南四湖区农田土壤有机质和微量元素空间分布特征及影响因素

2014-05-14李玉环李增兵

生态学报 2014年6期

武婕，李玉环，*，李增兵，方正，钟豫

(1.土肥资源高效利用国家工程实验室，山东农业大学资源与环境学院，泰安 271018;2.平邑经济开发区管理委员会，平邑 273300;3.诸城国土局，诸城 262200)

土壤有机质(SOM)是表征土壤肥力和质量的重要因子，也是陆地生态系统中碳循环的重要源与汇［1-2］。土壤微量元素是作物营养物质的重要组成部分，其丰缺状况直接影响作物的生长发育，同时，一些微量元素如铜、锌等含量过高易造成重金属污染，破坏生态环境甚至危害人类健康［3-4］。

国内外学者从20世纪70年代末开始将地统计学应用于土壤属性的空间变异研究，取得丰富成果。如Fachinelli等［5］利用地统计学与GIS技术相结合的方法研究了土壤微量元素的空间分布特征及变异规律。Rodriguez等［6］基于多尺度分析了西班牙埃布罗河流域农田耕层土壤中镉、铜、锌等重金属元素的空间变异规律。Cordora等［7］以英国洛桑实验区土壤氮为研究对象，对其空间变异性进行了分析。国内关于土壤有机质和微量元素的空间变异性分析，主要从不同尺度、针对不同研究区域进行研究［8-17］，揭示了气候、土壤类型、地形、地貌、土地利用等因素对其空间变异的影响。

综上所述，近年来，针对土壤有机质和微量元素空间变异的研究中，学者倾向于对不同地貌类型区的研究，如丘陵区、黄土高原区和小流域等，认为在景观和流域尺度上，由于气候条件较为一致，土壤类型、地形和土地利用是影响土壤养分空间变异的主要因素［18-19］。湖泊景观周围地貌类型较为特别，为湖滩、洼地和倾斜平地等，目前针对湖泊景观周围农田土壤有机质和微量元素空间变异性研究鲜有报道，且大多数研究偏重于描述土壤属性的空间变异，对引起变异的各因素的内在影响机理研究并不十分透彻。

本文以南四湖区农田土壤为研究对象，结合实地调查采样数据，利用GS+9.0和Arcgis9.3中的地统计分析模块，分析该区特殊地貌类型下土壤有机质和微量元素的空间变异规律，绘制土壤有机质和微量元素含量空间分布图，并着重分析土壤类型、耕层质地、坡度、土地利用类型和地貌类型对其空间变异的影响，为更好的了解该区土壤的特性，采取具有针对性的措施进一步提升南四湖区土壤的肥力和质量等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

微山县地处东经 116°34'—117°24'，北纬 34°27'—35°20'，总面积 1780 km2，地势东、北高，西、南低，海拔30—290 m，中间为微山、昭阳、独山、南阳四湖，是南四湖区典型县域(图1)。研究区属暖温带半湿润季风气候区，年均气温14.7℃，年均降水量760 mm。地貌类型主要有山前倾斜平地、洼地、低山丘陵区地、湖滩、缓平地等(图2)。土壤类型依据第二次土壤普查共分为5个土类(图2)。其中棕壤639.27 hm2，占1.3%，主要分布于两城乡、韩庄镇的低山丘陵区;褐土1.15×104hm2，占23.42%，分布于两城、微山岛、欢城等乡镇;潮土 2.78×104hm2，占56.53%，各乡镇均有分布;砂姜黑土5466.7 hm2，占11.24%，分布在欢城、塘湖、付村等乡镇;水稻土3733 hm2，占 7.58%，分布于张楼、侯楼等乡镇［20］。研究区土地利用方式以灌溉水田、水浇地、旱地和菜地为主(图2)，主要种植小麦、玉米、稻谷、大豆等作物。土壤质地主要以轻壤和中壤为主，粘土和重壤分布较少(图2)。

图1 采样点分布Fig.1 Distribution map of sampling sites

图2 南四湖区地貌类型、土壤类型、土地利用类型、质地和坡度图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 样品采集与分析

