丹江鹦鹉沟小流域土壤有效锰质量分数分布特征

唐辉，李占斌,2†，宋晓强，同新奇，王添，杨媛媛，姚京威

(1. 西安理工大学 西北水资源与环境生态教育部重点实验室，710048，西安；2.中国科学院 水利部 水土保持

研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，杨西杨凌；3.陕西省水土保持局，710004，西安)



丹江鹦鹉沟小流域土壤有效锰质量分数分布特征

唐辉1，李占斌1,2†，宋晓强3，同新奇3，王添1，杨媛媛1，姚京威1

(1. 西安理工大学 西北水资源与环境生态教育部重点实验室，710048，西安；2.中国科学院 水利部 水土保持

研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，杨西杨凌；3.陕西省水土保持局，710004，西安)

摘要：锰是土壤中的一种重要元素，其迁移过程可在一定程度上反映水土流失过程。为进一步阐明小流域内水土流失过程和小流域土壤有效锰的分布特征，采用DTPA-原子吸收火焰分光光度法对鹦鹉沟小流域不同地形因子、土地利用方式下土壤有效锰质量分数的测定，作出流域内土壤有效锰质量分数的各个方向分形维数，得出该小流域有效态锰的分布特征。结果表明：鹦鹉沟小流域土壤有效锰质量分数范围为7.43～57.67 mg/kg，均值为39.52 mg/kg；海拔480～540 m地区质量分数最高，为41.61 mg/kg，变异系数从大到小为低海拔、中海拔、高海拔；8～14°坡度质量分数分布最高，为43.32 mg/kg，在不同坡度上变异系数从大到小为：较缓坡、微坡、急陡坡、较陡坡、缓坡；上坡位质量分数最高42.16 mg/kg，变异系数从大到小上坡位、中坡位、下坡位；林地质量分数最高42.07 mg/kg，变异系数从大到小为农地、林地、草地；在45°方向上具有较显著的分形特征，且变异程度最高。

关键词：土壤有效锰； 地形； 土地利用； 分形维数

项目名称： 国家科技支撑计划课题“农田水土保持工程与耕作关键技术研究” (2011BAD31B01)；国家自然科学基金“土石山区坡面水沙调控对土壤氮素迁移的作用机制研究” (41401316)

锰(Mn)是植物生长所必需的微量元素之一[1]。锰在土壤中的存在形态包括残留态、有机态、氧化铁结合态、易还原态、交换态和水溶态，而对植物有直接效应的主要是后三者，统称为有效态锰[2]，其质量分数能较好的反映土壤的供锰强度。目前对土壤有效态锰的研究主要在质量分数的空间分布[3]、空间变异特征[4]、影响因素[5-7]、变化规律[8]，形态分布[9]，以及生物气候和人类活动对土壤有效锰质量分数分布的影响[10-12]等；对土壤有效锰质量分数的研究集中在面积较大的大尺度上，或是在田间地块上，对于小流域尺度上不同海拔、地形、土地利用对土壤有效锰的质量分数分布影响研究较少。丹江中游是南水北调工程的水源区之一，该区的养分和水土流失备受关注，水土流失过程伴随着土壤中养分和金属元素的迁移，在一定程度上可用养分流失过程来表示。笔者研究丹江中游鹦鹉小流域的土壤有效锰质量分数分布，以阐明其分布局部的特征，为进一步研究小流域尺度上水土流失过程奠定基础，也为小流域尺度上田间管理和灌水施肥提供一定参考。

1材料与方法

1.1研究区概况

鹦鹉沟小流域位于陕西省商洛市商南县城关镇五里铺村(E 110°52′16″～110°55′30″，N 33°29′55″～33°33′50″)，流域总面积1.86 km2，流域内主沟长3 232.90 m，最大主沟道比降0.01 m/m，流域坡面比降0.33 m/m，属于多边形水系；流域最高海拔600 m，最低海拔464 m，大部分为低山丘陵地貌，沟谷开阔；流域内土壤以黄棕壤、风化砂壤土为主，坡面有效土层厚度20～70 cm，沟道土质以黄棕壤为主，土壤潮湿，土层较厚，土质肥沃，相对耐旱，是该流域的主要产粮区；黄棕壤分布在河道两岸，砂壤土分布于坡面上；土壤多呈微酸性，硼、锰、锌等微量元素较缺乏；土地覆盖类型以农地、林地和草地为主。乔木以栎树、松树为主，灌木树种较多且杂，草地以禾本科的草为主，农地以小麦、玉米和花生为主；年均气温14 ℃，最高气温40.9 ℃，最低-12.2 ℃，多年平均日照时间为1 974 h，无霜期216 d，年均降水量803.2 mm，其中7—9月份的降水量占全年降水量50%左右[13]。

