關(guān)中平原臺(tái)塬區(qū)土壤養(yǎng)分空間格局研究——以西安市長(zhǎng)安區(qū)為例

方睿紅，常慶瑞

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

關(guān)中平原臺(tái)塬區(qū)土壤養(yǎng)分空間格局研究
——以西安市長(zhǎng)安區(qū)為例

方睿紅，常慶瑞

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

為研究關(guān)中平原臺(tái)塬區(qū)土壤養(yǎng)分的空間分布情況，加強(qiáng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)施肥管理，針對(duì)陜西省西安市長(zhǎng)安區(qū)836.69 km2范圍內(nèi)的土壤養(yǎng)分元素進(jìn)行空間格局研究。通過(guò)GPS定位選取研究區(qū)內(nèi)3 231個(gè)土壤采樣點(diǎn)，測(cè)定了土壤樣品的有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀以及pH值，并利用地統(tǒng)計(jì)法對(duì)其空間變異結(jié)構(gòu)及格局現(xiàn)狀進(jìn)行研究。結(jié)果表明：土壤養(yǎng)分元素的變異系數(shù)范圍為0.09～0.84，其變異程度依次為有效磷＞速效鉀＞堿解氮＞有機(jī)質(zhì)＞pH值；土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀及pH值的變異函數(shù)曲線均符合指數(shù)模型；在空間結(jié)構(gòu)上，土壤有效磷和有機(jī)質(zhì)屬于弱相關(guān)性，速效鉀和堿解氮為中等強(qiáng)度相關(guān)性，pH值具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；采用Kriging插值方法，可直觀得到研究區(qū)域的土壤養(yǎng)分空間格局情況。

土壤養(yǎng)分；空間變異；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；GIS

土壤養(yǎng)分是衡量土壤生產(chǎn)力的綜合指標(biāo)，了解其豐缺狀況、變異情況、空間格局分布對(duì)提高土壤養(yǎng)分管理和推薦測(cè)土配方平衡施肥技術(shù)以及實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)具有重要的指導(dǎo)意義。管理好土壤養(yǎng)分，合理科學(xué)施肥，是關(guān)系到我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大技術(shù)問(wèn)題，其重要性和緊迫性隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和化肥施用量的增加而顯得越來(lái)越突出［1］。然而，從20世紀(jì)80年代全國(guó)第二次土壤普查以來(lái)，由于養(yǎng)分投入水平的不斷加大和不同養(yǎng)分收支平衡的差異使得我國(guó)土壤養(yǎng)分狀況和空間變異情況發(fā)生了很大的變化［2］。目前，為適應(yīng)我國(guó)小規(guī)模分散經(jīng)營(yíng)體制下的測(cè)土推薦平衡施肥技術(shù)，急需對(duì)土壤養(yǎng)分狀況及其變異情況進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究，因此對(duì)土壤養(yǎng)分空間格局的研究已成為土壤養(yǎng)分管理研究的熱點(diǎn)之一［3－4］。

近年來(lái)一些專家學(xué)者在土壤養(yǎng)分空間變異方面做了不少研究，如劉欣等［5］對(duì)黑龍江省彥縣土壤的有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀和pH值進(jìn)行了空間變異特征的研究，并結(jié)合巴彥縣實(shí)際情況分析了這4種養(yǎng)分的影響因素；蘇永中等［6］研究了科爾沁沙地農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的空間變異特征，認(rèn)為半變異函數(shù)能夠分析和表征農(nóng)田沙漠化發(fā)生發(fā)展的程度和空間尺度；史利江等［7］運(yùn)用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究寧波市農(nóng)業(yè)示范區(qū)的土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)和pH值的空間變異特征，得到了農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律，并證明了土壤養(yǎng)分存在一定的空間相關(guān)性。上述結(jié)果表明在較大范圍內(nèi)利用GIS技術(shù)進(jìn)行土壤養(yǎng)分空間分布格局研究具有較大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)針對(duì)關(guān)中平原臺(tái)塬區(qū)的養(yǎng)分空間變異特性研究文獻(xiàn)報(bào)道較少，本文以關(guān)中平原臺(tái)塬區(qū)為研究區(qū)域，利用地統(tǒng)計(jì)法分析該區(qū)域的土壤養(yǎng)分空間變異特征，揭示土壤養(yǎng)分空間變異規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)土壤養(yǎng)分的精確管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

