梁佳輝，張少良，穆林林，黃 靜，楊方益，董 峰，張新波，蒙 亮，沈慶松，王 曜

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱150030）

東北典型黑土區(qū)坡面土壤速效磷空間分布規(guī)律

梁佳輝，張少良，穆林林，黃 靜，楊方益，董 峰，張新波，蒙 亮，沈慶松，王 曜

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱150030）

土壤速效磷是反映土壤供磷水平的重要指標(biāo)，也是磷環(huán)境風(fēng)險評價的重要參數(shù)，研究其空間分布規(guī)律可為農(nóng)田合理施肥和生態(tài)環(huán)境治理提供依據(jù)。研究利用多條典型樣帶系統(tǒng)地揭示了典型黑土區(qū)0—60 cm剖面土壤速效磷水平和垂直方向分布規(guī)律。結(jié)果表明：研究區(qū)土壤速效磷（Olsen-P）含量為0.57～50.01 mg/kg，耕層（0—20 cm）速效磷為10～40 mg/kg，位于充足水平以上。垂直方向上，土壤速效磷從表土層0—20 cm處向深土層50—60 cm處減小。施肥降低了表土層速效磷的變異程度，侵蝕和沉積增加了深土層的變異程度（20—50 cm）。水平方向上，土壤速效磷總體沿坡向向下呈下降趨勢，侵蝕和沉積同時降低了坡背和坡底土壤速效磷的含量。

黑土；樣帶；剖面；速效磷；土壤侵蝕

東北黑土區(qū)是我國重要商品糧生產(chǎn)基地，其土壤肥力的維持和提升關(guān)系到該區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，以及國家糧食安全。土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要組成部分，研究其空間分布規(guī)律可為土壤養(yǎng)分管理和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護和治理提供依據(jù)[1-2]。當(dāng)前，關(guān)于黑土區(qū)土壤養(yǎng)分空間分布規(guī)律的研究主要集中在耕層0—20 cm，且主要關(guān)注不同土地利用、氣候、土壤、人為措施對其空間分布的影響[3-5]，而關(guān)于坡面土壤，特別是不同坡位剖面土壤養(yǎng)分的空間分布規(guī)律研究還鮮見報道。據(jù)報道東北黑土區(qū)作物根系在0—70 cm處土層左右均有分布，而且根密度在0—45 cm處占優(yōu)勢[6]。研究表明人為剝離20 cm耕層土壤后合理施肥種植大豆和玉米仍然可以維持一定產(chǎn)量或保持較高產(chǎn)量[7]，因此只分析耕層（0—20 cm）土壤養(yǎng)分分布特征和變化規(guī)律等不能很好地反映黑土區(qū)耕地資源質(zhì)量現(xiàn)狀。同時，由于土壤養(yǎng)分遷移受水流在重力和土壤顆粒對其阻力的雙重作用下做不定向運動，致使不同坡位剖面土壤養(yǎng)分含量空間分布存在差異[8]。因此，研究不同坡位根系土壤剖面土壤養(yǎng)分空間分布規(guī)律對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。磷素是植物生長的三大主要營養(yǎng)元素之一，是作物生長必須的營養(yǎng)成分，尤其土壤中的速效磷與當(dāng)季作物生長狀況密切相關(guān)，它可作為衡量目前乃至近期內(nèi)可供植物吸收利用的磷素水平，是衡量土壤磷素養(yǎng)分供應(yīng)能力的可靠指標(biāo)[9]，研究其在土壤中的分布規(guī)律對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要的現(xiàn)實意義[10]。

本研究利用典型黑土區(qū)坡面的4個樣帶研究沿坡向分布的多個剖面（0—60 cm）土壤速效磷（Olsen-P）的立體空間分布特征，旨在為黑土區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省海倫市前進鄉(xiāng)光榮小流域（47°21′12.61″N，126°50′01.42″E），地形為漫川漫崗，土壤類型為典型黑土中的黃土質(zhì)黑土，其基本理化性狀見表1。原始自然植被為草原化草甸植物，俗稱“五花草塘”，當(dāng)前主要以玉米大豆輪作為主，一年一熟制。該區(qū)位于溫帶，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季溫?zé)岫嘤?，年均氣?.5℃，極端最高溫度為37℃，極端最低溫度為-39.5℃，多年平均降水量530 mm，年均有效積溫2 450℃，年均日照時數(shù)為2 600～2 800 h，無霜期為125 d，地下水水位埋深10～20 m。

