河北承德中部伊逊河红旗地区土壤生源要素空间分布格局及其影响因素

孙厚云 ，卫晓锋，张晓敏，贾凤超，李多杰，刘卫，李健，陈自然

（1.中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京 100083；2.北京矿产地质研究院有限责任公司，北京 100012；3.承德华勘五一四地矿测试研究有限公司，河北 承德 067000）

0 引言

生源要素是指生物生长所必需的一类关键化学要素或化学物质，在土壤层中主要有包括营养盐在内的碳、氮、磷、硅、硫、钾等（刘丛强等,2009）。陆地生态系统中，土壤是碳、氮、磷等生源要素的主要蓄积库之一，生源要素碳、氮、磷的地球化学丰度，迁移转化过程与归趋密切影响着农业生态系统的维持及其生态功能的发挥（叶玉适,2014;Mponela et al.,2020）。在森林-农田生态系统生物地球化学循环、岩石风化、农业化肥使用、土地利用类型变化、流域径流和侵蚀等长期自然和人为因子共同作用下，土壤主要生源要素的分布具有明显的空间异质性，分析研究土壤中生源要素的空间分布格局及其影响因素，对土地利用优化、指导农用地土壤肥力改善等具有重要意义。

河北省承德市位于冀北山区，是京津地区生态安全的绿色屏障和生态缓冲带，土地资源丰富，是京津冀地区重要的农业、蔬菜和水果基地，纳入首都菜篮子体系，生态农业已成为支撑地区经济发展的重要产业（孙厚云等,2019,2020a）。2017年以来，为支撑生态文明建设和自然资源管理，“承德市生态文明示范区自然资源综合地质调查”项目和工程相继开展，土地质量调查是自然资源综合调查的重要组成部分，对承德市土地利用适宜性评价与国土空间利用宜林宜草宜耕区划具有重要支撑作用（王京彬等,2020;卫晓锋等,2020a;殷志强等,2020）。土壤生源要素碳、氮、磷、钾是土地质量-土壤肥力的主要组成指标，是土壤养分循环的核心（Su and Zhao,2003;刘亮等,2020;杨朝磊等,2020;卫晓锋,2020b），查明土壤生源要素地球化学含量特征，空间分布异质性和生源要素空间分异影响因素，可以为保障承德地区生态农业发展，保护生态环境、助力承德绿色发展提供基础信息和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区伊逊河红旗镇位于河北省承德市滦平县境内，为伊逊河中下游地区。区内分布多处大中型钒钛磁铁矿矿山，为一钒钛磁铁矿矿集区。研究区地形总体西北高，东南低，中部矿集区地形凸起，海拔一般在379～1062 m，属低山区。区内属温带大陆性季风气候，多年平均温度5.6 ℃，多年平均降雨量565.7 mm，降水量多集中在6至9月，地表水系主要为伊逊河及其支流哈叭沁支流（王子为等,2020）。研究区总面积约105.45 km2，土地利用类型以草地、旱地、采矿用地和林地为主，其中草地占研究区总面积的23.87%，旱地和采矿用地分别占比18.51%和18.38%，乔木林地、灌木林地和其它林地分别占总面积的12.38%、6.19%和4.30%。农用地类型主要为水浇地和水田，分布于伊逊河及其支流哈叭沁河道两侧及沟谷地带，占总面积的5.30%，园地面积占比为2.08%，城市和农村建筑用地面积占比为3.59%，河道坑坑塘等水域面积占2.36%。

