朱溪流域土壤容重空间分异与地形和土地利用的关系

潘宗涛, 陈志强,2, 陈志彪,2

(1.福建师范大学 地理科学学院, 福建 福州 350007; 2.湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地, 福建 福州 350007)

土壤容重是一定容积的土壤(包括土粒及粒间的孔隙)烘干后的重量与同容积水重的比值。土壤容重是衡量土壤养分状况的重要指标之一，对土壤的肥力、透气性、入渗性能、持水性能、溶质迁移特征、土壤抗侵蚀能力以及生物生长具有重要影响[1-2]。相关研究表明，随土壤容重的增加，植物根系生长受到抑制，当土壤容重达1.8 g/cm3时，植物根系基本不能生长[3]。

影响土壤容重空间分布的因素众多，如土地利用方式[4]、植被盖度[5]以及地形(包括海拔、坡度、坡位、坡向)[6]等。地形通过影响坡面土壤侵蚀以及人类活动而直接或间接影响土壤容重的空间分异。连纲等[7]在黄土高原小流域土壤容重研究中发现，土壤容重与复合地形指数CTI正相关，并且不同土地利用类型土壤容重变异较小。李卓等[8]在土壤容重对土壤水分蓄持能力的研究中表明，土壤各吸力段水分蓄持能力均随容重增大递减，比水容量值也随容重增大递减。沈奕彤等[2]研究发现，土壤容重是影响坡地溶质迁移以及坡面降雨产流产沙的重要因素。然而，目前国内对于中国南方红壤侵蚀区土壤容重与地形及土地利用关系的研究较为少见。

本文拟基于地统计分析等空间分析方法，在小流域尺度内分析南方红壤侵蚀区土壤容重的空间分布，探讨高程、坡度、坡位和坡向等地形因子以及土地利用对朱溪流域土壤容重分布的影响，以期为该流域及类似区域水土流失治理提供一定的理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

朱溪流域位于福建省西南部长汀县境内，面积约为4 495.65 hm2。流域地势自东北向西南倾斜，海拔270～680 m，地貌以低山丘陵为主。该区域属于中亚热带季风性湿润气候，湿热多雨，多年平均气温18.3 ℃，年降水量1 700～2 000 mm，雨季较长，降雨集中[9]。湿热气候下生成了抗蚀性差的酸性红壤，其风化壳较厚，一般可达10～20 m。天然植被受到破坏，现植被以次生马尾松(Pinusmassoniana)为主，树种单一，结构简单，林下灌木主要为散生的小叶赤楠(Syzygiumbuxifolium)、黄瑞木(Adinandramillettii)、石斑木(Rhaphiolepisindica)等，草类包括芒萁(Dicranopterisdichotoma)、鹧鸪草(Eriachnepallescens)等[10]。该流域曾是福建省土壤侵蚀最严重的地区之一，也是中国亚热带花岗岩丘陵地区水蚀荒漠化的一个典型代表[11]。

1.2 数据获取与处理

本研究数据来自2009年对整个朱溪流域土壤野外调查工作，共收集118个采样点(附图4)，涉及到草地、耕地、水域、林地、居民点及工矿用地、园地、交通用地及未利用地等用地类型。运用删格采样法确保采样点分布相对均匀，以满足地统计分析需要。样品取自表层0—20 cm土壤，容重的测量采用环刀法。

