1984—2019年廣西表層土壤有效磷含量的演變特征

韋 洋,康吉利,馮鑫鑫,劉文奇,謝賢勝,侯顯達,王鑠今,賈書剛,劉書田,侯彥林

(1.南寧師范大學廣西地標作物大數據工程技術研究中心/廣西地表過程與智能模擬重點實驗室/北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室,南寧 530001;2.南寧師范大學地理科學與規劃學院,南寧 530001;3.廣西土壤肥料工作站,南寧 530007)

【研究意義】有效磷(AP)是土壤中可被植物吸收的磷,包括全部水溶性磷、部分吸附態磷和有機態磷,某些土壤中還包括部分沉淀態磷。AP是植物生長和發育的必需營養元素,影響植物對氮的固定、土壤對碳的儲存,同時也是生態系統物質循環的重要參與者。受磷素有效性影響,我國磷肥的利用率僅10%～25%[1-2]。農作物生產過程中通常需要施用大量磷肥以提高產量,但過量施用磷肥不僅會影響農作物的品質和產量,還會引發農田磷素面源污染和水體富營養化問題[3]。因此,研究1984—2019年廣西表層土壤AP含量的時空演變特征、探究土壤類型、地形、氣象、時間和植被等成土因素對AP含量的影響,對提高土壤肥力及合理制定廣西施肥管理舉措具有重要參考意義。【前人研究進展】數字土壤制圖是高效可視化土壤養分空間分布格局和變化趨勢的重要手段,數字土壤制圖常采用的方法主要為多元線性回歸和地統計學法[4-6]。多元線性回歸模型通過利用已知采樣點數據和環境協變量因子建立線性回歸方程,預測土壤養分信息。地統計學法中常用地理加權回歸克里金插值(Geographically weighted regression kriging,GWRK)算法,基于要素空間自相關理論和半方差函數,根據已知采樣點數據進行最佳無偏插值預測土壤養分的空間分布格局。上述兩種方法均能實現土壤養分的空間預測,但均具有一定的局限性。多元線性回歸模型雖然加入環境變量參與模型預測,但忽視了土壤養分的空間特性,同時將土壤養分與環境變量視為簡單的線性關系,不能準確地反映土壤養分與環境變量的映射函數。GWRK算法僅以土壤養分進行空間預測,忽視地形、氣象和成土母質等成土因素對土壤養分的影響,且易出現斑塊狀分布現象。隨著地理信息系統(GIS)技術的不斷完善,GWRK算法已逐步應用于土壤和環境科學研究[7],不僅可加入環境協變量參與空間預測,還可彌補多元線性回歸模型缺少空間異質性的不足,能滿足不同區域尺度的土壤養分空間預測。王蘭等[8]、張晗等[9]、鐘文挺等[10]基于不同時間尺度的耕地土壤養分監測結果,采用GWRK算法分析了耕地土壤養分演變特征;楊天軍等[11]采用空間插值法生成耕地土壤有機質(OM)、全氮(TN)、堿解氮(AN)、AP、速效鉀(RAP)含量和酸堿度的柵格圖,分別統計2005—2021年河南省安陽市耕地土壤養分面積,并利用動態度評價土壤養分變化的程度,分析安陽市耕地土壤養分的演變特征?！颈狙芯壳腥朦c】已有學者開展廣西耕地AP含量演變格局方面的研究,但采用的統計學方法未能滿足在區域尺度上進行AP含量的空間演變預測[12]。目前針對廣西土壤AP含量的研究多集中在微觀尺度農作物、林業及甘蔗產區的土壤肥力演變等方面[13-15],鮮見有關廣西土壤AP含量時空演變特征方面的研究報道,基于四大成土因素對AP含量時空分布格局影響的研究仍需深入探討?！緮M解決的關鍵問題】基于廣西第二次土壤普查項目(1984年)和廣西測土配方施肥項目(2009年)及長期定位試驗數據(2010—2019年),結合地統計學、動態度和分布指數等分析方法,探究1984—2019年廣西表層土壤AP含量的演變特征,為改善土壤肥力及合理制定廣西農田土壤管理舉措提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

