2022, Vol. 43
2. 贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地, 贵阳 550025;
3. 贵州医科大学环境污染与疾病监控教育部重点实验室, 贵阳 550025
2. State Key Laboratory Incubation Base for Karst Mountain Ecology Environment of Guizhou Province, Guiyang 550025, China;
3. Key Laboratory of Environmental Pollution Monitoring and Disease Control, Ministry of Education, Guizhou Medical University, Guiyang 550025, China
土壤酸碱度(pH)是评价土壤肥力质量的一个关键指标, 在土壤理化性质、养分存在的形态和有效性、微生物活性、植物生长以及碳和氮的生物地球化学循环中发挥着重要作用, 同时还能够对土壤中重金属元素的存在状态、有效性和迁移转化特性进行控制, 从而对区域生态环境质量产生重要影响[1, 2].
土壤pH值是土壤在其形成过程中受成土母质、地形地貌、气候条件以及生物活动和耕作历史等因素综合作用产生的重要属性, 因而其在空间分布上具有显著的区域性特征[3, 4].近年来, 国内外众多学者采用不同方法对城区[5]、高原[6]、平原[7]、山区[8]、丘陵[1]以及不同流域[9, 10]和土地利用方式[11, 12]等不同环境背景下土壤pH的空间分异及其影响因素进行了研究, 研究尺度在全国[11, 13]→省[14]→市[5]→县[15]→村[16]等空间尺度和时空尺度[7, 12, 17]两方面均有涉及, 还有学者对土壤pH与土壤养分之间的相关关系[18]及其对微量元素的影响[19]等方面开展了研究, 且均取得了丰硕的成果.有研究表明, 不同环境背景和时空尺度下, 土壤pH值的空间分异特征明显不同, 地形地貌、土壤类型、成土母岩、土地利用方式以及耕作施肥等结构性因素和随机因素均会对土壤pH值的空间变异产生不同程度的影响, 即使在同一地区, 随着时间的推移, 土壤pH值的空间分异程度和主要影响因素也会随之发生变化[17, 20].因此, 探究区域性土壤pH的空间分异特征及其变化规律, 分析不同环境因素对土壤pH空间分异的影响, 对于增强区域土壤pH值的精准管理, 科学认识土壤肥力水平、提升土壤环境质量和可持续利用土壤资源具有重要意义.
安顺市地处西南喀斯特地貌中心, 区内地质地貌复杂, 地表和地下河流纵横交错, 特殊的水文地貌必然带来土壤属性在空间分布上的差异.目前, 有关安顺市土壤理化性质的研究多集中在全氮、全磷和有效钾等养分方面[21, 22], 在大样本基础上对土壤pH值空间分异的研究还相对较少, 且以往研究多采用单一的地统计学方法.地统计学中的半方差函数和插值技术在定量化地表征土壤pH值的空间结构特征及其分布规律方面具有一定的优势, 但其无法揭示区域内部土壤pH值空间自相关程度的高低, 无法定量描述土壤pH值在局部空间内的聚集情况.基于此, 本文综合采用全局Moran's I指数、冷热点分析、半方差函数和克里金插值的方法, 从不同角度揭示安顺市土壤pH值的空间结构特征和分布规律, 并通过方差分析和地理探测器深入探讨土壤类型、成土母岩、地形和土地利用方式等单一影响因子及两种影响因子交互作用对土壤pH值空间分异的影响, 以期为安顺市山地土壤的科学认识、合理利用和治理改良提供依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况安顺市位于贵州省中西部(图 1), 地理位置为105°13′~106°34′E、25°21′~26°38′N, 是世界上典型的喀斯特地貌集中地区, 国土面积为9 267 km2, 其中喀斯特面积占了77.5%.地势总体北高南低、地貌以山地和丘陵为主, 海拔在560~1 500 m之间, 属典型的高原型湿润亚热带季风气候, 四季分明、雨量充沛, 年平均降雨量1 360 mm, 年平均气温在13.2~15.0℃, 冬无严寒, 夏无酷暑, 气候温和宜人[23].由于地处长江水系乌江流域和珠江水系北盘江流域的分水岭地带, 境内河流纵横, 落差大, 水能资源丰富, 土地利用类型多样.境内出露的岩石有白云岩、石灰岩和碎屑岩(砂岩、页岩、泥页岩、玄武岩等), 发育的土壤主要有红壤、黄壤、黄棕壤、石灰土、水稻土和紫色土.
