沂蒙山區(qū)棕壤橫坡壟作坡面土壤磷的空間分異研究

關(guān)鍵詞：土壤磷；空間分布；橫坡壟作；棕壤；雙河峪小流域；沂蒙山區(qū)中圖分類號(hào)：S274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j. issn. 1000-0941.2025.07.019引用格式：劉思彤，屈傳新，安娟，等.沂蒙山區(qū)棕壤橫坡壟作坡面土壤磷的空間分異研究：[J].中國水土保持，2025（7）：65-70，77.

磷是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，是表征土壤肥力和土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)[1]。土壤磷主要包含無機(jī)磷和有機(jī)磷，而植物所需要的磷主要來自無機(jī)磷[2]。降雨徑流是坡面土壤磷輸出的主要途徑，水蝕過程中土壤磷隨地表徑流、泥沙輸移等大量流失[3]，并隨入滲水發(fā)生淋溶，從而改變坡面土壤磷的空間分布格局。我國現(xiàn)有坡耕地面積占耕地總面積的1/3，因地形陡峭和耕作活動(dòng)頻繁，加快了徑流形成、加大了侵蝕強(qiáng)度[4-5]，故其侵蝕速率是同等條件下平坡地的5～30倍[]，成為土壤磷輸出的重要源地[7]。橫坡壟作能增加土壤水分人滲、有效攔截地表徑流和泥沙，成為坡耕地廣泛采用的水土保持與增產(chǎn)措施[8]。然而，橫壟壟向坡度的存在，致使雨水在壟溝低洼區(qū)域積聚，泥沙沉積。雨水的匯聚可誘發(fā)土壤磷的垂向和側(cè)向淋溶[9]，而低洼處沉積的泥沙在徑流作用下會(huì)被再次搬運(yùn)，致使土壤磷富集、流失交替變化，因此橫坡壟作坡面土壤磷的空間分布特征更為復(fù)雜，明顯有別于平坡、順坡等傳統(tǒng)耕作坡面。

基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)、GIS等方法與手段，國內(nèi)外學(xué)者對流域尺度上地形、土地利用、管理措施、耕作措施等因素影響下土壤磷的空間分布特征開展了大量研究[10-14]。但是，坡面尺度上尤其是橫坡壟作坡面土壤磷的空間異質(zhì)性尚不清晰。沂蒙山區(qū)作為我國北方王石山區(qū)的典型代表，廣泛分布著王層淺薄、夾雜大量石礫的棕壤。該類土壤滲透性強(qiáng)、涵蓄水能力差，地表徑流較易發(fā)生，土壤侵蝕嚴(yán)重，所分布的區(qū)域是水土流失治理的重點(diǎn)區(qū)域。同時(shí)為提高農(nóng)作物產(chǎn)量，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民施用磷肥，造成土壤磷素大量盈余，雨季來臨時(shí)，坡面土壤磷隨水土流失進(jìn)入水體，加劇了區(qū)域水體的富營養(yǎng)化，引發(fā)水環(huán)境污染、水體惡化等問題[15]。立足水土流失嚴(yán)重的沂蒙山區(qū)，結(jié)合該區(qū)橫坡壟作耕作措施特點(diǎn)，基于樣帶法采樣，綜合運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，查明壟面、壟溝等特征點(diǎn)位處土壤磷含量沿坡位的變化規(guī)律，揭示棕壤橫坡壟作坡面土壤磷的空間變異特征，可為侵蝕退化環(huán)境下橫坡壟作坡面土壤養(yǎng)分的管理，以及田間農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精

細(xì)化提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省臨沂市蒙陰縣界牌鎮(zhèn)的雙河峪小流域（ 35^°38^′26^′′N，118^°07^′30^′′E） ，屬于北方土石山區(qū)坡耕地的集中分布片區(qū)（見圖1），是典型的農(nóng)業(yè)小流域，流域總面積 2.50hm² ，海拔 170～500m 。該流域?qū)倥瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫 14.3^°C ，多年平均降水量 820mm ，其中 70% 以上的降水集中在6—9月。坡地土壤類型為花崗巖發(fā)育下的棕壤，土層厚度不足 50cm ，土壤侵蝕嚴(yán)重，砂粒、黏粒和粉粒含量分別占 70.8%.3.0% 和 26.2% ， pH 值為6.8。土地利用類型主要有耕地、園地、林地、荒坡地等，其中耕地面積占 27.5% ，耕地中坡耕地多采用橫坡壟作措施種植花生、豆薯等農(nóng)作物，種植年限已長達(dá)60多a。

