湖南省煙稻輪作區(qū)土壤養(yǎng)分的空間變異特征

黃新杰，屠乃美，李艷芳，周 娟，易鎮(zhèn)邪，李宇威，李 淼，羅富林

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128）

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是土壤的基本屬性和本質(zhì)特征。對土壤養(yǎng)分空間特性變異的充分了解是田間土壤養(yǎng)分精細(xì)管理、精準(zhǔn)施肥、提高肥料利用率的重要基礎(chǔ)。自20世紀(jì)70年代以來，土壤養(yǎng)分的空間變異研究已逐漸成為一個研究熱點[1-3]。姜麗娜等[4]、陳防等[5]、許紅衛(wèi)等[6]研究了長江中下游水網(wǎng)平原區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異情況，王新中等[7]研究了煙田土壤有效態(tài)微量元素的空間分布格局，王勇等[8]研究了中低山區(qū)植煙土壤氯素空間變異特征。

湖南省是水稻種植和煙草種植的優(yōu)勢省份之一，煙稻輪作是該地區(qū)的常見種植模式，該模式可以合理協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分，減少病蟲害的發(fā)生，有利于作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)及促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，但針對該地區(qū)煙稻輪作土壤養(yǎng)分空間變異研究未見報道。鑒于此，本研究運用地理信息技術(shù)和地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的方法，對湖南省煙稻輪作種植區(qū)土壤主要養(yǎng)分的空間變異特征進(jìn)行了研究，旨在了解煙稻輪作土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律，為該地區(qū)的測土配方施肥和養(yǎng)分精確管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

湖南位于長江中游以南，地跨東經(jīng)108°47′～114°15′，北緯 24°39′～30°8′，國土面積 21.18萬km2。屬大陸性中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，大部分地區(qū)海拔100～800 m，年均溫16～18 ℃，年均日照 1300～1800 h，無霜期 278～300 d，年均降雨量1200～1700 mm，日照充足，雨量充沛，四季分明，適宜農(nóng)業(yè)發(fā)展。全省現(xiàn)有可用耕地330萬hm2，水稻土占全省土壤總面積的16.5%，煙稻輪作是該區(qū)域常見的耕作模式之一。

1.2 樣品采集

2006年采用GPS定位技術(shù)，對湖南省14個煙稻輪作區(qū)的土壤進(jìn)行定位取樣，共采集 3255個土壤樣品（圖1）。田間取樣時，用手持式GPS定位，記錄采樣點的經(jīng)緯度和高程，以定位點為中心，在半徑10 m的圓形區(qū)域內(nèi)（10個點）混合取樣，取樣深度0～20 cm，用四分法取大約1 kg土樣帶回實驗室測試。

圖1 土壤采樣點分布圖Fig.1 Distribution of soil samples

1.3 測定項目與方法

土樣登記編碼后經(jīng)風(fēng)干、研磨、過篩、裝袋后備用。土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀4個指標(biāo)的測定方法參照文獻(xiàn)[9]中的相關(guān)測試方法進(jìn)行測定，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法，全氮采用硫酸消化-半微量凱氏蒸餾定氮法，有效磷采用 0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用冷2 mol/LHNO3溶液浸提-火焰光度法[9]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

常規(guī)統(tǒng)計分析采用 SPSS17.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行K-S檢驗[10]。地統(tǒng)計分析及圖形繪制采用 ArcGIS 9.3軟件地統(tǒng)計學(xué)模塊（geostatistical analyst）完成[11]。

2 結(jié) 果

2.1 土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計

從表 1可知，全氮含量平均值略高（＞2.0 g/kg）；有機質(zhì)、有效磷和速效鉀平均值分別為33.84 g/kg、18.53 mg/kg和121.87 g/kg，均達(dá)到中等水平。土壤養(yǎng)分指標(biāo)變異系數(shù)均在 36%～70%，為中等變異性，土壤全氮的變異系數(shù)最低為36.65%，有效磷的變異系數(shù)最大，達(dá)到66.28%。K-S檢驗結(jié)果表明（表1）[12]，土壤養(yǎng)分指標(biāo)均符合正態(tài)分布。

表1 土壤養(yǎng)分的統(tǒng)計特征值Table1 Statistics of nutrient contents of tobacco soil in Hunan

2.2 土壤養(yǎng)分的空間變異

根據(jù)半方差函數(shù)的計算公式，對上述4個土壤養(yǎng)分的測定值進(jìn)行半方差分析，得到養(yǎng)分指標(biāo)的半方差擬合模型及其特征參數(shù)值（表2）。本研究分別選用了離差平方和最小即擬合度最好的指數(shù)模型（Exponential）和高斯模型（Gaussian）來描述 4個土壤養(yǎng)分的空間結(jié)構(gòu)。

本研究區(qū)域內(nèi) 4個土壤養(yǎng)分的塊金效應(yīng)均在25%～75%（表 2），表明土壤養(yǎng)分含量具有中等的空間相關(guān)性，湖南煙稻輪作區(qū)土壤養(yǎng)分的空間變異不僅受結(jié)構(gòu)性因素（氣候、母質(zhì)、土壤類型和地形地貌等自然因素）的影響，而且受隨機性因素（種植制度、耕作措施、施肥和管理水平等各種人為因素）的影響[13-14]。

