崇義縣土壤有機質空間變異及在不同侵蝕程度下的影響因素

趙 越，羅志軍*，趙 杰，江春燕，冉鳳維

(1.江西農業大學國土資源與環境學院，江西 南昌 330045； 2.江西省鄱陽湖流域農業資源與生態重點實驗室，江西 南昌 330045)

【研究意義】土壤有機質(Soil Organic Matter, SOM)一般是指土壤中含碳的有機物質，是植物生長過程中重要的礦物質營養來源，也是地球碳循環中的一部分，其含量的大小和其動態變化過程，對地球碳循環產生深遠的影響。土壤在地形、母質、氣候和人為等因素的影響下形成[1-3]，又不斷受到不同程度的侵蝕。研究表明：在不同的侵蝕下，土壤中的有機質的含量和分布受到影響，顯示出一定的差異性，而侵蝕主要來自于人為原因和自然原因[4-6]。因此，了解土壤有機質的空間變異規律以及土壤有機質在不同侵蝕程度下的含量與分布對農業發展，水土保持具有深遠意義。【前人研究進展】土壤有機質是評價土壤肥力的重要指標之一，而土壤有機質含量的大小往往受到物理因素、化學因素、生物因素等諸多因素的影響，而各類因素對土壤有機質的大小影響不一，由各地區特有的土壤環境所決定[7-8]。目前關于土壤有機質的相關研究大都集中于土壤有機質的空間分布和儲量估算，缺乏不同侵蝕程度下的土壤有機質含量研究[9-10]。近年來相關研究表明，土壤有機質的空間分布體現出一定的規律性，對土壤有機質進行半變異方差擬合有著良好的效果[11-12]。關于土壤有機質的不同侵蝕作用下的相關研究也有一定的探討。如左繼超等[13]通過對江西九江德安縣的紅壤區土壤有機質不同侵蝕程度下的土壤養分含量分析，發現隨著土壤侵蝕程度的增加，土壤水穩定性降低，土壤團聚體機械穩定性減弱。肖勝生等[14]通過土壤侵蝕下水土保持和氣候變化的耦合關系研究，發現土壤的侵蝕作用改變了土壤中碳素含量。可知土壤侵蝕的相關研究中，侵蝕會帶來土壤肥力多方面的變化，不同侵蝕程度也會引起土壤有機質的空間變異。本文就從土壤有機質空間變異及對不同侵蝕程度下的響應的研究來探索相關規律，以期為土壤肥力保持，土壤碳素積累研究起到積極作用。

崇義縣屬于南方紅壤區，紅壤區的土壤如今面臨著嚴重的侵蝕退化問題，已經威脅到崇義縣以及周邊紅壤區的土壤養分和農業的發展。在有關土壤性質的相關研究中，對氮磷鉀的相關研究最為集中[15]。但對不同侵蝕程度下土壤有機質研究還較為薄弱。【本研究切入點】本文以江西省崇義縣耕地土壤有機質為研究對象，從地形因子、結構性因子兩個方面來分別研究不同侵蝕程度下，兩類因子與土壤有機質含量的關系，探索土壤有機質空間分布的規律。【擬解決的關鍵問題】對土壤肥力的改善，土壤生產力的保持提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

崇義縣(25°24′～25°55′N，113°55′～114°38′E)位于江西省西南邊陲，隸屬贛州市管轄，全縣面積2206.27 km2。屬于中國亞熱帶季風濕潤區，海拔150～2014 m，山地較多，垂直高差大，山地面積為1088.89 km2，丘陵面積次之，平原最少，地形地貌較為特殊。降水較多，年平均降水量為1629.6 mm，年平均降水天數為 150 d，年平均日照為1374.8 h，春季日照少而夏季多，崇義縣地處中低緯度，屬中亞熱帶季風濕潤區，冬夏兩季盛行季風，全年熱量豐富，四季分明，霧日多，日照偏少，雨量充沛，空氣濕度大，無霜期長。但由于地形復雜，垂直高度差異大，山上山下，向陽面和背陽面，氣候差異十分明顯。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉、針葉林全縣森林資源豐富，樹木種類繁多。林木樹種有123科，892種，有“江西省綠色寶庫”之稱。耕地土壤類型主要為水稻土、潮土、紫色土、石灰(巖)土、紅色石灰土等。

