江葉楓，葉英聰，郭 熙*，饒 磊，李偉峰，孫 凱

?

南方紅壤區(qū)不同侵蝕程度下耕地土壤有效磷空間分布特征及其驅(qū)動因素①

江葉楓1,2，葉英聰2，郭 熙1,2*，饒 磊1,2，李偉峰1,2，孫 凱1,2

(1江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院，南昌 330045；2江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室，南昌 330045)

以江西省興國縣耕地土壤有效磷為研究對象，結(jié)合高程、坡度、成土母質(zhì)、土壤質(zhì)地、耕層厚度和地貌類型等因素，運用Spearman相關(guān)性分析、回歸分析和普通克里格法，對不同侵蝕程度下土壤有效磷空間變異及其驅(qū)動因素進行研究。結(jié)果表明：隨著侵蝕程度的加深，土壤有效磷均值呈下降趨勢，當(dāng)侵蝕程度不斷加重時，土壤有效磷均值又呈上升趨勢。不同侵蝕程度下土壤有效磷含量差異顯著(<0.001)。變異系數(shù)由大到小依次為極強度侵蝕(35.20%)>劇烈侵蝕(28.09%)>輕微侵蝕(28.02%)>重度侵蝕(27.90%)>無明顯侵蝕(25.96%)>中度侵蝕(25.78%)。在無明顯侵蝕時，成土母質(zhì)能獨立解釋1.7% 的土壤有效磷空間變異。在輕微侵蝕、中度侵蝕和重度侵蝕時，高程的獨立解釋能力分別為5.7%、2.3% 和2.9%。在極強度侵蝕時，成土母質(zhì)的獨立解釋能力為5.0%。在劇烈侵蝕時高程的獨立解釋能力為1.9%。因此，高程和成土母質(zhì)是不同侵蝕程度下土壤有效磷空間變異的驅(qū)動因素。研究成果為不同侵蝕程度下合理開展耕地利用和水土保持工作提供了參考。

不同侵蝕程度；土壤有效磷；變異；驅(qū)動因素；高程；成土母質(zhì)

耕地土壤有效磷是表征土壤供磷能力、確定磷肥用量和農(nóng)業(yè)磷環(huán)境風(fēng)險評價的重要指標，其含量與動態(tài)變化在一定程度上影響土壤質(zhì)量與區(qū)域環(huán)境[1-2]。磷元素缺乏與富集都將嚴重制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[3]。近幾十年來，隨著對農(nóng)業(yè)磷肥施用量的不斷提升，土壤中磷素含量出現(xiàn)了明顯的變化，并相繼出現(xiàn)了一些磷素富集與流失現(xiàn)象，對生態(tài)環(huán)境與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了極大威脅[4-5]。充分了解土壤有效磷空間分布特征及其驅(qū)動因素對合理施用磷肥、管理土壤資源以及農(nóng)業(yè)面源污染重點區(qū)域的識別與治理具有重要意義[6]。

土壤有效磷含量在空間分布上往往表現(xiàn)出明顯的異質(zhì)性，不同區(qū)域其空間分布特征及其影響因素也存在差異[7]。目前對土壤有效磷空間變異的影響因素研究大多數(shù)都集中在不同耕作方式[8-9]、不同尺度[10]、不同施肥模式[11]等。前人研究結(jié)果表明土壤受到不同程度的侵蝕會顯著地改變土壤有效磷含量[12]。因此，研究不同侵蝕程度下土壤有效磷空間變異特征及其影響因素有利于更加詳細地描述土壤有效磷空間變異規(guī)律和更加精確地評價區(qū)域磷淋失風(fēng)險。

在土壤有效磷空間變異的影響因素中，定性因素如成土母質(zhì)、地貌類型或土壤質(zhì)地以及耕層厚度等對其影響顯著[13]；定量因素如高程、坡度和坡向等也會顯著影響土壤有效磷的空間分布[5,10]；但目前對定性和定量因素大多以定性描述為主，缺乏對不同影響因素的定量分析。因此，定性因素定量化研究越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視與關(guān)注。胡玉福等[14]、羅由林等[15]、Bell等[16]為認識土壤屬性空間變異影響因素定量化研究方面提供了一定的經(jīng)驗。前人研究表明定性因素定量化研究對準確獲取土壤屬性空間變異信息、區(qū)域資源優(yōu)化利用以及環(huán)境保護方面具有重要作用[17]。

南方紅壤區(qū)總面積218萬km2，其中紅壤系列面積約128萬km2，占全區(qū)總面積的58.7%，紅壤區(qū)的侵蝕退化已成為限制這一地區(qū)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的障礙因素，嚴重威脅著區(qū)域土壤環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[18-19]。因此，研究紅壤區(qū)不同侵蝕程度與土壤屬性含量變化動態(tài)成為土壤生態(tài)學(xué)面臨的嚴峻課題。本文以南方紅壤區(qū)侵蝕相對嚴重的興國縣為案例區(qū)，以耕地土壤有效磷為研究對象，結(jié)合高程、坡度、成土母質(zhì)、土壤質(zhì)地、耕層厚度和地貌類型等因素，運用Spearman相關(guān)性分析、回歸分析和普通克里格法對興國縣土壤有效磷空間分布特征及其影響因素進行定量分析。以期為不同侵蝕程度下土壤有效磷空間變異研究、減少磷素流失或累積、降低耕地面源污染以及水土保持工作等方面提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

