崇义县土壤有机质空间变异及在不同侵蚀程度下的影响因素

赵 越，罗志军*，赵 杰，江春燕，冉凤维

(1.江西农业大学国土资源与环境学院，江西 南昌 330045； 2.江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，江西 南昌 330045)

【研究意义】土壤有机质(Soil Organic Matter, SOM)一般是指土壤中含碳的有机物质，是植物生长过程中重要的矿物质营养来源，也是地球碳循环中的一部分，其含量的大小和其动态变化过程，对地球碳循环产生深远的影响。土壤在地形、母质、气候和人为等因素的影响下形成[1-3]，又不断受到不同程度的侵蚀。研究表明：在不同的侵蚀下，土壤中的有机质的含量和分布受到影响，显示出一定的差异性，而侵蚀主要来自于人为原因和自然原因[4-6]。因此，了解土壤有机质的空间变异规律以及土壤有机质在不同侵蚀程度下的含量与分布对农业发展，水土保持具有深远意义。【前人研究进展】土壤有机质是评价土壤肥力的重要指标之一，而土壤有机质含量的大小往往受到物理因素、化学因素、生物因素等诸多因素的影响，而各类因素对土壤有机质的大小影响不一，由各地区特有的土壤环境所决定[7-8]。目前关于土壤有机质的相关研究大都集中于土壤有机质的空间分布和储量估算，缺乏不同侵蚀程度下的土壤有机质含量研究[9-10]。近年来相关研究表明，土壤有机质的空间分布体现出一定的规律性，对土壤有机质进行半变异方差拟合有着良好的效果[11-12]。关于土壤有机质的不同侵蚀作用下的相关研究也有一定的探讨。如左继超等[13]通过对江西九江德安县的红壤区土壤有机质不同侵蚀程度下的土壤养分含量分析，发现随着土壤侵蚀程度的增加，土壤水稳定性降低，土壤团聚体机械稳定性减弱。肖胜生等[14]通过土壤侵蚀下水土保持和气候变化的耦合关系研究，发现土壤的侵蚀作用改变了土壤中碳素含量。可知土壤侵蚀的相关研究中，侵蚀会带来土壤肥力多方面的变化，不同侵蚀程度也会引起土壤有机质的空间变异。本文就从土壤有机质空间变异及对不同侵蚀程度下的响应的研究来探索相关规律，以期为土壤肥力保持，土壤碳素积累研究起到积极作用。

崇义县属于南方红壤区，红壤区的土壤如今面临着严重的侵蚀退化问题，已经威胁到崇义县以及周边红壤区的土壤养分和农业的发展。在有关土壤性质的相关研究中，对氮磷钾的相关研究最为集中[15]。但对不同侵蚀程度下土壤有机质研究还较为薄弱。【本研究切入点】本文以江西省崇义县耕地土壤有机质为研究对象，从地形因子、结构性因子两个方面来分别研究不同侵蚀程度下，两类因子与土壤有机质含量的关系，探索土壤有机质空间分布的规律。【拟解决的关键问题】对土壤肥力的改善，土壤生产力的保持提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

崇义县(25°24′～25°55′N，113°55′～114°38′E)位于江西省西南边陲，隶属赣州市管辖，全县面积2206.27 km2。属于中国亚热带季风湿润区，海拔150～2014 m，山地较多，垂直高差大，山地面积为1088.89 km2，丘陵面积次之，平原最少，地形地貌较为特殊。降水较多，年平均降水量为1629.6 mm，年平均降水天数为 150 d，年平均日照为1374.8 h，春季日照少而夏季多，崇义县地处中低纬度，属中亚热带季风湿润区，冬夏两季盛行季风，全年热量丰富，四季分明，雾日多，日照偏少，雨量充沛，空气湿度大，无霜期长。但由于地形复杂，垂直高度差异大，山上山下，向阳面和背阳面，气候差异十分明显。地带性植被为亚热带常绿阔叶、针叶林全县森林资源丰富，树木种类繁多。林木树种有123科，892种，有“江西省绿色宝库”之称。耕地土壤类型主要为水稻土、潮土、紫色土、石灰(岩)土、红色石灰土等。

