小流域尺度土壤容重及其影响因素的空间变异

冯强，段宝玲，姜硕

(1.山西农业大学 林学院，山西 太谷 030801； 2.辽宁职业学院，辽宁 铁岭 112099)



小流域尺度土壤容重及其影响因素的空间变异

冯强1，段宝玲1，姜硕2

(1.山西农业大学 林学院，山西 太谷 030801； 2.辽宁职业学院，辽宁 铁岭 112099)

摘要：揭示土壤容重及其影响因素的空间变异能够为容重制图以及土地质量评价服务。选择黄土丘陵沟壑区典型小流域，测定土壤容重与环境因子。在分析土壤容重与环境因子空间变异的基础上，建立二者之间关系。结果表明：土壤容重表现为弱变异性。土地利用、坡位与坡形对土壤容重产生显著影响；不同土地利用方式土壤容重表现为乔木林地<园地<灌木林地<荒草地<耕地的总体趋势；坡位之间土壤容重表现为上坡<山顶<中坡<下坡；坡形之间土壤容重表现为凹形坡<凸形坡<线形坡<梯田。根系密度、枯落物蓄积量、植被盖度与生物结皮盖度在不同土地利用方式之间差异显著。不同坡位之间只有生物结皮盖度差异显著。不同坡形之间只有根系密度差异显著。相关分析表明表层土壤容重与生物结皮盖度及坡向相关不显著，容重与植被盖度、枯落物蓄积量、根系密度及坡度显著负相关。逐步回归分析表明土地利用、坡度与植被盖度是影响土壤容重的主要因素，能够解释58.15%的土壤容重变异，本研究建立的拟合关系为土壤容重空间制图提供了便捷途径。

关键词：小流域；土壤容重；土地利用；地形；空间变异

大尺度上，土壤性质由气候、母质和时间决定，但是在坡面及小流域尺度，土壤性质受地形和土地利用的影响更为突出[1]。容重作为最基本的土壤物理性质，能够衡量土壤肥力高低，反映土壤通透性强弱，进而影响水分入渗与土壤侵蚀过程。影响容重的因素很多，包括土地利用[2~5]、地形[3~8]、恢复年限[9]、管理方式[10]等。这些影响因素的作用实质是植被覆盖、地表枯落物、根系密度以及坡度等导致土壤发生、形成、侵蚀、沉积、分解等过程的差异。

小流域是基本的水文响应单元，很多学者在小流域尺度研究了土壤容重在土地利用、坡位与坡形之间的变异[3~5]。然而不同研究往往得到不同的结论，难以在容重预测及制图中应用。原因是多数研究仅探讨土地利用与地形对容重的影响，没有考虑不同土地利用与地形下其他影响因素(根系密度、枯落物以及植被盖度等)的空间变异，也没有揭示土壤容重与影响因素之间的关系。因此，需要在众多容重影响因子中确定主导因子，并建立容重与主导因子之间的关系。本研究选择黄土丘陵沟壑区典型小流域，同时测定土壤容重与环境因子。运用经典统计学方法，在分析土壤容重与环境因子空间变异的基础上，揭示二者之间关系，为土壤容重预测制图服务。本研究能够克服空间插值制图方法在破碎化景观地区的不足，为生态恢复与土地治理提供参考。

1材料与方法

1.1　研究区概况

研究区位于延河流域的墩滩沟小流域，该地区沟壑纵横、梁峁起伏，水土流失严重。该区土层深厚，土壤以黄绵土为主，质地较轻且疏松。研究区天然森林已遭受破环，人为建植大量人工林，主要以刺槐(Robiniapseudoacacia)、沙棘(Hippophaerhamnoides)为主；荒坡主要是由铁杆蒿(Artemisiagmelinii)、达乌里胡枝子(Pedezadavurica)和长芒草(Stipabungeana)等组成的草本植物群落，园地主要栽植杏树，农田作物主要为玉米。

1.2　野外采样与指标测定

2014年8月，在小流域内布设45个采样点。用环刀法(100 cm3)测定表层土壤容重/g·cm-3；用根钻取表层(20 cm)根系测定根系密度/kg·m-3；取3个1 m×1 m小样方收集枯落物测定枯落物蓄积量/g·m-2；枯落物收集结束后在样方内用触针法[11]测定生物结皮盖度/%，生物结皮包括苔藓结皮与藻结皮；以正北为0度，坡向为顺时针旋转角度，用罗盘仪测定；坡度仪测定坡度，用坡度的正弦值表示坡向朝东的程度，用坡度的余弦值表示坡向朝北的程度；拍照法[12]测定植被盖度/%，存在植被层次的样点以各层次盖度之和表示植被盖度；记录样点土地利用类型、坡位、坡形。