2 材料與方法

2.1野外樣品采集與處理

選取典型棕壤橫坡壟作坡面為采樣區(qū)域，坡面尺寸為 46m×35m （見圖2），坡度為 3^°～16^° 。利用樣帶法，沿與坡面垂直的方向選擇 A，B，C 為采樣斷面，即分別在橫向 10.0，22.5，36.0m 處布設(shè)3條樣帶。每條樣帶沿坡上、坡中、坡下和坡腳4個(gè)坡位在壟溝、壟面特征點(diǎn)位采集土壤樣品，并借助羅盤儀測定各采樣點(diǎn)的坡度。每個(gè)樣點(diǎn)按照 0～5cm?gt;5～10cm?gt;10～ 15cm?gt;15～20cm?gt;20～30cm?gt;30～40cm 和 gt;40～ 50cm 的深度進(jìn)行采樣。同一樣點(diǎn)重復(fù)采樣2次，即壟溝、壟面特征點(diǎn)位各布設(shè)采樣點(diǎn)24個(gè)。

將采集的土壤樣品去除枯枝落葉、根系、石塊等雜質(zhì)并進(jìn)行自然風(fēng)干后，研磨土樣并分別過孔徑1、0.25mm土篩，用于測定水溶性無機(jī)磷（以下簡稱“IP”）和全磷（以下簡稱“TP\"）的含量。其中，樣品中的IP用去離子水浸提、TP用 H₂SO₄-HClO₄ 消煮，之后利用紫外可見光光度計(jì)，采用鉬銻抗比色法[16]進(jìn)行測定。

2.2 數(shù)據(jù)處理

基于SPSS22.0軟件對研究區(qū)IP、TP含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;利用Shapiro-Wilk 檢驗(yàn)方法對壟溝、壟面土壤磷含量進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn);借助Surfer12.0軟件，基于普通克里金（Kriging）方法分析土壤磷含量的空間分布特征；利用方差分析法（ANOVA）對坡位間、特征點(diǎn)位間土壤磷含量的差異進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，并采用最小顯著差異法（LSD）開展多重比較;在Origin2021軟件中繪制土壤磷含量柱狀圖和剖面圖。

3 結(jié)果與分析

3.1橫坡壟作坡面土壤磷的統(tǒng)計(jì)分析

通過Shapiro-Wilk檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壟面、壟溝和整個(gè)坡面土壤IP、TP含量 p 值均大于0.05，且檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量值接近于1，說明土壤IP、TP含量均符合正態(tài)分布（見表1）。由程序生成的結(jié)果來看，IP、TP克里金插值采用的線性模型的 R² 均大于0.5，表明采用的插值模型可較好估計(jì)待插點(diǎn)土壤磷的含量。因此，可利用有效樣點(diǎn)IP、TP的含量，繪制土壤磷的空間分布圖，并以此分析橫坡壟作坡面土壤磷的空間分布特征。

基于橫坡壟作壟面、壟溝耕層深度范圍內(nèi)IP和TP的含量，對土壤磷含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見表2），結(jié)果表明壟面、壟溝土壤磷的含量有明顯差異。整個(gè)橫壟坡面 IP、TP平均含量分別為 4.47mg/kg 和 1.54g/kg TP含量最高為 2.07g/kg ，最低為 0.96g/kg 。根據(jù)第二次全國土壤普查土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)（TP含量 gt;2g′ kg 為極豐富； gt;1.5～2g/kg 為豐富； gt;1～1.5g/kg 為中等； gt;0.75～1g/kg 為缺乏）[17]，該橫坡壟作坡面土壤磷處于缺乏到極豐富水平。壟面IP含量、TP含量的變異系數(shù)均大于壟溝，這說明橫坡壟作坡面IP、TP含量均具有明顯的空間變異性，且土壤磷含量的變異在壟面體現(xiàn)得更明顯。

