王遼宏， 邱莉萍， 高海龍， 張興昌

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100)

農(nóng)牧交錯(cuò)帶本氏針茅坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素分布特征

王遼宏， 邱莉萍， 高海龍， 張興昌*

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100)

明確農(nóng)牧交錯(cuò)帶草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素分布特征對(duì)于草坡地生態(tài)系統(tǒng)磷素管理、空間分布和磷素流失預(yù)測(cè)具有重要科學(xué)意義。本研究針對(duì)黃土高原農(nóng)牧交錯(cuò)帶本氏針茅坡地，分析了草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素沿坡面的分布特征，并且從不同空間尺度研究了土壤-植物系統(tǒng)磷素的空間結(jié)構(gòu)特征，以揭示農(nóng)牧交錯(cuò)帶草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素分布規(guī)律。結(jié)果表明，隨坡位的降低，草坡地植物生物量、植物磷素含量和儲(chǔ)量均逐漸增加，土壤全磷和速效磷含量在坡上部和坡中部相近，且均低于坡底部；這些變量的變異系數(shù)均以坡底部最小。植物磷素含量和土壤全磷的變異系數(shù)由坡頂向下依次為34.25%、 25.98%、 10.02%和24.05%、 15.27%、 10.85%，表明坡底部土壤-植物系統(tǒng)磷素分布相對(duì)均勻。各變量的最佳擬合模型在3個(gè)分析尺度上均保持一致，植物生物量和土壤速效磷的最佳擬合模型為指數(shù)模型，土壤全磷以球狀模型擬合效果最佳，而植物磷素以高斯模型擬合效果最好。隨分析尺度的增加，塊金常數(shù)、塊金效應(yīng)逐漸增大。植物磷素含量在5、 10、 15 m 3個(gè)尺度上的塊金常數(shù)和塊金效應(yīng)依次為0.010、 0.010、 0.011和7.9、 8.5、 8.9，即樣點(diǎn)間的空間依賴性逐漸減弱，空間相關(guān)性減弱。這表明農(nóng)牧交錯(cuò)帶草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素在不同尺度上空間結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，屬中等或強(qiáng)空間相關(guān)性，其空間變異主要來(lái)源于結(jié)構(gòu)性因素。

磷素空間分布； 土壤-植物系統(tǒng)； 本氏針茅坡地； 農(nóng)牧交錯(cuò)帶

北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶是我國(guó)溫帶地帶性草原區(qū)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，約占國(guó)土面積的30%[1]。在人類長(zhǎng)期放牧和開(kāi)墾活動(dòng)中，該區(qū)草地退化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。近年來(lái)該區(qū)開(kāi)展的退耕還草措施在草地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和環(huán)境改善方面起到重要作用，但退耕還草的效果在很大程度與當(dāng)?shù)厮疅釛l件和土壤本身的肥力狀況有關(guān)[1]。磷素作為動(dòng)植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，在土壤中溶解性差，有效性低，已成為農(nóng)牧交錯(cuò)帶植物生長(zhǎng)的重要限制因子[2]。磷素還可以通過(guò)降雨-地表徑流和泥沙攜帶等過(guò)程進(jìn)入到地表水體，或者以滲漏、淋失等形式遷移到地下水進(jìn)而運(yùn)移到受納水體中[3]，成為水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素。黃土高原農(nóng)牧交錯(cuò)帶氣候干燥，植被稀少，降雨集中并且主要以暴雨形式發(fā)生，土壤抗蝕性差，水土流失非常嚴(yán)重[4]，土壤磷素極易隨降雨徑流、侵蝕泥沙等流失[5]，極易造成坡面土壤及植物磷素缺乏和下游水體富營(yíng)養(yǎng)化等危害[6]。因此，需要對(duì)該區(qū)坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素進(jìn)行合理管理和磷素流失進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，而這些工作主要取決于土壤-植物系統(tǒng)磷素的空間分布特征。