1.3　数据分析

对土壤容重与环境因子进行描述性统计，分析其空间变异性。应用一般线性模型(GLM)单因素方差分析以及LSD法多重比较，分析土地利用、坡位、坡形对土壤容重与环境因子(根系密度、枯落物蓄积量等)的影响。对土壤容重与坡向、坡度、植被盖度、根系密度等进行Pearson相关分析。逐步回归分析法可以从大量变量中筛选那些对建立回归方程有重要影响的变量，可以消除因素之间多重共线性对回归方程的影响。首先以定量环境因子坡度、Sin坡向、Cos坡向、植被盖度, 根系密度、枯落物蓄积量、生物结皮盖度做为自变量，建立土壤容重与定量环境因子的关系模型。土地利用类型、坡位、坡形是定性环境因子，可将定性因子化为虚拟变量后进行一般的逐步回归分析。本研究对定性环境因子土地利用类型、坡位、坡形进行0~1数量化处理生成哑变量, 与定量环境因子合在一起进行逐步回归分析，确定影响容重的主导因子，建立土壤容重与主导因子的关系模型。采用SPSS17软件进行数据处理和统计分析。

2结果与分析

2.1　不同土地利用方式与地形条件下土壤容重空间变异

由表1可知，土壤容重变化介于1.190~1.333 g·cm-3之间，变异系数介于1.088~7.464之间。不同土地利用方式土壤容重表现为乔木林地<园地<灌木林地<荒草地<耕地的总体趋势。乔木林地、灌木林地与园地三者之间差异不显著，荒草地与耕地之间差异不显著，而前三者显著小于后两者。变异系数反映变量的空间变异程度。一般认为，Cv<0.1说明变量表现为弱变异性，Cv在0.1~1之间变量为中等变异性,Cv>1变量为高度变异性[13]。本研究各土地利用方式及整个小流域土壤容重的变异系数均在0.1以下，表现为弱变异，与以往研究相同[3,5,7]。

一般认为耕作活动会导致耕地土壤容重降低[3]，本研究的结论与之不同，可能是因为耕地地势平坦，植被覆盖度低，耕作后经历了较长时间的雨滴打击导致土壤压实。荒草地具有较高的土壤容重，放牧活动带来的动物踩踏可能是原因之一。荒草地与乔木林地的变异系数与极差较高，可能是由于植被盖度、栽植密度与树龄差异较大导致。

表1　不同土地利用方式下土壤容重空间变异

注：小写字母表示多重比较结果(p<0.05)，下同。

Note: Different lower-case letters indicate the result of multiple comparisons (p<0.05). The same below.

由表2可知，不同坡位之间土壤容重表现为上坡<山顶<中坡<下坡，但是山顶、上坡与中坡之间差异不显著，三者土壤容重显著低于下坡，同时下坡具有最高的变异系数。可能原因是坡上侵蚀的较细颗粒在下坡堆积，导致坡下及沟底部位土壤粘重，容重较大，而剧烈的侵蚀过程使坡上土壤粗化，容重较低。本研究的结论与葛翠萍[8]相似，但与魏建兵[4]不同，说明不同研究区域土壤容重受坡位的影响程度存在差异。

表2不同坡位土壤容重空间变异

Table 2The spatial variability of soil bulk density on different slope positions

坡位Slopeposition上坡Upperslope(N=15)山顶Slopetop(N=3)中坡Middleslope(N=12)下坡Lowerslope(N=15)均值1.191b1.208b1.243b1.314a极小值1.0661.1841.1491.126极大值1.2591.2331.3471.494极差0.1930.0490.1980.368标准差0.0550.0250.0640.103变异系数/%4.5962.0285.1457.825

由表3可知，不同坡形之间土壤容重表现为凹形坡<凸形坡<线形坡<梯田。不同坡形影响土壤侵蚀与运移过程，影响土壤水分入渗与蒸发过程，进而影响土壤容重，而且这种影响作用还和采样点所处坡形的坡面位置有关。另外，本研究凹形坡与凸形坡多为乔灌林地，因此容重较低，而梯田为耕地或耕地撂荒的荒草地，因此容重较高。

