徐 燁, 鄧 艷, 曹建華, 蔣忠誠, 岳祥飛, 朱梓弘,2

(1.中國地質科學院 巖溶地質研究所/自然資源部 巖溶生態(tài)系統(tǒng)與石漠化治理重點實驗室廣西巖溶動力學重點實驗室, 廣西 桂林 541004; 2.中國地質大學(北京), 北京 100083)

巖溶斷陷盆地是指高原隆升造成的斷裂活動引發(fā)的斷塊差異沉陷，加之巖溶侵蝕作用而形成的山間盆地[1-2]。我國斷陷盆地主要集中分布在滇東—攀西一帶，位于珠江、長江中上游，隸屬國家“兩屏三帶”生態(tài)安全屏障區(qū)[3-4]。斷陷盆地是我國石漠化綜合治理工程重要區(qū)，滇東是斷陷盆地發(fā)育典型、生態(tài)脆弱、石漠化最為嚴重的地區(qū)[4]。巖溶斷陷盆地受“盆—山”共存的地質分異背景所控制，地質環(huán)境具有環(huán)狀分帶和梯級分區(qū)的特征[2]，疊加不同程度的人類活動強度，造成流域內不同區(qū)域水土流失、石漠化、生物多樣性等生態(tài)環(huán)境問題在形式、空間尺度、性質和強度都明顯不同。如盆底平壩區(qū)人口集中，人地矛盾突出，水土污染問題嚴重[5]；河谷區(qū)水土不配套，水土流失強烈，滑坡、泥石流多發(fā)[2]；高原到盆地的斜坡地帶主要的環(huán)境問題是水土流失和石漠化嚴重[6]。因此探索斷陷盆地地質環(huán)境變化規(guī)律，開展流域范圍內分區(qū)生態(tài)及經濟功能評價，對解決斷陷盆地石漠化治理和生態(tài)恢復具有重要的理論意義和實用價值。

目前，學者就巖溶斷陷盆地進行了大量有意義的探索，主要集中于斷陷盆地石漠化演變機制及治理措施[4,7]、斷陷盆地地下水分布和徑流特征[8-10]、斷陷盆地環(huán)境地質問題及對策[5,11]，但在巖溶斷陷盆地土壤肥力空間分布及其影響因子的研究較少。因此，為了解巖溶斷陷盆地不同地貌和土壤類型對土壤肥力的影響，正確評價并且高效利用巖溶區(qū)稀少的土壤資源，本文選取典型斷陷盆地——云南小江流域為研究對象，采集小江流域不同地貌區(qū)(巖溶中山區(qū)、巖溶臺地槽谷區(qū)、峰叢洼地、沉積平壩、巖溶河谷區(qū))和不同土壤類型(紅壤、紫色土、石灰土、水稻土)下的耕地土壤樣品，采用主成分分析法、ArcGIS技術以及方差分析法等，研究土壤肥力空間異質性，并探究其影響因素，以便為小江流域耕地制定科學合理的分區(qū)施肥方案，并為選擇適宜土壤質地的種植作物提供理論依據，對于實現區(qū)域全面協(xié)調可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

小江流域地處滇東巖溶高原面邊緣及河谷斜坡地帶，是典型的巖溶斷陷盆地。地理坐標為103°30′—104°05′E,24°10′—24°45′N，流域總面積1 009.28 km2[12]。流域呈北東向展布，總體地勢東高西低，北高南低(圖1)。流域所在區(qū)域屬于典型的亞熱帶高原季風氣候，氣候溫和、雨量適中，枯雨季分明。流域多年平均氣溫15.2℃，多年平均降雨量966.8 mm。受到地形因素的影響，山區(qū)、壩區(qū)氣候差異顯著，整體表現出垂向差異性。從中高山區(qū)到盆底平壩區(qū)，降雨量逐漸減少，氣溫逐漸升高[13]。流域內主要分布的土壤類型有紅壤、黃壤、紫色土、石灰土及水稻土，以紅壤為主(圖1)。

