雄安新區不同土地利用方式土壤性狀的空間分布特征
——以容城縣為例

楊 佳,于志軍,王 參,王 敏,沈若雯,劉敬澤

河北師范大學生命科學學院, 石家莊 050024

2017年4月1日設立雄安新區,是黨中央作出的重大歷史性戰略選擇。雄安新區位于河北省保定市東北部,規劃范圍包括雄縣、容城、安新三縣及周邊部分區域。打造優美生態環境,構建清新明亮的生態城市是建設雄安新區的重點任務之一[1]。作為生態城市的重要組成部分,土壤是生物圈的基本結構單元,是調節生態系統的有力杠桿[2]。

土壤性狀是土壤肥力的判斷標準和土壤資源的基本屬性,土地利用方式對土壤性狀有最直接和最深遠的影響[3-4]。研究表明,不同土地利用方式可改變土壤的理化性狀和周圍的環境,對土壤養分和土壤循環有及其重要的影響[5-6]。土壤的有效管理和科學利用依賴于土壤理化指標的空間分布,對其研究有利于調整土地管理方法,發揮土壤的最大效益[7- 8]。土壤理化性狀的空間變異十分復雜,隨著地理信息系統的發展,將其與地統計學相結合研究土壤指標的空間分布已成為研究趨勢[9-10]。當前一些學者分別對陜甘晉黃土高原區[11-12]、內蒙古農牧交錯區[13]、湖南旱地紅壤區[14]、貴州草海高原濕地[15]和江西萬安小流域[16]等不同尺度不同用地方式進行了土壤指標差異性研究,土壤指標間相互影響,全氮(TN)與土壤有機質(SOM)積累具有高度同步性[17],TN和全磷(TP)與施用氮磷復合肥相關[10]。雄安新區建設面臨復雜的資源、環境和生態安全問題,而土壤作為生態系統中的重要生態因子,有關雄安新區土壤的基本狀況尚不明確,掌握雄安新區土壤理化特性及不同土地利用方式下土壤養分的空間分布特征對雄安新區土地利用和生態建設具有重要意義。

本研究以雄安新區—容城縣為研究區,采用網格法和隨機取樣法對容城縣不同土地利用類型土壤進行取樣,測定表層土壤TN、TP、全鉀(TK)、SOM、電導率(EC)、土壤含鹽量(SS)、含水量(WC)、pH和機械組成。利用ArcGIS軟件可視化土壤理化指標的空間變異規律和趨勢變化,分析不同土地利用方式下土壤養分水平和空間分布特征。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

容城縣為雄安新區建設起步區。地理坐標38°57′04′′—39°08′32′′ N、115°45′26′′—116°04′02′′ E,東西長26.85 km,南北長21.38 km,總面積314 km2。耕地面積208 km2。全境西北略高,東南較低,海拔高(黃海)7.5—19.5 m,土層深厚,土質良好[18]。土壤類型主要以潮土、褐土為主。屬暖溫帶大陸季風型氣候,四季分明,冷暖干濕差異較大,年平均氣溫11.9℃,年平均降雨量522.9 mm,無霜期約191 d。

1.2 土壤樣品采集與分析

圖1 容城縣采樣點分布圖Fig.1 Distribution of sampling sites in Rongcheng County

2019年8月在雄安新區—容城縣采集土壤樣品。考慮采樣點布局的科學性、全面性,依據研究區總體特征,利用2 km單位網格和隨機取樣相結合方法,對容城縣全域進行統一布點。研究區以白溝引河、燒車淀、南拒馬河、北瀑河和藻苲淀等周邊灘地為典型內陸灘涂采樣區,千年秀林及區域人工林為林地采樣區,容城縣全域耕作用地為耕地采樣區,新區中心綠地及城市公園為公園與綠地采樣區,共設定133個土壤采樣區,每個采樣區建立三個25 m×25 m的單位取樣面積。采用五點式采樣法采集樣地表層土壤(距地面0—20 cm),分別于四角及中心點采集樣品,等質量充分混勻5點采集樣品作為該區域土樣。對于所劃定區域中存在特殊端元(如典型土地利用類型)的土壤樣品進行額外單獨采集。耕地、林地、公園與綠地和內陸灘涂分類標準參考GB/T 21010—2017《土地利用現狀分類》[19]。不同類型土壤樣品數量分別為102、9、13、9個,共采集133個樣品(圖1)。樣品去除碎石、礫石、干枯樹枝和樹根等雜質,自然風干至恒質量,分別過2 mm和0.25 mm土壤篩備用。