表3不同坡形土壤容重空间变异

Table 3The spatial variability of soil bulk density in different slope shapes

坡形Slopeshape凹形坡Concaveslope(N=11)凸形坡Convexslope(N=19)线形坡Straightslope(N=11)梯田Terrace(N=4)均值1.199c1.241bc1.271ab1.339a极小值1.1261.0661.1611.248极大值1.3031.4071.4941.443极差0.1770.3410.3330.195标准差0.0550.0790.1130.081变异系数/%4.5816.3388.8756.037

2.2　不同土地利用方式与地形条件下其他容重影响因素的空间变异

由表4可知，根系密度介于0.205~4.867 kg/m3之间，不同土地利用方式之间表层根系密度的总体趋势为耕地<园地<荒草地<乔木林地<灌木林地。灌木林地主要植被为沙棘与柠条，植被茂密，因此具有最高的表层根系密度。乔木林地表层根系密度与荒草地差异不显著，原因是本研究根系测定深度范围为0~20 cm，体现的主要是草本层的根系情况。根系密度的变异系数介于23.4%~60.5%之间，属于中等变异性，不同于土壤容重的变异特征。

地表枯落物蓄积量介于0.233~344.151 g·m-2之间，不同土地利用方式之间表现为耕地<荒草地<园地<灌木林地<乔木林地的趋势。耕地的枯落物蓄积量显著小于其他4种土地利用方式，园地、荒草地与灌木林地之间差异不显著，3者又显著小于乔木林地。地表枯落物的变异系数在15.9%~87.6%之间，同样属于中等变异性。

表4　不同土地利用方式下环境因子空间变异

不同土地利用方式之间植被盖度的变化趋势及变异特征与地表枯落物相似，不同的是耕地与荒草地植被盖度差异不显著。

生物结皮盖度介于0~59.7%之间，5种土地利用方式生物结皮盖度的最小值均为0，可见生物结皮并不是一直出现。不同土地利用方式之间的总体趋势为耕地<乔木林地<荒草地<灌木林地<园地。耕地的生物结皮盖度显著小于灌木林地与园地，乔木林地显著小于园地。乔木林地生物结皮盖度较低的原因是地表主要被枯落物覆盖，不利于结皮形成，齐治军[14]也发现了生物结皮盖度与植被盖度及枯落物盖度呈显著负相关。生物结皮盖度的变异系数介于65.7%~131.7%之间，属于中等变异与高度变异性，与其他指标的变异程度不同。

由表5可知，根系密度、枯落物蓄积量与植被盖度在不同坡位之间差异不显著，因为这3个指标主要受土地利用控制。生物结皮盖度表现为下坡<中坡<山顶<上坡的总体趋势，与容重的变化趋势恰好相反，可能是因为坡的下部容易沉积泥沙，也会遭受更多的径流冲刷，因此不利于生物结皮的形成。不同坡位上，根系密度与植被盖度表现出中等变异性，而枯落物蓄积量与生物结皮盖度表现出中等变异与高度变异性。

表5　不同坡位环境因子空间变异

由表6可知，根系密度在不同坡形之间的总体趋势为梯田<线形坡<凸形坡<凹形坡，与容重的变化趋势相反。本研究小流域凹形坡与凸形坡多为乔灌林地，梯田为耕地与耕地撂荒的荒草地，因此根系密度在坡形之间差异的实质为土地利用的差异。枯落物蓄积量、植被盖度及生物结皮盖度在不同坡形之间差异不显著，其中枯落物蓄积量与生物结皮盖度出现了高度变异性。

2.3　土壤容重与环境因子关系分析

地表枯落物影响水文过程及腐殖质的积累[15]，进而影响土壤容重。根系可以增加水分与空气在土壤中的通道，提高土壤孔隙度，从而降低土壤容重[16]。由表7可知，表层土壤容重与生物结皮盖度及坡向相关不显著，与植被盖度、枯落物蓄积量、根系密度及坡度显著负相关。植被盖度、枯落物蓄积量与根系密度反映植被状况，说明茂密的植被会导致表层容重降低。而坡度反映了径流冲刷与泥沙沉积等综合作用对土壤容重的影响。Wang对整个黄土高原的研究发现土壤容重与坡度及坡向均显著负相关[7]，与本文不完全一致，可能是研究尺度不同所致。肖波[17]发现生物结皮能够显著降低土壤容重，但本研究中结皮盖度与容重的负相关并不显著。