興國縣隸屬于江西省贛州市，地理坐標介于115°01′ ~ 115°51′E，26°03′ ~ 26°42′N。地處中國中亞熱帶南部，江西省中南部，贛州市北部。轄區(qū)總面積3 215 km2，東西長84 km，南北寬72 km。地勢北高南低，境內(nèi)主要地貌類型為山地和丘陵，平原與崗地較少，經(jīng)濟相對落后，是江西省較為典型的山區(qū)縣和貧困縣之一。海拔在150 ~ 1 186 m之間，年平均降水天數(shù)為 155 d，年平均降水量為1 522 mm，年平均氣溫為18.8 ℃，年平均日照為1 926.5 h。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉、針葉林，但由于森林砍伐和農(nóng)業(yè)活動，植被多為殘存的次生林和灌叢，僅北部山區(qū)存在小面積常綠闊葉林。自1983年被國務(wù)院列為全國八個水土保持重點治理區(qū)之一，經(jīng)過幾十年的治理，興國縣植被覆蓋率達到 42.3%[20]。耕地土壤類型主要為紅壤、黃壤和水稻土等。零坡度耕地面積為12 187 hm2，占總耕地面積的17.88%，主要分布在中度侵蝕、重度侵蝕和無明顯侵蝕程度下；坡度為0 ~ 10° 耕地面積為53 711 hm2，占總耕地面積的79.34%，主要分布在無明顯侵蝕、輕微侵蝕、中度侵蝕、重度侵蝕和極強度侵蝕程度下；坡度>10° 耕地面積為2 262 hm2，占總耕地面積的2.78%，主要分布在劇烈侵蝕、無明顯侵蝕和重度侵蝕程度下。土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土壤樣品按照《耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》，于2010年11月9日至2011年2月3日農(nóng)作物收獲后采用多點混合的方法采集土壤樣品4 351個(圖 1A)。每個采樣點均以GPS記錄其經(jīng)緯度，每個樣點采用“X”法均勻隨機抽取5個樣點，經(jīng)充分混合后用五分法留取樣品1 kg，土壤樣品經(jīng)過自然風(fēng)干后，在實驗室磨碎過篩，采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定耕地土壤有效磷含量[21]。DEM(數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)由1:10 000地形圖生成(圖 1B)，高程和坡度數(shù)據(jù)均由DEM借助ArcGIS10.2軟件處理提取。

1.3 侵蝕程度劃分

試驗于2010年11月9日至2011年2月3日，在實地采樣的基礎(chǔ)上，參照1997年水利部頒布的SL190-1996《土壤侵蝕分類分級標準》，根據(jù)平均侵蝕模數(shù)對每個采樣點利用通用土壤流失方程進行土壤侵蝕計算，對江西省興國縣土壤侵蝕程度進行分級(表1)。

圖1 研究區(qū)耕地土壤樣點分布圖及DEM

表1 土壤侵蝕分級

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文采用閾值法(3倍的標準差)[22]對采樣點土壤有效磷含量進行異常值處理，剔除異常值后的樣本為4 334個，本文后續(xù)研究均采用處理后的數(shù)據(jù)?？臻g變異用ArcGIS10.2生成數(shù)據(jù)圖層后再用GS+7.0進行半變異函數(shù)計算和模型擬合。在Spearman相關(guān)性分析中，定性因子如成土母質(zhì)、土壤質(zhì)地、耕層厚度(分區(qū)間)和地貌類型按照《耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》分別進行賦值。在土壤有效磷空間變異影響因素的回歸分析中，把高程分為4組：<200 m、200 ~ 400 m、400 ~ 600 m、>600 m；坡度分為3組：零坡度、0 ~ 10°、>10°；成土母質(zhì)分為3組：千枚巖、紅砂巖、花崗巖；土壤質(zhì)地分為3組：輕壤、砂壤、中壤；耕層厚度分為3組：0 ~ 10 cm、10 ~ 20 cm、20 ~ 30 cm；地貌類型分為3組：平原、丘陵、山地；同時對重分組的變量進行啞變量[15,17]賦值。通過對定性變量進行啞變量賦值，實現(xiàn)對定性的定量化研究。常規(guī)性統(tǒng)計分析、Spearman相關(guān)性分析、回歸分析以及啞變量賦值均在IBM SPSS Statistics 22軟件中完成。最后用ArcGIS10.2插值生成研究區(qū)土壤有效磷含量空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有效磷的描述性統(tǒng)計特征

