崇義縣土壤有機質(zhì)空間變異及在不同侵蝕程度下的影響因素

趙 越，羅志軍*，趙 杰，江春燕，冉鳳維

(1.江西農(nóng)業(yè)大學國土資源與環(huán)境學院，江西 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，江西 南昌 330045)

【研究意義】土壤有機質(zhì)(Soil Organic Matter, SOM)一般是指土壤中含碳的有機物質(zhì)，是植物生長過程中重要的礦物質(zhì)營養(yǎng)來源，也是地球碳循環(huán)中的一部分，其含量的大小和其動態(tài)變化過程，對地球碳循環(huán)產(chǎn)生深遠的影響。土壤在地形、母質(zhì)、氣候和人為等因素的影響下形成[1-3]，又不斷受到不同程度的侵蝕。研究表明：在不同的侵蝕下，土壤中的有機質(zhì)的含量和分布受到影響，顯示出一定的差異性，而侵蝕主要來自于人為原因和自然原因[4-6]。因此，了解土壤有機質(zhì)的空間變異規(guī)律以及土壤有機質(zhì)在不同侵蝕程度下的含量與分布對農(nóng)業(yè)發(fā)展，水土保持具有深遠意義。【前人研究進展】土壤有機質(zhì)是評價土壤肥力的重要指標之一，而土壤有機質(zhì)含量的大小往往受到物理因素、化學因素、生物因素等諸多因素的影響，而各類因素對土壤有機質(zhì)的大小影響不一，由各地區(qū)特有的土壤環(huán)境所決定[7-8]。目前關(guān)于土壤有機質(zhì)的相關(guān)研究大都集中于土壤有機質(zhì)的空間分布和儲量估算，缺乏不同侵蝕程度下的土壤有機質(zhì)含量研究[9-10]。近年來相關(guān)研究表明，土壤有機質(zhì)的空間分布體現(xiàn)出一定的規(guī)律性，對土壤有機質(zhì)進行半變異方差擬合有著良好的效果[11-12]。關(guān)于土壤有機質(zhì)的不同侵蝕作用下的相關(guān)研究也有一定的探討。如左繼超等[13]通過對江西九江德安縣的紅壤區(qū)土壤有機質(zhì)不同侵蝕程度下的土壤養(yǎng)分含量分析，發(fā)現(xiàn)隨著土壤侵蝕程度的增加，土壤水穩(wěn)定性降低，土壤團聚體機械穩(wěn)定性減弱。肖勝生等[14]通過土壤侵蝕下水土保持和氣候變化的耦合關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)土壤的侵蝕作用改變了土壤中碳素含量?？芍寥狼治g的相關(guān)研究中，侵蝕會帶來土壤肥力多方面的變化，不同侵蝕程度也會引起土壤有機質(zhì)的空間變異。本文就從土壤有機質(zhì)空間變異及對不同侵蝕程度下的響應的研究來探索相關(guān)規(guī)律，以期為土壤肥力保持，土壤碳素積累研究起到積極作用。

崇義縣屬于南方紅壤區(qū)，紅壤區(qū)的土壤如今面臨著嚴重的侵蝕退化問題，已經(jīng)威脅到崇義縣以及周邊紅壤區(qū)的土壤養(yǎng)分和農(nóng)業(yè)的發(fā)展。在有關(guān)土壤性質(zhì)的相關(guān)研究中，對氮磷鉀的相關(guān)研究最為集中[15]。但對不同侵蝕程度下土壤有機質(zhì)研究還較為薄弱?！颈狙芯壳腥朦c】本文以江西省崇義縣耕地土壤有機質(zhì)為研究對象，從地形因子、結(jié)構(gòu)性因子兩個方面來分別研究不同侵蝕程度下，兩類因子與土壤有機質(zhì)含量的關(guān)系，探索土壤有機質(zhì)空間分布的規(guī)律?！緮M解決的關(guān)鍵問題】對土壤肥力的改善，土壤生產(chǎn)力的保持提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