1.3 分析方法

參照農業行業標準《土壤檢測 第3部分:土壤機械組成的測定》NY/T 1121.3—2006,將試樣制成懸浮液測定表層土壤粒徑大小及含量百分數；用pH計測定土壤溶液pH值；電導率儀測定土壤溶液電導率(EC值),平行測定7次；土壤分析儀COMBI 5000測定土壤含鹽量(SS)；土壤樣品在恒溫干燥箱中以105℃烘至恒量,由土壤質量變化計算土壤含水量(WC)；全磷(TP)參考林業行業標準《森林土壤磷的測定》LY/T 1232—2015 NaOH熔融—鉬銻抗比色法；全鉀(TK)參考《森林土壤鉀的測定》LY/T 1234—2015 NaOH熔融—火焰光度法。采用硫酸—加速劑消解,凱氏法測定土壤全氮(TN)含量；土壤有機質(SOC)采用重鉻酸鉀外源加熱法測定[20]。

1.4 數據處理

SPSS 22.0軟件對數據進行整理和統計分析。K-S法檢驗原始數據是否符合正態分布,如不符合則對其進行轉換。單因素方差分析計算不同土地利用方式對土壤養分的影響,若數據方差不齊,則進行多重比較檢驗。同時,利用Pearson土壤養分間的指標進行相關性分析[21]。用ArcGIS將研究區內133個樣點點位圖數字化,生成用于地統計學分析的樣點分布圖,然后將相應樣點的土壤養分數據輸入到計算機形成與樣點地理坐標匹配的屬性數據[22]。土壤理化指標全局趨勢特征運用ArcGIS軟件的地統計分析模塊。用反距離加權插值法(inverse distance weighted, IDW)作出土壤各養分的空間變異規律,展示各養分指標的平面分布效果。

IDW主要通過對鄰近區域每個采樣點間的距離為權重進行加權平均[23]。設平面上分布一系列離散點,已知其坐標和值為Xi,Yi,Zi,(i=1,2,…,n),根據周圍離散點的值,通過距離加權值求Z點值,則

2 結果與分析

2.1 容城縣土壤各指標及養分含量的特征分析

雄安新區—容城縣133個樣點中,土壤TN、SOM和TK服從正態分布,TP、WC、EC、SS和pH經自然對數轉換后服從正態分布(表1)。根據全國第二次土壤普查標準[24],對容城縣土壤養分指標進行級別劃分。研究區表層SOM平均含量處于四級(中下等級)水平,土壤TN平均含量處于三級(中上等級)水平,土壤TP平均含量處于四級(中下等級)水平,土壤TK平均含量處于四級(中下等級)水平。

表1 容城縣土壤性狀統計特征

2.2 不同土地利用方式下土壤理化指標的分布特征

2.2.1土地利用方式對土壤pH和SOM含量的影響

雄安新區—容城縣表層土壤pH值變幅為5.07—7.79,平均值為7.18(表1)。不同用地類型土壤pH值存在顯著差異(P<0.01)(表2),表現為內陸灘涂>林地>耕地>公園與綠地,公園與綠地土壤pH值顯著小于其他3種用地類型。

表2 不同土地利用類型土壤理化指標特征(平均值±標準差)

研究區表層SOM含量變幅為5.21—29.76 g/kg,平均值為17.22 g/kg。不同土地利用類型SOM含量差異顯著(P<0.01),耕地>公園與綠地>林地>內陸灘涂,耕地和公園與綠地SOM含量明顯高于內陸灘涂,耕地、公園與綠地和林地間無顯著差異。