4 334個土壤樣點數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果表明(表2)，土壤有效磷含量值域范圍為6.22 ~ 43.11 mg/kg，平均值為18.07 mg/kg，變異系數(shù)為27.84%，呈中等程度的變異性。從分布類型可以得出不同侵蝕程度下土壤有效磷均符合對數(shù)正態(tài)分布，可以進行半變異函數(shù)分析和普通克里格法插值。不同侵蝕程度下土壤有效磷的變異系數(shù)均為中等變異性。變異系數(shù)由大到小依次為極強度侵蝕(35.20%)>劇烈侵蝕(28.09%)>輕微侵蝕(28.02%)>重度侵蝕(27.90%)>無明顯侵蝕(25.96%)>中度侵蝕(25.78%)。

表2 耕地土壤有效磷的描述性統(tǒng)計特征

注：表中同列數(shù)據(jù)大寫字母不同表示不同侵蝕程度下土壤有效磷含量差異達<0.01 顯著水平。

2.2 半方差函數(shù)分析

半方差函數(shù)能較好地刻畫土壤有效磷空間分布的隨機性和結(jié)構(gòu)性，是描述土壤有效磷空間變異最有效的方法。從圖2和表3可以看出，土壤有效磷的最優(yōu)模型為指數(shù)模型，模型的擬合系數(shù)為0.919，擬合程度較高。從模型的參數(shù)來看，土壤有效磷的塊金效應(yīng)(隨機性因素引起的空間變異與系統(tǒng)總空間變異的比值)[23-24]為11.55%，表明土壤有效磷呈強空間相關(guān)性，空間變異由采樣方式、實驗誤差以及磷肥施用量等隨機性因素和成土母質(zhì)、土壤質(zhì)地、地貌類型以及耕層厚度等結(jié)構(gòu)性因素共同作用。變程為7.53 km，表明土壤有效磷的空間自相關(guān)范圍較大。

圖2 土壤有效磷半方差函數(shù)圖

表3 土壤有效磷的半方差函數(shù)參數(shù)

2.3 土壤有效磷與影響因素相關(guān)性分析

從Spearman相關(guān)性分析結(jié)果可知(表4)，高程在無明顯侵蝕、輕微侵蝕、中度侵蝕和重度侵蝕程度下與土壤有效磷均呈顯著的相關(guān)關(guān)系(<0.01)。坡度在無明顯侵蝕程度下呈正向相關(guān)，而在輕微侵蝕時坡度變成負向相關(guān)；前人研究結(jié)果表明[25-26]，當(dāng)坡度超過一定限度時，土壤屬性含量與坡度呈反比關(guān)系，說明存在坡度臨界值。成土母質(zhì)在不同侵蝕程度下相關(guān)系數(shù)均小于零，土壤有效磷含量高低依次為千枚巖>紅砂巖>花崗巖。土壤質(zhì)地在無明顯侵蝕和輕微侵蝕時與土壤有效磷呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，耕層厚度呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，說明土壤顆粒越小，土壤有效磷含量越高，且表現(xiàn)出一定的表聚性，其他侵蝕程度下影響均不顯著。地貌類型在無明顯侵蝕、輕微侵蝕和劇烈侵蝕程度下影響顯著，具體表現(xiàn)為山地>丘陵>平原。

表4 不同侵蝕程度下土壤有效磷與影響因素Spearman相關(guān)性分析

注：*表示相關(guān)性達到<0.05顯著水平，**表示相關(guān)性達到<0.01顯著水平。

2.4 土壤有效磷空間變異特征

為了直觀地反映土壤有效磷的空間變異特征，在半變異函數(shù)模型擬合的基礎(chǔ)上對興國縣耕地土壤有效磷運用普通克里格法進行空間插值，進而得到土壤有效磷的空間分布(圖 3A)，土壤侵蝕圖(圖3B)由水利部調(diào)查的全省土壤侵蝕圖處理提取。興國縣土壤有效磷含量分布總體趨勢是：隨著侵蝕程度的加深，土壤有效磷均值呈下降趨勢，當(dāng)侵蝕程度不斷加重時，土壤有效磷均值又呈上升趨勢(表2)。說明侵蝕對土壤有效磷含量有明顯影響。土壤有效磷含量在10.0 ~ 20.0 mg/kg之間的區(qū)域面積最廣，總體水平一般，與常規(guī)性統(tǒng)計分析結(jié)果較為一致。

