丹江鸚鵡溝小流域土壤全磷空間分布及流失特征

張鐵鋼，李占斌,，劉曉君，李　鵬，徐國策，成玉婷

(1.西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048；2.中國科學院水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

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丹江鸚鵡溝小流域土壤全磷空間分布及流失特征

張鐵鋼1，李占斌1,2，劉曉君2，李鵬1，徐國策1，成玉婷1

(1.西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048；2.中國科學院水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

磷是植物生長和水體富營養(yǎng)化的主要限制因子。本文選取南水北調中線工程丹江水源區(qū)的鸚鵡溝小流域作為研究區(qū)域，通過采集土壤樣品和監(jiān)測不同土地利用類型的土壤磷素流失狀況，采用經(jīng)典統(tǒng)計學與地統(tǒng)計學相結合的方法，研究了流域土壤全磷的空間異質性，結合不同土地利用方式下的土壤全磷含量與流失濃度分析其流失特征。結果表明：鸚鵡溝流域土壤深度 0～10 cm (A1)、10～20 cm (A2)、20～40 cm (A3)和40～60 cm (A4)的全磷含量平均值分別為0.54 g/kg、0.49 g/kg、0.48 g/kg和0.51 g/kg，經(jīng)ANOVA檢驗，不同深度的土壤全磷含量存在顯著性差異(P<0.05)；Kriging插值表明流域土壤全磷的空間分布呈現(xiàn)斑塊狀特征，其分布斑塊隨土壤深度增加逐漸由大變小。不同土地利用方式下園地、草地與耕地的土壤全磷含量存在顯著性差異(P<0.05)；耕地中花生、玉米、蘿卜、豆角、辣椒的總磷流失濃度均高于草地，而草地的速效磷流失濃度高于玉米、豆角和花生。

鸚鵡溝流域；土壤全磷；空間分布；養(yǎng)分流失

磷是地球生命系統(tǒng)的主要營養(yǎng)元素之一，也是生態(tài)系統(tǒng)常見的營養(yǎng)限制因子[1]，磷素含量的變化影響著包括碳、氮循環(huán)在內的其他元素的生物地球化學循環(huán)[2]。土壤中的磷素主要以溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷兩種形式隨徑流遷移進入水體，施肥過量或土壤侵蝕會導致水質下降甚至水體富營養(yǎng)化[3-5]。據(jù)估計，全世界每年有3×106～4.3×106t的磷素從土壤遷移到水中[6]，磷素在水體富營養(yǎng)化過程中有著至關重要的作用[7-8]，因此研究土壤磷素的空間分布及其流失特征顯得尤為重要。土壤磷元素的空間分布除了受成土母質影響以外[9]，還與土地利用方式及植被類型[10-11]、耕作措施[12]等密切相關。本文選取南水北調中線工程丹江水源區(qū)的鸚鵡溝小流域，分析其流域尺度土壤磷素的空間異質性和不同土地利用方式下土壤全磷的含量及其流失濃度，探討不同土地利用方式下磷素的空間分布與流失特征，為南水北調工程中線水源區(qū)流域的水土流失治理和非點源污染防治提供科學依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

鸚鵡溝流域位于商南縣城東南2 km處的城關鎮(zhèn)五里鋪村，地理位置介于東經(jīng)110° 52′ 16″ ～110° 55′ 30″ 、北緯33° 29′ 55″ ～33° 33′ 50″ 之間。流域總面積1.87 km2。以低山丘陵地貌為主，河谷開闊，最高海拔600 m，最低海拔464 m。屬于北亞熱帶和暖溫帶過渡區(qū)，具有氣候溫和、日照充足、雨量充沛、四季分明的特點。降水年內分配不均，主要集中在7～9月，約占年降水量的50%，且多以暴雨形式出現(xiàn)，流域內土壤母巖主要為花崗巖、片麻巖、石灰?guī)r等。土壤以黃棕壤、風化沙壤土為主，土壤質地按美國制分類法為砂質壤土和粉土，土壤有機碳的平均含量為16.7 g/kg。農(nóng)地、林地、草地的土壤容重分別為1.29 g/cm3、1.40 g/cm3和1.54 g/cm3。

