紅壤丘陵區坡地土壤顆粒組成的空間分布特征研究①

王冬冬，高　磊，陳效民，彭新華*

（1 南京農業大學資源與環境科學學院，南京　210095；2 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京　210008）

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紅壤丘陵區坡地土壤顆粒組成的空間分布特征研究①

王冬冬1，2，高磊2，陳效民1*，彭新華2*

（1 南京農業大學資源與環境科學學院，南京210095；2 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京210008）

摘要：通過分析紅壤丘陵區農田坡面14個0 ～ 100 cm 剖面的土壤顆粒組成，結合研究區土壤侵蝕等相關資料，擬闡明坡面尺度土壤砂粒、粉粒和黏粒含量的空間分布特征，揭示自然條件下土壤顆粒組成在水平和垂直方向上的分布規律。結果表明：坡面尺度土壤砂粒、粉粒和黏粒均呈現出中等的空間異質性，變異系數分別介于17.6% ～ 23.2%、10.7% ～ 15.8% 和13.5% ～ 17.0% 。由于粗顆粒的沉積，花生地和橘園地均表現出坡下的砂粒含量顯著高于坡上和坡中（P＜0.05），黏粒含量坡下顯著低于其他坡位（P＜0.05）；由于黏粒更容易隨入滲過程向深層運動，兩種植被類型均表現出土壤砂粒含量隨深度增加而降低（P＜0.05）、黏粒含量隨深度增加而增加的趨勢（P＜0.05）。無論在水平方向還是垂直方向上，粉粒含量均無明顯變化規律（P＞0.05）。砂粒含量隨坡位和土壤深度的變化程度均大于粉粒和黏粒。植被類型及相應的耕作制度影響土壤顆粒的分布，土壤砂粒在水平方向上的運動在花生地表現得強于橘園地；橘園地土壤黏粒含量在垂直方向上的遷移速率大于花生地，而對粉粒含量的分布規律影響不大。

關鍵詞：土壤黏粒；土壤砂粒；植被類型；坡位；土壤侵蝕

土壤顆粒是組成土壤結構體的基本單元，且為土壤質量評價的一個重要指標［1］，它影響土壤的物理、化學和生物學特性，比如，土壤顆粒組成影響土壤的保水性［2］、保肥性［3］和抗侵蝕能力［4］。土壤細顆粒具有較大的比表面積，是土壤污染物和養分的主要吸附載體，土壤的粒級組成決定了土壤對養分及污染物的吸附能力，通常土壤粒徑越小，其比表面積越大，對土壤養分及污染物的吸附力越強［5］。

土壤顆粒組成含量的分布首先是由土壤母質的性質所決定［6］，但是，植被類型［7］、氣候［8］、地形［9］等外在因素也會影響土壤顆粒在空間上的分布格局。這些外在因素主要是通過改變土壤顆粒在空間上的位置來改變其分布。土壤顆粒的再分布是土壤中普遍存在的過程，其主要受土壤物理機制影響，在一定程度上也與土壤中化學和生物機制有關。土壤顆粒的再分布過程在土壤物質遷移和土壤發生過程中具有重要作用［6］。研究者發現土壤養分［10］、膠體［11-12］和病毒［13］等的遷移與土壤顆粒的運動軌跡之間存在重要關系。

因此，土壤顆粒的遷移機制受到研究者的關注。杜麗娜等［14］利用土柱實驗模擬了砂質多孔介質中土壤顆粒的遷移規律，發現土壤顆粒在砂質多孔介質中遷移時主要受到土壤粒徑、土壤懸液濃度和多孔介質組成的影響。宋曉明［15］通過室內土柱試驗對飽和多孔介質中顆粒遷移特性進行研究，同樣發現顆粒粒徑、顆粒濃度、滲流方向和滲流速率均對飽和多孔介質中顆粒遷移特性產生很大影響。