陜西省西安市長(zhǎng)安區(qū)地處關(guān)中平原中部，地理位置為北緯33°48′－34°18′，東經(jīng)108°38′－109°14′，位于西安市南部秦嶺北麓。東臨藍(lán)田縣，南接寧陜縣、柞水縣，西與戶縣接壤，北和雁塔區(qū)、灞橋區(qū)為鄰。區(qū)內(nèi)地勢(shì)東南高西北低，南北跨度約55km，東西跨度約52km，總土地面積約為1 583km2。長(zhǎng)安區(qū)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量平均為664.3mm，平均氣溫為13.2℃，年太陽(yáng)輻射總量平均為459.3kJ/cm2。地貌類型主要有：秦嶺山地、黃土臺(tái)塬、洪積平原以及沖積平原。本研究選取除秦嶺山地以外的地貌區(qū)作為研究區(qū)域，研究區(qū)域總面積為836.69km2，海拔385～879m，坡度為0～45°，屬關(guān)中平原臺(tái)塬區(qū)，主要土壤類型有：土、褐土、黃土性土、淤土、水稻土和潮土，研究區(qū)內(nèi)以小麥和玉米為主要種植作物。

1.2 材料與方法

1.2.1 資料收集與土壤樣品采集 根據(jù)調(diào)查工作需要，收集了長(zhǎng)安區(qū)2005年1∶5萬(wàn)的行政區(qū)劃圖和地貌類型圖等紙質(zhì)圖件資料，并運(yùn)用ArcGIS 9.3對(duì)紙質(zhì)圖件進(jìn)行了數(shù)字化，截取了長(zhǎng)安區(qū)平原臺(tái)塬區(qū)作為研究區(qū)域。

利用GPS進(jìn)行外業(yè)樣點(diǎn)的定位，同時(shí)結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，將大田地采樣點(diǎn)的密度定為平均2個(gè)/hm2，并根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。為避免施肥的影響，取樣時(shí)期確定在作物收獲前后，用竹鏟和不銹鋼土鉆等工具采樣，每一土樣選取有代表性的田塊，采用“S”法均勻隨機(jī)采取8個(gè)點(diǎn)混勻后用四分法留取1kg土樣裝袋以備分析。土壤取樣深度為0－20cm，取樣時(shí)間為2007年5月和9月。按照上述布點(diǎn)原則和方法，在研究區(qū)耕地上共布設(shè)采樣點(diǎn)3 231個(gè)（取樣點(diǎn)分布如圖1所示）。

圖1 樣點(diǎn)分布圖

1.2.2 土壤樣品化學(xué)分析 獲取的土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干、過(guò)2mm篩后進(jìn)行室內(nèi)養(yǎng)分測(cè)定?；?yàn)分析方法采用相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［8］，全程序空白值測(cè)定，以消除系統(tǒng)誤差，每批樣品作3個(gè)空白樣，從待測(cè)試樣的測(cè)定值中扣除空白值。每批樣品均做標(biāo)準(zhǔn)曲線，樣品分析時(shí)平行率達(dá)到100%。在準(zhǔn)確度控制上使用標(biāo)準(zhǔn)樣品，進(jìn)行內(nèi)參樣摻插，也與其他化驗(yàn)空白作對(duì)比。土壤樣品測(cè)定項(xiàng)目包括土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀以及pH值。有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用油浴加熱重鉻酸鉀容量法，堿解氮含量測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法，有效磷含量測(cè)定采用碳酸氫鈉浸提－鉬銻抗比色法，速效鉀含量測(cè)定采用乙酸銨浸提－火焰光度法，pH值測(cè)定采用電位法。

1.2.3 半方差函數(shù)介紹 半方差函數(shù)是描述土壤性質(zhì)空間變異的一個(gè)函數(shù)，反映了不同距離的觀測(cè)值之間的變化，所謂半方差函數(shù)就是兩點(diǎn)間差值的方差的一半，即：