崇義縣(25°24′～25°55′N，113°55′～114°38′E)位于江西省西南邊陲，隸屬贛州市管轄，全縣面積2206.27 km2。屬于中國亞熱帶季風濕潤區(qū)，海拔150～2014 m，山地較多，垂直高差大，山地面積為1088.89 km2，丘陵面積次之，平原最少，地形地貌較為特殊。降水較多，年平均降水量為1629.6 mm，年平均降水天數(shù)為 150 d，年平均日照為1374.8 h，春季日照少而夏季多，崇義縣地處中低緯度，屬中亞熱帶季風濕潤區(qū)，冬夏兩季盛行季風，全年熱量豐富，四季分明，霧日多，日照偏少，雨量充沛，空氣濕度大，無霜期長。但由于地形復雜，垂直高度差異大，山上山下，向陽面和背陽面，氣候差異十分明顯。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉、針葉林全縣森林資源豐富，樹木種類繁多。林木樹種有123科，892種，有“江西省綠色寶庫”之稱。耕地土壤類型主要為水稻土、潮土、紫色土、石灰(巖)土、紅色石灰土等。

1.2 樣本的采集

根據(jù)全國耕地地力調(diào)查和相關(guān)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程，于2010-2012年在崇義縣采用多點混合法對崇義縣耕地的表層土壤樣品進行采集，采樣點3431個，每個樣點的土壤樣品采集1000 g。通過多次的實地勘察，在平原、丘陵、山地等多種地貌下進行采樣，在景觀類型復雜的區(qū)域采樣較多，以保證采樣的合理性。并且對每個采樣點的海拔數(shù)據(jù)和坐標數(shù)據(jù)通過GPS技術(shù)記錄。通過對樣本的自然風干處理，碾碎過篩之后，使用重鉻酸鉀(K2Cr2O7)外加熱法對樣本進行處理[16]，以此測定土壤有機質(zhì)的含量。并以ARCGIS10.2為平臺，通過數(shù)字化方式，獲取了崇義縣的行政區(qū)劃圖、地形圖、土壤圖等數(shù)據(jù)(圖1)。

1.3 侵蝕程度劃分

根據(jù)水利部2002年批準的修訂計劃，采用經(jīng)過修訂后的的SL190-96《土壤侵蝕分類分級標準》，通過對實地的采樣得出平均侵蝕模數(shù)，再利用通用土壤流失方程，對崇義縣采樣點數(shù)據(jù)進行土壤侵蝕計算，計算得出其土壤侵蝕分級情況(表1)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過拉依達準則法對采樣點數(shù)據(jù)進行異常值剔除，最后得到有效樣本3431個。通過ArcGIS10.2對數(shù)據(jù)圖層進行處理，通過GS+7.0軟件對半變異函數(shù)進行計算，并進行模型擬合?；诘匦我蜃优c土壤結(jié)構(gòu)性因子的不同特點，分別對地形因子(連續(xù)型變量)和土壤結(jié)構(gòu)性因子(非連續(xù)型變量)進行Pearson相關(guān)性分析和Spearman相關(guān)性分析。采用ArcGIS10.2軟件中Geostatistical analyst工具進行克里格插值，生成全縣土壤有機質(zhì)含量空間分布圖，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的常規(guī)性分析則借助IBM SPSS Statistics 22軟件完成。

表1 土壤侵蝕分級

圖1 研究區(qū)土壤樣點分布圖及DEMFig.1 Distribution of cultivated soil sampling sites and DEM in the study area

由于地形因子與土壤結(jié)構(gòu)性因子的數(shù)據(jù)特點，分別對其進行分類劃分，把高程可分為8組：100～400、400～700、700～1000、1000～1300、1300～1600、1600～1900、1900～2100、2100～2400 m；坡度分為：0°、0°～15°、15°～30°、>30°；坡向分為：無坡向、陽坡、陰坡；曲率分為：上凹、平面、上凸；坡度變率分為：0、0～10、>10；耕層厚度分為：0～10、10～20、20～30 cm；地貌類型分為：平原、丘陵、高原；土壤質(zhì)地分為：輕粘、輕壤、中壤、重壤；成土母質(zhì)分為：千枚巖、紅砂巖、花崗巖；土壤結(jié)構(gòu)分為：粒狀、屑粒狀、塊狀、軟糊狀。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機質(zhì)的描述性統(tǒng)計特征

