成都平原土壤pH缓冲容量的空间变异性特征

蒋胜军，顾 刚

(四川省遂宁市船山区农业局，四川 遂宁 629000)

成都平原土壤pH缓冲容量的空间变异性特征

蒋胜军，顾 刚*

(四川省遂宁市船山区农业局，四川 遂宁 629000)

利用地统计学(与GIS结合)的方法研究了成都平原土壤pH缓冲容量的空间变异性特征，绘制了pH缓冲容量的空间分布图。结果表明：土壤pH缓冲容量的各向同性变异函数的最佳理论模型为球状模型，pH缓冲容量具有中等的空间相关性(C0/C0+C=52.8%)，而其各向异性在南-北(0°)方向上符合纯块金，西南-东北(45°)与东-西(90°)方向都符合线型有基台，而西北-东南(135°)方向上符合高斯模型；土壤pH缓冲容量的大小与土壤的有机质、土壤pH、碳酸钙的含量、盐基饱和度以及土壤质地等密切相关。

pH缓冲容量；空间变异；地统计学；成都平原

1 引言

随着经济的发展，人口的迅速增长，能源的消耗与日俱增，大量的硫氧化物，氮氧化物以及烟尘排放在大气中，以致形成酸雨对生态环境造成严重破坏[1]。土壤系统作为陆生生态系统的基本组成部分，是酸雨污染的最终受体，所以酸雨对土壤危害的大小对维持整个生态系统的平衡具有重要影响[2]。酸雨进入土壤，致使土壤酸化，促使土壤中各种养分淋失，微生物固氮作用降低，土壤日益贫瘠，进而影响作物生长发育及产量，从而对人类健康造成威胁[3]。我国已经成为继欧洲、北美之后的第三大酸雨区[4]，而成都平原由于城市的不断扩展，工业的快速发展，已成为受酸雨侵蚀较为严重的地区之一。pH缓冲容量又是评价土壤酸化的一个重要指标，它是指引起每1000g土壤单位pH变化所需的氢质子的数量[5]。因而，研究土壤pH缓冲容量可以了解成都平原土壤被酸雨污染后的酸化趋势，为酸雨污染综合防治提供科学依据。

地统计学方法已被证明是研究土壤属性空间变异的主要工具之一[6]，但在过去的研究中，许多学者应用该方法主要着重于土壤养分(如N、P等)或重金属的研究，而在pH缓冲容量空间变异上的应用较少，且研究成都平原土壤pH缓冲容量的空间变异性征更是鲜有报道。因此，本文采用了地统计学方法，并结合ArcGIS9.0软件进行了成都平原土壤pH缓冲容量的插值分析，研究成都平原土壤pH缓冲容量的空间变异特征，并揭示出该区域pH缓冲容量各影响因素特征。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况

本研究位于成都平原的核心区域，包括成都市的市郊及其周边的几个区县。成都平原位于四川盆地的西部，又称为盆西平原和川西平原，介于102°54′～104°53′E，30°05′～31°26′N之间，气候温和湿润，无霜期长，四季分明，属亚热带季风性气候[7]。具有冬干﹑春旱﹑夏洪﹑秋雨等主要特点，该地区主要水系为西南部的岷江水系和东北部的沱江水系。土壤母质主要为灰色冲积物，灰棕冲积物，紫色冲积物以及黄壤，土壤以灰色及灰棕色潮土平原冲积土基础上发育而成的水稻土为主，养分丰富，肥力较高，农作物品种齐全，主要有水稻﹑小麦﹑油菜﹑蔬菜等[8]。

2.2 土样的采集及制备

依据成都平原的基本情况，综合考虑区域社会经济状况、土壤环境质量的时空变化、地形和母质、河流的分布、生产力水平及种植制度的变化等因素进行布点，在成都市市郊、崇州、都江堰、温江、双流、郫县、新都、彭州、新津、邛崃、德阳、广汉等成都平原12个市(县、区)野外进行采样。采样地点利用全球定位系统(GPS)进行定位，在每个采样点周围约10 m2范围内采取5点0～20cm土样组成一个混合土样，共采集了86个土壤样品(如图1)。土壤经自然风干，人工碾碎后剔除动植物残体，过1mm筛后进行pH缓冲容量的测定。

