宁夏中部干旱带天然草地土壤颗粒空间分布特征

曹 媛，孟 明，王 磊，杨新国，曲文杰

(1.宁夏大学 西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学 西北土地退化与生态系统恢复省部共建国家重点实验室培育基地，宁夏 银川 750021)

土壤颗粒反映了土壤的组成结构，与土壤的持水性、透水性、保蓄性等相关[1-3]，受成土母质类型、气候、地形、耕作、施肥、排灌等因素的影响[4-7]，在空间分布上呈现出特定的规律性和结构性[8-10]。目前，很多学者对土壤颗粒的空间变异性进行了研究，但是多集中在样地尺度的土壤演变等方面，对区域尺度的土壤颗粒空间分布研究较少。宁夏中部干旱带是我国典型的干旱区，土地荒漠化严重，对其土壤颗粒空间分布规律进行研究，对于研究区的生态恢复具有一定的指导价值。本研究以宁夏中部干旱带(清水河以东)区域天然草地为对象，通过空间栅格取样，对0～10、10～30 cm土层土壤颗粒含量进行经典统计学分析和地质统计学分析，以阐明研究区天然草地土壤颗粒的空间变异性和分布规律。

1 研究区域与方法

1.1 研究区概况

本研究以宁夏中部干旱带(清水河以东)区域天然草地为研究对象。宁夏中部干旱带(东径104°17′～107°39′、北纬36°54′～38°23′)地处中国西北内陆干旱中心地区、宁夏回族自治区中部，东部与毛乌素沙漠相邻，南靠宁南黄土丘陵山区，西接腾格里沙漠，地形较为平缓，平均海拔在1 100～1 600 m之间。研究区属典型温带大陆性气候，日照充足，四季分明。土壤以灰钙土为主，包括风沙土、盐土、灰褐土、灰钙土等[11-12]。土地利用类型以草地、林地、耕地为主[13]。

1.2 采样及分析

1.2.1 空间取样方法与土壤样品采集

通过ArcGIS 10.3在研究区数字化图上确定采样点37个(图1)，采样点位置均用GPS精确定位。对每个采样点的土壤分0～10、10～30 cm两层进行采样，共采集土壤样品74个。

图1 研究区采样点分布

1.2.2 样品处理与分析

将野外采集的74个塑封袋土壤样品带回实验室，在室内阴凉通风处自然风干，剔除样品中较大的石块、植物根系，将土壤样品过2 mm筛后密封保存，避免样品之间接触污染。使用激光粒度仪测定土壤粒径，土壤颗粒分级采用美国制土壤颗粒组分分级标准，分为黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、砂粒(0.05～2 mm)3个等级。

1.2.3 数据处理

利用SPSS 20.0进行经典统计学分析，对不同土层土壤黏粒、粉粒、砂粒含量进行描述性统计分析，并采用Kolmogorov-Smirnov(K-S)法进行样本正态性分布检验，显著性水平为0.05。利用ArcGIS 10.3中的地统计模块(Geostatistical Analyst)对不同土层土壤颗粒空间分布进行趋势分析、半变异分析，获得最优半方差函数和特征值，最后进行Kriging插值，获得各土层土壤颗粒的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 土壤颗粒组成描述性统计

利用SPSS 20.0软件，采用经典统计学方法对不同土层土壤颗粒含量进行描述性统计分析，计算其统计特征和概率分布，结果见表1。由表1可知，0～10、10～30 cm土层土壤黏粒平均含量分别为34.58%、41.42%，粉粒平均含量分别为31.34%、28.35%，砂粒平均含量分别为34.08%、30.23%，各土层不同粒级土壤颗粒平均含量均为黏粒最多，砂粒其次，粉粒最少；0～10 cm土层土壤黏粒含量明显小于10～30 cm土层，砂粒含量大于10～30 cm土层，即随土层深度增加土壤砂粒含量减少。

采用K-S法对不同土层土壤颗粒含量数据进行概率分布检验(表1)可知，其K-S检验P值均大于0.05，因此均符合正态分布。

变异系数是概率分布离散程度的一个归一化量度，其定义为标准差与平均值之比。按照土壤学中一般对变异系数值的评价，当Cv<10%时为弱变异性，10%≤Cv≤100%时为中等变异性，Cv>100%时为强变异性。由表1可知，不同土层土壤颗粒含量变异系数分布在16%～61%之间，因此各土层土壤颗粒组成均呈现中等变异性；随土层深度增加，土壤黏粒含量的变异系数减小，粉粒和砂粒含量的变异系数增大；0～10 cm土层土壤黏粒含量的变异系数大于粉粒和砂粒。

表1 土壤颗粒含量描述性统计特征

2.2 土壤颗粒组成空间分布趋势分析

利用ArcGIS 10.3中趋势分析(Trend Analyses)模块，获得各土层土壤颗粒趋势分析图，见图2、3、4。图中X轴表示东西方向，Y轴表示南北方向，Z轴表示各采样点的测量值，投影在YZ平面的曲线表示在南北方向的趋势效应变化，投影在XZ平面的曲线表示在东西方向的趋势效应变化。由图2、3、4可知，土壤黏粒在东西方向西高东低，南北方向南高北低；土壤粉粒在东西方向0～10 cm土层东部略高于西部，10～30 cm土层则显示出相反的趋势，西部略高于东部，在南北方向呈拱形，中部高而两端较低，北部略高于南部；土壤砂粒在东西方向东高西低，南北方向北高南低。因此，土壤黏粒、粉粒、砂粒含量均需要用二次曲面拟合。