研究区内河谷地带分布第四系全新统河流冲积砂砾石，第四系上更新统冲积、坡积亚黏土与粗砂；北侧哈叭沁上游出露侏罗系上统张家口组流纹岩、流纹岩夹凝灰质砂岩。研究区中部出露元古代基性、超基性侵入岩，为超贫磁铁矿和钒钛磁铁矿赋矿岩体；主要分布中元古代大庙基性杂岩斑状斜长岩，中元古代高寺台超基性杂岩斜长角闪岩、辉石岩和透辉橄榄岩，古元古代窝铺沟变质花岗闪长岩，新太古界单塔子岩群凤凰咀岩组黑云斜长变粒岩，新太古代上白庙钾长片麻岩。研究区下游小营乡一带分布晚二叠世双庙钾长花岗岩和新太古界单塔子岩群白庙岩组黑云斜长变粒岩、黑云斜长片麻岩和斜长浅粒岩。根据成土母质类型将研究区划分为角闪岩类、变粒岩类、片麻岩类、花岗岩类、流纹岩类、闪长岩类、风成黄土和冲洪积砂砾石8个亚区（图1），以便分区讨论成土母质对土壤生源要素分布的影响。研究区内土壤类型以潮土、棕壤、褐土、粗骨土和风成堆积黄土为主，土壤类型随地形变化呈一定分带特征，山麓两侧主要分布粗骨土，河谷两侧分布潮土，潮土坡上地形相对较陡处分布风成堆积黄土，坡上主要分布褐土和棕壤（图1）。

图1 伊逊河红旗小流域位置与采样点位示意图

1.2 样品采集与测试

本次研究共采集土壤样品1117 件，其中表层样品895 件，采集深度0～20 cm；深层样品（100～120 cm）123件，垂向浅钻剖面6组，采样间隔20 cm，浅钻深度160～240 cm不等，共计99件样品，具体采样位置见图1。表层土壤样品按土地利用类型图斑以网格法进行布设和采集，保障样品在空间上相对均匀。不同土地利用类型布设密度不同，水田和水浇地按16点/km2采集，园地采样密度为9点/km2，旱地和林地、草地按6～9点/km2密度进行采样，共采集样表层样品895件。为研究土壤生源要素的垂向分布特征，于研究区内按网格法采集123件深层样品，并于哈叭沁河谷上游至盆窑段采集6处垂向土壤剖面样品。样品采集采用“S”或“X”形采集组合样点进行混合，去除碎石、杂物、植物残体后自然风干，研磨、过筛加工成200目进行测试。室内分析由承德华勘五一四地矿测试研究有限公司完成，样品测试指标为土壤全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、有机碳（Corg）和pH，TN含量采用凯氏定氮法测定，土壤TP、TK采用ICP-OES（PE，USA）测定，Corg含量采用氧化热解-电位法测定。样品分析测试按规范要求加10 % 空白样与平行样控制，分析方法准确度和精密度采用国家一级土壤标准物质（GBW07349）控制，各项指标的加标回收率均在国家标准参比物质的允许范围内。

1.3 数据分析方法

本研究通过描述性统计方法表征不同深度土壤生源要素碳、氮、磷、钾的含量特征，再参照土地质量地球化学评价规范（DZ/T 0295-2016）划定土壤生源要素土地质量地球化学等级。通过典型垂向土壤剖面的元素含量分布变化特征分析生源要素的垂向迁移转化分布特征，采用地统计学变异函数半方差模型描述土壤生源要素的空间分异结构，土壤生源要素含量与土地利用类型、成土母质和土壤类型的冗余分析（redundancy analysis,RDA）反映土壤碳、氮、磷和钾含量与环境因子的相关关系，识别土壤生源要素含量的空间结构影响因素。

1.3.1 地统计学

地统计学（Geostatistics）是由法国统计学家G.Matheron 于1950年代发展形成的一门统计学分支，近年来得到广泛应用。地统计学是以区域变化量理论为基础，研究在空间分布上既具有随机性又具有结构性的自然现象的科学，能有效解释变量在空间上的分布、变异和相关特征，是在有限区域内对区域化变量进行无偏最优估计的一种方法（张会琼等,2018;孙厚云等,2019,2020c）。半变异函数，即半方差函数模型是地统计学的主要工具，其数学模型表达式为：

