王遼宏， 邱莉萍， 高海龍， 張興昌

(西北農林科技大學水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

農牧交錯帶本氏針茅坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素分布特征

王遼宏， 邱莉萍， 高海龍， 張興昌*

(西北農林科技大學水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

明確農牧交錯帶草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素分布特征對于草坡地生態(tài)系統(tǒng)磷素管理、空間分布和磷素流失預測具有重要科學意義。本研究針對黃土高原農牧交錯帶本氏針茅坡地，分析了草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素沿坡面的分布特征，并且從不同空間尺度研究了土壤-植物系統(tǒng)磷素的空間結構特征，以揭示農牧交錯帶草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素分布規(guī)律。結果表明，隨坡位的降低，草坡地植物生物量、植物磷素含量和儲量均逐漸增加，土壤全磷和速效磷含量在坡上部和坡中部相近，且均低于坡底部；這些變量的變異系數(shù)均以坡底部最小。植物磷素含量和土壤全磷的變異系數(shù)由坡頂向下依次為34.25%、 25.98%、 10.02%和24.05%、 15.27%、 10.85%，表明坡底部土壤-植物系統(tǒng)磷素分布相對均勻。各變量的最佳擬合模型在3個分析尺度上均保持一致，植物生物量和土壤速效磷的最佳擬合模型為指數(shù)模型，土壤全磷以球狀模型擬合效果最佳，而植物磷素以高斯模型擬合效果最好。隨分析尺度的增加，塊金常數(shù)、塊金效應逐漸增大。植物磷素含量在5、 10、 15 m 3個尺度上的塊金常數(shù)和塊金效應依次為0.010、 0.010、 0.011和7.9、 8.5、 8.9，即樣點間的空間依賴性逐漸減弱，空間相關性減弱。這表明農牧交錯帶草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素在不同尺度上空間結構比較穩(wěn)定，屬中等或強空間相關性，其空間變異主要來源于結構性因素。

磷素空間分布； 土壤-植物系統(tǒng)； 本氏針茅坡地； 農牧交錯帶

北方農牧交錯帶是我國溫帶地帶性草原區(qū)和農業(yè)生產區(qū)，約占國土面積的30%[1]。在人類長期放牧和開墾活動中，該區(qū)草地退化嚴重，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。近年來該區(qū)開展的退耕還草措施在草地生態(tài)系統(tǒng)恢復和環(huán)境改善方面起到重要作用，但退耕還草的效果在很大程度與當?shù)厮疅釛l件和土壤本身的肥力狀況有關[1]。磷素作為動植物生長所必需的營養(yǎng)元素，在土壤中溶解性差，有效性低，已成為農牧交錯帶植物生長的重要限制因子[2]。磷素還可以通過降雨-地表徑流和泥沙攜帶等過程進入到地表水體，或者以滲漏、淋失等形式遷移到地下水進而運移到受納水體中[3]，成為水體富營養(yǎng)化的重要因素。黃土高原農牧交錯帶氣候干燥，植被稀少，降雨集中并且主要以暴雨形式發(fā)生，土壤抗蝕性差，水土流失非常嚴重[4]，土壤磷素極易隨降雨徑流、侵蝕泥沙等流失[5]，極易造成坡面土壤及植物磷素缺乏和下游水體富營養(yǎng)化等危害[6]。因此，需要對該區(qū)坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素進行合理管理和磷素流失進行準確預測，而這些工作主要取決于土壤-植物系統(tǒng)磷素的空間分布特征。

目前在生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素空間分布研究中，國內外研究者多偏重于土壤養(yǎng)分的空間分布特征，如余新曉等[7]運用地統(tǒng)計學方法研究了大尺度下八達嶺森林土壤全氮、全磷和堿解氮的空間變異性，發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分空間分布與植被類型有關。劉吉平等[8]研究了三江平原典型環(huán)形濕地土壤不同發(fā)生層有機碳、全氮、全磷和全鉀的空間分布，發(fā)現(xiàn)環(huán)形濕地土壤養(yǎng)分空間分布主要受植物體元素含量、生物過程和水文地貌過程的影響。胡克林和李保國[9-10]、李菊梅和李生秀[11]等也應用地統(tǒng)計學方法對農田土壤養(yǎng)分的空間分布進行了研究，但目前對于生態(tài)系統(tǒng)植物體中養(yǎng)分元素以及土壤-植物系統(tǒng)中元素空間分布研究較少，這方面的研究可以加深認識生態(tài)系統(tǒng)尺度養(yǎng)分元素的空間分布特征。在磷素空間分布方面，人們對不同尺度森林土壤、濕地土壤及農田土壤磷素含量空間變異特征作了大量研究，但對草坡地土壤-植物系統(tǒng)及坡地磷素空間分布的研究較少，因此需要開展深入的研究。

