崇明島土壤有機(jī)質(zhì)空間分布特征研究

崇明島土壤有機(jī)質(zhì)空間分布特征研究

土壤酶是土壤生物化學(xué)過(guò)程的主要調(diào)節(jié)因素，與有機(jī)物質(zhì)的分解、養(yǎng)分循環(huán)、能量轉(zhuǎn)移和環(huán)境質(zhì)量密切相關(guān)。它參與了土壤環(huán)境的所有生物化學(xué)過(guò)程。酶的分解作用是物質(zhì)循環(huán)過(guò)程的限制性步驟,如脲酶可以降解有機(jī)物,促其水解成氨和二氧化碳;土壤磷酸酶直接影響土壤有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性;土壤脫氫酶活性與氧的消耗以及土壤微生物的活性密切相關(guān)。因此,土壤酶活性常作為表征土壤肥力的指標(biāo)之一。Acosta-Martínez報(bào)道中指出不同土地利用方式下,土壤酶和生物群落隨土層深度和土壤養(yǎng)分變化呈顯著性差異;Sudipta指出沿海以及島嶼地區(qū)的次生鹽漬化土壤隨季風(fēng)和季節(jié)的變化呈現(xiàn)規(guī)律性變化。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)不同類型土地下、不同植被覆蓋下以及不同植被生長(zhǎng)年限下,土壤酶以及土壤微生物變化都作了很多相關(guān)的報(bào)道。沖積島嶼以及圍墾地處于水域和陸地過(guò)渡地段的特殊生態(tài)系統(tǒng),普遍被認(rèn)為具有營(yíng)養(yǎng)匯的功能,積累了大量有機(jī)質(zhì),而土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率又決定了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的再生速率和植物的吸收利用效率。因此,土壤酶的分解作用參與并控制著沖積島嶼和圍墾地土壤中的生物化學(xué)過(guò)程在內(nèi)的自然界物質(zhì)循環(huán)過(guò)程,土壤酶活性的高低直接影響物質(zhì)轉(zhuǎn)化循環(huán)的速率,并對(duì)沖擊島嶼生態(tài)系統(tǒng)功能有很大的影響。地統(tǒng)計(jì)通過(guò)污染物空間分布規(guī)律以及不確定性估值的方法被廣泛用于評(píng)估土壤污染水平以及污染區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn);同時(shí),地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法更便于量化土壤參數(shù)的空間特征以及操作空間內(nèi)插值法。因此,地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS結(jié)合將成為研究空間不確定性和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估更有用的工具。隨著崇明島非農(nóng)建設(shè)用地比重不斷增長(zhǎng),土地利用結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多元化趨勢(shì),勢(shì)必加劇崇明島生態(tài)環(huán)境壓力。本文以崇明島為例,結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和GIS技術(shù),研究不同土地利用方式下土壤酶及有機(jī)質(zhì)的變化,重在揭示崇明生態(tài)島嶼在不同土地利用和管理方式下土壤質(zhì)量的空間演替規(guī)律,為合理利用崇明島以及提高土壤質(zhì)量提供決策基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1崇明島山西大陸崇明島地處長(zhǎng)江入?？?是全世界最大的河口沖積島和沙島,自1956年以來(lái),上海市政府開(kāi)始組織對(duì)崇明島灘涂濕地進(jìn)行多次大規(guī)模的圍墾,圍墾的面積達(dá)244km2,已超過(guò)崇明島圍墾前的面積。崇明島位于西太平洋沿岸中國(guó)海岸線的中點(diǎn)地區(qū)(121°09′30″~121°54′00″E,31°27′00″~31°51′15″N),全島面積1267km,東西長(zhǎng)80km,南北寬13~18km,是僅次于臺(tái)灣島和海南島的中國(guó)第三大島嶼。