表1 研究區(qū)土壤基本理化性狀

1.2 試驗設(shè)計

本研究于2012年秋在光榮小流域內(nèi)選擇了一處典型的面向東南方向的坡面，沿著坡向分別設(shè)計了4條樣帶A，B，C和D，分別沿著樣帶從坡頂向坡腳以間隔70—100 m選擇有代表性位置挖掘土壤剖面（0—60 cm），并分層收集0—20，20—30，30—40，40—50，50—60 cm土壤樣品。其中樣帶A，B和C坡度相近（13°～15°），坡長A＜B＜C，坡長越長坡面復(fù)雜程度越高，可用來對比坡度相近、坡長不同條件下土壤AP變化規(guī)律；樣帶D所有剖面均位于接近坡頂?shù)奈恢茫露容^小，坡長與A相近，可用來對比坡長相近坡度不同條件下土壤AP變化規(guī)律。耕層0—20 cm土樣，采用五點法采集，混均后四分法收集裝袋，并用手持高精度GPS定位中心點坐標(biāo)；20—30，30—40，40—50，50—60 cm土壤樣品，在耕層采樣中心點位置豎直向下挖掘土壤剖面0—70 cm，然后分層收集0—60 cm剖面土壤樣品。所有樣品均在陰涼處風(fēng)干，裝瓶待用。樣帶A包括坡頂a1、坡肩a2、坡背a3、坡背a4和坡腳a5共5個土壤剖面（a5樣點下方為林地，故未采取樣點）；樣帶B為復(fù)合坡，包括坡頂b1、坡肩b2、坡背b3、坡背b4、坡肩b5、坡背b6和坡腳b7共7個土壤剖面（b7樣點下方為林地，故未采取樣點）；樣帶C為復(fù)合坡，包括坡頂c1、坡肩c2、坡背c3、坡背c4、坡肩c5、坡背c6、坡腳c7和坡趾c8共8個土壤剖面；樣帶D包括a1，d1，b1和c1共4個剖面，見圖1。

圖1 研究區(qū)樣帶分布

南北走向的樣帶從東向西分別為樣帶A、B和C，樣點序號從北向南逐漸增加；樣帶D呈東西走向，樣點序號從西向東逐漸增加

1.3 測定方法和數(shù)據(jù)處理

（1）速效磷測定采用0.5 mol/L Na HCO3浸提—鉬銻抗比色法[11]。

（2）土壤侵蝕計算研究區(qū)整個小流域土壤侵蝕空間分布圖已經(jīng)通過修正后的完全基于ArcGIS的USLE模型計算獲得[12]，見圖2，然后通過 ArcGIS中點要素提出軟件包獲得相對應(yīng)的土壤侵蝕量。

圖2 研究區(qū)土壤侵蝕空間分布

（3）數(shù)據(jù)分析。常用參數(shù)在Excel 2003中計算，方差分析在SPSS 12.0中進行，作圖在Sigmaplot 10.0和ArcGIS 10.0中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤速效磷剖面空間變化規(guī)律

研究區(qū)樣帶剖面土壤速效磷含量為0.57～50.01 mg/kg（表2），其中0—20，20—30，30—40，40—50，50—60 cm土層速效磷含量分別為6.51～50.01，1.82～34.60，0.57～28.47，2.19～33.25，2.24～16.44 mg/kg。各樣帶土壤速效磷平均值多是從表土層0—20 cm處向50—60 cm處減小，特別是在表土層0—30 cm下降趨勢較大，并在B剖面0—20 cm與30—60 cm土層，以及在D剖面0—20 cm與30—40，50—60 cm土層達到顯著差異水平。極差除樣帶A，從表土層0—20 cm向50—60 cm處逐漸降低，其他樣帶無明顯規(guī)律變化。變異系數(shù)均是靠近表土層和深土層處低，中間較高。