1.2 样本的采集

根据全国耕地地力调查和相关质量评价技术规程，于2010-2012年在崇义县采用多点混合法对崇义县耕地的表层土壤样品进行采集，采样点3431个，每个样点的土壤样品采集1000 g。通过多次的实地勘察，在平原、丘陵、山地等多种地貌下进行采样，在景观类型复杂的区域采样较多，以保证采样的合理性。并且对每个采样点的海拔数据和坐标数据通过GPS技术记录。通过对样本的自然风干处理，碾碎过筛之后，使用重铬酸钾(K2Cr2O7)外加热法对样本进行处理[16]，以此测定土壤有机质的含量。并以ARCGIS10.2为平台，通过数字化方式，获取了崇义县的行政区划图、地形图、土壤图等数据(图1)。

1.3 侵蚀程度划分

根据水利部2002年批准的修订计划，采用经过修订后的的SL190-96《土壤侵蚀分类分级标准》，通过对实地的采样得出平均侵蚀模数，再利用通用土壤流失方程，对崇义县采样点数据进行土壤侵蚀计算，计算得出其土壤侵蚀分级情况(表1)。

1.4 数据处理

通过拉依达准则法对采样点数据进行异常值剔除，最后得到有效样本3431个。通过ArcGIS10.2对数据图层进行处理，通过GS+7.0软件对半变异函数进行计算，并进行模型拟合。基于地形因子与土壤结构性因子的不同特点，分别对地形因子(连续型变量)和土壤结构性因子(非连续型变量)进行Pearson相关性分析和Spearman相关性分析。采用ArcGIS10.2软件中Geostatistical analyst工具进行克里格插值，生成全县土壤有机质含量空间分布图，传统数据的常规性分析则借助IBM SPSS Statistics 22软件完成。

表1 土壤侵蚀分级

图1 研究区土壤样点分布图及DEMFig.1 Distribution of cultivated soil sampling sites and DEM in the study area

由于地形因子与土壤结构性因子的数据特点，分别对其进行分类划分，把高程可分为8组：100～400、400～700、700～1000、1000～1300、1300～1600、1600～1900、1900～2100、2100～2400 m；坡度分为：0°、0°～15°、15°～30°、>30°；坡向分为：无坡向、阳坡、阴坡；曲率分为：上凹、平面、上凸；坡度变率分为：0、0～10、>10；耕层厚度分为：0～10、10～20、20～30 cm；地貌类型分为：平原、丘陵、高原；土壤质地分为：轻粘、轻壤、中壤、重壤；成土母质分为：千枚岩、红砂岩、花岗岩；土壤结构分为：粒状、屑粒状、块状、软糊状。

2 结果与分析

2.1 土壤有机质的描述性统计特征

由表2可知，土壤有机质平均值为25.01 g/kg，样本中有机质含量多处于0.90～59.50 g/kg之间。在相关分级标准中显示，崇义县整体土壤有机质含量属于较低水平。各类侵蚀水平下的土壤有机质分布具有明显差异，其分布符合正态分布而其变异系数也都属于中等变异性。变异系数由大到小依次为无明显侵蚀(35.56 %)>轻微侵蚀(34.01 %)>重度侵蚀(33.83 %)>中度侵蚀(33.66 %)>极强度侵蚀(19.67 %)。

2.2 空间结构分析

半变异函数又称半变差函数，是地统计中特有的函数。引起土壤有机质空间产生分异的原因主要可以从内因和外因两个方面讨论。内因一般是指长期自然环境下，人为难以改变的因子，主要包括地形因子(如坡度、坡向)和土壤结构性因子(如成图母质、土壤结构等)，外因一般是指易受人类活动影响，随机性较大的随机性因子(如施肥种类和土壤培育等)。

表2 不同侵蚀程度下土壤有机质的描述性统计特征

表3 不同侵蚀程度下土壤有机质半变异函数参数

块金值指随机部分引起的空间变异的大小，基台值则表示不同侵蚀程度下空间变异的程度高低。如表3所示，在不同侵蚀程度下，土壤有机质所得块金效应均处于0.2～0.5期间，表呈现出较强的空间相关性，不同侵蚀程度下的模型均为指数模型，随着侵蚀程度的增加，块金效应值在整体减少，在极强度侵蚀下又得以提高，这而表明侵蚀程度逐渐增大，地形因子还是土壤结构性因子均对土壤有机质含量受到的影响有所增加，在极剧烈情况下，对土壤有机质的含量的影响有所减小。各类侵蚀程度下拟合度都较高，均在0.7之上，数字差异不大，符合崇义县自身的地形地貌特征。