1.2样品采集及测定

2012年对丹江鹦鹉沟小流域进行网格布点，网格距离100 m，采用GPS对每个采样点定位(精度为±3 m)。采样时以网格结点为圆心，清除地表植物和枯枝落叶后在5 m范围内采集10钻(每隔40°方向上距圆心点2～5 m之间取样，视具体环境而定)耕层土壤(0～20 cm)，均匀混合后作为该点的土样，共采集195个样品。在实验室中，分拣去除石块及植物根系等杂物，室温下自然风干后碾磨，过2 mm筛后，密封于聚乙烯塑料袋中保存待测。土壤有效锰采用DTPA浸提，原子火焰分光光度法测定，测定仪器为国产TAS-990原子吸收火焰分光光度计。

1.3数据处理

采用SPSS18.0、Excel 2010等软件对土壤中有效猛质量分数的数据进行描述统计、相关分析及回归分析，GS+7.0作分形维数和半方差分析，ArcGIS 9.3地统计分析模块制作空间分布图。

半方差函数(Semivariogram)是描述空间变量的关键函数，用于描述变量的空间变异结构，反映不同距离观测值之间的变化:

(1)

式中：r(h)为是间距为h的半方差函数值，在一定范围内随h的增加而增大；N(h)为间隔距离为h的样点；Z(Xi)和Z(Xi+h)分别是区域化变量Z(X)在空间位置Xi和Xi+h的实测值。

分形维数[14]

D=2-H/2。

(2)

式中H为步长与半方差取对数值拟合直线关系中的斜率。

图1　　研究区土地利用及采样点分布图Fig.1　　Distribution of land use and sampling sites in 　the study area

2结果与分析

2.1地形对土壤有效锰质量分数的影响

2.1.1不同海拔土壤有效锰质量分数的分布选择了已知海拔值的165个样本进行分析，该流域内海拔为420～600 m，按照海拔跨度以每60 m为间隔把流域海拔值分为3个等值段，420～480 m为低海拔，480～540 m为中海拔，540～600 m为高海拔，分别分析每个海拔段上的样本特性。如表1所示，海拔在480～540 m之间的有效锰质量分数均值要大于海拔420～480 m与540～600 m，即土壤有效锰在流域内中海拔区域质量分数分布较高。土壤有效锰质量分数在每个海拔段的变异程度不断增大，分别为12%、23%、32%，都在中等强度变异范围内。说明高海拔区土壤有效锰质量分数离散程度较大，中海拔区次之，低海拔区最小。显著性检验表明420～540 m与540～600 m海拔上的有效锰质量分数差异不显著，480～540 m海拔上的有效锰质量分数较其他2个海拔段上的有效锰质量分数差异显著，3个海拔段的有效锰质量分数概率分布都呈尖瘦型，420～480 m海拔段分布右偏，480～540 m和540～600 m段分布左偏。高海拔区的有效锰被淋溶随径流向下迁移，有效锰质量分数在中下部累积，随海拔的降低，土壤有效锰质量分数有一定程度的增加趋势[15]。中海拔区的地势比高海拔区平缓，而低海拔区有河流分布，有效锰随水流迁移，导致了流域内有效锰质量分数在海拔上分呈现中海拔区高，低海拔和高海拔区较低的趋势。

2.1.2不同坡度土壤有效锰质量分数分布对所取得的样本按水土保持综合治理通则(GBT 15772—2008)中坡度等级分类，统计结果如表2所示，较缓坡(5～7°)的变异系数最大为41%，微坡(0～4°)次之，较陡坡度上土壤有效锰的分布比小坡度上的分布均匀。缓坡(8～14°)上有效锰质量分数平均值最大，且分布最均匀，急陡坡(≥35°)上质量分数次之；微坡、较缓坡、陡坡(25～34°)上土壤有效锰质量分数均值差异不大。由此可见，土壤有效锰在缓坡、较陡坡、急坡上易发生富集。