圖1 小江流域高程及土壤類型

王宇等[2]根據地貌形態(tài)—成因類型的區(qū)間差異，將巖溶斷陷盆地劃分為侵溶蝕山區(qū)、溶蝕丘峰谷地區(qū)、沉積平壩區(qū)和侵溶蝕河谷區(qū)。在此基礎上，根據小江流域的地質環(huán)境特征，將其地貌分為盆底沉積平壩區(qū)、巖溶中山區(qū)、巖溶河谷區(qū)、巖溶臺地槽谷區(qū)和巖溶峰叢洼地(圖2)。

圖2 小江流域地貌分區(qū)

1.2 樣品采集

采用隨機取樣的方法，按照“以耕地為對象、覆蓋主要土壤和地貌類型、空間分布相對均勻”的原則，在不同土壤類型中，取0—20 cm表層土壤，選取樣點497個(圖3)，包含主要土壤類型紅壤、石灰土、水稻土和紫色土，覆蓋研究區(qū)的5個主要地貌分區(qū)，包括盆底平壩區(qū)、巖溶河谷區(qū)、臺地槽谷區(qū)、巖溶中山區(qū)和峰叢洼地區(qū)。

1.3 土壤理化性質測定

測定土壤pH值、有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀6個指標。其中pH值采用電位法測定，有機質采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定，全氮含量用凱氏法測定，堿解氮使用堿解擴散法測定，有效磷含量用碳酸氫鈉提取—鉬銻抗顯色—紫外分光光度法測定，速效鉀含量使用NH4Ac浸提—火焰光度法測定[14-15]。

圖3 土壤采樣點分布

1.4 統(tǒng)計分析

數據預處理在Excel 2010中進行，運用SPSS 22.0統(tǒng)計分析軟件對數據進行描述性統(tǒng)計分析、方差分析以及主成分分析，利于ArcGIS 10.3對土壤養(yǎng)分進行克里金差值分析。

1.5 主成分分析

選取土壤pH值、有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀6種指標作為土壤肥力質量指示因子，利用SPSS 22.0中的主成分分析從6個相關系數矩陣中提取初始因子，得到各指標的特征根、方差貢獻率和累積方差貢獻率。累積方差貢獻率大于80%，成分特征根(λ)都大于1，基本可以反映土壤肥力指標的主要信息[16]，將其提取為主成分。將分析所得的載荷值(即成分矩陣)除以各主成分特征值的開方，從而得到3個主成分與原6項指標的線性組合的系數，即求得特征向量矩陣[17]，建立土壤肥力綜合得分模型。

2 結果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分在不同地貌類型間的比較

由圖4可知，小江流域土壤pH值的變化范圍在中性偏弱堿性之間，不同地貌類型間差異較為顯著(p<0.05)。有機質平均含量為38.00～43.07 g/kg，根據全國第二次土壤普查及養(yǎng)分分級標準，達到1～2級養(yǎng)分標準。全氮的平均含量在2 g/kg以上，堿解氮的平均含量在170 mg/kg以上，二者均達到一級土壤養(yǎng)分標準。有機質含量在不同地貌類型間略有差異，全氮和堿解氮無顯著差異。有效磷的平均含量為17.44～24.44 mg/kg，達到3級養(yǎng)分標準，不同地貌間略有差異；速效鉀的平均含量達到2～3級養(yǎng)分標準，不同地貌間無顯著差異。小江流域整體養(yǎng)分含量較高，不同地貌間差異不明顯。

注：誤差線表示平均值±標準誤差，不同標識的小寫字母代表同一土壤肥力指標在不同地貌類型間有顯著差異(p<0.05)。

圖4 土壤肥力指標在地貌類型間的比較

2.2 土壤養(yǎng)分在不同土壤類型間的比較

由圖5可知，不同土壤類型的土壤pH值變化范圍為6.52～7.48，整體呈弱酸性—弱堿性。有機質和堿解氮平均含量的變化順序在不同土壤類型中相同，即石灰土>水稻土>紫色土>紅壤，全氮的平均含量在不同土壤類型中的變化順序為石灰土>水稻土>紅壤>紫色土，與前者具有相似的規(guī)律。不同土壤類型之間土壤有機質、全氮和堿解氮的含量差異明顯(p<0.05)，且主要體現在石灰土、水稻土與紅壤、紫色土之間。有效磷和速效鉀在水稻土中平均含量最低。不同土壤類型間土壤肥力較不同地貌間差異度顯著。