2.3 土壤有机质与影响因素相关性分析

根据地形因子与结构性因子的不同特点，分别采用从Pearson和Spearman分析法计算其相关系数。由表4可知，高程在5类侵蚀程度下均便显出高程与土壤有机质的较显著地相关关系，均为正向相关关系(P<0.01)，表明随着海拔的升高，淋溶作用加强，表层游离营养物质随水分下移，土体厚，土壤结构好，土壤有机质的含量也有一定上升。坡度在无明显中度侵蚀和重度侵蚀程度下呈现出显著的相关性，但属于负相关关系。却在剧烈侵蚀下仍为呈现显著相关性，但属于正向相关关系；据相关显示，坡度存在一定的临界点，在坡度到达临界点时，土壤有机质与坡度开始呈现反比例关系；说明存在坡度临界值。坡向在中度侵蚀呈现显著的负相关关系。曲率在五类侵蚀程度下均未表现出相关关系。坡度变率也由在无明显侵蚀程度下呈现出明显的负向相关变为极强度侵蚀程度下的正向相关(P<0.01)，与坡度变化类似。成土母质相关系数均大于零(P<0.05)。成土母质中，土壤有机质中的含量高低依次为千枚岩>红砂岩>最大的是千枚岩，花岗岩含量最少，相关系数均大于零。在土壤结构中，在无明显侵蚀、中度侵蚀、极强度侵蚀中呈现较为明显的负相关关系，表明随着土壤颗粒的增大，土壤的有机质含量降低。坡向和地貌类型整体呈现出较强的负相关关系。土壤质地和耕层厚度在5类侵蚀程度下的与土壤有机质的相关性均未达到显著水平，说明其对表明土壤质地和耕层厚度与有机质含量的关系不够密切，对土壤有机质含量影响较小。

表4 不同侵蚀程度下土壤有机质与影响因素相关性分析

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.

图2 土壤侵蚀图Fig.2 Soil erosion map

2.4 土壤有机质空间格局分析

为了更好的对土壤有机质与侵蚀度空间分布特征进行研究，根据上文中半变异函数和模型构建，借助ARCGIS10.2软件，对崇义县土壤侵蚀图进行提取，借助克里金插值法，得出土壤有机质含量图层，便于两者进行对比。土壤侵蚀图(图2)根据全省土壤侵蚀图进行提取处理所得：

从土壤侵蚀图(图2)和土壤有机质空间分布图(图3)的对比可知，土壤有机质含量较高的地区多分布于无明显侵蚀、轻微侵蚀地区。可以解释受到的侵蚀越少，土壤有机质受到的冲刷越少，可以很好地保留土壤有机成分。但仍存在一些极强度侵蚀和剧烈侵蚀的地区同样具有较高的土壤有机质，可以从以下几个方面来解释：①人为的在侵蚀程度大的地区开垦耕地，增加施肥，保持土壤的养分和生产力，属于人为因素的干扰。②局部侵蚀度较高的地区，由于海拔较高，温度较低，土壤养分可以很好地保留。③侵蚀度较大的地区土地利用类型也可能存在差异，土壤密度大，植被密集的地区能更好的保持土壤有机质。

图3 土壤有机质空间分布图Fig.3 Spatial distribution map of soil organic matter

2.5 土壤侵蚀影响因子相关程度分析

在6种不同的土壤侵蚀条件下，各个影响因子与土壤有机质的相关性已经显现(表4)，但仍需要探索土壤有机质与各类影响因子的相互关系，以服务于农业生产。由表5可知，在地形因子的5类影响因子中，高程、坡度呈现出明显的正相关关系，坡向呈现出明显负相关关系。这表明在地形因子中，对土壤有机质有较大影响的是高程、坡度、坡向等因素，整体上体现出与土壤有机质的密切联系，曲率和坡度变率联系较弱。在结构性因子的5类影响因子中，成土母质，剖面构型呈正相关关系，地貌类型，土壤质地呈负相关关系(表6)，成土母质、剖面构型与土壤有机质呈现出明显的正相关关系，地貌类型、土壤质地显现出明显的负相关关系。

