四川盆地耕地土壤有效磷空間變異特征及影響因素

關(guān)鍵詞： 土壤有效磷；空間變異；影響因素；四川盆地

磷 （P） 是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一。土壤中磷的含量狀況影響著作物產(chǎn)量和品質(zhì)，是獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要因素[1]。同時(shí)，土壤磷也是參與生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要元素，影響植物對(duì)氮的固定和土壤對(duì)碳的儲(chǔ)存[2?3]。土壤有效磷是土壤中可以被植物直接吸收利用的磷，主要包括全部水溶性磷、部分吸附態(tài)磷和有機(jī)態(tài)磷，其含量高低是確定磷肥用量的重要依據(jù)[4]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為確保作物正常生長(zhǎng)和獲得高產(chǎn)，常常需要施用大量磷肥來(lái)保證土壤有效磷的供給。但過(guò)量的磷投入導(dǎo)致耕地土壤中磷不斷累積，不僅會(huì)影響農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量，還會(huì)引發(fā)農(nóng)田磷素面源污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問(wèn)題[5?7]。受自然和人為因素的共同影響，土壤有效磷的空間變異特征明顯[8?9]。掌握耕地土壤有效磷的空間分布特征及其影響因素，對(duì)于合理確定磷肥用量和施用方式以及防控面源污染具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)土壤有效磷含量的空間變異及影響因素開展了較多研究。國(guó)家尺度上耕地質(zhì)量長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，耕地土壤有效磷變化與土壤類型、pH 值和有機(jī)質(zhì)等土壤屬性有關(guān)[1]。省域尺度上，浙江耕地土壤有效磷含量主要與土壤pH 和土壤質(zhì)量有關(guān)，而與土壤有機(jī)質(zhì)關(guān)系并不密切[10?11]。廣東省耕地土壤有效磷變化主要受施肥、種植業(yè)結(jié)構(gòu)和土壤自身性質(zhì)的影響[6]；福建省耕地土壤磷變化的空間差異主要受磷肥施用量、pH、年均氣溫和土壤黏粒含量顯著影響[5]；受氣候、地形和植被等因素的綜合影響，吉林省農(nóng)地耕層土壤有效磷呈地帶性空間分異特征[12]。區(qū)縣或更小尺度上，金明清等[13]發(fā)現(xiàn)前茬作物和土壤類型對(duì)四川西部鹽源縣植煙土壤有效磷空間演變影響顯著；陳玉東等[14]研究表明黑龍江海倫市農(nóng)田土壤有效磷含量與耕作歷史及耕作方式等密切相關(guān)；曹佳萍等[15]的分析結(jié)果顯示福建省建甌市耕層土壤有效磷含量與氣象因子、地形因子和植被指數(shù)均具有顯著的相關(guān)性?，F(xiàn)有研究表明，耕地土壤有效磷與氣象因素[10]、地形[9]、土壤性質(zhì)[5]、農(nóng)地利用方式以及施肥[5?6，13]等因素密切相關(guān)，但在不同尺度和不同區(qū)域存在差異。此外，多數(shù)研究在探究土壤有效磷含量的影響因素時(shí)只側(cè)重分析少數(shù)幾個(gè)因素的影響，且各因素的相對(duì)重要性并不明確。此外，近幾十年來(lái)磷肥的過(guò)量施用已改變了土壤有效磷的區(qū)域間差異[1， 4?6]，分析區(qū)域尺度上不同因素對(duì)土壤有效磷含量的影響程度，探明不同區(qū)域土壤有效磷含量的主導(dǎo)因素，有助于正確理解目前土壤有效磷空間分布格局的形成機(jī)制，從而為制定具有空間差異的磷肥精準(zhǔn)管理措施提供依據(jù)。

四川盆地位于我國(guó)西南部，盆地內(nèi)土壤肥沃，農(nóng)業(yè)歷史悠久，耕地面積廣闊，得天獨(dú)厚的自然條件使得這一區(qū)域成為我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)區(qū)[16?17]。由于地形復(fù)雜，水土流失嚴(yán)重，人口密度高，養(yǎng)分投入量較大，盆地內(nèi)面臨著不同程度的土壤養(yǎng)分流失、面源污染以及水體環(huán)境變化等問(wèn)題[18?19]。目前針對(duì)該區(qū)域土壤磷空間變化的研究多集中在縣域或小流域尺度上[20?21]，當(dāng)前整個(gè)四川盆地土壤有效磷含量的空間分布格局及其形成原因尚不明確。本研究在四川盆地范圍布點(diǎn)采樣，通過(guò)室內(nèi)測(cè)定獲得土壤有效磷含量，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法揭示整個(gè)四川盆地耕地土壤有效磷的空間分布特征，運(yùn)用相關(guān)分析、方差分析和隨機(jī)森林模型等方法，厘清該區(qū)域耕地土壤有效磷與成土母質(zhì)、土壤類型、地形、氣候、土壤性質(zhì)、施肥以及秸稈還田等因素間的關(guān)系，明確形成該區(qū)域當(dāng)前土壤有效磷空間分布格局的主控因素，以期為指導(dǎo)區(qū)域合理的磷肥管理和提升耕地質(zhì)量以及面源污染防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 區(qū)域概況