但是，以往的研究多是基于室內模擬試驗，雖然模擬試驗便于控制邊界條件，卻不能完全模擬田間眾多的影響因素，難以實現大尺度模擬。而田間試驗由于難以控制，對土壤顆粒遷移規律的研究比較少見。李裕元［16］在陜西富縣野外生態實驗站研究了天然降雨侵蝕條件下坡地表層黃綿土的顆粒組成變化，發現在坡面上土壤顆粒組成的遷移主要以粉粒和黏粒最為明顯，其中粉粒主要隨徑流向坡下遷移并在坡下發生沉積，黏粒則主要伴隨著徑流而直接流失，且其流失量隨著坡長和坡度的增加而逐漸增大。但是該研究主要關注土壤表層（0 ～ 5 cm）在特定降水事件中土壤顆粒沿坡面的遷移規律，沒有涉及土壤顆粒在垂直方向上的再分布過程。

紅壤是我國重要的土地資源，總面積約為 27.2 萬km2，約占我國土壤總面積的28%［17］，紅壤地區坡地大量存在，加之降水豐沛，這些導致紅壤地區土壤顆粒的空間分布隨時間會發生改變。因此，認識自然條件下紅壤坡耕地土壤顆粒含量的空間分布特征可以加深對該地區土壤侵蝕和農業面源污染的理解。鑒于此，本研究以紅壤丘陵區農業坡地為研究對象，選取當地兩種典型植被類型，花生地和橘園地，通過對14個不同坡位0 ～ 100 cm剖面土壤顆粒組成含量的分析，擬明晰紅壤區土壤砂粒、粉粒和黏粒含量在坡面尺度水平和垂直兩個方向上的分布格局，明確坡位和植被類型對土壤顆粒再分布的交互影響，以期為研究區制定合理的土地利用規劃、土地耕作制度提供科學依據。

1　材料與方法

1.1試驗區概況

研究區位于江西省鷹潭市孫家農田小流域（116°55′E， 28°15′N），距離中國科學院紅壤生態實驗站約4 km。孫家小流域屬于中亞熱帶溫暖濕潤季風氣候，水熱資源豐沛，但季節性分布嚴重不均。多年平均降雨量為1 794.7 mm，年均潛在蒸發量為1 229.1 mm， 4—6月份降雨約占全年降雨量的48%，7—9月份的蒸發量接近全年蒸發量的 50%；該地區多年平均日照時數為1 868.5 h，無霜期為262 天，年均氣溫為17.7℃。該小流域土壤由第四紀紅黏土和紅砂巖發育而來，土壤質地多為黏壤土或黏土。由于長期的生物富集化和富鐵鋁化過程導致該區土壤質地黏重，通氣透水性差，土壤酸度高，肥力低［18］。

所選坡面為一塊坡耕地，海拔43 ～ 50 m，坡度約為3°，面積約為3 hm2，母質均為第四紀紅黏土。因此，能夠排除母質對該坡面土壤顆粒組成的影響，該坡地土壤質地在空間分布上的差異主要由地形、植被類型以及人類活動等外因導致。在 20 世紀 90 年代，該坡面由均一的茶園改為橘園和一年生的農作物（花生為主，有些年份為紅薯、西瓜，本研究中用花生代表一年生的農作物）。并且，植被類型在20多年保持穩定，因此，該坡面可用于分析地形和植被交互作用下，土壤顆粒組成在空間上的遷移規律。

橘園和花生是該坡面主要的植被類型，分別占總面積的 19% 和 79%，其余的 2% 為橘樹和花生間作（圖1）。橘樹株高約為3 m，株行間距為4 m × 4 m，每年 5—10月為橘樹的枝繁葉茂期。花生的種植方式為順坡壟作，株行間距為0.2 m × 0.3 m，主要生育期為4—8月。研究區表層（0 ～ 10 cm）土壤質地為黏壤土（美國農業部制），橘園地土壤砂粒、粉粒和黏粒含量分別為414.9、253.3和331.7 g/kg，花生地分別為389.7、278.9和331.2 g/kg。花生地表層土壤由于人為的頻繁耕作，其導水性強于橘園，表層土壤（0 ～ 10 cm）的飽和導水率分別為2.0 和0.2 mm/min。

