間分布自相關程度較高，主要受成土母質自然因素控制。

4 結論

（1）伊遜河紅旗地區表層土壤TN較為缺乏，Corg總體屬中等水平，TK和TP相對較豐富，TN、Corg、TP和TK土地質量地球化學等級屬較豐富以上水平樣品占比分別為7.71%、26.18%、35.08%和77.85%。建議研究區農用地合理施用氮肥，增加生物有機肥料施用，增加農作物秸稈返田；在礦山尾礦危害元素減害情況下，可考慮使用釩鈦磁鐵礦尾礦資源作為土壤改良添加物，增加土壤TP含量。

（2）深層土壤TN 和TP 含量顯著低于表層土壤，垂向分布上土壤TN和TP含量總體呈隨深度增加而降低趨勢；TK含量呈先下降后上升趨勢，與成土母質與土壤質地相關。

（3）研究區土壤TP和TK空間分異以結構性變異為主，具有強烈的空間自相關性；土壤TN和Corg的空間分布格局受土地利用類型控制，農業活動等人為因素影響；土壤TP空間分布受成土母質和礦業活動因素共同影響，土壤TK空間分布則主要受成土母質自然因素控制。