圖5 土壤肥力指標在土壤類型間的比較

2.3 土壤養(yǎng)分的分布

小江流域土壤肥力存在明顯的空間異質性(圖6)，且具有一定的規(guī)律性。土壤有機質、全氮和堿解氮含量分布極為相似。整體表現為，有機質、全氮和堿解氮的高值區(qū)主要分布在盆底平壩區(qū)和流域東南部的中山區(qū)和河谷區(qū)交界處；低值區(qū)主要分布在流域東北部和西南部的中山區(qū)。土壤速效鉀的高值區(qū)主要分布在流域東北部中山區(qū)和臺地槽谷區(qū)，低值區(qū)主要分布在流域東南部的中山區(qū)和河谷區(qū)，而土壤有效磷的高值區(qū)分布在流域北部的臺地槽谷區(qū)和中部的盆底平壩區(qū)，低值區(qū)主要分布在流域南部的巖溶河谷區(qū)。

2.4 土壤養(yǎng)分的影響因子

由表1可知，地貌類型對6種土壤肥力指標的影響不顯著，這可能是因為研究區(qū)頻繁且有規(guī)律的人為活動，弱化了地貌因子對土壤養(yǎng)分的影響。土壤類型對pH值、全氮和堿解氮的影響極為顯著(p<0.01)，影響作用大小(F)為pH值>全氮>堿解氮；對有機質、有效磷的影響顯著(p<0.05)，影響作用大小(F)為有機質>有效磷；對速效鉀的影響不顯著。地貌類型和土壤類型的交互作用對速效鉀的影響顯著(p<0.05)，對pH值的影響極為顯著(p<0.01)，對有機質、全氮、堿解氮和有效磷的影響不顯著。

2.5 土壤綜合肥力評價

主成分分析結果(表2)表明：6項土壤肥力指標對土壤肥力有不同程度的貢獻。6項指標被分成3個主成分。根據主成分計算公式以及表3的成分矩陣和特征向量，可以得到3個主成分與6項土壤肥力指標的線性組合，公式如下：

S1=0.086X1+0.565X2+0.608X3+0.541X4+0.009X5-0.109X6

S2=-0.033X1+0.137X2+0.004X3-0.013X4+0.701X5+0.699X6

S3=0.955X1-0.099X2+0.085X3-0.170X4+0.172X5-0.112X6

式中：S1，S2，S3表示3個主成分；X1，X2，X3，X4，X5，X6分別表示pH值、有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀的標準化變量。上述式中系數即特征向量，其絕對值越大，表明土壤肥力指標對主成分的影響越大。由表3可知，第一主成分受全氮、有機質和堿解氮的影響較大，第二主成分為速效鉀和有效磷，第三主成分中pH值所占比重較大[16-17]，表明全氮、有機質和堿解氮是影響土壤肥力的主要因子。

圖6 土壤養(yǎng)分空間插值

表1 土壤養(yǎng)分影響因素方差分析

注：*表示在p<0.05水平顯著，**表示在p<0.01水平顯著；×表示地貌和土壤類型的交互作用對土壤養(yǎng)分的影響。

各指標之間存在量綱的差異，因此在求得土壤肥力綜合得分前，需對原始數據進行標準化處理[18]。將提取出的前3個主成分特征值(表2)進行歸一化處理，作為上述3個組合式的權重，可以求得綜合值S。

S=0.506S1+0.275S2+0.219S3

由表4—5可知，不同地貌類型和不同土壤類型土壤肥力綜合得分從大到小分別為：臺地槽谷區(qū)>平壩區(qū)>峰叢洼地>中山區(qū)>巖溶河谷，石灰土>水稻土>紅壤>紫色土，且不同地貌和不同土壤類型之間土壤肥力綜合得分差異較為顯著。