式中：N（h）——距離等于h的點(diǎn)對(duì)數(shù)；z（xi）——xi處變量的實(shí)測(cè)值；z（xi＋h）——與點(diǎn)xi偏離h處變量的實(shí)測(cè)值。r（h）在一定范圍內(nèi)隨h的增加而增大，當(dāng)測(cè)點(diǎn)間距大于最大相關(guān)距離時(shí)，該值趨于穩(wěn)定。半方差函數(shù)常見模型有球狀（Spherica1）、指數(shù)（Exponentia1）和高斯（Gaussian）模型。

1.3 數(shù)據(jù)處理

特異值對(duì)變異函數(shù)的影響很大，使得實(shí)驗(yàn)半方差函數(shù)發(fā)生畸變，進(jìn)而影響變異函數(shù)理論模型的精度。本文采用域值法來(lái)識(shí)別特異值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

樣本數(shù)據(jù)的描述性分析在SPSS 19.0軟件下進(jìn)行，統(tǒng)計(jì)樣本的最大值、最小值、平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、峰度和變異系數(shù)等。對(duì)于數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗(yàn)采用土壤養(yǎng)分分布的偏斜量，即中值偏離平均值的百分?jǐn)?shù)來(lái)判斷［9］。對(duì)于不符合正態(tài)分布的樣本在進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析時(shí)要對(duì)其先進(jìn)行對(duì)數(shù)變換處理。

地統(tǒng)計(jì)學(xué)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以變異函數(shù)為主要工具，研究在空間分布上既有隨機(jī)性又有結(jié)構(gòu)性（或空間相關(guān)和依賴性）自然現(xiàn)象的科學(xué)［10－11］。本文將采用半方差函數(shù)和Kriging插值［12］為基本工具，可對(duì)既具有隨機(jī)性又具有結(jié)構(gòu)性的各種變量在空間上的分布進(jìn)行研究。地統(tǒng)計(jì)分析在ArcGIS 9.3的擴(kuò)展模塊Geostatistical Analyst下進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分的統(tǒng)計(jì)特征及分析

根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法，運(yùn)用SPSS 19.0軟件計(jì)算土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計(jì)特征值如表1所示。

表1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)特征

根據(jù)陜西省第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［13］可以得到，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效磷屬中等肥力水平，速效鉀屬中等偏上肥力水平。通常用變異系數(shù)來(lái)表達(dá)各養(yǎng)分的變異程度，一般分為弱變異性、中等變異性和強(qiáng)變異性［14］。通過(guò)表1各指標(biāo)的變異系數(shù)值可以看出，研究區(qū)土壤pH值變異系數(shù)最小，僅為0.09，呈弱變異性，其余土壤養(yǎng)分的變系數(shù)均在0.1～1.0之間，屬中等變異。土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀和pH值樣本偏斜量分別為：1.84，4.89，－3.13，認(rèn)為其樣本分布屬于正態(tài)分布，而有效磷和速效鉀的偏斜量均大于5，則屬偏態(tài)分布。

研究區(qū)內(nèi)土壤有效磷含量變化相對(duì)較大，從0.2～65.67mg/kg，這是由于在土壤中的化學(xué)行為及目前磷肥施用狀況有關(guān)，施入土壤中的磷，因其移動(dòng)性小、當(dāng)季利用率低，而使磷肥在土壤中殘留較多，導(dǎo)致土壤中有效磷分布不均［15］，從而造成差異較大。

2.2 土壤養(yǎng)分的空間結(jié)構(gòu)變異與格局分析

運(yùn)用半方差函數(shù)對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行空間變異分析的前提是變量必須符合正態(tài)分布，對(duì)于不符合正態(tài)分布的樣本數(shù)據(jù)，首先要對(duì)其進(jìn)行對(duì)數(shù)變化轉(zhuǎn)化為正態(tài)分布形式。本研究在ArcGIS地統(tǒng)計(jì)模塊中，選取球狀、指數(shù)和高斯3種半方差模型進(jìn)行擬合處理，根據(jù)模型預(yù)測(cè)誤差的比較標(biāo)準(zhǔn)：平均標(biāo)準(zhǔn)誤差（MSE）的絕對(duì)值最接近于0，標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差（RMSSE）最接近于1［16］來(lái)進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)對(duì)表2擬合參數(shù)的綜合比較分析，指數(shù)模型的擬合效果最好，所以最后選擇指數(shù)模型進(jìn)行普通Kriging插值，得到各土壤養(yǎng)分的空間分布圖，結(jié)果見圖2和表3。

