南方红壤区不同侵蚀程度下土壤有机质空间变异的影响因素研究
江叶枫a, 孙凯a, 郭熙a,*, 叶英聪b, 饶磊a, 李伟峰a, 李婕a, 王澜珂a
江西农业大学 a. 江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室/国土资源与环境学院,b. 林学院,南昌 330045
*通信作者简介:郭熙(1974- ),男,副教授,博士后,主要从事土壤遥感与信息技术及土地资源利用方面研究。E-mail: xig435@163.com

第一作者简介:江叶枫(1994- ),男,江西余干人,硕士研究生,主要从事土壤侵蚀与土壤养分变异研究。E-mail: jiangyf0308@163.com

摘要

研究不同侵蚀程度下土壤有机质空间变异的影响因素对指导耕地利用和水土保持工作的开展具有重要意义。论文以江西省兴国县耕地土壤有机质为研究对象,分析了不同侵蚀程度下土壤有机质的空间变异及其影响因素。结果表明:随着侵蚀程度的加深,兴国县土壤有机质含量呈下降趋势。不同侵蚀程度下土壤有机质含量差异显著( P<0.001),等级均为四级。变异系数由大到小依次为中度侵蚀(43.70%)>剧烈侵蚀(37.78%)>重度侵蚀(34.88%)>极强度侵蚀(34.44%)>无明显侵蚀(34.38%)>轻微侵蚀(28.91%)。在无明显侵蚀和轻微侵蚀时,高程和剖面构型是影响土壤有机质空间变异的主要因子。在中度侵蚀和重度侵蚀时,主要影响因素变为坡度。但在极强度侵蚀和剧烈侵蚀时,高程、坡度、坡向、成土母质和剖面构型对土壤有机质含量都影响显著( P<0.05)。因此,不同侵蚀程度下土壤有机质空间变异影响因素不尽相同。在不同侵蚀程度下合理开展耕地利用和水土保持工作有利于最大限度地节约资源。

关键词: 不同侵蚀程度; 土壤有机质; 红壤丘陵区
中图分类号:S157 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2018)01-0149-12
Spatial Variability of Organic Matter and Its Influencing Factors in Red Soil with Different Erosion Degrees in South China
JIANG Ye-fenga, SUN Kaia, GUO Xia, YE Ying-congb, RAO Leia, LI Wei-fenga, LI Jiea, WANG Lan-kea
a. Key laboratory of Poyang Lake Watershed Agricultural Resources and Ecology of Jiangxi Province / Academy of Land Resource and Environment, b. College of forestry, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China
Abstract

SPSS and GIS were applied to analyze the spatial variability of soil organic matter (SOM) and its influencing factors in red soil with different erosion degrees in Xingguo County in Jiangxi Province. The results showed that the SOM content tends to decline with the increase of soil erosion degree. Significant differences of SOM content were found in soil with different erosion degrees ( P<0.001), and the soil of each erosion degree can be divided into four grades of SOM content, with the coefficient of variation decreasing in the order of moderate erosion (43.70%), fierce erosion (37.78%), serious erosion (34.88%), extremely intensive erosion (34.44%), no significant erosion (34.38%) and slight erosion (28.91%). In the cases of no significant erosion and slight erosion, the elevation and profile pattern are the main controlling factors affecting spatial variability of SOM. When the erosion is moderate or serious, slope becomes the main factor. The elevation, profile configuration, slope and parent material all have significant effects on the SOM content in soil with extremely intensive erosion or fierce erosion. The research indicated that there are various controlling factors in soil with different erosion degrees. It can maximize saving resources when reasonably using of cultivated land, soil and water according to the erosion level of soil. The study is of great significance for cultivated land use and soil and water conservation.