目前在生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)元素空間分布研究中，國(guó)內(nèi)外研究者多偏重于土壤養(yǎng)分的空間分布特征，如余新曉等[7]運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了大尺度下八達(dá)嶺森林土壤全氮、全磷和堿解氮的空間變異性，發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分空間分布與植被類型有關(guān)。劉吉平等[8]研究了三江平原典型環(huán)形濕地土壤不同發(fā)生層有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀的空間分布，發(fā)現(xiàn)環(huán)形濕地土壤養(yǎng)分空間分布主要受植物體元素含量、生物過(guò)程和水文地貌過(guò)程的影響。胡克林和李保國(guó)[9-10]、李菊梅和李生秀[11]等也應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間分布進(jìn)行了研究，但目前對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)植物體中養(yǎng)分元素以及土壤-植物系統(tǒng)中元素空間分布研究較少，這方面的研究可以加深認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)尺度養(yǎng)分元素的空間分布特征。在磷素空間分布方面，人們對(duì)不同尺度森林土壤、濕地土壤及農(nóng)田土壤磷素含量空間變異特征作了大量研究，但對(duì)草坡地土壤-植物系統(tǒng)及坡地磷素空間分布的研究較少，因此需要開(kāi)展深入的研究。

本研究針對(duì)黃土高原的農(nóng)牧交錯(cuò)帶本氏針茅坡地，應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析了土壤-植物系統(tǒng)磷素的分布特征及其空間變異規(guī)律，旨在為農(nóng)牧交錯(cuò)帶草坡地生態(tài)系統(tǒng)磷素管理、空間分布和磷素流失預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

1.2 土壤樣品采集及分析

本研究以六道溝流域中一東北向的本氏針茅坡地為對(duì)象，草坡地坡長(zhǎng)約150 m，坡度20°左右。該坡地之前為農(nóng)耕地，退耕之后逐漸演替為本氏針茅種群，本氏針茅生長(zhǎng)年限約20年。2007年9月份，沿坡面自上而下每隔5 m設(shè)一個(gè)樣帶，共設(shè)30個(gè)樣帶。在每個(gè)樣帶內(nèi)設(shè)5個(gè)樣點(diǎn)，采集地上部生物量，稱取鮮重和干重。在每個(gè)樣點(diǎn)處采集0—20 cm土層土壤樣品。五個(gè)樣點(diǎn)處的植物樣和土樣分別組成混合樣。

植物樣經(jīng)烘干粉碎后測(cè)定植物體磷素含量并計(jì)算地上部磷儲(chǔ)量，土壤樣品風(fēng)干后，過(guò)0.25 mm篩，測(cè)定全磷含量； 部分過(guò)1 mm篩，測(cè)定速效磷含量。植物磷素含量采用鉬藍(lán)黃比色法測(cè)定， 土壤全磷用HClO4-H2SO4消煮—鉬銻抗比色法測(cè)定、土壤速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究所有數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計(jì)分析采用Microsoft Excel 2003軟件完成，方差分析和相關(guān)分析采用SPSS 12.0軟件，正態(tài)分布檢驗(yàn)采用SPSS 12.0統(tǒng)計(jì)軟件中的Kolmogorov-Smiromov(K-S)正態(tài)分布檢驗(yàn)概率(Pk-s)檢驗(yàn)方法，檢驗(yàn)結(jié)果(表1)中各變量的Pk-s值均大于0.05，均符合正態(tài)分布，滿足地統(tǒng)計(jì)分析要求。半方差函數(shù)分析及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算、空間自相關(guān)分析均采用地統(tǒng)計(jì)分析軟件GS+7.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素分布特征

農(nóng)牧交錯(cuò)帶本氏針茅草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素空間分布與坡位有關(guān)，隨坡位的降低，草坡地植物生物量、植物磷素含量和儲(chǔ)量均逐漸增加，土壤全磷和速效磷含量在坡上部和坡中部相近，且均低于坡底部(表1)。此外，生物量、植物磷素含量和儲(chǔ)量、土壤全磷和速效磷含量的變異系數(shù)均以坡底部最小，植物干重、植物磷素含量、土壤全磷和速效磷含量的方差值均以坡底最小，植物磷儲(chǔ)量和鮮重的方差值在坡底部也較小，表明坡底部土壤-植物系統(tǒng)磷素分布相對(duì)均勻。

表1 草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素描述性統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Descriptive statistics of P in plants and soils along a grassland slope

注(Note): 均值中同一列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示坡位間差異達(dá)5%顯著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among slop positions at the 5% level.