廣西位于我國華南地區西部,與廣東、湖南、貴州和云南等省份相鄰,南部為北部灣,西南與越南交界。氣候上,廣西陽光充足,雨熱同期,年均溫度17.5～23.5 ℃,年降水量1086～2755 mm(數據來源于國家氣象科學數據中心,http://data.cma.cn),屬于典型的亞熱帶季風氣候。在地形地貌上,廣西處于云貴高原向東南沿海丘陵的過渡地帶,總體地勢自西北向東南傾斜,四周多山,中部和南部多平原(圖1),故有“廣西盆地”之稱。此外,廣西是典型的喀斯特地區,水土流失嚴重,土壤養分難以保存。廣西也是甘蔗及各種經濟水果的種植大省,甘蔗及其他農作物的生長和發育需要磷肥提供養分。

圖1 研究區地形及采樣點分布Fig.1 Terrain and sampling point distribution

1.2 數據來源

研究所用數據主要包括廣西第二次土壤普查項目成果附圖、廣西測土配方施肥項目原始數據集、數字高程模型(DEM)數據和環境協變量柵格數據等。廣西第二次土壤普查項目土樣采集于1979—1984年,成果附圖來源于廣西土壤肥料工作站編著的《廣西土壤》[16]。廣西測土配方施肥項目土樣采集于2005—2009年,長期定位試驗觀測點土樣采集于2010—2019年,原始數據集由廣西土壤肥料工作站提供,涵蓋廣西全域約4.3萬個采樣點的基礎養分數據,從中提取AP含量數據。為便于說明數據的時間跨度,本研究以廣西第二次土壤普查項目和長期定位試驗觀測點土樣采樣結束的時間為基準,即1984—2019年。同時,兩期項目數據均采樣于表層土壤(0～20 cm),AP含量采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定,數據檢測方法具有可比性。DEM數據來自地理空間數據云網站(http://www.gscloud.cn),空間分辨率為30 m。

參考任麗[17]、胡貴貴[18]的研究結果,本研究基于氣象、土壤、地形和植被指數等四大成土要素,選取土壤類型(Soil)、高程(H)、坡度(SL)、坡向(AS)、地表起伏度、地形濕度指數(WET)、植被歸一化指數(NDVI)、降水和氣溫9個環境因子作為影響土壤養分空間變異的成土因素。利用多元逐步回歸模型篩選關鍵環境因子,最終將氣溫、降水、土壤、植被歸一化指數、高程和坡度作為關鍵環境因子參與廣西測土配方施肥項目AP含量的地理加權回歸分析及制圖表達,具體數據來源見表1。

表1 廣西表層土壤AP含量的環境協變量數據

1.3 研究方法及原理

1.3.1 數據處理 (1)1984年廣西土壤AP含量數據。利用高清掃描儀(分辨率600 dpi)對《廣西土壤》[16]中內部附圖——廣西土壤AP分布圖進行平整掃描,獲取光柵圖像。將光柵圖像導入ArcGIS 10.5,在經緯線交點、邊界處選取30個控制點,利用“地理配準”工具欄完成配準,并定義地理坐標系(WGS1984)。以廣西第二次土壤普查項目成果附圖作為底圖,再根據全國第二次土壤普查養分分級標準,劃分AP含量為6個等級,分別為等級1(AP含量>40.0 mg/kg)、等級2(20.0 mg/kg

(2)2019年廣西土壤AP含量數據。隨機均勻選取廣西測土配方施肥項目AP含量數據的80%采樣點為建模點(參與空間插值),剩余的20%采樣點用作驗證點(用于評估插值精度),各采樣點分布見圖1。利用GWR 4構建AP含量建模點與環境協變量的地理加權回歸(GWR)模型,然后對模型中的殘差項進行普通克里金(OK)插值,最終通過柵格運算得到AP含量的GWRK插值結果。對應1984年廣西表層土壤AP含量數據分類情況,進行相應的重分類操作,保證含量等級劃分一致,并依次提取各類別,再利用ArcGIS 10.5的“柵格轉面”工具完成矢量化工作。