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图 1 研究区位置和环境因子空间分布情况 Fig. 1 Location and spatial distribution of environmental factors in the study area |
(1) 全局Moran's I指数土壤pH在空间上的自相关程度可采用全局Moran's I指数来度量.全局Moran's I指数是在定量的基础上, 从全局尺度对地理空间要素是否存在聚集特征进行描述的一种统计量, 其取值范围通常在[-1, 1]之间, 取值为正表示土壤pH在空间上呈聚集分布, 反之则为孤立(分散)分布, 且Moran's I指数的绝对值越大表明空间相关程度越高, 越趋向于0则越偏向于随机分布.在进行全局Moran's I指数分析时通常将I标准化为Z, 以判断相关性显著程度, 当Z＞1.96, 则为显著的空间自相关, 反之则不相关.全局Moran's I指数的计算公式见文献[24].
(2)冷热点分析(Getis-Ord Gi*) 该分析方法是在全局空间相关分析的基础上, 进一步采用Gi*(d)值来表征局部区域内土壤pH的高值簇区(热点)和低值簇区(冷点), 并将其在空间上展现出来, 揭示土壤pH在空间上的分异情况, 其计算公式为[25]：
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(1) |
对Gi*(d)检验的标准化统计量为：
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(2) |
式中, Xj为某一坐标点的土壤pH值; Wij为区域内i点和j点之间的权重; EGi*和VAR(Gi*)分别表示Gi*(d)的数学期望和变异系数.若Z(Gi*)为显著正值, 则表明i地区是土壤pH高值聚集区, 属于热点区域, 反之则为冷点区.
1.2.2 半方差函数为量化结构性因素和随机因素对土壤pH空间分异的影响, 采用半方差函数对其空间变异结构进行描述.半方差参数中的块基值表示随机变异, 基台值表示总变异, 变程表示空间变异的尺度范围, 块基比表示随机变异的占比, 反映土壤pH空间自相关程度的高低.当块基比≤25%时为强空间自相关性, 介于25% ~75%之间为中等程度的空间自相关性, ≥75%时则表明弱的空间相关性, 且当块基比＜50%时表明变量的空间变异主要由结构性因素(自然因素)主导.其计算公式见文献[26].
1.2.3 地理探测器地理探测器是探测空间分异, 并揭示某种地理属性与其解释因子之间关系的一种空间分析模型, 能够探测单因子以及双因子交互作用对因变量空间分异的影响, 并对其显著性进行统计学检验[27].本文采用因子探测和因子交互作用探测功能来分析各影响因子对安顺市土壤pH空间分异的影响.
因子探测的计算公式如下[28]：
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(3) |
式中, Nh为子类型区h的单元数, N为全区的单元数; σh2为土壤pH在子类型h区的方差, σ2为土壤pH在全区的方差.
q值为某因子对土壤pH空间分异的解释程度, 其取值范围为[0, 1], 值越大表示该因子对土壤pH空间分异的解释力越强, 反之则越弱.
交互探测是在因子探测的基础上, 分别叠加两个因子图层, 并计算X1∩X2的q值, 最后对数值q(X1)、q(X2)和q(X1∩X2)进行比较分析, 判断其交互作用[28], 见表 1.
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表 1 双因子交互作用 Table 1 Two-factor interactions |
1.3 数据来源与处理 1.3.1 数据来源
于2017~2019年(土壤系统具有相对稳定性, 其在短时间内处于一定的动态平衡状态), 结合安顺市土壤分布, 按照500 m×500 m的网格在全市(除建设用地、水域和裸岩石质地)共采取22 851个土样数据, 采样深度为0~20 cm, 同时在采样时用GPS工具箱记录样点的经纬度坐标、土壤类型、母岩类型、土地利用方式以及海拔和坡度等信息, 然后在室内对土样进行风干、研磨和过筛处理后, 采用电极法测定土壤pH值(水土比2.5 ∶1)[29].