2009年9月，以微山土地利用现状图、地形图、第二次土壤普查土壤图以及数字高程(DEM)等为基础图件，结合研究区实际情况，共布设1021个土壤采样点(图1)，采用S型取样路线，采取多点混合和四分法采集0—20 cm耕作层土壤，利用手持GPS仪记录采样点经纬度。实验室内样品测定方法严格按照国家规定的土壤农化分析方法进行，SOM采用重铬酸钾容量法测定，铁(Fe)、锰(Mn)铜(Cu)和锌(Zn)采用火焰原子吸收分光光度法，硼(B)采用姜黄色法。

1.2.2 数据处理与统计分析

利用SPSS 17.0对数据进行一般描述性统计和K-S检验，如不符合正态分布，需进行数据转换(通常进行对数转换)或剔除原始数据中的异常值。以探索南四湖区土壤有机质和微量元素的空间异质性为研究重点，利用GS+9.0软件对经对数转换后符合正态分布数据(B不需转换)进行半方差分析和拟合，依据变异函数理论模型参数，在Arcgis9.3的地统计模块中进行普通克里格空间局部插值，生成空间分布图。为定量分析影响土壤有机质和微量元素空间分布的主要因素，采用方差分析和多重比较(Games.Howell法)，分别分析了土壤类型、耕层质地、坡度、土地利用类型和地貌类型对有机质和微量元素的影响。

2 结果与分析

2.1 描述性统计分析

表1为各观测指标的描述统计结果。按照全国第二次土壤普查养分分级标准，SOM平均值处于中等水平(10.0—20.0 g/kg)。微量元素差异较大，Mn的平均含量最高(10.66 mg/kg);B的平均含量最低(0.57 mg/kg)。按照山东省土壤有效微量元素分级标准，从平均含量来看，Fe处于中等水平(4.5—10 mg/kg)，Mn处于中等水平(5—15 mg/kg)，Cu处于高水平(1.0—1.8 mg/kg)，Zn、B 处于中等水平(0.5—1.0 mg/kg)。由土壤环境质量标准［21］可知，Cu、Zn、Mn均没有超过国家规定的标准。按照反映离散程度的变异系数大小粗略的分级，SOM和微量元素均属中等变异程度(10%—100%)。

正态分布检验表明，B符合正态分布，SOM、Fe、Mn、Cu和Zn的原始数据均表现为尖峰、正偏性，经对数转换后，符合正态分布，满足地统计学分析的要求。

表1 土壤有机质和微量元素的描述性统计Table 1 Descriptive statistics of soil organic matter(SOM)and trace elements

2.2 空间变异结构分析

由表2可知土壤有机质和微量元素(除B是纯块金效应外)的半方差函数拟合较好，R2均大于0.6，能较好的反映其空间结构特征。SOM、Fe、Mn和Zn用指数模型拟合较好，Cu用球状模型拟合较好。

块金值表示随机部分的空间变异性，较大的块金值表明较小尺度上的某种过程不可忽略［3］。引起块金值变化的主要因素有实验误差和小于实验取样尺度上施肥、作物、管理水平等随机因素［22］。有机质的块金值为0.0016，微量元素中，Mn的块金值最大(0.0635)，Fe的最小(0.0120)。总体来看，土壤有机质和微量元素的块金值均较小，说明在最小间距内的变异分析过程中引起的误差较小。

块金值与基台之比表示随机部分空间变异性占总空间变异性的程度，比值较大说明随机部分起主要作用，比值较小说明非人为结构因素起主要作用［23］。根据 Cambardella 等［24］提出的区域化变量空间相关程度的分级标准，B的块金值与基台值的比为1，为纯块金效应，在整个尺度上具有恒定变异。SOM和其余四种微量元素的块金值与基台值的比均小于0.25，空间相关程度强，说明在该研究区域内，受人为因素(施肥、耕作、种植制度等)的影响较小，影响SOM和微量元素空间变异的主要因素有成土母质、土壤类型、气候条件等。

变程是空间变异自相关范围的度量，SOM的变程为84 m，说明有机质在此范围内具有空间自相关。微量元素中Fe的空间自相关距离最小(162 m)，Mn的空间自相关距离最大(2571 m)，这主要与湖区的影响有关，此外农作物对微量元素的吸收偏好也可能影响变程的大小［9］。

