磷是地球生命系统的主要营养元素之一，也是生态系统常见的营养限制因子(汪涛等，2008)，磷含量的变化影响着碳、氮循环在内其他元素的生物地球化学循环(Bronson et al.，2004).目前，土壤磷素的空间变异特征以及运移规律已成为国内外的研究热点之一(Rogera et al.，2014；李学平等，2010).在土壤养分空间变异性方面，以大尺度养分的空间异质性(Liu et al.，2013；Liu et al.，2014)、土壤养分的多样性(陈翠英，2005；司涵等，2014)和环境影响因素(李文军等，2014)等为主.土壤全磷是土壤质量的重要指标，它代表着土壤磷素的总储量.而土壤速效磷是表征土壤供磷能力和确定磷肥用量的重要指标，同时也是反映环境风险的主要参数(Chen et al.，2008).不同土壤类型气候区域和施肥方式下土壤中全磷和速效磷含量变化各异，其磷素有效性主要受土壤类型、气候条件、地理位置等各种因素影响(王永壮等，2013).磷素积累虽能提高土壤对作物的磷素供应能力，增加土壤磷储量，但土壤磷含量超过临界饱和值时，磷素通过地表径流等形式流失到周围水体中的风险显著增加，导致或加速水体的富营养化(张展羽等，2013).尤其在农地为主要土地利用类型的流域，表层土壤磷的流失主要为地表径流和土壤侵蚀的方式(单艳红等，2004；Rodríguez-Blanco et al.，2013).据估计，全世界每年有3×10⁶～4.3×10⁶ t的磷素从土壤迁移到水中(Foy et al.，1995).因此，研究土石山区流域表层土壤磷素的空间异质性和有效性，有助于揭示水源区小流域土壤磷素分布的空间异质性和控制养分流失的迁移路径.

本研究以汉江中游土石山区的余姐河小流域为研究区域，通过流域调查与网格采样(30 m×30 m)，运用地统计学方法和土壤磷素的有效性指标，研究土石山区小流域土壤磷素的空间分布特征以及不同土地利用下土壤磷素的有效性，旨在为汉江流域的土壤养分管理以及非点源污染防治提供基础数据与参考依据.

余姐河小流域位于陕西省安康市汉滨区的恒口镇与大同镇之间(图 1a)，地理坐标为东经108°48′15″~108°48′42″，北纬32°44′55″~32°45′13″，流域面积0.14 km²，海拔325~381 m.多年平均降雨量850 mm，降水量年内分配不均，大部分降雨集中在7—10月，约占全年降水量的65%.流域土壤主要为母岩风化的岩屑，与少量砂质粘土构成石碴土，石碴土面积约占流域总面积65%，其次为棕褐色沙质粘土，主要分布在流域下游，面积约占35%.植被主要为次生林，乔、冠混交，针、阔叶混交，农地以河道两侧的坡耕地为主，主要种植玉米和花生等作物.

图 1(Fig. 1)

图 1 余姐河流域地理位置(a)、土地利用及采样点分布图(b) Fig. 1 Location and sampling points distribution in Yujiehe watershed

为获得流域精确的土壤磷素空间分布特征，于2014年1月在余姐河小流域进行高密度网格采样(30 m×30 m)，共采集207个表层土壤(0~20 cm)样品(图 1b).采样点坐标通过高精度GPS定位，采样过程中记录采样点的土地利用类型、海拔、坡度、坡向等样点信息.采集的土样样品带回实验室后自然风干、过筛、装袋待测.土壤全磷含量采用HClO₄-H₂SO₄消煮钼锑抗比色法测定，土壤速效磷含量采用NaHCO₃浸提钼蓝比色法测定(鲁如坤，2000).

采样点数据的统计分析采用SPSS17.0，统计分析的特征值包括平均值、最小值、最大值、变异系数等.采用单因素方差分析(ANOVA)进行显著性检验.空间变异性使用GS+(7.0)软件中的半方差函数分析，小流域磷素的空间分布图在ArcGIS10.1中采用普通克里格插值法进行绘制.