表2 剖面土壤速效磷描述性分析

各樣帶除剖面c3—坡背、c7—坡腳和c8—坡趾外，土壤速效磷變化趨勢均由0—20 cm向深土層逐漸降低，通?？拷硗翆硬▌虞^大，深層波動較小，相鄰坡面變化趨勢相近（圖3）。各樣帶坡頂AP，均是由0—20 cm向50—60 cm處遞減，且幅度最大，如樣帶A的坡頂a1和a2，樣帶B的b1和b2，樣帶C的c1和c2，樣帶D的a1和d1。除坡頂外，其他坡位土壤AP的垂直變化規(guī)律相近，呈“S”型變化曲線，整體由上向下遞減。樣帶B和C較長，相對較短樣帶A和D變化較為復(fù)雜，屬于復(fù)合坡類型，兩個樣帶均在坡背、坡腳和坡趾處土壤AP含量和變化規(guī)律最為接近；樣帶C相對樣帶B變化規(guī)律復(fù)雜，特別是樣帶C的c3，c4和c7剖面規(guī)律變化比較復(fù)雜。樣帶A和D坡長相近，A的坡度相對較大，但是兩個樣帶剖面變化規(guī)律相近，位于樣帶A靠近坡頂?shù)腶1和b1剖面，以及位于樣帶D靠近坡頂?shù)膁1剖面AP含量整體較高，下降幅度較大，但d1變化相對復(fù)雜；位于樣帶A的a3，a4，a5，和位于樣帶D的b1和c1變化規(guī)律相近，整體先降低后逐漸增加，但A樣帶剖面靠近坡底剖面AP變異程度相對較低。

圖3 剖面土壤速效磷垂直(水平)空間變化趨勢

2.2 坡面土壤速效磷水平空間變化規(guī)律

樣帶A，B，C和D的土壤速效磷總體沿坡向向下呈現(xiàn)下降趨勢（圖4）。樣帶A和D下降趨勢變化幅度相對較大，樣帶B，C下降趨勢幅度相對較小，個別土層有所上升。同一樣帶各土層相隔越近速效磷沿坡向變化趨勢越接近，其中靠近深層土壤波動相對較小，規(guī)律相似。樣帶A和D剖面0—40 cm各土層靠近坡頂和坡肩其速效磷含量較高，整體變異幅度較大。樣帶B和C剖面0—60 cm各土層靠近坡頂其速效磷整體較高，樣帶B土層速效磷在坡肩處最高，樣帶C土層速效磷沿坡向呈波動式整體逐漸降低。樣帶B和C整體變異程度相對A和D較弱。除樣帶A外，B，C和D在40—50，50—60 cm土層沿坡向變化規(guī)律基本一致，均是坡頂處較小，然后逐漸升高，至坡肩（樣帶C為坡背）處達到最高，然后逐漸下降，中間隨坡長變化不定向出現(xiàn)幾次起伏，而后在坡腳或坡趾處增高或降低。

3 討論

黑土是我國肥力較高的土壤之一，隨著開墾年限增長和磷肥施用，土壤表層有效磷明顯增加[13]。雖然研究區(qū)以施氮肥為主，磷肥為輔，耕層土壤（0—20 cm）速效磷含量均值還是處于10～40 mg/kg，位于充足水平以上[14]。