3 討 論

3.1 土壤肥力空間分析

受地質背景、地形地貌和區(qū)域氣候的控制，加之人為活動的影響，小江流域土壤頻繁交錯[19]，土壤肥力表現出強烈的空間異質性。研究結果顯示，小江流域土壤養(yǎng)分整體較為豐富。土壤肥沃的區(qū)域多集中在盆底平壩區(qū)和臺地槽谷區(qū)，中山區(qū)和巖溶河谷區(qū)土壤肥力相對較差。盆底平壩區(qū)和臺地槽谷區(qū)地勢較為平坦，耕作方式多樣且頻繁，有機質含量較高，同時盆底平壩區(qū)第四系母質富鈣的環(huán)境也有利于有機質的積累[20]。土壤有機質和土壤中微生物的固定作用是土壤中N的主要來源，有機質的儲存直接影響N的存儲和轉化[21-22]，這與研究區(qū)有機質、全氮及堿解氮相似的分布特征符合。土壤pH值總體由中部向東北、西南遞減。盆底平壩區(qū)地勢平坦，接受周圍碳酸鹽巖地區(qū)的土壤流失，土壤中Ca，Mg含量較高[23-24]，土壤pH值較高，而中山區(qū)和巖溶河谷區(qū)海拔較高，且地勢起伏較大，土壤淋濾作用較強，因此土壤pH值較低。土壤中有效態(tài)養(yǎng)分指可直接被作物吸收利用的元素含量。大量試驗研究表明土壤中有效磷的含量和土壤發(fā)育程度、母巖、人為施肥、有機質含量等具有極大的相關性[25-26]，速效鉀受土壤所處區(qū)域的水熱條件、土壤質地、土壤母巖風化程度等影響[27]。研究表明，巖溶區(qū)土壤中有效磷和速效鉀的主要來源是植物殘體的歸還和農戶施肥[28]。一方面，地貌因子影響了P，K元素的累積與遷移，臺地槽谷區(qū)和盆底平壩區(qū)地形平坦，土壤易保持，而中山區(qū)與河谷區(qū)地形較為起伏，坡度較大，加之研究區(qū)濕潤的氣候，水土流失嚴重，元素易淋溶遷移。另一方面，研究區(qū)復雜的生態(tài)地質環(huán)境造成了高山寒、山區(qū)涼、壩區(qū)暖、河谷熱的多樣立體氣候[13]，針對這一特征，不同地貌區(qū)制定了不同的耕作管理方式，極大程度影響了土壤有效養(yǎng)分的空間分布。

表2 主成分特征值和貢獻率

表3 各指標因子載荷量和特征向量

表4 不同地貌類型主成分綜合得分

表5 不同土壤類型主成分綜合得分

3.2 土壤類型對土壤肥力的影響

土壤肥力的空間分布差異性一方面受耕作施肥、種植制度、地形地貌、氣溫、降雨、植被覆蓋等人為活動和環(huán)境條件的影響[24,29-30]，另一方面與土壤本身的結構性質也存在緊密聯(lián)系。蔣勇軍等[31]在研究小江流域土壤有機質空間變異時發(fā)現，不同母質發(fā)育的土壤中，有機質含量及其變異系數差異顯著。本研究所選4種土壤分別屬于3種土綱，紅壤屬于鐵鋁土綱，紫色土和石灰土屬于初育土綱，水稻土屬于人為土綱[32]。石灰土通過石灰?guī)r直接風化形成，母巖中含豐富的鈣質，鈣離子易與腐殖質結合形成較為穩(wěn)定的腐殖質酸鈣，有利于有機質積累，石灰土具有穩(wěn)定的有機質結構和良好的團粒結構，使其土壤肥力持久[20]。水稻土在長期的人為耕作管理下熟化而成，重復交替氧化還原過程[32]，其人為影響已超過自然成土作用。水稻土長年濕潤，土壤多處于還原狀態(tài)，有利于微生物的活動與積累，有機質含量相對較高[33]，此外，人為的耕作方式與施肥管理也是積累有機質的一大原因。鐵鋁土在高溫濕潤條件下，經歷脫硅富鋁化的過程，土壤中原生礦物被強烈分解，硅酸和鹽基被強烈淋失，導致土壤中的陽離子交換量低，鹽基極不飽和，有機質被迅速分解[32]，這與研究中紅壤肥力低的特征相符。紫色土成土母巖中含有一定的有機質以及N，P，K，Ca，Mg等元素，自然肥力較高。但是紫色土母巖節(jié)理發(fā)育、結構差，成土過程中經歷強烈的物理風化，且成土時間短[32]，不利于養(yǎng)分的存儲，總體肥力偏低。