圖3 土壤有效磷空間分布圖和土壤侵蝕圖

從不同侵蝕程度來看(圖3)，土壤有效磷高值區(qū)域大部分都分布在無明顯侵蝕、極強度侵蝕和劇烈侵蝕程度下，部分侵蝕程度較高的區(qū)域土壤有效磷含量也高，這與表2結(jié)果一致。重度侵蝕、極強度侵蝕和劇烈侵蝕程度下兩兩之間均有顯著差異(<0.01)。無明顯侵蝕除與劇烈侵蝕無顯著差異外，與其他侵蝕程度都差異顯著，表明侵蝕顯著地改變了土壤有效磷含量，與表5結(jié)果一致。極強度侵蝕與所有侵蝕程度差異顯著(表2)，且從表2可以看出極強度侵蝕的土壤有效磷含量平均值最高，達到19.83 mg/kg，究其原因：①由于極強度侵蝕程度下耕地防治措施較好，改造治理后經(jīng)濟效益較大，同時其治理難度較大，耗費時間較長[27-28]，因而其波動范圍越大，而最大值與最小值也說明了這一點；興國縣在防治耕地水土流失方面做了大量有效的艱苦工作，成效顯著，因而其均值含量較高。②由于采樣點較少導(dǎo)致土壤有效磷含量分布隨機性較大，無法比較在同等采樣數(shù)下兩者的差異?？傊?，土壤有效磷含量在不同侵蝕程度下差異極顯著(表5，<0.001)。

表5 不同侵蝕程度下土壤有效磷含量方差分析

2.5 土壤有效磷空間變異的影響因素

2.5.1 高程 高程對土壤有效磷的影響主要體現(xiàn)在水熱條件再分配過程和人為活動方面。從表6可以看出，隨著高程的上升，土壤有效磷呈先下降后上升的趨勢，與Spearman相關(guān)性分析結(jié)果較為一致。不同高程下土壤有效磷均值范圍為17.96 ~ 18.72 mg/kg，高程大于800 m時土壤有效磷含量最高，為18.72 mg/kg；高程在200 ~ 400 m之間的土壤有效磷含量最低，為17.96 mg/kg。從變異系數(shù)可以看出，不同高程下土壤有效磷均屬于中等程度的變異性。高程對土壤有效磷空間變異影響顯著(<0.05，表7)。

表6 不同高程土壤有效磷描述性統(tǒng)計特征

表7 不同侵蝕程度下土壤有效磷與影響因素回歸分析的校正決定系數(shù)(%)

注：*表示<0.05顯著水平，**表示<0.01顯著水平，-表示無顯著影響。

2.5.2 坡度 坡度主要通過影響降雨入滲時間及徑流流速從而影響坡面表層土壤顆粒起動、侵蝕方式和徑流的挾沙能力，從而導(dǎo)致到土壤有效磷含量存在差異。坡度對土壤有效磷含量影響顯著(<0.05，表7)。從表8可以看出，均值含量大小隨坡度增大而降低，與Spearman相關(guān)性分析結(jié)果不一致，這可能是因為重分組擴大了局部范圍的影響程度，使得在整體上揭示了土壤有效磷變異情況。變異系數(shù)也隨坡度增大而減小，均表現(xiàn)為中等程度的變異性。

表8 不同坡度土壤有效磷描述性統(tǒng)計特征

2.5.3 成土母質(zhì) 成土母質(zhì)通過影響土壤顆粒組成、物理化學(xué)和風(fēng)化過程等進而引起土壤有效磷含量的差異。成土母質(zhì)對土壤有效磷空間變異影響顯著(<0.05，表7)。不同成土母質(zhì)類型間土壤有效磷均值差異明顯(表9)，以千枚巖最高(18.93 mg/kg)，千枚巖透水能力強，抗風(fēng)化能力弱，可為植被提供良好的生存環(huán)境，土壤有效磷含量較高；花崗巖最低(17.30 mg/kg)，花崗巖透水能力低，抗風(fēng)化能力強，植被易被破壞，水土大量流失，土壤有效磷積累量少。從變異系數(shù)可以看出(表9)，不同母質(zhì)間土壤有效磷均呈中等變異性，變異系數(shù)最高為27.74%(紅砂巖)，最低為27.40%(花崗巖)。

表9 不同成土母質(zhì)類型土壤有效磷描述性統(tǒng)計特征

2.5.4 土壤質(zhì)地 土壤質(zhì)地具有不同的成土過程、土壤顆粒的礦物組成和理化性質(zhì)，從而使得土壤有效磷含量存在差異性。不同土壤質(zhì)地對土壤有效磷含量影響顯著(<0.05，表7)。從表10可以看出，3種土壤質(zhì)地中均值大小依次為中壤(18.39 mg/kg)> 輕壤(17.99 mg/kg)>砂土(17.68 mg/kg)。變異系數(shù)處于26.40% ~ 28.62% 之間，以輕壤變異系數(shù)最大(28.62%)，以砂壤變異系數(shù)最小(26.40%)，均屬于中等變異性。砂壤一般保水保肥能力差，施入的肥料不易在土壤中積累，這可能是導(dǎo)致砂壤土壤有效磷含量偏低的主要原因。