1.2 樣本的采集

根據全國耕地地力調查和相關質量評價技術規程，于2010-2012年在崇義縣采用多點混合法對崇義縣耕地的表層土壤樣品進行采集，采樣點3431個，每個樣點的土壤樣品采集1000 g。通過多次的實地勘察，在平原、丘陵、山地等多種地貌下進行采樣，在景觀類型復雜的區域采樣較多，以保證采樣的合理性。并且對每個采樣點的海拔數據和坐標數據通過GPS技術記錄。通過對樣本的自然風干處理，碾碎過篩之后，使用重鉻酸鉀(K2Cr2O7)外加熱法對樣本進行處理[16]，以此測定土壤有機質的含量。并以ARCGIS10.2為平臺，通過數字化方式，獲取了崇義縣的行政區劃圖、地形圖、土壤圖等數據(圖1)。

1.3 侵蝕程度劃分

根據水利部2002年批準的修訂計劃，采用經過修訂后的的SL190-96《土壤侵蝕分類分級標準》，通過對實地的采樣得出平均侵蝕模數，再利用通用土壤流失方程，對崇義縣采樣點數據進行土壤侵蝕計算，計算得出其土壤侵蝕分級情況(表1)。

1.4 數據處理

通過拉依達準則法對采樣點數據進行異常值剔除，最后得到有效樣本3431個。通過ArcGIS10.2對數據圖層進行處理，通過GS+7.0軟件對半變異函數進行計算，并進行模型擬合。基于地形因子與土壤結構性因子的不同特點，分別對地形因子(連續型變量)和土壤結構性因子(非連續型變量)進行Pearson相關性分析和Spearman相關性分析。采用ArcGIS10.2軟件中Geostatistical analyst工具進行克里格插值，生成全縣土壤有機質含量空間分布圖，傳統數據的常規性分析則借助IBM SPSS Statistics 22軟件完成。

表1 土壤侵蝕分級

圖1 研究區土壤樣點分布圖及DEMFig.1 Distribution of cultivated soil sampling sites and DEM in the study area

由于地形因子與土壤結構性因子的數據特點，分別對其進行分類劃分，把高程可分為8組：100～400、400～700、700～1000、1000～1300、1300～1600、1600～1900、1900～2100、2100～2400 m；坡度分為：0°、0°～15°、15°～30°、>30°；坡向分為：無坡向、陽坡、陰坡；曲率分為：上凹、平面、上凸；坡度變率分為：0、0～10、>10；耕層厚度分為：0～10、10～20、20～30 cm；地貌類型分為：平原、丘陵、高原；土壤質地分為：輕粘、輕壤、中壤、重壤；成土母質分為：千枚巖、紅砂巖、花崗巖；土壤結構分為：粒狀、屑粒狀、塊狀、軟糊狀。

2 結果與分析

2.1 土壤有機質的描述性統計特征

由表2可知，土壤有機質平均值為25.01 g/kg，樣本中有機質含量多處于0.90～59.50 g/kg之間。在相關分級標準中顯示，崇義縣整體土壤有機質含量屬于較低水平。各類侵蝕水平下的土壤有機質分布具有明顯差異，其分布符合正態分布而其變異系數也都屬于中等變異性。變異系數由大到小依次為無明顯侵蝕(35.56 %)>輕微侵蝕(34.01 %)>重度侵蝕(33.83 %)>中度侵蝕(33.66 %)>極強度侵蝕(19.67 %)。

2.2 空間結構分析

半變異函數又稱半變差函數，是地統計中特有的函數。引起土壤有機質空間產生分異的原因主要可以從內因和外因兩個方面討論。內因一般是指長期自然環境下，人為難以改變的因子，主要包括地形因子(如坡度、坡向)和土壤結構性因子(如成圖母質、土壤結構等)，外因一般是指易受人類活動影響，隨機性較大的隨機性因子(如施肥種類和土壤培育等)。

表2 不同侵蝕程度下土壤有機質的描述性統計特征

表3 不同侵蝕程度下土壤有機質半變異函數參數

塊金值指隨機部分引起的空間變異的大小，基臺值則表示不同侵蝕程度下空間變異的程度高低。如表3所示，在不同侵蝕程度下，土壤有機質所得塊金效應均處于0.2～0.5期間，表呈現出較強的空間相關性，不同侵蝕程度下的模型均為指數模型，隨著侵蝕程度的增加，塊金效應值在整體減少，在極強度侵蝕下又得以提高，這而表明侵蝕程度逐漸增大，地形因子還是土壤結構性因子均對土壤有機質含量受到的影響有所增加，在極劇烈情況下，對土壤有機質的含量的影響有所減小。各類侵蝕程度下擬合度都較高，均在0.7之上，數字差異不大，符合崇義縣自身的地形地貌特征。