垂直方向上，速效磷從表土層向深土層逐漸降低，一方面是由于磷在土壤中易被固定，施入土壤中的磷有效性很低[15]，不易滲入深土層；另一方面作物根系在表層分布比例大，向深層逐漸減少，對養(yǎng)分吸收能力逐漸降低[16]。水平方向上，大部分土層速效磷沿坡面向下總體呈下降趨勢，在短坡上（A和D）下降幅度較大，在復(fù)合坡上（B和C）變化較復(fù)雜，特別是變異系數(shù)變化較大，這主要是由黑土區(qū)特定地形引起的。黑土區(qū)典型地形為漫川漫崗，地勢起伏[17]，導(dǎo)致降水徑流、滲透、水蝕、耕作侵蝕等在不同坡位差異較大[18]；坡背受多年較強侵蝕和徑流的影響，土壤磷素水平較低，同時坡背相對貧瘠的土壤不斷沉積在坡底，降低了坡底速效磷的含量，使速磷總體呈下降趨勢；通常長坡復(fù)雜地形比短坡地形水分和土壤運動復(fù)雜，進一步增加其沿坡向向下方向分布的不確定性[19]。通常表層土壤（0—20 cm）主要受施肥的影響，故而變異程度較低，而深層土壤變異程度較低主要是由于黑土區(qū)土壤粘重、透水性差，施入土壤中的磷素主要被固定和吸附在表土層，對深層的影響較小。中間土層土壤速效磷沿坡面向下變異程度較大，主要是由于坡頂侵蝕程度較輕，坡背侵蝕程度較重，坡底主要表現(xiàn)為沉積，且研究區(qū)黑土層平均厚度小于30 cm，故而增加了其不同坡位相同深度的較大差異。除樣帶D外，各樣帶40—50 cm和50—60 cm土層土壤養(yǎng)分沿坡面變化規(guī)律相近，這也是因為其受外界因素影響相對較少的緣故。

圖4 不同土層速效磷沿坡面向下水平空間變化趨勢

表3 剖面各層土壤速效磷之間相關(guān)性及與速效磷與土壤侵蝕、高程之間的相關(guān)性

通常認為土壤侵蝕與土壤速效磷呈顯著負相關(guān)關(guān)系[20]，本研究發(fā)現(xiàn)在研究區(qū)水蝕造成的土壤侵蝕與各土層速效磷含量之間既存在負相關(guān)關(guān)系，也存在顯著正相關(guān)關(guān)系（表3），分析認為是由于研究區(qū)坡面侵蝕比較復(fù)雜，包括降雨侵蝕、耕作侵蝕和風(fēng)蝕等，特別是坡頂位突兀處耕作侵蝕對坡面侵蝕影響較大，而且黑土區(qū)侵蝕與沉積相伴發(fā)生[21]。同時農(nóng)田土壤養(yǎng)分管理，包括施肥、種植制度、耕作方法等均不同程度影響和降低土壤速效磷與侵蝕量之間的相關(guān)關(guān)系[10，13]。研究區(qū)水蝕主要發(fā)生在坡背，特別是坡度較陡區(qū)域（圖5），這也是土壤速效磷在此處較低的原因。由于研究區(qū)樣帶A和D的坡頂多分布著平整的土地，其水蝕和耕作侵蝕都相對較少，因此土壤速效磷含量在坡頂相對其他位置含量較高。然而位于樣帶B和C坡頂?shù)钠拭鎎1和c1同時屬于樣帶D的坡背和坡腳，受水蝕和耕作侵蝕強度都相對較大，因此其速效磷含量相對A和D坡頂?shù)停欢谄录?、坡腳、坡趾處地勢相對平坦，水蝕和耕作侵蝕也都相對減少，速效磷含量也相對升高。雖然本研究認為侵蝕是影響研究區(qū)土壤速效磷的主要原因之一，但是本研究暫時只能通過修訂后的土壤流失方程（USLE）[22]來估算區(qū)域土壤侵蝕格局，未能將重要的耕作侵蝕包含在內(nèi)，所以侵蝕與速效磷之間相關(guān)性未達到顯著水平，因此未能構(gòu)建出土壤侵蝕與土壤速效磷的回歸方程，此部分內(nèi)容還需要進一步研究，但是在土壤侵蝕量較大的坡位d1，c3，c4和c7處剖面土壤AP的變異程度是最大的，其變化規(guī)律也是最復(fù)雜的；同時本研究結(jié)果顯示坡長越長剖面變化規(guī)律相差越大，坡長相近坡度不同雖然剖面AP整體變化規(guī)律相近，但靠近坡底剖面AP變化有較大差異，這些都證明侵蝕是影響土壤AP空間分布的重要因素之一。研究區(qū)除位于坡頂?shù)臉訋外，土壤速效磷均與高程呈負相關(guān)關(guān)系，但未達到顯著相關(guān)水平，分析是受侵蝕在坡面分布格局的影響。由表3可以看出，相鄰?fù)翆油ǔＯ嚓P(guān)性較強，不相鄰?fù)翆酉嚓P(guān)性較弱甚至存在負相關(guān)。

