東江中下游流域森林土壤磷空間分布特征*

李瑩瑩 齊 也 康 劍,2 曲 仡卓桂珠 何超銀 王 洋 張中瑞

（1.廣東省森林培育與保護利用重點實驗室/廣東省林業科學研究院，廣東 廣州 510520；2.中國科學院華南植物園，廣東廣州 510650）

森林土壤肥力狀況直接關系到林木的生長和健康，對森林生態系統恢復和可持續經營具有重要影響。其中磷是林木生長所必需的營養元素，是森林土壤營養狀況的指示劑[1-2]。若土壤中缺少磷，不僅會影響植物的正常生產，還會阻礙其他養分的吸收[3-4]。了解東江中下游流域森林土壤中磷的空間分布特征，揭示土壤磷含量在水平及垂直方向上的空間分布特征，可為東江中下游流域合理利用森林土壤資源、科學施肥和生態修復等提供科學的理論依據。

土壤的性質在空間上通常是連續變化的，其空間變化可以用變異函數來量化[5]?？臻g插值法則是使用變異函數來確定計算平均值時應用于數據的權重，通過已知點的空間信息對未知點的空間特征進行估計的一種制圖方法[6]。張鐵嬋等[7]采用三種常用的空間插值法對5 種土壤養分元素進行空間插值，插值結果表明在采樣點密度大的地區，插值精度理想?？臻g插值法因其操作過程簡單且運算速度迅速的優勢在至今的土壤制圖工作當中仍然具有舉足輕重的地位。

本研究主要以東江中下游森林土壤地區192個土壤樣點的磷實測值為基礎，在ArcGIS 10.7 中采用克里金空間插值模塊生產區域內的磷空間分布圖，摸清東江中下游的森林土壤磷空間分布格局，為研究土壤退化、生物多樣性缺失、氣候變化和制定土地管理計劃等提供重要依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

珠江是我國南方最大的河流，是中國第二大和第四長的河流；東江是珠江流域三大水系之一。研究區域主要位于東江中下游地區，位于廣東省中南部，主要涉及惠州市惠城區、博羅縣、惠東縣以及龍門縣。研究區內雨量充沛，陽光充足，氣候溫和，屬亞熱帶季風濕潤氣候區，具有明顯的干濕季節。研究區土地利用類型以林地為主，其中常綠闊葉林植被占據主要面積；土壤類型主要以黃壤為主，在亞熱帶氣候環境下，巖石風化作用強烈，殘積、沖積形成土層厚度較大，博羅羅浮山有山地草甸土分布，且表層土壤鉀、磷含量較高，潛在肥力較好。

1.2 土壤樣點調查、采樣方法及指標測定

圖1 東江中下游流域森林土壤樣點布設Fig. 1 Layout of forest soil samples in the Dongjiang River Basin

基于林地的代表性和土壤樣點數據的適用性和可獲取性，采樣方法主要結合了專題布點與隨機布點兩種方法[8]，2021 年7 月，依據土壤屬性空間分布預測模型質量要求，在東江中下游流域最終選取192 個采樣點，主要分布于惠城區、博羅縣、惠東縣以及龍門縣。選擇植被、地形條件(坡向、坡位等)具有代表性的地點作為剖面點，為保證土壤調查結果科學可靠，在每個樣點周邊選擇具有代表性的地帶挖掘3 個剖面，剖面水平間距不小于 10 m。取樣時每個剖面分D1（0～20 cm）、D2（20～40 cm）、D3（40～60 cm）、D4（60～80 cm），共4 層由下至上分別分層取樣，每個樣品重不少于500 g；將采集后的樣品進行密封保存，帶回實驗室后進行自然風干，研磨篩選后制樣，后參照《森林土壤磷的測定》LY/T1232—2015進行測定[9-11]。

1.3 研究方法

在克里金空間插值法中普通克里金插值法是最為常見的用于預測連續性數據的一種插值方法。普通克里金插值法主要是將已知點的實測屬性加權值來代表未知點屬性值（預測值），且用廣義最小二乘法進行無偏和最優估計得到最優的權重值。在ArcGIS 的地統計向導模塊中可實現普通克里金插值法的流程化操作，其原理首先是計算已知點（樣點）之間的半變異函數，其次尋求最合適的擬合函數，最后用最優擬合函數進行預測。