1.3.2 数据处理对研究区样本数据采用“3倍标准差法”剔除异常值后, 最终得到22 399个有效样本数据.描述性统计、正态转换和比较环境因子对土壤pH空间分异的影响的方差分析(ANOVA)均在SPSS 22中完成.全局空间自相关分析和地理探测器的因子分析分别在GeoDa1.14和GeoDetector中完成.冷热点聚类分析和Kriging插值分析均在ArcGIS10.6中完成.常规统计分析和绘图处理分别在Excel 2016和Origin 2017中进行.
2 结果与分析 2.1 土壤pH的描述性统计特征由表 2可知, 安顺市表层土壤pH的变幅在3.56~8.61之间, 均值为6.28呈弱酸性特征, 同时由样本分布频率可看出安顺市土壤主要以酸性土(pH＜6.5)为主, 中碱性土(pH＞6.5)占比不到40%.根据Nielsen等[30]分级标准, 安顺市土壤pH呈现中等程度的空间变异.为满足统计分析和Kriging插值的要求, 对土壤pH进行开平方根(square root)的正态转换, 使其符合正态分布.
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表 2 土壤pH的描述性统计1) Table 2 Descriptive statistics of soil pH |
2.2 土壤pH的空间结构特征及分布规律分析 2.2.1 全局空间自相关分析
对土壤pH进行全局空间自相关分析发现[图 2 (a)], 安顺市表层土壤pH的全局Moran's I指数为0.399, Z值为104.103 0＞1.96, P值为0.001, 表明土壤pH在空间分布上存在显著的空间正相关(Moran's I接近于1), 呈聚集分布, 即某一小区域土壤pH值的高低会受周围区域土壤pH值大小的正影响.
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图 2 土壤pH的空间自相关特征 Fig. 2 Spatial autocorrelation characteristics of soil pH |
在全局自相关分析的基础上, 进一步采用冷热点聚类分析探究土壤pH在局部空间上的聚集情况.由[图 2 (b)]可知, 安顺市土壤pH高值(热点)区集中分布在西部和西北部地区, 低值区(冷点)以东部和南部较为集中, 而东北部则表现出不显著的空间分布格局.
2.2.3 半变异函数分析参照半方差函数理论模型的选取标准(决定系数R2接近于1、残差RSS趋向于0), 对比分析表 3中各模型的参数后发现指数模型的R2最大、残差较小, 说明采用指数模型来预测土壤pH在空间上的分布效果最好.块金系数和变程表明安顺市表层土壤pH具有小范围、中等程度的空间相关性, 说明土壤pH的空间变异是由结构性因素和随机因素共同决定的, 块金系数＜50%, 表明结构性因素的作用更大.
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表 3 安顺市表层土壤pH的半方差模型及参数 Table 3 Semi-cutting model and parameters of the surface soil pH in Anshun City |
2.2.4 空间分布特征
基于半方差模型参数, 采用Kriging方法插值得到安顺市表层土壤pH的空间分布(图 3), 空间分布图和统计参数表明, 安顺市土壤主要以酸性土(pH＜6.5)为主, 强酸性土(3.56~5.5)和弱酸性土(5.5~6.5)分别占了研究区土地总面积的6.12%和57.14%, 中性土(6.5~7.5)和碱性土(7.5~8.61)分别占了土地总面积的30.13%和6.45%.在空间上, 土壤pH主要呈现班块状的镶嵌分布格局, 其中中性土以西部、西北部和东南部较为集中, 而弱酸性土则以东部、东北部和南部最为集中连片, 碱性土和强酸性土则以块状结构分别镶嵌于中性土和弱酸性土之中.