图2 土壤黏粒组成趋势分析

图3 土壤粉粒组成趋势分析

图4 土壤砂粒组成趋势分析

2.3 土壤颗粒组成空间变异分析

利用ArcGIS 10.3中地统计模块对各土层土壤颗粒含量数据进行半变异函数分析，获得黏粒、粉粒、砂粒含量的最优半方差函数及变程、块金值、基台值等参数，结果见表2。由表2可知，各土层土壤黏粒含量和砂粒含量空间分布均符合高斯模型，土壤粉粒含量空间分布满足球状模型。按照区域化变量空间相关程度的分级标准，C0/(C0+C)值越大说明受随机性因素影响越大。当C0/(C0+C)<25%时，表明结构性因素对于空间变异性起主要作用，具有强烈的空间相关性；当25%≤C0/(C0+C)≤75%时，表明随机性因素和结构性因素共同影响空间变异性，具有中等空间相关性；当C0/(C0+C)>75%时，表明随机性因素对于空间变异性起主导作用，空间相关性较弱。由表2可知，10～30 cm土层的黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量C0/(C0+C)值分别为68%、43%、36%，表明具有中等空间相关性；0～10 cm土层各粒级含量C0/(C0+C)值均<25%，表明具有强烈的空间相关性。各土层土壤颗粒含量块金值在0.10～0.35之间，块金值较小，表明随机性因素对空间变异性的影响较小，拟合模型可较好地反映各土层土壤黏粒、粉粒、砂粒的空间分布特征。

表2 土壤颗粒含量半变异函数理论模型及相关参数

2.4 土壤颗粒组成的空间分布特征

利用ArcGIS 10.3中地统计模块对各土层土壤颗粒数据进行Kriging插值，根据插值图(图5、6、7)分析其空间分布规律。由图5可知，土壤黏粒含量的空间分布规律为：各土层黏粒含量均呈带状分布，整体由东

图5 土壤黏粒空间分布

图6 土壤粉粒空间分布

图7 土壤砂粒空间分布

北向西南呈递增趋势，其中北部地区0～10 cm土层黏粒含量明显大于10～30 cm土层。由图6可知，土壤粉粒含量的空间分布规律为：0～10 cm土层粉粒含量北部、南部和中部部分区域较低，西部和东部较高，西部和东部基本在32.05%～43.34%之间；10～30 cm土层粉粒含量空间分布与0～10 cm规律一致，不同的是0～10 cm土层东部高于西部，而10～30 cm土层西部高于东部。由图7可知，土壤砂粒含量的空间分布规律为：各土层砂粒含量均有较明显的渐变性分布规律，由南向北呈阶梯状递增，北部含量最高，北部0～10、10～30 cm土层砂粒含量基本在42.00%～71.64%和35.73%～71.27%之间，分布范围较大。

3 讨 论

(1)土壤颗粒空间分布的影响因素。研究区天然草地土壤颗粒空间分布变化存在渐变性，从南部到北部沙化程度逐步增强。不同土层土壤颗粒含量的空间变异性主要受结构性因素影响，受随机性因素影响较小，这与张娜等[14]对内蒙古河套灌区解放闸灌域土壤质地研究结果、江厚龙等[15]对平顶山地区典型烟田耕层土壤质地研究结果、张世文等[16]对县域尺度下北京市平谷区土壤质地研究结果、马黎春等[17]对克拉玛依干旱生态农业区不同土层的土壤质地研究结果、高君亮等[18]对戈壁地表土壤颗粒的空间变异特征研究结果一致。研究区地处西北内陆，风大少雨、空气干燥、海陆环流弱等气候原因导致研究区整体容易发生沙化。但是相对而言，东北部与灵盐台地相连，为主要的风蚀区，土壤沙化程度往往更高；南部与宁南黄土丘陵山区相连，属于黄土高原的北缘，水蚀和风蚀并存，土壤沙化程度相对较低。这是决定研究区土壤颗粒空间分布变异的主要结构性因素。随机性因素主要是灌溉、土地利用类型、退耕还林等人为活动，从研究结果看，这些随机性因素对于区域土壤质地分布的影响不大。

(2)不同粒径土壤颗粒含量空间变异程度的比较。土壤颗粒组成的差异与土壤的抗风蚀能力有极为密切的关系[19-20]。研究区生态环境十分脆弱，植被覆盖度低，常年干旱，土壤松散，易发生风蚀。本研究结果表明，0～10 cm土层土壤黏粒含量明显小于10～30 cm土层，且0～10 cm土层土壤黏粒含量的变异系数大于粉粒和砂粒，这主要是由于黏粒更容易受到风蚀作用的影响[21]。研究区土壤砂粒含量随土层深度的增加而减少，变异性增大。

4 结 论

(1)研究区天然草地各土层土壤颗粒平均含量均为黏粒最大，砂粒其次，粉粒最小，这反映了研究区土壤颗粒分布在垂直方向上的稳定性。各土层土壤颗粒组成变异系数分布在16%～61%之间，均呈现中等变异性；随土层深度的增加，土壤砂粒的变异系数增大。

(2)土壤黏粒含量的空间分布在东西方向西高东低，南北方向南高北低；土壤粉粒含量的空间分布未表现出明显的带状变化趋势，主要表现为在东西方向0～10 cm土层东部高于西部，而10～30 cm土层西部高于东部，在南北方向南部、北部与中部部分区域较低，其他区域较高；土壤砂粒含量的空间分布东高西低，北高南低。受结构性因素的制约，研究区土壤从南向北砂粒含量逐渐增多。