表2 土壤有机质和微量元素半方差函数理论模型与参数Table 2 Best-fitted semivariogram models and parameters of SOM and trace elements

2.3 空间局部插值

为便于全面、直观的揭示土壤有机质和微量元素的空间分布格局，在Arcgis9.3中，对SOM、Fe、Mn、Cu和Zn采用普通克里格插值(图3)。由于B在该取样间距下不具有空间相关性，采用反距离权重插值法(IDW)(图3)。可知，SOM大致呈现由北向南逐渐降低的趋势，缓平地区有机质含量较高，这些区域地势平坦，土地利用类型多为水浇地，农作物生长旺盛，施肥较多，故有机质含量较高，而其他区域多为丘陵或洼地，土壤较为贫瘠，管理较为粗放，有机质积累少。北部低山丘陵区Fe含量较高，在14 mg/kg以上，南部 Fe含量最低(3—9 mg/kg)。Mn、Cu、Zn分布总体趋势均为中部高，南北两端低，其中Mn最明显，中部多大于13 mg/kg，两端最低在5 mg/kg以下。B地域差异不明显，大部分在0.55 mg/kg以上。微量元素空间分布较为复杂，产生这种现象的原因主要与研究区的成土母质有关，微山县成土母质主要为黄泛冲积物、代河流冲积物以及湖冲积物，成土母质是影响微量元素含量和空间分布的首要因素［25］。

2.4 土壤属性空间分布影响因素分析

土壤有机质和微量元素的空间变异通常是由土壤类型、地形、母质以及土地利用方式等各种因素在不同方向、不同尺度共同作用的结果［26］。前文已初步揭示出区域因素对土壤有机质和微量元素的空间变异起主导作用。为进一步探讨引起空间变异的各因素的内在机理，选取研究区空间差异较为明显的土壤类型、耕层质地、坡度、土地利用类型、地貌类型5个因素参与分析。

2.4.1 土壤类型

表3为不同土壤类型下有机质和微量元素含量。可知，除B外，5种土壤类型下SOM和微量元素含量存在明显不同。SOM平均含量高低依次排列为:砂姜黑土＜褐土＜潮土＜棕壤＜水稻土。研究区水稻土的成土母质为黄泛冲积物和湖积物，该土类是1964年改造涝洼、旱田改水田以来的人工产物，土质粘重，水耕熟化过程积累了丰富的有机质，故有机质含量最高(15.77 g/kg)。褐土成土母质为洪冲积物，表层质地以轻、中壤为主，通气良好，土体中的好气微生物活动旺盛，腐殖质积累较少，因此，有机质含量较低(14.37 g/kg);潮土成土母质为黄泛冲积物和代河流冲积物，表层质地以重壤、中壤为主，土层深厚，土壤肥力中等(14.65 g/kg)。砂姜黑土成土母质为湖河相冲积沉积物，表层质地以粘土、重壤为主，宜耕性差，存有粘、湿、板、砂姜障碍，有机质含量最低(14.22 g/kg)。成土母质也是影响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。

图3 土壤有机质和微量元素空间分布图Fig.3 Spatial distribution of soil organic matter and trace elements

表3 不同土壤类型下土壤有机质和微量元素含量Table 3 The contents of SOM and trace elements under different soil types

2.4.2 耕层质地

从表4 可知，质地对SOM、Fe、Mn、Cu、Zn 含量有较大影响，对B无影响。不同质地SOM平均含量高低排列依次为:砂壤＜重壤＜轻壤＜中壤＜粘土。从总的趋势来看，随质地由砂变粘SOM升高。一方面是由于粘性高的土壤，水分充足，透气性差，原有机残体在水分作用下易于腐烂降解，因而SOM含量高。另一方面，不同土壤质地下，土壤微生物含量和酶活性也不同，砂性土壤下，有机物质更容易被微生物分解，因而有机质含量较低［27-28］。而重壤有机质平均含量小于轻壤的原因可能是由于当地土壤施肥不均造成的。一般情况下微量元素含量高低遵循粘土＞壤土＞砂土［29］，但由于施肥等会严重影响微量元素的空间分布，这也是导致本研究中微量元素随质地粘重变化无明显趋势的主要原因。