圖1　研究區采樣點分布圖以及橘園（a）和花生地（b）示意圖Fig. 1　The distribution of sampling sites and the schematic diagrams of citrus orchard （a） and peanut land （b）

1.2數據獲取與分析

在所研究坡面上，沿垂直于等高線方向布設 14個采樣點（圖1），采樣點均按坡位（坡上、坡中、坡下）進行布設，其中橘園坡上和坡中各有2個采樣點，坡下有1個（共5個），花生地不同坡位上均有3個采樣點（共9個）。2014年5月在每個樣點上用土鉆法分6層進行采樣，采樣深度分別為0 ～ 10、10 ～ 20、20 ～ 40、40 ～ 60、60 ～ 80和80 ～ 100 cm。橘園地采樣點位置為距離橘樹2.5 m，花生地采樣位置位于壟中部。將采集到的樣品帶回實驗室自然風干后，過2 mm篩，利用沉降吸管法測定土壤顆粒組成。根據美國農業部制土壤質地分類系統的標準，按照粒徑從大到小分為3級，分別為砂粒（0.05 ～ 2 mm）、粉粒（0. 002 ～ 0.05 mm）以及黏粒（＜0. 002 mm）。借助Microsoft Excel 2013和SPSS 20.0對數據進行統計分析，各處理間比較采用單因素方差分析 （One-way ANOVA），均值的多重比較采用Duncan法，顯著性水平設為α = 0.05，利用ArcGIS10.3和Origin9.0軟件繪制圖形。

表1　不同土層深度土壤顆粒組成的描述性統計Table 1　Effects of soil depths on the descriptive statistics of soil particle composition

2　結果與分析

2.1坡面土壤顆粒組成的基本統計

所選坡地土壤顆粒組成在0 ～ 100 cm土層的描述性統計（表1）表明，土壤砂粒含量和黏粒含量的均值隨土壤深度的增加分別呈降低和增加的趨勢，而粉粒含量隨深度保持相對穩定。土壤砂粒、粉粒和黏粒含量均值的變化范圍分別為 342.2 ～ 400.4、263.9～ 271.7和331.6 ～ 392.4 g/kg。土壤顆粒組成和土層深度之間的線性關系（圖2）顯示，砂粒和黏粒與土層深度之間分別呈顯著的負相關和正相關關系，線性關系分別為：y = -0.69x + 395.7（R2= 0.85，P＜0.05） 和y = 0.70x + 336.6 （R2= 0.87，P＜0.05），而粉粒含量與土層深度無顯著的線性相關性（P＞0.05）。砂粒含量、粉粒含量和黏粒含量在空間上的變異系數分別介于 17.6% （80 ～ 100 cm） ～ 23.2%（20 ～ 40 cm）、10.7%（40 ～ 60 cm） ～15.8%（80 ～ 100 cm）和 13.5%（10 ～ 20 cm）～ 17.0%（20 ～ 40 cm）（表1）。根據Nielsen和Bouma［19］的判斷標準，各土壤層次土壤顆粒含量均呈現中等的空間異質性，這與Wang等［20］在黃土高原地區的研究結論一致。但是，砂粒含量的異質性顯著強于粉粒和黏粒含量的異質性（P＜0.05， 單因素方差分析），這可能是由于砂粒在搬運過程中比粉粒和黏粒更容易發生沉積，而沉積的過程中會受到微地形等因素在空間上的異質異性質的性影均響出。現另在外2，0砂 粒～和 黏4粒0含量在空間上最強的 cm土壤層，這可能和研究區橘園和花生不同的耕作制度有關，花生地存在明顯的犁底層（18 ～ 20 cm），而橘園不存在，這導致兩種植被類型下，土壤黏粒在穿過20 cm土壤層向下遷移的難易不同，從而增加了土壤顆粒含量在20 ～ 40 cm土壤層的差異。另外，兩種植被間不同的土壤侵蝕強度等因素對土壤質地的異質性也有影響。

圖2　土層深度和土壤顆粒組成的相關性Fig. 2　Correlations between soil depths and soil particle composition