四川盆地是中國(guó)四大盆地之一，位于我國(guó)西南部?jī)?nèi)陸腹地（102°48′～109°16′E，27°38′～32°54′N），總面積約為 26 萬(wàn)km²。盆地內(nèi)地形復(fù)雜，盆底與邊緣山地海拔最大高差約為2500 m；根據(jù)地貌特征，可劃分為成都平原區(qū)、川中丘陵區(qū)、平行嶺谷區(qū)和盆周山區(qū)4 個(gè)地貌區(qū)。整個(gè)盆地均屬于長(zhǎng)江流域，依據(jù)地形和支流分布情況，可劃分為岷江流域、沱江流域、嘉陵江流域、涪江流域、渠江流域和長(zhǎng)江干流6 個(gè)子流域。全區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候，盆地內(nèi)大部分區(qū)域年均溫度14.9℃～18.6℃，年降水量700～1700 mm。盆地內(nèi)成土母質(zhì)主要為白堊系和侏羅系各群組的紫色泥巖和紫色砂巖風(fēng)化物，其次為第四紀(jì)沖積物。主要土類包括紫色土、水稻土、黃壤、潮土、新積土和石灰（巖） 土等。盆地內(nèi)墾殖率高，耕地面積占盆地面積的75% 以上，典型耕地利用方式中旱地傳統(tǒng)種植方式以油菜―玉米/紅薯/大豆、小麥―玉米/紅薯/大豆和單季玉米為主，水旱輪作地以水稻―油菜和水稻―小麥輪作為主，水田則多單季種植水稻。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.2.1 土壤樣品采集與分析 2017至2019年，在兼顧土壤樣點(diǎn)的代表性及空間分布均勻性的基礎(chǔ)上，充分考慮母質(zhì)、土壤類型、地形部位以及耕地利用方式進(jìn)行采樣點(diǎn)布設(shè)，共采集4409 個(gè)土壤樣點(diǎn)（圖1）。在每個(gè)采樣點(diǎn)位選擇最具代表性的位置，采用多點(diǎn)混合法采集作物施肥前、收獲時(shí)的耕地表層（0—20 cm） 土壤樣品1 kg 左右，帶回室內(nèi)自然風(fēng)干。每個(gè)采樣點(diǎn)均以手持式 GPS 獲得各采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)和海拔高度，同時(shí)記錄采樣時(shí)間、采樣地點(diǎn)、地形部位、成土母巖、土壤類型和農(nóng)地利用方式等信息。剔除雜質(zhì)后，碾磨自然風(fēng)干后的土壤樣品并過(guò)2 mm 篩，土壤樣品的pH 值以2.5︰1 水土比浸提—pH 計(jì)法測(cè)定，依據(jù)土壤樣品的酸堿性分別采用鹽酸氟化銨或碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定土壤樣品有效磷含量，土壤質(zhì)地（黏粒：粒徑lt;0.002 mm，粉粒：粒徑0.002～0.02 mm，砂粒：粒徑0.02～2 mm） 采用比重計(jì)法測(cè)定[22]。測(cè)定過(guò)程中，以平行樣和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW-07414a） 保證測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度。

