金沙江流域中上游土壤pH 值空間分布特征

常新霞 ,李文峰?

(1.云南省作物生產與智慧農業重點實驗室,云南 昆明 650201;2.云南農業大學 新農村發展研究院,云南 昆明 650201)

土壤pH 值是衡量土壤質量的重要指標之一[1],pH 通過影響土壤養分的含量[2]、重金屬的遷移轉化活動[3]、微生物和酶的活性[4]等,對作物生長發育以及地區生態環境的演化產生較大影響[5-6]。在我國南方水稻-油菜輪作地區,作物的農藝性狀會隨著土壤pH 值的上升而顯著增加,最適宜油菜、水稻生長的pH 值分別為6.4 和6.8,油菜和水稻吸收養分的量則會隨著土壤pH 的上升呈現出先增加后下降的趨勢[7]。由于土壤pH 值的變化會受到海拔高度、成土母質、土壤質地等自然因素以及土地利用方式、灌溉、施肥等[8]人為因素的共同影響,其空間分布表現出明顯的區域性特征。因此,土壤pH 值的時間和空間分布特征以及影響因素等相關內容的研究備受國內外學者關注。近年來,諸多學者將傳統統計學與地統計學分析相結合,研究基于省級、市級、縣級不同尺度的土壤pH 值時空變異特征。黃至穎等[9]研究了貴州省1980—2018 年土壤pH 值的時空變化特征,發現與1980 年相比較,2018 年貴州省土壤pH 值小于6.5的土壤面積呈上升趨勢,而土壤pH 值大于7.5 的土壤面積呈下降趨勢,并且認為氣候變化、酸雨、施肥是導致貴州省土壤pH 顯著降低的主要因素。鄭玉文等[10]對成都市土壤pH 值進行研究,發現成都市土壤樣本中酸化土壤的比例較低,且酸化主要發生在耕作區域。朱真令[11]將龍游縣1984 年與2009 年土壤數據進行對比,發現研究區土壤酸化問題非常嚴重,并認為人為因素對土壤pH 值的影響應當受到重視。

金沙江流經云南省北部,東西橫跨迪慶、昭通、麗江等7 個州 (市),是云南境內面積最大的流域。目前針對云南省金沙江流域土壤理化性質的相關研究較少,尤其是該區域土壤pH 值的空間分布特征還不明確。基于此,本文以云南省金沙江流域 (迪慶段) 為研究區域,利用ArcGIS 軟件對土壤pH 值空間分布特征進行研究,進一步分析不同土地利用類型對土壤pH 值的影響,對研究區土壤的可持續利用以及相關人員有針對性的進行土壤改良具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究以金沙江流域(迪慶段) 為研究區 (圖1),迪慶作為金沙江進入云南境內的入口,位于云南省西北部,金沙江在德欽縣、維西縣、香格里拉縣均有分布,流經維西縣的面積較小,境內干流全長43 萬m,流域面積達16 811 m2,占全州總面積的70%以上。分布有溫帶、寒溫帶兩種氣候類型,年平均氣溫為7.3 ℃,年降雨量達965.4 mm。土地利用方式以林地為主,其中灌木林地面積最大,耕地面積相對較小。地勢起伏較大,海拔高度在1 800～4 000 m,土壤分布具有明顯的地帶性特征,土壤類型以黃棕壤和棕壤為主,其次是紅壤。

圖1 研究區所在位置及樣本點分布

1.2 研究方法

本文將土壤pH 值按照堿性 (>7.5)、中性(6.5～7.5)、酸性 (<6.5) 進行等級劃分[12],利用SPSS 軟件對土壤pH 值數據進行描述性統計分析、方差分析;利用ArcGIS 10.2 中的Geostatistic Analyst 模塊進行趨勢面分析以及普通克里金插值,繪制研究區土壤pH 值的空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 土壤pH 值描述性統計分析

由研究區土壤pH 值的描述性統計分析結果可知土壤pH 值為4.2～8.8,最大值和最小值均出現在香格里拉縣,最小值的土壤類型為紅壤,最大值的土壤類型主要為黃棕壤 (表1);平均值為7.13,表明研究區土壤整體上呈中性;變異系數為13.04%,屬于中等程度空間變異性。其中有690個樣本pH 值小于6.5,即土壤呈酸性,占樣本總量28.04%;有755 個樣本pH 值為6.5～7.5,即土壤呈中性,占樣本總量30.68%;有1 016 份樣本pH 值大于7.5,即土壤呈堿性,占樣本總量41.28%。由圖2 可知,研究區各縣土壤pH 平均值大小依次為德欽縣 (7.60) >香格里拉縣 (7.12)>維西縣 (6.10),其中德欽縣土壤pH 值最高,土壤呈堿性,維西縣土壤pH 值最低,土壤呈酸性。