2.2土壤顆粒組成在水平方向上的分布特征

3個坡位0 ～ 100 cm剖面土壤顆粒的平均含量（圖 3）表明，坡位影響土壤顆粒的組成。總體來看，砂粒含量沿坡面從坡上至坡下有增加的趨勢，粉粒含量和黏粒含量有減少的趨勢。隨坡位的變化主要是由土壤侵蝕過程中泥沙隨徑流的搬運和沉積作用所造成。在紅壤低丘陵區高強度的農業種植模式下，人類活動是土壤顆粒再分布不可忽視的因素，比如土地翻耕等農事操作會誘發水土流失，從而改變了降水在水平運動和垂直方向運動的分配比例。紅壤丘陵區坡地存在比較嚴重的土壤侵蝕，特別是在農地翻耕后遇到強降水的情況下［21］。坡上由于匯流少，流速慢，徑流侵蝕力較弱，地表松散的砂粒比致密的黏粒抗侵蝕力弱，首先被搬運［22］。而隨著徑流的進一步匯集，在坡中，徑流侵蝕力加強，大量不同粒徑的表層泥沙被搬運［23］。而到了坡下，由于徑流搬運能力飽和，在遇到坡度放緩或農作物阻攔，大量粗顆粒泥沙（砂粒）開始沉積，而細顆粒（特別是黏粒）隨徑流進入溝道。經過長時期的積累，坡上黏粒的相對含量增加，砂粒含量降低，坡下則剛好相反。

土壤顆粒在水平方向上的分布特征受植被類型的影響。花生地土壤顆粒含量在不同坡位的差別比橘園地更大。花生地的砂粒沿坡面從上至下表現為坡上＜坡中＜坡下（P＜0.05），和坡上相比，坡中和坡下土壤砂粒含量的增加幅度分別為15.1% 和31.3%；粉粒含量表現為坡上顯著高于坡中和坡下（P＜0.05），坡中和坡下土壤粉粒含量相對于坡上降低的幅度分別為8.1% 和11.0%；黏粒含量表現為坡上＞坡中＞坡下（P＜0.05），坡中和坡下土壤黏粒含量相對于坡上降低的幅度分別為6.7% 和18.4%。這也說明花生地砂粒含量隨坡位的變化大于粉粒和黏粒。橘園地砂粒含量只有坡中顯著低于坡下（P＜0.05），降低的幅度為11.5%；粉粒含量在坡位之間無顯著差異（P＞0.05）；黏粒含量只有坡下顯著低于坡中和坡上（P＜0.05），橘園地坡下黏粒含量相對于坡中和坡上降低的幅度分別為6.4% 和10.7%。花生地沿坡方向土壤顆粒差異大于橘園地的原因可能是：橘園地地表蓋度大（約為0.8），既有壯年橘樹繁茂枝葉的遮蓋，近地表又有少許雜草，地面還有枯落物覆蓋（圖 1a），良好的地表覆蓋可以大大降低降水的侵蝕力［24］。另外，橘園地常年基本無翻耕，其根系較發達，表層土壤有機質含量高，這些因素均有利于形成良好的土壤結構，從而大大提高橘園地的抗侵蝕能力［25-26］。因此，同等降水和地形條件下，橘園的土壤侵蝕要遠遠低于以花生為代表的一年生農作物。呂玉娟等［27］在該地區證實了這一結論，研究發現橘園地年平均泥沙侵蝕量僅為花生地的20%。

圖3　橘園和花生地不同坡位的土壤顆粒組成Fig. 3　Effects of slope position on soil particle composition in citrus orchard and peanut land