式中，γ(h) 为半方差函数；h为两样本点空间距离；N(h) 为间隔距离等于h的样本点的对数；Z(xi)为空间位置点xi处指标的实测值；Z(xi+h) 为空间位置点xi+h处指标的实测值（安永龙等,2020）。

1.3.2 数据分析方法

利用SPSS21对测试数据进行描述性统计，基于地统计学原理，采用 GS+9.0 软件完成半方差函数的计算和理论模型的拟合，并结合ArcGIS 10.3软件克里格插值模块生成土壤生源要素含量的空间分布图。土壤生源要素含量与环境因子RDA分析采用Canoco 5.0进行。

2 结果与分析

2.1 土壤生源要素含量的总体分布特征

对测试数据进行Kolmogorov-Smirnov 检验与描述性统计，测试指标K-S系数均大于0.10，数据符合正态分布。在数据统计基础上（表1），采用土地质量地球化学评价规范（DZ/T 0295-2016）划定表层土壤生源要素含量地球化学等级，各元素地球化学分级占比见图2。

图2 土壤生源要素土地质量地球化学等级

表1 伊逊河红旗小流域土壤生源要素碳氮磷钾含量统计

研究区表层土壤TN含量平均为848.74 mg/kg，总体以缺乏-较缺乏为主，TN属较缺乏和缺乏水平样品分别占总样品的25.03%和48.04%，地球化学等级属较丰富以上样品占比为7.71%。表层土壤TP含量相对较为丰富，平均为999.20 mg/kg，最高达11370.00 mg/kg，地球化学等级丰富和较丰富样品占比分别为22.91%和12.18%，属中等水平样品亦占比36.15%，地球化学等级为缺乏样品仅占比9.50%。表层土壤TK以较丰富为主，平均含量为2.58%（以K2O计），属较丰富水平样品占比为69.82%，TK属丰富水平和中等水平样品亦分别占8.03%和16.97%。表层土壤Corg含量地球化学等级以中等-较缺乏水平为主，Corg含量属中等和较缺乏水平样品占比分别为28.68%和34.21%，属较丰富以上水平样品总计占比为26.18%。土壤碳氮比（carbon-nitrogen ratio,C/N）既是评价土壤质量的重要因素，也是衡量土壤碳、氮营养平衡状况的重要指标（Dharmakeerthi et al.,2005;Huang et al.,2007）。研究区表层土壤碳氮比范围为2.98～74.51，平均为16.46，显著高于C/N全国平均水平1.38（李启权等,2010a），可能与农用地氮肥施用有关（熊杏等,2020）。研究区深层土壤TN和TP含量平均值分别为430.12 mg/kg和777.64 mg/kg，深层土壤TN含量显著低于表层土壤层，地球化学等级总体为缺乏水平，占样品总数的95.93%，TN属丰富水平占比仅为0.81%。深层土壤TP含量略低于表层土壤，地球化学等级水平属丰富水平样品占比为20.33%，属较丰富水平占比为4.07%，较缺乏和缺乏水平样品占比总体为67.48%。

总体而言，研究区表层和深层土壤TP含量变异系数（Cv）值均大于1.0，数据空间异质性强，数值波动性较大，可能与P元素为钒钛磁铁矿伴生元素，矿集区土壤P元素分布异质性较高有关。表层和深层土壤TN含量、表层土壤Corg含量变异系数略高于0.5，属中等程度的空间变异性；表层土壤TK含量变异系数相对最小，土壤TK含量较为稳定，空间异质性小，可能与成土母质多为火山碎屑岩、侵入岩，钾长石等矿物含量较高有关（孙厚云等,2020d）。与全国土壤元素地球化学基线值（王学求等,2016）和黄淮海平原土壤生态地球化学基准值（朱立新等,2006）进行对比，表层土壤TN、TP、TK和Corg含量平均值均高于黄淮海平原土壤生态地球化学基准值和全国地球化学基线值；土壤TN和表层Corg平均含量低于第二次全国土壤普查确定的表层TN平均水平1.54 g/kg和Corg平均水平17.53 mg/kg（李启权等,2010b）。