半方差函数是地统计学中研究土壤变异性的关键函数，用来描述土壤性质的空间连续变异的一个连续函数，反映土壤性质的不同距离观测值之间的变化.表达式为：

土壤磷密度的计算公式为：

土壤磷素的有效性采用土壤磷素的活化系数表征(杨小燕等，2014)，土壤磷素的活化系数(Phosphorus activation coefficient，简称PAC)为土壤速效磷与土壤全磷之比，PAC的计算公式为：

采用经典统计学法对余姐河流域的土壤全磷和速效磷统计分析，结果见表 1，流域表层土壤全磷含量平均值为0.36 g·kg^-1，农地、林地、草地土壤全磷的平均含量分别为0.37 g·kg^-1、0.35 g·kg^-1、0.35 g·kg^-1，说明农地的全磷含量略高于林地和草地.这是因为土壤全磷包含各种形态的磷素，主要为吸附态且在土壤中移动性极小，其含量与施肥有很大关系(林德喜等，2005)，农地由于施肥、耕作等人类活动的影响导致土壤全磷含量略有增加.土壤速效磷含量的平均值为18.23 mg·kg^-1，农地、林地、草地土壤全磷的平均含量分别为：17.52、19.23、17.90 mg·kg^-1，表现为林地＞草地＞农地，综合分析全磷和速效磷含量可知，农地土壤全磷含量最高，但其速效磷含量最低，一方面是由于速效磷易溶于水并被植物吸收利用，而且农地耕作频繁作物收获时带走一部分速效磷；另一方面农地表层土壤更容易受到坡面径流影响而导致速效磷含量降低，而林地和草地能够减缓地表径流，阻碍速效磷的迁移(杨珏等，2007).为进一步分析土壤全磷和速效磷在不同土地利用下的差异而采用了ANOVA检验，检验结果表明不同土地利用下土壤全磷和速效磷含量均不存在显著差异(p＞0.05).根据Nielson(1985)的分类系统：弱变异CV≤10%，中等变异10%＜CV＜100%，强变异CV≥100%.不同土地利用下土壤全磷和速效磷的CV值分别在42%~54%和84%~87%的范围之间，说明不同土地利用的土壤全磷和土壤速效磷变异系数均为中等变异，其中林地土壤全磷的变异强度最小，但林地速效磷的变异强度最大.

表 1(Table 1)

表 1 不同土地利用类型土壤全磷和速效磷统计特征 Table 1 Characteristics of descriptive statistics of soil TP & Oslen-P content for different land use types

表 1 不同土地利用类型土壤全磷和速效磷统计特征 Table 1 Characteristics of descriptive statistics of soil TP & Oslen-P content for different land use types 土地利用 TP/(g·kg-1) Oslen-P/(mg·kg-1) 均值 最小值 最大值 CV 均值 最小值 最大值 CV 农地 0.37 0.15 1.10 44% 17.52 1.50 80.40 84% 林地 0.35 0.05 0.92 42% 19.23 2.00 96.20 87% 草地 0.35 0.12 1.10 54% 17.90 2.00 75.40 84% 所有样地 0.36 0.05 1.10 46% 18.23 1.50 96.20 85%

Kriging空间插值可知流域土壤全磷和速效磷含量的空间分布特征，但首先要求数据满足正态分布，所以全磷和速效磷含量的数据经对数转化为正态分布后进行半方差函数分析并进行Kriging插值.通过半方差函数拟合得到其空间分布模型和参数值，将残差平方和(RSS)最小且拟合度(R²)最高的模型确定为最优理论模型(表 2，图 2).土壤全磷和速效磷的最优模型均为高斯模型，其决定系数分别为0.88和0.89，说明模型的拟合精度较好，能够反映研究区土壤全磷和速效磷含量的空间结构特征.变程主要反映区域化变量在空间上自相关范围的大小，土壤全磷和速效磷的变程分别为38.45 m和39.57 m，大于本次采样点的间距30 m，说明本次采样间距达到空间分析的要求.