表1　不同海拔土壤有效锰质量分数显著性检验及基本统计

注：显著性差异采用Ducan’s multiple range test方法在α=0.05水平下分析，a和b指显著性检验差异顺序，不同顺序表示差异性显著，相同顺序表示差异性不显著，下同。Note：The significance difference is analyzed by Ducan’s multiple range test. Values within each column with the same letter are not significantly different (α=0.05). The same below.

表2　不同坡度土壤有效锰质量分数显著性及基本统计

2.1.3不同坡位土壤有效锰质量分数分布把所取得的样本按照上、中和下坡位[16]分类，它们的土壤有效锰质量分数均值分别为44.16 、39.24、40.87 mg/kg，呈现出中坡位质量分数最低的现象；中坡位质量分数分布呈平缓型，上坡位和下坡位呈尖瘦型，均值概率分布均是偏左。上、中、下坡位的变异系数分别为31%、26%、6%，表明土壤有效锰质量分数的离散程度逐渐减低，即土壤有效锰的质量分数分布在坡面上从上到下均匀程度越来越高。

由于地表径流和地下径流对土壤的淋溶作用，上坡位降雨产生的地表径流和地下径流量较小，对土壤的淋溶作用较弱，来自上坡位的地表径流和地下径流使得中坡位径流量增大，导致径流对土壤的淋溶作用增强，而且对坡面的冲刷作用增强，土壤中的有效锰随径流泥沙的迁移量增大。下坡面是径流和泥沙的汇集，土壤有效锰质量分数理应最高[17]；但由于坡脚处径流量达到了坡面的最大值，径流泥沙不会全部停留在坡脚处，会一直沿平地前进，直到没有流速和流量为止。这解释了下坡位土壤有效锰质量分数比较均匀的特征。

表3　不同坡位土壤有效锰质量分数显著性及基本统计

2.2不同土地利用方式下土壤有效锰质量分数分布

鹦鹉沟小流域的土地利用方式大致分为草地 、林地、农地3种，土地利用图(来源于Quickbird遥感影像)显示农地面积最大，占总面积的61.9%，其次是林地，占总面积的28.7%，面积最小的是草地，占总面积的9.4%。林地的土壤锰质量分数均值最大，为42.07 mg/kg，农地次之，为40.04 mg/kg，最小的是草地，为31.36 mg/kg。

由此可得出，草地土壤锰质量分数明显低于农地和林地，这主要是因为草本植物的根对有效态锰有很强的富集能力[18]，引起草地上土壤中有效锰的质量分数降低。草地、林地、农地土壤有效锰质量分数的变异系数分别为43%、20%、2%，三者的差异非常大。这是由于流域内草地疏密程度不均，造成了单位面积上草本植物的根对土壤有效锰富集能力不一，最终导致土壤中的有效锰质量分数不均，离散程度大。对于林地来说，农地土壤有效锰质量分数的变异程度非常小，农地相对于草地和林地来说土壤结构单一，说明耕作改变了土壤的空间变异特征，常年的耕作使得土壤的性质差异不大，土壤有效锰质量分数分布均匀[19]。

2.3土壤有效锰质量分数空间结构分析

2.3.1分形维数采用GS+7.0地统计软件中的分析维数计算模块(Fractal)对该小流域的土壤有效锰质量分数进行了分形维数的分析(图2)，目前应用分形理论研究土壤化学性质的空间分布特征[20]时，多数情况下用单一分形维数表征空间分布特征[21]。土壤有效锰质量分数分形维数为1.965(R2=0.357)。

表4　不同土地利用方式下土壤有效锰质量分数显著性及基本统计

D0—分形维数；SE—标准误差；R2—确定系数；n—参与计算点个数。D0: fractal dimension; SE: standar error; R2: coefficient of determination; n: the points number which participate calculation. 图2　土壤有效锰质量分数的各向同性分形维数Fig.1　　Isotropic fractal dimension of the content of 　soil available Mn

