岩溶断陷盆地土壤肥力空间异质性及其影响因素

徐 烨, 邓 艳, 曹建华, 蒋忠诚, 岳祥飞, 朱梓弘,2

(1.中国地质科学院 岩溶地质研究所/自然资源部 岩溶生态系统与石漠化治理重点实验室广西岩溶动力学重点实验室, 广西 桂林 541004; 2.中国地质大学(北京), 北京 100083)

岩溶断陷盆地是指高原隆升造成的断裂活动引发的断块差异沉陷，加之岩溶侵蚀作用而形成的山间盆地[1-2]。我国断陷盆地主要集中分布在滇东—攀西一带，位于珠江、长江中上游，隶属国家“两屏三带”生态安全屏障区[3-4]。断陷盆地是我国石漠化综合治理工程重要区，滇东是断陷盆地发育典型、生态脆弱、石漠化最为严重的地区[4]。岩溶断陷盆地受“盆—山”共存的地质分异背景所控制，地质环境具有环状分带和梯级分区的特征[2]，叠加不同程度的人类活动强度，造成流域内不同区域水土流失、石漠化、生物多样性等生态环境问题在形式、空间尺度、性质和强度都明显不同。如盆底平坝区人口集中，人地矛盾突出，水土污染问题严重[5]；河谷区水土不配套，水土流失强烈，滑坡、泥石流多发[2]；高原到盆地的斜坡地带主要的环境问题是水土流失和石漠化严重[6]。因此探索断陷盆地地质环境变化规律，开展流域范围内分区生态及经济功能评价，对解决断陷盆地石漠化治理和生态恢复具有重要的理论意义和实用价值。

目前，学者就岩溶断陷盆地进行了大量有意义的探索，主要集中于断陷盆地石漠化演变机制及治理措施[4,7]、断陷盆地地下水分布和径流特征[8-10]、断陷盆地环境地质问题及对策[5,11]，但在岩溶断陷盆地土壤肥力空间分布及其影响因子的研究较少。因此，为了解岩溶断陷盆地不同地貌和土壤类型对土壤肥力的影响，正确评价并且高效利用岩溶区稀少的土壤资源，本文选取典型断陷盆地——云南小江流域为研究对象，采集小江流域不同地貌区(岩溶中山区、岩溶台地槽谷区、峰丛洼地、沉积平坝、岩溶河谷区)和不同土壤类型(红壤、紫色土、石灰土、水稻土)下的耕地土壤样品，采用主成分分析法、ArcGIS技术以及方差分析法等，研究土壤肥力空间异质性，并探究其影响因素，以便为小江流域耕地制定科学合理的分区施肥方案，并为选择适宜土壤质地的种植作物提供理论依据，对于实现区域全面协调可持续发展具有十分重要的意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

小江流域地处滇东岩溶高原面边缘及河谷斜坡地带，是典型的岩溶断陷盆地。地理坐标为103°30′—104°05′E,24°10′—24°45′N，流域总面积1 009.28 km2[12]。流域呈北东向展布，总体地势东高西低，北高南低(图1)。流域所在区域属于典型的亚热带高原季风气候，气候温和、雨量适中，枯雨季分明。流域多年平均气温15.2℃，多年平均降雨量966.8 mm。受到地形因素的影响，山区、坝区气候差异显著，整体表现出垂向差异性。从中高山区到盆底平坝区，降雨量逐渐减少，气温逐渐升高[13]。流域内主要分布的土壤类型有红壤、黄壤、紫色土、石灰土及水稻土，以红壤为主(图1)。

图1 小江流域高程及土壤类型

王宇等[2]根据地貌形态—成因类型的区间差异，将岩溶断陷盆地划分为侵溶蚀山区、溶蚀丘峰谷地区、沉积平坝区和侵溶蚀河谷区。在此基础上，根据小江流域的地质环境特征，将其地貌分为盆底沉积平坝区、岩溶中山区、岩溶河谷区、岩溶台地槽谷区和岩溶峰丛洼地(图2)。

图2 小江流域地貌分区

1.2 样品采集

采用随机取样的方法，按照“以耕地为对象、覆盖主要土壤和地貌类型、空间分布相对均匀”的原则，在不同土壤类型中，取0—20 cm表层土壤，选取样点497个(图3)，包含主要土壤类型红壤、石灰土、水稻土和紫色土，覆盖研究区的5个主要地貌分区，包括盆底平坝区、岩溶河谷区、台地槽谷区、岩溶中山区和峰丛洼地区。