2.5.5 耕層厚度和地貌類型 從表11可以看出，不同耕層厚度土壤有效磷含量呈下降趨勢。0 ~ 10 cm土壤有效磷平均含量最高，為18.29 mg/kg；10 ~ 20 cm含量次之，為18.16 mg/kg；20 ~ 30 cm含量最低，為17.48 mg/kg；表現(xiàn)出一定的表聚性。從變異系數(shù)看不同耕層厚度下土壤有效磷均呈中等程度的變異性。表12結(jié)果表明土壤有效磷含量山地最高(18.47 mg/kg)，丘陵其次(17.66 mg/kg)，最低的為平原(16.85 mg/kg)，這與Spearman相關(guān)性分析結(jié)果一致(表4)。從變異系數(shù)可以看出，不同地貌類型下土壤有效磷均為中等程度的變異性。

表10 不同土壤質(zhì)地土壤有效磷描述性統(tǒng)計特征

表11 不同耕層厚度土壤有效磷描述性統(tǒng)計特征

表12 不同地貌土壤有效磷描述性統(tǒng)計特征

2.6 各影響因素對土壤有效磷空間變異的獨立解釋能力

為定量解釋各影響因素對土壤有效磷空間變異的獨立解釋能力。對高程、坡度、成土母質(zhì)、土壤質(zhì)地、耕層厚度和地貌類型進行回歸分析。表7為各影響因素與土壤有效磷含量進行回歸分析的校正決定系數(shù)。從表7可以看出，高程僅在極強度侵蝕程度下無顯著影響，其他侵蝕程度下的獨立解釋能力范圍為1.4% ~ 5.7%。坡度在輕微侵蝕和極強度侵蝕時的獨立解釋能力分別為1.1% 和3.4%。成土母質(zhì)對土壤有效磷空間變異的獨立解釋能力范圍為1.0% ~ 5.2%，在中度與重度侵蝕時無顯著影響。土壤質(zhì)地的獨立解釋能力范圍為0.4% ~ 4.3%，在中度侵蝕與劇烈侵蝕時無顯著影響。耕層厚度在全部樣點的回歸分析中影響不顯著；在不同侵蝕程度下的獨立解釋能力范圍為0.6% ~ 4.0%，且在中度侵蝕與極強度侵蝕時影響不顯著。地貌類型的獨立解釋能力為0.8% ~ 4.7%，在中度侵蝕與極強度侵蝕時與土壤有效磷含量無顯著影響。在無明顯侵蝕時，成土母質(zhì)(1.7%)是驅(qū)動土壤有效磷空間變異的主要因素。在輕微侵蝕(5.7%)、中度侵蝕(2.3%)和重度侵蝕(2.9%)時，高程為主要驅(qū)動因素。在極強度侵蝕時主要驅(qū)動因素又變?yōu)槌赏聊纲|(zhì)(5.0%)。在劇烈侵蝕時高程是影響土壤有效磷空間變異的主要驅(qū)動因素。

3 討論

3.1 高程對土壤有效磷的影響

Spearman相關(guān)性分析表明不同侵蝕程度下土壤有效磷含量隨高程呈先上升后下降，再上升又下降的總體趨勢。主要原因在于：在高程較低或平原地區(qū)，人類活動較多，土地開發(fā)利用強度大，磷肥施用量大，植物表聚作用強烈，且地形平坦，磷素淋失程度較低，土壤有效磷含量普遍較高；雖然部分區(qū)域精耕細作土壤有效磷含量較低，但范圍較小。隨著高程的上升，溫度隨之降低，植物表聚性趨于緩和，土壤淋失程度較之劇烈而磷素含量減少。當(dāng)高程再次上升，由于興國縣的特殊地形，這部分耕地大部分耕作在山脊，山坡上土壤有效磷流失量大部分匯入山脊中的耕地，土壤有效磷含量上升。當(dāng)海拔繼續(xù)上升，基巖的裸露，植被較為稀疏，降雨直接降落到地面上，受植被、降雨和坡度的綜合作用使得土壤有效磷含量下降?；貧w分析與方差分析的結(jié)果表明(表7)，不同侵蝕程度下高程對土壤有效磷影響顯著，隨著侵蝕程度的加深高程對土壤有效磷的獨立解釋能力呈先上升后下降的趨勢。嚴加亮[29]對武夷山不同海拔下土壤有效磷空間變異進行研究，發(fā)現(xiàn)海拔對土壤有效磷含量影響顯著，表現(xiàn)為隨著海拔的上升，土壤有效磷含量呈上升趨勢。黃尚書[30]、田曉春等[31]、張繼平等[32]也得出相似的結(jié)果，本研究結(jié)果與此一致。