利用SPSS 20.0对数据进行描述性统计，得到结果(表1)。运用ArcGIS 10.2地统计分析模块对数据进行预处理，主要包括数据正态分布检验、趋势分析、全局异常值与局部异常值的剔除[12]。从采样点中剔除3个异常点，剩下的分为2部分。100个采样点用来建立变异函数模型以及插值分析，另外15个样点用于验证插值结果。根据处理后的采样点数据，选用普通Kriging空间插值法对朱溪流域土壤容重进行空间插值。利用SPSS 20.0分别对采样点土壤容重值与高程和坡度做Pearson相关性分析。在相关性分析的基础上，运用Origin 9将采样点数据进行处理后，拟合土壤容重与坡度，容重与高程的散点关系。通过0/1赋值，0表示不存在，1表示存在，将坡位转化为5个虚拟变量，将其与土壤容重进行相关性分析。通过求取坡向的正弦和余弦值，将原始坡向转化为南北向和东西向2个虚拟变量(sinα>0，表示坡向偏北，cosα>0，表示坡向偏东)[13]，并将土壤容重与2个虚拟变量进行相关性分析。

表1 土壤容重的描述性统计

1.3 研究方法

1.3.1 地统计分析基本理论 半变异函数是地统计分析的基本工具，其基本公式如下[14]：

(1)

式中：γ(h)——半变异函数;h——步长，即采样点空间间隔距离;N(h)——间隔为h的采样样点对数;Z(xi)和Z(xi+h)——变量在xi和xi+h空间位置上的实测值。

半变异函数主要有以下主要参数即基台值(Sill)、块金值(Nugget)、变程(Range)和结构方差(Partial Sill)。结构方差也称为块金系数即块金值与基台值的比值，可表示系统变量的空间相关性程度[15]。

根据计算出的半变异函数值，建立相应理论模型。模型的块金系数反映了随机性因素引起的变异占系统总变异的比例。当块金系数小于25%时，说明系统具有很强的空间相关性，大于75%时说明系统空间相关性很弱[16]。半变异函数最常用的是球状模型、高斯模型和指数模型[17]。利用ArcGIS地统计分析模块选取最优模型。模型的选择标准为：标准平均值最接近于0，均方根最小，平均误差最接近均方根误差，平均标准误差最接近1[18]。根据所选最优模型，采用Kriging空间插值方法生成土壤容重的空间分布图。

Kriging空间插值法是地统计学重要内容之一，它是建立在变异函数及结构分析基础上对区域化变量的无偏最优估计。Kriging法相对于普通估计方法的不同之处是它不仅考虑了待估样点与邻近样点的空间位置，而且把邻近样点的位置关系考虑进去[19]。Kriging法运用的前提是区域化变量存在空间相关性。因此，Kriging插值的实质是一个实行局部估计的加权平均值[20]。Kriging估计法的线性组合公式为:

(2)

式中：Zv(x)——待估点的内插估计值;λi——权重;Z(xi)——在点x附近观测点上得到的实测值。

1.3.2 ArcGIS空间分析 以覆盖朱溪流域的1∶1万地形图为底图，在ArcGIS 10.2中经过底图扫描，图像校正，投影(Beijing_1 954_3_Degree_GK_CM_117 E)以及矢量化等高线，并创建不规则三角网(TIN)生成高精度数字地形图(DEM)[21]。运用ArcGIS空间分析模块，从DEM中提取高程、坡度等地形因子，并进行高程和坡度分级。将高程分为0～300，300～350，350～400，400～450和>450 m这5个等级，将坡度分为0°～10°，10°～20°，20°～30°，30°～40°，40°～50°和>50°共6个等级。利用区域分析功能将重分类后得到的分级图进行分区统计。将土壤容重空间插值图转换为删格数据后进行重分类，并将其作为分区统计的赋值栅格，进行分区统计，最后分别得到以高程和坡度为基础的土壤容重分区统计值。将土地利用类型图进行重分类并与土壤容重重分类图进行叠加运算，得到不同土地利用类型下的容重面积分布关系图[22]。

2 结果与分析

2.1 土壤容重空间分异

当变异系数0.1

表2 朱溪流域土壤容重的理论模型和相应参数

由附图5可以看出：土壤容重具有从东北向西南增大的趋势。土壤容重值大于1.28 g/cm3的高值区主要分布在中部和南部地区。容重值小于1.14 g/cm3的地区主要分布于东部和东北部。容重值大于1.35 g/cm3的高值区主要零星分布在西南部。容重次高值的区域大致呈“人”字型成片分布，并出现由其两侧向远处逐渐递减的趋势。