1.3 土壤理化性质测定

测定土壤pH值、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾6个指标。其中pH值采用电位法测定，有机质采用重铬酸钾氧化—外加热法测定，全氮含量用凯氏法测定，碱解氮使用碱解扩散法测定，有效磷含量用碳酸氢钠提取—钼锑抗显色—紫外分光光度法测定，速效钾含量使用NH4Ac浸提—火焰光度法测定[14-15]。

图3 土壤采样点分布

1.4 统计分析

数据预处理在Excel 2010中进行，运用SPSS 22.0统计分析软件对数据进行描述性统计分析、方差分析以及主成分分析，利于ArcGIS 10.3对土壤养分进行克里金差值分析。

1.5 主成分分析

选取土壤pH值、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾6种指标作为土壤肥力质量指示因子，利用SPSS 22.0中的主成分分析从6个相关系数矩阵中提取初始因子，得到各指标的特征根、方差贡献率和累积方差贡献率。累积方差贡献率大于80%，成分特征根(λ)都大于1，基本可以反映土壤肥力指标的主要信息[16]，将其提取为主成分。将分析所得的载荷值(即成分矩阵)除以各主成分特征值的开方，从而得到3个主成分与原6项指标的线性组合的系数，即求得特征向量矩阵[17]，建立土壤肥力综合得分模型。

2 结果与分析

2.1 土壤养分在不同地貌类型间的比较

由图4可知，小江流域土壤pH值的变化范围在中性偏弱碱性之间，不同地貌类型间差异较为显著(p<0.05)。有机质平均含量为38.00～43.07 g/kg，根据全国第二次土壤普查及养分分级标准，达到1～2级养分标准。全氮的平均含量在2 g/kg以上，碱解氮的平均含量在170 mg/kg以上，二者均达到一级土壤养分标准。有机质含量在不同地貌类型间略有差异，全氮和碱解氮无显著差异。有效磷的平均含量为17.44～24.44 mg/kg，达到3级养分标准，不同地貌间略有差异；速效钾的平均含量达到2～3级养分标准，不同地貌间无显著差异。小江流域整体养分含量较高，不同地貌间差异不明显。

注：误差线表示平均值±标准误差，不同标识的小写字母代表同一土壤肥力指标在不同地貌类型间有显著差异(p<0.05)。

图4 土壤肥力指标在地貌类型间的比较

2.2 土壤养分在不同土壤类型间的比较

由图5可知，不同土壤类型的土壤pH值变化范围为6.52～7.48，整体呈弱酸性—弱碱性。有机质和碱解氮平均含量的变化顺序在不同土壤类型中相同，即石灰土>水稻土>紫色土>红壤，全氮的平均含量在不同土壤类型中的变化顺序为石灰土>水稻土>红壤>紫色土，与前者具有相似的规律。不同土壤类型之间土壤有机质、全氮和碱解氮的含量差异明显(p<0.05)，且主要体现在石灰土、水稻土与红壤、紫色土之间。有效磷和速效钾在水稻土中平均含量最低。不同土壤类型间土壤肥力较不同地貌间差异度显著。

图5 土壤肥力指标在土壤类型间的比较

2.3 土壤养分的分布

小江流域土壤肥力存在明显的空间异质性(图6)，且具有一定的规律性。土壤有机质、全氮和碱解氮含量分布极为相似。整体表现为，有机质、全氮和碱解氮的高值区主要分布在盆底平坝区和流域东南部的中山区和河谷区交界处；低值区主要分布在流域东北部和西南部的中山区。土壤速效钾的高值区主要分布在流域东北部中山区和台地槽谷区，低值区主要分布在流域东南部的中山区和河谷区，而土壤有效磷的高值区分布在流域北部的台地槽谷区和中部的盆底平坝区，低值区主要分布在流域南部的岩溶河谷区。

2.4 土壤养分的影响因子

由表1可知，地貌类型对6种土壤肥力指标的影响不显著，这可能是因为研究区频繁且有规律的人为活动，弱化了地貌因子对土壤养分的影响。土壤类型对pH值、全氮和碱解氮的影响极为显著(p<0.01)，影响作用大小(F)为pH值>全氮>碱解氮；对有机质、有效磷的影响显著(p<0.05)，影响作用大小(F)为有机质>有效磷；对速效钾的影响不显著。地貌类型和土壤类型的交互作用对速效钾的影响显著(p<0.05)，对pH值的影响极为显著(p<0.01)，对有机质、全氮、碱解氮和有效磷的影响不显著。

2.5 土壤综合肥力评价

主成分分析结果(表2)表明：6项土壤肥力指标对土壤肥力有不同程度的贡献。6项指标被分成3个主成分。根据主成分计算公式以及表3的成分矩阵和特征向量，可以得到3个主成分与6项土壤肥力指标的线性组合，公式如下：