3.2 成土母質(zhì)對土壤有效磷的影響

Mage和Porder等[33]在綜合分析氣候、植被類型、地形地貌等各種因素對土壤有效磷空間變異影響的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)眾多影響因素中成土母質(zhì)對土壤有效磷含量與分布的影響最大，本研究結(jié)果與此較為一致。相關(guān)性分析表明不同母質(zhì)下土壤有效磷含量表現(xiàn)為：千枚巖>紅砂巖>花崗巖。不同母質(zhì)發(fā)育的土壤有效磷含量不同，這與土壤顆粒組成差異有關(guān)。張海東等[34]、何利昌等[35]研究表明，土壤細顆粒對土壤重要屬性的保護能力較強。究其原因：①顆粒越小，越容易黏結(jié)，在一定程度封堵地表徑流量，抗侵蝕能力增強，從而保護土壤有效磷含量。②黏粒含量越多，土壤的膠結(jié)能力就越強，土壤孔隙度越小，通氣性能差，且不利于土壤的排水，造成土壤淹漬，從而更加容易發(fā)生地表徑流，抗侵蝕能力減弱，不利于土壤有效磷的累積。千枚巖母質(zhì)主要由質(zhì)地黏細的顆粒發(fā)育而來，有利于土壤有效磷的累積。而紅砂巖主要由細砂粒發(fā)育而來，但其質(zhì)地疏松，土層中存在細砂較多，其有效磷累積能力要低于千枚巖。花崗巖發(fā)育形成的土壤機械組成以細砂粒和粗砂粒為主，且粗砂粒所占的比重較大，較弱的凝聚力致使表層土壤疏松，土壤抗蝕性差，不利于土壤有效磷的累積?；貧w分析與方差分析的結(jié)果表明(表6)，成土母質(zhì)在中度侵蝕和重度侵蝕時對土壤有效磷含量影響不顯著，在其他侵蝕程度下對土壤有效磷影響顯著，且成土母質(zhì)可獨立解釋不同侵蝕程度下1.0% ~ 5.2% 的土壤有效磷空間變異。

3.3 土壤侵蝕對土壤有效磷的影響

李裕元等[36]模擬侵蝕條件下土壤有效磷空間分布特征，發(fā)現(xiàn)侵蝕顯著地改變了土壤有效磷含量，土壤有效磷含量空間變化為波浪狀。陳曉燕等[37]模擬不同降雨強度下土壤有效磷的空間變異特征，發(fā)現(xiàn)土壤有效磷含量先增大，然后逐漸減少，最后趨于平穩(wěn)的變化。其他學(xué)者也發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕是導(dǎo)致土壤有效磷變異的重要因素[38]，但二者的變化關(guān)系并非簡單的線性關(guān)系，這與本文研究結(jié)果一致。在無明顯侵蝕和輕微侵蝕時，侵蝕對土壤有效磷含量影響顯著，這是因為在侵蝕初期耕地表層較為松散，表層中對土壤有效磷吸附作用較強的細顆粒隨徑流流失，導(dǎo)致大量土壤有效磷下降(表2)；在中度侵蝕和重度侵蝕時，隨著侵蝕的不斷加重，土壤原地表松散細顆粒減少，土壤入滲率變得穩(wěn)定，在一定程度上減少了土壤有效磷隨徑流流失的風(fēng)險，雖然中度侵蝕和重度侵蝕之間土壤有效磷均值有所不同(表2)，但無顯著差異(表2)；在極強度侵蝕和劇烈侵蝕時，表層土壤顆粒結(jié)構(gòu)被破壞，土層表面形成結(jié)皮，抗濺蝕能力增強，坡面土壤顆粒流失強度明顯減少，土壤有效磷含量呈上升趨勢(表2)。土壤侵蝕能夠破壞土壤資源，降低土壤肥力和質(zhì)量，造成生態(tài)環(huán)境惡化；日益嚴重的土壤侵蝕對耕地利用、水土保持和環(huán)境保護構(gòu)成了很大威脅，已成為全球性的重大環(huán)境問題之一。雖然近年來興國縣在防治耕地水土流失方面做了大量有效的艱苦工作，成效顯著，經(jīng)驗豐富，但也仍然存在嚴重的土壤侵蝕問題。不同侵蝕程度下土壤有效磷空間變異的影響因素除了高程和成土母質(zhì)外，如pH、降雨量、有機質(zhì)含量、植被覆蓋指數(shù)、耕作方式和人為活動等都與土壤有效磷含量有著較為直接的關(guān)系，同時由于土壤侵蝕是一個與時空尺度相關(guān)的過程，不同的尺度具有不同的主導(dǎo)性或者控制性過程，結(jié)合時空尺度與更多影響因素有利于更加詳細地描述侵蝕條件下土壤有效磷空間變異特征。

4 結(jié)論

1) 興國縣土壤有效磷含量在6.22 ~ 43.11 mg/kg，平均含量18.07 mg/kg，變異系數(shù)為27.84%，呈中等程度的變異性。不同侵蝕程度下土壤有效磷含量差異顯著(<0.001)，其變異系數(shù)由大到小依次為極強度侵蝕(35.20%)>劇烈侵蝕(28.09%)>輕微侵蝕(28.02%)>重度侵蝕(27.90%)>無明顯侵蝕(25.96%)>中度侵蝕(25.78%)。