本研究針對黃土高原的農牧交錯帶本氏針茅坡地，應用經典統(tǒng)計學和地統(tǒng)計學方法，分析了土壤-植物系統(tǒng)磷素的分布特征及其空間變異規(guī)律，旨在為農牧交錯帶草坡地生態(tài)系統(tǒng)磷素管理、空間分布和磷素流失預測提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

1.2 土壤樣品采集及分析

本研究以六道溝流域中一東北向的本氏針茅坡地為對象，草坡地坡長約150 m，坡度20°左右。該坡地之前為農耕地，退耕之后逐漸演替為本氏針茅種群，本氏針茅生長年限約20年。2007年9月份，沿坡面自上而下每隔5 m設一個樣帶，共設30個樣帶。在每個樣帶內設5個樣點，采集地上部生物量，稱取鮮重和干重。在每個樣點處采集0—20 cm土層土壤樣品。五個樣點處的植物樣和土樣分別組成混合樣。

植物樣經烘干粉碎后測定植物體磷素含量并計算地上部磷儲量，土壤樣品風干后，過0.25 mm篩，測定全磷含量； 部分過1 mm篩，測定速效磷含量。植物磷素含量采用鉬藍黃比色法測定， 土壤全磷用HClO4-H2SO4消煮—鉬銻抗比色法測定、土壤速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定。

1.3 數(shù)據處理

本研究所有數(shù)據的基本統(tǒng)計分析采用Microsoft Excel 2003軟件完成，方差分析和相關分析采用SPSS 12.0軟件，正態(tài)分布檢驗采用SPSS 12.0統(tǒng)計軟件中的Kolmogorov-Smiromov(K-S)正態(tài)分布檢驗概率(Pk-s)檢驗方法，檢驗結果(表1)中各變量的Pk-s值均大于0.05，均符合正態(tài)分布，滿足地統(tǒng)計分析要求。半方差函數(shù)分析及相關參數(shù)的計算、空間自相關分析均采用地統(tǒng)計分析軟件GS+7.0完成。

2 結果與分析

2.1 草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素分布特征

農牧交錯帶本氏針茅草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素空間分布與坡位有關，隨坡位的降低，草坡地植物生物量、植物磷素含量和儲量均逐漸增加，土壤全磷和速效磷含量在坡上部和坡中部相近，且均低于坡底部(表1)。此外，生物量、植物磷素含量和儲量、土壤全磷和速效磷含量的變異系數(shù)均以坡底部最小，植物干重、植物磷素含量、土壤全磷和速效磷含量的方差值均以坡底最小，植物磷儲量和鮮重的方差值在坡底部也較小，表明坡底部土壤-植物系統(tǒng)磷素分布相對均勻。

表1 草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素描述性統(tǒng)計特征Table 1 Descriptive statistics of P in plants and soils along a grassland slope

注(Note): 均值中同一列數(shù)據后不同小寫字母表示坡位間差異達5%顯著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among slop positions at the 5% level.

植物生物量、磷素含量和磷儲量沿坡頂向下均呈逐漸增加趨勢，這種相似的變化趨勢與各變量間的內在關系有關(表2)，而土壤全磷和速效磷沿坡頂向下先略微降低后迅速升高，這可能與土壤磷素隨地表徑流、水土流失等的淋失以及磷素自身遷移運動有關，也可能預示著土壤階地的形成。土壤階地是坡面土壤再分布的最終結果，主要表現(xiàn)為坡面土壤從上向下的運動[15]。

表2 草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素的相關性分析(r)Table 2 Correlation analysis between P in plants and soils along a grassland slope

注(Note): **—α=0.01; *—α=0.05.