S1=0.086X1+0.565X2+0.608X3+0.541X4+0.009X5-0.109X6

S2=-0.033X1+0.137X2+0.004X3-0.013X4+0.701X5+0.699X6

S3=0.955X1-0.099X2+0.085X3-0.170X4+0.172X5-0.112X6

式中：S1，S2，S3表示3个主成分；X1，X2，X3，X4，X5，X6分别表示pH值、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾的标准化变量。上述式中系数即特征向量，其绝对值越大，表明土壤肥力指标对主成分的影响越大。由表3可知，第一主成分受全氮、有机质和碱解氮的影响较大，第二主成分为速效钾和有效磷，第三主成分中pH值所占比重较大[16-17]，表明全氮、有机质和碱解氮是影响土壤肥力的主要因子。

图6 土壤养分空间插值

表1 土壤养分影响因素方差分析

注：*表示在p<0.05水平显著，**表示在p<0.01水平显著；×表示地貌和土壤类型的交互作用对土壤养分的影响。

各指标之间存在量纲的差异，因此在求得土壤肥力综合得分前，需对原始数据进行标准化处理[18]。将提取出的前3个主成分特征值(表2)进行归一化处理，作为上述3个组合式的权重，可以求得综合值S。

S=0.506S1+0.275S2+0.219S3

由表4—5可知，不同地貌类型和不同土壤类型土壤肥力综合得分从大到小分别为：台地槽谷区>平坝区>峰丛洼地>中山区>岩溶河谷，石灰土>水稻土>红壤>紫色土，且不同地貌和不同土壤类型之间土壤肥力综合得分差异较为显著。

3 讨 论

3.1 土壤肥力空间分析

受地质背景、地形地貌和区域气候的控制，加之人为活动的影响，小江流域土壤频繁交错[19]，土壤肥力表现出强烈的空间异质性。研究结果显示，小江流域土壤养分整体较为丰富。土壤肥沃的区域多集中在盆底平坝区和台地槽谷区，中山区和岩溶河谷区土壤肥力相对较差。盆底平坝区和台地槽谷区地势较为平坦，耕作方式多样且频繁，有机质含量较高，同时盆底平坝区第四系母质富钙的环境也有利于有机质的积累[20]。土壤有机质和土壤中微生物的固定作用是土壤中N的主要来源，有机质的储存直接影响N的存储和转化[21-22]，这与研究区有机质、全氮及碱解氮相似的分布特征符合。土壤pH值总体由中部向东北、西南递减。盆底平坝区地势平坦，接受周围碳酸盐岩地区的土壤流失，土壤中Ca，Mg含量较高[23-24]，土壤pH值较高，而中山区和岩溶河谷区海拔较高，且地势起伏较大，土壤淋滤作用较强，因此土壤pH值较低。土壤中有效态养分指可直接被作物吸收利用的元素含量。大量试验研究表明土壤中有效磷的含量和土壤发育程度、母岩、人为施肥、有机质含量等具有极大的相关性[25-26]，速效钾受土壤所处区域的水热条件、土壤质地、土壤母岩风化程度等影响[27]。研究表明，岩溶区土壤中有效磷和速效钾的主要来源是植物残体的归还和农户施肥[28]。一方面，地貌因子影响了P，K元素的累积与迁移，台地槽谷区和盆底平坝区地形平坦，土壤易保持，而中山区与河谷区地形较为起伏，坡度较大，加之研究区湿润的气候，水土流失严重，元素易淋溶迁移。另一方面，研究区复杂的生态地质环境造成了高山寒、山区凉、坝区暖、河谷热的多样立体气候[13]，针对这一特征，不同地貌区制定了不同的耕作管理方式，极大程度影响了土壤有效养分的空间分布。

