黃土丘陵溝壑區(qū)壩地土壤養(yǎng)分的空間變異性

褚雅紅 畢如田 劉秀珍 劉 庚

(1山西省潞城市水利局 2山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院)

土壤是一個相當(dāng)復(fù)雜的自然綜合體，它的形成需要一個漫長的過程，是在各種復(fù)雜的成土因素的相互作用下形成的，而且各種成土因素具有同等重要性和不確定性。土壤的這種復(fù)雜的形成過程使得土壤性質(zhì)具有高度的空間異質(zhì)性。土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性是土壤的重要屬性之一［1，2］。

土壤養(yǎng)分空間變異性研究現(xiàn)已逐步成為土壤科學(xué)研究領(lǐng)域的前沿?zé)狳c之一［3］。Milne在1936年首先提出了土壤的系統(tǒng)性空間變異。20世紀70年代左右，許多國外土壤學(xué)家對土壤物理性質(zhì)的空間變異性規(guī)律作了大量研究［4，5］。80 年代前，主要利用Fisher所創(chuàng)立的傳統(tǒng)統(tǒng)計方法進行分析［6，7］。Campbell首先應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)，研究了土壤砂粒含量和土壤pH的空間變異［8］。隨后，土壤養(yǎng)分空間變異進入了較為集中的研究階段。

壩地土壤養(yǎng)分空間變異性研究也隨之取得了許多重要成果［9－11］。包耀賢等對土壤侵蝕嚴重的黃土高原地區(qū)壩地和梯田土壤氮素特征及演變與土壤理化性狀進行了研究［12－14］。魏霞等對黃土高原典型淤地壩淤積機理進行了研究［15］。畢銀麗等人研究了黃土丘陵區(qū)壩地系統(tǒng)土壤養(yǎng)分特征及其與侵蝕環(huán)境的關(guān)系，包括壩地土壤的理化性狀及其數(shù)值分析，以及壩系土壤粒徑分布與各粒徑的養(yǎng)分狀況［16，17］。王治國等通過對山西省隰縣河溝流域壩地淤積土壤與流域內(nèi)其他地類土壤對比，提出了壩地豐產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［18］。

淤地壩是水土流失嚴重的黃土高原地區(qū)的一種既能攔截泥沙、保持水土，又能淤地造田、增產(chǎn)糧食的重要水土保持工程措施。壩地農(nóng)業(yè)，具有顯著的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益。本文以山西省黃土丘陵溝壑區(qū)的中陽縣洪水溝流域為例，研究壩地土壤的養(yǎng)分狀況，以便于采取有效措施改善壩地的耕作條件，充分發(fā)揮壩地基本農(nóng)田的增產(chǎn)潛力，提高糧食產(chǎn)量，保證糧食安全。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

選取中陽縣洪水溝流域的獨堆淤地壩壩地作為研究區(qū)域，地貌類型為黃土丘陵溝壑區(qū)，年土壤侵蝕模數(shù)8 000－15 000t/km2，屬于極強烈侵蝕。年平均氣溫8℃，極端最高氣溫35.6℃，極端最低氣溫－24.3℃，年≥10℃的有效積溫2 906.4℃;年降水量500 mm左右，主要集中在5－9月，約占年降水量的80%以上;年蒸發(fā)量1 990 mm，年日照時數(shù)2 715 h，無霜期145－170 d，年均風(fēng)速3－4 m/s。

獨堆淤地壩位于中陽縣金羅鎮(zhèn)溝底村，屬于洪水溝流域10#、11#淤地壩。流域主溝道長11.0 km，面積23.87 km2。研究壩的壩高18 m，已淤地8.6 hm2，年均淤積厚度75 cm。壩地排水條件良好，種植利用年限已長達20 a，主要種植玉米、高粱等高稈作物，單產(chǎn)7 500－11 250 kg/hm2。施肥情況一般為年施碳酸氫氨 600 kg/hm2，尿素 270 kg/hm2。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品的采集

在研究區(qū)采用GPS定位，應(yīng)用網(wǎng)格法采集樣點，樣點數(shù)和采樣距離根據(jù)壩地的面積及長寬比例來確定。根據(jù)布設(shè)的取樣點，選取沿中泓線從壩前到壩尾取樣，以采樣點為圓心、5 m為半徑的范圍內(nèi)，分別采集5鉆0－20 cm的土壤混合樣本30個。土壤取樣點分布見圖1。

圖1 壩地土壤取樣點分布圖

1.2.2 土壤養(yǎng)分室內(nèi)分析

測定分析項目及方法:(1)有機質(zhì)(OM)，重鉻酸鉀容量外加熱法;(2)緩效鉀(SK)，1M硝酸煮沸浸提火焰法;(3)全氮(TN)，半微量開氏法;(4)堿解氮(AN)，堿解擴散法;(5)速效磷(AP)，0.5M NaHCO3浸提鉬銻比色法;(6)速效鉀(AK)，1M NH4OAc浸提火焰法。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