1.2.2 影響因素?cái)?shù)據(jù) 根據(jù)成土過(guò)程，選擇成土母巖、氣候、地形、施肥、秸稈還田以及部分土壤性質(zhì)進(jìn)行分析，以確定研究區(qū)耕地土壤有效磷空間分布的主控因素?？紤]到數(shù)據(jù)分析的可操作性以及不同地層巖石特性，將成土母巖按地層進(jìn)行劃分，全區(qū)主要包括白堊系灌口組、夾關(guān)組、城墻巖群和嘉定群，侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組、沙溪廟組、遂寧組和自流井組，三疊系須家河組，以及第四系全新統(tǒng)和更新統(tǒng)等10余個(gè)群組。年均氣溫和降雨量數(shù)據(jù)由盆地內(nèi)部及周邊144個(gè)縣級(jí)氣象站點(diǎn)1981—2015年逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)和降水量數(shù)據(jù)計(jì)算得到，在此基礎(chǔ)上采用普通克里格法插值獲得研究區(qū)的年均氣溫和降水量空間分布柵格數(shù)據(jù)。地形因子，包括坡度、坡向、匯流面積以及地形濕度指數(shù)，由來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心的ALOS12.5m 分辨率DEM數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。施肥、秸稈還田及作物根系產(chǎn)生的磷投入數(shù)據(jù)由近10年間實(shí)地調(diào)查時(shí)得到的地塊調(diào)查數(shù)據(jù)計(jì)算獲得，包括研究區(qū)143552個(gè)地塊的氮、磷、鉀施用量以及不同種植季的作物產(chǎn)量。由于一定區(qū)域施肥習(xí)慣和產(chǎn)量在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)有較大的改變[18]，分析過(guò)程中依據(jù)種植制度和土壤類型完全一致的原則，逐一將與土壤采樣點(diǎn)距離最近地塊的多年平均施肥量和不同種植季的作物產(chǎn)量賦值給該土壤采樣點(diǎn)。同時(shí)根據(jù)該采樣點(diǎn)不同種植季作物產(chǎn)量，依據(jù)已有研究得到的不同作物的草谷比、草根比[23]、谷物含水量[24]、磷含量[25]以及不同區(qū)縣不同作物的秸稈還田比例，計(jì)算得到各土壤采樣點(diǎn)作物秸稈和根系磷含量，作為秸稈還田和作物根系帶入的磷。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

為避免受到異常值的影響，分別在不同土壤類型和不同耕地利用類型中以均值±3 倍標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)記可能的異常值，在各土壤類型和耕地利用類型中同時(shí)標(biāo)記為異常值的樣點(diǎn)被最終確定為異常點(diǎn)進(jìn)行剔除，本研究中無(wú)土壤樣點(diǎn)被剔除。對(duì)正常土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析后，采用Kolmogorov-Smirnov 檢驗(yàn)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，將不服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，以滿足數(shù)據(jù)分析要求。分別采用球狀模型、指數(shù)模型和高斯模型對(duì)研究區(qū)耕地土壤有效磷進(jìn)行半方差分析，并根據(jù)擬合半方差模型決定系數(shù)（R2） 最大和殘差（RSS） 最小的原則，選擇最優(yōu)半方差模型，揭示土壤有效磷含量的空間結(jié)構(gòu)特征；其中，模型的塊金效應(yīng)即塊金值與基臺(tái)值之比表示土壤有效磷的空間自相關(guān)程度，比值lt;25%、25%～75% 和gt;75% 分別表示該指標(biāo)具有強(qiáng)烈、中等和較弱的空間自相關(guān)性。依據(jù)擬合半方差模型參數(shù)，在ArcGIS 軟件中進(jìn)行普通克里格插值，得到土壤有效磷含量的空間分布格局，并以交叉驗(yàn)證結(jié)果評(píng)價(jià)插值精度。單因素方差分析（LSD 法） 用于探究成土母巖、耕地利用類型和土壤類型對(duì)土壤有效磷的影響。為揭示氣象因子、地形因子以及施肥量等定量因子與土壤有效磷間的關(guān)系，在確保每個(gè)分段樣點(diǎn)數(shù)不少于30個(gè)的前提下根據(jù)影響因子值對(duì)土壤有效磷進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)，再以散點(diǎn)圖和線性擬合方程揭示土壤有效磷含量隨著各定量因子的變化特征。采用隨機(jī)森林模型揭示各影響因素的相對(duì)重要程度，從而確定研究區(qū)土壤有效磷的主控因素；其中，隨機(jī)森林模型的參數(shù)ntree 設(shè)置為1000，mtry 則通過(guò)迭代以預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值間均方根誤差最小來(lái)確定。統(tǒng)計(jì)分析和方差分析在軟件SPSS 中完成，半方差模型擬合在軟件GS+進(jìn)行，隨機(jī)森林模型在軟件R 中利用“randomForest”完成（R4.2.3），結(jié)果繪圖在origin2021 和ArcGIS 軟件中實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 基本統(tǒng)計(jì)特征

統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表1） 表明，四川盆地耕地表層土壤有效磷含量平均值為20.98 mg/kg；根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查確定的土壤養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)土壤有效磷總體上處于二級(jí)（高） 水平。變異系數(shù)為116.06%，這表明四川盆地耕地土壤有效磷含量具有強(qiáng)烈的空間變異性。偏度、峰度以及K-S 檢驗(yàn)結(jié)果顯示，研究區(qū)耕地表層土壤有效磷含量呈偏態(tài)分布，經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后土壤有效磷的偏度值和峰度值更接近0，呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