2.2.2土地利用方式對土壤N、P、K含量的影響

雄安新區—容城縣表層土壤的TN含量變幅為0.34—1.70 g/kg,平均值為1.01 g/kg。不同土地利用類型土壤TN含量差異顯著(P<0.01),耕地≈公園與綠地>林地>內陸灘涂,其中耕地、公園與綠地和林地表層土壤TN含量相近。研究區土壤表層TP含量范圍變幅為0.26—1.46 g/kg,平均值為0.58 g/kg。不同土地利用類型的TP差異顯著(P<0.01),耕地>公園與綠地>內陸灘涂>林地,林地土壤TP含量顯著低于其他3種土地類型,耕地、公園與綠地之間土壤TP含量無顯著差異。容城地區公園與綠地、耕地、林地、內陸灘涂土壤表層TK平均含量分別為15.18、14.25、15.28和15.35 g/kg(表1),均達到四級水平且各用地類型無顯著差異(P>0.05)。

2.2.3土地利用方式對土壤WC、SS、EC的影響

雄安新區—容城縣土壤表層SS為內陸灘涂>耕地>林地>公園與綠地,內陸灘涂土壤SS與耕地、林地及公園與綠地存在顯著差異(P<0.01),而其他3種土地類型間無顯著差異。表層土壤WC為內陸灘涂>公園與綠地>林地>耕地,內陸灘涂土壤WC明顯高于其他3種土地利用類型,公園與綠地土壤WC顯著高于耕地(P<0.01),而林地與耕地和公園與綠地間無差異。容城地區內陸灘涂表層土壤EC極顯著高于其他3種土地類型,耕地、林地、公園與綠地之間EC并無顯著差異(表2)。

2.3 不同土地利用方式下土壤理化指標的變異

將雄安新區—容城縣表層土樣的8項理化指標分別進行算數平均,作為研究區土壤性質的平均狀況(表1)。結果表明,容城縣土壤各指標豐缺程度不一,差異較大(表3)。SOM、TN、TP、TK、WC、SS、EC和pH值的平均含量分別17.22 g/kg、1.01 g/kg、0.58 g/kg、14.49 g/kg、10.27 g/kg、0.10 g/L、0.16 ms/cm、7.18。變異系數(C.V.)作為土壤特性空間變異的一個統計量,可區別不同土壤理化指標抵抗外界條件的敏感性。通常認為C.V.≤10%為弱變異性,C.V.在10%—100%為中等變異性,C.V. ≥100%為強變異性[25]。根據這一標準,容城縣0—20 cm SS屬強變異性,表明研究區多數土壤SS受外界干擾比較顯著。土壤中SOM、TN、TP、TK、WC和EC均屬中等變異性,pH的變異系數為6.40%,空間變異性最小。

表3 不同土地利用方式下土壤理化指標的變異系數

2.4 不同土地利用方式土壤理化指標間的相關性

對雄安新區—容城縣不同土地類型表層土壤理化指標進行相關分析(表4)發現,研究區土壤pH值與TN、TK含量呈負相關,但與SS呈顯著正相關(P<0.01)。SOM、TN、TP含量呈顯著正相關(P<0.01),SOM和TN含量間的相關系數達到0.872,表明容城地區內表層土壤TN與SOM的積累有高度同步性。TN含量和TP含量呈顯著正相關(P<0.01),可能是因為人工在使用以氮為主的復合肥時會混合一定量的磷。新區表層土壤WC、SS和EC呈顯著正相關(P<0.01)。SOM、TP和TN含量均與WC呈負相關,TK與WC呈顯著正相關(P<0.05)。

表4 土壤理化指標的相關系數

2.5 土壤各指標區域趨勢特征及空間分布

對雄安新區—容城縣表層土壤8項指標數據進行全局趨勢分析(圖2),研究區各性狀指標值的含量多少作為散點圖投影到X,Z平面和Y,Z平面上。X軸表示正東方向,Y軸表示正北方向,Z軸表示實測值的大小,每個方向可用一個多項式來擬合,如擬合曲線為直線,說明無趨勢效應；若為確定的曲線,則存在某種趨勢效應[26]。研究區表層土壤各指標理化特性均存在二階趨勢,土壤指標中部區域變化相對南北變化更為明顯。

