基于GIS的水土保持措施下坡耕地土壤养分变异特征研究

王凤成

(凤城市河道管理处，辽宁 丹东 118100)

土壤肥沃力和生产力随养分的流失而逐渐下降，并且下游区域随面源污染物的任意排入富营养化现象严重，对人类的生活和经济发展带来了众多不利影响。据此，国内外学者针对土壤养分流失问题从多个方面和角度开展了大量的防控作用研究；研究表明植被覆盖率可有效对氮、磷的流失进行防控，然而TN流失得到控制的同时可导致矿质氮随径流的流失[1-3]。据此，在养分流失控制治理过程中采取有效措施改变耕地结构形式，并提高植被覆盖率是较为有效的方法。东北地区坡耕地面源污染物的主要流失方式是随径流泥沙作用而流失，据此在该区域通常采取不同形式的水土保持措施对坡耕地土壤养分进行控制，如冯洋[4]等提出土壤中TP和TP的养分含量在水土保持措施区明显高于无措施区。GIS技术的发展和应用，有利于提高土壤养分含量的评价和监测手段，雷能忠[5]等结合统计学基本理论，对土壤养分质量评价采用GIS技术的相关模块计算功能与插值法基本方法进行了全面客观的分析。土壤面源污染物指数可利用GIS空间分析功能以及制图模块进行空间分布和变异状况分析，而RUSLE模型是采用GIS法对土壤养分的N，P流失状况进行分析，对养分分布规律以及释放过程利用GIS插值法计算分析，可揭示N，P在土壤中的迁移转化规律。然而，当前土壤养分含量在水土保持措施体系下的分布变化规律研究相对较少[6]。据此，文章采用GIS空间插值法对坡耕地土壤有机质、N，P等养分在水土保持措施体系下的空间分布特征进行研究分析，并对土壤养分随在不同水保措施下的影响做出评价，以期为改善研究流域生态环境、水质质量，降低下游水体富营养化程度、减少土壤养分流失和面源污染提供决策依据和理论支持[7]。

1 数据来源与方法

1.1 研究区域概况

小城子小流域位于丹东市宽甸县北部，属于低丘陵石质山区。流域面积6093hm2，水土流失危害严重；土壤类型以棕壤土为主，土质黏紧结构和通透性较差，土层较薄，有机质含量低，耕作层肥力和有效养分不高，特别是棕壤土类型表现为“干瘦”，是农业生产的一大限制因素。研究流域为大陆性季风气候，四季分明，降雨集中，日照充足，温差较大。多年平均降雨量为1100mm，且在时空分布上极不均衡，每年的6—9月为汛期或降雨旺季，占全年降雨量的70%及以上，且多为暴雨或强降雨，历时短、强度大、对表层土壤破坏严重。水土保持措施体系在上坡位、中坡位和下坡位分别为水土保持林、水平梯田和地埂植物带，其中水土保持林主要以落叶松和红松为主；水平梯田田坎高1.5m，田面宽8m；地埂植物带以株行距25cm×25cm的紫穗槐为主。

表1 研究区域坡耕地在各坡位上的基本状况统计表

1.2 试验设计

该研究选取小城子小流域降雨量较大的2016年且农事活动较为频繁的4—10月进行各措施下的坡耕地逐月采样，并结合该流域目前已有的水保措施体系选取了相同高度和坡面的无措施坡耕地作为试验对照组进行对比分析，研究区域坡耕地各坡位基本状况统计结果详见表1。

结合水土保持措施分布状况以及GIS空间插值分布特点，该研究的水土保持林、水平梯田、地埂植物带和无措施坡耕地均沿顺坡方向按照“S”型分别设置50个采样点(100个土样)、28个采样点(56个土样)、15个采样点(30个土样)和28个采样点(56个土样)。采用手持GPS和PTK定位仪同时对各采样点进行精准测点定位，并按照九宫格交叉取样法分别对土层纵深在0～15cm、15～30cm处样品进行两次采集，然后在实验室对样品处理。经自然风干和碾磨，采用四分法取样并对各土样的TN，TP、有机质、有效P和pH值等参数进行测量，以7月份暴雨集中期和3月份的0～15cm深土样作为研究数据来源。各指标参数试验检测方法均参考相关国标进行试验[8]。

1.3 数据分析

该研究试验数据相关性分析采用SPSS17.0和Excel进行统计分析，对试验数据的检验和空间插值分布状况采用ArcGIS10.0软件进行计算分析。

2 结果与分析

2.1 土壤养分含量的描述性统计分析

土壤养分在无措施以及不同水保措施下坡耕地的含量存在一定差异，水保措施在一定程度上可促进土壤养分的富集。研究区域不同土壤样本的TN，TP、有机质、有效P和pH值含量变化范围分别为1.90～3.12g/kg、0.15～0.50g/kg、23.18～31.06g/kg、17.58～50.26g/kg和5.72～6.40，上述5种土壤养分的空间变异度分别为25.40%，20.62%，11.85%，7.06%和3.28%。