(3)面狀成土因子處理。參考李炳元等[19]的研究結果,根據廣西地形特點及數據的可定量性,基于常規地貌類型劃分及廣西的實際情況,應用ArcGIS 10.5對DEM數據進行重分類。將海拔≤200 m分為Ⅰ級,>1100 m分為Ⅴ級,然后通過Equalinterval劃分法劃分200 m<海拔≤1100 m中的等級,分別將200～500、500～800和800～1100 m劃分為Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級,共劃分5個高程區級別(圖1)?；贕IS工具將高程等級與AP含量等級進行疊加分析,探討不同AP含量等級在高程上的變化。

參考黃安等[20]的方法,將坡度、坡向和土壤類型數據等面狀成土因子進行分級處理,利用ArcGIS 10.5分區統計工具,將計算獲得的各級面狀要素內AP含量均值作為各級面狀區域的權重,構建因子柵格圖。

1.3.2 分析方法 (1)地統計學插值及模型評價。參考喬磊等[21]的方法,采用OK、多元回歸克里格(RK)和GWRK模型預測AP含量柵格圖,插值結果按照驗證點經緯度輸出相應的預測值數據,并與其實際測量值對比,以平均誤差(ME)、平均絕對誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)對模型進行精度評價,其公式為:

(1)

(2)

(3)

式中,ME為插值無偏性程度,越接近0說明結果越無偏,N為驗證點個數,Si為第i個驗證點的實際測量值,Ti為第i個驗證點的模型預測值;MAE和RMSE為插值精度,其值越小,插值精度越高。

(2)動態度分析。單一動態度指數可定量描述區域特定類型變化的劇烈程度。借鑒土地利用動態度模型,引入AP含量等級動態度模型,表達式為:

K(%)=[(Ub-Ua)/Ua]/T×100

(4)

式中,K為AP含量等級的動態度,Ua和Ub分別表示研究初期和末期的AP含量等級面積,T為研究時段間隔時間(年)。

(3)分布指數。為消除各AP含量等級面積差異的影響,采用分布指數可定量描述不同AP含量等級在地形梯度上的分布情況[22]。分布指數是一個標準化、無量綱的指數,表達式為:

P=(Sie/Si)/(Se/S)

(5)

式中,P代表分布指數,e代表地形因子(高程和坡度),Sie代表e地形因子特定等級下的i類土壤AP含量面積;Si是i類土壤AP含量等級的總面積;Se是整個區域e地形因子特定等級下的土壤AP含量等級總面積;S是整個區域面積。

分布指數曲線越平緩,表示某類土壤AP含量等級分布與標準分布的偏差越小,其對地形差異的適應性就越大;反之,則表示其分布對地形具有較強的選擇性。當P>1時,表明某類土壤AP含量等級在該地形上的比重大于該類土壤AP含量等級總面積在研究區所占比重,因此可將P>1的區間視為該類土壤AP含量等級的優勢位。

(4)相關分析。采用Excel 2016對OK、RK和GWRK模型預測值進行整理,以SPSS 28.0分別對土壤AP含量真實值與3個模型的預測值進行相關分析。

2 結果與分析

2.1 廣西表層土壤AP含量的空間變化特征

從圖2-A可看出,在空間上,1984年廣西表層土壤AP含量普遍偏低(小于10.0 mg/kg),AP含量偏低的土壤面積約占全區土壤總面積的80.00%;桂西、桂東南、桂南、桂西南的表層土壤AP含量等級集中分布在等級6和等級5,桂西北(河池、百色和崇左)大部分地區以石山地為主,其表層土壤AP含量極低。從圖2-B可看出,2019年廣西表層土壤AP含量集中在10.0～40.0 mg/kg,該范圍的土壤AP含量面積約占全區土壤總面積的97.00%,土壤AP含量低于10.0 mg/kg的土壤面積僅分布在百色市、河池市西北區和崇左市東部的少部分區域。可見,1984—2019年期間廣西表層土壤AP含量在空間上明顯增加,AP含量等級2和等級3在空間上向桂西、桂東南、桂南、桂西南和桂西北區域擴張。

圖2 不同觀測期廣西表層土壤AP含量的等級分布情況Fig.2 Graded distribution of AP content in surface soil of Guangxi at different observation periods