2.2 土壤生源要素含量的垂向分布特征

由铁马村和盆窑村路边农用地内两处土壤剖面的元素含量分布变化图（图3）可知，两处典型剖面土壤TN和TP含量总体均呈现出表层0～20 cm含量较高，20～60 cm逐渐降低，至深部后含量总体降低并趋于稳定的特征。土壤TK则呈现出随着深度增加含量先降低后升高的趋势。典型剖面PM01和PM02处土壤TN和TP含量在0～60 cm含量下降明显，PM01处TN含量由最高值918 mg/kg降低至147 mg/kg，TP则由最高值2223 mg/kg降低至最小值639 mg/kg；PM02处TN含量由最高值963 mg/kg降低至514 mg/kg，TP由最高值1369 mg/kg降低至699 mg/kg。PM01处土壤TK含量在40～60 cm，PM02土壤TN、TP和TK含量在60～80 cm处均有不同程度升高，可能与土壤质地为粘土和亚砂土，在剖面中质地粘土质含量相对较高，直接影响土壤的通气性，从而影响微生物活动所致（白军红等,2007）。

图3 典型土壤剖面生源要素含量垂向分布曲线

土壤表层TN含量较高与地表积累的枯落物不断分解，凋落物、死亡根系等植物组织累积量的增加及人为施肥等作用有关，且表层土壤氮通常以硝铵态氮的形式呈聚集状态存在，在植物根系吸收和重分配作用下，垂向剖面上TN含量表现为逐渐降低（白军红等,2007;Gao et al.,2019）。土壤TP和TK主要来源于成土母岩风化淋滤释出，垂向剖面TP、TK受植物根系吸收再分配，微生物活动和成土母质风化程度影响明显（任玉连等,2019）；风化过程中岩石-风化层-土壤剖面TP和TK表现为淋滤流失（孙厚云等,2020b），故靠近钒钛磁矿矿集区土壤剖面PM01至下部砂砾石层土壤风化程度相对较低时，TP含量相对较高，但在PM02以粘土和亚砂土为主剖面上TP含量在土层之间具有较高的连续性。土壤TK至一定深度后含量逐渐升高，与TK主要来源于长石等硅酸盐矿物风化，至深部时土壤风化程度相对降低，TK含量逐渐升高有关（Babechuk et al.,2014）。

2.3 土壤氮磷钾含量的空间变异特征

采用 GS+9 模型拟合分析得到表层土壤TN、TP、TK和Corg，深层土壤TN和TP的变异函数半方差模型表征参数-拟合理论模型、块金值（Co）、基台值（Still）、块金系数（Co/Still）、变程（range）和决定系数（R2）（图4）。块金系数（Co/Still）用以度量所研究变量的空间相关性的强弱程度，能反映空间变异受到自然和人为因素影响的作用程度（Matheron,1981）。当Co/Still≤0.25时，变量空间变异以结构性变异为主，表明变量具有强烈的空间自相关性，空间分异主要受气候、成土母质、土壤质地、地形等自然因素影响。当0.25＜Co/Still≤0.75时，表明变量具有中等程度的空间自相关性，空间变异受到自然和人为因素共同作用影响，变量空间变异在结构因子影响的基础上同时受土地利用管理、施肥和耕作等措施影响。当Co/Still＞0.75 时，变量空间变异以随机变异为主，空间自相关性弱，变量空间变异主要受人为因素影响（李文博等,2019；李龙等,2020;熊杏等,2020）。决定系数（R2）表示半方差函数理论模型的拟合精度，变程（range）则用以表征在某种观测尺度下空间自相关的作用范围。