圖2 容城縣土壤性狀含量趨勢Fig.2 The trend of soil properties content in Rongcheng County

IDW分析理化性狀含量的空間分布(圖3)。雄安新區—容城地區土壤pH分布表現出“中間低,兩端高”,中部土壤偏酸性,西部土壤為中性,東部土壤整體呈弱堿性。土壤TN、SOM和TP空間分布狀況類似,具有極高的相關性,表現為東部偏少,西部稍豐,但TK含量空間分布較為均勻。容城縣表層土壤WC、SS和EC空間分布相似,呈現斑塊狀特點。高值區主要分布在西南、正北和東南部,這與內陸灘涂在全域的分布位置相關。土壤機械組成是土壤一項重要的屬性,直接關系著土壤的松緊程度、孔隙數量,從而影響著土壤通氣、透水及土壤環境背景值、能量轉化等性能,反映了土壤不同粒級的組成情況。測定容城地區133個土樣質地并求其均值。粒徑在0.05—0.01 mm的占總含量31.65%,粒徑在0.01—0.005 mm的占總含量7.59%,粒徑在0.005—0.001 mm的占總含量9.56%,粒徑<0.001 mm的占總含量10.73%。根據卡欽斯基制檢測,土壤的機械組成平均粒徑在<0.01 mm占總含量27.88%,物理性砂粒>0.01 mm占72.12%,因此,雄安新區—容城地區表層土屬輕壤土。

圖3 容城縣土壤性狀含量分布圖Fig.3 Distribution of soil properties in Rongcheng County

3 討論

土壤生態受多種因素影響,土壤特性是影響土壤生態的最重要因素之一[27]。SOM作為土壤肥力的重要指標,既可直接為作物提供養分,也可改善土壤的理化狀況,在耕地質量、環境保護和農業可持續發展方面均有至關重要的作用[28]。不同土地利用方式對SOM含量的影響很大。本研究中,不同土地利用方式下土壤SOM含量有顯著差異(P<0.01)。耕地SOM含量最高,與秦富倉等[2],姚喜軍等[19]的研究結果相似。土壤SOM含量受人為投入影響很大,本研究區耕地、公園與綠地受到不同程度的人工管理,不斷培養土地肥力,改善土地SOM含量,而主要以人工林為主的林地,植被覆蓋大,地表有較為豐度的凋落物殘體,經分解能產生多種腐殖質,補充土壤碳庫,提高SOM含量[29- 30]。本研究區的內陸灘涂大多為無人管理的灘地,無額外的外界有機質投入,且大部分灘地土壤呈堿性,有機質易被堿溶解而流失,因此有機質含量較低[31]。土壤酸堿度是土壤的一項重要化學性質,直接影響土壤中各種養分元素的存在形式和對植物的有效性,因此了解土壤養分特征應首要了解土壤pH值情況[32]。土壤pH值在不同土地利用方式上的表現結果與有機質含量基本相反。耕地、公園與綠地土壤pH相對較低,受經濟或觀賞效益的原因,人們為提高農作物產量、美化公園綠地、防治病蟲害或自然災害,大量使用化肥和農藥,尤其是生理酸性肥料和半腐熟性化肥的使用,導致土壤呈現酸化趨勢,pH值有所下降[24]。

N是土壤養分最重要的指標之一[33]。土壤中N素含量受自然因素(氣候、地型及植被類型)和農業措施(施肥、耕作)的影響,其含量一直處于動態變化中[20]。4種用地類型中TN含量存在顯著差異(P<0.01),其結果趨勢與SOM含量趨勢基本一致,是因為氮素損失機制與碳素損失過程相近,且土壤N的95%源自于土壤SOM[34]。管理方式及外源N肥等物質的加入,使得耕地、公園綠地TN最高,無人管理的灘涂TN最低。P是一種沉積性礦物,主要受土壤母質、氣候和植被等影響[35],土壤P元素是土壤肥力的啟動因素,只有當土壤中的P素達到一定含量時,施用其他肥料才能達到增產效果[25]。本研究發現,耕地的TP含量高于其他3種用地類型,與高君亮[13]等的研究結果一致,這與耕作施肥和其他人工干擾活動等密切相關。林地TP含量顯著低于其他3種土地類型,是由于人工林地植物比其他植物擁有更多的吸收P素的能力,致使林地土壤TP含量較低[20]。