不同子流域和不同地貌區(qū)之間土壤有效磷含量差異顯著。各子流域中（表1），岷江流域土壤有效磷含量最高，為30.37 mg/kg，顯著高于其他5 個(gè)流域（Plt;0.05）；其余依次為沱江流域、長(zhǎng)江干流區(qū)、渠江流域、涪江流域和嘉陵江流域。各子流域中，嘉陵江流域和涪江流域土壤有效磷含量的變異系數(shù)均小于100%，為中等強(qiáng)度的空間變異性；其余各子流域土壤有效磷含量的變異系數(shù)均大于100%，為強(qiáng)烈的空間變異性。從不同地貌區(qū)來(lái)看，成都平原區(qū)土壤有效磷含量達(dá)到31.88 mg/kg，顯著高于其他地貌區(qū)（Plt;0.05）；其次為川東平行嶺谷區(qū)，其土壤有效磷含量與其他區(qū)域也存在顯著的差異（Plt;0.05）；川中丘陵區(qū)和盆周山區(qū)土壤有效磷含量最低，且兩個(gè)地貌區(qū)之間土壤有效磷含量無(wú)顯著差異（Plt;0.05）。從變異系數(shù)來(lái)看，除成都平原土壤有效磷為中等強(qiáng)度的空間變異性外，其余3 個(gè)地貌區(qū)均為強(qiáng)烈的空間變異性。

2.2 空間變異特征

2.2.1 空間結(jié)構(gòu)特征 常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析只能概括研究區(qū)土壤有效磷含量變化的總貌，不能較好地刻畫其空間分布的隨機(jī)性、結(jié)構(gòu)性、獨(dú)立性和相關(guān)性。因此，需要進(jìn)一步采用地統(tǒng)計(jì)法對(duì)其空間結(jié)構(gòu)和分布特征進(jìn)行分析。從半方差模型擬合效果來(lái)看，球狀模型為研究區(qū)耕地表層土壤有效磷的最優(yōu)擬合半方差，其擬合決定指數(shù)為0.92 （表2 和圖2），擬合程度最高且殘差最小，能較好地反映研究區(qū)耕地表層土壤有效磷的空間變異結(jié)構(gòu)特征。從擬合模型的參數(shù)來(lái)看，球狀和高斯模型的有效磷變程分別為42 km和39 km，表明有效磷空間自相關(guān)的范圍不大。塊金效應(yīng)大于75%，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)有效磷具有較弱的空間自相關(guān)性，主要受人類活動(dòng)等隨機(jī)性因素的影響。

2.2.2 空間分布特征 根據(jù)擬合半方差模型的參數(shù)，采用普通克里格法進(jìn)行插值，得到研究區(qū)土壤有效磷的空間分布圖（圖3）。交叉驗(yàn)證及預(yù)測(cè)方差表明，土壤有效磷預(yù)測(cè)誤差的平均值為1.96 mg/kg，除去采樣點(diǎn)較少的邊界區(qū)域，整個(gè)研究區(qū)的預(yù)測(cè)方差均相對(duì)較?。▓D3b），表明普通克里格插值法能夠較好地揭示研究區(qū)土壤有效磷的空間分布趨勢(shì)。從插值結(jié)果來(lái)看，研究區(qū)土壤有效磷空間分布趨勢(shì)明顯，呈現(xiàn)出中間低、四周高的空間分布格局。從區(qū)域來(lái)看，有效磷含量gt;30 mg/kg 的地區(qū)面積較小，且主要分布在萬(wàn)源、彭州、什邡、浦江、名山、容縣、威遠(yuǎn)、玒縣、筠連、萬(wàn)縣、石柱、豐都和涪陵等縣區(qū)。四川盆地中部大部分地區(qū)有效磷含量位于0～15 mg/kg。綜上所述，高值區(qū)主要位于成都—雅安一帶和涪陵—萬(wàn)縣沿線，分布上呈現(xiàn)出從中部向東西兩部逐漸增加的趨勢(shì)。

2.3 影響因素

2.3.1 成土母巖和土壤類型 方差分析表明，不同土壤類型和成土母巖發(fā)育土壤的有效磷含量差異顯著（Plt;0.05，圖4A）。各成土母巖發(fā)育的土壤中，更新統(tǒng)和全新統(tǒng)母質(zhì)發(fā)育土壤的有效磷含量最高，分別為31.36 和31.24 mg/kg；其余依次為嘉定群、夾關(guān)組、自流井組、灌口組、沙溪廟組和須家河組母巖發(fā)育土壤，而城墻巖群、蓬萊鎮(zhèn)組和遂寧組母巖發(fā)育土壤有效磷含量最低，不到更新統(tǒng)和全新統(tǒng)母質(zhì)發(fā)育土壤有效磷含量的50%。從不同土壤類型來(lái)看，黃壤有效磷含量最大，顯著高于其他各土類（Plt;0.05，圖4B）；其余依次為新積土、紫色土、石灰（巖） 土、潮土、黃棕壤和水稻土。

