金沙江流域中上游土壤pH 值空间分布特征

常新霞 ,李文峰∗

(1.云南省作物生产与智慧农业重点实验室,云南 昆明 650201;2.云南农业大学 新农村发展研究院,云南 昆明 650201)

土壤pH 值是衡量土壤质量的重要指标之一[1],pH 通过影响土壤养分的含量[2]、重金属的迁移转化活动[3]、微生物和酶的活性[4]等,对作物生长发育以及地区生态环境的演化产生较大影响[5-6]。在我国南方水稻-油菜轮作地区,作物的农艺性状会随着土壤pH 值的上升而显著增加,最适宜油菜、水稻生长的pH 值分别为6.4 和6.8,油菜和水稻吸收养分的量则会随着土壤pH 的上升呈现出先增加后下降的趋势[7]。由于土壤pH 值的变化会受到海拔高度、成土母质、土壤质地等自然因素以及土地利用方式、灌溉、施肥等[8]人为因素的共同影响,其空间分布表现出明显的区域性特征。因此,土壤pH 值的时间和空间分布特征以及影响因素等相关内容的研究备受国内外学者关注。近年来,诸多学者将传统统计学与地统计学分析相结合,研究基于省级、市级、县级不同尺度的土壤pH 值时空变异特征。黄至颖等[9]研究了贵州省1980—2018 年土壤pH 值的时空变化特征,发现与1980 年相比较,2018 年贵州省土壤pH 值小于6.5的土壤面积呈上升趋势,而土壤pH 值大于7.5 的土壤面积呈下降趋势,并且认为气候变化、酸雨、施肥是导致贵州省土壤pH 显著降低的主要因素。郑玉文等[10]对成都市土壤pH 值进行研究,发现成都市土壤样本中酸化土壤的比例较低,且酸化主要发生在耕作区域。朱真令[11]将龙游县1984 年与2009 年土壤数据进行对比,发现研究区土壤酸化问题非常严重,并认为人为因素对土壤pH 值的影响应当受到重视。

金沙江流经云南省北部,东西横跨迪庆、昭通、丽江等7 个州 (市),是云南境内面积最大的流域。目前针对云南省金沙江流域土壤理化性质的相关研究较少,尤其是该区域土壤pH 值的空间分布特征还不明确。基于此,本文以云南省金沙江流域 (迪庆段) 为研究区域,利用ArcGIS 软件对土壤pH 值空间分布特征进行研究,进一步分析不同土地利用类型对土壤pH 值的影响,对研究区土壤的可持续利用以及相关人员有针对性的进行土壤改良具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究以金沙江流域(迪庆段) 为研究区 (图1),迪庆作为金沙江进入云南境内的入口,位于云南省西北部,金沙江在德钦县、维西县、香格里拉县均有分布,流经维西县的面积较小,境内干流全长43 万m,流域面积达16 811 m2,占全州总面积的70%以上。分布有温带、寒温带两种气候类型,年平均气温为7.3 ℃,年降雨量达965.4 mm。土地利用方式以林地为主,其中灌木林地面积最大,耕地面积相对较小。地势起伏较大,海拔高度在1 800～4 000 m,土壤分布具有明显的地带性特征,土壤类型以黄棕壤和棕壤为主,其次是红壤。

图1 研究区所在位置及样本点分布

1.2 研究方法

本文将土壤pH 值按照碱性 (>7.5)、中性(6.5～7.5)、酸性 (<6.5) 进行等级划分[12],利用SPSS 软件对土壤pH 值数据进行描述性统计分析、方差分析;利用ArcGIS 10.2 中的Geostatistic Analyst 模块进行趋势面分析以及普通克里金插值,绘制研究区土壤pH 值的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 土壤pH 值描述性统计分析

由研究区土壤pH 值的描述性统计分析结果可知土壤pH 值为4.2～8.8,最大值和最小值均出现在香格里拉县,最小值的土壤类型为红壤,最大值的土壤类型主要为黄棕壤 (表1);平均值为7.13,表明研究区土壤整体上呈中性;变异系数为13.04%,属于中等程度空间变异性。其中有690个样本pH 值小于6.5,即土壤呈酸性,占样本总量28.04%;有755 个样本pH 值为6.5～7.5,即土壤呈中性,占样本总量30.68%;有1 016 份样本pH 值大于7.5,即土壤呈碱性,占样本总量41.28%。由图2 可知,研究区各县土壤pH 平均值大小依次为德钦县 (7.60) >香格里拉县 (7.12)>维西县 (6.10),其中德钦县土壤pH 值最高,土壤呈碱性,维西县土壤pH 值最低,土壤呈酸性。