Keyword: erosion degree; soil organic matter; hilly region of red soil

土壤有机质(Soil Organic Matter, SOM)是植物矿物质营养的主要来源, 也是陆地土壤碳库的重要组成部分, 其含量和动态直接影响着全球碳循环。受地形[1]、母质[2]、气候[3]和人为因素[4]的影响, 土壤存在着不同程度的侵蚀, 这种侵蚀对土壤碳库有重要的影响, 合理的水土保持措施可以促进土壤碳恢复和累积[5], 因此侵蚀地区有巨大的固碳潜力[6]。明确不同侵蚀程度下土壤有机质变异的影响因素不仅可以为区域土壤碳恢复机理研究提供理论依据, 而且有利于对侵蚀区域土壤质量恢复、生态重建以及水土保持等工作的开展。

土壤有机质含量的涵养和运移以及分布是复杂的物理、化学和生物过程, 受多种因素共同作用[7, 8]。目前对土壤有机质变异的影响因素研究大多集中在不同尺度[9, 10]、不同土地利用方式[11]、不同地貌类型[12], 而有关不同侵蚀程度下的研究却相对较少。前人研究结果表明, 由于土壤受到不同程度的侵蚀, 导致土壤有机质含量在不同尺度[13, 14]、不同土地利用方式[15, 16, 17]和不同地形地貌[18, 19]下存在差异性。关于侵蚀区域土壤有机质含量变化的影响因素研究, 一些学者也进行了初步探讨。如王春燕[20]对不同侵蚀程度下红壤区土壤有机质含量进行研究, 发现随着侵蚀程度的加深, 土壤有机质含量逐渐较少。窦晓琳等[21]对红壤侵蚀区土壤有机质含量进行分析, 发现侵蚀程度显著地改变了土壤有机质的含量。可见, 在土壤有机质的空间变异性研究中, 不同侵蚀程度所反映的空间变异规律不同。因此, 不同侵蚀程度下土壤有机质空间变异的影响因素研究有利于更加详细地描述土壤有机质空间变异规律和精确估算侵蚀区土壤碳汇潜力变化。

南方红壤区总面积218万km2, 其中红壤系列面积约128万km2, 占全区总面积的58.7%, 红壤区的侵蚀退化已成为限制这一地区农业持续发展的障碍因素, 严重威胁着区域土壤环境和农业可持续发展[22, 23]。因此, 研究红壤区不同侵蚀程度与土壤属性含量变化动态成为土壤生态学面临的严峻课题[21]。在有关土壤侵蚀和土壤属性的关系研究中, 有关坡耕地侵蚀对土壤属性含量变化影响的研究较多[24, 25]。国内外众多学者研究表明, 影响土壤属性含量变化的地形因子主要有坡度、高程、坡向等[26, 27]; 土壤结构性因子主要有耕层厚度、成土母质、剖面构型等[6, 12, 20, 28, 29]。但目前专门针对不同侵蚀程度下土壤属性空间变异的影响因素研究还较为薄弱。因此, 本文以江西省兴国县耕地土壤有机质为研究对象, 研究不同侵蚀程度下的土壤有机质含量与地形因子、土壤结构性因子的变化关系, 试图揭示不同侵蚀程度下土壤有机质空间变异的影响因素, 以期为不同侵蚀程度下土壤有机质空间变异研究、耕地利用以及水土保持工作提供参考依据。

1 研究区域和方法
1.1 研究区域概况

兴国县(26° 03′ ~26° 42′ N, 115° 01′ ~115° 51′ E)总面积为3 215 km2, 东西长84 km, 南北宽72 km。地处中国中亚热带南部, 位于江西省中南部, 赣州市北部。海拔150~ 1 200 m, 主要地貌类型为山地, 山地面积为2 240 km2, 其次为丘陵, 平原较少, 是江西省比较典型的山区县之一。年平均降水量1 522 mm, 年平均降水天数155 d, 年平均日照1 926.5 h, 年平均气温18.8 ℃。地带性植被为亚热带常绿阔叶、针叶林, 但由于森林砍伐和农业活动, 植被多为残存的次生林和灌丛, 仅北部山区存在小面积常绿阔叶林。自1983年被国务院列为全国8个水土保持重点治理区之一, 经过几十年的治理, 兴国县植被覆盖率达到 42.3%[30]。耕地土壤类型主要为红壤、黄壤、紫色土等。零坡度耕地面积为12 187 hm2, 占总耕地面积的17.88%, 主要分布在中度侵蚀、重度侵蚀和无明显侵蚀程度下; 坡度0~10° 的耕地面积为53 711 hm2, 占总耕地面积的79.34%, 主要分布在无明显侵蚀、轻微侵蚀、中度侵蚀、重度侵蚀和极强度侵蚀程度下; 坡度大于10° 耕地面积为2 262 hm2, 占总耕地面积的2.78%, 主要分布在剧烈侵蚀、无明显侵蚀和重度侵蚀程度下。土壤侵蚀类型以水力侵蚀为主。

