岩性、土地利用/土地覆盖与地形对土壤性质的交互效应：对可持续流域管理的启示

《CATENA》：Interactive effects of lithology, land use/land cover, and topography on soil properties: implications for sustainable watershed management

　　

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  地质母质强烈控制土壤理化性质
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  土地利用改变山区流域的土壤养分分布
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  地形梯度影响土壤质地和有机质积累
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  农业扩张增加对土壤和水资源的压力
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  综合分析有助于改进流域管理策略

引言

流域是一个复杂的系统，其中非生物因子如岩性、土地利用/土地覆盖（LULC）、气候和地形与植被等生物因子相互作用，共同控制生态系统过程（Page等人，1999；Karada?，2013）。这些相互作用决定了养分循环和水文调节等关键生态系统功能，并且对整个流域内的空间异质性高度敏感（Costanza等人，1997；Zema和Lucas-Borja，2025）。

岩性是土壤形成的关键因素，控制矿物组成、风化过程和基性阳离子及养分的可用性（Brady和Weil，2016）。母质的差异会产生土壤性质上的显著差别，包括质地、pH值和养分含量。这种效应在山区尤为明显，因为岩性单元可以在短距离内发生变化，导致土壤的空间异质性十分显著（Egli等人，2008）。

土地利用/土地覆盖是控制土壤状况的另一个主要因素。施肥和耕作等农业实践会改变土壤结构、有机质含量和养分有效性（Reichert等人，2016）。自然植被调节养分循环，并在不同环境条件下有助于保持土壤稳定性（Reich等人，2003；Huang等人，2011；Melvin等人，2015）。此外，与土地利用相关的非点源污染过程受降水、地形特征和土壤条件的影响（Wu和Zheng，2013；Wang等人，2012）。

地形通过调节温度和水分条件，进一步控制土壤过程，从而影响风化、分解和养分再分配。因此，土壤特征表现出明显的空间变异性，这受岩性、土地利用/土地覆盖和地形共同作用的影响（Reichert等人，2022）。虽然岩性设定了基本条件，但土地利用和管理实践可以在较短时间尺度上改变这些特征（Fasinmirin和Reichert，2011；Holthusen等人，2018；Reichert等人，2021）。然而，土地利用/土地覆盖影响的幅度和方向并不一致，往往取决于底层的岩性背景。

尽管对各个控制因素的研究已相当充分，但在流域尺度上，岩性和土地利用/土地覆盖对土壤特征的共同影响仍然知之甚少。大多数研究分别探讨这些因子，而较少有研究明确考察岩性是否限制或调节土壤对土地利用的响应。

除了各因素的单独影响之外，岩性、土地利用/土地覆盖和地形之间的相互作用还会产生复杂且非线性的土壤响应。相同的土地利用实践可能因母质和地形位置的不同而产生不同的结果，这是由于风化强度、排水条件和养分有效性的差异所致（Brady和Weil，2016；Egli等人，2008；Reichert等人，2022）。这些模式表明，土壤变异性不能仅由单一控制因素来解释，而是反映了多种相互作用的驱动因子的共同影响。

理解这些相互作用对于有效的流域管理至关重要。土壤特征调节着关键的Hydrological过程，包括水流、蓄水和养分循环，这些过程对空间异质性高度敏感（Zema和Lucas-Borja，2025）。土地利用/土地覆盖通过改变植被结构和土壤扰动模式进一步影响这些过程（Reich等人，2003；Huang等人，2011；Melvin等人，2015），而地形条件则决定了它们的空间分布。因此，整合岩性、地形和土地利用/土地覆盖信息可为评估流域功能和可持续性提供更全面的依据。

解释土壤属性的空间变异性需要将植被梯度和人为活动梯度结合起来。植被梯度代表了植物群落组成和结构的变化，反映了气候、土壤和地形的差异（Whittaker，1967；Austin和Smith，1989）。这些梯度被广泛用于解释生态系统对环境异质性的响应，并且与土壤属性变化和养分动态密切相关（Jenny，1994）。

人为活动梯度强烈影响土壤属性、生物地球化学循环和生态系统功能（Ellis和Ramankutty，2008；Foley等人，2005；Verburg等人，2011）。农业用地通常会增加氮和磷的投入，而城市化则加剧污染物运输并改变水文过程，从而导致土壤和生态系统响应的显著变化（Foley等人，2005；Verburg等人，2011）。将人为活动梯度和自然植被梯度结合起来，为理解异质土地上土壤属性和生态系统过程的空间变异性提供了一个坚实的框架（Turner等人，2001；Moore等人，1993；Hook和Burke，2000）。据此，本研究沿岩性、植被和人为活动梯度评估土壤属性。