1.2土壤樣品采集

根據(jù)流域的土地利用圖和數(shù)字高程圖，如圖1所示，共設置78個采樣點。每個樣點分為四層，以0～10 cm (A1)、10～20 cm (A2)、20～40 cm (A3)和40～60 cm (A4)的土壤深度采集樣品，共采集土壤樣品312個。采樣點坐標通過高精度GPS定位，采樣過程中詳細記錄采樣點的土地利用類型、海拔、坡度、坡向等樣點信息。采樣時間為2010年10月，采樣后將土壤樣品帶回實驗室進行風干、研磨、過篩備用。土壤全磷(STP)含量采用HClO4-H2SO4消煮鉬銻抗比色法測定，速效磷(AP)含量采用NaHCO3浸提鉬藍比色法測定[13]。

圖1　鸚鵡溝土地利用類型和采樣點分布Fig.1　Land use types and soil sample sites of Yingwugou Watershed

1.3數(shù)據(jù)處理與方法

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析采用SPSS17.0，主要使用單因素方差檢驗(ANOVA)和T檢驗，正態(tài)分布檢驗采用Kolmogorov-Smirnov方法。流域磷素的空間分布圖在ArcGIS10.1中采用普通Kriging插值法進行繪制。

2　結果與分析

2.1流域土壤全磷統(tǒng)計特征及空間分布

鸚鵡溝小流域不同土壤深度的土壤全磷含量統(tǒng)計特征見表1。由表可知，流域土壤A1、A2、A3和A4的全磷含量均值分別為0.54 g/kg、0.49 g/kg、0.48 g/kg和0.51 g/kg，經(jīng)ANOVA檢驗，A1、A2、A3和A4的土壤全磷含量存在顯著性差異(P<0.05)，土壤全磷含量的表現(xiàn)為A1>A4>A2>A3，其中A1層土壤全磷含量最高，說明表層0～10 cm土壤由于施肥、耕作等擾動，其土壤全磷含量最高[14]，而A4的土壤全磷含量大于A2和A3，主要是因為流域土壤淺薄且土石山區(qū)優(yōu)先流發(fā)育所致[15]。根據(jù)Nielson (1985)的分類系統(tǒng)：弱變異CV≤10%，中等變異10% < CV < 100%，強變異CV≥100%。不同深度下土壤全磷基本呈現(xiàn)出隨土壤深度增加土壤全磷的變異系數(shù)逐漸增大的規(guī)律，但流域土壤A1、A2、A3、A4的土壤全磷含量均屬于中等變異，其中A2層土壤全磷的變異系數(shù)最小，為56.7%，A4的變異系數(shù)最大，為90.6%，說明土石山區(qū)的土壤全磷含量隨著土壤深度增加，其分布越不均勻。

表1　不同深度土壤全磷含量的統(tǒng)計特征

利用SPSS中的Kolmogorov-Smirnov方法對A1、A2、A3和A4的全磷含量數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，結果表明：A1層土壤全磷含量服從正態(tài)分布，A2、A3和A4全磷含量數(shù)據(jù)經(jīng)過對數(shù)轉換后均服從正態(tài)分布，可進行Kriging插值。為進一步分析鸚鵡溝小流域不同土壤深度全磷的分布特征，分別對A1、A2、A3和A4的土壤全磷進行Kriging插值，插值結果見圖2，從圖中可以看出，鸚鵡溝流域土壤全磷呈斑塊狀分布，隨土壤深度的增加，土壤全磷的分布斑塊逐漸由大變小。面積較大的土壤全磷含量高值斑塊主要分布在流域出口和流域中游支流的匯合處。結合圖1的土地利用類型可知，斑塊面積較小的土壤全磷高值區(qū)主要分布在流域東北與西南方向的林地以及河流兩岸的坡耕地。林地土壤全磷含量的高值斑塊，如流域東北方向的土壤全磷含量斑塊，說明林地能夠有效保持土壤磷素。坡耕地土壤磷素含量較高是因為河岸兩側的低緩平地更適合農(nóng)田開墾，施肥與耕作等因素導致土壤磷素含量較高[16]。

圖2　鸚鵡溝流域不同深度土壤全磷空間分布Fig.2　Spatial distribution of soil total phosphorus content at four soil depth in Yingwugou Watershed