1.2 数据来源

土壤样品采集于2010— 2012年, 按照全国耕地地力调查与质量评价技术规程, 在兴国县采用多点混合的方法采集耕地表层土壤样品4 351个。每个采样点均以GPS记录其海拔和坐标, 每个样点采集样品1 000 g, 土壤样品经过自然风干后, 在实验室磨碎过筛, 采用重铬酸钾(K2Cr2O7)油浴加热测定土壤有机质含量[31]。DEM(数字高程模型)数据由1:1万地形图生成, 其他地形数据均由DEM借助ArcGIS 10.2软件处理提取(图1)。

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

表4 不同侵蚀程度下土壤有机质与影响因素相关性分析 Table 4 Correlations between SOM and influence factors for soil with different erosion degrees
1.3 侵蚀程度划分

参照1997年水利部颁布的SL190— 1996《土壤侵蚀分类分级标准》, 根据平均侵蚀模数, 在实地采样的基础上对每个采样点利用通用土壤流失方程计算土壤侵蚀模数, 对江西省兴国县土壤侵蚀程度进行分级(表1)。

表1 土壤侵蚀分级 Table 1 Classification of soil erosion
1.4 数据处理

本文采用拉依达准则法对采样点数据的有机质含量进行异常值处理(3倍标准差)[12], 剔除异常值后的样本为4 334个。本文后续研究均采用处理后的数据。空间变异用ArcGIS 10.2生成数据图层后再用GS+7.0进行半变异函数计算和模型拟合。对地形因子与土壤有机质含量进行Pearson相关性分析(连续型变量)[6, 7], 对土壤结构性因子进行Spearman相关性分析(非连续型变量)[32, 33]; 同时进行单因素方差分析。最后用ArcGIS 10.2插值生成全县土壤有机质含量空间分布图, 常规性统计分析均在SPSS 22软件中完成。

在相关性分析中, 土壤结构性因子按《全国耕地地力调查与质量评价技术规范》分别进行赋值。在土壤有机质空间变异影响因素的方差分析中, 把高程分为9组:100~200、200~300、300~400、400~500、500~600、600~700、700~800、800~900、900~1 000 m; 坡度分为3组:零坡度、0~10° 、> 10° ; 坡向分为3组:零坡度、阳坡、阴坡; 曲率分为 3组:表面向上凹、平面、表面向上凸; 坡度变率分为3组:0、0~1、> 1; 耕层厚度分为3组:0~10、10~20、20~30 cm; 地貌类型分为3组:平原、丘陵、山地; 土壤质地分为5组:轻壤、砂壤、砂土、粘土、中壤; 成土母质分为3组:千枚岩、红砂岩、花岗岩; 剖面构型分为5组:薄层型、粘质垫层型、均质型、夹层型、砂姜黑土型。

2 结果与分析
2.1 土壤有机质的描述性统计特征

从土壤有机质的统计分析结果来看(表2), 土壤有机质平均值为14.81 g/kg, 值域范围为3.30~31.10 g/kg。根据第二次土壤普查土壤有机质含量分级标准, 兴国县土壤有机质级别为4级, 含量相对较低。随着侵蚀程度加深, 平均值总体呈下降趋势, 中间略有波动。从分布类型可以得知均符合正态分布。不同侵蚀程度下土壤有机质的变异系数均为中等变异性。变异系数由大到小依次为中度侵蚀(43.70%)> 剧烈侵蚀(37.78%)> 重度侵蚀(34.88%)> 极强度侵蚀(34.44%)> 无明显侵蚀(34.38%)> 轻微侵蚀(28.91%)。