3.2橫坡壟作坡面土壤磷的空間分布特征

自東向西，IP、TP含量在橫向上呈波動(dòng)變化趨勢（見圖3），變異系數(shù)范圍分別為 19.25%～46.32% 和9.32%～29.03% 。沿坡面由上至下，IP含量大體表現(xiàn)為先增加后減小趨勢，而TP含量呈先減小后增加趨勢，變異系數(shù)范圍分別為 22.42%～36.91% 、11. 47% ＼～

24.65% 。利用克里金方法插值后，整個(gè)坡面IP含量為 2.03～8.85mg/kg ，變異系數(shù)為 20.16% ;TP含量為0.94～2.07g/kg ，變異系數(shù)為 15.98% 。表明東西向（橫向）、南北向（縱向）土壤磷含量均存在一定的空間異質(zhì)性，屬于中等變異水平，且IP含量的空間變異性更為明顯。

3.3橫坡壟作坡面土壤磷含量對坡位和特征點(diǎn)位的響應(yīng)

由圖4可知，壟溝特征點(diǎn)位處，IP、TP含量均表現(xiàn)為坡腳 gt; 坡下 gt; 坡中 gt; 坡上，坡腳、坡下IP含量較坡上分別顯著增加 67.68% 、51.30%，相應(yīng)的TP含量分別顯著增加 46.10%.38.76% ，但坡腳與坡下、坡中以及坡中與坡上之間均無顯著性差異。壟面特征點(diǎn)位處，坡下、坡中IP含量較坡上分別顯著增加 104.06% 、74.11% ，而坡腳和坡上間無顯著性差異；TP含量4個(gè)坡位間差異不顯著。整個(gè)坡面IP、TP含量均表現(xiàn)為坡下 gt; 坡腳 ∣gt; 坡中 gt; 坡上，坡下與坡腳、坡中與坡上之間均無顯著性差異;與坡上相比，坡下、坡腳的IP含量分別顯著增加 80.35% 60.09% ，而相應(yīng)的TP含量分別顯著增加 41.42%.40.57% 。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，基于給定的某一坡位，壟面IP、TP含量均高于壟溝，但壟面與壟溝間IP、TP含量均差異不顯著。這表明IP、TP含量沿坡位的變異在壟溝特征點(diǎn)位更為明顯，尤其是IP含量;與特征點(diǎn)位相比，橫坡壟作坡面土壤磷空間

分布更易受到坡位的影響。

（注：圖中不同小寫字母表示不同坡位間土壤磷含量在0.05水平上差異顯著；不同大寫字母表示同一坡位壟面與壟溝土壤磷含量在0.05水平上差異顯著）

3.4橫坡壟作坡面土壤磷的剖面分布特征

3.4.1 壟面、壟溝處土壤磷的剖面分布及其對坡位的響應(yīng)

由圖5（a）（b）可知，坡上IP含量隨土層深度的增加呈波動(dòng)變化的趨勢，坡中、坡下、坡腳處IP含量隨土層深度的增加均呈先增加后減小趨勢。壟溝IP含量在 gt;15～20cm 深度范圍達(dá)到最大值，而壟面IP含量最大值則出現(xiàn)在 gt;10～15cm 深度范圍。壟溝坡位間IP含量的差異主要體現(xiàn)在 gt;10～15cm 范圍，此處坡中、坡下、坡腳IP含量較坡上分別增加142. 78% ！203.17% 和 119.77% 。壟面坡位間IP含量在 gt;5～10 cm深度差異最大，此處坡中、坡下和坡腳IP含量較坡上分別增加 56.85%.83.35% 和 87.69% 。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)， 0～50cm 深度范圍內(nèi)，壟溝IP含量絕大多數(shù)高于壟面（見圖6），其中，在 gt;15～30cm 深度范圍內(nèi)二者差異顯著，但其他深度范圍內(nèi)壟溝IP含量與壟面均無顯著差異。這說明IP含量的剖面分布主要影響因素為坡位。

