基于Kriging和GIS的西江下游典型流域森林土壤全磷的空间分布研究*

康 剑 王 洋 何超银 张中瑞 丁晓纲

（1. 广东省森林培育与保护利用重点实验室/广东省林业科学研究院，广东 广州 510520；2. 中国科学院华南植物园，广东广州 510650）

森林土壤是森林植被的基础，土壤质量的高低直接影响森林的生长发育。土壤养分（氮、磷、钾、有机碳等）作为最基础的土壤属性，代表了土壤的肥力状况，决定了土壤为森林提供营养物质的能力[1]。森林土壤养分的空间分布特征直接影响到林地生产力的高低以及生态恢复的方向与途径，因此，研究森林土壤养分的空间分布特征，对了解土壤质量状况和制定生态修复措施具有重要意义。

磷素是多种生物酶的组成部分，参与生物呼吸代谢、酶促反应等重要的生理生化过程，影响生物的生长及生理活动，是植物必需的大量营养元素[2]。而土壤磷素对植物的生长代谢产生重要影响，从而影响到生态系统的结构与功能，以及SOC 和土壤磷素含量[3]。土壤中磷的形态主要可分为有机态磷和无机态磷[4]。磷素在土壤中的化学行为主要为磷的固定和释放过程。相对于土壤碳和土壤磷素，土壤磷素多以难溶态存在，移动性差[5]。因此，磷常常制约着植物的生长和发育，成为限制生态系统发展的重要元素之一。

本文以西江下游典型流域为研究对象，利用普通克里金法对磷的分布情况进行预测，并利用GIS 技术进行空间插值模拟，了解该区域土壤磷含量及空间分布特征，以期了解西江流域下游土壤质量状况，为今后生态修复措施的实施，生态环境评价与利用提供科学依据。

1 研究区域与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于西江流域下游，位于珠江三角洲的西部，主要包含江门市鹤山市、蓬江区、新会区，研究区域坐标为东经112°28′～113°01′，北纬22°28′～22°51′，地势北低西高，以低山丘陵为主，土壤多为赤红壤。地属亚热带季风气候，气候温和多雨，冬夏分明，年均气温23.0℃，年降雨量约2 424.4 mm，日照平均1 612.5 h，无霜期在360 d 以上。

1.2 土壤样点布设

2021 年7 月，采用专题布点和空间随机布点相结合的方式，依据土壤属性空间分布预测模型质量要求，在土壤调查区域内生成抽样网格，并进行无人机踏查及各调查专题点的高分辨率DEM衍生数据提取，确定土壤样点布设位置及调查线路[6]，共布设121 个样点（图1）。

图1 西江下游流域森林土壤样点布设Fig. 1 Layout of forest soil samples in lower reaches of Xijiang River Basin

1.3 土壤样品采集

将布设样点的地理坐标定位到林相图上的地籍小班，借助GPS 找到样点区域。选择样点内能够充分代表该地林分特征的区域挖掘3 个土壤剖面（长1.2～1.5 m，宽0.8～1.0 m，高1.0～1.2 m），分5 层取样，由上至下依次为0～20 cm（D1）、20～40 cm（D2）、40～60 cm（D3）、60～80 cm（D4）、80～100 cm（D5），每层均匀采集土壤（不少于500 g），每个样点3 个剖面共采集样品5 层/个×3 个（剖面）=15 份。采集后的土壤样品用封口袋盛装，并及时带回实验室，风干、过筛后以用于测定土壤基本指标。

1.4 指标测定方法

土壤全磷含量采用酸溶法测定[7]。

1.5 研究方法与数据处理

采用Excel 2019 软件进行数据处理和汇总，应用SPSS 25.0 软件进行统计学分析。用普通克里金空间插值法对研究区域的全磷含量分布情况进行空间预测，用ArcGIS 10.7 对空间分布图预测进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同层次森林土壤全磷含量描述性统计