由表2可知，土壤有機質(zhì)平均值為25.01 g/kg，樣本中有機質(zhì)含量多處于0.90～59.50 g/kg之間。在相關(guān)分級標準中顯示，崇義縣整體土壤有機質(zhì)含量屬于較低水平。各類侵蝕水平下的土壤有機質(zhì)分布具有明顯差異，其分布符合正態(tài)分布而其變異系數(shù)也都屬于中等變異性。變異系數(shù)由大到小依次為無明顯侵蝕(35.56 %)>輕微侵蝕(34.01 %)>重度侵蝕(33.83 %)>中度侵蝕(33.66 %)>極強度侵蝕(19.67 %)。

2.2 空間結(jié)構(gòu)分析

半變異函數(shù)又稱半變差函數(shù)，是地統(tǒng)計中特有的函數(shù)。引起土壤有機質(zhì)空間產(chǎn)生分異的原因主要可以從內(nèi)因和外因兩個方面討論。內(nèi)因一般是指長期自然環(huán)境下，人為難以改變的因子，主要包括地形因子(如坡度、坡向)和土壤結(jié)構(gòu)性因子(如成圖母質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)等)，外因一般是指易受人類活動影響，隨機性較大的隨機性因子(如施肥種類和土壤培育等)。

表2 不同侵蝕程度下土壤有機質(zhì)的描述性統(tǒng)計特征

表3 不同侵蝕程度下土壤有機質(zhì)半變異函數(shù)參數(shù)

塊金值指隨機部分引起的空間變異的大小，基臺值則表示不同侵蝕程度下空間變異的程度高低。如表3所示，在不同侵蝕程度下，土壤有機質(zhì)所得塊金效應均處于0.2～0.5期間，表呈現(xiàn)出較強的空間相關(guān)性，不同侵蝕程度下的模型均為指數(shù)模型，隨著侵蝕程度的增加，塊金效應值在整體減少，在極強度侵蝕下又得以提高，這而表明侵蝕程度逐漸增大，地形因子還是土壤結(jié)構(gòu)性因子均對土壤有機質(zhì)含量受到的影響有所增加，在極劇烈情況下，對土壤有機質(zhì)的含量的影響有所減小。各類侵蝕程度下擬合度都較高，均在0.7之上，數(shù)字差異不大，符合崇義縣自身的地形地貌特征。

2.3 土壤有機質(zhì)與影響因素相關(guān)性分析

根據(jù)地形因子與結(jié)構(gòu)性因子的不同特點，分別采用從Pearson和Spearman分析法計算其相關(guān)系數(shù)。由表4可知，高程在5類侵蝕程度下均便顯出高程與土壤有機質(zhì)的較顯著地相關(guān)關(guān)系，均為正向相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，表明隨著海拔的升高，淋溶作用加強，表層游離營養(yǎng)物質(zhì)隨水分下移，土體厚，土壤結(jié)構(gòu)好，土壤有機質(zhì)的含量也有一定上升。坡度在無明顯中度侵蝕和重度侵蝕程度下呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，但屬于負相關(guān)關(guān)系。卻在劇烈侵蝕下仍為呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，但屬于正向相關(guān)關(guān)系；據(jù)相關(guān)顯示，坡度存在一定的臨界點，在坡度到達臨界點時，土壤有機質(zhì)與坡度開始呈現(xiàn)反比例關(guān)系；說明存在坡度臨界值。坡向在中度侵蝕呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)關(guān)系。曲率在五類侵蝕程度下均未表現(xiàn)出相關(guān)關(guān)系。坡度變率也由在無明顯侵蝕程度下呈現(xiàn)出明顯的負向相關(guān)變?yōu)闃O強度侵蝕程度下的正向相關(guān)(P<0.01)，與坡度變化類似。成土母質(zhì)相關(guān)系數(shù)均大于零(P<0.05)。成土母質(zhì)中，土壤有機質(zhì)中的含量高低依次為千枚巖>紅砂巖>最大的是千枚巖，花崗巖含量最少，相關(guān)系數(shù)均大于零。在土壤結(jié)構(gòu)中，在無明顯侵蝕、中度侵蝕、極強度侵蝕中呈現(xiàn)較為明顯的負相關(guān)關(guān)系，表明隨著土壤顆粒的增大，土壤的有機質(zhì)含量降低。坡向和地貌類型整體呈現(xiàn)出較強的負相關(guān)關(guān)系。土壤質(zhì)地和耕層厚度在5類侵蝕程度下的與土壤有機質(zhì)的相關(guān)性均未達到顯著水平，說明其對表明土壤質(zhì)地和耕層厚度與有機質(zhì)含量的關(guān)系不夠密切，對土壤有機質(zhì)含量影響較小。