（注：圖中同一深度下小寫字母不同表示壟溝、壟面間土壤磷含量在 plt;0.05 水平上差異顯著）

由圖5（c）（d）可知，壟面和壟溝間TP含量剖面分布的差異在坡下、坡腳最明顯。壟溝、壟面坡上TP含量隨土層深度增加均呈先減小后增大的趨勢，而坡中均表現(xiàn)為波動(dòng)變化的分布趨勢。壟溝坡下TP含量剖面分布呈先減小后增大趨勢，而壟面坡下TP含量則呈波動(dòng)減小趨勢。壟溝坡腳TP含量的剖面分布呈波動(dòng)變化，壟面坡腳TP含量隨土層深度增加無明顯變化。壟溝坡位間TP含量的差異隨土層深度的增加而增大，壟面坡位間也表現(xiàn)出同樣的趨勢。然而，各深度范圍內(nèi)壟溝TP含量與壟面間差異均不顯著（見圖6）。可見，橫坡壟作坡面TP含量的剖面分布更易受到坡位的影響。

3.4.2 橫坡壟作坡面土壤磷含量的剖面分布擬合

利用線性、指數(shù)、冪函數(shù)、對數(shù)等函數(shù)關(guān)系對IP、TP含量的剖面分布分別進(jìn)行擬合。不同坡位處，壟面IP含量隨土層深度增加均符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而TP含量的剖面分布則符合線性函數(shù)關(guān)系（見表3）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，指數(shù)方程中壟面IP土層深度的指數(shù)系數(shù)從坡上到坡腳先增大后減小且均為負(fù)，表明壟面IP含量隨土層深度增加而減小。同時(shí)，線性方程中壟面TP土層深度的系數(shù)從坡上到坡腳逐漸增加，這說明壟面TP含量隨土層深度的增加幅度從坡上到坡腳逐漸增大。

4討論

4.1 橫坡壟作坡面土壤磷的空間變異性及其影響因素

土壤磷的空間分布具有尺度效應(yīng)，區(qū)域、流域等大尺度上土壤磷的空間變異特征往往會(huì)被掩蓋[18]。本研究中橫坡壟作坡面土壤磷含量沿東西方向（橫向）逐漸降低，表現(xiàn)出中等變異水平，這與以往平坡坡面得出的土壤磷空間分布呈弱或中等變異的結(jié)論一致[19]主要原因是橫坡壟作坡面壟溝長達(dá) 46m ，坡面東部的坡度高于西部約 6^° ，致使壟溝內(nèi)匯集的雨水不斷流入西部；且坡面西部部分壟溝內(nèi)發(fā)生細(xì)溝侵蝕，使得土壤磷易隨降雨徑流、侵蝕泥沙遷移至坡面?zhèn)让娴臏系?，進(jìn)一步加劇了坡面東側(cè)土壤磷的流失。降雨、地形、水文、土壤類型等結(jié)構(gòu)性因素和施肥、灌溉、種植制度等隨機(jī)性因素共同作用于土壤磷含量的空間變異[20]。研究表明，橫坡壟作耕作措施對土壤磷原有分布格局產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，加劇了結(jié)構(gòu)性因素造成的土壤磷空間自相關(guān)作用，且作用大小在一定程度上受侵蝕強(qiáng)度影響。