2.3.2 氣溫和降雨 研究區(qū)耕地表層土壤有效磷含量與年均氣溫和年均降雨量間呈現(xiàn)出極顯著的曲線相關(guān)關(guān)系，但曲線類型截然相反（Plt;0.01，圖5）。從分段統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖可以看出，土壤有效磷含量隨年均氣溫的上升呈先增加后降低的拋物線變化趨勢(shì)（圖5a）。氣溫約小于16℃ 時(shí)，土壤有效磷含量隨氣溫的上升而增加；當(dāng)氣溫約大于16 ℃ 時(shí)，土壤有效磷含量隨氣溫的上升而下降。與氣溫不同的是，土壤有效磷含量隨年均降雨量的增加呈“U”型變化特征（圖5b）。當(dāng)年均降雨量小于1000 mm 時(shí)，土壤有效磷含量總體上隨著降雨量增加而減小；當(dāng)年均降水量大于1000 mm 時(shí)，土壤有效磷含量隨著降雨量增加呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。這表明，氣溫和降雨對(duì)土壤有效磷含量的影響較復(fù)雜，土壤有效磷含量隨著氣溫和降雨的變化而發(fā)生改變。

2.3.3 地形因素 不同地形因子與土壤有效磷含量的關(guān)系存在差異（圖6）。坡向與土壤有效磷含量間不相關(guān)。高程與土壤有效磷之間的關(guān)系總體上不顯著（Pgt;0.05，圖6a），但在高程小于600 m 時(shí)土壤有效磷含量隨著高程升高而增加。坡度與土壤有效磷含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)（Plt;0.01，圖6b），即坡度越大，土壤有效磷含量越低。地形濕度指數(shù)與土壤有效磷含量總體上呈顯著的負(fù)相關(guān)（Plt;0.05，圖6d），但在地形濕度指數(shù)值小于9 時(shí)，土壤有效磷含量變化并不明顯，只有當(dāng)?shù)匦螡穸戎笖?shù)值大于9 時(shí)，土壤有效磷含量才隨著地形濕度指數(shù)增長(zhǎng)而明顯降低。這表明，只有在地形低洼和可積水性達(dá)到一定程度時(shí)才會(huì)對(duì)土壤有效磷產(chǎn)生顯著的影響。

2.3.4 土壤性質(zhì) 4 個(gè)土壤性質(zhì)均與研究區(qū)耕地表層土壤有效磷含量具有顯著的相關(guān)關(guān)系（Plt;0.01，圖7）。其中，土壤有效磷含量與土壤容重呈拋物線關(guān)系（Plt;0.01，圖7a）；當(dāng)土壤容重lt;1.30 g/cm3 時(shí)，土壤有效磷含量隨土壤容重增大呈明顯上升趨勢(shì)，而當(dāng)土壤容重gt;1.30 g/cm³ 時(shí)，土壤有效磷含量隨土壤容重增加呈下降趨勢(shì)。砂粒和黏粒與土壤有效磷含量間的相關(guān)性不同，且存在閾值。土壤有效磷含量與砂粒呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.01，圖7b），但當(dāng)砂粒含量大于300 g/kg 時(shí)，土壤有效磷含量隨著砂粒含量增加而增加的趨勢(shì)放緩。土壤有效磷含量隨黏粒含量增加呈先降低后趨于穩(wěn)定的變化關(guān)系（Plt;0.01，圖7 c），但當(dāng)黏粒含量大于300 g/kg 時(shí)，土壤有效磷含量隨著黏粒含量增加的變化特征不明顯。土壤pH 與土壤有效磷含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（Plt;0.01，圖7d），即土壤pH 值越高，土壤有效磷含量越低。

2.3.5 人為因素 方差分析結(jié)果（圖8） 表明，3 種耕地利用類型間土壤有效磷含量差異顯著（Plt;0.05）；其中，旱地土壤有效磷含量最高，其次為水旱輪作地，水田最低。土壤有效磷含量與作物歸還量總體上均呈先降后增的變化趨勢(shì)，其中與根系殘留歸還的磷相關(guān)性達(dá)到極顯著水平（Plt;0.01）；當(dāng)根系歸還的磷達(dá)到3 kg/hm² 時(shí)，土壤有效磷含量由隨根系磷增加而降低變?yōu)樯仙?。磷肥施用量與土壤有效磷含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.01），但當(dāng)磷肥施用量超過(guò)100 kg/hm² 時(shí)，土壤有效磷含量增加幅度明顯放緩，并有減少的趨勢(shì)。