植物生物量、磷素含量和磷儲(chǔ)量沿坡頂向下均呈逐漸增加趨勢(shì)，這種相似的變化趨勢(shì)與各變量間的內(nèi)在關(guān)系有關(guān)(表2)，而土壤全磷和速效磷沿坡頂向下先略微降低后迅速升高，這可能與土壤磷素隨地表徑流、水土流失等的淋失以及磷素自身遷移運(yùn)動(dòng)有關(guān)，也可能預(yù)示著土壤階地的形成。土壤階地是坡面土壤再分布的最終結(jié)果，主要表現(xiàn)為坡面土壤從上向下的運(yùn)動(dòng)[15]。

表2 草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素的相關(guān)性分析(r)Table 2 Correlation analysis between P in plants and soils along a grassland slope

注(Note): **—α=0.01; *—α=0.05.

2.2 草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素空間變異特征

2.2.1 草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素半方差分析 為深入分析各個(gè)變量沿草坡地分布的空間結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性，本研究對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行了地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。按最小滯后距5 m、10 m和15 m 3個(gè)尺度分別計(jì)算各變量的變異函數(shù)，得到的理論變異模型及檢驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3。各變量對(duì)應(yīng)的最佳擬合模型在3個(gè)分析尺度上均保持一致，表明本研究中的6個(gè)變量沿坡面的空間結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。但不同變量呈現(xiàn)出不同的最佳模型，如植物生物量(鮮重和干重)和土壤速效磷的最佳擬合模型為指數(shù)模型，土壤全磷以球狀模型擬合效果最佳，而植物磷素(植物磷素含量和儲(chǔ)量)以高斯模型擬合效果最好。這與不同變量之間的關(guān)系有關(guān)，如植物磷素含量與儲(chǔ)量極顯著正相關(guān)(表2)，其最佳擬合模型相同(表3)，植物鮮重和干重極顯著正相關(guān)(表2)，沿坡面具有相同的空間結(jié)構(gòu)，其最佳模型均為指數(shù)模型。本研究中植物磷素(包括磷素含量和儲(chǔ)量)的分布很大程度上依賴于土壤磷素(尤其土壤速效磷)，但其最佳模型卻不同(表3)，這是因?yàn)樵搮^(qū)植物的生長(zhǎng)及對(duì)磷素的富集主要受水分因素限制，也表明在農(nóng)牧交錯(cuò)帶典型草坡地各變量的空間結(jié)構(gòu)特征不但取決于變量之間的相互作用，還受其他環(huán)境因素的影響，如土壤流失、生物富積、微地形等。

表3 草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素的半方差理論模型及模型參數(shù)Table 3 Semi-variogram function theory model and parameters for P in plants and soils along a grassland slope

注(Note): E—指數(shù)模型Exponential model; G—高斯模型Gaussian model; S—球型模型Spherical model.

在5 m、10 m和15 m 3個(gè)分析尺度上，塊金常數(shù)(C0)隨分析尺度的增大而增大，表明隨采樣密度的減小，由采樣尺度引起的誤差逐漸增大[16]，被15 m尺度掩蓋的某種較小結(jié)構(gòu)在10 m尺度上體現(xiàn)出來(lái)，同樣被10 m尺度忽略的某種較小結(jié)構(gòu)在5 m尺度上體現(xiàn)出來(lái)。總體上，植物鮮重和磷儲(chǔ)量的C0值較大，這可能與植物磷儲(chǔ)量與鮮重之間的極顯著正相關(guān)有關(guān)(表2)，而其余變量的C0值較小，表明這些變量本身以及采樣尺度、測(cè)定方法等存在的隨機(jī)性誤差較小。

變程反映了變量空間自相關(guān)范圍的大小，它與采樣尺度上的各種生態(tài)過(guò)程相聯(lián)系[17]，在變程之內(nèi)，變量具有空間自相關(guān)特性，否則不存在。而且變程越大，空間結(jié)構(gòu)越好。本研究中植物生物量變程最小，表明其空間結(jié)構(gòu)性較差，這是因?yàn)檠芯繀^(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力主要受水分限制，而坡面生態(tài)過(guò)程顯著地改變了坡面水分資源的分布和有效性，其異質(zhì)性較高，從而使得生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(生物量)表現(xiàn)出較差的空間結(jié)構(gòu)。和植物生物量相比，植物磷素含量和儲(chǔ)量、土壤全磷和速效磷含量在坡面分布中受影響的因素較少，變程較大，表明其具有較好的空間結(jié)構(gòu)特征。