表1 土壤pH 值一般统计特征值

图2 金沙江中上游三县土壤pH 平均值

2.2 土壤pH 值趋势分析

趋势面分析通过将采样点数据投影到平面上,进而拟合出最佳的空间曲线,能够反映土壤pH 值在东西方向 (x轴表示) 和南北方向 (y轴表示)变化的特点[3,13]。本文借助ArcGIS 软件地统计模块中的趋势面分析功能获得土壤pH 值的趋势变化图。由图3 可以看出,研究区土壤pH 值自西向东(羊拉—霞若—拖顶—五境—尼西—上江—东旺—格咱—三坝—洛吉) 方向呈现出二阶非线性趋势,即先下降后升高的趋势;自北向南方向 (羊拉—东旺—格咱—尼西—霞若—洛吉—拖顶—五境—三坝—上江) 呈现出一阶线性趋势,即逐渐降低的趋势。

图3 研究区土壤pH 值的趋势

2.3 研究区土壤pH 值空间分布特征

为了能够直观地反映土壤pH 的空间分布特征,利用ArcGIS 软件的普通克里金插值法进行空间插值,绘制研究区土壤pH 值的空间分布图。由图4 可以得出,金沙江流域 (迪庆段) 的酸性土壤分布较少,主要分布在香格里拉县西南部和维西县大部分地区,碱性土壤主要分布在德钦县东北部和香格里拉县西部。德钦县碱性土壤所占面积达80%以上,维西县酸性土壤所占面积达95%以上,中性土壤有零星分布,香格里拉县以中性土壤为主,酸性和碱性土壤均有零星分布,这与传统统计学分析结果一致。

图4 研究区土壤pH 值的空间分布

2.4 土地利用类型对土壤pH 值的影响

人类对于土地不同的使用方式是造成土壤pH值空间变异的重要影响因素之一[14]。研究区土地利用方式主要是林地、草地、耕地以及其他 (由于果园、村庄等土地利用方式采样点较少,因此,将其归为1 类)。由表2 可以看出,不同土地利用类型条件下土壤pH 值差异较大,研究区草地的土壤pH 均值最高 (7.50),耕地的土壤pH 均值最低(6.98)。从变异程度来看,不同土地利用类型条件下的土壤pH 值变异系数为10.80%～13.32%,均属于中等程度的空间变异。方差分析表明,不同土地利用类型间土壤pH 值具有显著差异,4 种土地利用类型内土壤pH 值差异同样显著,且组间差距大于组内差距。

表2 不同土地利用类型下土壤pH 值统计分析

3 小结与讨论

云南省金沙江流域 (迪庆段) 土壤pH 值整体上呈中性,变异系数为13.04%,属于中等程度空间变异性。各县土壤pH 均值大小依次为德钦县(7.60) >香格里拉县 (7.12) >维西县 (6.10),白致威等[15]研究显示,云南省红河流域的土壤整体呈弱酸性,而本研究中金沙江中上游地区土壤pH 值明显高于红河流域平均水平,这与研究区海拔高、气候冷凉有关,并充分体现出土壤pH 值空间分布的地区差异性。

趋势面分析结果表明,研究区土壤pH 值自西向东方向呈现出先下降后升高的趋势;自北向南方向呈现出逐渐降低的趋势。空间插值结果表明,研究区酸性土壤面积较少,主要分布在香格里拉县西南部和维西县大部分地区,碱性土壤主要分布在德钦县东北部和香格里拉县西部,德钦县土壤主要呈碱性,维西县土壤主要呈酸性,香格里拉县大部分土壤呈中性,酸性和碱性土壤零星分布。

土地利用类型影响研究区土壤pH 值空间分布,表现为草地 (7.50) >其他 (7.13) >林地(7.11) >耕地 (6.98)。草地土壤pH 值较高,整体上呈碱性,且明显高于其他土地利用类型,这可能是由于过度放牧、大面积开垦等人类活动造成草地退化,出现盐碱化现象[16-17],该结论与张维等[18]对于四川仁寿县土壤pH 值空间变异的研究结论一致。林地土壤pH 值整体上呈中性,但林地间差异大,主要是由于研究区植被类型丰富并且林地范围内成土母质和土壤质地类型多样,进而导致不同林地间土壤pH 值差异较大。耕地土壤整体上呈酸性,可能是由于在耕作过程中长期翻耕土地加速了土壤的侵蚀以及土壤有机碳的矿化过程[19],近年来化肥[20]、地膜[21]等农业物资的大量使用也是影响耕地土壤pH 空间变异的主要因素。