不同土壤层全磷含量描述性统计如表1 所示。土壤全磷含量平均值在D1-D5 土壤层分别为240.12 mg/kg、232.09 mg/kg、218.00 mg/kg、209.21 mg/kg 和208.50 mg/kg。5 个土壤层全磷的平均值随着土层的加深整体呈下降趋势。各土层全磷含量的标准误差和标准差在D1-D4 层含量逐渐减少，D5 层略微上升。如图2 所示，不同层次土壤之间全磷含量的差异性不显著。除D1 与D4、D5 层土壤差异性显著外，其余层次土壤间全磷含量无显著差异性。

表1 西江下游典型流域森林土壤全磷含量描述性统计Tab.1 Descriptive statistical table of forest soil total phosphorus content in lower reaches of Xijiang River Basin

图2 西江下游流域森林土壤全磷含量箱线图Fig. 2 Box line diagram of soil total phosphorus content in lower reaches of Xijiang River Basin

2.2 森林土壤全磷含量空间分布特征

如图3 所示，根据空间插值预测值的结果，西江下游流域D1-D5 层土壤全磷含量分别位于48.55～719.21 mg/kg、48.75～713.70mg/kg、48.48～772.18 mg/kg、46.89～577.48 mg/kg、47.31～562.34 mg/kg 的范围内。从水平分布情况来看，研究区域全磷含量整体呈中、北部高，东部和西南部较低的分布特征，即鹤山市北部和中部、新会区中部区域土壤全磷的含量相对较高，蓬江区和其他区域土壤全磷含量相对较低。对于全磷含量较高的中部和北部区域来说，全磷含量在D1-D3 层呈上升趋势，随后呈下降趋势。而其他区域则表现出先下降后上升的相反趋势。整体来讲，土壤全磷含量在水平方向基本呈中、北部高，东部和西南部较低的的趋势，在垂直方向上无明显变化规律。

图3 东江中下游流域不同土壤层森林土壤全磷含量空间分布Fig.3 Spatial distribution of soil total phosphorus content in forests of different soil layers of Xijiang River Basin

3 结论与讨论

对研究区域内的全磷含量进行常规计算统计分析，结果显示土壤全磷含量的变化范围为46.89～772.18 mg/kg。从土壤养分含量的均值来看，研究区域土壤全磷均值为221.19 mg/kg，根据全国第二次土壤普查养分分级标准[8]，研究区域的土壤全磷为五级标准，即养分处于缺乏水平。因此，在后续的经营过程中，要及时施肥还养，加强土壤全磷肥效的补充，促进林木的生长。从均值来看，五层土壤中D1 层全磷含量最高，随着土壤层次的加深呈逐渐下降趋势，呈现出表聚趋势，这与前人研究结果一致[9、10]。不同层次土壤之间全磷含量的差异性不显著，除D1 与D4、D5 层土壤差异性显著外，其余层次土壤间全磷含量无显著差异性。

根据预测分布图显示，水平来看，研究区域中土壤全磷分布整体呈呈中、北部高，东部和西南部较低的分布特征。因此，要根据实际情况有针对性的对各区域施加全磷肥料。从垂直分布来看，D1 层土壤全磷含量显著高于D4、D5 层，这与前人研究结果一致[10]，这可能是因为土壤深处受到人为施肥影响较小。但整体来说，研究区域土壤全磷在垂直方向上无明显的变化规律，因为土壤全磷含量受土壤母质、土壤类型、土壤特性、植被类型、气候条件及土地管理措施等多方面的影响[11]，需对研究结果进行进一步的分析验证。

土壤磷素既是限制植物生长和土壤肥力的关键指标，也是调控土壤碳、氮生物地球化学循环过程的重要元素[12-13]。研究区域土壤全磷含量大部分处于缺乏水平，为促进研究区域森林可持续发展，需要根据各地全磷分布情况有针对性的增施磷肥，促进土壤肥力的提升和林木的生长。