土壤TK是土壤中不同形態K素的總和,主要由母質釋放,并被植株吸收利用。TK含量在本研究區不同土地利用方式上差別不大,與TK含量受土壤特性影響較小有關,整體變化較弱[36]。在不同土壤利用方式中,內陸灘涂的WC、EC和SS明顯高于其它用地類型(P<0.01)。被淀水沖刷過或距離淀水不遠的河灘地,土壤含水量較充足,土壤電導率、鹽離子含量較高。城市與綠地和耕地各土壤理化性狀差別較小,其中TN含量兩者平均值近似相等,是因為新區中公園與綠地的部分采樣區域由原來耕地改建,地下養分積累時間較長而退耕年限較短,土壤部分性狀與耕地相近。

土壤性狀的影響因素多種多樣,自然和人為影響都會對土層養分含量造成不同的變異。本研究區不同土地利用類型各理化指標差異顯著,其中表層土壤SS、WC和EC相對于其他土壤養分空間變異性較高,表明土壤物理性狀比養分性狀更易受到外界影響,而養分性狀中TK的變異系數最小,受外界干擾最小[12]。土壤pH值是所有土壤理化性質中變異范圍最小的,與土壤的緩沖能力和自我調節能力相關[31]。對土壤養分間的Pearson相關系數分析發現(表4),豐富的SOM含量與施加N肥含量具有高度同步性。TN含量和TP含量呈顯著正相關(P<0.01),可能是人工在使用以N為主的復合肥時會混合一定量的P[10]。SOM、TN和TP含量均與土壤WC呈負相關,表明土壤微環境水分越高,土壤N、P和SOM越易被淋失、分解。土壤SS、WC和EC三者呈正相關,可見,經水分淋溶分解后的SOM、TN、TP等可能在轉化過程中產生大量的導電鹽離子,增強土壤導電率,最終提高土壤鹽分等含量。

全局趨勢反應了土壤性狀在空間區域上變化的主體特征,揭示了理化性狀空間的總體規律。不同土地利用方式導致容城縣土壤各指標均有趨勢效應,且南北變化明顯。經空間插值分析,容城縣各土壤養分分布差異顯著,因此在雄安新區—容城縣的施肥過程中,應適量增添東部地區無機氮肥投入,減少西部投入情況,在提升研究區土壤肥力時,降低地表徑流氮素流失量,有效減弱環境污染,改善新區生態質量。

掌握土壤理化指標的空間分布規律,精準施肥,是恢復植被生態的關鍵[37]。土壤養分有連續改變和累積的特點,隨著時間和環境的變化,土壤養分空間分布可能會出現更為復雜的規律性,因此將進行更為細致、深度、連續性的研究,這對區域生態的發展影響重大。研究區范圍廣闊,自然因素、社會經濟因素等較為復雜,因此對土壤特性的空間變異和影響因素研究仍需深入。

4 結論

本文首次系統研究了雄安新區建設起步區—容城縣不同土地利用方式下土壤性狀的空間分布規律。研究區表層土壤以中性輕壤土為主,TN含量處于中上等級,SOM、TP和TK含量處于中下等級,單項養分因子均值分別達到全國第二次土壤普查的三級、四級、四級和四級水平。在相關政策、施肥用量、人工管理及植被覆蓋等因素的共同作用下,容城縣耕地、公園與綠地、林地和內陸灘涂4種土地利用類型各理化性狀差異顯著(P<0.01)。不同用地類型中,耕地土壤養分狀況最佳,土壤TN、TP和SOM含量最高。公園與綠地土壤性狀與耕地相近,林地土壤除TP含量明顯低于其他用地類型外,其他性狀均處于中等水平,內陸灘涂土壤養分含量最少但pH值、SS、WC和EC最高。不同土地利用方式下SS屬強變異,pH值屬弱變異,其他指標均為中等變異。各指標相關性較強,土壤TN和SOM含量積累高度同步。經空間插值和全局趨勢分析作出容城縣不同土地利用方式下表層土壤性狀變化圖,為雄安新區土地利用和生態環境建設提供了重要的科學依據。