表4 不同侵蝕程度下土壤有機質(zhì)與影響因素相關(guān)性分析

注：*表示P<0.05；**表示P<0.01。

Note: * means a significant difference at 0.05 level; ** means a highly significant difference at 0.01 level.

圖2 土壤侵蝕圖Fig.2 Soil erosion map

2.4 土壤有機質(zhì)空間格局分析

為了更好的對土壤有機質(zhì)與侵蝕度空間分布特征進行研究，根據(jù)上文中半變異函數(shù)和模型構(gòu)建，借助ARCGIS10.2軟件，對崇義縣土壤侵蝕圖進行提取，借助克里金插值法，得出土壤有機質(zhì)含量圖層，便于兩者進行對比。土壤侵蝕圖(圖2)根據(jù)全省土壤侵蝕圖進行提取處理所得：

從土壤侵蝕圖(圖2)和土壤有機質(zhì)空間分布圖(圖3)的對比可知，土壤有機質(zhì)含量較高的地區(qū)多分布于無明顯侵蝕、輕微侵蝕地區(qū)?？梢越忉屖艿降那治g越少，土壤有機質(zhì)受到的沖刷越少，可以很好地保留土壤有機成分。但仍存在一些極強度侵蝕和劇烈侵蝕的地區(qū)同樣具有較高的土壤有機質(zhì)，可以從以下幾個方面來解釋：①人為的在侵蝕程度大的地區(qū)開墾耕地，增加施肥，保持土壤的養(yǎng)分和生產(chǎn)力，屬于人為因素的干擾。②局部侵蝕度較高的地區(qū)，由于海拔較高，溫度較低，土壤養(yǎng)分可以很好地保留。③侵蝕度較大的地區(qū)土地利用類型也可能存在差異，土壤密度大，植被密集的地區(qū)能更好的保持土壤有機質(zhì)。

圖3 土壤有機質(zhì)空間分布圖Fig.3 Spatial distribution map of soil organic matter

2.5 土壤侵蝕影響因子相關(guān)程度分析

在6種不同的土壤侵蝕條件下，各個影響因子與土壤有機質(zhì)的相關(guān)性已經(jīng)顯現(xiàn)(表4)，但仍需要探索土壤有機質(zhì)與各類影響因子的相互關(guān)系，以服務于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。由表5可知，在地形因子的5類影響因子中，高程、坡度呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，坡向呈現(xiàn)出明顯負相關(guān)關(guān)系。這表明在地形因子中，對土壤有機質(zhì)有較大影響的是高程、坡度、坡向等因素，整體上體現(xiàn)出與土壤有機質(zhì)的密切聯(lián)系，曲率和坡度變率聯(lián)系較弱。在結(jié)構(gòu)性因子的5類影響因子中，成土母質(zhì)，剖面構(gòu)型呈正相關(guān)關(guān)系，地貌類型，土壤質(zhì)地呈負相關(guān)關(guān)系(表6)，成土母質(zhì)、剖面構(gòu)型與土壤有機質(zhì)呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，地貌類型、土壤質(zhì)地顯現(xiàn)出明顯的負相關(guān)關(guān)系。

3 討 論

土壤是在自然界中長期演化而形成的十分復雜的綜合體，具有時空的連續(xù)性，土壤是在成土母質(zhì)、植被、氣候、降雨等自然因素以及人類活動的人為因素的影響下的形成和發(fā)展的，形成和發(fā)展過程具有一定的復雜性，不論是在宏觀研究角度還是微觀研究中，都發(fā)現(xiàn)土壤所具有的空間異質(zhì)性。而土壤有機質(zhì)是衡量土壤肥力的重要標準，不同的侵蝕因子對土壤有機質(zhì)的含量差異的影響也不盡相同。

表5 地形因子與土壤有機質(zhì)相關(guān)性分析

表6 結(jié)構(gòu)性因子與土壤有機質(zhì)相關(guān)性分析

注：**表示P<0.01。

Note: ** means a highly significant difference at 0.01 level.