近年来空间数据集的进步，包括CORINE土地覆盖、CLCplus Backbone和高精度图层，使得对土地利用/土地覆盖模式及其近期变化进行详细分析成为可能（EEA，2020；Copernicus Land Monitoring Service (CLMS)，2024. CLCplus Backbone 2021（10米栅格），欧洲，每3年更新一次 [数据集]. Copernicus. https://doi.org/10.2909/71fc9d1b-479f-4da1-aa66-662a2fff2cf7.，Copernicus Land Monitoring Service (CLMS)，2018. 不透水面密度2015（20米和100米栅格），欧洲，每3年更新一次 [数据集]. Copernicus. https://doi.org/10.2909/8b83d30f-4731-4de3-bead-1c6432d9d30a）。尽管本研究使用的土壤数据源自单次采样活动，但其在不同岩性单元和土地利用/土地覆盖类型中的分布为表征流域内的空间模式提供了可靠依据。在本研究中，土地利用/土地覆盖信息被纳入以支持对空间模式的解释，而非推断土壤特征的直接时间变化。

本研究检验以下假设：（H1）岩性对土壤属性具有首要控制作用；（H2）土地利用/土地覆盖对土壤属性的效应随岩性单元而变化；（H3）土壤属性沿农业利用、自然植被和地形相关梯度发生变化；（H4）近期土地利用/土地覆盖变化与反映土壤属性和水质潜在风险的空间模式相关。据此，本研究的目标是（i）评估岩性、土地利用/土地覆盖和地形对土壤属性的共同影响，以及（ii）表征土地利用/土地覆盖模式及其近期变化，以支持对流域内空间变异性的解释。

各章节摘要

研究区

研究区位于东经39°38′至39°47′、北纬40°35′至40°51′之间（图1）。该区域包含Galyan-Atasu饮用水大坝，由Galyan和?im?irli溪流提供水源，其中?im?irli溪流是Galyan溪流的支流。Galyan-Atasu大坝及水电站占地面积为18,343.97公顷，于2010年开始运行。该大坝的修建旨在为Ortahisar、Yomra和等地区提供饮用、生活和工业用水。

岩性、土地利用及其相互作用对土壤属性的影响

采用多元方差分析（MANOVA）来评估岩性（Lt）、土地利用/土地覆盖（LULC）及其相互作用对土壤理化属性集合的影响。岩性解释的变异比例最大（偏η² = 0.293），其次是土地利用/土地覆盖（η² = 0.233）和它们的交互作用（η² = 0.162），表明存在具有统计显著性和实质性的重要多元效应（表2）。

双因素方差分析结果表明，岩性、土地利用/土地覆盖及其交互作用对多项土壤属性具有统计显著性影响（

岩性与土地利用/土地覆盖对土壤理化性质的耦合控制

研究结果支持一种层级控制框架，即岩性决定了基础土壤条件，而土地利用/土地覆盖和地形梯度则在流域范围内调节土壤过程。研究中采用偏eta方（η²）值来量化岩性和土地利用/土地覆盖的相对贡献。岩性对土壤属性的效应量（η² = 0.293）大于土地利用/土地覆盖（η² = 0.233），表明母质起着更为突出的作用（表2）。

结论

本研究显示，母质对山区流域土壤属性的空间变异性起主要控制作用，而土地利用/土地覆盖和地形则作为关键调节因素发挥作用。?atak和Ka?kar岩性单元之间不同的土壤响应表明，在相似的气候和土地利用条件下，岩性控制着土壤物理属性、可交换性基性阳离子和土壤养分的差异。地形梯度进一步塑造了这些模式。海拔较低地区……

CRediT作者贡献声明

Ayhan Usta：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，项目管理，方法论，调查，形式化分析，概念化。Murat Y?lmaz：可视化，资源，方法论，形式化分析。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的、可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢东黑海林业研究院、林业总局以及林业与水务部对本项目的支持。本研究由林业总局对外关系、培训与研究中心提供资助（项目编号：03.6404/2009–2012）。

Ayhan Usta|Murat Y?lmaz