圖5 樣帶坡型變化

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)土壤速效磷處于0.57～50.01 mg/kg，土壤耕層（0—20 cm）速效磷含量均值處于10～40 mg/kg，含量處于充足水平以上。

（2）垂直方向上，各樣帶土壤速效磷平均值一般是從表土層0—20 cm處向深土層50—60 cm處減小，特別是在表土層0—30 cm下降趨勢較大。施肥降低了表土層變異程度，深土層受外界影響較小變異程度也較低。

（3）水平上，土壤速效磷總體沿坡向向下呈下降趨勢，侵蝕和沉積同時降低了坡背和坡底土壤速效磷的含量，且與施肥等管理因素共同影響不同坡位各土層剖面速效磷的變異性。

（4）受施肥、耕作、種植、沉積等因素的影響，很難用基于USLE模型模擬的土壤侵蝕量預(yù)測土壤速效磷的空間分布特征。

致謝：感謝東北農(nóng)業(yè)大學(xué)劉威、張志強、張書豪等在野外采樣、室內(nèi)分析和數(shù)據(jù)處理方面的幫助。

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Spatial Heterogeneity of Soil Available Phosphorus on Typical Slope in Black Soil of Northeastern China

LIANG Jiahui，ZHANG Shaoliang，MU Linlin，HUANG Jing，YANG Fangyi，DONG Feng，ZHANG Xinbo，MENG Liang，SHEN Qingsong，WANG Yao
（College of Resources and Environment，Northeast Agricultural University，Harbin150030，China）

Soil available phosphorus（AP）is the key factor used for assessment of phosphorus（P）availability and environmental risk.Understanding the spatial variability was helpful to improve the precision fertilization，and reduce and control environmental pollution.AP（Olsen-P）in 0—60 cm layers from four sample transects was measured，and the AP dynamics was summarized systematically in profiles and lengthways.The results indicated that AP content ranged from 0.57 mg/kg to 50.01 mg/kg in 0—60 cm soil depth.AP in 0—20 cm soil depth vaired from 10 mg/kg to 40 mg/kg，and the soil productivity was at sufficiency level.In vertical directions，AP decreased from 0—20 cm to 50—60 cm soil layers.Fertilization decreased the variation in surface soil layer（0—20 cm），and soil loss and sediments increased the variation of deep soil layer（20—50 cm）.In horizontal direction，AP decreased from summit to down slope，soil loss and deposition decreased AP on both back slope and bottom.

mollisols；sample transect；soil profile；soil available phosphorus；soil erosion

S158

A

1005-3409（2017）01-0090-06

2016-03-12

2016-04-16

國家自然科學(xué)基金“凍融作用下侵蝕黑土耕層氮磷時空分異變化驅(qū)動機制研究”（41471228）；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)“學(xué)術(shù)骨干”項目“凍融作用下黑土磷空間格局變化及主要驅(qū)動機制”（15XG08）；黑龍江省普通本科高等學(xué)校青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃“侵蝕黑土坡面速效氮時空格局變化的驅(qū)動機制研究”（UNPYSCT-2016011）；大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目“凍融驅(qū)動下黑土磷空間格局變化特征研究”（201510224008）

梁佳輝（1995—），男，黑龍江嫩江人，本科生，研究方向為黑土生態(tài)過程。E-mail：643508828＠qq.com

張少良（1980—），男，黑龍江五常人，博士，副教授，主要從事黑土農(nóng)田景觀生態(tài)過程研究。E-mail：shaoliang.zhang＠neau.edu.cn