崇明島由長(zhǎng)江下瀉的大量泥沙在江海作用下不斷加積而成,由于長(zhǎng)江口泥沙的淤積,使島嶼灘涂成為一個(gè)不斷淤漲的土地資源。崇明島是上海最具潛在戰(zhàn)略意義的發(fā)展空間之一,上海市已確立把崇明島建設(shè)為全國(guó)最大的生態(tài)島。崇明島地處北亞熱帶,氣候溫和濕潤(rùn),年平均氣溫為15.3℃,月平均氣溫以1月的2.8℃為最低,以7月的27.5℃為最高;年平均降水量為1003.7mm,降水主要集中在4—9月,平均每月降水量都在100mm以上(102.8~1400mm)。崇明縣全年平均日照時(shí)數(shù)為2104h,8月日照時(shí)數(shù)最多,為254.1h。崇明島土地利用方式主要分為6類:工業(yè)用地、河道用地、農(nóng)業(yè)用地、林地、濕地和生活用地。1.2擴(kuò)散變輕的趨勢(shì)全島土壤質(zhì)地以中壤和輕壤為主,中壤質(zhì)地占52.47%,輕壤質(zhì)地占34.22%,土壤質(zhì)地從島中央向外呈擴(kuò)散變輕的趨勢(shì);土壤偏堿性,平均pH值為(8.20±0.153),土壤全氮平均含量為1.09g·kg-1,有機(jī)質(zhì)平均含量為18.8g·kg-1,速效磷平均含量為9.80mg·kg-1,均屬偏低水平。土壤重金屬污染除Cd超過(guò)國(guó)家三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)外,其他重金屬含量均未超標(biāo),崇明土壤總體上生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較低。1.3土壤酶活性的測(cè)定采樣點(diǎn)設(shè)置主要根據(jù)2km×2km網(wǎng)格布點(diǎn)法,利用GPS定位,在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)采集方形4個(gè)角以及方形中心土樣均勻混合,每個(gè)樣點(diǎn)采集0~20、20~40cm和40~60cm3層土壤,每層約采集1kg鮮土,裝入無(wú)菌袋中。共設(shè)置99個(gè)采樣點(diǎn)(圖1),3層土壤總共297個(gè)樣品,采樣時(shí)間為2008年8月下旬。樣品采集完后立即送至實(shí)驗(yàn)室完成土壤酶以及土壤有機(jī)質(zhì)等相關(guān)分析實(shí)驗(yàn)。土壤磷酸酶的測(cè)定采用對(duì)硝基苯磷酸二鈉法,以每千克土產(chǎn)生酚的毫克數(shù)表示;脲酶的測(cè)定采用靛酚藍(lán)比色法,以每千克土產(chǎn)生NH4-N的毫克數(shù)表示;脫氫酶采用對(duì)硝基苯酚比色法,以TPF毫克每千克鮮土表示。有機(jī)質(zhì)測(cè)定方法采用重鉻酸鉀容量法。1.4半變異函數(shù)散點(diǎn)圖的計(jì)算本研究主要采用半變異函數(shù)和Moran′sI函數(shù)方法研究土壤酶空間變異和空間自相關(guān)性。半變異函數(shù)是分析變量空間結(jié)構(gòu)的主要工具,用以反映變量的空間自相關(guān)性。根據(jù)公式(1)計(jì)算半變異函數(shù)γ(h)的散點(diǎn)圖,并用不同類型的模型進(jìn)行擬合,計(jì)算其參數(shù)及擬合度最好的模型類型。式中:Z(xi)為xi點(diǎn)位的觀測(cè)值,N(h)為由距離h分隔的觀測(cè)點(diǎn)的對(duì)數(shù),h為觀測(cè)步長(zhǎng)。Moran′sI是地統(tǒng)計(jì)中應(yīng)用最廣的一個(gè)參數(shù),可用來(lái)進(jìn)行全程空間自相關(guān)性和局部空間自相關(guān)性分析,計(jì)算見(jiàn)公式(2)。式中:I(h)為Moran′sI參數(shù),Zi為在i點(diǎn)的觀測(cè)值,Zi+h為在i+h點(diǎn)的觀測(cè)值。1.5數(shù)據(jù)分析方法運(yùn)用SPSS11.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、相關(guān)分析和聚類分析,地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析采用GIS軟件擬合半變異函數(shù)和Moran′sI函數(shù),建立擬合模型和參數(shù)。