2.2 草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素空間變異特征

2.2.1 草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素半方差分析 為深入分析各個變量沿草坡地分布的空間結構性和隨機性，本研究對這些指標進行了地統(tǒng)計學分析。按最小滯后距5 m、10 m和15 m 3個尺度分別計算各變量的變異函數(shù)，得到的理論變異模型及檢驗參數(shù)見表3。各變量對應的最佳擬合模型在3個分析尺度上均保持一致，表明本研究中的6個變量沿坡面的空間結構比較穩(wěn)定。但不同變量呈現(xiàn)出不同的最佳模型，如植物生物量(鮮重和干重)和土壤速效磷的最佳擬合模型為指數(shù)模型，土壤全磷以球狀模型擬合效果最佳，而植物磷素(植物磷素含量和儲量)以高斯模型擬合效果最好。這與不同變量之間的關系有關，如植物磷素含量與儲量極顯著正相關(表2)，其最佳擬合模型相同(表3)，植物鮮重和干重極顯著正相關(表2)，沿坡面具有相同的空間結構，其最佳模型均為指數(shù)模型。本研究中植物磷素(包括磷素含量和儲量)的分布很大程度上依賴于土壤磷素(尤其土壤速效磷)，但其最佳模型卻不同(表3)，這是因為該區(qū)植物的生長及對磷素的富集主要受水分因素限制，也表明在農牧交錯帶典型草坡地各變量的空間結構特征不但取決于變量之間的相互作用，還受其他環(huán)境因素的影響，如土壤流失、生物富積、微地形等。

表3 草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素的半方差理論模型及模型參數(shù)Table 3 Semi-variogram function theory model and parameters for P in plants and soils along a grassland slope

注(Note): E—指數(shù)模型Exponential model; G—高斯模型Gaussian model; S—球型模型Spherical model.

在5 m、10 m和15 m 3個分析尺度上，塊金常數(shù)(C0)隨分析尺度的增大而增大，表明隨采樣密度的減小，由采樣尺度引起的誤差逐漸增大[16]，被15 m尺度掩蓋的某種較小結構在10 m尺度上體現(xiàn)出來，同樣被10 m尺度忽略的某種較小結構在5 m尺度上體現(xiàn)出來?？傮w上，植物鮮重和磷儲量的C0值較大，這可能與植物磷儲量與鮮重之間的極顯著正相關有關(表2)，而其余變量的C0值較小，表明這些變量本身以及采樣尺度、測定方法等存在的隨機性誤差較小。

變程反映了變量空間自相關范圍的大小，它與采樣尺度上的各種生態(tài)過程相聯(lián)系[17]，在變程之內，變量具有空間自相關特性，否則不存在。而且變程越大，空間結構越好。本研究中植物生物量變程最小，表明其空間結構性較差，這是因為研究區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)生產力主要受水分限制，而坡面生態(tài)過程顯著地改變了坡面水分資源的分布和有效性，其異質性較高，從而使得生態(tài)系統(tǒng)生產力(生物量)表現(xiàn)出較差的空間結構。和植物生物量相比，植物磷素含量和儲量、土壤全磷和速效磷含量在坡面分布中受影響的因素較少，變程較大，表明其具有較好的空間結構特征。

圖1 草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素空間自相關圖Fig.1 The spatial auto-correlogram of P in plants and soils along a grassland slope

3 結論

1) 農牧交錯帶本氏針茅草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素空間分布與坡位有關，植物鮮重、干重、植物磷素含量、植物磷儲量、土壤全磷和速效磷在坡上部分別為2.6 t/hm2、1.9 t/hm2、0.9 g/kg、1.6 kg/hm2、0.4 g/kg和0.8 mg/kg，坡中部分別為3.3 t/hm2、2.3 t/hm2、1.0 g/kg、2.2 kg/hm2、0.4 g/kg和0.7 mg/kg，坡底分別為4.0 t/hm2、 2.8 t/hm2、1.2 g/kg、3.4 kg/hm2、0.4 g/kg和0.9 mg/kg，表明研究區(qū)本氏針茅草坡地植物生物量、植物磷素含量和植物磷儲量沿坡頂向下均呈逐漸增加的趨勢，土壤全磷和速效磷含量沿坡面基本穩(wěn)定。

2) 農牧交錯帶本氏針茅坡地生物量、植物磷和土壤磷在不同分析尺度下的最佳擬合模型各自保持一致，空間結構穩(wěn)定；除土壤速效磷的塊金效應C0/(C0+C)高達45%外，其余變量均小于或接近于25%，屬中等或強空間相關性，空間變異主要來源于地形、氣候等結構性因素；土壤速效磷的自相關范圍僅9 m，空間自相關性較差，其余變量均具有較好的空間自相關特征。農牧交錯帶草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素分布特征與坡面水土流失過程有關。

[1] 郭彥軍, 韓建國. 農牧交錯帶退耕還草對土壤化學性質的影響[J]. 草地學報, 2008, 16(4): 386-391. Guo Y J, Han J G. Effects of returning cultivated land to grassland on soil chemical properties in the agro-pastoral transitional zone of northern China[J]. Acta Agrestia Sin., 2008, 16(4): 386-391.