表 2(Table 2)

表 2 土壤全磷和速效磷的半方差函数及其相关参数 Table 2 Semi-variogram models and its parameters of soil total phosphorus and Olsen-P

表 2 土壤全磷和速效磷的半方差函数及其相关参数 Table 2 Semi-variogram models and its parameters of soil total phosphorus and Olsen-P 磷素 块金值 基台值 块金系数 变程/m 模型 决定系数 残差 TP 0.020 0.196 10.20% 38.451 Gaussian 0.88 1.59×10-3 Olsen-P 0.101 0.720 14.02% 39.565 Gaussian 0.89 6.39×10-3

图 2(Fig. 2)

图 2 余姐河流域土壤全磷和速效磷的半方差函数理论模型 Fig. 2 Semi-variogram theory models of soil total phosphorus & Olsen-P in the Yujiehe watershed

块金值表示由随机部分引起的空间异质性，基台值表示系统内的总的变异.块金值与基台值的比值为块金系数，表示随机部分引起的空间异质性占系统总变异的比例.如果块金系数比值高，说明样本间的变异更多的是由随机因素引起的.余姐河流域土壤全磷和速效磷的块金系数分别为10.20%和14.02%，通过土壤全磷和速效磷的统计特征和块金系数可知，土壤全磷和速效磷的空间分布虽受施肥等人为干扰，但由于施肥量较小，施肥等人为干扰对全磷以及速效磷的影响也较小，土壤全磷和速效磷的空间异质性主要由结构性因素影响，如成土母质、土壤类型、坡向、坡位等自然因素等，这与流域实地调查的结果一致，流域内农户使用磷肥较少.另外，块金系数也代表了系统变量空间相关性程度，若其值＜25%，说明系统为空间强相关；25%～75%之间为空间中等强度的相关性；若大于75%，说明系统空间相关性很弱(赵军等，2006；王政权等，1999).由表 2可知，土壤全磷和速效磷的空间分布均呈现出强相关性.

根据表 2中的模型参数，对土壤全磷和速效磷含量进行Kriging插值(图 3).由图 3可见，流域中全磷含量的高值区呈斑块状分布，其中土壤全磷含量为0.20~0.35 mg·kg^-1的区域在流域中分布面积最广，土壤全磷的高值区则主要分布在流域的东南部以及流域中下游河岸两侧，结合图 1的土地利用类型可知，在流域的东南部为面积较大的林地，其林下灌木、草被的有机物质较多，而且林地能够有效阻止磷素向坡下迁移，所以该区域的土壤全磷含量高于周围地区，另一个土壤全磷的高值斑块位于流域中下游的河流两岸坡耕地，由于坡面布设了梯田等水保措施使坡面土壤的全磷相对较高.由图 3可知，速效磷的空间分布为沿着河流呈网状分布，其中速效磷含量为10~20和30~40 mg·kg^-1的区域重合或连通，主要分布在河流两岸，说明这些区域的速效磷存在从土壤迁移至河流的风险且流失风险较高.通过对比图 3全磷和速效磷的空间分布可知，土壤全磷的高值区一般也是土壤速效磷的高值区，这是因为土壤速效磷含量的高低主要取决于土壤磷组分之间的分布与转化，且与难以移动的全磷相比，速效磷更易随径流发生迁移，因此速效磷的分布斑块呈逐渐连通的形状.英国洛桑实验站长期定位试验研究表明，土壤Oslen-P 含量60 mg·kg^-1是一个突变点，含量超过60 mg·kg^-1时，土壤排出的水中全磷含量高达3 mg·L^-1(杨文等，2015).

图 3(Fig. 3)

图 3 余姐河小流域土壤全磷和速效磷空间分布特征 Fig. 3 Spatial distribution of soil total phosphorus and Olsen-P in the Yujiehe watershed

为精确评估不同土地利用全磷和速效磷的含量，分别计算了不同土地利用每平方米的磷含量，即磷密度.由表 3可以看出，草地全磷和速效磷的磷密度最高，分别为0.092 kg·m^-2和4.67 g·m^-2，这主要是由于草地的立地条件较差，其土壤容重在三种土地利用类型中最大，导致草地土壤全磷和速效磷的磷密度高于林地和农地.