图4 不同深度土壤生源要素碳氮磷钾含量空间变异函数拟合曲线

由图4可知，表层土壤TN、TP和TK最佳拟合模型为指数模型，表层土壤Corg和深层土壤TN最佳拟合模型为高斯模型，深层土壤TP最佳拟合模型为球面模型。表层土壤各项指标半方差函数决定系数（R2）均大于0.75，理论模型的拟合精度较高，深层土壤TN和TP半方差函数决定系数均小于0.50，拟合精度相对小于表层土壤。表层土壤TN和Corg含量的半方差函数块金系数值介于0.25～0.75之间，受气候、成土母质、土壤质地、地形等自然因素和土地利用管理、施肥和耕作等人为因素共同影响；表层土壤TP和TK，深层土壤TN和TK含量的半方差函数块金系数小于0.25，空间分异主要受成土母质、土壤类型和地形等自然因素影响。除深层土壤TN变程为20.03 km外，其它变量变程总体均小于3.0 km，拟合模型对变量的空间变异的解释程度相对较高，除深层土壤TP外，其它变量空间自相关程度较高。

3 土壤生源要素空间分布影响因素讨论

半方差变异函数模型对生源要素空间分布影响因素的解释主要为定性-半定量分析，为进一步分析土壤生源要素碳、氮、磷、钾空间分布格局的制约因素，在地统计模型基础上，结合最佳拟合模型对测试数据进行普通克里金空间插值，得到生源要素的空间分布图（图5），并对不同土地利用类型、不同土壤类型、不同成土母质类型生源要素含量进行分区统计（表2），通过RDA分析识别环境因子对生源要素分布的影响程度。

图5 伊逊河红旗地区土壤生源要素碳氮磷钾含量空间分布

3.1 研究区土壤生源要素的空间分布格局

由土壤生源要素碳氮磷钾含量空间分布图（图5）可知，表层土壤TN高值区主要分布于山麓两侧乔木林地和沟谷水浇地和水田内，与乔木林地表层土壤枯落物含量较高，农用地化肥施用有关。表层土壤TP高值区具有较好的浓集中心，主要位于哈叭沁和铁马村采矿用地周边，与成土母质钒钛磁铁矿高地质背景密切相关。表层土壤TK高值区呈东西向带状分布，主要位于塔子沟小流域与盆窑至小营乡一带，高值区空间分布与中粗粒钾长花岗岩分布具有明显的耦合关系。表层土壤Corg含量地球化学等级总体属中等-较缺乏水平，高值区仅铁马村东侧山麓上一处，与深层土壤TN高值浓集中心相一致。深层土壤TP半方差拟合模型变程值较大，使得深层土壤TP克里金插值图高值半径相对扩大，TP高值区相对扩大，从样品点统计分析来看，深层土壤TP高值点主要分布于铁马村、塔子沟和红旗镇3处，与表层土壤TP空间分布较为类似，主要位于采矿用地周围，与成土母质高地质背景有关。

3.2 土壤生源要素含量空间分布的影响因素

在生态环境领域中，冗余分析（RDA）常用以判别“解释变量”对“响应变量”的影响情况，可用以描述定性环境因子对定量属性变量的相关关系，通过原始变量与典型变量之间的相关性，分析引起原始变量变异的原因（张燕江等,2020）。RDA分析图内指示线表征各变量因子主成分分析（PCA）的特征向量大小，变量因子指示线间夹角的余弦值表示其相关系数（cos20°=0.94）。通过表层土壤TN、TP、TK、Corg和3类环境因子的RDA分析结果（图6）可知，表层土壤TN和Corg含量呈显著的正相关关系，相关系数达0.931（表3），土壤有机碳含量对土壤TN含量的影响最大。对表层土壤TN和Corg含量影响较大的环境因子，土地利用类型为水浇地、水田和乔木林地，土壤类型为潮土、褐土，成土母质类型为冲洪积砂砾石和风成黄土亚砂土。表层土壤TN和Corg含量呈水浇地和水田＞乔木林地＞其他草地＞园地＞其他林地关系，二者呈正相关关系，与土壤Corg和TN的固定具有同步效应有关（Guo et al.,2019）。TN和Corg含量受枯落物、植物根系和分泌物影响，且在微生物作用下，有机质分解主要聚集于表层土壤中。乔木林地和其他林地TN和Corg含量较高主要与林地表层枯落物含量较高有关，而水浇地和水田TN含量相对较高与农业活动施肥和耕作等人为活动密切相关。潮土和褐土，冲洪积砂砾石和风成黄土亚砂土主要分布于河谷地带水系两侧，与水浇地和水田的空间分布基本一致，故潮土和褐土，冲洪积砂砾石和风成黄土亚砂土区土壤TN和Corg平均含量亦相对较高。