表2 土壤養(yǎng)分不同模型擬合參數(shù)

塊金值是半方差函數(shù)在原點(diǎn)處的數(shù)值，表示由實(shí)驗(yàn)誤差和小于最小取樣尺度引起的隨機(jī)變異；基臺(tái)值通常表示系統(tǒng)內(nèi)的總變異，包括結(jié)構(gòu)性變異和隨機(jī)性變異，基臺(tái)值越高，表示系統(tǒng)總的空間異質(zhì)性越高。變程指影響的范圍，反映空間依賴的最大距離。塊金效應(yīng)，也稱基底效應(yīng)，是塊金值與基臺(tái)值之比，反映土壤養(yǎng)分的空間依賴性，可表明系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性的程度。

根據(jù)基底效應(yīng)由表2可以得出，研究區(qū)各土壤養(yǎng)分的空間相關(guān)性強(qiáng)弱趨勢(shì)表現(xiàn)為：有效磷＜有機(jī)質(zhì)＜速效鉀＜?jí)A解氮＜pH值。其中有效磷和有機(jī)質(zhì)的基底效應(yīng)大于0.75，屬于弱相關(guān)性，其變化主要受后期人為因素影響，如施肥、耕種措施的不同；速效鉀和堿解氮的基底效應(yīng)在0.25～0.75之間，為中等強(qiáng)度相關(guān)性，這兩種養(yǎng)分的變化是結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同影響的結(jié)果；pH值的基地效應(yīng)值為0.113，小于0.25具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，其變異性主要受如成土母質(zhì)、土壤類型等結(jié)構(gòu)性因素影響。

圖2 土壤養(yǎng)分空間分布圖

表3 土壤養(yǎng)分分布特征統(tǒng)計(jì)

由圖2和表3分析可得：土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，是作物所需各種營(yíng)養(yǎng)元素的重要來(lái)源，有機(jī)質(zhì)含量的多少是衡量土壤肥力的主要指標(biāo)。研究區(qū)東北部屬黃土臺(tái)塬區(qū)，地勢(shì)較平，但水源缺乏，復(fù)種指數(shù)低，有機(jī)質(zhì)積累緩慢；西北部灌區(qū)，氣溫較高，降水較少，有利于土壤有機(jī)質(zhì)分解，不利于積累；而西南部接近秦嶺山前洪積扇區(qū)，降水多，蒸發(fā)小，腐殖質(zhì)積累較多，因而有機(jī)質(zhì)含量高。

土壤堿解氮是有效態(tài)氮，能被作物直接利用，進(jìn)而可反映近期內(nèi)土壤氮素供應(yīng)能力，研究區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)北低南高走勢(shì)，這是由于近山區(qū)的氣候有利于氮素的積累，平原區(qū)的氣候因素和作物消耗大而不利于積累。

土壤中的有效磷是易被作物吸收的磷酸鹽和磷酸根離子，其含量的高低能反映土壤的供磷能力。研究區(qū)內(nèi)土壤有效磷的含量普遍比較低，小于15mg/kg的面積有343.98km2，占研究區(qū)面積的41.11%，這是由于施肥過(guò)程中，土糞中相對(duì)含磷量較少，對(duì)土壤磷素補(bǔ)充少，因而大面積土壤缺磷。

土壤鉀素是作物生長(zhǎng)所必須的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，研究區(qū)內(nèi)土壤母質(zhì)多為黃土或黃土狀物質(zhì)，整個(gè)土體的鉀素含量都比較豐富，因此土壤速效鉀的含量?jī)H在西北區(qū)域相對(duì)較低。

土壤pH值也稱為土壤酸堿度。它的大小直接影響到植物的生長(zhǎng)發(fā)育、土壤養(yǎng)分的存在形式以及土壤微生物的活動(dòng)。研究區(qū)內(nèi)的pH值在6.5～7.5之間的面積達(dá)到425.27km2，占到研究區(qū)總面積的一半以上，微堿性土壤（pH值為7.5～8.5）主要分布在西北部平原區(qū)。