2.3.6 主控因素分析 隨機(jī)森林模型分析結(jié)果表明，各因素對(duì)土壤有效磷含量的相對(duì)重要性存在差異（圖9）。土壤pH、年均降雨量和根系歸還磷是影響研究區(qū)土壤有效磷含量排名前三位的因素，其相對(duì)重要性分別為14.54%、8.03% 和7.76%，其中，土壤pH 相對(duì)重要性遠(yuǎn)大于其他因素。年均氣溫和成土母巖相對(duì)重要性分別為7.37% 和7.27%，分別排在第4和第5位，相對(duì)重要性略低于年均降雨量和根系歸還磷。秸稈歸還磷、耕地利用類型以及磷肥施用量3項(xiàng)人為因素的相對(duì)重要性分別為6.62%、6.14%和5.66%，分別排在第7、8和10 位，明顯弱于土壤pH、氣候和成土母巖等因素。砂粒、黏粒、土壤容重和土壤類型的相對(duì)重要性在4.75%～6.14%，總體上排到倒數(shù)第2位。除高程外的其他地形因子的相對(duì)重要性最弱。這些結(jié)果說(shuō)明，土壤有效磷含量空間分布格局的形成，主要受到土壤酸堿性的控制，其次為降雨和通過(guò)根系歸還的磷量，秸稈還田和施肥等因素并非最重要的控制因素。

3 討論

四川盆地耕地表層土壤有效磷的總變幅為0.10～177.06 mg/kg，有效磷含量平均為20.98 mg/kg。該含量水平與我國(guó)主要稻作區(qū)土壤有效磷含量（21.18 mg/kg） [4]接近。從空間上看，研究區(qū)土壤有效磷呈現(xiàn)出中間低、四周高的空間分布格局，其高值區(qū)主要位于成都平原區(qū)和平行嶺谷區(qū)，這與近年來(lái)眾多學(xué)者在四川盆地不同區(qū)域的研究結(jié)果[26?29]一致。已有研究表明，由于磷肥的過(guò)量投入，第二次土壤普查以來(lái)我國(guó)耕地表層土壤有效磷含量明顯上升[30?32]，一些區(qū)域已出現(xiàn)明顯的盈余[1， 4]。然而，從本研究結(jié)果來(lái)看，區(qū)域尺度上土壤有效磷空間分布格局首要的控制因素并非施肥或秸稈還田等人為因素。各因素中，土壤pH 值與有效磷含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)，與長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)結(jié)果[1]一致，其相對(duì)重要性遠(yuǎn)高于其他因素。這是因?yàn)?，土壤酸堿度影響著磷素在土壤中的賦存形態(tài)。堿性條件下，磷會(huì)與鈣鎂等陽(yáng)離子形成沉淀被固定，導(dǎo)致土壤有效磷含量降低；而酸性條件下，土壤中鐵鋁氧化物可通過(guò)從介質(zhì)中獲得正電荷對(duì)磷酸根陰離子產(chǎn)生非專性吸附[33?34]，尤其是在施肥背景下，可大量增加吸附態(tài)的磷， 從而使得可解吸進(jìn)入溶液的磷增加。其余各土壤性質(zhì)對(duì)土壤有效磷空間分布的影響相對(duì)較弱。根據(jù)四川盆地pH 空間分布[35]，微酸性土壤廣泛分布于盆地西部、東部和南部，這些地區(qū)土壤有效磷含量也相對(duì)較高，而分布在盆地中部的堿性土壤的有效磷含量相對(duì)較低。其次，土壤質(zhì)地越黏重，對(duì)磷的吸附能力越強(qiáng)[36?37]，土壤有效磷含量就越低；而土壤容重越大，表明土壤越緊實(shí)、孔隙少，有效磷流失量就少，因此土壤有效磷含量越高。不同土壤類型間有效磷含量的差異則主要是由其pH 和水分條件的不同造成的。各土壤類型中，黃壤的酸度最大，因此其有效磷含量最高；水稻土則因?yàn)殚L(zhǎng)期淹水和季節(jié)性淹水導(dǎo)致施入的磷易隨水流失，最終使其有效磷積累量不如旱地土壤。