2.3 土壤有機質與影響因素相關性分析

根據地形因子與結構性因子的不同特點，分別采用從Pearson和Spearman分析法計算其相關系數。由表4可知，高程在5類侵蝕程度下均便顯出高程與土壤有機質的較顯著地相關關系，均為正向相關關系(P<0.01)，表明隨著海拔的升高，淋溶作用加強，表層游離營養物質隨水分下移，土體厚，土壤結構好，土壤有機質的含量也有一定上升。坡度在無明顯中度侵蝕和重度侵蝕程度下呈現出顯著的相關性，但屬于負相關關系。卻在劇烈侵蝕下仍為呈現顯著相關性，但屬于正向相關關系；據相關顯示，坡度存在一定的臨界點，在坡度到達臨界點時，土壤有機質與坡度開始呈現反比例關系；說明存在坡度臨界值。坡向在中度侵蝕呈現顯著的負相關關系。曲率在五類侵蝕程度下均未表現出相關關系。坡度變率也由在無明顯侵蝕程度下呈現出明顯的負向相關變為極強度侵蝕程度下的正向相關(P<0.01)，與坡度變化類似。成土母質相關系數均大于零(P<0.05)。成土母質中，土壤有機質中的含量高低依次為千枚巖>紅砂巖>最大的是千枚巖，花崗巖含量最少，相關系數均大于零。在土壤結構中，在無明顯侵蝕、中度侵蝕、極強度侵蝕中呈現較為明顯的負相關關系，表明隨著土壤顆粒的增大，土壤的有機質含量降低。坡向和地貌類型整體呈現出較強的負相關關系。土壤質地和耕層厚度在5類侵蝕程度下的與土壤有機質的相關性均未達到顯著水平，說明其對表明土壤質地和耕層厚度與有機質含量的關系不夠密切，對土壤有機質含量影響較小。

表4 不同侵蝕程度下土壤有機質與影響因素相關性分析

注：*表示P<0.05；**表示P<0.01。

Note: * means a significant difference at 0.05 level; ** means a highly significant difference at 0.01 level.

圖2 土壤侵蝕圖Fig.2 Soil erosion map

2.4 土壤有機質空間格局分析

為了更好的對土壤有機質與侵蝕度空間分布特征進行研究，根據上文中半變異函數和模型構建，借助ARCGIS10.2軟件，對崇義縣土壤侵蝕圖進行提取，借助克里金插值法，得出土壤有機質含量圖層，便于兩者進行對比。土壤侵蝕圖(圖2)根據全省土壤侵蝕圖進行提取處理所得：

從土壤侵蝕圖(圖2)和土壤有機質空間分布圖(圖3)的對比可知，土壤有機質含量較高的地區多分布于無明顯侵蝕、輕微侵蝕地區。可以解釋受到的侵蝕越少，土壤有機質受到的沖刷越少，可以很好地保留土壤有機成分。但仍存在一些極強度侵蝕和劇烈侵蝕的地區同樣具有較高的土壤有機質，可以從以下幾個方面來解釋：①人為的在侵蝕程度大的地區開墾耕地，增加施肥，保持土壤的養分和生產力，屬于人為因素的干擾。②局部侵蝕度較高的地區，由于海拔較高，溫度較低，土壤養分可以很好地保留。③侵蝕度較大的地區土地利用類型也可能存在差異，土壤密度大，植被密集的地區能更好的保持土壤有機質。

圖3 土壤有機質空間分布圖Fig.3 Spatial distribution map of soil organic matter

2.5 土壤侵蝕影響因子相關程度分析

在6種不同的土壤侵蝕條件下，各個影響因子與土壤有機質的相關性已經顯現(表4)，但仍需要探索土壤有機質與各類影響因子的相互關系，以服務于農業生產。由表5可知，在地形因子的5類影響因子中，高程、坡度呈現出明顯的正相關關系，坡向呈現出明顯負相關關系。這表明在地形因子中，對土壤有機質有較大影響的是高程、坡度、坡向等因素，整體上體現出與土壤有機質的密切聯系，曲率和坡度變率聯系較弱。在結構性因子的5類影響因子中，成土母質，剖面構型呈正相關關系，地貌類型，土壤質地呈負相關關系(表6)，成土母質、剖面構型與土壤有機質呈現出明顯的正相關關系，地貌類型、土壤質地顯現出明顯的負相關關系。

