土壤粒級空間分布及其與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

王新中，劉國順，張正楊，劉清華，王振海

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，國家煙草栽培生理生化研究基地，鄭州 450002；2.大理州公司南澗縣分公司，云南 南澗 675700；3.平頂山市煙草公司，河南 平頂山 467100）

土壤作為一個時空連續(xù)的變異體，具有高度的空間異質(zhì)性。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行投入，使得施肥缺乏針對性、肥料利用率低、養(yǎng)分供給不平衡。根據(jù)土壤養(yǎng)分變異情況，對農(nóng)田實(shí)行精確施肥是近年來的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域[1-2]。許多研究人員運(yùn)用GIS，GPS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)等技術(shù)研究土壤養(yǎng)分狀況及其變異規(guī)律[3-4]，以達(dá)到科學(xué)、精準(zhǔn)管理土壤養(yǎng)分的目的。

土壤粒級對持水性和保肥能力有明顯的影響，土壤粒級的不同是造成土壤養(yǎng)分差異的主要內(nèi)在原因之一[5]。精確掌握煙田土壤粒級的空間分布狀況，確定合理的管理分區(qū)，并以此調(diào)整相應(yīng)的肥料投入，不僅能夠發(fā)揮土壤生產(chǎn)潛力，提高養(yǎng)分利用率，也能夠改善煙葉品質(zhì)，減少環(huán)境污染，是實(shí)現(xiàn)煙田土壤精準(zhǔn)管理的基礎(chǔ)。本文綜合運(yùn)用GIS和地統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法，分析了土壤粒級的空間變異規(guī)律，并繪制了空間分布格局圖，為實(shí)現(xiàn)煙區(qū)土壤的精細(xì)化管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)區(qū)位于平頂山市郟縣堂街鎮(zhèn)岔河村，面積約 87 hm2（圖1）。村中心位于東經(jīng) 113°17′08″、北緯 33°53′05″。該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，光照充足，四季分明。年平均氣溫 14.6 ℃，無霜期220 d左右。年平均降雨量680 mm，7～9月份降雨量占全年的70%左右，屬“豫西丘陵干熱少雨區(qū)”。土壤類型為褐土。

1.2 土壤樣品采集

2007年 3月在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行土壤樣品的采集工作。利用GPS定位技術(shù)，以100 m間隔采集耕層（0～20 cm）土樣 81個。取樣點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)在ArcGIS中利用高斯—克呂格投影轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)，方便土壤養(yǎng)分空間變異分析。采樣點(diǎn)分布見圖1。

圖1 試驗(yàn)區(qū)邊界及土壤采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 The boundary of study site and soil sampling points

1.3 測定方法

土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀—外加熱法測定，土壤全氮用凱氏蒸餾法測定，堿解氮用堿解擴(kuò)散法測定，速效磷測定采用碳酸氫鈉（0.5 mol/L）浸提鉬銻抗比色法，速效鉀用1N NH4OAc浸提—火焰光度法測定。比重計(jì)法進(jìn)行土壤粒級分析[6]，按國際制劃分為砂粒（0.02～2 mm）、粉粒（0.002～0.02 mm）和粘粒（＜0.002 mm）。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

土壤屬性的基本統(tǒng)計(jì)特征通過SPSS11.0完成，涉及地統(tǒng)計(jì)學(xué)的半方差函數(shù)計(jì)算、理論模型擬合和Kriging 插值采用GS+ for windows 3.0進(jìn)行分析，插值的結(jié)果以 ASCII數(shù)據(jù)的格式輸出存儲，輸入ArcGIS軟件生成GRID圖形，用研究區(qū)域的邊界圖形進(jìn)行切割，繪制土壤養(yǎng)分分布圖。

2 結(jié) 果

2.1 土壤粒級統(tǒng)計(jì)特征值

在土壤粒級組成中，砂粒的平均含量最高，占總量的43.8%，其次是粉粒，占總量的41.7%，粘粒最少（表1）。按照國際土壤質(zhì)地分類，試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地主要為壤土和粘壤土。顆粒組成中粘粒的變異系數(shù)較大，為23.4%，砂粒和粉粒的變異系數(shù)較小，均屬中等變異強(qiáng)度[7]。不同粒徑土壤粒級經(jīng)Kolmogorov–Smironov(K-S)法檢驗(yàn)，均呈正態(tài)分布。