花生地0 ～ 100 cm 土壤顆粒組成含量的平均值在坡位之間均差異顯著（粉粒含量在坡中和坡下除外），因此進一步比較了花生地3種坡位在不同土層深度的土壤顆粒組成的差異（表2）。結果顯示，并不是每一個土壤層次的土壤顆粒組成含量在坡位之間均存在顯著差異。比如在 0 ～ 10、10 ～ 20、20 ～40、40 ～ 60和60 ～ 80 cm坡上和坡中均無顯著差別（P＞0.05）。這說明，研究結果存在尺度效應，當以0 ～100 cm土壤層為研究對象時，各變量之間基本呈顯著差異（圖3），而將0 ～ 100 cm土層劃分為6 個土層（0 ～ 10，10 ～ 20，20 ～ 40，40 ～ 60，60 ～ 80和80 ～100 cm）分別研究時，各變量在坡位之間的差異縮小。砂粒含量在 6個土壤層均表現出坡下顯著高于坡上（P＜0.05）；黏粒含量在0 ～ 10 cm 和10 ～ 20 cm土層深度不同坡位間均無顯著性差異（P＞0.05）。較深的土壤層（20 cm以下）在細顆粒（黏粒）垂直運動的影響下，不同坡位間的差異不斷累積，開始出現顯著差異；粉粒含量在 6個土層深度各坡位之間均無顯著性差異（P＞0.05）。一方面是由于土壤侵蝕對砂粒的搬運沉積影響更大，黏粒搬運較遠，在坡面尺度沉積較少；另一方面，淺層土壤在土壤侵蝕、生物活動以及農事耕作等的共同影響下，不確定性或隨機性增加，使得各重復之間差異減小。這一研究結果也暗示土壤顆粒的變化和遷移發生速率較慢，需要一個較長過程才能呈現顯著性差異。由于土壤侵蝕、水分運動、農事操作等外力的作用，不同土層深度之間的土壤顆粒會發生混合，特別是在較淺的土壤層次，因此外力作用會干擾不同土壤層次之間土壤顆粒含量的差異。導致在較小的研究尺度（10 cm或20 cm尺度）表現出的差異小于較大的研究尺度（例如100 cm尺度）。

表2　花生地各土壤深度不同坡位的土壤顆粒組成Table 2　Soil particle composition in the profiles from different slop positions in peanut land

表3　橘園地和花生地不同土層深度的土壤顆粒組成Table 3　Soil particle composition in the profiles from citrus orchard and peanut land

2.3土壤顆粒組成在垂直方向上的分布特征

盡管表1和圖2給出了土壤顆粒含量隨深度變化的大概趨勢，但均未考慮植被類型帶來的差異。橘園和花生地在植被特征和耕作制度上的差異會導致土壤水運動規律的不同，水是土壤顆粒在垂直方向運動的主要驅動力。土壤顆粒組成的含量在垂直方向上的分布特征（表3）顯示，隨土壤層深度的增加，橘園和花生地土壤黏粒含量均表現出增加的趨勢。但是兩種植被類型的表現有所差異，首先，6個土壤深度土壤砂粒、粉粒和黏粒含量的極差（最大值與最小值之差）均表現為橘園地大于花生地，橘園地分別為82.1，22.2 和78.1 g/kg，而花生地分別為67.3，17.4和60.3 g/kg（表 3）。其次，兩種植被類型不同深度之間顯著差異的組數不同，橘園地砂粒含量和黏粒含量均有6組之間存在顯著差異，而花生地均為5組，而對于粉粒含量，兩種植被類型在不同深度之間均無顯著差異（表3）。再次，以黏粒含量為例，相對于0 ～ 10 cm土壤層，橘園地10 ～ 20、20 ～ 40、40 ～ 60、60 ～ 80和80 ～ 100 cm土層的黏粒含量的增幅分別為6.1%、14.9%、18.8%、19.1% 和 23.6%，而花生地分別為5.7%、9.7%、10.7%、14.7% 和18.4%。可見，橘園地土壤顆粒特別是土壤黏粒含量在土壤深度上的差異強于花生地。這是因為橘園地土壤結構良好，根系發達，根系深度可達1.1 m［28］，而花生根系主要分布在0 ～ 20 cm土壤層，根孔的存在會增加土壤的入滲性能［29］，從而導致徑流系數減小［27］，水分的垂直運動發達。而土壤水的運動會驅動細顆粒向下遷移，隨著時間的積累，深層土壤的黏粒含量會逐漸提高，砂粒含量的比例會有所降低。因此，橘園地土壤顆粒特別是土壤砂粒和黏粒在垂直方向上的差異強于花生地。