表4 不同耕层质地下土壤有机质和微量元素含量Table 4 The contents of SOM and trace elements under different topsoil textures

2.4.3 坡度

利用微山DEM数据提取坡度信息(图2)，并按坡度将采样点分为 3 组:﹤ 3°、3°—15°、≥15°(表5)。可知，≥15°组的SOM平均含量最高(15.07 g/kg)，﹤3°组的最低(14.70 g/kg)。总趋势为随坡度升高SOM升高，原因在于微山并无坡度极高的区域，坡度较低区域为南四湖周围区域，湖滩植被较少，不利于有机质的积累，相对于湖滩区坡度较高的区域，植被较多，有机质丰富。此外已有研究表明，具有一定倾斜程度的平地有利于SOM的积累［30］。不同坡度组下微量元素含量差异不大，说明坡度不是影响微量元素的主要因素。

表5 不同坡度等级下土壤有机质和微量元素含量Table 5 The contents of SOM and trace elements under different grade level

2.4.4 土地利用类型

从表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)。由于不同土地利用类型之间收益存在较大差异，农户的投入与管理水平会有所不同，水田和水浇地收益高，农户投入的施肥量和管理水平较旱地高。此外当地秸秆还田现象较普遍，有机物质归还量较高，大部分被微生物稍经分解即转化为腐殖质储存于土壤中，水田地势低，土壤长期处于滞水状态，SOM的分解速率明显低于其他利用方式，有利于有机质的积累。菜地土壤由于高度熟化，人类对于菜地的管理加强，应该含有较高的SOM，但研究区内，菜地分布较为分散，并未形成大规模化种植，人们的投入较低，因而菜地SOM含量较低。土地利用类型对微量元素Fe、Cu含量影响较大，对Mn、Zn、B影响不显著，发生变化的原因主要与水田和旱地氧化还原环境不同有关。

表6 不同土地利用类型下土壤有机质和微量元素含量Table 6 The contents of SOM and trace elements under different land using types

2.4.5 地貌类型

由表7可知，地貌类型对 SOM、Fe、Mn、Zn含量有较大影响，对Cu和B影响不显著。SOM平均含量高低依次为:低山丘陵区＜湖滩＜山前倾斜平地＜缓平地＜洼地。总体看来，土地越平缓，有机质积累越高，原因是地貌类型主要通过影响侵蚀和水土流失影响SOM的含量状况［15］，另一方面通过影响水热资源的分配，进而影响植被的生长情况，从而影响SOM的积累。湖滩SOM较少的原因主要是由于湖泊周围植物较少，有机质积累不多。洼地区土壤水分较多，有机残体在水分作用下易于腐烂降解，SOM含量高。地貌对微量元素的影响主要是通过影响地表物质循环的方式和方向影响土地利用类型，而土地利用类型和农田管理措施又是影响微量元素变化的重要因素。

表7 不同地貌类型下土壤有机质和微量元素含量Table 7 The contents of SOM and trace elements under different topography types

3 结论

本文利用地统计与GIS技术相结合的方法对南四湖区农田SOM和微量元素空间变异特征及影响因素进行分析，主要结论如下:

(1)描述性统计分析表明，B符合正态分布，SOM、Fe、Mn、Cu和Zn符合对数正态分布，均属中等变异程度。SOM平均值为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用指数模型拟合较好，Cu用球状模型拟合较好。B为纯块金效应，在整个尺度上具有恒定变异，SOM和其余4种微量元素具有强烈空间变异，其中区域因素占主导作用。

(3)普通克里格插值结果表明，SOM分布总体趋势为由北向南逐渐降低，Mn、Cu、Zn分布总体趋势为中部高，南北两端低，B地域差异不明显。除B外，土壤类型、耕层质地、坡度、土地利用类型、地貌类型与SOM和微量元素的含量高低以及分布状况密切相关。

［1］Batjes N H.Total carbon and nitrogen in the soil of the word.European Journal of Soil Science，1996，47(2):151-163.

［2］Wright A L，Hons F M.Soil carbon and nitrogen storage in aggregates from different tillage and crop regimes.Soil Science Socienty of America Journal，2005，69(1):141-147.