表1 土壤粒級的描述性統(tǒng)計(jì)Table1 Statistics of soil particle composition

2.2 土壤粒級半方差函數(shù)分析

利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對研究區(qū)域土壤粒級進(jìn)行半方差分析。結(jié)果表明，煙田土壤不同粒徑顆粒的空間變異性均存在半方差結(jié)構(gòu)（表2）。土壤粉粒的半方差函數(shù)理論模型可以用指數(shù)模型（Exponential model）進(jìn)行擬合，砂粒和粘粒的半方差函數(shù)理論模型用球狀模型（Spherical model）擬合最佳，三者的決定系數(shù)均大于0.97，表明模型的擬合度較高。不同粒徑顆粒含量的最大相關(guān)距離均較大，砂粒（0.02～2 mm）、粉粒（0.002～0.02 mm）和粘粒（＜0.002 mm）含量的最大相關(guān)距離分別為657、435和609 m。

表2 土壤粒級的半方差函數(shù)理論模型及有關(guān)參數(shù)Table2 Theoretical models and corresponding parameters for semivariogram of soil particle composition

按照區(qū)域化變量空間相關(guān)程度的分級標(biāo)準(zhǔn)[8]，如果某變量C0/(C+C0)的比值＜25%，變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；C0/(C+C0)的比值在25%～75%之間，變量具有中等程度的空間相關(guān)性；C0/(C+C0)的比值＞75%時，變量空間相關(guān)性很弱。研究區(qū)域土壤砂粒、粉粒和粘粒含量的空間相關(guān)程度表現(xiàn)出一定的差異，由隨機(jī)因素引起的空間變異性分別占其總空間變異性的19%，44%和19%（塊金值/基臺值），說明砂粒和粘粒表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，粉粒表現(xiàn)為中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性。由結(jié)構(gòu)因素決定的空間變異性較大，依次占其總空間變異性的81%、56%和81%。說明即使在小尺度下土壤砂粒、粉粒和粘粒含量也具有較強(qiáng)的漸變性分布規(guī)律，土壤母質(zhì)類型等非人為因素所引起的空間結(jié)構(gòu)變異在總空間變異中起主導(dǎo)和決定作用，進(jìn)一步說明質(zhì)地在長期的土壤分化、發(fā)育、演變過程中變異的相對穩(wěn)定性。

2.3 土壤粒級空間分布格局

應(yīng)用Kringing最優(yōu)內(nèi)插法繪制了土壤粒級的空間分布圖（圖2）。從圖2可以直觀的了解研究區(qū)域不同粒徑顆粒的空間分布特征。結(jié)果表明，土壤砂粒（0.02～2 mm）、粉粒（0.002～0.02 mm）和粘粒（＜0.002 mm）均呈現(xiàn)較明顯的漸變性分布規(guī)律。土壤砂粒含量北部較高，西南部較低，而粉粒和粘粒含量的分布與砂粒的分布基本呈相反的趨勢。根據(jù)粘粒含量，土壤質(zhì)地可分為砂土、壤土（粘粒含量＜15%），粘壤土（15%＜粘粒含量＜25%），粘土類（粘粒含量＞25%）。從土壤粘粒的分布圖可以看出，該研究區(qū)域土壤質(zhì)地包括壤土和粘壤土兩類，壤土占了研究區(qū)域土壤的絕大部分，粘壤土僅在西南角的小塊分布。

圖2 土壤粒級的空間分布圖Fig.2 Spatial distribution maps of soil particle composition

2.4 土壤粒級和土壤養(yǎng)分的關(guān)系

2.4.1 土壤養(yǎng)分的空間分布 利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了土壤養(yǎng)分的半方差函數(shù)理論模型（表3）。從表3可看出，堿解氮的理論模型為直線模型，模型擬合度低，表現(xiàn)為純塊金效應(yīng)。其他各指標(biāo)模型決定系數(shù)均大于0.94，模型的擬合度高。土壤全氮的C0/(C+C0)比值為20%，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀的C0/(C+C0)比值在26%～50%之間，表現(xiàn)出中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性；堿解氮在該采樣尺度下不存在空間相關(guān)性。

表3 土壤養(yǎng)分半方差函數(shù)理論模型及有關(guān)參數(shù)Table 3 Theoretical models and corresponding parameters for semivariogram of soil nutrients