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图 3 安顺市土壤pH的空间分布特征 Fig. 3 Spatial distribution characteristics of soil pH in Anshun City |
方差分析表明(图 4), 5种环境因子均对土壤pH的空间变异具有不同程度的影响.成土母岩中以白云岩、石灰岩和紫红色砂页岩发育的土壤pH值较高, 均值均在6.5以上, 呈中性特征, 而其他母岩发育的土壤多呈现弱酸性特征.土壤类型中, 红壤、黄壤和黄棕壤的pH值要显著低于石灰土、水稻土和紫色土(P＜0.05).土壤pH随海拔增加表现出先增加再减小的趋势, 但总体上海拔＜1 200 m地区的土壤pH值要显著高于海拔＞1 200 m的地区(P＜0.05).不同土地利用方式中, 土壤pH值按大小依次排序为：水田＞旱地＞裸地＞草地＞园地＞林地, 说明耕作土壤在人为因素的影响下, 其土壤pH值要高于自然发育的土壤.不同坡度等级中, 坡度>25°地区的土壤pH值要显著高于25°以下的地区(P＜0.05).
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相同字母表示同一环境因子下不同子类型之间没有显著差异(P＞0.05) 图 4 土壤pH空间变异的影响因素 Fig. 4 Analysis of the influencing factors of the soil pH spatial variation |
因子探测结果显示(表 4), 各单因子对土壤pH空间变异的解释力q值排序为：土壤类型>成土母岩>海拔>土地利用>坡度, 其中仅坡度对土壤pH空间变异的影响不显著(P＞0.05).因子间交互作用表明任意两种因子的共同作用均会增加对土壤pH空间变异的解释力, 其中以成土母岩和海拔的交互作用解释力度最大(0.144), 而以土地利用和坡度的交互作用解释程度最小(0.02).
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表 4 安顺市土壤pH空间变异影响因素的地理探测1) Table 4 Geographical detection of the factors affecting the soil pH spatial variation of Anshun City |
3 讨论 3.1 土壤pH的空间结构特征及分布规律
中国土壤酸碱度在空间分布上总体呈现南酸北碱的态势, 长江以南地区土壤多呈现酸性[31].安顺市地处中国西南地区, 其表层土壤pH值的变化范围在3.56~8.61之间, 均值为6.28, 呈弱酸性特征.且从土壤样本分布频率(表 2)和土壤pH值的空间分布(图 2)也可看出, 安顺市土壤主要以酸性土(pH＜6.5)为主, 酸性土占了研究区土地总面积的63.26%, 中碱性土(pH＞6.5)仅占土地总面积的36.58%, 因此安顺市土壤pH在空间上符合中国土壤酸度的地理分布规律.
土壤pH作为一个区域化变量, 其在空间上的分异是多种自然和人为因素综合作用的结果.本研究中土壤pH值的变异系数(16.33%)、全局Moran's I (0.399)和块金系数(40.19%)均表明, 安顺市土壤pH值具有中等程度的空间变异和自相关性, 由于块金系数＜50%, 因此土壤pH的空间变异主要由结构性因素占主导.由于安顺市在地域尺度上跨度较小, 因此受气候变化的影响较小, 所以土壤pH主要受成土母岩、土壤类型、地形地貌以及土地利用方式等的影响, 这与同为小尺度区域研究的湖北十堰市[20]和福建建阳市[32]的研究结果相一致.
3.2 成土环境对土壤pH空间分异的影响成土母质是地壳表层的岩石矿物经过风化作用形成的风化产物, 根据岩石风化产物对土壤肥力性状的影响可将本研究中的母岩风化产物分属于3种生态类型：①SiO2含量很高的硅质岩石风化物(砂岩、砾岩和泥页岩); ②SiO2含量很少的铁镁质岩石风化物(玄武岩风化物); ③富含CaCO3的钙质岩石风化物(白云岩、石灰岩和紫红色砂页岩).由于成土母岩是土壤形成发育的物质基础, 因此其矿物组成和理化性质的差异也会对土壤pH值产生直接影响[8, 10], 本研究方差分析表明, 以钙质岩石风化物发育而来的土壤多呈中性特征, 其pH值显著高于其他母岩发育的土壤(P＜0.05).