2.2不同土地利用類型的土壤全磷含量特征

按照土地利用現(xiàn)狀分類標準(GB/T 21010-2007)，鸚鵡溝流域內主要有耕地、園地、林地、草地、住宅用地和水域等六類土地利用類型。耕地中的旱地主要種植花生和玉米，水澆地主要種植蘿卜、豆角、辣椒等蔬菜；園地主要為茶園；林地為竹林、松林、櫟樹林等；草地按照分類標準為其他草地，以生長禾本科草為主。經(jīng)SPSS檢驗，不同土地利用方式下的磷素含量數(shù)據(jù)滿足方差齊性要求，因此根據(jù)LSD的T檢驗結果，園地、草地與耕地的全磷含量之間均存在顯著性差異(P<0.05)，且園地中茶園的全磷含量與耕地中紅薯地的全磷含量呈現(xiàn)出極顯著差異(P<0.001)。

不同土地利用類型的土壤全磷含量見圖3，可以看出，A1層土壤全磷平均值分別為：竹林>花生>櫟樹>玉米>茶園>辣椒>蘿卜>豆角>松林>草地；A2層為櫟樹>花生>蘿卜>茶園>辣椒>松林>豆角>草地>玉米>竹林；A3層為松林>竹林>玉米>豆角>辣椒>櫟樹>蘿卜>花生>草地>茶園；A4層為花生>竹林>草地>蘿卜>辣椒>豆角>櫟樹>松林>玉米>茶園。園地、草地與耕地的土壤全磷含量差異顯著，可能是因為當?shù)鼐用駥⑼翆虞^薄的坡面作為自用茶園，茶園施肥量少或不施肥，其土壤全磷含量較低，而耕地處于土壤肥沃的緩坡，種植作物的類型多且施肥量大，導致土壤全磷含量較高。竹林土壤表層0～10 cm的全磷含量最高，為0.77 g/kg，這是因為大部分竹林生長在地勢較低的山坡坡腳處，其保持土壤養(yǎng)分的能力較強；櫟樹林主要分布于土壤立地條件較差的陡坡，其A1～A4土壤全磷含量由0.61 g/kg逐漸遞減至0.42 g/kg，但平均值為0.51 g/kg，僅次于耕地土壤全磷含量，說明櫟樹林能夠有效的保持土壤磷素。綜上分析可知，鸚鵡溝流域不同土地利用類型0～60 cm的土壤全磷含量均值表現(xiàn)為耕地>林地>草地>園地。

圖3　不同土地利用類型下土壤全磷含量Fig.3　Soil total phosphorus content with different land use types

2.3不同土地利用方式下的磷素流失濃度特征

與其他土地利用類型相比，耕地土壤全磷含量最高且土壤磷素更易流失，因此針對耕地土壤的磷素流失狀況進一步分析，并以草地作為對照。2010年7～9月，共采集7場天然降雨條件下的耕地和草地徑流小區(qū)的徑流水樣，其總磷與速效磷流失濃度如圖4所示。7場降雨條件下，花生、玉米、蘿卜、豆角、辣椒、草地的總磷平均流失濃度分別為：7.04±3.45 mg/L、4.73±2.65 mg/L、8.97±3.92 mg/L、5.50±2.01 mg/L、6.17±3.29 mg/L、3.56±1.38 mg/L，可以看出，玉米、花生、豆角、蘿卜和辣椒的總磷流失濃度均比草地高，經(jīng)ANOVA檢驗存在顯著性差異(P<0.05)。耕地中蘿卜的總磷流失濃度最高，平均值達到8.97mg/L，其總磷流失濃度達到草地的2.5倍，與草地總磷流失存在極顯著差異(P<0.001)。而不同土地利用類型下速效磷流失濃度與總磷流失濃度的規(guī)律并不一致，7場降雨徑流過程中，花生、玉米、蘿卜、豆角、辣椒、草地速效磷的平均流失濃度分別為：0.55±0.28 mg/L、0.24±0.17 mg/L、0.91±0.31 mg/L、0.52±0.72 mg/L、1.15±0.70 mg/L、0.67±0.35 mg/L，說明草地的速效磷流失濃度高于玉米、豆角和花生。