1.4 數據處理及制圖

采用Excel 2019 對數據進行初步整理計算，并用R 軟件進行可視化；采用SPSS 26.0 軟件對森林土壤磷的實測值進行描述性統計、相關性分析等；最后采用ArcGIS 10.7 軟件繪制空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 不同土層森林土壤磷含量描述性統計

研究區的土壤樣本數據情況如表1 所示，并用R 軟件的工具包可視化樣點數據如圖2 所示。由表1 和圖2 可知，磷含量的平均水平隨著土壤深度在下降，平均水平最高的土層（D1）比平均水平最低的土層（D4）高出58 mg/kg。且磷在D1 土層的變化最大，最大值和最小值之間相差5 304.14 mg/kg。從標準差來看，D1 土層的土壤樣點的磷含量數據最為離散，圖2 的箱線圖也直觀的展現出D1 土層的磷樣點含量最為離散分布。根據表1 的峰度和偏度值以及圖2 的箱線圖顯示，4個土層均呈現偏正態分布。另外，圖2 箱線圖顯示，D1 土層與D3 土層之間土壤磷的含量存在顯著差異，其余各土層之間的磷含量均不存在顯著差異。

圖2 東江中下游流域森林土壤磷含量箱線圖Fig. 2 Box line diagram of phosphorus content in forest soil in the middle and lower reaches of Dongjiang River

表1 東江中下游流域森林土壤磷含量描述性統計Table 1 Descriptive statistics of phosphorus content of forest soils in the middle and lower reaches of the Dongjiang River

對比全國第二次土壤調查的養分分級標準可知[9]，東江中下游流域森林土壤磷平均水平處于Ⅴ級水平（表2）。

表2 土壤養分分級標準[9] mg/kgTable 2 Soil nutrient grading standards

2.2 不同土層森林土壤磷含量空間分布

東江中下游流域森林土壤4 個土層磷含量的空間分布狀況如圖3 所示。從水平方向上看，D1～D4 土層土壤磷含量的空間分布整體上均呈現西部和南部高東部低的變化趨勢，其中東部有局部地區的磷含量也較高。D1 土層西部較高的磷含量主要處于274.58～424.94 mg/kg 之間，東部較低的磷含量主要處于112.68～201.36 mg/kg 之間；D2 土層西部較高的磷含量主要處于209.01～479.68 mg/kg 之間，東部較低的磷含量主要處于105.87～154.39 mg/kg 之間；D3 土層西部較高的磷含量主要處于217.15～430.12 mg/kg 之間，東部較低的磷含量主要處于103.36～155.92 mg/kg 之間；D4 土層西部較高的磷含量主要處于191.97～359.31 mg/kg 之間，東部較低的磷含量主要處于95.68～191.97 mg/kg 之間。從垂直方向上看，D1～D4 土層土壤磷含量整體上呈現出逐漸遞減的變化趨勢。

圖3 東江中下游流域不同土層森林土壤磷含量空間分布Fig.3 Spatial distribution map of forest soil phosphorus content in different soil layers in the middle and lower reaches of the Dongjiang River

3 結論與討論

東江中下游流域森林土壤磷含量平均水平屬于Ⅴ級水平，可能是磷作為植被生長的限制性因素，由于林木生長旺盛磷含量消耗較大，也有可能是因為在部分林區，林業管理者沒有施足夠的磷肥。在水平方向上，D1-D4 共4 個土層磷含量的空間格局呈現西高東低的趨勢，其中東部有局部地區的磷含量較高。在垂直方向上，由上至下的土層磷含量整體上表現為逐漸下降，與前人研究結果一致[10]，隨著土層深度的增加，深層土壤受到生物的作用影響較小，因此含量普遍較低。

在本研究中雖然基于較密集的樣本數據用空間插值法得到了較傳統土壤調查更為精確的土壤磷分布圖，更能表示土壤的連續性，但該方法沒有考慮到土壤發生過程，并且假設空間自相關，這在土壤形成因素發生突變的復雜地形區不是一個很好的制圖方法[11]。并且，其精度過分依賴采樣點的密度、原始數據點的分布以及測量數據的質量[12]。因此，如果在一個大范圍或地形復雜的研究區域內難以收集到密集型的樣本數據，這種制圖方法就不適用[12-14]。要解決這些問題需要更先進的土壤理論和地理信息技術。因此，今后的研究中可采用更適合的預測模型以及能夠反映土壤和植被條件的預測變量，提高土壤制圖精度。