图3　0°、45°、90°、135°方向上土壤有效锰质量分数各向异性分形维数Fig.3　Anisotropic fractal dimension of the content of soil available Mn at 0°, 45°, 90°, 135°

地统计学中的各向同性是指在计算变异函数值时不区分方向，只要距离为h的点均可参与计算；而各向异性是相对各向同性而言的，样本在不同方向的变异性有所差异。土壤的分形维数也有此特征，在不同的方向上表现出不同的分形特征。

以平面直角坐标系横纵轴正向分别代表正东和正北方向，对土壤有效锰质量分数的分形维数在0°、45°、90°、135°方向进行了分析，其中45°方向上分形特征最明显(R2=0.758，为4个方向上的最大值，且更为接近1)，其他几个方向的分形特征不太明显。4个方向上的分形维数值分别为1.989、1.840、1.964、1.983，从数值大小上可以看出，土壤锰质量分数45°方向上均匀程度最低，0°方向上均匀程度最高。如图3所示，流域内河流的流向应是造成这一现象的原因之一，河流的流向大致是45°方向，结合各向异性的分形维数特征，表明了径流的淋溶作用是造成土壤有效锰质量分数各向异性的原因之一。

2.3.2空间格局用GS+7.0土壤有效锰质量分数做半方差分析，得出有效锰质量分数分布的最优模型为指数模型，基于ArcGIS 9.3地统计模块进行插值(图4)。质量分数在28.82～31.32 mg/kg之间的面积的占流域总面积的4.02%，31.32～33.82 mg/kg之间的面积占5.69%，33.82～36.32 mg/kg之间的面积占6.71%，36.32～38.82 mg/kg之间的面积占15.34%，32.82～41.32 mg/kg之间的占17.37%，41.32～43.82 mg/kg之间的占29.17%，43.82～47.28 mg/kg之间的占21.72%。由土壤有效锰质量分数Kriging简单预测插值图可看出，鹦鹉沟小流域有效锰质量分数较大的区域主要分布在流域的中西部，质量分数分布最大区域(41.32～43.82 mg/kg)主要分布在流域的正南、正北以及正西方向，呈现出从东部的逐渐上升到中部然后中部到西部逐渐下降的趋势。该流域水系的流向是自东向西，径流的汇聚过程伴随着重金属元素的迁移，成为导致鹦鹉沟小流域土壤有效锰质量分数分布不均匀的因素之一，东部集水区质量分数较少到中部汇聚到高峰；因西部处于流域内水系的下游，地势平坦且不是主要汇水区，土壤中有效锰的质量分数反而没有中部高。

图4　研究区土壤有效锰质量分数分布Fig.4　　Distribution of the content of soil available Mn　 in study area

3讨论

该研究区内本研究结果是在小流域的范围内取得的，对相近地区或者是土壤类型相似地区土壤的有效锰质量分数值有一定的参考。土壤有效锰质量分数与土壤母质、土地利用方式、地形、土壤pH值显著相关[22]，这与本研究中结果一致。王小兵等[23]得出有效锰质量分数与海拔显著正相关；本文中海拔高程差小，可能在较大高程上统计分类不显著，所以笔者研究中海拔上的分布结果仅适合于小尺度上的应用。文中土地利用上的分布趋势与文献[6]中的一致；但本文中有效锰质量分数值高，文献[6]研究区域在西藏，原因可能在于气候方面，气候条件影响土壤性质。除了以上提到的影响因素外，测试样品的干湿程度[24]也会影响到最终的测定值。尽管如此，本研究从地形和土地利用2个方面探讨了土壤有效锰在小流域上的分布特征，并得出了其质量分数的空间分布图，对于指导田间施肥管理和研究水土流失过程有着重要的意义，施肥与产量的关系、有效锰质量分数与土壤侵蚀量间的关系有待进一步研究。

4结论

该研究区内土壤有效锰总体平均质量分数是39.52 mg/kg，变异系数为28%，统计分布对照刘铮等[1]给出的土壤易还原态锰质量分数临界值100 mg/kg，鹦鹉沟小流域的土壤有效态锰缺乏，局部区域更为缺乏。以60m为间隔的海拔区间上土壤有效锰的分布仍有统计学上的差异，这对于研究海拔因素对有效锰的质量分数有一定的参考价值，以后可在更大尺度上进行相关研究。