3 結(jié)論與討論

本研究利用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)、地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法結(jié)合地理信息系統(tǒng)軟件（ArcGIS 9.3）對(duì)關(guān)中平原臺(tái)塬區(qū)進(jìn)行土壤養(yǎng)分空間格局進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：（1）研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀及土壤pH值的都具有空間變異性，他們的變異系數(shù)分別為：0.25，0.25，0.30，0.84，0.51，0.09，土壤pH 值屬弱變異性，而其他指標(biāo)均屬中等變異。（2）通過(guò)對(duì)研究區(qū)土壤養(yǎng)分理論半方差模型的運(yùn)算及最優(yōu)擬合參數(shù)比較，最終選取指數(shù)模型作為運(yùn)算模型。由基底效應(yīng)得出空間相關(guān)性表明：土壤養(yǎng)分中，pH值具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，其變異性主要受如成土母質(zhì)、土壤類型等結(jié)構(gòu)性因素影響；速效鉀和堿解氮具有中等強(qiáng)度相關(guān)性，這兩種養(yǎng)分的變化是結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同影響的結(jié)果；有效磷和有機(jī)質(zhì)的空間相關(guān)性很弱，其變化主要受后期人為因素，如施肥、耕種措施的不同影響。

在本研究區(qū)中，由于成土母質(zhì)多為黃土或黃土狀物質(zhì)，因此土壤鉀素的含量較高，基本不存在缺乏問(wèn)題，能夠滿足作物的生長(zhǎng)需要，在今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可以少施甚至在鉀素極豐富區(qū)不施鉀肥；但氮素和磷素含量水平相對(duì)較低，其中還有部分區(qū)域低于作物對(duì)磷素和氮素的需求水平。因此，對(duì)于研究區(qū)內(nèi)應(yīng)合理增施氮、磷肥，注意改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤抗旱保肥和供肥能力。在利用上建立合理的輪作套種制度等措施，進(jìn)一步提高氮磷水平。

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Study on Spatial Distribution Pattern of Soil Nutrients in Guanzhong Plain－A Case Study in Chang'an District of Xi'an City

FANG Rui－h(huán)ong，CHANG Qing－rui
（College of Resources and Environment，Northwest A＆F University，Yangling，Shaanxi712100，China）

In order to increase the efficiency of applied fertilizers of precision agriculture and reveal spatial distribution characteristics of soil nutrients in Guanzhong Plain，a total of 3 231points for soil sampling were selected in the area of 836.69km2in Chang'an District of Xi'an，Shaanxi Province.The soil nutrient indices including available phosphorous（AP），available potassium（AK），available nitrogen（AN），soil pH and organic matter（SOM）were analyzed with classic statistics and geostatistics method.The results indicated that the variability coefficients of soil nutrients ranged from 0.09to 0.84and the order of the variation degree was AP＞AK＞AN＞SOM＞pH.The semi－variograms of SOM，AN，AP，AK and pH were best described by exponential model.Those soil properties had different spatial correlations respectively，pH had the significant spatial correlation，AK and AN had the moderate spatial correlation，and AP and SOM had the weak spatial correlation.Spatial distribution pattern of soil nutrients in the study area could be obtained by using Kriging interpolation.

soil nutrient；spatial variability；geostatistics；GIS

S158

A

1005－3409（2011）06－0141－05

2011－04－15

2011－06－09

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目；“區(qū)域水土流失過(guò)程與趨勢(shì)分析”（2007CB407203）；國(guó)家自然科學(xué)基金（30872073）

方睿紅（1987－），女，陜西西安人，碩士研究生，研究方向?yàn)檫b感與GIS技術(shù)應(yīng)用。E－mail：fangrh23＠nwsuaf.edu.cn

常慶瑞（1959－），男，陜西子洲縣人，教授，博導(dǎo)，主要從事資源環(huán)境與3S技術(shù)應(yīng)用研究。E－mail：changqr＠nwsuaf.edu.cn