图1 研究区土壤采样点空间分布

2.3 实验分析方法：

pH缓冲容量的测定：取土样5g两份分别放入带塞的三角瓶中，一份加入10mmol·L-1CaCl225mL(水∶土=5∶1)，振荡1h，另一份加入0.5mmol·L-1CaCl2和9.5mmol·L-1Ca(OH)2混合溶液25mL(水∶土=5∶1)，振荡16h，分别用pH计测定其pH，最后用5mmol/L的HCl去滴定CaCl2和Ca(OH)2浸提的土壤溶液中的[OH-]，以下为计算pH缓冲容量的公式[9]：

pHBC=mmol[OH-]×BD/(pH[Ca(OH)2/CaCl2]-pH[CaCl2])

BD表示土壤的容重，单位kg·m-3；

[OH-]表示每1000g土壤中OH-的毫摩尔数，单位mmol·kg-1。

土壤基本理化性质的测定采用常规分析方法[10]。

2.4 数据处理分析方法

试验所得的数据采用SPSS19.0进行描述性统计分析，采用地统计学软件GS+7.0拟合半方差函数，并选取最佳拟合模型及各种参数值，半方差计算时的角度容差定为±30°，在ArcGIS9.0中进行Kringing插值，最终得到pH缓冲容量的插值图，并用Excel进行灰色关联分析。

3 结果与讨论

3.1 土壤pH缓冲容量的描述性统计分析

研究区域86个土样的pH缓冲容量描述性统计结果见表1。其中变异系数反映的是各土样之间的平均变异程度，一般认为，CV(变异系数)≤0.25为弱变异性，0.25lt;CVlt;0.75之间属于中等变异，而CV≥0.75就为强变异性[11]，由表1可以看出，土壤pH缓冲容量的平均值、中数、标准差分别为4.37molH+·kg-1、2.07molH+·kg-1和5.06。且土壤pH缓冲容量的变异系数为1.28，明显大于CV≥0.75的标准，所以变异程度为强变异性。但这种传统的描述统计分析只能说明其含量变化的全貌，而不能反映出局部的变化特征，即不能反映pH缓冲容量的结构性和随机性，相关性和独立性，因此，必须进一步采用地统计学方法来描述pH缓冲容量的空间变异[12]。

表1 土壤pH缓冲容量的描述性统计

3.2 土壤pH缓冲容量的空间结构分析

3.2.1 各向同性下的半方差函数特征 半方差函数是研究空间变异规律比较稳健的工具[13]，但其计算一般要求数据符合正态分布或近似正态分布，否则可能存在比例效应，由于pH缓冲容量的原始数据不符合正态分布，因此将其经过对数转换后输入地统计软件GS+5.3，得到相应的半方差的函数模型。在半方差模型的选择上一般以决定系数(r2)最大，残差(RSS)最小为原则，从而选择最佳的半方差函数模型。

半方差函数主要有两种形式：一种是各位点的半方差变化不规律，忽高忽低，即半方差大致围绕一条直线上下波动，方向性不明显，这说明它们的变化是独立的，随机的，没有空间结构性，不受空间位置的影响，也就是纯块金效应；一种是半方差随着间距的增加而增加，当达到一定的距离后，就趋于某一平稳值，表明样点之间超过这一点后就不再具有相关性[14]。

图2和表2分别是pH缓冲容量的半方差函数图和最佳模型及相应的参数。块金值表示实验误差和小于采样尺度上施肥﹑耕作﹑管理等随机因素而引起的变异，较大的块金值表示在较小尺度下的某些过程不能忽略，反之，则能忽略。从表2可以看出pH缓冲容量的块金值为0.25，其块金值数值较大，说明在小于最小采样间距的空间内可能存在一些随机因素影响pH缓冲容量，而这些因素很有可能来自于人为活动。变程反映了空间自相关范围的大小，在变程之内，变量具有空间自相关特性，反之，变量是空间独立的。图2和表2的结果表明，pH缓冲容量在38km内存在空间相关性，且随距离的增大空间变异具有增大的趋势，当达到38km后半方差函数值不再增大，而在一定的数值上下波动。块金值与基台值之比表示随机部分引起的空间异质性占系统总变异的比例。按照区域化变量空间相关性程度的分级标准，若比值﹤25%，说明变量具有强烈的空间自相关性，比值在25%～75%，表明变量属于中等的空间自相关性，比值﹥75%，变量的空间自相关性较弱[15]。土壤pH缓冲容量的块金值和基台值之比为52.8%，符合比值在25%～75%的区间，因此具有中等的空间自相关性，这可能是因为pH缓冲容量受到结构性因素(如土壤类型、母质等)和随机因素(如施肥、耕作等)的双重影响的结果。

