甘肃陇西中药材种植区土壤有机质分布特征

高顺平，何明珠，白光祖，赵鹏善，管青霞

(1.陇西县农业技术推广中心，甘肃 陇西 748000； 2.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000)

土壤有机质(Soil organic matter，SOM)是衡量土壤肥力和质量的一个重要指标[1-4]。SOM是植物必须营养元素的主要来源，也在维持农业生态系统的稳定性和作物稳产高产发挥方面起着重要作用[5-6]。陇西县是甘肃省重要的中药材主产区，由于中药材的连作种植，一定程度上引发了土壤肥力水平下降、病虫害滋生等土壤环境和病害问题。研究表明土壤有机质和氮、磷养分含量等会随药材种植年限增加而降低，其中轮作单调、施肥不合理、药材大部分有机质输出农田生态系统等是造成土壤肥力衰退的主要原因[7]。因此，精准掌握区域内的SOM空间分布特征及其影响因素是合理规划和保障中药材可持续种植的重要前提。已有研究通过多种方法有效地预测土壤有机质的空间分布特征[8-10]。段丽君等[11]通过分析SOM 空间分布的5种主要影响因子，以插值结果为参照，分别建立SOM及其主要影响因子间的多元线性回归(MLR)、偏最小二乘回归(PLSR)、地理加权回归(GWR)、GWRMLR和GWRPLSR模型，探讨它们对SOM含量及空间分布的预测效果,得出GWRPLSR模型预测研究区SOM含量具有最高的预测精度，GWRMLR其次。陈慕松等[12]使用 ArcGIS 的统计分析模块研究了福安市耕地土壤有机质含量的空间变异情况，发现其空间变异主要受土壤母质、地形、气候等结构性因素作用的影响；同时利用Ordinary Kriging 绘制了福安市耕地土壤有机质含量分布图，直观地显示了福安市耕地土壤有机质的空间分布情况及丰缺状况。徐苏源等[13]以南长山岛为研究区，采用样方法进行调查，通过试验测定土壤和植被的各项指标，基于SPSS进行正态分布检验、相关性分析、方差分析和多重比较，发现影响南长山岛土壤理化因子空间分布的因素有地形、植被和人类活动等，其中地形和植被是主要影响因素。目前，基于第二次全国土壤普查资料，已有学者对甘肃省土壤有机碳储量及空间分布[14]和陇西县耕地土壤养分状况[15]开展了前期研究，但是，针对中药材主产区土壤有机质水平及储量的相关研究非常有限。鉴于此，本研究采用了ArcGIS 的统计分析以及用SPSS进行正态分布检验，对陇西县17个乡镇200个中药材种植区的土壤样品有机质进行分析，以期明确陇西县中药材主产区的土壤有机质储量空间分布格局，为种植区的土壤管理、测土配方施肥及中药材产业的健康发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

陇西县(104°18′～104°54′E ，34°50′～35°23′N)位于甘肃省东南部、定西市中部、渭河上游，地处陇中黄土高原中部。县域总面积2 408 km2，下辖17个乡镇[13]。该县因地处中纬内陆，为温带季风气候；主要有山地、黄土丘陵地、河谷平原三大地貌形态，其中以黄土丘陵所占面积最大，在全国地貌区划中属于甘肃黄土高原黄土丘陵沟壑区。县境内土壤类型主要包括黄绵土、黑垆土、灰褐土、潮土、红粘土，由于县境所跨经、纬度和海拔高差较小，土壤的垂直、水平分布不甚明显；主要的植被多为阔叶落叶树，其中杨、榆、柳、槐等易成活。陇西县是中药材种植的主要区域，其盛产的中药材种类较多，共70余种，其中野生药材的种类约为50余种，人工种植药材约20余种，其中普遍种植的中药材有党参、黄芩、黄芪、甘草、柴胡等[16]。

1.2 数据来源与研究方法

1.2.1 数据采集 土壤数据来自于2018年8月份在陇西地区实地采集的200个样点数据，其中样地布设采用分区简单随机抽样的方法，样本量是根据成本费用、所期望达到的精度要求以及当地的实际情况确定的，采用多点混合法进行典型样点采样。其采样点分布如图1所示。在每一采样点上采用分层抽样的方法，去除土壤表层上面的植被和凋落物，抽取每一个样点的0～10 cm、10～30 cm、30～50 cm土层的土样，总共采集土壤样本600份，将所采集的土样装袋并编号。土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法(水合热法)[17]。