其他各環(huán)境因素主要通過(guò)調(diào)控土壤酸堿度、磷的投入與流失對(duì)土壤有效磷空間格局形成產(chǎn)生影響。氣候因素的重要性總體上較大，其中降雨是除土壤pH 外最重要的影響因素?，F(xiàn)有研究中，土壤有效磷與降雨量多呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[15]。然而四川盆地耕地土壤有效磷含量隨降雨量增加呈先降后升的變化特征，展現(xiàn)出獨(dú)特的變化規(guī)律，這與四川盆地特殊的地理環(huán)境有關(guān)。該區(qū)域土壤主要以極易風(fēng)化的紫色巖發(fā)育的幼年土壤為主，適量的降雨有利于紫色巖風(fēng)化釋放出鉀鈣鎂等離子[38?39]，從而增加對(duì)磷的固定。當(dāng)降雨量進(jìn)一步增加，土壤淋溶作用強(qiáng)烈，土壤酸性不斷增大，土壤中鐵鋁氧化物可通過(guò)非專性吸附獲得的吸附態(tài)磷也在提高，從而增加了可解吸進(jìn)入土壤溶液的磷。該盆地內(nèi)土壤碳酸鈣和速效鉀含量隨降雨量增加呈先增后降的變化趨勢(shì)（尚未發(fā)表），以及較高的土壤有效磷含量出現(xiàn)在降雨量較大的盆地西部和東部[17]也間接證明了這一點(diǎn)。土壤有效磷與氣溫間的關(guān)系則與降雨量相反，隨氣溫升高呈先升后降的趨勢(shì)，與現(xiàn)在研究中的正相關(guān)關(guān)系[15]不同。這是由于氣溫升高會(huì)刺激土壤中微生物的活動(dòng)，促進(jìn)有機(jī)磷的分解和磷的礦化過(guò)程，從而釋放更多的有效磷。而當(dāng)氣溫過(guò)高時(shí)，微生物的一些關(guān)鍵酶活性會(huì)受到負(fù)面影響而限制有機(jī)磷的分解和磷的礦化過(guò)程，導(dǎo)致有效磷釋放減緩。此外，溫度升高可能使得磷更容易解吸并變得更有效，但過(guò)高的溫度可能導(dǎo)致土壤中的磷更多地被吸附，降低其有效性。

人為因素中，根系殘留輸入的磷對(duì)土壤有效磷的影響最大，僅次于土壤pH 和降雨的影響，而秸稈歸還可能輸入的磷、磷肥施用量以及耕地利用類型對(duì)有效磷空間分布格局形成的影響并不如氣候因素和母巖等因素。這說(shuō)明，在高強(qiáng)度農(nóng)業(yè)利用條件下，大區(qū)域土壤有效磷的空間分布格局總體上仍由自然因素控制。秸稈的影響不僅與歸還量有關(guān)，還會(huì)受到歸還方式和秸稈腐解周期等因素的影響[40?41]，采樣調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)大部分區(qū)域秸稈歸還方式較為粗放。根系殘留物一般會(huì)全部歸還至土壤，同時(shí)根系還會(huì)在作物生長(zhǎng)全過(guò)程影響土壤pH、容重以及生物活性[41?42]。本研究中，根系磷是通過(guò)根系生物量計(jì)算得到的，因此根系殘留輸入磷的重要性遠(yuǎn)高于其他幾種人為因素。土壤有效磷含量均隨根系磷和秸稈磷增加呈先降后升的變化趨勢(shì)，這可能是因?yàn)殡S著根系和秸稈歸還量的增加，快速降低了土壤容重和提高了土壤孔隙度，而根系和秸稈腐解周期長(zhǎng)[43?44]，根系和秸稈還田帶入的磷短期內(nèi)不足以抵消因容重降低和孔隙增大而流失的磷。只有當(dāng)根系和秸稈歸還量進(jìn)一步增大，明顯改變土壤pH 值和磷歸還量超過(guò)流失量的情況下，才會(huì)帶來(lái)土壤有效磷的增長(zhǎng)；并且從土壤有效磷與根系磷和秸稈磷的關(guān)系圖（圖8）還可以看到，該土壤有效磷的增長(zhǎng)并不會(huì)持續(xù)。如多數(shù)研究一樣，土壤有效磷含量隨施肥量增加而增加[1，4?5]，但存在一個(gè)明顯的施肥量閾值。此外，一般認(rèn)為淹水條件下土壤磷的有效性更高[33]，但本研究區(qū)已出現(xiàn)完全相反的規(guī)律。3 種耕地利用類型中，水田土壤有效磷含量最低，與西南地區(qū)稻田土壤監(jiān)測(cè)結(jié)果（12.49 mg/kg） [4]相近。這是因?yàn)殡S徑流流失是土壤中磷流失的主要途徑。水田只種一季，投入的磷少于另外兩種耕地利用類型，同時(shí)水田長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)，有效磷極易流失，因此水田土壤有效磷在3 種耕地利用類型中最低。水旱輪作地則處于季節(jié)性淹水狀態(tài)，施入的磷在水稻種植季也容易隨水流失，導(dǎo)致其土壤有效磷的累積量雖高于水田但低于旱地。