土壤是在气候、母质、生物、地形和时间综合作用下的产物.安顺市地处西南喀斯特地区, 独特的地形地貌和亚热带湿润季风气候为土壤的形成发育提供了复杂多变的自然环境条件, 境内土壤在发生发育过程中, 经历了不同程度的风化淋溶作用、富铝化作用、黏化作用和生物小循环作用等, 使得土壤特性存在高度异质性, 形成了多样化的土壤类型[33].本研究中, 土壤pH显著性差异表现为：紫色土>石灰土>水稻土>黄壤>红壤>黄棕壤, 其中地带性土壤(红壤、黄壤和黄棕壤) 受气候和生物(植被)的影响较大, 在亚热带湿润季风气候作用下风化淋溶作用较强, 盐基离子被强烈淋失, 脱硅富铝化作用显著, 土壤多呈酸性特征[34].石灰土和紫色土均为地方性土壤, 在其形成过程中受成土母岩的影响较大, 其中石灰土是由碳酸盐岩(石灰岩和白云岩等)残坡积物发育而来, 在其发育过程中经历了碳酸岩淋溶作用、生物富钙作用和腐殖质的钙凝过程等, 土体中钙、镁离子丰富, 形成的土壤盐基饱和度高[35], 土壤多呈中性至微碱性特征; 紫色土是以紫红色砂页岩风化物发育而成, 在形成过程中经历了盐基物质的轻度淋失和易风化母质不断风化的快速补充作用, 形成的土壤具有高盐基特征[34], 所以其土壤也呈中性至微碱性反应.水稻土隶属人为土纲, 是由多种地带性或非地带性土壤经过水耕熟化、氧化还原交替以及物质的淋溶和淀积作用形成的一类土壤[36].研究区水稻土多呈中性反应主要在于：一方面继承了自然土壤的酸碱性特征, 另一方面与水耕熟化过程有关.
地形因子在土壤形成过程中虽然不提供任何新的物质, 但其能够引起地表物质和能量的再分配, 从而间接对土壤理化性质产生影响[20, 37].本研究中海拔因子与土壤类型和成土母岩交互作用的q值均较大(分别为0.134, 0.144), 说明海拔差异也对安顺市土壤pH值的空间分异产生了一定的影响.块金系数(40.19%)表明本研究中土壤pH值的空间分异主要由结构性因素占主导, 但是由于植被类型、耕作管理和改良措施等利用方式的不同, 土壤中植物凋落物和微生物活动也会出现显著差异[14, 38], 进而带来土壤属性的变化.不同土地利用方式中, 土壤pH值按大小依次排序为：水田>旱地>裸地>草地>园地>林地, 并且土地利用方式与土壤类型和成土母岩的因子交互q值分别为0.128和0.102, 说明作为随机因素的土地利用方式也会对安顺市土壤pH值的空间分异产生一定的影响.综上可知, 安顺市土壤pH值的空间分异是土壤类型、成土母岩、地形因子和土地利用方式等多种因素综合作用的结果, 由于土壤类型和成土母质对土壤pH的空间变异的解释力最大(分别为9.4%和7.9%), 且二者与其他各因子交互作用的q值也较大, 因此土壤类型和成土母岩是安顺市土壤pH空间变异的主控因子.
4 结论(1) 安顺市表层土壤pH值的变化范围在3.56~8.61之间, 均值为6.28呈弱酸性特征, 且在样本分布频率上也主要以酸性土为主, 中碱性土占比不到40%.土壤pH值的变异系数为16.33%, 具有中等程度的空间变异性.
(2) 在空间相关性上, 安顺市土壤pH在全局空间上存在显著的正相关, 呈聚集分布, 在局部空间上, 热点区集中分布在西部和西北部地区, 而冷点区则以东部和南部较为集中; 在空间分布上, 土壤pH主要呈现斑块状的镶嵌分布格局, 其中弱酸性土占了研究区土地总面积的57.14%, 集中分布在安顺市的东部、东北部和南部地区; 中性土占了土地总面积的30.13%, 以西部、西北部和东南部较为集中; 强酸性土(6.12%)和碱性土(6.45%)则以块状结构分别镶嵌于弱酸性土和中性土之中.
(3) 安顺市土壤pH值的空间变异是由结构性因素和随机因素共同决定的, 但结构性因素的作用更大.不同影响因素对土壤pH空间变异的解释程度依次为土壤类型>成土母岩>海拔>土地利用>坡度, 其中土壤类型和母岩类型与其他各因子交互作用的q值均较大, 因此两者是安顺市土壤pH空间变异的主控因子.
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