黃土高原王東溝小流域土壤表層全磷空間變異性

趙曉芳, 黃明斌

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

土壤的形成是自然因素(母質(zhì)、生物、氣候、地形與時(shí)間)和人為因素共同作用的結(jié)果，不同地區(qū)的土壤具有不同的土壤特性[1]。土壤作為在時(shí)間和空間上的連續(xù)體，它的變異是許多因素相互作用的結(jié)果，具有尺度上的相關(guān)性。相關(guān)學(xué)者研究表明[2]，土壤空間變異可分為物理空間變異和化學(xué)空間變異。其中，對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的空間變異研究主要集中在土壤養(yǎng)分，了解土壤養(yǎng)分的空間變異特征對(duì)于田間合理施肥、提高養(yǎng)分利用率和估算更大尺度養(yǎng)分空間變異具有重要的意義。

黃土高原溝壑區(qū)的塬面、塬坡、溝道地貌單元分明，不同地貌單元上的土壤類型和土地利用方式又有差異。磷是自然界中植物生長(zhǎng)不可或缺的化學(xué)元素，是限制植物生長(zhǎng)的重要因素之一，對(duì)于農(nóng)作物而言磷直接影響著作物產(chǎn)量和品質(zhì)[3]。黃土高原土壤中本身含有的氮磷含量很少[4]，大量的文獻(xiàn)表明磷的空間變異與地貌單元和土地利用方式等因素有關(guān)[5-8]。黃土高原小流域尺度下土壤養(yǎng)分尤其是磷的空間變異性研究非常有限，最近對(duì)黃土塬區(qū)王東溝流域土壤磷空間變化的研究發(fā)生在14 a前[9]。黃土高原自1999年實(shí)施“退耕還林草工程”以來，土地利用類型發(fā)生了很大變化。因此，本文擬對(duì)王東溝小流域尺度不同地貌單元和土地利用方式對(duì)全磷(total phosphorus)空間變異性及其影響因素展開新的研究，為準(zhǔn)確估算黃土高原大尺度下全磷空間變異和土地生產(chǎn)管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

王東溝小流域隸屬于陜西省長(zhǎng)武縣(107°40′30″—107°42′30″E，35°12′—35°16′N)，位于黃土高原中南部地區(qū)，海拔940～1 220 m，屬典型的黃土高原溝壑區(qū)，溝壑密度2.78 km/km2，流域總面積8.3 km2。屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫9.1 ℃，年平均降水量584 mm，降水季節(jié)性分布不均，主要集中在7—9月。主要的土壤類型為黑壚土和黃綿土，土質(zhì)疏松深厚，母質(zhì)是中壤質(zhì)馬蘭黃土。該流域是傳統(tǒng)的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，包括王東和丈六兩個(gè)自然村，土地利用類型主要有農(nóng)地、荒草地、果園、和林地等。

1.2 樣品采集與測(cè)定方法

1.2.1 樣品采集方法 2017年7月份期間根據(jù)王東溝流域不同的地形地貌和土地利用方式，用內(nèi)徑為3 cm的半圓形土鉆對(duì)表層土壤進(jìn)行了重復(fù)采樣，采樣深度為0—20 cm。此次共采集土壤樣品267個(gè)(圖1)。其中，塬面土地利用類型主要為農(nóng)地、果園和少量的廢棄果園及荒草地，共采集了84個(gè)土樣。坡面土地利用類型有農(nóng)地、果園、廢棄果園、林地和荒草地，共采集了114個(gè)土樣。溝道主要土地利用類型有林地和荒草地，采集了69個(gè)土樣。每個(gè)采樣點(diǎn)均用GPS定位經(jīng)緯度。

圖1 黃土高原溝壑區(qū)王東溝小流域高程圖(DEM)和表層(0-20 cm)土壤采樣點(diǎn)分布

1.2.2 樣品測(cè)定方法 采集的土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干，磨細(xì)過0.25 mm篩后用于全磷的測(cè)定。土壤樣品中全磷的測(cè)定用HClO4—H2SO4法[10]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