一般認(rèn)為，坡上、坡中部位是侵蝕區(qū)，坡下、坡腳部位是沉積區(qū)，而沉積區(qū)易發(fā)生土壤磷富集，坡下、坡腳土壤磷含量高于坡上、坡中[21]。坡位作為微地形范圍內(nèi)主要的地形因子，可影響水、氣、熱等資源的再分配[22]，進(jìn)而可進(jìn)一步加劇土壤磷的空間異質(zhì)性。自然降雨過程中，土壤磷隨壟面侵蝕泥沙的搬運(yùn)、壟溝內(nèi)沉積泥沙的再次輸移而發(fā)生遷移，可造成橫壟坡面土壤磷的再分布[23]。本研究中，橫坡壟作坡面土壤磷含量對坡位的響應(yīng)與特征點(diǎn)位密切相關(guān)。壟溝特征點(diǎn)位處，坡腳、坡下土壤磷含量較坡上顯著增加 46.10% 267.68% 和 38.76%～51.30 30% ；壟面坡下、坡中IP含量分別顯著高于坡上 104.06% 和 74.11% ，但坡位間TP含量無顯著差異。這可能與侵蝕過程中土壤磷隨泥沙輸移、沉積在坡面不同部位，發(fā)生流失、富集交替變化有關(guān)。同時(shí)，壟溝內(nèi)積水和侵蝕泥沙沉積的發(fā)生，可引發(fā)壟面與壟溝間土壤磷含量的差異。然而，本研究壟面與壟溝間土壤磷含量差異未達(dá)到顯著水平，原因是壟面土壤磷隨泥沙發(fā)生遷移，部分土壤磷進(jìn)入壟溝，進(jìn)而增加了壟溝內(nèi)土壤磷的含量，但降雨過程中當(dāng)壟溝內(nèi)匯集的雨水超過其蓄水能力時(shí)，發(fā)生漫流[24]，可將壟溝內(nèi)的土壤磷攜帶至壟面；同時(shí)，壟溝內(nèi)雨水的匯聚可提高入滲率，進(jìn)而加劇土壤磷的淋溶，致使壟溝內(nèi)土壤磷含量降低。這說明橫坡壟作坡面坡位對土壤磷空間分布的影響與特征點(diǎn)位密切相關(guān)。

4.2橫坡壟作坡面土壤磷的剖面分布

以往研究認(rèn)為土壤磷較為穩(wěn)定，隨入滲水的遷移較弱，主要在土壤表層發(fā)生累積，在土壤剖面中的分布較為均勻[25]。本研究中，土壤磷隨土層深度增加呈波動(dòng)變化趨勢，這是因?yàn)橥寥懒椎牧苋芘c土壤性質(zhì)和磷肥用量密切相關(guān)。土壤磷的淋溶損失隨土壤砂粒含量、磷肥施肥量的增加而增大[26]。研究區(qū)域分布的主要是礫石、砂粒含量較高的棕壤土，土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)差，且當(dāng)?shù)剞r(nóng)民為增產(chǎn)大量施加磷肥。同時(shí)，壟溝內(nèi)的土壤磷可隨土壤入滲水側(cè)向淋溶至壟面深層，壟面表層土壤磷又可隨雨水的匯聚遷移至鄰近壟溝，從而進(jìn)一步加劇了土壤磷的淋溶。同樣深度內(nèi)壟溝土壤磷的含量高于壟面，但二者間的差異不顯著，這說明土壤磷的側(cè)向淋溶總體表現(xiàn)為壟面向壟溝遷移，但側(cè)向淋溶范圍有限。因此，改善棕壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，少量多次施用磷肥，是控制棕壤橫坡壟作坡面土壤磷淋溶損失的關(guān)鍵。

5結(jié)論

利用樣帶法采集土壤樣品，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)、經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法，分析了沂蒙山區(qū)棕壤橫坡壟作坡面土壤磷的空間變異性，及其對特征點(diǎn)位、坡位的響應(yīng)，主要結(jié)論如下：

1）雙河峪小流域橫壟坡面IP含量為 2.03～8.85 mg/kg ，TP含量為 0.96～2.07g/kg ，土壤磷含量處于缺乏到極豐富水平；IP、TP含量的變異系數(shù)為18.71%～36.60% ，屬于中等變異水平，且壟面土壤磷的變異較壟溝更為明顯。

2）壟溝坡腳、坡下IP含量較坡上分別增加67.68%.51.30% ，相應(yīng)TP含量分別增加46. 10% 、38.76% ;壟面坡下、坡中IP含量較坡上分別增加104.06%.74.11%，4 個(gè)坡位間TP含量無顯著差異；壟面與壟溝間土壤磷含量差異不顯著。

3）土壤磷含量的剖面分布主要影響因素為坡位；壟面IP含量的剖面分布符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，TP含量剖面分布則符合線性函數(shù)關(guān)系。

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（責(zé)任編輯 楊傲秋）