气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.nmic.cn)提供的2018年的日均数据。利用克里金插值获取采样点的2018年气温、相对湿度、累计蒸发量与累计降水量信息。DEM数据来源于地理空间数据云(www.gscloud.cn/)平台下载的GDEM 30 m空间分辨率的陇西县高程数据。在获取陇西县的DEM高程数据之后，利用ArcGIS 10.6软件得到整个陇西县的高程、坡度以及坡向影像数据，并提取每一个采样点的高程、坡度和坡向的数据。

1.2.2 数据处理 通过ArcGIS 10.6软件对各个数据进行数字化并作图。利用空间分析中插值工具得到整个研究区的土壤有机质空间分布变化，利用整理的可以覆盖研究区的14个气象站2018年的观测数据，使用空间插值方法得到研究区的年均温和年降水量的空间分布数据，利用获得的DEM遥感影像数据提取研究区的高程、坡度和坡向信息，并对坡度和坡向进行分类，划分为0°～5°、5°～15°、15°～25°、25°～35°、35°～45°、>45°，共6个等级，分别为平坡、缓坡、斜坡、陡坡、急坡、险坡。利用ArcGIS 的空间分析技术，得出不同海拔、不同坡度的有机质空间分布状况。

1.2.3 插值方法 采用简单克里金插值方法对气象数据进行插值，采用局部多项式的方法对陇西县土壤有机质密度进行插值，从而得到整个陇西县域内的有机质密度空间分布状况。

1.3 土壤有机质密度计算方法

土壤有机质密度(SOMD)是指一定土壤深度土层中单位面积土壤有机质的存储量，计算公式如下：

ρk=Ck×Dk×Ek×(1-Gk)/100

(1)

(2)

式中,ρk为第k层SOM密度(kg·m-2)；k为土层深度(cm)；Ck为第k层SOM含量(g·kg-1)；Dk为第k层土壤密度(g·cm-3)；Gk为第k层土层中直径>2 mm石砾占土层体积的百分比(%)；ρ0～50为0～50 cm土层中有机质密度(kg·m-2)；Ek为土层厚度(cm)。

1.4 统计分析

利用JMP 10进行描述性统计分析，利用Pearson相关分析土壤有机质与经纬度、海拔、坡度因子之间的相关性，探索导致土壤有机质空间异质性的因子；并利用回归分析的方法构建SOM与各个因子之间的回归模型，分析各个因子对土壤有机质的影响程度；利用单因素方差分析比较不同地区土壤有机质含量差异。

2 结果与分析

2.1 陇西县各乡镇土壤有机质密度(SOMD)分布特征

通过对陇西县各乡镇SOMD进行统计分析(表1)，发现马河镇、碧岩镇、福星镇的SOMD在整个县域中较高，分别为65.87×103、59.79×103、57.90×103kg·hm-2，其中马河镇的有机质含量最高；权家湾乡、和平乡、云田镇的SOMD较低，分别为27.03×103、32.59×103、35.86×103kg·hm-2；其他乡镇的SOMD在43.17×103～54.20×103kg·hm-2之间。变异系数可以反映数据分布的离散程度，从各个乡镇采集样点的有机质含量的变异系数可以判断出在各个乡镇中有机质含量的变化幅度不尽相同。其中福星镇、和平乡、渭阳乡的有机质含量变化幅度较大，变异系数分别为51.78%、47.82%、46.21%，而菜子镇、通安驿镇的变化幅度较小，变异系数分别为19.57%、19.30%，其他乡镇的变异系数在20%～40%之间。因此，陇西县SOMD的离散程度属于中等变异程度。陇西县不同乡镇的土壤有机质含量不同，是由于各乡镇的地形条件不同，陇西县土壤有机质含量的分布表现出自西向东逐渐减少的变化规律，并且局部地区具有聚集效应(图2,见196页)。