將采樣點(diǎn)GPS定位數(shù)按不同地貌單元導(dǎo)入ArcGIS 10.2中，每個(gè)點(diǎn)賦以相應(yīng)的全磷含量的屬性值，經(jīng)阿爾伯斯投影轉(zhuǎn)化，生成以米為單位的平面坐標(biāo)，利用地統(tǒng)計(jì)分析模塊克里金內(nèi)插法，先分別生成各個(gè)地貌單元全磷含量分布圖，最后疊加合成小流域全磷含量分布圖。

用SPSS 20.0分析地貌單元和土地利用方式及其交互作用對(duì)全磷空間變異的影響。同時(shí)對(duì)測(cè)定的全磷含量數(shù)據(jù)用SPSS 20.0軟件進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征與數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

整個(gè)小流域表層全磷平均含量為0.85 g/kg，變異系數(shù)為35.56%。塬面全磷平均含量為1.04 g/kg，變異系數(shù)為34.9%。塬坡全磷平均含量為0.83 g/kg，變異系數(shù)為25.54%。溝道全磷平均含量為0.63 g/kg，變異系數(shù)為8.14%。通常認(rèn)為變異系數(shù)≤10%時(shí)為弱變異，變異系數(shù)介于10%到100%之間時(shí)為中等變異，變異系數(shù)≥100%則為強(qiáng)變異[11]?？梢娡鯑|溝小流域塬面和塬坡全磷含量分布為中等程度變異，與塬面和塬坡相比，溝道的變異系數(shù)分別降低了26.8%和17.4%，屬于弱變異。崔旭輝等[12]研究了黃土高原大南溝小流域養(yǎng)分空間分布，全磷的空間變異程度與本研究的結(jié)果基本一致，都屬于中等變異程度。由于農(nóng)田和果園這類受人為干擾因素較多的土地利用類型主要集中在塬面和塬坡，相比于塬面和塬坡，溝道受外界因素的干擾相對(duì)較少，所以全磷含量在溝道的變異程度更小(表1)。

表1 王東溝小流域表層全磷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征

用SPSS 20.0軟件對(duì)不同地貌單元的全磷含量數(shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)分析，直方圖和Q-Q圖的檢驗(yàn)結(jié)果表明溝道全磷含量變異符合正態(tài)分布，塬面和塬坡全磷經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后近似符合正態(tài)分布。因此，將全磷數(shù)據(jù)按地貌單元進(jìn)行分區(qū)插值。

2.2 地貌單元與小流域表層全磷含量的空間分布特征關(guān)系

不同的地貌單元會(huì)影響土壤形成的物理化學(xué)過程，進(jìn)而會(huì)造成土壤養(yǎng)分含量的空間變異。圖2表明，土壤表層(0—20 cm)全磷含量在王東溝小流域內(nèi)基本遵循塬面>坡面>溝道的空間分布特征。小流域內(nèi)全磷高于1.11 g/kg的區(qū)域主要集中分布在塬面上，低于0.792 g/kg集中分布在溝道內(nèi)。在塬坡上全磷的含量主要集中在1.11～0.972 g/kg范圍內(nèi)，并且呈梯度變化。

圖2 黃土高原溝壑區(qū)王東溝小流域表層(0-20 cm)全磷含量分布

郭勝利等[9]發(fā)現(xiàn)全磷含量從塬面、塬坡到溝道呈現(xiàn)依次降低的分布特征，流域土壤全磷平均含量為664 mg/kg。這與本研究中全磷含量在不同地貌單元上的空間分布特征基本一致。但是，整個(gè)王東溝小流域經(jīng)過十幾年的變化發(fā)展，土地利用類型發(fā)生了明顯的變化，果園種植面積增加、農(nóng)田種植面積減少、廢棄果園明顯增多[13]，土壤中磷有了明顯的累積，全磷含量平均值提升了28.0%,從664 mg/kg變?yōu)榱?50 mg/kg。同時(shí)14 a前后對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，塬面依然是全磷含量較高的地貌單元，含量低的區(qū)域集中分布在溝道，塬坡呈現(xiàn)出塬面和溝道之間的過度狀態(tài)。