2.2 地形与土壤容重空间分异

2.2.1 坡度、坡向和坡位与土壤容重空间分异 通过相关分析，得到坡度与容重的相关系数(r=-0.66，p<0.05)，表明坡度与容重相关性良好。如图1所示，土壤容重随坡度增加大致呈线性递减的趋势(R2=0.410)。

图1 土壤容重随坡度增加的变化情况

由附图6可以看出，研究区域坡度大致由东向西降低，西部河流下游地区以及中部河谷地区坡度较小均小于10°。由坡度分区统计(表3)可以分析出，各分区内土壤容重均值随坡度值增大而减少，这与以上拟合曲线变化趋势基本一致。坡度小于20°的区域占研究区面积比重达62.07%，其土壤容重均值介于1.23～1.25 g/cm3，容重值相对较大。坡度值大于40°的地区主要分布于东部和东北部，占面积比重仅为2.18%，区域内土壤容重均值介于1.14～1.17 g/cm3，容重值相对西部较小。

表3 朱溪流域土壤容重坡度分区统计

土壤容重分别与坡向虚拟变量和坡位的虚拟变量相关分析(表4)。坡位虚拟变量与土壤容重相关系数为正，则表明其容重值大于其他位置，为负则相反，绝对值越大说明不同部位容重值差异显著。sin(坡向)和cos(坡向)与土壤容重相关系数为正值，表示容重值在偏北坡大于偏南坡或者偏东坡大于偏西坡，负值则相反。

经过数据处理后，发现研究区土壤容重在不同坡位和坡向上存在一定差异，但是容重空间变异与坡位和坡向相关性并不明显(p>0.05)。

表4 朱溪流域土壤容重与坡位和坡向的相关性分析

2.2.2 高程与土壤容重空间分异 通过分析，得到高程与土壤容重的相关系数(r=-0.53，p<0.05),高程与容重拟合函数的决定系数R2=0.280。从附图7可以看出，高程与坡度具有相似的变化趋势，即由东部向西部逐渐降低。将土壤容重空间插值图与高程分级图进行分区统计，得到表5。从表5可以分析得出，土壤容重均值随高程增加而减少的趋势较为明显。高程小于300 m的区域占研究区面积比重为27.38%，主要分布于西部和中部部分地区，其区域内的土壤容重均值为1.27 g/cm3，大于采样点均值1.24 g/cm3。而在高程大于450 m的区域，土壤容重均值为1.16 g/cm3，明显小于总体均值。人类活动也是土壤容重分布影响因素之一，而居民点及工矿用地是人类活动较为集中的区域。通过将DEM与居民点及工矿用地面积进行叠加分析，发现居民点及工矿用地面积随海拔增加而显著下降，分别在0～300，300～350，350～400 m占该用地类型总面积比重为77.5%，19.6%和2.9%，而在海拔为400～450和大于450 m区域的面积总和，占总面积比却小于0.1%。

表5 朱溪流域土壤容重高程分区统计

2.3 土地利用方式与土壤容重空间分异

如表6所示，研究区域林地占总面积的62.5%，林地主要以次生马尾松林为主，林下分布着多种杂草。根据土样分析发现，在该地区土地利用中，林地土壤容重均值最小，为1.21 g/cm3。草地占流域总面积的0.2%，容重均值为1.23 g/cm3。容重均值较大的土地利用类型分别是居民点及工矿用地和交通用地，其均值分别为1.37，1.35 g/cm3。其中耕地主要分布在河流沿岸的河谷盆地，占区域总面积22.5%，其土壤容重均值为1.25 g/cm3，耕地以水稻田种植为主，其土壤容重受人为影响明显。居民点及工矿用地、交通用地、水域以及未利用地等土壤容重最小值均大于1.07 g/cm3，并且在容重值较大的1.28～1.35 g/cm3范围内占比重分别为38.3%，32.7%，35.4%和56.6%，明显大于其他土地利用类型。未利用地土壤容重值最小值大于1.21 g/cm3，而林地、园地和草地等植被覆盖良好，受人类活动影响相对较小的区域，土壤容重最小值均小于1.07 g/cm3。