圖1 草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素空間自相關(guān)圖Fig.1 The spatial auto-correlogram of P in plants and soils along a grassland slope

3 結(jié)論

1) 農(nóng)牧交錯(cuò)帶本氏針茅草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素空間分布與坡位有關(guān)，植物鮮重、干重、植物磷素含量、植物磷儲(chǔ)量、土壤全磷和速效磷在坡上部分別為2.6 t/hm2、1.9 t/hm2、0.9 g/kg、1.6 kg/hm2、0.4 g/kg和0.8 mg/kg，坡中部分別為3.3 t/hm2、2.3 t/hm2、1.0 g/kg、2.2 kg/hm2、0.4 g/kg和0.7 mg/kg，坡底分別為4.0 t/hm2、 2.8 t/hm2、1.2 g/kg、3.4 kg/hm2、0.4 g/kg和0.9 mg/kg，表明研究區(qū)本氏針茅草坡地植物生物量、植物磷素含量和植物磷儲(chǔ)量沿坡頂向下均呈逐漸增加的趨勢(shì)，土壤全磷和速效磷含量沿坡面基本穩(wěn)定。

2) 農(nóng)牧交錯(cuò)帶本氏針茅坡地生物量、植物磷和土壤磷在不同分析尺度下的最佳擬合模型各自保持一致，空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；除土壤速效磷的塊金效應(yīng)C0/(C0+C)高達(dá)45%外，其余變量均小于或接近于25%，屬中等或強(qiáng)空間相關(guān)性，空間變異主要來(lái)源于地形、氣候等結(jié)構(gòu)性因素；土壤速效磷的自相關(guān)范圍僅9 m，空間自相關(guān)性較差，其余變量均具有較好的空間自相關(guān)特征。農(nóng)牧交錯(cuò)帶草坡地土壤-植物系統(tǒng)磷素分布特征與坡面水土流失過(guò)程有關(guān)。

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Phosphorousdistributionofplant-soilsysteminaStipabungeanaslopelandintheagro-pastoraltransitionalzone

WANG Liao-hong， QIU Li-ping， GAO Hai-long， ZHANG Xing-chang*

(StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau/InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Understanding the phosphorous distribution of plant-soil system in astipabungeanaslope land in the agro-pastoral transitional zone is fundamental for managing phosphorous and predicting phosphorous distribution and loss in slope lands. In this study, the spatial distribution of phosphorous in plant and soil along astipabungeanaslope in the agro-pastoral transitional zone of the Loess Plateau was analyzed. Three spatial scales were used to analyze the spatial structure of phosphorous along slopes. The results show that the plant biomass, phosphorous content and amount in plant and soils are increased with the decreases of slope position and the variation coefficients of these variables are smaller in the low position than those in the middle and up position. The variation coefficients of phosphorous concentrations in plants and the total phosphorous in soils from the up position to the low position are 34.25%, 25.98%, 10.02% and 24.05%, 15.27%, 10.85%, respectively. The exponential model is the best fit model for plant biomass and soil available phosphorous, spherical model for soil total phosphorous, and Gaussian model for plant phosphorous, respectively. With the enlargement of the analysis scale, the values of C0and C0/(C0+C) are increased, showing a decreased spatial dependence of sampling sites and weak spatial correlations. The C0and C0/(C0+C) of phosphorous concentration in plants are 0.010, 0.010, 0.011, and 7.9, 8.5, 8.9, respectively, at the analytical scales of 5, 10, and 15 m. These results indicate that phosphorous in plant and soil has relatively stable spatial structure at different spatial scales which belongs to medium or strong spatial correlations, and its spatial variation mainly comes from structural factors.

phosphorous spatial distribution; plant and soil system;stipabungeanaslope land; agro-pastoral transitional zone

2012-12-23接受日期2013-06-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40901145)；西北農(nóng)林科技大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(QN2011147)；中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(KZCX2-XB3-13)資助。

王遼宏(1987—)，女， 陜西宜川人， 碩士研究生，主要從事土壤理化性質(zhì)方面的研究。E-mail: wangliaohong@126.com * 通信作者 E-mail: zhangxc@ms.iswc.ac.cn

S153.6+1

A

1008-505X(2013)05-1192-08