图1 采样点空间分布Fig.1 The spatial distribution of sampling locations

表1 陇西县各乡镇土壤有机质密度(SOMD)分布特征

2.2 陇西县中药材种植区土壤有机质的空间变化特征

2.2.1 SOMD随土层深度的变化特征 SOMD随土壤深度的变化统计结果(表2)表明，表层0～10 cm的SOMD水平最低，为10.76×103kg·hm-2；10～30 cm土层SOMD最高，为18.93×103kg·hm-2；不同土层之间具有显著差异(P<0.05)，表现为10～30 cm土层土壤有机质含量显著高于0～10 cm和30～50 cm土层，30～50 cm土层显著高于0～10 cm土层(P<0.05)。随着土层深度的增加，SOMD呈先上升后下降的趋势。

2.2.2 SOMD随经、纬度及海拔的变化特征 通过对陇西县土壤有机质密度与经度和纬度进行相关性分析，并利用最小二乘法进行拟合，发现陇西县土壤有机质密度与经度存在显著负相关性，与纬度存在极显著正相关性，表现出土壤有机质密度自西向东、自南向北含量逐渐增大的趋势(图3)。陇西县土壤有机质含量与海拔存在极显著正相关性，随着海拔的升高，土壤有机质含量逐渐增加。研究区海拔落差为1 590～2 572 m，以200 m为区间，把海拔分为6个等级，陇西县土壤有机质密度含量在42×103～62×103kg·hm-2之间，按照2×103kg·hm-2，间隔分为10个等级(图4)。由于陇西县地势中间低四周高，并且在西北、西南区域海拔最高，所以其有机质密度最高，在中间渭河平原区域，海拔较低，其有机质密度值也比较低。

SOMD随着坡度的增加呈现逐渐降低的趋势，但是趋势较缓。陇西县平坡区域较少，其有机质密度变化范围较大，在41.9×103～62.73×103kg·hm-2之间，同样由于海拔的影响，表现出从东向北、西北、西、西南、南方向呈现逐渐增加的放射状分布模式;陇西县缓坡区域所占面积较大，其SOMD变化范围在41.9×103～61.9×103kg·hm-2之间，大部分区域在48.9×103～52.3×103kg·hm-2之间，南部区域在45.4×103～48.9×103kg·hm-2之间(图5)；陇西县斜坡区域所占面积也比较大，其有机质含量变化范围在41.9×103～62.99×103kg·hm-2之间，在斜坡区域土壤有机质含量表现出明显的放射性分布规律，以权家湾乡、和平乡、渭阳乡、云田镇为中心向四周辐射，随着海拔逐渐升高，土壤有机质含量也逐渐升高；陡坡区域与斜坡区域表现出相似的分布规律，但是陇西县陡坡区域较少。

表2 不同土层土壤有机质密度统计特征

图3 土壤有机质密度随经、纬度及海拔的变化特征Fig.3 Variation characteristics of SOMD with longitude, latitude， and altitude

2.2.3 SOMD随气象因子的变化特征 通过对陇西县土壤有机质密度与降雨量、蒸发量、气温、相对湿度4个气象因子进行相关性检验，并利用最小二乘法进行回归拟合，发现陇西县土壤有机质密度与降雨量、蒸发量、气温、相对湿度4个气象因子之间存在显著相关性，并且与相对湿度和蒸发量之间达极显著差异。土壤有机质密度与降雨量、相对湿度之间呈显著负相关，随着降雨量的增多以及相对湿度的增大，有机质密度降低；与气温和蒸发量之间呈显著正相关，即随着气温的升高、蒸发量增大，有机质密度升高。虽然降雨量、蒸发量、气温、相对湿度与土壤有机质密度之间存在显著相关性，但是其各个因子对土壤有机质密度的解释水平较低(图 6)。

3 讨 论

本研究表明，陇西县土壤有机质含量在空间上呈现出自西向东逐渐减少的变化规律，且局部地区具有聚集效应，而造成这一分布规律的原因是陇西县的地形因子。地形因子通过影响土壤水热资源的再分配和土壤生态系统的物质循环过程与强度来影响土壤有机质的空间变异[4]。从地质构造看，陇西县是一个构造盆地，四周隆起，中间凹陷。地貌格局可以概括为渭南山地，渭北黄土丘陵，中部渭河平原，总体的海拔趋势为自东向西、西南与西北逐渐升高，随着海拔的升高，植物分布逐渐密集，且人类活动减少，对土壤扰动程度减少，土壤有机质含量增加[16, 18]。