采用多種方法構建土壤AP含量的空間預測模型并進行精度評價,結果(表2)表明,OK和RK模型的相關系數(r)均為0.44,GWRK模型的為0.51,說明GWRK模型的預測精度更高;GWRK模型的MAE僅與OK模型相差0.37,RK模型的RMSE僅與GWRK模型相差0.72。由于廣西地形地貌復雜,僅利用成土因子不能完全預測表層土壤AP含量在空間上的變化狀況,加上本研究未將施肥量參與空間建模,導致模型精度受到限制。因此,應以GWRK模型為廣西表層土壤AP含量空間預測的最佳模型。

表2 不同空間插值模型精度評價指標及相關系數對比

2.2 廣西表層土壤AP含量的時間變化特征

從圖3可看出,在時間上,1984年廣西表層土壤AP含量等級總體上偏低,各等級面積表現為等級6>等級5>等級4>等級3>等級2>等級1,而2019年表現為等級3>等級2>等級4>等級5>等級6>等級1,說明這兩個時期的廣西表層AP含量等級面積發生了明顯變動,近乎逆序變化;1984年的廣西表層土壤AP含量等級以等級6、等級5和等級4為主,這3個等級的表層土壤面積約占全區土壤總面積的93.00%,而2019年這3個等級的表層土壤面積約占全區土壤總面積的7.50%,下降了85.5%,其中,等級6的表層土壤面積占比下降最明顯,由1984年的54.58%降至2019年0.70%。說明大量磷肥的施用和田間耕作方式的變化會導致廣西表層土壤AP含量明顯提升。

圖3 不同觀測期廣西表層土壤AP含量等級所占面積比例比較Fig.3 Comparison of the proportion of AP content grades in surface soil of Guangxi in different observation periods

如表3所示,30多年來廣西表層土壤AP含量等級3和等級6的土壤面積變動較明顯,其中,等級6的土壤面積減少11.12×106hm2,等級3的土壤面積增加9.17×106hm2;各土壤AP含量等級土壤面積變動比例表現為等級6>等級5>等級4>等級3>等級2>等級1;從動態度看,土壤AP含量等級6的土壤面積減少最迅速,動態度為-2.82%,等級2的土壤面積增加最迅速,動態度為47.28%,總體變化速度表現為等級2>等級3>等級1>等級6>等級5>等級4。

表3 不同觀測期廣西表層土壤AP含量等級面積的變動情況

2.3 廣西表層土壤AP含量等級面積在不同海拔高度上的分布狀況

在不同海拔,廣西表層土壤AP含量呈現較大的空間異質性,各AP含量等級在不同高程區上的分布詳見表4。

表4 廣西表層土壤AP含量在不同高程下的分布情況

2.3.1 1984年廣西表層土壤AP含量在不同海拔的分布 1984年廣西表層土壤AP含量等級6、等級5和等級4的面積約占全區土壤總面積的93.00%,故在不同高程等級上這3個等級的AP含量面積所占比重最大。同時,隨著高程的增加,土壤侵蝕程度加劇,土壤養分不易保存,表層土壤AP含量等級面積比重減小,以等級6為例,其AP含量等級面積在5個高程等級中的比重分別為63.04%、54.46%、45.42%、37.73%和42.55%。

從橫向看,表層土壤AP含量等級1集中分布在<800 m的高程區(合計約占86.39%),等級2集中分布在<500 m的高程區(合計約占84.14%),等級3集中分布在<1100 m的高程區(合計約占95.28%),等級4集中分布在<1100 m的高程區(合計約占94.88%),等級5集中分布在<800 m的高程區(合計約占83.87%),等級6集中分布在<800 m的高程區(合計約占90.75%)。

2.3.2 2019年廣西表層土壤AP含量在不同海拔的分布 2019年廣西表層土壤AP含量等級2和等級3呈片狀連續分布,所占面積比重合計為91.95%。因此,從縱向上看,表層土壤AP含量等級2和等級3的面積在不同高程等級中所占比重最大;等級2的面積在5個高程等級中所占比重分別為58.83%、43.06%、23.33%、17.46%和24.73%;等級3的面積在5個高程等級中所占比重分別為38.77%、54.31%、60.19%、52.46%和49.84%。