表6 土地利用类型与土壤容重空间分布面积 hm2

3 讨 论

3.1 地形对朱溪流域土壤容重空间分异的影响

朱溪小流域土壤容重均值随坡度增大而减小，并且坡度与容重相关性较大。主要是因为该流域坡度小的区域为农业生产区域、高速公路和国道由此经过，各种活动对土壤的踩踏造成土壤的紧实，从而导致土壤容重值较高[24]。而坡度较大的区域，海拔相对较高，人为影响小，植被覆盖良好，从而降低了土壤容重值。

土壤质地是影响土壤容重的重要因素[25]，低海拔区域位于河流的下游地区，高程和坡度较低，从高海拔表土冲刷而来的细土粒在低海拔沉积。因此，随海拔的升高，土壤黏粒与粉粒含量降低，而砂粒含量相对增加，土壤质地随海拔的这种变化造成土壤容重随海拔的升高而降低[26]。此外，人类活动较为活跃的地带主要分布于低海拔区域，且随海拔升高而影响逐渐减小，从而在一定程度上影响土壤容重随海拔升高而产生的空间变异。

3.2 土地利用方式对朱溪流域土壤容重空间分异的影响

朱溪流域不同土地利用类型下的土壤容重均值存在明显差异，该结果与连纲等[7]在黄土高原区不同土地利用下土壤容重分析结果并不一致，可能与研究区域差异以及植被类型差异和样本数量等有关。该流域中下游地区是人口聚居区域，有关研究表明，在该区域以居民点建立缓冲区，土壤容重值在缓冲区内大于缓冲区外[27]。因此，人类活动在一定程度上破坏了该流域土壤容重的结构性，因而随机性因素扩大。居民点及工矿用地、未利用地、交通用地等土地利用类型人类活动较为活跃，容重均值相对较大。林地、草地和园地等土地利用类型，由于该区域植被覆盖相对较好，土壤平均孔隙度相对较大，土壤容重因此相对较低，土壤容重均值明显小于其他土地利用类型。由于历史人为破坏严重以及土壤抗蚀性差等原因，该流域曾经是中国南方水土流失较为严重地区，经过一系列综合治理与开发，朱溪流域生态环境得到很大改善，形成以林地为主的土地利用格局，有效改善了土壤结构。因此，应继续坚持水土保持工作，加大植被保护力度，以保证该流域土壤结构的持续性改善。

4 结 论

(1) 朱溪流域土壤土壤容重值大致存在由东北向西南逐渐增加的趋势，土壤容重高值区域主要分布在河流下游的中部和西南部，低值区主要分布在东部、东北部和西北部等区域。

(2) 研究区土壤容重值的变化与高程和坡度变化存在负相关关系，即土壤容重值随海拔和坡度的增加而降低。高程和坡度是影响该流域土壤容重空间分异的主要地形因子，而坡位和坡向等因子对于研究区土壤容重的空间分异相关性不明显。

(3) 不同土地利用类型土壤容重分布存在明显差异，相似土地利用类型的土壤容重均值差异较小。居民点及工矿用地、未利用地、交通用地和水域土壤容重均值较大，且在容重高值区域，占面积比重大于其它土地利用类型。耕地土壤容重均值为1.25 g/cm3，接近该区域容重均值，土壤结构良好。林地、草地和园地等土地利用类型土壤容重相对较低，土壤容重均值明显小于其他土地利用类型，说明植被覆盖可以有效改善该流域土壤结构。