［3］Wang B，Mao R Z，Cao J W，Yuan Z，Gao Y F，Li D M.Spatial variability of the heavy metal contents in cropland of the low Hai River Plain—A case study in Feixiang county of Hebei Province.Acta Ecologica Sinica，2006，26(12):4082-4090.

［4］Zhang X X，Li Z B，Li P.Study on distribution characteristics soil trace elements of grass land in the loess plateau.Journal of Soil and Water Conservation，2010，24(5):45-48，67-67.

［5］Fachinelli A，Sacchi E，Mallen L.Multivariate statistical and GIS-based approach to identify heavy metal sources in soil.Environmental Pollution，2001，114(3):313-324.

［6］Rodríguez J A，Nanos N，Grau J M，Gil L，López-Arias M.Multiscale analysis of heavy metal contents in Spanish agricultural topsoils.Chemosphere，2008，70(6):1085-1096.

［7］Cordova C，Sohi S P，Lark R M，Goulding K W T，Robinson J S.Resolving the spatial variability of soil N using fractions of soil organic matter.Agriculture Ecosystems and Environment，2012，147:66-72.

［8］Yang Q Y，Yang J S.Spatial variability of soil organic matter and total nitrogen at different scales.Journal of Soil and Water Conservation，2010，24(3):100-104.

［9］Wang S Y，Lu P，Wang J P，Yang L，Yang K，Yu T Q.Spatial variability and distribution of soil organic matter and total nitrogen at different scales:a case study in Pinggu County，Beijing.Acta Ecologica Sinica，2008，28(10):4957-4964.

［10］Song M，Peng W X，Zou D S，Zeng F P，Du H，Lu S Y.The causes of spatial variability of surface soil organic matter in different forests in depressions between karst hills.Acta Ecologica Sinica，2012，32(19):6259-6269.

［11］Zhang Q J， Yu X B， Qian J X， Xiong T.Distribution characteristics of plant communities and soil organic matter and main nutrients in the Poyang Lake Nanji Wetland.Acta Ecologica Sinica，2012，32(12):3656-3669.

［12］Wang H L，Zhang H G，Qin L，Ma H Y，Lü G H.The characteristics of the spatial distribution of soil organic matter and factors influencing it in Ebinur Lake Basin of Xinjiang Autonomous Region， China.ActaEcologicaSinica， 2012， 32(16):4969-4980.

［13］Zhao M S，Zhang G L，Wang D C，Li D C，Pan X Z，Zhao Y G.Spatial variability of soil organic matter and its dominating factors in Xu-Huai alluvial plain.Acta Pedologica Sinica，2013，50(1):1-11.

［14］Huang Y F，Zhou Z Y，Yuan X Y，Zhang H Y.Spatial variability of soil organic matter content in an arid desert area.Acta Ecologica Sinica，2004，24(12):2776-2781.

［15］Song F J，Chang Q R，Zhong D Y，Fang R H.Spatial variability and controlling factors of soil trace elements in hilly and gully area of the Loess Plateau.Agricultural Research in the Arid Areas，2013，30(1):36-42.

［16］Zhong X L，Zhou S L，Li J T，Zhao Q G.Spatial variability of soil heavy metals contamination in the Yangtaz river delta——a case study of Taicang city in Jiangsu Province.Acta Pedologica Sinica，2007，44(1):33-40.

［17］Liu W，Peng P Q，Qiu Y Q，Hou H B，Li X C.Spatial variability analysis of typical farmland trace elements in the Dongting Lake Area.Chinese Agricultural Science Bulletin，2012，28(35):215-220.

［18］Lian G，Guo X D，Fu B J，Hu C X.Prediction of the spatial distribution of soil properties based on environmental correlation and geostatistics. Transactions ofthe Chinese Society of Agricultural Engineering，2009，25(7):237-242.

［19］McBratney A B，Odeh I O A，Bishop T F A，Dunbar M S，Shatar T M.An overview of pedometric techniques for use in soil survey.Geoderma，2000，97(3):293-327.

［20］Office of Soil Survey in Weishan County.The soils of Weishan county，Jining:Office of Soil Survey in Weishan County，1987:50-53.