3　結論

1） 土壤顆粒含量在0 ～ 100 cm各土壤層均呈中等的空間異質性，砂粒含量的空間異質性強于粉粒和黏粒。砂粒含量與土壤深度呈顯著的負相關（P＜0.05），黏粒含量與之呈顯著的正相關（P＜0.05），而粉粒含量在不同深度之間無顯著差異（P＞0.05）。

2） 在水平方向上，坡位影響土壤顆粒含量的分布。總的說來，從坡上到坡下砂粒含量升高，粉粒和黏粒含量降低，砂粒變化的幅度大于后兩者。并且坡位與土壤顆粒含量之間的關系與植被類型有關，土壤侵蝕更劇烈的花生地，其土壤顆粒在沿坡方向上的再分布過程強于橘園。另外，土壤顆粒含量在坡位之間的差異受研究尺度影響，以0 ～ 100 cm土壤層次為研究對象，各變量在坡位之間基本都呈現顯著差異（P＜0.05），而將0 ～ 100 cm劃分為6個土層分別研究時，大部分土壤層不同坡位之間差異不再顯著（P＞0.05）。

3） 在垂直方向上，盡管橘園和花生地土壤黏粒含量隨深度增加均呈增加的趨勢，砂粒含量均呈降低的趨勢，但是土壤顆粒含量在垂直方向上的分布在兩種植被類型之間表現不同，土壤顆粒特別是黏粒含量在垂直方向上的差異橘園地強于花生地，這表明前者的土壤顆粒含量在垂直方向上的遷移速率大于花生地。

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Spatial Distribution Characteristics of Soil Particle Composition of Slope Land Red Soil Region， China

WANG Dongdong1，2， GAO Lei2， CHEN Xiaomin1*， PENG Xinhua2*
（1 College of Resources and Environmental Sciences， Nanjing Agricultural University， Nanjing210095， China；2 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture （Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences），Nanjing210008， China）

Abstract：The soil particle composition of 14 soil profiles（0 - 100 cm）in red soil hilly region was investigated along a slope. The spatial distribution of soil particle composition in both horizontal and vertical direction was analyzed combining with the related data， e.g. soil erosion. The objectives of the present study were to clarify the spatial distribution characteristics of soil sand， soil silt and soil clay under the slope scale， and to reveal the migration law of them in two directions under natural conditions. Results showed that sand， silt and clay contents exhibited moderate spatial heterogeneity， with coefficient of variation changing between 17.6% and 23.2%， 10.7% and 18.8%， 13.5% and 17.0%， respectively. Due to the deposition of coarse particles，higher sand content was observed in bottom slope than top and middle slope in both peanut and citrus orchard land （P ＜ 0.05）. The clay content in bottom slop was， however， significantly lower than other slop position （P ＜ 0.05）. Soil sand content decreased whereas the clay content increased with increasing soil depth （P ＜ 0.05） for both vegetation types， mainly due to the movement of more clay particles with the infiltration process of soil water. The silt content did not change significantly in both horizontal and vertical directions. Sand content had stronger variation among slope positions and soil depths than silt and clay contents. In addition， the distribution of soil particles were also affected by vegetation types and cropping systems. The migration of soil sand along the slope was more significant in peanut land than in citrus orchard. The migration rate of clay in the vertical direction was stronger for citrus land than peanut land. However， vegetation types and cropping systems had little effects on the distribution of soil silt content.

Key words：Soil clay； Soil sand； Vegetation type； Slope position； Soil erosion

中圖分類號：S152.3

DOI：10.13758/j.cnki.tr.2016.02.023

基金項目：①國家自然科學基金項目（41301233）和“十二五”國家科技支撐項目（2011BAD31B04）資助。

* 通訊作者（xmchen@njau.edu.cn；xhpeng@issas.ac.cn）

作者簡介：王冬冬（1991—），男，安徽淮北人，碩士研究生，主要從事土壤水文過程研究。E-mail： 2013103080@njau.edu.cn