韓江流域中下游林地土壤全磷含量特征及空間分布格局*

葉彩紅 李瑩瑩 何 茜 丁曉綱

（1.廣東省森林培育與保護(hù)利用重點實驗室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642）

磷是植物三大營養(yǎng)元素之一，是植物生長過程中必不可少的營養(yǎng)元素。植物生長所需的磷主要來源于土壤，因此土壤中磷的含量、有效性及供應(yīng)能力直接制約植物的生長，此外，磷還會影響土壤微生物活動、凋落物分解以及碳、氮礦化等。從長遠(yuǎn)來看，磷是不可再生資源[1]，這也是磷元素成為限制森林生態(tài)系統(tǒng)中植物生長的重要原因[2]。磷的流向幾乎是單向的，從土壤到植被最后向江河海移動[3]。隨著全球氣候急劇變化，顯著改變了陸地磷動態(tài)。全球氣候變暖、高降水及洪水等自然災(zāi)害，使得土壤磷含量減少[4]。

森林是陸地最大的生態(tài)系統(tǒng)，參與地球的生物化學(xué)及水循環(huán)。土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)重要的組成成分之一，為森林動物、植物以及微生物的繁衍提供了必需的立地條件[5]。森林土壤養(yǎng)分是土壤肥力的組成部分，主要包括有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀等，直接影響植物的生長發(fā)育[6]。目前，已有眾多學(xué)者對國內(nèi)不同區(qū)域、不同氣候帶的土壤養(yǎng)分空間特征進(jìn)行研究。如：福建省將樂國有林場杉木人工林土壤養(yǎng)分（pH、有機質(zhì)、全氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀）現(xiàn)狀[7]、浙江省松陽縣毛竹林土壤養(yǎng)分（pH、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全鉀、速效鉀、全磷、有效磷）空間變異特征[8]、浙江省亞熱帶自然保護(hù)區(qū)土壤養(yǎng)分（pH、有機質(zhì)、全氮、全鉀）空間變異特征[9]、青藏高原不同類型草地土壤磷素分布特征[10]、桂林會仙濕地土壤養(yǎng)分（pH、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮）空間分布規(guī)律[11]等，研究區(qū)域主要集中在林場、自然保護(hù)區(qū)等地，而對流域尺度的林地土壤養(yǎng)分空間分布特征的研究相對較少。本研究以韓江流域中下游林地土壤為研究對象，分析韓江流域土壤養(yǎng)分全磷（Total Phosphorus，TP）含量及其空間分布特征，為該流域林地土壤TP 管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

韓江，是中國東南沿海的重要河流之一，是廣東省的第二大流域。韓江流域的范圍涉及廣東、福建、江西3 省22 市縣。韓江上游由梅江和汀江匯合而成，梅江為主流。其中梅江發(fā)源于廣東省紫金縣上峰，汀江發(fā)源于福建省寧化縣的賴家山，于三河壩匯合后稱韓江，由北向南流經(jīng)廣東省的豐順、潮安等縣，最后經(jīng)汕頭市注入南海。

研究區(qū)位于韓江流域中下游，即潮州市潮安區(qū)，地屬亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，雨量充沛，但分配不均，平均年雨量達(dá)到1 688.3 mm，全年降雨集中在4—9 月；氣候溫暖，夏長冬短，日照充足，全年日均氣溫21.4℃；季風(fēng)盛行，東南季風(fēng)為主；地形分布為北部山區(qū)丘陵，南部韓江兩岸是沖積平原；林地主要植被為松、杉、桐、竹林、茶樹、果園等。

1.2 樣品采集與分析

2021 年8 月采用專題樣點布點和空間隨機樣點布設(shè)相結(jié)合的方法，根據(jù)研究區(qū)森林植被類型、地形、氣候特征、前期調(diào)查屬性變異性，確定樣本基本量（本研究n=81），并在韓江流域中下游林地土壤調(diào)查區(qū)域生成抽樣網(wǎng)格，并利用無人機踏查及個調(diào)查專題點的高分辨DEM 衍生數(shù)據(jù)提取，并確定采樣點的位置及調(diào)查路線[12]，如圖1 所示。

圖1 韓江流域中下游樣點分布Fig. 1 Distribution of sampling points in the middle and lower reaches of the Hanjiang River Basin

將布設(shè)的樣點坐標(biāo)地位到林相圖的地籍小班上，借助GPS 找到樣點區(qū)域[13]。根據(jù)樣點布設(shè)要求，在誤差允許的范圍內(nèi)（所在小班在距離樣點坐標(biāo)半徑100 m 以內(nèi)）選擇具有代表性的區(qū)域挖掘3 個剖面，每個剖面水平距離不小于10 m。剖面長1.2～1.5 m，寬0.8～1.0 m，土層深度較厚時應(yīng)深達(dá)1.0 m。每個剖面分5 層（0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm）取樣，由下至上分層取樣，每個樣品不少于500 g，每個樣點共采集15 份土壤樣品。土壤樣品及時帶回實驗室，風(fēng)干、研磨篩選后，進(jìn)行全磷含量測定。

1.3 指標(biāo)測定方法

土壤TP 含量采用《森林土壤磷的測定》LY/T1232—2015 進(jìn)行測定[14]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用正態(tài)P-P 圖檢驗數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布。采用SPSS 20.0 軟件對不同土層土壤TP 含量的最小值、最大值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差等進(jìn)行描述性統(tǒng)計特征分析。使用ArcGis 10.7 軟件繪制采樣點的空間分布圖和各土層TP 含量空間分布特征圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 韓江流域中下游林地土壤全磷含量特征