表3 伊逊河红旗小流域表层土壤生源要素相关关系矩阵

图6 伊逊河红旗地区土壤生源要素碳氮磷钾含量与环境因子之间关系的冗余分析

对表层土壤TP含量影响较大的环境因子，主要为成土母质类型，土壤TP含量与角闪岩、片麻岩、花岗岩和流纹岩的空间分布密切相关；土地利用类型影响因子则主要为采矿用地和工业建筑用地；土壤类型中则为粗骨土TP含量相对较高。采矿用地TP含量平均达2773.36 mg/kg，明显高于其他用地类型，角闪岩、片麻岩和花岗岩为超贫磁铁矿和钒钛磁铁矿赋矿岩体，粗骨土主要位于山麓上部，土壤中未风化岩石碎屑成分含量较高，TP淋滤流失较小。区内相关研究表明，土壤P、V、Ti和Fe2O3呈显著正相关关系，土壤矿物磷灰石（Ca5(PO4)3OH）含量较高，岩石风化成壤使得区内土壤TP、V、Fe2O3和Ti元素具高地质背景特征（孙厚云等,2020d）。研究区土壤TP含量空间分布主要受成土母质因素影响，与钒钛磁铁矿铁族元素及伴生矿物元素丰度高地质背景有关，矿业采选活动亦一定程度上影响了表层土壤TP的空间分布，使得住宅用地、建筑用地周边表层土壤TP含量相对较高。

区内表层土壤TK分布较为均匀，不同土地利用类型除采矿用地TK平均含量为18.87 mg/kg外，其他地类TK平均含量范围为20.69～22.21 mg/kg（表2），空间分异特征不明显。闪长岩、变粒岩和花岗岩成土母质区内表层土壤TK含量相对较高，与成土母质中岩石矿物钾长石含量较高有关，结合地统计半方差分析结果，研究区表层土壤TK含量空间分布格局主要影响因素为成土母质。

综上所述，结合地统计分析、RDA分析和不同分区统计结果表明，研究区土壤TN和Corg的空间分布格局主要制约因素为土地利用类型，同时受农业活动等人为因素影响。土壤TP的空间分布受成土母质自然因素和矿业活动人为因素共同影响；土壤TK空间分布自相关程度较高，主要受成土母质自然因素控制。

4 结论

（1）伊逊河红旗地区表层土壤TN较为缺乏，Corg总体属中等水平，TK和TP相对较丰富，TN、Corg、TP和TK土地质量地球化学等级属较丰富以上水平样品占比分别为7.71%、26.18%、35.08%和77.85%。建议研究区农用地合理施用氮肥，增加生物有机肥料施用，增加农作物秸秆返田；在矿山尾矿危害元素减害情况下，可考虑使用钒钛磁铁矿尾矿资源作为土壤改良添加物，增加土壤TP含量。

（2）深层土壤TN 和TP 含量显著低于表层土壤，垂向分布上土壤TN和TP含量总体呈随深度增加而降低趋势；TK含量呈先下降后上升趋势，与成土母质与土壤质地相关。

（3）研究区土壤TP和TK空间分异以结构性变异为主，具有强烈的空间自相关性；土壤TN和Corg的空间分布格局受土地利用类型控制，农业活动等人为因素影响；土壤TP空间分布受成土母质和矿业活动因素共同影响，土壤TK空间分布则主要受成土母质自然因素控制。