表2 不同侵蚀程度下土壤有机质的描述性统计特征 Table 2 Descriptive statistic characteristics of SOM in soil with different erosion degrees
2.2 半变异函数分析

影响土壤有机质空间变异的因素分为内因和外因。内因是地形因子和土壤结构性因子(如高程、坡度、母质、剖面构型等), 外因是随机性因子(如耕作措施、施肥调节和土壤改良等)。从表3可以看出, 不同侵蚀程度下土壤有机质的块金效应值(随机性部分引起的空间变异占系统总变异的比例)[34, 35]均小于25%, 呈强空间相关性, 内因起主要作用, 地形因子和土壤结构性因子对土壤有机质空间变异的影响达到75%。首先, 块金效应值随着侵蚀程度的增加在不断减少, 表明在侵蚀程度增大的过程中, 地形因子和土壤结构性因子对有机质含量的影响有所增加。其次, 在重度侵蚀达到最小后, 除坡度与有机质含量相关性显著外, 其他地形因子均与有机质含量相关性均不显著(表4), 这与方差分析结果比较一致, 表明在重度侵蚀时坡度对有机质空间变异起主要作用。然后, 块金效应值又随着侵蚀程度上升而增加, 地形因子和土壤结构性因子与土壤有机质含量相关性显著(表4)。可见不同侵蚀程度下影响有机质空间变异的因素不一。轻微侵蚀、重度侵蚀的理论模型分别为球状模型和指数模型, 其他都为高斯模型。各模型的拟合度都非常高(大于0.9); 但变程相对较小, 这与兴国县复杂的地形地貌空间结构特征相符合。

表3 不同侵蚀程度下土壤有机质半变异函数参数 Table 3 Semi-variogram parameters of SOM in soil with different erosion degrees
2.3 土壤有机质与影响因素相关性分析

从Pearson和Spearman相关系数可知(表4), 极强度侵蚀和剧烈侵蚀程度下高程与土壤有机质呈极显著的正相关关系(P< 0.01), 可解释为海拔越高, 有机质含量越高。坡度在无明显侵蚀和重度侵蚀程度下呈负相关关系, 而在极强度侵蚀下变成正相关关系; 大量研究表明[36, 37], 当坡度超过一定限度时, 其侵蚀量与坡度呈反比关系; 说明存在坡度临界值。坡度变率也由无明显侵蚀程度下的负相关变为极强度侵蚀程度下的正相关(P< 0.01), 与坡度变化类似。成土母质相关系数均大于零, 土壤有机质含量高低依次为千枚岩> 红砂岩> 花岗岩。剖面构型由极强度侵蚀程度下的正相关变为剧烈侵蚀程度下的负相关(P< 0.01)。坡向和地貌类型仅在极强度侵蚀程度下相关性显著(坡向:r=0.219, P< 0.01; 地貌类型:r=0.169, P< 0.05)。曲率仅在中度侵蚀程度下呈显著的负相关关系(P< 0.05)。耕层厚度在极强度侵蚀和剧烈侵蚀程度下负相关关系显著(P< 0.05)。土壤质地在不同侵蚀程度下的相关性并未达到显著水平, 说明其对土壤有机质含量的影响较小。

2.4 土壤有机质空间分布格局分析

为了更加直观地反映不同侵蚀程度下土壤有机质含量的空间分布情况, 在半变异函数分析及模型拟合的基础上, 对土壤有机质含量进行普通克里金插值得到了土壤有机质空间分布图 [图2(a)], 土壤侵蚀图由水利部调查的全省土壤侵蚀图处理提取 [图2(b)]。兴国县土壤有机质含量分布总体趋势是:随着侵蚀程度的加深, 土壤有机质含量呈下降趋势, 这与以往研究结果一致。