［21］StateEnvironmentProtection Administration ofChina.GB 15618—1995 Environmental quality standard for soils.Beijing:China Standards Publishing House，1995.

［22］Li H B，Wang Z Q，Wang Q C.Theory and methodology of spatial heterogeneity quantification.Chinese Journal of Applied Ecology，1998，9(6):651-657.

［23］Lei Z D，Yang S X，Xu Z R，Vachaud G.Preliminary investigation on the spatial variability of soil properties.Shuili Xuebao，1985，(9):10-21.

［24］Cambardella C A，Moorman T B，Novak J M，Karlen D L，Novar J M，Turco R F，Konopka A E.Field-scale variability of soil properties in central Iowa soils.Soil Science Society America Journal，1994，58(5):1501-1511.

［25］Tao S，Cao J，Li B G，Xu F L，Chen W Y.Distribution pattern of trace elements in soil from Shenzhen area.Acta Pedologica Sinica，2001，38(2):248-255.

［26］Fang H J，Yang X M，Zhang X P，Liang A Z.Spatial heterogeneity and pattern of black soil organic carbon of sloping field.Bulletin of Soil and Water Conservation，2005，25(3):20-24，28-28.

［27］Gao M，Zhao B T，Wei C F，Xie D T，Zhang L.Effect of tillage system on soil animal，microorganism and enzyme activity in paddy field.Chinese Journal of Applied Ecology，2004，15(7):1177-1181.

［28］Yin Y F，Cai Z C，Qin S W.Dynamics of fluvo-aquic soil organic matter fractions under long-term fertilization.Chinese Journal of Applied Ecology，2005，16(5):875-878.

［29］Zhu J，Huang B，Sun W X，Ding F，Zou Z，Su J P.Temporal spatial variability and its influencing factors of available trace metals in soils.Journal of Nanjing University:Natural Science，2007，43(1):1-12.

［30］Huang P，Li T X，Zhang J B，Liao G T.Effects of slopes gradient and Aspect on spatial heterogeneity of soil organic matter in low mountainous region.Soils，2009，41(2):264-268.

参考文献:

［3］王波，毛任钊，曹健王，元仲，高云风，李冬梅.海河低平原区农田重金属含量的空间变异性——以河北省肥乡县为例.生态学报，2006，26(12):4082-4090.

［4］张晓霞，李占斌，李鹏.黄土高原草地土壤微量元素分布特征研究.水土保持学报，2010，24(5):45-48，67-67.

［8］杨奇勇，杨劲松.不同尺度下耕地土壤有机质和全氮的空间变异特征.水土保持学报，2010，24(3):100-104.

［9］王淑英，路苹，王建平，杨柳，杨凯，于同泉.不同研究尺度下土壤有机质和全氮的空间变异特征——以北京市平谷区为例.生态学报，2008，28(10):4957-4964.

［10］宋敏，彭晚霞，邹冬生，曾馥平，杜虎，鹿士杨.喀斯特峰丛洼地不同森林表层土壤有机质的空间变异及成因.生态学报，2012，32(19):6259-6269.

［11］张全军，于秀波，钱建鑫，熊挺.鄱阳湖南矶湿地优势植物群落及土壤有机质和营养元素分布特征.生态学报，2012，32(12):3656-3669.

［12］王合玲，张辉国，秦璐，马辉英，吕光辉.新疆艾比湖流域土壤有机质的空间分布特征及其影响因素.生态学报，2012，32(16):4969-4980.

［13］赵明松，张甘霖，王德彩，李德成，潘贤章，赵玉国.徐淮黄泛平原土壤有机质空间变异特征及主控因素分析.土壤学报，2013，50(1):1-11.

［14］黄元仿，周志宇，苑小勇，张红艳.干旱荒漠区土壤有机质空间变异特征.生态学报，2004，24(12):2776-2781.

［15］宋丰骥，常庆瑞，钟德燕，方睿红.黄土丘陵沟壑区土壤微量元素空间变异特征及其影响因素.干旱地区农业研究，2013，30(1):36-42.

［16］钟晓兰，周生路，李江涛，赵其国.长江三角洲地区土壤重金属污染的空间变异特征—以江苏省太仓市为例.土壤学报，2007，44(1):33-40.