表1 土壤pH 值一般統計特征值

圖2 金沙江中上游三縣土壤pH 平均值

2.2 土壤pH 值趨勢分析

趨勢面分析通過將采樣點數據投影到平面上,進而擬合出最佳的空間曲線,能夠反映土壤pH 值在東西方向 (x軸表示) 和南北方向 (y軸表示)變化的特點[3,13]。本文借助ArcGIS 軟件地統計模塊中的趨勢面分析功能獲得土壤pH 值的趨勢變化圖。由圖3 可以看出,研究區土壤pH 值自西向東(羊拉—霞若—拖頂—五境—尼西—上江—東旺—格咱—三壩—洛吉) 方向呈現出二階非線性趨勢,即先下降后升高的趨勢;自北向南方向 (羊拉—東旺—格咱—尼西—霞若—洛吉—拖頂—五境—三壩—上江) 呈現出一階線性趨勢,即逐漸降低的趨勢。

圖3 研究區土壤pH 值的趨勢

2.3 研究區土壤pH 值空間分布特征

為了能夠直觀地反映土壤pH 的空間分布特征,利用ArcGIS 軟件的普通克里金插值法進行空間插值,繪制研究區土壤pH 值的空間分布圖。由圖4 可以得出,金沙江流域 (迪慶段) 的酸性土壤分布較少,主要分布在香格里拉縣西南部和維西縣大部分地區,堿性土壤主要分布在德欽縣東北部和香格里拉縣西部。德欽縣堿性土壤所占面積達80%以上,維西縣酸性土壤所占面積達95%以上,中性土壤有零星分布,香格里拉縣以中性土壤為主,酸性和堿性土壤均有零星分布,這與傳統統計學分析結果一致。

圖4 研究區土壤pH 值的空間分布

2.4 土地利用類型對土壤pH 值的影響

人類對于土地不同的使用方式是造成土壤pH值空間變異的重要影響因素之一[14]。研究區土地利用方式主要是林地、草地、耕地以及其他 (由于果園、村莊等土地利用方式采樣點較少,因此,將其歸為1 類)。由表2 可以看出,不同土地利用類型條件下土壤pH 值差異較大,研究區草地的土壤pH 均值最高 (7.50),耕地的土壤pH 均值最低(6.98)。從變異程度來看,不同土地利用類型條件下的土壤pH 值變異系數為10.80%～13.32%,均屬于中等程度的空間變異。方差分析表明,不同土地利用類型間土壤pH 值具有顯著差異,4 種土地利用類型內土壤pH 值差異同樣顯著,且組間差距大于組內差距。

表2 不同土地利用類型下土壤pH 值統計分析

3 小結與討論

云南省金沙江流域 (迪慶段) 土壤pH 值整體上呈中性,變異系數為13.04%,屬于中等程度空間變異性。各縣土壤pH 均值大小依次為德欽縣(7.60) >香格里拉縣 (7.12) >維西縣 (6.10),白致威等[15]研究顯示,云南省紅河流域的土壤整體呈弱酸性,而本研究中金沙江中上游地區土壤pH 值明顯高于紅河流域平均水平,這與研究區海拔高、氣候冷涼有關,并充分體現出土壤pH 值空間分布的地區差異性。

趨勢面分析結果表明,研究區土壤pH 值自西向東方向呈現出先下降后升高的趨勢;自北向南方向呈現出逐漸降低的趨勢。空間插值結果表明,研究區酸性土壤面積較少,主要分布在香格里拉縣西南部和維西縣大部分地區,堿性土壤主要分布在德欽縣東北部和香格里拉縣西部,德欽縣土壤主要呈堿性,維西縣土壤主要呈酸性,香格里拉縣大部分土壤呈中性,酸性和堿性土壤零星分布。

土地利用類型影響研究區土壤pH 值空間分布,表現為草地 (7.50) >其他 (7.13) >林地(7.11) >耕地 (6.98)。草地土壤pH 值較高,整體上呈堿性,且明顯高于其他土地利用類型,這可能是由于過度放牧、大面積開墾等人類活動造成草地退化,出現鹽堿化現象[16-17],該結論與張維等[18]對于四川仁壽縣土壤pH 值空間變異的研究結論一致。林地土壤pH 值整體上呈中性,但林地間差異大,主要是由于研究區植被類型豐富并且林地范圍內成土母質和土壤質地類型多樣,進而導致不同林地間土壤pH 值差異較大。耕地土壤整體上呈酸性,可能是由于在耕作過程中長期翻耕土地加速了土壤的侵蝕以及土壤有機碳的礦化過程[19],近年來化肥[20]、地膜[21]等農業物資的大量使用也是影響耕地土壤pH 空間變異的主要因素。