图2 土壤有机质空间分布和土壤侵蚀Fig. 2 Spatial distributions of SOM content and soil erosion

从不同侵蚀程度来看(图2), 土壤有机质高值区域大部分都分布在无明显侵蚀、轻微侵蚀程度和中度侵蚀程度下。结合图1(b)与图2可知, 部分侵蚀程度较高的区域土壤有机质含量也高, 这与表4结果一致, 究其原因:1)由于海拔增加, 温度随之减少, 从而有利于土壤有机质的积累; 2)由于海拔不同会导致土地利用类型的不同, 从而间接引起土壤有机质含量的差异; 3)在低山丘陵区, 坡度与土壤密度较大、土质疏松、植被覆盖率较低导致土壤有机质流失较多。从表5可以看出, 中度侵蚀与重度侵蚀、极强度侵蚀、剧烈侵蚀程度三者土壤有机质含量均无显著差异(P> 0.05), 重度侵蚀与极强度侵蚀和剧烈侵蚀程度二者土壤有机质含量无显著差异(P> 0.05), 平均含量高低依次为极强度侵蚀(14.81 g/kg)> 中度侵蚀(14.05 g/kg)=重度侵蚀(14.05 g/kg)> 剧烈侵蚀(13.69 g/kg)。极强度侵蚀与剧烈侵蚀程度下有显著差异(P< 0.01)。无明显侵蚀除与极强度侵蚀无显著差异外, 与其他侵蚀程度都差异显著, 表明侵蚀显著地改变了土壤有机质含量, 与表6结果一致。轻微侵蚀与所有侵蚀程度差异显著, 且从表2可以看出轻微侵蚀的有机质含量平均值最高(16.81 g/kg), 可以从两方面解释:一方面是由于轻微侵蚀使得土壤表面团聚性更为明显[6, 38], 使其波动范围缩小, 而最大值与最小值也说明了这一点; 另一方面是由于采样本较少导致含量分布随机性较大。总之, 土壤有机质含量在不同侵蚀程度下差异极其显著(表6, P< 0.001)。

表5 不同侵蚀程度下土壤有机质含量LSD检验 Table 5 LSD test of SOM content in soil with different erosion degrees
表6 不同侵蚀程度下土壤有机质含量方差分析 Table 6 Variance analysis of SOM content in soil with different erosion degrees
2.5 土壤有机质空间变异影响因素

影响土壤有机质空间变异的因素很多, 根据相关性分析可知(表4), 不同侵蚀程度下地形因子和土壤结构性因子与土壤有机质含量相关性显著。因此本文主要就高程、坡度等地形因子和成土母质、剖面构型等土壤结构性因子分析土壤有机质空间变异。

地形因子的方差分析结果表明(表7), 在不同侵蚀程度下空间变异的影响因子不尽相同。在无明显侵蚀和重度侵蚀程度下, 高程对土壤有机质空间变异影响显著(P< 0.05), 这与前面的相关性分析结果不一致, 原因可能是因为重分组扩大了局部范围的影响程度, 使得在整体上揭示了有机质变异情况。在轻微侵蚀程度下, 除曲率外其他地形因子对有机质空间变异均影响显著, 可见轻微侵蚀降低了不同表面凹凸形状对有机质空间变异的影响, 但当侵蚀程度变为极强度侵蚀时影响又变得显著(P< 0.01); 因为随着侵蚀程度的增加, 土壤表面凹凸形状不断进行分化, 从而导致土壤有机质含量积累程度不同。在轻微侵蚀及以上侵蚀程度时, 坡度对有机质空间变异影响均显著(P< 0.05), 随着坡度的增大, 不同侵蚀程度下土壤有机质含量逐渐减少, 这与陈海滨等[39]研究结果相似; 说明坡度是不同侵蚀程度下影响变异的主要因素之一。在无明显侵蚀、中度侵蚀和重度侵蚀时, 坡向对土壤有机质空间变异影响不显著, 在轻微侵蚀、极强度侵蚀和剧烈侵蚀时影响显著(表7)。在重度侵蚀时, 高程(P< 0.05)和坡度(P< 0.01)对土壤有机质空间变异影响都比较显著, 这可以从两个方面解释:一方面, 高程支配着水、热资源的分配[40, 41], 影响土壤中有机物质的矿化和降解过程, 从而影响土壤有机质的空间变异; 另一方面, 坡度会影响降雨冲刷力的大小, 造成不同坡度下水土流失量的差异, 进而会影响有机质的空间变异。在极强度侵蚀时, 地形因子对有机质空间变异都影响显著, 而在剧烈侵蚀时, 地形因子的影响有所降低, 曲率和坡度变率甚至变为无显著影响, 这与相关分析结果(表4)较为一致。