成土母巖的重要性次于土壤pH、氣候因素和作物根系對(duì)土壤有效磷含量的影響。從分析結(jié)果來(lái)看，蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組和城墻巖群母巖發(fā)育土壤的有效磷含量最低，這是因?yàn)檫@幾個(gè)地層巖石富含鈣質(zhì)，碳酸鈣含量在102.6～169.1 g/kg[44]，發(fā)育的土壤一般為堿性，施入的磷會(huì)以沉淀的形式被固定。灌口組、嘉定群、自流井組和沙溪廟組巖石鈣質(zhì)遠(yuǎn)低于蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組和城墻巖群，而夾關(guān)組和須家河組母巖則主要發(fā)育為酸性土壤。相比前幾種地層，全新統(tǒng)和更新統(tǒng)洪沖積物發(fā)育土壤近年來(lái)酸化程度最高[37?38]，土壤酸度最大，因而施入的磷成為吸附態(tài)磷的量也最多。地形因子中，除海拔外，其余因子是影響區(qū)域土壤有效磷最弱的因素。坡度和地形濕度指數(shù)與土壤有效磷含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與已有研究[15]結(jié)果一致，這是因?yàn)槠露群偷匦螡穸戎笖?shù)均可以反映地表徑流和水分狀況[45?46]，坡度越大，地勢(shì)越低洼積水，土壤磷越容易隨水流失。海拔與氣溫降雨高度相關(guān)，海拔在大于600 m 時(shí)可能主要疊加了氣候因素的影響；而盆地低海拔區(qū)域（lt;600 m） 主要為成都平原、川中丘陵區(qū)以及平行嶺谷的部分區(qū)域。這些區(qū)域海拔越低水分含量越高，并且水田和水旱輪作地也是分布在這些區(qū)域海拔較低的沖溝中，旱地則分布于位置較高的山丘中上部，因此在低海拔段土壤有效磷與海拔呈正相關(guān)。

由于樣點(diǎn)數(shù)較多，參考已有研究方法，本研究采用分段統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)展示有效磷含量隨各影響因素變化的趨勢(shì)，這種方式在已有研究[39，47]中普遍使用。這可能帶來(lái)一定的不確定性，但這種方式能更清晰地展示有效磷含量與各定量因子之間的關(guān)系。同時(shí)，本研究各因素之間關(guān)系密切，在主控因素分析中考慮所有因素，較好展示了有效磷含量與影響因素的相關(guān)性。

耕作條件下，人為因素是影響土壤性質(zhì)最直接的因素。但從本研究結(jié)果來(lái)看，當(dāng)前四川盆地耕地土壤有效磷含量空間分布格局首要控制因素為土壤酸堿度。環(huán)境因素中，人為施肥、秸稈還田以及耕地利用類型等人為因素對(duì)區(qū)域耕地土壤有效磷含量空間分布格局形成的影響總體上不如氣候因素和成土母巖。這說(shuō)明，盡管過(guò)去幾十年間大量投入各種形式的磷素，但區(qū)域耕地土壤有效磷含量空間分布格局仍主要由土壤pH、氣候和成土母巖控制。今后，磷肥施用以及秸稈還田等需要充分考慮各地土壤酸堿性、氣候以及成土母巖的影響。針對(duì)土壤有效磷含量較高的區(qū)域如成都平原，應(yīng)注意控制磷素的投入。

4結(jié)論

四川盆地耕地表層土壤有效磷的總變幅為0.10～177.06 mg/kg，平均值為20.98 mg/kg，處于二級(jí)（高） 水平。該研究區(qū)有效磷變異系數(shù)為116.06%，塊金效應(yīng)為0.78，說(shuō)明土壤有效磷主要受隨機(jī)性因素影響。四川盆地耕地表層土壤有效磷呈中間低、四周高的空間分布格局，高值區(qū)主要位于成都—雅安一帶和涪陵—萬(wàn)縣沿線地區(qū)。

四川盆地耕地表層土壤有效磷的空間變異受到土壤類型、氣候、地形因素、土壤性質(zhì)和人為因素的共同影響。其中，土壤pH、年均降雨量、根系磷輸入量、年均氣溫和成土母巖是影響研究區(qū)土壤有效磷含量的主要因素，其相對(duì)重要性分別為14.54%、8.03%、7.76%、7.37%、7.27%。從本研究結(jié)果來(lái)看，人為施肥、秸稈還田以及耕地利用類型等人為因素對(duì)區(qū)域耕地土壤有效磷含量空間分布格局形成的影響總體上不如氣候因素和成土母巖。這說(shuō)明，大區(qū)域土壤有效磷的空間分布格局總體上仍由自然因素控制。