[2] 郭彥軍, 倪郁, 韓建國. 農牧交錯帶人工種草對土壤磷素有效性的影響[J]. 草業(yè)學報, 2010, 19(2): 169-174. Guo Y J, Ni Y, Han J G. Effects of establishing perennial artificial grasslands on the availability of soil phosphorus in agro-pastoral transitional zones of northern China[J]. Acta Pratac. Sin., 2010, 19(2): 169-174.

[3] 曹雪艷, 李永梅, 張懷志, 等. 滇池流域原位模擬降雨條件下不同土壤質地磷素流失差異研究[J]. 水土保持學報, 2010, 24(3): 13-17. Cao X Y, Li Y M, Zhang H Zetal. Differences of phosphorus loss on different soil textures in situ under simulated rainfall conditions of Dianchi Lake Watershed[J]. J. Soil Water Conserv., 2010, 24(3): 13-17.

[4] 王輝, 王全九, 邵明安. PAM對黃土坡地水分養(yǎng)分遷移特性影響的室內模擬試驗[J]. 農業(yè)工程學報, 2008, 24(6): 85-88. Wang H, Wang Q J, Shao M A. Laboratory simulation experiment of impact of polyacrylamide on transportation of soil water and nutrients from the loess sloping land[J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng., 2008, 24 (6): 85-88.

[5] 胡宏祥, 洪天求, 黃明, 周地全. 巢湖馬鞍山西北坡土壤侵蝕及其N、P時空變異研究[J]. 水土保持學報, 2007, 21(5): 30-33, 54. Hu H X, Hong T Q, Huang M, Zhou D Q. Soil erosion and spatial-temporal variability of nitrogen and phosphorus on northwest slope of Ma’an Mountain of Chaohu Lake[J]. J. Soil Water Conserv., 2007, 21(5): 30-33, 54.

[6] 李裕元, 邵明安, 張興昌. 侵蝕條件下坡地土壤水分與有效磷的空間分布特征[J]. 水土保持學報, 2001, 15(2): 41-44. Li Y Y, Shao M A, Zhang X C. Spatial distribution of soil moisture and available phosphorus content on eroded sloping land[J]. J. Soil Water Conserv., 2001, 15(2): 41-44.

[7] 余新曉, 張振明, 朱建剛. 八達嶺森林土壤養(yǎng)分空間變異性研究[J]. 土壤學報, 2009, 46(5): 959-964. Yu X X, Zhang Z M, Zhu J G. Spatial variability of soil nutrients of forest in Badaling[J]. Acta Pedol. Sin., 2009, 46 (5): 959-964.

[8] 劉吉平, 呂憲國, 楊青, 郗敏. 三江平原環(huán)型濕地土壤養(yǎng)分的空間分布規(guī)律[J]. 土壤學報, 2006, 43(2): 247-255. Liu J P, Lü X G, Yang Q, Xi M. Soil nutrient distribution of annular wetlands in Sanjiang Plain[J]. Acta Pedol. Sin., 2006, 43 (2): 247-255.

[9] 胡克林, 李保國, 林啟美, 等. 農田土壤養(yǎng)分的空間變異性特征[J]. 農業(yè)工程學報, 1999, 15(3): 33-38. Hu K L, Li B G, Lin Q Metal. Spatial variability of soil nutrient in farm land[J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng., 1999, 15(3): 33-38.

[10] 胡克林, 李保國, 陳德立, R E White. 農田土壤水分和鹽分的空間變異性及其協(xié)同克立格估值[J]. 水科學進展, 2001, 12(4): 460-466. Hu K L, Li B G, Chen D L, White R E. Spatial variability of soil water and salt in field and their estimations by the CoKriging[J], Adv. Water Sci., 2001, 12(4): 460-466.

[11] 李菊梅, 李生秀. 幾種營養(yǎng)元素在土壤中的空間變異[J]. 干旱地區(qū)農業(yè)研究, 1998, 16(2): 58-64. Li J M, Li S X. Spacial variations of some nutrient elements in soil[J]. Agric. Res. Arid Areas, 1998, 16(2): 58-64.

[12] 樊軍, 邵明安, 王全九. 陜北水蝕風蝕交錯區(qū)苜蓿地土壤水分過耗與恢復[J]. 草地學報, 2006, 14(3): 261-264. Fan J, Shao M A, Wang Q J. Soil water restoration of alfalfa land in the wind-water erosion crisscross region on the Loess Plateau[J]. Acta Agrestia Sin., 2006, 14(3): 261-264.