韓江流域中下游林地土壤TP 含量的描述性統(tǒng)計結(jié)果見表1。由表1 可知，0～20 cm（D1）、20～40 cm（D2）、40～60 cm（D3）、60～80 cm（D4）、80～100 cm（D5）的土層中TP 含量的平均值分別為363.955 mg/kg、240.361 mg/kg、236.358 mg/kg、231.469 mg/kg、234.154 mg/kg，土 壤TP的含量基本上呈現(xiàn)隨土壤深度的增加而降低的規(guī)律。變異系數(shù)（CV）反映樣點間數(shù)據(jù)的離散程度，CV＜20% 為低變異，20% ≤CV＜50% 為中等變異，50%≤CV＜100%為高度變異，CV ≥100%為極度變異[15]。研究區(qū)TP 的變異系數(shù)隨土層順序由上至下分別為70.76%、69.42%、69.84%、70.69%、72.51%，5 層土壤TP 的變異系數(shù)均處于50%～100%之間，變異程度為高度變異，其變異系數(shù)由小到大依次為D2＜D3＜D4＜D1＜D5。

表1 韓江流域中下游林地土壤TP 含量描述性統(tǒng)計特征Table 1 Descriptive statistics of soil TP content in the middle and lower reaches of the Hanjiang River Basin

韓江流域中下游林地不同土層正態(tài)性檢驗（P-P 圖）結(jié)果顯示，不同土壤TP 經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后均符合正態(tài)分布。

2.2 韓江流域中下游不同土層TP 空間分布格局

韓江流域中下游不同土層TP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的空間分布如圖2 所示。整體上，各層土壤TP 含量的空間分布不均，斑塊狀特征顯著，表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性。D1 層TP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于537 mg/kg 的區(qū)域位于中部，D1 層TP 空間分布格局為以該區(qū)域為最高值并向四周遞減。D2 層TP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于410 mg/kg 的區(qū)域較為分散，主要以西部和東南部為主，并逐步向周邊遞減；整體上，D2 層大致呈現(xiàn)四周高、中間低的特點。D3 層TP 空間分布特征與D2 層大致相同，表現(xiàn)為四周高、中間低的空間分布格局。D4 層TP 空間分布格局主要表現(xiàn)為，東部、中部及西南部均有部分區(qū)域含量最低，并以此為中心向周邊遞增。D5 層TP 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要集中在175～277 mg/kg 之間，以東北部、西部和東南部三個區(qū)域質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，而后向中部依次遞減的分布規(guī)律。整體上，D1 層土壤TP 的空間分布情況為中部高向周邊遞減的規(guī)律，D2、D3、D4、D5 層土壤TP 空間分布情況大致相同，主要表現(xiàn)為四周高、中間低的特點，高值區(qū)以斑塊散布在東北部、西部和東南部。

圖2 韓江流域中下游不同土層TP 空間分布Fig. 2 Schematic diagram of spatial distribution of TP in different soil layers in the middle and lower reaches of the Hanjiang River Basin

3 討論與結(jié)論

土壤TP 是土壤中各種形態(tài)磷的總和，是判斷磷營養(yǎng)水平的重要指標(biāo)[3]。從平均值上看，研究區(qū)各層土壤均表現(xiàn)出磷含量不足，TP 肥力等級為Ⅴ級[16]，肥力低。因此，施加磷肥有利于林木的生長。5 層TP 的變異系數(shù)均處于50%～100%之間，為高度變異，其變異系數(shù)由小到大依次為D2＜D3＜D4＜D1＜D5。說明TP 含量不僅受成土母質(zhì)影響，也受到外界環(huán)境的嚴(yán)重干擾。有研究表明成土母質(zhì)及其風(fēng)化程度是影響土壤養(yǎng)分分布的主要原因[17-18]，研究區(qū)土壤母質(zhì)較為豐富[19]，這也可能是影響TP 空間分布的原因之一。

研究區(qū)土壤TP 的含量總體呈現(xiàn)出隨土層深度增加而降低的變化趨勢，這與王慧等[20]人研究結(jié)果一致。地形因子導(dǎo)致的水熱分布差異是造成土壤理化屬性空間差異的重要原因[21]。由圖1 可知，研究區(qū)東北部為山地、丘陵，結(jié)合圖3 分析，該區(qū)域TP 含量分布基本表現(xiàn)出隨海拔升高而下降的趨勢，也可能與磷元素的特性有關(guān)。土壤磷的主要來源于成土母質(zhì)，并通過植物的作用累積在土壤表層，此外凋落物中的磷也是表層土壤磷的主要來源。隨著海拔升高，水熱的作用下，凋落物的分解能力下降，從而降低了土壤磷的輸入。坡度也是影響TP 分布的重要因素之一，它能改變土壤TP 的空間分布格局，降雨、地表徑流等流水搬運，促使磷元素向山谷聚集。這與秦富倉[22]、楊再梅[23]等人研究一致。

本研究結(jié)果表明，研究區(qū)域土壤TP 空間異質(zhì)性明顯，除表層為中部高并向周邊遞減的規(guī)律外，其余土層大致呈現(xiàn)四周高、中間低的變化趨勢。TP 屬于高度變異程度，說明研究區(qū)土壤TP 含量不僅受土壤母質(zhì)的影響，還受到外界環(huán)境的干擾。磷元素是影響南方地區(qū)土壤林業(yè)生產(chǎn)的限制因子之一，本研究TP 含量也處于極度缺乏狀態(tài)。因此，在后續(xù)的森林經(jīng)營中應(yīng)加強水肥管理，尤其是增加磷肥的施加。