土壤养分含量最小值均出现在无措施坡耕地，而TN含量最大值位于水保林地，TP和有机质含量最大值位于地埂植物带，有效P含量最大值位于水平梯田。相同研究区域的土壤母质变化相对较低，故pH值相对于其他参数的变异系数最低；TP和有机质在秸秆还田措施作用下的空间变异性较低，受施肥措施或土壤中磷的流动性较低等因素影响，土壤的有效P和TP空间变异度较高[9]。

土壤养分各指标相关性计算结果详见表2。由表2可知，土壤养分含量随水土保持措施影响显著，水保措施与土壤养分各指标呈显著的相关性。

水保措施与pH值呈显著的负相关性，其原因主要与研究区域林地和植物带的不断完善相关，研究区域水土流失治理关键性技术措施基本建设完成，植物的生产有利于促进土壤理化性质的改善，并引起林地pH值的降低，水保措施相对无措施的坡耕地pH增大；pH值受土壤有机质中氮素的影响，全氮和有机质与pH值呈显著相关性；在土壤养分流失过程中磷素的流动性能较弱，因此水保措施与磷素的相关性一般；而全氮和有机质呈正相关性且相关系数最大，研究表明TN和有机质之间具有密切的关系。作为土壤磷素供给的重要参数，有效P与TP呈显著的正相关性[10]。

2.2 构建土壤特性的空间变异模型

经检验，土壤养分有机质含量、TP，TN以及pH值各指标呈正态分布，同时经转化处理后的有效P数据也为正态分布，因此满足插值计算相关要求[11]。通过设定不同拟合模型，采用普通克里金法进行插值计算，各模型预测误差结果对比分析状况详见表3。

表2 土壤养分各参数指标的相关性统计分析表

注：*代表0.05置信水平上的相关性，**代表在0.01置信水平上的相关性。

表3 半方差函数拟合模型误差值统计分析表

根据RMSE值越小则模型的拟合结果越好的基本原则，分析各拟合模型的RMSSE、ASE、MSE和ME数据值的大小和经验函数，经过综合对比分析本实验最佳插值拟合模型采用球状模型进行研究分析，球状模型计算公式如下：

(1)

式中，C0—随机变量带来的空间变异，为块金值；C—基台值与块金值的差值，为偏基台值；a—样点间距的上限值，为变程；h—样点间距。

球状模型对各参数指标的拟合函数及相关公式基本值详见表4。由表4可知，C0均小于a，由此表明任意两采样点在试验中均表现出相关性。土壤养分各指标的相关程度可采用C0/(C0+C)值进行表征，C0/(C0+C)小于25%时为强烈相关，其变异受自然因素影响；C0/(C0+C)值为25%～75%时为中等相关；C0/(C0+C)值大于75%时为弱相关性，其空间变异受认为因素影响。

由表4计算结果可知，有机质空间相关度为26%，其相关性处于中等程度，其原因主要与人为活动参与相关。据此，人类耕作活动以及自然环境是影响有机质空间变异的主要因素，然而C0/(C0+C)值趋近于25%可表明有机质受人类耕作活动的影响较自然因素低；其他各要素相关度均低于25%，研究表明自然活动影响是引起其他各参数控编变异的主要因素。

2.3 土壤特性的空间分布变化

小城子小流域流域土壤养分各要素指标在不同坡位上的空间分布状况详见表5。由表5可知，在三个坡位条件下，坡耕地在水土保持措施体系下的TN和有机质均明显大于无措施区，说明水保措施有利于提高土壤对氮素和有机质的拦蓄作用。通过对比分析不同坡位变化范围可知，水保措施对TN的拦蓄作用由坡上至坡下逐渐降低，分别为水保林地、水平梯田和地埂植物带的7.42%、6.25%和4.8%；地埂植物带和水保林地对有机质的拦蓄作用较为显著。研究表明，水保林地在上坡为对TN的富集作用较为明显，同时有利于提高TN在流失过程中的利用效率，并且非农作物的种植可有利于促进土壤对有机质的拦蓄和利用。相对于无措施坡耕地，水平梯田、水保林地以及地埂植物带的有效P和TP含量高，水平梯田对有效P的拦蓄作用较为显著而水保林地对TP的拦蓄作用最佳。

表4 球面模型对各参数指标的拟合函数及相关公式基本值

表5 小城子小流域土壤养分各指标空间分布状况 单位：g·kg-1

由表5可见，pH在不同坡位的空间对比度变化可知，上坡至下坡的空间对比度分别为-7.02%，-0.71%和-2.40%，说明非农作物在水保体系作用下可降低pH值，此变化规律和文中上述结果保持一致。

3 结论

(1)土壤养分含量最小值均出现在无措施坡耕地，而TN含量最大值位于水保林地、TP和有机质含量最大值位于地埂植物带，有效P含量最大值位于水平梯田。水保措施与pH值呈显著的负相关性；全氮和有机质与pH值呈显著相关性；而有效P与TP呈显著的正相关性。

(2)人类耕作活动以及自然环境是影响有机质空间变异的主要因素，然而值趋近于25%可表明有机质受人类耕作活动的影响较自然因素较低；其他各要素相关度均低于25%，研究表明自然活动影响是引起其他各参数控编变异的主要因素。

(3)不同坡位内坡耕地在水土保持措施体系下的TN和有机质均明显大于无措施区，水保措施有利于提高土壤对氮素和有机质的拦蓄作用。