3 讨 论

土壤是在自然界中长期演化而形成的十分复杂的综合体，具有时空的连续性，土壤是在成土母质、植被、气候、降雨等自然因素以及人类活动的人为因素的影响下的形成和发展的，形成和发展过程具有一定的复杂性，不论是在宏观研究角度还是微观研究中，都发现土壤所具有的空间异质性。而土壤有机质是衡量土壤肥力的重要标准，不同的侵蚀因子对土壤有机质的含量差异的影响也不尽相同。

表5 地形因子与土壤有机质相关性分析

表6 结构性因子与土壤有机质相关性分析

注：**表示P<0.01。

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

在无明显侵蚀与轻微侵蚀的情况下，高程是各类因子中对土壤有机质含量影响较大的因子。可以解释为在个较弱侵蚀的情况下，海拔越低的地区越容易受到人类活动影响，土壤有机质含量也在人类对土地的开发和利用中受到破坏，而海拔高的地区土壤结构好，土壤养分沉积，可以较好地保留土壤有机质。在中度侵蚀中，坡度和坡向成为对土壤有机质含量影响最为明显的因子。较低的坡度可以使土壤有机质在中度侵蚀下得以保留。阳坡植被较阴坡茂密，更有利于土壤养分的保持。在重度侵蚀下，高程成为对土壤有机质影响最大的因子，呈现显著的正相关关系。在剧烈侵蚀程度下，坡度成为对土壤有机质影响最大的因子。大量研究表明，有坡度的耕地水土流失造成土壤表层有机质降低，从而降低了土壤肥力[17-19]。而坡向则显现出较明显的负相关关系，表明在剧烈侵蚀程度下，阳坡对土壤有机质的保留并无太大积极作用，反而是阴坡更容易保留有机质。在各类侵蚀状态下，成土母质、地貌类型成为影响土壤有机质最主要的影响因子。千枚岩具有很强的透水能力，易风化，可以为植物生长提供良好的土壤环境，含有较高的土壤有机质；花岗岩透水能力低，不易被风化，抗侵蚀能力较强，不适宜植物的生长，土壤有机质较低。成土母质的种类对土壤有机质的含量有着明显影响。地貌类型中平原在水土保持中具有明显的优势，有益于土壤有机质的保留，土壤质地和耕层厚度对土壤有机质的影响并不明显。

以上研究表明，崇义县的土壤侵蚀整体较大，有机质含量整体较低，而对土壤有机质影响较大的有高程、坡度、坡向等地形因子，成土母质、土壤结构等结构性因子。崇义县可以在今后的水土保持工作中，加强对土壤侵蚀的重视，从易为人类活动影响的角度减少侵蚀，保持水土，避免土壤养分流失加剧。由于研究区地形地貌较为复杂，高差较大，采样难度大，采样点分布不够均匀，会对精度产生一定影响。而对土壤有机质的大小产生影响是多方面的，并不局限于本文采用的地形因子和土壤结构性因子，仍需要从多方面考虑。

4 结 论

根据采样分析结果表明，崇义县土壤有机质含量普遍较低，平均值为25.01 g/kg，土壤有机质含量处于0.90～59.50 g/kg之间。在不同的侵蚀程度下，变异系数由大到小依次为无明显侵蚀(35.56 %)>轻微侵蚀(34.01 %)>重度侵蚀(33.83 %)>中度侵蚀(33.66 %)>剧烈侵蚀(33.24 %)>极强度侵蚀(19.67 %)。

经过有机质空间格局分析表明，侵蚀程度越大的区域，土壤的有机质含量越低，但仍存在部分区域侵蚀程度大，土壤有机质也高的情况。可能由于人类活动、土地利用类型等原因导致。在地形因子与结构性因子与土壤有机质的相关分析中，坡度和高程是地形因子中对土壤有机质含量正面影响较大的因子；成土母质与土壤结构是结构性因子中对土壤有机质有正面较大影响的因子。