表2 土壤養(yǎng)分半方差函數(shù)理論模型及其參數(shù)Table2 Semivariogram models of soil nutrient and their parameters

變程是指變異函數(shù)達(dá)到基臺值所對應(yīng)的樣點間距，也稱為空間最大相關(guān)距離，它表明土壤養(yǎng)分變量空間自相關(guān)范圍的大小[14]。4種土壤養(yǎng)分變程大小順序為有機質(zhì)＞有效磷＞速效鉀＞全氮，其中有機質(zhì)變程最大，達(dá)1.213 km，說明土壤有機質(zhì)在研究區(qū)域較大的范圍內(nèi)均有相關(guān)性，反映了結(jié)構(gòu)因素對土壤有機質(zhì)的影響較大（表2）?？傮w來看，有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀都具有較好的半方差結(jié)構(gòu)，擬合程度都很好，其擬合系數(shù)分別高達(dá)0.889、0.918、0.946、0.971。以上分析表明，數(shù)據(jù)滿足克立格插值的要求。

2.3 土壤養(yǎng)分的空間分布特征

統(tǒng)計學(xué)模塊采用普通Kriging法進(jìn)行最優(yōu)內(nèi)插，并根據(jù)第二次全國土壤普查結(jié)果以及南方6省水稻土的養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[15]，繪制了湖南煙稻輪作區(qū)土壤養(yǎng)分含量的空間分布圖（圖2）。從土壤養(yǎng)分含量空間分布圖看出，4種土壤養(yǎng)分的含量呈現(xiàn)較明顯的空間分布格局。

圖2 土壤養(yǎng)分含量空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of soil nutrient contents in Hunan

有機質(zhì)含量在整個區(qū)域的空間變異較為明顯，總體表現(xiàn)為湘南＞湘東＞湘北＞湘中＞湘西。20～40 g/kg的土壤面積占整個研究區(qū)域的80.42%，絕大部分土壤有機質(zhì)處于中等水平。土壤有機質(zhì)含量10～20 g/kg的區(qū)域主要分布在湘西的湘西州、懷化市部分地區(qū)和湘中的邵陽市部分地區(qū)，該區(qū)域面積占到整個研究區(qū)域的7.43%。土壤全氮含量的空間分布與有機質(zhì)總的趨勢基本一致，呈湘南＞湘東＞湘北＞湘中＞湘西的趨勢。全氮最高值＞2 g/kg分布在湘南地區(qū)的郴州市大部分地區(qū)、永州市部分地區(qū)和衡陽市的部分地區(qū)，占整個研究區(qū)域的35.47%，1～2 g/kg的土壤面積占整個研究區(qū)域的64.53%。土壤有效磷含量的空間分布與有機質(zhì)的趨勢基本一致，土壤有效磷含量20～40 mg/kg的區(qū)域主要分布于湘南的郴州市、永州市的小部分地區(qū)和衡陽市的小部分地區(qū)，該區(qū)域面積占到整個研究區(qū)域的23.12%，10～20 mg/kg的土壤面積占到整個研究區(qū)域的58.55%，5～10 mg/kg的區(qū)域主要分布在湘西州和懷化的大部分地區(qū)，該區(qū)域面積占到整個研究區(qū)域的18.33%，該區(qū)有效磷缺乏，10～40 mg/kg的面積占到整個研究區(qū)域的81.67%。土壤速效鉀含量＞150 mg/kg的面積占到整個研究區(qū)域的16.48%。研究區(qū)域土壤速效鉀含量低于100 mg/kg的占總量的33.25%。

3 小 結(jié)

經(jīng)典統(tǒng)計分析結(jié)果表明，湖南省煙稻輪作區(qū)土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量均符合對數(shù)正態(tài)分布或近似對數(shù)正態(tài)分布，表現(xiàn)為中等變異性。從均值來看，湖南省煙稻輪作土壤全氮含量略高，其他土壤養(yǎng)分含量均屬中等水平。地統(tǒng)計分析結(jié)果表明，土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量表現(xiàn)為各向異性分布，具有中等程度的空間相關(guān)性，其空間變異均是由結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素共同作用的結(jié)果。從土壤的空間分布圖來看，全氮含量豐富，有機質(zhì)含量總體上處于中等水平，缺乏（10～20 g/kg）的面積僅為7.43%，有效磷區(qū)域差異較大，湘西地區(qū)較為缺乏，湘南地區(qū)處于較高水平，有效磷含量缺乏（＜10 mg/kg）的面積為18.33%。土壤速效鉀含量缺乏（＜100 mg/kg）面積占研究區(qū)33.25%。根據(jù)分析結(jié)果，湘西地區(qū)應(yīng)全面補施磷肥，衡陽市、永州市、常德部分地區(qū)、懷化部分地區(qū)應(yīng)補施鉀肥，以保證作物正常生長；同時密切關(guān)注土壤有機質(zhì)含量的動態(tài)，可針對個別區(qū)域增施有機肥；此外全省應(yīng)適當(dāng)控制氮肥在土壤上的施用，以減少煙草赤星病、煙草氣候斑點病等病害的發(fā)生，同時保護土壤生態(tài)環(huán)境。

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