2.3 土地利用方式對(duì)全磷空間分布的影響

如表2所示，土地利用方式和地貌單元對(duì)表層土壤全磷空間變異都存在著顯著影響，然而二者之間交互作用的影響不顯著。土地利用方式對(duì)全磷空間變異影響的顯著性水平高于地貌單元對(duì)它的影響。

表2 王東溝小流域地貌單元與土地利用方式對(duì)全磷含量影響的方差分析

圖3表明，塬面上全磷含量呈：果園>農(nóng)地>廢棄果園>荒草地；塬坡上全磷含量呈：果園>廢棄果園>農(nóng)地>林地>荒草地；溝道上全磷含量呈：林地>荒草地。整個(gè)王東溝小流域全磷含量分布如圖4所示，呈現(xiàn)為：果園>廢棄果園>農(nóng)地>林地>荒草地的分布規(guī)律，其中果園全磷含量與荒草地全磷含量之間最大差值為1.78 g/kg。

2003年張春霞等[14]對(duì)黃土高原溝壑區(qū)王東溝流域土壤養(yǎng)分分布特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明塬面土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷等養(yǎng)分的含量比坡臺(tái)地和山地相對(duì)較高，大致呈現(xiàn)塬面>山坡地>坡臺(tái)地的趨勢(shì)。其中全磷在不同土地利用類型含量變化為：果園>農(nóng)田>林地>草地，變幅為0.41～1.27 g/kg。與前者研究不同，本研究中加入了溝道進(jìn)行分析，且將山坡地和坡臺(tái)地歸類為塬坡進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，不同地貌單元上全磷含量分布呈現(xiàn)塬面>塬坡>溝道的規(guī)律，不同土地利用方式下全磷分布呈現(xiàn)果園>廢棄果園>農(nóng)地>林地>荒草地分布規(guī)律。這與之前研究的不同地貌和土地利用方式下全磷分布規(guī)律基本一致，只是全磷含量有所提升。王東溝小流域農(nóng)業(yè)類型逐漸發(fā)展為以果園為主的經(jīng)濟(jì)型農(nóng)業(yè)，近十年來蘋果種植面積在所有土地利用類型中所占的比重最大，且每年呈逐步上升趨勢(shì)[13]。近十幾年來果園種植面積的大量增加的同時(shí)，肥料的投入量也隨之增加。由于大量的化學(xué)肥料的使用，全磷含量在土壤中隨著時(shí)間的推移有了更多的積累。

圖3 不同地貌單元下各土地利用類型全磷均值含量

圖4 不同土地利用方式下全磷含量分布

3 結(jié) 論

王東溝小流域全磷含量在空間上屬于中等變異。影響全磷空間變異的因素有地貌單元和土地利用方式。表層(0—20 cm)土壤的全磷含量呈現(xiàn)出塬面>塬坡>溝道的分布規(guī)律。溝道表層全磷含量的變化小，塬面和塬坡全磷含量變化顯著。各個(gè)地貌單元下全磷含量空間變異有以下規(guī)律：塬面全磷含量分布規(guī)律為：果園>農(nóng)地>廢棄果園>草地；塬坡上全磷含量分布規(guī)律為：果園>廢棄果園>農(nóng)地>林地>荒草地；溝道內(nèi)全磷含量分布規(guī)律為：林地>荒草地。同時(shí)王東溝小流域全磷含量在不同的地貌單元和土地利用方式下分布規(guī)律14 a內(nèi)是穩(wěn)定的，只是全磷含量有了大幅度的提升，平均含量從664 mg/kg變?yōu)榱?50 mg/kg。土地利用方式對(duì)全磷空間分布的影響高于地貌單元。因此，在估算該區(qū)全磷含量時(shí)，需要充分考慮土地利用方式的影響。