2) 在無明顯侵蝕時，成土母質(zhì)能獨立解釋1.7% 的土壤有效磷空間變異，是影響土壤有效磷空間變異的重要因素。在輕微侵蝕、中度侵蝕和重度侵蝕時，高程為重要影響因素，其獨立解釋能力分別為5.7%、2.3% 和2.9%。在極強度侵蝕時重要影響因素為成土母質(zhì)，其獨立解釋能力為5.0%。在劇烈侵蝕時高程是影響土壤有效磷空間變異的重要因素，其獨立解釋能力為1.9%。高程和成土母質(zhì)已成為不同侵蝕程度下土壤有效磷空間變異的主要驅(qū)動因素。

[1] 陳磊, 云鵬, 高翔, 等. 磷肥減施對玉米根系生長及根際土壤磷組分的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2016, 22(6): 1548–1557

[2] 陳美領(lǐng), 陳浩, 毛慶功, 等. 氮沉降對森林土壤磷循環(huán)的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2016, 36(16): 4965–4976

[3] 張蕊, 曹靜娟, 郭瑞英, 等. 祁連山北坡亞高山草地退耕還林草混合植被對土壤碳氮磷的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2014, 23(6): 938–944

[4] 魏玉奎, 李新平, 劉瑞豐, 等. 設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤磷素富集的動態(tài)變化[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2011, 29(1): 126–132

[5] 張瑜, 張黎明, 周碧青, 等. 基于GIS技術(shù)的耕地有效磷富集與生態(tài)風(fēng)險評價——以福建省泰寧縣為例[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2015, 34(2): 326–336

[6] 黃昌勇. 土壤學(xué)[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2000

[7] 賈玉華, 邵明安. 黃土區(qū)撂荒地土壤全磷的小尺度空間變異研究[J]. 土壤通報, 2014, 45(1): 116–122

[8] 李強, 唐春閨, 李帆, 等. 水旱輪作植煙土壤有效磷的時空變異及風(fēng)險評估[J]. 煙草科技, 2016, 49(6): 22–29

[9] 王振華, 朱波, 李青云. 不同土地利用方式下侵蝕泥沙中磷釋放風(fēng)險評價[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2011, 31(3): 474– 480

[10] 王幼奇, 白一茹, 展秀麗. 在不同尺度下寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異分析[J]. 干旱區(qū)研究, 2014, 31(2): 209–215

[11] 和利釗, 張楊珠, 劉杰, 等. 不同施肥和調(diào)理劑對侵蝕紅壤肥力和抗侵蝕性的修復(fù)效應(yīng)[J]. 水土保持學(xué)報, 2012, 26(4): 54–58

[12] 周麗娜, 孫婕, 雷金銀, 等. 培肥措施對侵蝕坡耕地春玉米產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2015, 33(5): 121–125

[13] 趙曉蕊. 武功山山地草甸土壤磷素的空間分布及磷素有效性的研究[D]. 南昌: 江西農(nóng)業(yè)大學(xué), 2014

[14] 胡玉福, 鄧良基, 張世熔, 等. 川中丘陵區(qū)典型小流域土壤氮素空間變異特征及影響因素研究[J]. 水土保持學(xué)報, 2008, 22(3): 70–75

[15] 羅由林, 李啟權(quán), 王昌全, 等. 近30年來川中紫色丘陵區(qū)土壤碳氮時空演變格局及其驅(qū)動因素[J]. 土壤學(xué)報, 2016, 53(3): 582–593

[16] Bell M J, Worrall F. Estimating a region’s soil organic carbon baseline: The undervalued role of land manage-ment[J]. Geoderma, 2009, 152(1/2): 74–84

[17] 羅由林, 李啟權(quán), 王昌全, 等. 川中丘陵縣域土壤碳氮比空間變異特征及其影響因素[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2015, 26(1): 177–185

[18] 趙其國. 我國紅壤的退化問題[J]. 土壤, 1995, 27(6): 281–285

[19] 趙穎. 長汀紅壤退化區(qū)生態(tài)恢復(fù)過程中植被—土壤系統(tǒng)養(yǎng)分動態(tài)研究[D]. 福州: 福建師范大學(xué), 2014

[20] Wang K, Wang H J, Shi X Z,et alLandscape analysis of dynamic soil erosion in Subtropical China: A case study in Xingguo County, Jiangxi Province[J]. Soil & Tillage Research, 2009, 105(2): 313–321

[21] 徐劍波, 宋立生, 夏振, 等. 基于GARBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的耕地土壤有效磷空間變異分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2012, 28(16): 158–165

[22] 何東健, 陳煦, 任嘉琛, 等. 土壤速效磷含量近紅外光譜田間快速測定方法[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2015, 46(3): 152–157

[23] Hernandezstefanoni J L, Poncehernandez R. Mapping the spatial variability of plant diversity in a tropical forest: Comparison of spatial interpolation methods[J]. Environmental Monitoring & Assessment, 2006, 117(1/2/3): 307–334