2結(jié)果與分析2.1土層深度對(duì)土壤酶活性的影響如表1所示,不同土地利用方式下3種酶的對(duì)數(shù)值基本服從正態(tài)分布;不同土層的工業(yè)土壤酶活性平均值和偏差普遍高于其他土地利用類型;農(nóng)地和生活區(qū)的磷酸酶活性均值隨土層深度增加先增大后減小,其他土地利用類型的磷酸酶活性逐漸減小;生活區(qū)的第二層脲酶活性均值要高于表層土壤,其他土地利用類型的脲酶活性均值隨土層深度增加逐漸降低;農(nóng)地、生活區(qū)和濕地的脫氫酶活性均值隨土層深度變化逐漸減小,其他土地利用類型的脫氫酶活性均值隨土層深度增加先減小后增大。不同土層深度下,3種酶的理論模型均能很好地?cái)M合成高斯、指數(shù)和球面模型,其中以指數(shù)模型占多數(shù),不同土層酶的半變異模型的擬合度均在0.69以上,說(shuō)明選取的模型符合要求。由表2可以看出,崇明島酶分布的基臺(tái)值比較高,均大于塊金值3倍以上,說(shuō)明各種酶在空間上的半變異主要是由于系統(tǒng)內(nèi)變異造成,而非較小尺度取樣引起的;基底效應(yīng)值普遍較大,說(shuō)明酶的分布及演化規(guī)律受隨機(jī)因素影響較多,同時(shí)不同土壤酶隨土層深度以及土地利用類型變化呈顯著相關(guān)(>0.68)。Moran′sI值越大,表明數(shù)據(jù)的空間正相關(guān)性越強(qiáng),如表2所示,表層土壤的酶活性具有更高的空間正相關(guān)性,也就是空間聚集性,同時(shí)3種酶在東西方向上變異性和異性相關(guān)性要高于南北方向(45°和90°為東西方向,0°和135°為南北方向)(圖2)。2.2不同土地利用類型微生物多樣性比較如圖3所示,除林地外,工業(yè)土壤的有機(jī)質(zhì)變化與其他土地利用類型有機(jī)質(zhì)含量變化無(wú)顯著差異;河道用地與濕地的有機(jī)質(zhì)含量變化相似,其他土地利用類型的有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度變化差異顯著。工業(yè)用地土壤的有機(jī)質(zhì)平均含量高于其他土地利用類型,其表層土壤有機(jī)質(zhì)含量(34.5±19.15)g·kg-1高于第二層和第三層土壤,并且差異顯著;河道用地(25.5±14.4)g·kg-1、林地(20.6±20.7)g·kg-1和農(nóng)業(yè)用地(20.7±8.3)g·kg-1的土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土壤深度增加顯著減小,農(nóng)業(yè)用地的有機(jī)質(zhì)平均含量隨土壤深度變化要小于林地的和河道旁的;生活區(qū)土壤的有機(jī)質(zhì)平均含量隨土層深度變化較小,差異不顯著,而濕地表層有機(jī)質(zhì)平均含量要顯著高于其第二、三層。3討論3.1土壤酶的空間變異塊金值通常表示由實(shí)驗(yàn)誤差和小于實(shí)驗(yàn)取樣尺度引起的變異,基臺(tái)值通常表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異。塊金與基臺(tái)的比值叫基底效應(yīng),可以用來(lái)說(shuō)明空間變異特征,該值越大,說(shuō)明空間變異更多是隨機(jī)成分引起的,空間相關(guān)性強(qiáng)弱可用基底效應(yīng)表示,該值越高表明空間相關(guān)性越強(qiáng)。半變異函數(shù)的塊金/基臺(tái)值在0.68之上,除了說(shuō)明土壤酶隨土層深度以及土地利用類型變化呈顯著相關(guān)外,也說(shuō)明空間變異主要是由隨機(jī)因素引起的,如施肥、耕作措施、種植制度等人類活動(dòng)使得土壤酶的空間相關(guān)性減弱,并向均一化方向發(fā)展,而結(jié)構(gòu)性因素如氣候、母質(zhì)、地形、土壤類型等對(duì)其影響不夠顯著。通過(guò)Moran′sI函數(shù)研究發(fā)現(xiàn),土壤酶的空間變異主要以崇明島東西走向?yàn)橹?而島南北方向發(fā)生異性空間變異要小于東西方向,這可能是由于崇明島作為一個(gè)沖積島嶼并不斷進(jìn)行圍墾,圍墾主要向東西擴(kuò)展,而南北方向擴(kuò)展相對(duì)較小。土壤酶的活性主要由中部的鎮(zhèn)中心以及居民和工業(yè)區(qū)向東部的東灘濕地和西部以及北沿農(nóng)場(chǎng)逐漸降低,并且隨土層深度增加,土壤酶高活性的區(qū)域逐漸減小。