從橫向看,表層土壤AP含量等級1和等級2均集中分布在<800 m的高程區,等級3集中分布在<1100 m的高程區(合計約占95.91%),等級4集中分布在>200 m的高程區(合計約占93.50%),等級5集中分布在500～1100 m的高程區(合計約占81.27%),等級6集中分布在500～1100 m的高程區(合計約占87.46%)。

2.3.3 1984—2019年來廣西表層土壤AP含量等級面積在不同海拔分布的變動情況 由表5可知,表層土壤AP含量等級1的面積在≤200 m的高程區表現為增長,在其他高程區表現為降低,尤其在500～800 m高程區的面積降幅最大(-0.47%);表層土壤AP含量等級2和等級3的面積在所有高程區均發生不同程度的增長,其中等級2的面積在≤200 m高程區增幅最大(56.21%);等級3的面積在500～800 m高程區增幅最大(53.66%);表層土壤AP含量等級4、等級5和等級6的面積在所有高程區均有不同程度降低,其中,等級4的面積在500～800 m高程區降幅最大(-13.99%),等級5的面積在>1100 m高程區降幅最大(-26.87%),等級6的面積在≤200 m高程區降幅最大(-63.00%)。說明1984和2019年廣西表層土壤AP含量等級面積在不同海拔發生了明顯變動。

表5 1984—2019年廣西表層土壤AP含量等級面積在不同高程的變化情況

2.3.4 廣西表層土壤AP含量在不同海拔的分布優勢 從分布指數角度分析(圖4-A)發現,1984年,在Ⅰ級高程區,表層土壤AP含量等級2、等級5和等級6均處于優勢位,其中等級6處于絕對優勢;在Ⅱ級高程區,所有表層土壤AP含量等級均處于優勢位,其中等級1處于絕對優勢;在Ⅲ和Ⅳ級高程區,除等級2和等級6外的其他表層土壤AP含量等級均處于優勢位,其中,Ⅲ級高程區中的等級1處于絕對優勢,Ⅳ級高程區中的等級3處于絕對優勢;在Ⅴ級高程級別區,表層土壤AP含量等級3、等級4和等級5處于優勢位,其中等級5處于絕對優勢?？傮w上,表層土壤AP含量等級1的分布指數曲線波動最大,說明表層土壤AP含量等級1對海拔具有較強的選擇性,等級5和等級6的分布指數曲線相似,且相對平緩,說明其對海拔的適應性較強。

圖4 不同觀測期廣西表層土壤AP含量在不同高程區的分布指數Fig.4 Distribution index of AP content in surface soil of Guangxi in different periods at different observation elevations

從圖4-B可看出,與1984年相比,2019年廣西表層土壤AP含量等級1和等級6的分布指數曲線發生了明顯的波動變化。在Ⅰ級高程區,表層土壤AP含量等級1和等級2均處于優勢位,其中等級1處于絕對優勢;在Ⅱ級高程區,表層土壤AP含量等級2和等級3均處于優勢位,其中等級3處于絕對優勢;在Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級高程區,除等級1和等級2外,其余表層土壤AP含量等級均處于優勢位,其中,Ⅲ級高程區的等級4處于絕對優勢,Ⅳ級高程區的等級6處于絕對優勢,Ⅴ級高程區的等級5處于絕對優勢?？傮w上,表層土壤AP含量等級4、等級5和等級6的分布指數曲線陡峭,說明其AP含量等級對海拔具有較強的選擇性。