[13] 胡偉, 邵明安, 王全九. 黃土高原退耕坡地土壤水分空間變異性研究[J]. 水科學進展, 2006, 17(1): 74-81. Hu W, Shao M A, Wang Q J. Study on spatial variability of soil moisture on the recultivated slope-land on the Loess Plateau[J]. Adv. Water Sci., 2006, 17(1): 74-81.

[14] 孔剛, 王全九, 樊軍. 坡度對黃土坡面養(yǎng)分流失的影響實驗研究[J]. 水土保持學報, 2007, 21(3): 14-18. Kong G, Wang Q J, Fan J. Research on nutrient loss from loessial soil under different slopes[J]. J. Soil Water Conserv., 2007, 21 (3): 14-18.

[15] 王占禮, 邵明安, 李勇. 黃土地區(qū)耕作侵蝕過程中的土壤再分布規(guī)律研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2002, 8(2): 168-172. Wang Z L, Shao M A, Li Y. Study on the soil redistribution induced by tillage erosion in loess region of China[J]. Plant Nutr. Fert. Sci., 2002, 8(2): 168-172.

[16] 霍霄妮, 李紅, 張微微, 等. 北京耕作土壤重金屬多尺度空間結構[J]. 農業(yè)工程學報, 2009, 25(3): 223-229. Huo X N, Li H, Zhang W Wetal. Multi-scale spatial structure of heavy metals in Beijing cultivated soils[J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng., 2009, 25(3): 223-229.

[17] 劉付程, 史學正, 潘賢章, 于東升. 太湖流域典型地區(qū)土壤磷素含量的空間變異特征[J]. 地理科學, 2003, 23(1): 77-81. Liu F C, Shi X Z, Pan X Z, Yu D S. Characteristics of spatial variability of total phosphorus in soil of the typical area of Taihu Lake Watershed[J]. Sci. Geogr. Sin., 2003, 23(1): 77-81.

Phosphorousdistributionofplant-soilsysteminaStipabungeanaslopelandintheagro-pastoraltransitionalzone

WANG Liao-hong， QIU Li-ping， GAO Hai-long， ZHANG Xing-chang*

(StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau/InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Understanding the phosphorous distribution of plant-soil system in astipabungeanaslope land in the agro-pastoral transitional zone is fundamental for managing phosphorous and predicting phosphorous distribution and loss in slope lands. In this study, the spatial distribution of phosphorous in plant and soil along astipabungeanaslope in the agro-pastoral transitional zone of the Loess Plateau was analyzed. Three spatial scales were used to analyze the spatial structure of phosphorous along slopes. The results show that the plant biomass, phosphorous content and amount in plant and soils are increased with the decreases of slope position and the variation coefficients of these variables are smaller in the low position than those in the middle and up position. The variation coefficients of phosphorous concentrations in plants and the total phosphorous in soils from the up position to the low position are 34.25%, 25.98%, 10.02% and 24.05%, 15.27%, 10.85%, respectively. The exponential model is the best fit model for plant biomass and soil available phosphorous, spherical model for soil total phosphorous, and Gaussian model for plant phosphorous, respectively. With the enlargement of the analysis scale, the values of C0and C0/(C0+C) are increased, showing a decreased spatial dependence of sampling sites and weak spatial correlations. The C0and C0/(C0+C) of phosphorous concentration in plants are 0.010, 0.010, 0.011, and 7.9, 8.5, 8.9, respectively, at the analytical scales of 5, 10, and 15 m. These results indicate that phosphorous in plant and soil has relatively stable spatial structure at different spatial scales which belongs to medium or strong spatial correlations, and its spatial variation mainly comes from structural factors.

phosphorous spatial distribution; plant and soil system;stipabungeanaslope land; agro-pastoral transitional zone

2012-12-23接受日期2013-06-10

國家自然科學基金項目(40901145)；西北農林科技大學基本科研業(yè)務費(QN2011147)；中國科學院西部行動計劃項目(KZCX2-XB3-13)資助。

王遼宏(1987—)，女， 陜西宜川人， 碩士研究生，主要從事土壤理化性質方面的研究。E-mail: wangliaohong@126.com * 通信作者 E-mail: zhangxc@ms.iswc.ac.cn

S153.6+1

A

1008-505X(2013)05-1192-08