農(nóng)地和河道旁土壤的磷酸酶活性具有較高的同質(zhì)性,3層土壤的磷酸酶活性變化較小,其他土地利用類型土壤的磷酸酶活性均呈現(xiàn)不同程度的異質(zhì)性;農(nóng)地和工業(yè)區(qū)土壤的脲酶活性具有較高的同質(zhì)性,變異程度較小;而農(nóng)業(yè)用地和工業(yè)用地土壤的脫氫酶活性和脲酶一樣,3層土壤的脫氫酶活性變異不顯著。由于島嶼和陸地的土地利用演替方式不同,島嶼的土地首先通過(guò)圍墾濕地造田,種植作物改善圍墾地的鹽堿狀況而后逐漸向農(nóng)田轉(zhuǎn)換,然后再?gòu)霓r(nóng)田向林地、生活用地以及工業(yè)用地等功能用地轉(zhuǎn)換,如此循環(huán),即農(nóng)田在島嶼中扮演承上啟下的作用。崇明島農(nóng)田普遍采用保護(hù)性耕作,增加了土壤總體酶活性和供肥能力,特別是對(duì)表層和亞表層土壤,效果更為明顯。這是因?yàn)楸Ｗo(hù)性耕作減少了土壤的擾動(dòng)次數(shù),維持了土壤良好的通透性,有較好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),導(dǎo)致表層土壤的有機(jī)質(zhì)含量增多,有機(jī)質(zhì)的增多又導(dǎo)致土壤微生物增多,從而更有利于土壤酶活性的增加,同時(shí)養(yǎng)分的滲透遷移也有利于保持土壤酶活性的均一性。農(nóng)田向林地的演替過(guò)程中,植物群落的演替,提高了土壤肥力,為生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育和演替提供了基礎(chǔ),土壤微生物和動(dòng)物的多樣性則增加了林地土壤酶變化的不均勻性。工業(yè)區(qū)土壤由于功能單一以及固定的工業(yè)排放,使得土壤酶的反應(yīng)底物比較單一,一些酶的分布隨土層變化也比較均一。生活區(qū)由于人類活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾,酶的分布呈現(xiàn)出很強(qiáng)的不確定性,沒(méi)有明顯的規(guī)律。濕地經(jīng)過(guò)圍墾逐漸向農(nóng)田過(guò)渡,土壤酶、養(yǎng)分以及有機(jī)質(zhì)等隨著濕地鹽堿度的改善,經(jīng)歷由表層到深層土壤逐漸提高的過(guò)程。3.2重視植物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響土壤有機(jī)質(zhì)是評(píng)價(jià)土壤肥力的一項(xiàng)重要指標(biāo),與多種土壤養(yǎng)分相關(guān)。如圖4所示,土壤有機(jī)質(zhì)與土壤酶活性擬合度(R2)均大于0.5,土壤酶與有機(jī)質(zhì)相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)較好地分布在1∶1線周圍。深層土壤的有機(jī)質(zhì)含量與酶的相關(guān)性要高于表層土壤,以脲酶最高。本研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度變化顯著減少,農(nóng)業(yè)用地和林地表層由于施肥因素以及生物覆蓋、枯枝落葉以及動(dòng)物糞便等分解,在雨水淋溶下引起養(yǎng)分垂直遷移,同時(shí)農(nóng)地和林地受人類活動(dòng)的影響相對(duì)較小,所以其不同土層間有機(jī)質(zhì)含量差異相對(duì)要比其他類型小;工業(yè)用地由于工業(yè)垃圾以及廢水和污泥的排放造成表層土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加,河道旁以及濕地隨土層深度增加,底層土壤與海水接觸鹽堿含量高,而表層土壤由于動(dòng)植物的大量繁殖,同時(shí)濕地營(yíng)養(yǎng)匯的功能,積累了大量有機(jī)質(zhì)。由此可見(jiàn)崇明島表層土壤有機(jī)質(zhì)的演變規(guī)律主要是以島中央的工業(yè)區(qū)和生活區(qū)為中心(圍墾年限>50年),向四周的農(nóng)地和林地逐漸擴(kuò)散減小,最后到河道以及濕地增加,由于河道和濕地具有營(yíng)養(yǎng)匯集的功能;隨土層深度增加,深層土壤有機(jī)質(zhì)以農(nóng)地和林地為中心向工業(yè)區(qū)和生活區(qū)、河道和濕地四周擴(kuò)散逐漸減少。4土地利用類型的影響本文評(píng)估了崇明島的土壤酶活性以及有機(jī)質(zhì)的空間變化規(guī)律,并運(yùn)用半變異函數(shù)和Mor