3.3 地貌類型對土壤質量的影響

地貌是土壤發(fā)育及分布的重要基礎，是影響土壤質量的重要因素之一。不同的地貌位置，其水熱條件、植被狀況、地表徑流的侵蝕速率等都存在差異，這些差異影響了土壤的形成及其物理、化學等性質的差異。峰叢洼地和中山區(qū)地形起伏，坡度較為陡峭，沖溝、落水洞、漏斗等發(fā)育，由于重力作用和地表徑流的侵蝕，水土漏失嚴重，土層較薄，土壤養(yǎng)分流失，土壤肥力因子的含量處于較低水平，不利于作物生長；臺地槽谷區(qū)和平壩區(qū)地形較為平坦緩和，土層發(fā)育深厚，養(yǎng)分不易流失，且耕地多以水稻田為主，土壤濕度大，土壤微生物較為活躍，一般表層土壤養(yǎng)分含量豐富，土壤質量等級較高，是作物栽種的適宜區(qū)域。研究區(qū)的峰叢洼地是臺地槽谷區(qū)向平壩區(qū)的過渡地帶，水土流失導致一部分土壤養(yǎng)分被帶到平壩區(qū)，這是峰叢洼地土壤肥力質量高于中山區(qū)的一個原因。巖溶河谷區(qū)地形高差大且谷坡較大，土壤侵蝕強烈，河谷區(qū)地下水以垂直入滲為主，漏滲嚴重[12]，表層土壤養(yǎng)分被帶到深層流失。

3.4 地貌和土壤類型的交互作用對土壤養(yǎng)分的影響

方差分析的結果顯示，地貌因子對土壤養(yǎng)分影響不顯著，母質對土壤養(yǎng)分的影響較為顯著，但母質和地貌的交互作用只對pH值有極顯著影響。統(tǒng)計結果顯示，不同地貌類型下土壤養(yǎng)分差異度不顯著，不同土壤類型下土壤養(yǎng)分差異度較為顯著。土壤質量綜合得分的結果顯示，不同地貌和土壤類型的土壤綜合質量差異較為顯著。小江流域根據不同的地貌分區(qū)的特征，因地制宜，制定了相應的農業(yè)發(fā)展規(guī)劃。平壩區(qū)以發(fā)展優(yōu)質稻米、優(yōu)良種子和高效經濟作物(高原蔬菜)為主；臺地槽谷區(qū)以發(fā)展稻米和特色經濟作物(鮮花)為主；河谷區(qū)主要發(fā)展優(yōu)質稻米；中山區(qū)著重發(fā)展林草農牧業(yè)；峰叢洼地發(fā)展林果業(yè)[34]。本研究所采集樣品均來自耕地，受到統(tǒng)一的規(guī)劃管理和耕作模式，人為活動對土壤的影響作用模糊了地貌的影響作用，不同地貌分區(qū)的土壤肥力差異可能與種植的作物種類有關。

改善土壤結構是提升土壤質量的重要措施。結合土壤母質性質和地貌類型的環(huán)境特征，綜合生物、工程等多項措施，改善作物生長環(huán)境以此提高產量。

4 結 論

(1) 巖溶斷陷盆地不同地貌分區(qū)環(huán)境特征差異顯著，土壤類型多樣且頻繁交錯，加之不同地貌分區(qū)人類活動方式的差異性，土壤養(yǎng)分空間分布差異性顯著。

(2) 小江流域土壤養(yǎng)分整體含量較為豐富，有機質、全氮和堿解氮是決定土壤肥力質量的關鍵因子。不同土壤類型土壤肥力綜合質量表現為石灰土>水稻土>紅壤>紫色土；不同地貌類型土壤肥力綜合質量表現為臺地槽谷區(qū)>平壩區(qū)>峰叢洼地>中山區(qū)>巖溶河谷區(qū)。

(3) 統(tǒng)計結果顯示，不同土壤類型間土壤養(yǎng)分含量差異性略強于不同地貌類型，主成分分析結果表明，不同土壤類型和地貌類型的土壤綜合肥力差異顯著，方差分析結果顯示，土壤類型對土壤肥力的影響作用強于地貌類型。表明土壤肥力質量受地貌類型和土壤母質的共同影響，但人為活動弱化了地貌對土壤肥力的影響。