1)在此小流域研究得出，中海拔(480～540 m)土壤有效锰质量分数最高，为41.61 mg/kg；有效锰在8～15°的坡上发生富集，不同的坡位上也有显著的差异，上坡位其质量分数最高，并表现为从上到下均匀程度越来越高。

2)不同土地利用上有效锰的分布最为明显，林地的土壤锰质量分数均值最大，为42.07 mg/kg，农地次之，为40.04 mg/kg，最小的是草地，31.36 mg/kg，草地土壤锰质量分数明显低于农地和林地。

3)空间分析表明，流域土壤有效锰质量分数的分形维数为1.965，且表现出各向异性，流域内土壤有效锰随径流迁移，表现在东部分布较低，中西部较高。

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(责任编辑：程云郭雪芳)

Distribution characteristics of the content of available Mn in Yingwugou

watershed, Shaanxi Province

Tang Hui1, Li Zhanbin1,2, Song Xiaoqiang3, Tong Xinqi3, Wang Tian1, Yang yuanyuan1, Yao Jingwei1

(1.Key Laboratory of Northwest Water Resources and Environment Ecology of Ministry of Education, Xi′an University of Technology,

710048, Xi′an, China; 2. Key Laboratory of Soil Erosion and Dry-land Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water

Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, 712100, Yangling, Shaanxi, China;3. Shaanxi Bureau of

Soil and Water Conservation, 710004, Xi′an, China)

Abstract:Manganese (Mn) is one of important elements in soil and its transportation process is an reflection of soil and water loss. In order to understand more deeply about the process of soil and water loss, the content of available Mn in Yingwugou watershed located in Shaanxi Province was investigated. This study employed DTPA-atomic absorption fire spectrophotometry to measure the content of available Mn in different topography and land use types of the watershed. Then fractal dimension of the content of available Mn in a few directions was calculated and finally the distribution of the content of available Mn was clarified. The results showed that the content of soil available Mn at the Yingwugou watershed ranged from 7.43-57.67 mg/kg, 39.52 mg/kg on average. 1) Middle elevation had the highest content (41.61 mg/kg) and the value of the coefficient variation (CV) from high to low was ordered distinctively as low, middle, and high, suggesting that the available Mn in soil is moved from high to low elevations by runoff in the watershed after leaching, gathers at middle or low elevation areas, and finally the available Mn at low elevation areas is carried away by flowing river. The highest content of available Mn (43.32 mg/kg) could be found on slopes with degree ranging from 8-14° and the value of CV from high to low was ranked as very gentle slope, micro-slope, very steep slope, steep slope and gentle slope; the available Mn was easier to aggregate at very gentle slope, micro-slope, and steep slope. The upslope position had the highest content (42.16 mg/kg) and the value of CV from high to low was ordered as down slope, middle slope, upslope, indicating that runoff is the main force to move the available Mn. 2) The woodland had the highest content of 42.07 mg/kg and the value of CV from high to low was ranked as farmland, woodland, grassland. The woodland and the grassland had more complicated soil structures because of more biocenoses and less disturbance. The grass roots have a high ability to utilize the available Mn and the soil texture of farmland is highly uniform. All of these reasons lead to the current distribution characteristics of content of available Mn in the different landuse types. 3) The fractal characteristics were obvious at the 45° direction, and extent of variation was the highest. The high content of Mn was distributed in the west, south, and north of the watershed. The total spatial pattern of the watershed was that the content of available Mn increased from east to west and then decreased, but still higher than the east. These results would provide reference to describe the process of soil and water loss.

Keywords:soil available Mn; topography; land use; fractal dimension

通信作者†简介： 李占斌(1962—)，男，博士，研究员。主要研究方向：水文水资源、土壤侵蚀与水土保持等。E-mail：zhanbinli@126.com

作者简介：第一 唐辉(1989—)，男，硕士。主要研究方向：土壤侵蚀与水土保持。E-mail：tanghuicq@126.com

收稿日期：2015-05-15修回日期： 2015-11-03

中图分类号：S157.1； S158.2

文献标志码：A

文章编号：1672-3007(2015)06-0076-07