在無明顯侵蝕與輕微侵蝕的情況下，高程是各類因子中對土壤有機質(zhì)含量影響較大的因子?？梢越忉尀樵趥€較弱侵蝕的情況下，海拔越低的地區(qū)越容易受到人類活動影響，土壤有機質(zhì)含量也在人類對土地的開發(fā)和利用中受到破壞，而海拔高的地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)好，土壤養(yǎng)分沉積，可以較好地保留土壤有機質(zhì)。在中度侵蝕中，坡度和坡向成為對土壤有機質(zhì)含量影響最為明顯的因子。較低的坡度可以使土壤有機質(zhì)在中度侵蝕下得以保留。陽坡植被較陰坡茂密，更有利于土壤養(yǎng)分的保持。在重度侵蝕下，高程成為對土壤有機質(zhì)影響最大的因子，呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系。在劇烈侵蝕程度下，坡度成為對土壤有機質(zhì)影響最大的因子。大量研究表明，有坡度的耕地水土流失造成土壤表層有機質(zhì)降低，從而降低了土壤肥力[17-19]。而坡向則顯現(xiàn)出較明顯的負相關(guān)關(guān)系，表明在劇烈侵蝕程度下，陽坡對土壤有機質(zhì)的保留并無太大積極作用，反而是陰坡更容易保留有機質(zhì)。在各類侵蝕狀態(tài)下，成土母質(zhì)、地貌類型成為影響土壤有機質(zhì)最主要的影響因子。千枚巖具有很強的透水能力，易風化，可以為植物生長提供良好的土壤環(huán)境，含有較高的土壤有機質(zhì)；花崗巖透水能力低，不易被風化，抗侵蝕能力較強，不適宜植物的生長，土壤有機質(zhì)較低。成土母質(zhì)的種類對土壤有機質(zhì)的含量有著明顯影響。地貌類型中平原在水土保持中具有明顯的優(yōu)勢，有益于土壤有機質(zhì)的保留，土壤質(zhì)地和耕層厚度對土壤有機質(zhì)的影響并不明顯。

以上研究表明，崇義縣的土壤侵蝕整體較大，有機質(zhì)含量整體較低，而對土壤有機質(zhì)影響較大的有高程、坡度、坡向等地形因子，成土母質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)性因子。崇義縣可以在今后的水土保持工作中，加強對土壤侵蝕的重視，從易為人類活動影響的角度減少侵蝕，保持水土，避免土壤養(yǎng)分流失加劇。由于研究區(qū)地形地貌較為復雜，高差較大，采樣難度大，采樣點分布不夠均勻，會對精度產(chǎn)生一定影響。而對土壤有機質(zhì)的大小產(chǎn)生影響是多方面的，并不局限于本文采用的地形因子和土壤結(jié)構(gòu)性因子，仍需要從多方面考慮。

4 結(jié) 論

根據(jù)采樣分析結(jié)果表明，崇義縣土壤有機質(zhì)含量普遍較低，平均值為25.01 g/kg，土壤有機質(zhì)含量處于0.90～59.50 g/kg之間。在不同的侵蝕程度下，變異系數(shù)由大到小依次為無明顯侵蝕(35.56 %)>輕微侵蝕(34.01 %)>重度侵蝕(33.83 %)>中度侵蝕(33.66 %)>劇烈侵蝕(33.24 %)>極強度侵蝕(19.67 %)。

經(jīng)過有機質(zhì)空間格局分析表明，侵蝕程度越大的區(qū)域，土壤的有機質(zhì)含量越低，但仍存在部分區(qū)域侵蝕程度大，土壤有機質(zhì)也高的情況。可能由于人類活動、土地利用類型等原因?qū)е?。在地形因子與結(jié)構(gòu)性因子與土壤有機質(zhì)的相關(guān)分析中，坡度和高程是地形因子中對土壤有機質(zhì)含量正面影響較大的因子；成土母質(zhì)與土壤結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)性因子中對土壤有機質(zhì)有正面較大影響的因子。