表 3(Table 3)

表 3 余姐河流域不同土地利用下土壤全磷密度值及容重平均值 Table 3 Mean soil phosphorus content and bulk density for different land use types in the Yujiehe watershed

表 3 余姐河流域不同土地利用下土壤全磷密度值及容重平均值 Table 3 Mean soil phosphorus content and bulk density for different land use types in the Yujiehe watershed 土地利用类型 土壤容重/(kg·m-3) TP密度均值/(kg·m-2) Oslen-P密度均值/(g·m-2) PAC-D 农地 1.31 0.089 3.89 5.08% 林地 1.29 0.087 4.11 7.25% 草地 1.44 0.092 4.67 6.29%

土壤磷素活化系数可以反映土壤磷素转化为速效磷的潜在能力或水平.由于用每平方米的磷含量更能代表不同土地利用的土壤磷素的活化系数，根据公式3代入全磷和速效磷的密度均值计算土壤磷素的有效性指标PAC-D，由表 3可知，农、林、草地土壤磷活化系数为5.08%~7.25%，均大于2%，当土壤活化系数大于2%时，说明研究区土壤全磷的活化能力较高，土壤全磷容易转化为速效磷(陈新，2006)，由表 3可知，林地的土壤活化系数最高，草地次之，农地的土壤有效性最低.说明土石山区退耕还林不仅可以减少土壤侵蚀还能够增加土壤磷素的有效性，有利于树木的生长发育而发挥林草的水土保持作用.综合以上分析可知，流域尺度的全磷和速效磷空间分布及其有效性的研究，一方面有利于从磷素的空间分布特征预判速效磷的转化趋势和控制速效磷流失的迁移途径，从而有针对性的提高农地土壤磷素的利用率并在磷素流失潜力较大的区域或路径设置林地或草地进行拦截；另一方面通过调整流域内的土地利用类型，改变速效磷的空间分布格局，可以有效提高磷的有效性并减少施肥量，从而改善流域水质.由于本研究采样时间为冬季，不同季节种植的作物不同，土壤速效磷含量的变化差异较大(方堃，2008)，未来应在作物种植频繁的夏季进行典型样地采样，继续关注超过40 mg·kg^-1的速效磷高值区并研究该区域磷素淋失的临界值，这些高值区可能导致河流水体的磷含量突然增加.

1)余姐河流域农地、林地和草地土壤全磷含量平均值分别为0.368 g·kg^-1、0.347 g·kg^-1和0.348 g·kg^-1，土壤速效磷含量平均值分别为17.52 mg·kg^-1、19.23 mg·kg^-1和17.90 mg·kg^-1.农、林、草3种土地利用下土壤全磷的变异系数均为中等变异，土壤全磷和速效磷空间分布的最优模型均为高斯模型，且均具有中等空间相关性.

2)Kriging插值表明研究区土壤全磷高值区呈斑块状分布，其中土壤全磷含量为0.20~0.35 mg·kg^-1的区域在流域中分布面积最广，土壤全磷的高值区则主要分布在流域的东南部以及流域中下游河岸两侧；而速效磷的含量高值区沿河流呈网状分布，且速效磷含量为10~20 mg·kg^-1和20~30 mg·kg^-1的区域从流域上游至下游逐渐融合或连通，主要分布在河流两岸，存在威胁河流水质的风险.

3)研究区土地利用对土壤全磷和速效磷的空间分布影响并不显著，不同土地利用下每平方米土壤全磷含量表现为草地>农地>林地，分别为0.092 kg·m^-2、0.089 kg·m^-2和0.087 kg·m^-2，速效磷含量表现为草地>林地>农地，分别为4.67 g·m^-2、4.11 g·m^-2和3.89 g·m^-2，余姐河流域冬季土壤磷素的有效性呈现出林地>草地>农地的特征.