通过土壤容重与定量环境因子的逐步回归(见表8)发现：坡度与植被盖度进入回归方程，回归方程达到极显著水平，但两者仅能够解释36.64%土壤容重的变异。通过含定性变量的逐步回归分析发现土地利用类型能够进入方程，并且使环境变量对土壤容重的解释能力提高到58.15%。坡度、植被盖度与土地利用类型在野外容易测定，再通过含定性变量的回归方程能够预测表层土壤容重。

表6　不同坡形下环境因子比较

表7　土壤容重与环境因子的皮尔逊相关分析

表8　土壤容重与环境因子的逐步回归分析

注：X1表示坡度；X2表示植被盖度；A1~A4分别表示耕地、灌木林地、园地与乔木林地。

Note:X1represented slope；X2represented vegetation coverage；A1-A4represented Cropland, Shrubland, Orchard, Woodland respectively.

3讨论与结论

揭示小流域尺度土壤性质空间变异是土壤性质制图、土地质量评价与规划的基础。研究土壤属性空间变异与环境因子的关系对于生态过程预测、评价未来土地利用变化对生态过程影响至关重要。土地利用与地形是土壤容重的主要影响因素，但是关于影响因素对容重的影响是否显著以及影响的方向，不同学者得到的结论不尽相同[3~5,7,8]，例如葛翠萍[8]认为坡下土壤容重高，但魏建兵[4]发现坡下土壤容重低，不同学者得到的土地利用类型之间容重的变化趋势同样不一致。土地利用作为定性指标，通过野外判定或遥感影像解译都相对容易。相同的土地利用类型，其环境效应可能存在较大的差异，原因是仅通过土地利用类型不能完全反映植被覆盖、地表枯落物覆盖以及地下根系情况，这也是不同学者之间结论存在差异的原因。

本研究小流域尺度土壤容重变化不大，表现为弱变异性。土地利用、坡位与坡形之间土壤容重差异显著。根系密度、枯落物蓄积量、植被盖度与生物结皮盖度在不同土地利用方式之间差异显著，根系密度、枯落物蓄积量与植被盖度表现为中等变异性，而生物结皮盖度出现高度变异性。不同坡位之间仅生物结皮盖度差异显著。不同坡形之间仅根系密度差异显著。环境因子的空间差异能够导致土壤容重的空间变异，进一步相关分析表明表层土壤容重与生物结皮盖度及坡向相关不显著，与植被盖度、枯落物蓄积量、根系密度及坡度显著负相关。通过逐步回归分析消除环境因子之间的多重共线性，结果表明土地利用、坡度与植被盖度是影响土壤容重的主要因素，能够解释58.15%的土壤容重变异。土地利用与植被盖度能够通过遥感影像解译获得，坡度能够通过DEM数据提取，因此本研究得到的拟合关系为土壤容重空间制图提供了便捷的途径。

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(编辑：梁文俊)

Spatial heterogeneity of bulk density and its influencing factors at small watershed scale

Feng Qiang1, Duan Baoling1, Jiang Shuo2

(1.CollegeofForestry,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China; 2.LiaoningVocationalCollege,Tieling112099，China)

Abstract:Revealing spatial heterogeneity of bulk density (BD) and its influencing factors were important, which can provide theory basis for BD mapping and land resource evaluating. The study was conducted in a typical small watershed in the loess hilly areas, soil surface bulk density and its influencing factors were measured. Spatial heterogeneity of bulk density and its influencing factors were analyzed, the relationship between them was revealed. The results were as follows: BD demonstrated weak spatial variation. Land use, slope position, and slope shape effected BD significantly. The general trend for BD was Woodland

Key words:Small watershed; Soil bulk density; Land use; Topography; Spatial heterogeneity

中图分类号：S152.5

文献标识码：A

文章编号：1671-8151(2016)01-0039-07

基金项目：国家自然科学基金(41501201)

作者简介：冯强(1981-)，男(汉)，辽宁锦州人，讲师，博士研究生，研究方向：土地利用与生态过程，植被覆盖与土壤侵蚀

收稿日期：2015-10-02修回日期：2015-11-04