表2 主成分特征值和贡献率

表3 各指标因子载荷量和特征向量

表4 不同地貌类型主成分综合得分

表5 不同土壤类型主成分综合得分

3.2 土壤类型对土壤肥力的影响

土壤肥力的空间分布差异性一方面受耕作施肥、种植制度、地形地貌、气温、降雨、植被覆盖等人为活动和环境条件的影响[24,29-30]，另一方面与土壤本身的结构性质也存在紧密联系。蒋勇军等[31]在研究小江流域土壤有机质空间变异时发现，不同母质发育的土壤中，有机质含量及其变异系数差异显著。本研究所选4种土壤分别属于3种土纲，红壤属于铁铝土纲，紫色土和石灰土属于初育土纲，水稻土属于人为土纲[32]。石灰土通过石灰岩直接风化形成，母岩中含丰富的钙质，钙离子易与腐殖质结合形成较为稳定的腐殖质酸钙，有利于有机质积累，石灰土具有稳定的有机质结构和良好的团粒结构，使其土壤肥力持久[20]。水稻土在长期的人为耕作管理下熟化而成，重复交替氧化还原过程[32]，其人为影响已超过自然成土作用。水稻土长年湿润，土壤多处于还原状态，有利于微生物的活动与积累，有机质含量相对较高[33]，此外，人为的耕作方式与施肥管理也是积累有机质的一大原因。铁铝土在高温湿润条件下，经历脱硅富铝化的过程，土壤中原生矿物被强烈分解，硅酸和盐基被强烈淋失，导致土壤中的阳离子交换量低，盐基极不饱和，有机质被迅速分解[32]，这与研究中红壤肥力低的特征相符。紫色土成土母岩中含有一定的有机质以及N，P，K，Ca，Mg等元素，自然肥力较高。但是紫色土母岩节理发育、结构差，成土过程中经历强烈的物理风化，且成土时间短[32]，不利于养分的存储，总体肥力偏低。

3.3 地貌类型对土壤质量的影响

地貌是土壤发育及分布的重要基础，是影响土壤质量的重要因素之一。不同的地貌位置，其水热条件、植被状况、地表径流的侵蚀速率等都存在差异，这些差异影响了土壤的形成及其物理、化学等性质的差异。峰丛洼地和中山区地形起伏，坡度较为陡峭，冲沟、落水洞、漏斗等发育，由于重力作用和地表径流的侵蚀，水土漏失严重，土层较薄，土壤养分流失，土壤肥力因子的含量处于较低水平，不利于作物生长；台地槽谷区和平坝区地形较为平坦缓和，土层发育深厚，养分不易流失，且耕地多以水稻田为主，土壤湿度大，土壤微生物较为活跃，一般表层土壤养分含量丰富，土壤质量等级较高，是作物栽种的适宜区域。研究区的峰丛洼地是台地槽谷区向平坝区的过渡地带，水土流失导致一部分土壤养分被带到平坝区，这是峰丛洼地土壤肥力质量高于中山区的一个原因。岩溶河谷区地形高差大且谷坡较大，土壤侵蚀强烈，河谷区地下水以垂直入渗为主，漏渗严重[12]，表层土壤养分被带到深层流失。

3.4 地貌和土壤类型的交互作用对土壤养分的影响

方差分析的结果显示，地貌因子对土壤养分影响不显著，母质对土壤养分的影响较为显著，但母质和地貌的交互作用只对pH值有极显著影响。统计结果显示，不同地貌类型下土壤养分差异度不显著，不同土壤类型下土壤养分差异度较为显著。土壤质量综合得分的结果显示，不同地貌和土壤类型的土壤综合质量差异较为显著。小江流域根据不同的地貌分区的特征，因地制宜，制定了相应的农业发展规划。平坝区以发展优质稻米、优良种子和高效经济作物(高原蔬菜)为主；台地槽谷区以发展稻米和特色经济作物(鲜花)为主；河谷区主要发展优质稻米；中山区着重发展林草农牧业；峰丛洼地发展林果业[34]。本研究所采集样品均来自耕地，受到统一的规划管理和耕作模式，人为活动对土壤的影响作用模糊了地貌的影响作用，不同地貌分区的土壤肥力差异可能与种植的作物种类有关。

改善土壤结构是提升土壤质量的重要措施。结合土壤母质性质和地貌类型的环境特征，综合生物、工程等多项措施，改善作物生长环境以此提高产量。

4 结 论

(1) 岩溶断陷盆地不同地貌分区环境特征差异显著，土壤类型多样且频繁交错，加之不同地貌分区人类活动方式的差异性，土壤养分空间分布差异性显著。

(2) 小江流域土壤养分整体含量较为丰富，有机质、全氮和碱解氮是决定土壤肥力质量的关键因子。不同土壤类型土壤肥力综合质量表现为石灰土>水稻土>红壤>紫色土；不同地貌类型土壤肥力综合质量表现为台地槽谷区>平坝区>峰丛洼地>中山区>岩溶河谷区。

(3) 统计结果显示，不同土壤类型间土壤养分含量差异性略强于不同地貌类型，主成分分析结果表明，不同土壤类型和地貌类型的土壤综合肥力差异显著，方差分析结果显示，土壤类型对土壤肥力的影响作用强于地貌类型。表明土壤肥力质量受地貌类型和土壤母质的共同影响，但人为活动弱化了地貌对土壤肥力的影响。