土壤结构性因子的方差分析结果表明(表7), 成土母质在轻微侵蚀、重度侵蚀、极强度侵蚀和剧烈侵蚀下对土壤有机质空间变异影响显著, 表明不同母质因其土壤团聚体结构、抗侵蚀能力、物理化学风化过程不同, 从而导致土壤有机质含量的不同。剖面构型除了在重度侵蚀程度下影响不显著, 其他侵蚀程度下影响均显著; 剖面构型因发生层排列顺序不一使其土壤孔隙状况、土壤水存在形态、土壤水分运行机制等[42]特性不同, 从而形成土壤有机质含量的不同。地貌类型在无明显侵蚀程度和极强度侵蚀下有显著影响(P< 0.05), 主要原因可能是兴国县耕地图斑分布比较零散、破碎程度较高, 沟壑纵横, 山区丘陵平原交替, 海拔差异大。土壤质地在无明显侵蚀、轻微侵蚀、中度侵蚀和剧烈侵蚀时不显著, 说明对于不同土壤质地的耕地, 土壤有机质含量具有一定的稳定性, 这与人们长期耕作和进行施肥调节有关。耕层厚度在无明显侵蚀和极强度侵蚀程度下对土壤有机质空间变异影响显著(P< 0.05), 原因可能是土壤有机质降解程度会随土壤深度的增加而加强, 进而影响土壤有机质含量差异[28]; 同时人们长期耕作与秸秆还田也会导致不同深度下土壤有机质含量的不同。

综上, 不同侵蚀程度下影响土壤有机质含量空间变异的因子是不同的。

3 讨论

由于地形、母质、气候、生物和人类活动等因素的影响, 土壤有机质存在空间变异性, 不同侵蚀程度下空间变异程度不同(表2), 影响因素也不同(表4表7)。

表7 各影响因子组间土壤有机质含量方差分析概率水平 Table 7 Probability level of SOM variance analysis among different impacting factors

在无明显侵蚀和轻微侵蚀时, 高程和剖面构型是影响土壤有机质空间变异的主要影响因素。从方差分析结果可以看出, 不同侵蚀程度下土壤有机质含量随着高程的变化差异明显; 相关性分析表明土壤有机质含量随高程呈先下降后上升, 再下降又上升的总体趋势。主要原因在于:在海拔较低的地区, 人类活动较多, 土地开发利用强度和效率大, 土壤有机质含量普遍较低; 虽然部分区域精耕细作土壤有机质含量较高, 但范围较小。随着海拔的升高, 基岩的裸露, 植被较为稀疏, 降雨直接降落到地面上, 造成土壤有机质的流失。当海拔再次上升, 由于兴国县的特殊地形, 这部分耕地大部分耕作在山脊, 山坡上的土壤有机质流失量大部分汇入山脊中的耕地, 土壤有机质含量上升。当海拔继续上升, 受植被、降雨和坡度的综合作用使得有机质含量下降。在海拔较高的区域, 人类耕种活动减少, 但这一区域大量修建梯田, 梯田化程度较高, 在一定程度上减少了水土流失, 避免了耕地土壤的侵蚀, 土壤有机质含量有所上升。

在中度和重度侵蚀时, 影响因子变为坡度。大量研究表明[13, 14, 19, 25, 26, 29], 坡耕地的水土流失所导致土壤表层营养元素流失是致使土壤肥力下降的主要原因。随坡度增加, 径流量加大, 土壤的侵蚀速率增大, 水土流失量增加, 土壤有机质含量下降。陈海滨等[39]研究表明, 坡度对土壤有机质含量主要通过影响降雨入渗时间及径流流速, 从而影响坡面表层土壤颗粒起动、侵烛方式和径流的挟沙能力, 进而影响到土壤有机质的流失。也有众多学者对坡度与土壤侵蚀、坡度与土壤属性流失量的关系进行了研究[18, 19, 24, 25, 29, 37], 其结论均指出坡度与侵蚀程度以及土壤属性流失量呈现一定的函数关系, 这与本研究结果一致。