3 討 論

土壤是在自然界中長期演化而形成的十分復雜的綜合體，具有時空的連續性，土壤是在成土母質、植被、氣候、降雨等自然因素以及人類活動的人為因素的影響下的形成和發展的，形成和發展過程具有一定的復雜性，不論是在宏觀研究角度還是微觀研究中，都發現土壤所具有的空間異質性。而土壤有機質是衡量土壤肥力的重要標準，不同的侵蝕因子對土壤有機質的含量差異的影響也不盡相同。

表5 地形因子與土壤有機質相關性分析

表6 結構性因子與土壤有機質相關性分析

注：**表示P<0.01。

Note: ** means a highly significant difference at 0.01 level.

在無明顯侵蝕與輕微侵蝕的情況下，高程是各類因子中對土壤有機質含量影響較大的因子。可以解釋為在個較弱侵蝕的情況下，海拔越低的地區越容易受到人類活動影響，土壤有機質含量也在人類對土地的開發和利用中受到破壞，而海拔高的地區土壤結構好，土壤養分沉積，可以較好地保留土壤有機質。在中度侵蝕中，坡度和坡向成為對土壤有機質含量影響最為明顯的因子。較低的坡度可以使土壤有機質在中度侵蝕下得以保留。陽坡植被較陰坡茂密，更有利于土壤養分的保持。在重度侵蝕下，高程成為對土壤有機質影響最大的因子，呈現顯著的正相關關系。在劇烈侵蝕程度下，坡度成為對土壤有機質影響最大的因子。大量研究表明，有坡度的耕地水土流失造成土壤表層有機質降低，從而降低了土壤肥力[17-19]。而坡向則顯現出較明顯的負相關關系，表明在劇烈侵蝕程度下，陽坡對土壤有機質的保留并無太大積極作用，反而是陰坡更容易保留有機質。在各類侵蝕狀態下，成土母質、地貌類型成為影響土壤有機質最主要的影響因子。千枚巖具有很強的透水能力，易風化，可以為植物生長提供良好的土壤環境，含有較高的土壤有機質；花崗巖透水能力低，不易被風化，抗侵蝕能力較強，不適宜植物的生長，土壤有機質較低。成土母質的種類對土壤有機質的含量有著明顯影響。地貌類型中平原在水土保持中具有明顯的優勢，有益于土壤有機質的保留，土壤質地和耕層厚度對土壤有機質的影響并不明顯。

以上研究表明，崇義縣的土壤侵蝕整體較大，有機質含量整體較低，而對土壤有機質影響較大的有高程、坡度、坡向等地形因子，成土母質、土壤結構等結構性因子。崇義縣可以在今后的水土保持工作中，加強對土壤侵蝕的重視，從易為人類活動影響的角度減少侵蝕，保持水土，避免土壤養分流失加劇。由于研究區地形地貌較為復雜，高差較大，采樣難度大，采樣點分布不夠均勻，會對精度產生一定影響。而對土壤有機質的大小產生影響是多方面的，并不局限于本文采用的地形因子和土壤結構性因子，仍需要從多方面考慮。

4 結 論

根據采樣分析結果表明，崇義縣土壤有機質含量普遍較低，平均值為25.01 g/kg，土壤有機質含量處于0.90～59.50 g/kg之間。在不同的侵蝕程度下，變異系數由大到小依次為無明顯侵蝕(35.56 %)>輕微侵蝕(34.01 %)>重度侵蝕(33.83 %)>中度侵蝕(33.66 %)>劇烈侵蝕(33.24 %)>極強度侵蝕(19.67 %)。

經過有機質空間格局分析表明，侵蝕程度越大的區域，土壤的有機質含量越低，但仍存在部分區域侵蝕程度大，土壤有機質也高的情況。可能由于人類活動、土地利用類型等原因導致。在地形因子與結構性因子與土壤有機質的相關分析中，坡度和高程是地形因子中對土壤有機質含量正面影響較大的因子；成土母質與土壤結構是結構性因子中對土壤有機質有正面較大影響的因子。