本研究中，土壤有机质含量随着土层深度的增加呈现出先上升后下降的特征。孙忠祥等[19]研究表明，随着土层深度的增加，土壤有机质含量逐渐降低。与本研究有所不同，可能是因为当地中药材的连作种植及人类活动的干扰，致使生物环境恶化，土壤养分减弱，从而表层土壤有机质含量低于中层土壤，而在10 cm以下符合垂直分布规律，随着土层深度的逐渐增加，植物根系数量减少，分解者的活动减弱，有机质含量降低。随着经纬度以及坡度的增大，土壤有机质含量逐渐降低。大量研究表明气温是导致土壤有机质发生变化的重要因素[20]，随着纬度的逐渐升高，年平均气温逐渐降低，植物生长速度变慢，微生物活性减弱，有机质输入大于输出；微生物是土壤有机质分解和转化的主要驱动力，对有机质的分解量远大于输入量，在一定温度范围内，随着气温的升高土壤微生物分解土壤有机质的速度加快，因此土壤有机质含量与经纬度呈负相关。刘立文等[21]的研究中得出，随着坡度的增大，土壤有机质含量降低；与本研究结果相同。可是由于随着坡度的增加，土壤侵蚀逐渐增加，地表径流的流量增加，导致凋落物的积累变少，从而导致土壤有机质的含量逐渐减少。

图2 陇西县各乡镇土壤有机质密度空间(SOMD)分布特征Fig.2 The spatial distribution characteristics of SOMDin each township of Longxi County

图4 不同海拔高度土壤有机质密度空间分布Fig.4 Spatial distribution of SOMDat different elevations

图5 缓坡区域土壤有机质密度空间分布Fig.5 SOMD spatial distribution in thegentle slope region

图6 土壤有机质密度随气象因子的变化特征Fig.6 Variation characteristics of SOMD with meteorological factors

研究表明在一定的温度范围内，土壤有机质密度与温度呈显著负相关性，随着温度的升高异养呼吸增加，CO2的排放量增多，从而导致土壤有机质密度降低[22]。降雨是土壤水分的主要来源之一，它影响着土壤的湿度、通透性以及土壤氧化还原反应，土壤中的矿化作用、有机物的合成与分解等过程都需要土壤水的参与[23]。由于陇西县土壤类型主要为黄绵土、黑垆土、潮土，其占全县面积的75.16%，而黄绵土、黑垆土、潮土的质地较粗、耕作性较差、漏水严重，随着降雨量的增多及蒸发量的减少，土壤的含水量增多，加快了土壤的矿化作用，加速了土壤有机质的分解，导致土壤有机质含量降低。而随着温度的升高，土壤酶活性增强，加快了土壤有机质的分解速率，但同时土壤的湿度逐渐降低，又限制了有机质的分解速率。而本研究表明土壤有机质密度与气温之间呈显著正相关，随着气温的升高，土壤有机质密度逐渐升高，也即随着气温的升高，土壤有机质的分解速率逐渐降低，其原因可能是在陇西县影响土壤有机质分解速率的首要限制因素为土壤水分，虽然温度升高可以提高分解速率，但是会导致土壤湿度的降低；而陇西县的土壤类型主要为黄绵土、黑垆土、潮土，保水性差，其有机质总分解速率降低，所以提高陇西县土壤有机质含量首先要解决的是土壤的保水性问题。

4 结 论

陇西县各乡镇SOMD在27.03×103～65.87×103kg·hm-2之间，变异系数在19.30%～51.78%之间，属中等变异强度。在空间上自西向东呈逐渐减少的趋势，且局部聚集；随土层深度增加，有机质含量先上升后下降；与经纬度、坡度呈负相关关系，与海拔呈正相关。SOMD的空间分布受到纬度、坡度、海拔的影响，尤其海拔对有机质的影响程度最大。陇西县土壤有机质密度与降雨量、蒸发量、气温、相对湿度4个气象因子之间存在显著相关性，并且与相对湿度和蒸发量之间相关性达到极显著水平，与降雨量、相对湿度之间呈显著负相关，与气温和蒸发量之间呈显著正相关。