在极强度和剧烈侵蚀时, 高程、坡度、坡向、成土母质和剖面构型共同影响土壤有机质空间变异。高程、坡度、剖面构型在强烈侵蚀程度下与在微量侵蚀和明显侵蚀时较为相似。坡向主要通过影响光热资源的再分配使得有机质在空间分布上存在差异。在极强度和剧烈侵蚀不同成土母质土壤有机质含量大小依次为:千枚岩> 红砂岩> 花岗岩, 这与宋正姗等[6]研究结论一致。主要是千枚岩透水能力强, 抗风化能力弱, 可为植被提供良好的生存环境, 土壤有机质含量较高; 而花岗岩透水能力低, 抗风化能力强, 植被易被破坏, 水土大量流失, 土壤有机质积累量较少。

土壤侵蚀是一个与时空尺度相关的过程, 该过程在空间上可以划分为小区、坡面、小流域和区域4个研究尺度, 不同的尺度具有不同的主导性或者控制性过程[43, 44]。王艳华等[13]对侵蚀区小流域尺度土壤有机质空间变异影响因素进行研究, 发现随坡度和坡长的增大土壤有机质含量降低。陈世宝等[45]以侵蚀区域的全山坡剖面为研究对象, 发现在整个山坡的坡度范围内, 随着坡度的增加, 土壤有机质含量逐渐降低。这与本研究结果相似。其他学者也在不同尺度发现坡度变化是导致土壤有机质变异的主要因素[18, 19, 20]。因此, 在不同坡度下修建梯田、陡坡农地退耕等优化土地利用格局是有效防止土壤水土流失和土壤退化的措施。土壤侵蚀能够破坏土地资源, 降低土地生产力, 加剧洪涝干旱; 日益严重的土壤侵蚀对耕地利用、水土保持和环境构成了很大威胁, 已成为全球性的重大环境问题之一。在地形复杂的兴国县境内, 轻微侵蚀及以上侵蚀占总耕地的一半以上, 28.01%的耕地存在着剧烈侵蚀(表8)。虽然近年来兴国县在防治耕地水土流失方面做了大量工作, 成效显著, 经验丰富, 但仍然存在严重的土壤侵蚀问题。不同侵蚀程度下土壤有机质空间分布除地形因子和土壤结构性因子外, 其他因子如植被覆盖率、水土保持工程投入力度、土地利用方式、降雨量、人为因素等都与土壤有机质含量高低有着密切的关系。

表8 不同侵蚀程度下耕地面积占比 Table 8 The percentage of cultivated area in soil with different erosion degrees
4 结论

1)不同侵蚀程度下, 兴国县土壤有机质含量都相对较低, 有机质含量分级为4级。变异程度均为中等变异, 变异系数的大小依次为中度侵蚀(43.70%)> 剧烈侵蚀(37.78%)> 重度侵蚀(34.88%)> 极强度侵蚀(34.44%)> 无明显侵蚀(34.38%)> 轻微侵蚀(28.91%)。

2)空间分布结果表明, 随着侵蚀程度的加深, 土壤有机质含量整体呈下降趋势。不同侵蚀程度下土壤有机质含量差异显著, 平均值由大到小依次为轻微侵蚀(16.81 g/kg)> 无明显侵蚀(15.27 g/kg)> 极强度侵蚀(14.81 g/kg)> 中度侵蚀(14.05 g/kg)=重度侵蚀(14.05 g/kg)> 剧烈侵蚀(13.69 g/kg)。

3)在无明显侵蚀和轻微侵蚀时, 高程和剖面构型是影响有机质空间变异的主要因子; 在中度侵蚀和重度侵蚀时, 主要影响因素变为坡度; 但在极强度和剧烈侵蚀时, 高程、坡度、坡向、成土母质和剖面构型对土壤有机质含量影响均显著(P< 0.05)。

The authors have declared that no competing interests exist.

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