表2 土壤pH缓冲容量各向同性半方差函数的拟合模型及各种参数

图.2 土壤pH缓冲容量各向同性半方差图

3.2.2 各向异性下的半方差函数特征 由于影响pH缓冲容量的因素较多，如有机质含量、粘粒含量、施肥、耕作等，因此在分析各向同性时，还要考虑半方差函数在各个方向上的变化，即各向异性[16]。本文在南-北(0°)、西南-东北(45°)、东-西(90°)、西北-东南(135°)4个方向用不同的理论模型拟合，拟合结果见表3和图3。从表3可以看出，除在0°方向上为纯块金外(块金值与基台值之比为100%)，其余方向都表现出程度不同的空间自相关性。总体来看，在45°方向上表现出强烈的空间自相关性(块金值与基台值之比为9.26%)，而在90°和135°上具有中等的空间自相关性(块金值与基台值之比分别为33.33%和46.67%)。

表3 pH缓冲容量各向异性半方差函数的拟合模型及各种参数

图3 pH缓冲容量各向异性半方差图

3.3 土壤pH缓冲容量的空间插值分析

在空间结构分析的基础上，对成都平原土壤pH缓冲容量变换后的数据进行了普通克里格插值分析，如图4所示，图4显示：pH缓冲容量在整个调查区域的变化幅度较大，最低值为0molH+·kg-1，最高达到24.23molH+·kg-1，总的说来，沿西南-东北方向呈现出逐渐增大的趋势；德阳、广汉等地的pH缓冲容量较高，明显要高于其它地区；成都、双流、崇州等地则相对较低。

土壤pH缓冲容量受到诸多因素的影响，各种因素对其影响程度不同，由于一般的相关计算只能得出各因素与pH缓冲容量相关程度的大小，而不能进行各因素间关联程度的比较，故运用灰色系统理论进行分析[17]，分析结果见表4。

在灰色关联度分析中，各因子的重要性以关联度的大小表示，关联度越大，则表示该因素对pH缓冲容量的贡献越大，其相互关系越密切[18]。从表4中可看出rCaCO3﹥rBS﹥rpH﹥rCEC﹥rOM﹥r物粘﹥r交换性酸，且关联度都达到0.9以上。其中，CaCO3和盐基饱和度、pH与pH缓冲容量的关系最为紧密，紧随其后的是有机质与CEC、物理性粘粒，另外，交换性酸与pH缓冲容量的关系也较密切。德阳、广汉等地的pH缓冲容量较高可能与土壤pH较高有关，该区域有长期施用石灰的习惯，在一定程度上防止了土壤酸化，致使测定结果相对较大。另外，地处岷江下游的新津地区虽然土壤质地较粗，粘粒含量较少，但由于土壤本身pH较高，因此，在这一地区出现峰值区。成都、双流、崇州等地pH缓冲容量较低可能与以下几个因素有关：第一，该区域由于城市和工业的发展，各种酸性气体排放到大气中形成酸雨，酸雨又进入土壤导致土壤变酸，从而使pH缓冲容量降低。另外未经处理的污水作为灌溉水进入土壤也是一个重要因素；第二，在崇州等地由于土壤为黄壤，其主要的胶体类型为高岭石，由于高岭石的阳离子交换量较小，从而影响pH缓冲容量，因此在这一区域出现较低值。土壤pH缓冲容量的大小与土壤的有机质、土壤pH、碳酸钙的含量、盐基饱和度以及土壤质地等密切相关，其具体机理有待进一步的研究。

表4 土壤理化性质与土壤pH缓冲容量的相关度

图4 土壤pH缓冲容量空间分布图

4 结论

(1)研究区域土壤pH缓冲容量变异程度较大，其各向同性的最佳理论模型为球状模型，具有中等程度的空间相关性，受到结构性和随机性因素的共同影响。

(2)pH缓冲容量各向异性半方差函数在不同方向上的空间变异程度的差异较大，除在0°方向上为纯块金效应外，西南-东北(45°)与东-西(90°)方向都符合线型有基台，而西北-东南(135°)方向上符合高斯模型。

(3)从土壤pH缓冲容量空间分布图来看，由于受到人为耕作的影响，德阳、广汉等地土壤pH缓冲容量较高，成都、双流、崇州等地则相对较低。

(4)土壤pH缓冲容量的大小与土壤的有机质、土壤pH、碳酸钙的含量、盐基饱和度以及土壤质地等密切相关。

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2017-08-13

蒋胜军，男，高级农艺师。E-mail：461438927@qq.com。*为通讯作者。