圖4　2010年7場天然降雨下總磷和速效磷流失濃度Fig.4　The concentration of total phosphorus and available phosphorus losses of seven rainfall events in 2010

3　結　論

1)鸚鵡溝流域A1、A2、A3和A4土壤全磷含量均值分別為0.54 g/kg、0.49 g/kg、0.48 g/kg和0.51 g/kg，隨著土壤深度的增加，全磷含量的變異系數(shù)逐漸變大。ANOVA檢驗表明：A1、A2、A3和A4的土壤全磷含量存在顯著性差異(P<0.05)，土壤全磷含量的表現(xiàn)為A1>A4>A2>A3。

2)Kriging插值表明：流域土壤全磷呈現(xiàn)斑塊狀分布，并隨土壤深度的增加，土壤全磷的分布斑塊逐漸由大變小。面積較大的土壤全磷含量高值斑塊主要分布在流域出口和流域中游支流的匯合處，斑塊面積較小的土壤全磷高值區(qū)主要分布在流域東北與西南方向的林地以及河流兩岸的坡耕地。

3)鸚鵡溝流域不同土地利用方式下土壤0～60 cm全磷的均值含量表現(xiàn)為耕地>林地>草地>園地。竹林表層0～20 cm土壤的全磷含量最高，為0.77 g/kg。茶園、草地與耕地的全磷含量存在顯著性差異(P<0.05)，其中茶園與耕地中紅薯地的全磷含量呈現(xiàn)出極顯著差異(P<0.001)。

4)耕地中的豆角、蘿卜、辣椒、玉米、花生的總磷流失濃度均比草地高且均與草地達到顯著性差異(P<0.05)，其中蘿卜小區(qū)的總磷流失濃度最大，均值為8.97 mg/L，其總磷流失濃度達到草地的2.5倍，與草地總磷流失存在極顯著差異(P<0.001)。

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(責任編輯周蓓)

The spatial distribution and loss of soil total phosphorus in Yingwugou Watershed of Danjiang River

ZHANG Tiegang1，LI Zhanbin1,2，LIU Xiaojun2，LI Peng1，XU Guoce1，CHENG Yuting1

(1.State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China; 2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dry-land Farming on the Loess Plateau,Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources,Yangling 712100,China)

Phosphorus is the major limiting element for plant growth and water body eutrophication.This paper selects Yingwugou Watershed in the Danjiang water resource area of the middle route engineering of South-to-North water diversion project served as the research region.Soil samples are collected and soil phosphorus loss conditions in different types of land use are monitored.The classical statistics combined with the geostatistics can be used to study the spatial heterogeneity of soil total phosphorus (STP)in the whole watershed,and the nutrient loss behaviors are analyzed in combination of STP contents with loss concentration under the different types of land use.The research results indicate that the average value of STP contents in 0～10 cm (A1),10～20 cm (A2),20～40 cm (A3)and 40～60 cm (A4)in Yingwugou Watershed are 0.54 g/kg,0.49 g/kg,0.48 g/kg and 0.51 g/kg,respectively.ANOVA tests indicate that STP content of different depth are significant (P<0.05).Kriging interpolation value shows that STP spatial distribution in the whole watershed appears to be patchy,and STP distribution patch area become from big to small with an increase in soil depth gradually.There exists the significant difference (P<0.05)under the different types of land uses such as tea grove land,grassland and cultivates land.Among the cultivated land,total phosphorus loss concentration in peanut land,maize land,turnip land,bean land and pepper land is higher than that in grassland,but available phosphorus loss concentration in grassland is higher than that in maize,bean and peanut lands.

Yingwugou Watershed; soil total phosphorus; spatial distribution; nutrient loss

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.01.004

2015-09-05

國家自然科學基金重點資助項目(41330858)；國家自然科學基金資助項目(41471226，41271290)；陜西省自然科學基礎研究計劃資助項目(2014JM2-4036)；丹漢江水源區(qū)清潔小流域建設關鍵技術資助項目(2015slkj-06)

張鐵鋼，男，博士生，研究方向為土壤侵蝕與非點源污染。E-mail:zhang_tiegang@163.com

李占斌，男，教授，博導，博士，研究方向為土壤侵蝕與水土保持。E-mail:zhanbinli@126.com

S178.56

A

1006-4710(2016)01-0018-05