在半方差函數(shù)理論模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Kriging最優(yōu)內(nèi)插法繪制了土壤養(yǎng)分（除堿解氮外）空間分布圖（圖3）。從中可以看出，各養(yǎng)分指標(biāo)均呈現(xiàn)出明顯的空間分布格局。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量分布有很強(qiáng)的相似性分布趨勢，一方面是由于有機(jī)質(zhì)是土壤氮素的重要來源；另一方面，有機(jī)質(zhì)具有膠體特性，保肥性強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)含量高的區(qū)域，氮素保蓄在土壤中的量就多。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮相對較高的含量基本分布在西南部，而中部相對較低。土壤速效磷的含量中部和中北部含量較低，而東南部含量較高。整個研究區(qū)域的中部、中北部及西部拐角處要注重磷肥的補(bǔ)充，充分考慮磷肥的特性，提高磷肥利用率。土壤速效鉀的較低值分布在研究區(qū)域的中部，由西北到東南延伸；較高值在西北部、南部和東部有零星分布。

圖3 土壤養(yǎng)分的空間分布圖Fig.3 Spatial distribution maps of soil nutrients

2.4.2 土壤粒級與養(yǎng)分之間的關(guān)系 表4對土壤粒級和土壤養(yǎng)分含量之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，除堿解氮外，其余土壤屬性都與土壤粘粒含量存在極顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量與砂粒含量之間均呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。其他研究也表明，土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷以及鉀的含量都與土壤粒級密切相關(guān)，土壤粒級組成對持水性和保肥能力有明顯的影響[9]。

土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀含量一般隨粘粒量增加而增加。土壤中粘粒含量愈高，與有機(jī)質(zhì)結(jié)合成復(fù)合體的可能性愈大，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量也較高。相應(yīng)的土壤粘粒中有機(jī)質(zhì)含量高，對速效養(yǎng)分有較強(qiáng)的膠體吸附作用，在一定程度上可以減少K+等速效養(yǎng)分的淋溶。反之，土壤砂粒含量越高的土壤保水、保肥能力越差，土壤速效磷、速效鉀越易流失。從圖2和圖3也可以看出，土壤養(yǎng)分的空間分布特征和粘粒的分布有較強(qiáng)的相似性，和砂粒的分布趨勢相反。

表4 土壤粒級和養(yǎng)分之間的相關(guān)性Table 4 Correlationships between soil particle composition and soil nutrients

3 討 論

從半方差函數(shù)模型結(jié)果可以看出，粉粒的半方差函數(shù)模型可以用指數(shù)模型擬合，砂粒和粘粒的半方差函數(shù)模型可用球狀模型擬合。不同粒徑顆粒在較大范圍內(nèi)均存在著空間相關(guān)性，砂粒空間相關(guān)距離達(dá)657 m，粉粒和粘粒空間相關(guān)距離分別為435 m和609 m。各粒級呈現(xiàn)出較明顯的漸變性分布規(guī)律，這一結(jié)果對土壤管理分區(qū)的劃分是十分有利的。

土壤粒級與土壤養(yǎng)分含量密切相關(guān)，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀含量均隨粘粒含量增加而增加，說明研究區(qū)域土壤屬性因子受土壤質(zhì)地的影響比較大。對于土壤速效磷與粘粒含量的關(guān)系，劉欽普[10]等認(rèn)為速效磷含量主要受細(xì)粘粒的影響，隨其含量的增加而增加，這一點(diǎn)與本研究結(jié)果一致。但也有研究認(rèn)為，土壤速效磷含量是輕壤土明顯高于砂壤土、中壤土、重壤土和粘土，隨粘粒含量的提高，速效磷含量降低[11]。本研究中，土壤堿解氮與不同粒級間均無顯著相關(guān)關(guān)系，這可能與堿解氮受栽培、施肥等措施的影響較大[12]，研究區(qū)域農(nóng)戶在栽培和施肥等田間管理上差異較大有關(guān)。

土壤粒級組成呈現(xiàn)明顯的空間分布規(guī)律，且和土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等主要養(yǎng)分存在密切相關(guān)性。因此，在今后的研究工作中可將土壤粒級的分布圖作為劃分土壤管理分區(qū)的依據(jù)，在管理分區(qū)內(nèi)開展測土配方施肥，發(fā)揮肥料的最大潛力，提高烤煙生產(chǎn)精細(xì)化管理水平。

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