3 討 論

土壤養分在自然成土環境和人類頻繁的農業活動中交互形成,因此,影響表層土壤AP含量變化的因素復雜多樣,主要可歸結為氣候因素、土壤自身的理化性質(成土母質、地形地貌和海拔等)[23]、人為因素(如農業技術、耕作制度、施肥情況和秸稈還田)等[24]。在理化性質方面,土壤pH是影響土壤磷素有效性的重要因素,pH越低,磷素和磷肥被土壤中鐵和鋁氧化物吸附固定的作用越大,則表層土壤AP含量增加;pH越高,磷素越容易被土壤中的鈣吸附固定,且多數以難溶解的無機磷形態存在,導致土壤AP含量減少[25-26]。Chad和James[27]研究發現,土壤對磷的解吸在較低pH值下發生。廣西土壤類型主要為赤紅壤、紅壤和水稻土,pH 4.0～5.5,呈酸性,磷素在還原狀態下易被礦化、被鐵和鋁氧化物吸附固定,導致土壤表層AP含量增加。本研究結果顯示,除百色市東北部和西北部、崇左市東部部分區域表層土壤效磷含量較低外,自1984年以來廣西大部分區域表層土壤AP含量普遍上升,主要介于10.0～40.0 mg/kg,與上述研究結果相符。

在氣候因素方面,氣候對土壤磷素的影響主要體現在溫度和降水兩個方面[25]。Miller等[28]研究認為,降水量越大,對土壤中磷素的淋溶作用越強,容易導致土壤AP流失。增溫通過影響凋零物磷含量促進土壤溶解態磷增加,使其與碳酸鈣發生吸附沉淀反應,將溶解磷固定在土壤表層,提高土壤AP含量[29-30]。增溫可使土壤酶活性增強,加速對有機磷的礦化作用,增大凋零物磷對土壤磷的輸入量,也可能強化土壤磷的吸附和沉淀過程[31]。溫度和降水還可能影響土壤的理化性質,間接影響土壤AP含量[32]。Rubaek和Sibbesen[33]長期定位試驗結果顯示,施肥100年土壤中的各形態磷素含量在不同季節變化較明顯,夏季含量降低,冬季有所回升。表層土壤磷素有效性涉及復雜的物理和化學過程,因此對于1984—2019年廣西表層土壤AP含量增加的原因是否由年均溫度升高而引起仍需深入探究。

在人為因素方面,土地利用方式、耕作制度和施肥等措施顯著影響土壤AP含量[34]。人為因素是導致土壤表層AP含量明顯增加的直接原因。已有研究表明,喀斯特地區不同土地利用和恢復方式中土壤微生物活動可驅動土壤磷素有效性提高[35-36]。Mesfin和Mohammed[37]基于土壤退化指數的研究結果表明,土地植被變化導致土壤有機碳、氮、磷和交換性鉀含量下降,容重增加。都江雪等[38]研究表明,全國稻田土壤AP含量隨著施肥年限的延長而顯著提高,各區域土壤磷素累積均表現為盈余狀態。郭玉冰[39]研究發現,有機肥對AP積累的貢獻率大于磷肥。綜上所述,人為因素在短期內極可能超過自然因素成為直接影響區域表層土壤AP含量變化的重要因素。

高程可通過調控水熱條件再分配過程影響表層土壤AP含量[40-41]。本研究中,廣西百色市西北和東北部、柳州市西北部、桂林市北部和東部區域及來賓市東部區域,高程均大于1100 m,地勢陡峭,地形起伏大,其特殊的地勢條件使其區域的水熱分布得到重新調配,發生的低溫不易于土壤中有機磷礦化,減弱了土壤酶活性,而地形因子(降水和高程)加強對AP產生了淋溶作用,更導致區域表層土壤AP含量降低,預測這部分區域的AP含量介于3.0～10.0 mg/kg,與Hua等[40]、江葉楓等[41]研究結果相符。本研究結果表明,1984—2019年廣西大部分區域表層土壤AP含量普遍上升,與邱開陽等[42]、李超和李文峰[43]、Yang等[44]研究獲得廣西大部分區域高程<800 m、適宜的氣溫和降水有利于溶解磷吸附和沉淀促進土壤AP積累的結論一致。

4 結 論

1984—2019年廣西表層土壤AP含量等級及空間分布格局均存在較大變動,大部分區域的表層土壤AP含量普遍上升,主要介于10.0～40.0 mg/kg,其中,土壤類型和海拔是重要影響因素,人為干擾是導致表層土壤AP含量明顯上升的直接原因。因此,應繼續深入推進科學施肥,增加有機肥的施用比例,提高磷肥施用效率。