趙曉芳, 黃明斌

(1.西北農林科技大學 資源環(huán)境學院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

土壤的形成是自然因素(母質、生物、氣候、地形與時間)和人為因素共同作用的結果，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果，具有尺度上的相關性。相關學者研究表明[2]，土壤空間變異可分為物理空間變異和化學空間變異。其中，對土壤化學性質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不可或缺的化學元素，是限制植物生長的重要因素之一，對于農作物而言磷直接影響著作物產量和品質[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[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，本文擬對王東溝小流域尺度不同地貌單元和土地利用方式對全磷(total phosphorus)空間變異性及其影響因素展開新的研究，為準確估算黃土高原大尺度下全磷空間變異和土地生產管理提供依據。

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。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，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，土質疏松深厚，母質是中壤質馬蘭黃土。該流域是傳統(tǒng)的旱作農業(yè)區(qū)，包括王東和丈六兩個自然村，土地利用類型主要有農地、荒草地、果園、和林地等。

1.2 樣品采集與測定方法

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

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)土壤采樣點分布

1.2.2 樣品測定方法 采集的土壤樣品經自然風干，磨細過0.25 mm篩后用于全磷的測定。土壤樣品中全磷的測定用HClO4—H2SO4法[10]。

1.3 數據處理

將采樣點GPS定位數按不同地貌單元導入ArcGIS 10.2中，每個點賦以相應的全磷含量的屬性值，經阿爾伯斯投影轉化，生成以米為單位的平面坐標，利用地統(tǒng)計分析模塊克里金內插法，先分別生成各個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全磷空間變異的影響。同時對測定的全磷含量數據用SPSS 20.0軟件進行正態(tài)檢驗分析。

2 結果與分析

2.1 數據統(tǒng)計特征與數據檢驗

整個小流域表層全磷平均含量為0.85 g/kg，變異系數為35.56%。塬面全磷平均含量為1.04 g/kg，變異系數為34.9%。塬坡全磷平均含量為0.83 g/kg，變異系數為25.54%。溝道全磷平均含量為0.63 g/kg，變異系數為8.14%。通常認為變異系數≤10%時為弱變異，變異系數介于10%到100%之間時為中等變異，變異系數≥100%則為強變異[11]。可見王東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果基本一致，都屬于中等變異程度。由于農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據統(tǒng)計特征

用SPSS 20.0軟件對不同地貌單元的全磷含量數據進行描述統(tǒng)計分析，直方圖和Q-Q圖的檢驗結果表明溝道全磷含量變異符合正態(tài)分布，塬面和塬坡全磷經對數轉換后近似符合正態(tài)分布。因此，將全磷數據按地貌單元進行分區(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系

不同的地貌單元會影響土壤形成的物理化學過程，進而會造成土壤養(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基本遵循塬面>坡面>溝道的空間分布特征。小流域內全磷高于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。在塬坡上全磷的含量主要集中在1.11～0.972 g/kg范圍內，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)現全磷含量從塬面、塬坡到溝道呈現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，整個王東溝小流域經過十幾年的變化發(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14 a前后對比研究發(fā)現，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，塬坡呈現出塬面和溝道之間的過度狀態(tài)。

2.3 土地利用方式對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。土地利用方式對全磷空間變異影響的顯著性水平高于地貌單元對它的影響。

表2 王東溝小流域地貌單元與土地利用方式對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>農地>廢棄果園>荒草地；塬坡上全磷含量呈：果園>廢棄果園>農地>林地>荒草地；溝道上全磷含量呈：林地>荒草地。整個王東溝小流域全磷含量分布如圖4所示，呈現為：果園>廢棄果園>農地>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]對黃土高原溝壑區(qū)王東溝流域土壤養(yǎng)分分布特征進行了研究，結果表明塬面土壤有機質、全氮、全磷等養(yǎng)分的含量比坡臺地和山地相對較高，大致呈現塬面>山坡地>坡臺地的趨勢。其中全磷在不同土地利用類型含量變化為：果園>農田>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行分析，且將山坡地和坡臺地歸類為塬坡進行研究。研究結果表明，不同地貌單元上全磷含量分布呈現塬面>塬坡>溝道的規(guī)律，不同土地利用方式下全磷分布呈現果園>廢棄果園>農地>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。王東溝小流域農業(yè)類型逐漸發(fā)展為以果園為主的經濟型農業(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[13]。近十幾年來果園種植面積的大量增加的同時，肥料的投入量也隨之增加。由于大量的化學肥料的使用，全磷含量在土壤中隨著時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 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>農地>林地>荒草地；溝道內全磷含量分布規(guī)律為：林地>荒草地。同時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，需要充分考慮土地利用方式的影響。