[24] Zhu Q, Lin H S. Comparing ordinary kriging and regression kriging for soil properties in contrasting landscapes[J]. Pedosphere, 2010, 20(5): 594–606

[25] 嚴友進, 戴全厚, 伏文兵, 等. 喀斯特坡地土壤地下侵蝕模擬試驗研究[J]. 水土保持學(xué)報, 2015, 29(6): 7–13

[26] 潘忠成, 袁溪, 李敏. 降雨強度和坡度對土壤氮素流失的影響[J]. 水土保持學(xué)報, 2016, 30(1): 9–13

[27] 宋正姍, 史學(xué)正, 王美艷, 等. 南方侵蝕治理區(qū)土壤碳分布及主控因素研究[J]. 土壤, 2013, 45(5): 850–855

[28] 王艷, 王建, 王治國. 川中丘陵紫色泥巖極強度侵蝕區(qū)的防治措施與效益研究[J]. 水土保持研究, 1997, 4(1): 138–140, 144

[29] 嚴加亮. 武夷山不同海拔土壤磷素的空間異質(zhì)性研究[D]. 福州: 福建農(nóng)林大學(xué), 2012

[30] 黃尚書. 武功山退化草甸生態(tài)系統(tǒng)磷素研究[D]. 南昌: 江西農(nóng)業(yè)大學(xué), 2014

[31] 田曉春, 鄧小華, 田茂成, 等. 湘西州植煙土壤有效磷含量區(qū)域分布特征[J]. 作物研究, 2014, 28(6): 630–633

[32] 張繼平, 張林波, 王風(fēng)玉, 等. 井岡山國家級自然保護區(qū)森林土壤養(yǎng)分含量的空間變化[J]. 土壤, 2014, 46(2): 262–268

[33] Mage S M, Porder S. Parent material and topography determine soil phosphorus status in the Luquillo Mountains of Puerto Rico[J]. Ecosystems, 2013, 16(2): 284–294

[34] 張海東, 于東升, 王寧, 等. 植被恢復(fù)過程中侵蝕紅壤有機質(zhì)變化研究[J]. 土壤, 2013, 45(5): 856–861

[35] 何利昌, 樊貴盛, 吉晉蘭. 細顆粒物質(zhì)潛入土壤對入滲的影響研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2015, 34(2): 102–104

[36] 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(xué)報, 2001, 15(2): 41–44

[37] 陳曉燕, 王茹, 卓素娟, 等. 不同降雨強度下紫色土陡坡地侵蝕泥沙養(yǎng)分特征[J]. 水土保持學(xué)報, 2012, 26(6): 1–5

[38] 張合兵, 聶小軍, 程靜霞.37Cs示蹤采煤沉陷坡土壤侵蝕及其對土壤養(yǎng)分的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2015, 31(4): 137–143

Spatial Distribution of Soil Available Phosphorus and Its Driving Factors Under Different Erosion Degrees in South China

JIANG Yefeng1,2, YE Yingcong2, GUO Xi1,2*, RAO Lei1,2, LI Weifeng1,2, SUN Kai1,2

(1 Academy of Land Resource and Environment, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China; 2 Key Laboratory of Poyang Lake Watershed Agricultural Resources and Ecology of Jiangxi Province, Nanchang 330045, China)

The spatial variation and the driving factors of soil available phosphorus (AP) of farmlands in Xinguo County under different erosion levels were analyzed by using the methods of Spearman correlation analysis, regression analysis and ordinary kriging combined with elevation, slope, parent material, soil texture, topsoil thickness and landform type. The results showed that the average AP decreased first and then increased with the increase of soil erosion level. Significant differences were found between AP under different soil erosion degrees (<0.001), the coefficient of variation decreased in the order as extremely intensive erosion (35.20%) > severe erosion (28.09%) > slight erosion (28.02%) > serious erosion (27.90%) > unobvious erosion (25.96%) > moderate erosion (25.78%). In the case of unobvious erosion, parent material could explain 1.7% of spatial variability of AP. In the cases of slight, moderate and serious erosion, elevation could explain 5.7%, 2.3% and 2.9% of spatial variability of AP, respectively. In the case of the extremely intensive erosion, parent material could explain 5.0% of the spatial variability characteristics of AP. In the case of severe erosion, elevation could explain 1.9% of the spatial variability characteristics of AP. Thus, parent material and elevation are the main driving factors in controlling the spatial distribution of AP. The study results could provide references for the rational use of farmlands and for soil and water conservation under different erosion degrees.

Different erosion degrees; Soil available phosphorus; Variation; Drivingfactors; Elevation; Parent material

國家自然科學(xué)基金項目(41361049)，江西省自然科學(xué)基金項目(20122BAB204012)和江西省贛鄱英才“555”領(lǐng)軍人才項目(201295)資助。

(xig435@163.com)

江葉楓(1994－)，男，江西余干人，碩士研究生，主要從事土壤養(yǎng)分變異研究。E-mail: jiangyf0308@163.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.05.022

S157；S158

A