經(jīng)室內(nèi)分析獲得數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，排除特異值，并對數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗。對壩地土壤有機質(zhì)、全氮、緩效鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀等養(yǎng)分的空間分布特征，采用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的方法進行分析。首先用經(jīng)典統(tǒng)計方法，對土壤養(yǎng)分的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、方差、變異系數(shù)等基本性質(zhì)進行初步分析，然后利用ArcGIS9.0軟件中的地統(tǒng)計學(xué)模塊進行半方差模型的擬合和半方差參數(shù)的選擇，最后用克里格(Kriging)插值分析與制圖。根據(jù)養(yǎng)分的半方差函數(shù)、空間變異參數(shù)以及繪制出的土壤養(yǎng)分空間分布圖，分析土壤養(yǎng)分的空間分布規(guī)律和變化特征，得出壩地農(nóng)業(yè)的合理布局和農(nóng)作物精確施肥方法。

2 結(jié)果分析

2.1 壩地土壤養(yǎng)分的初步分析

在分析土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)的空間變異分布前，需要對數(shù)據(jù)進行包括樣本平均數(shù)、方差、變異系數(shù)及頻率分布直方圖的統(tǒng)計處理。表1是土壤養(yǎng)分的分級標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)第二次土壤普查制定。采用傳統(tǒng)統(tǒng)計方法，對比土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，對壩地的土壤養(yǎng)分分布狀況進行了初步分析和評價，得到相應(yīng)的土壤養(yǎng)分統(tǒng)計特征值。統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表1 土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)

表2 壩地土壤養(yǎng)分的統(tǒng)計特征

對照土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，土壤養(yǎng)分含量除鉀素外都處于極低水平，土壤比較貧瘠。壩地土壤養(yǎng)分唯獨鉀素富足，凸現(xiàn)了黃土母質(zhì)中鉀素含量在該區(qū)域土壤養(yǎng)分分布中的作用。土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮都處于極低到低水平。由此可知，壩地屬于低肥力耕地。主要原因，一是由于黃土母質(zhì)整體有機質(zhì)含量較低，壩地種植多年后外界侵蝕物進入逐漸減少;二是有機肥的施入量明顯下降。所以，隨著時間的推移和農(nóng)作物的逐年消耗，使得壩地土壤有機質(zhì)含量逐年降低。壩地土壤全氮含量很低，可能與黃土母質(zhì)本身全氮含量很低、壩地氮肥投入很少或氮素在土壤中的易移動性所造成土壤氮的流失和淋溶等因素有關(guān)。堿解氮含量也很低，可能是因為人們對壩地持續(xù)實行掠奪式經(jīng)營，造成養(yǎng)分貧瘠化。土壤速效磷處于極低—稍低水平之間，主要原因:一方面可能是壩地作物對速效磷多年的消耗遠大于從磷礦物中釋放的有效磷或者所施磷肥的礦化速度，另一方面也可能與掠奪式經(jīng)營有關(guān)。

土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)是土壤內(nèi)在性質(zhì)的反映，能夠區(qū)別不同土壤養(yǎng)分對外界條件的敏感性。表2中顯示土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)Cv在12%－40%之間，都屬于中等變異，說明洪水溝壩地土壤養(yǎng)分分布比較均勻。其中鉀素變異系數(shù)小，這可能與研究區(qū)域施鉀肥量相對較少有關(guān)。此外，鉀主要受地形和土壤類型的影響，而且施入土壤中的鉀肥，因其移動性相對較大、在土壤中殘留較少，致使土壤中速效鉀比較均勻些。土壤緩效鉀含量狀況同土壤速效鉀基本一致。土壤速效鉀含量是指導(dǎo)當(dāng)季施鉀的主要依據(jù)，容易受耕作、施肥、作物吸收等影響而變化，而土壤緩效鉀是不能被作物直接吸收利用的，它是土壤速效鉀的給源和后備。土壤速效磷的變異系數(shù)最大為40%，這是因為植物的生命活動，如凋落物積累、根系分泌物、根際微生物活動、根際磷酸酶、菌根等，土壤中的磷會在根際富集，同時由于磷肥往往是定點施用，因而造成土壤磷素的移動性較差、當(dāng)季利用率低、受植物富集作用影響較大，某些區(qū)域磷素會有大量盈余，而大部分區(qū)域磷素會比較缺乏，導(dǎo)致土壤中速效磷分布不均。另一方面可能與農(nóng)戶小地塊磷肥用量差異較大有關(guān)。因此，土壤磷素明顯受到施肥活動的影響。

壩地土壤養(yǎng)分的偏態(tài)系數(shù)和峰態(tài)系數(shù)均非常接近于0和3，服從正態(tài)分布或是經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后服從正態(tài)分布，可對其進行地統(tǒng)計學(xué)分析。

2.2 壩地土壤養(yǎng)分的空間變異分析

由于傳統(tǒng)統(tǒng)計分析只能分析出土壤數(shù)據(jù)的整體分布特點，而不能定量地分析出土壤數(shù)據(jù)的隨機性、結(jié)構(gòu)性、獨立性和相關(guān)性，為了解決這些問題，需要進一步采用地統(tǒng)計方法對研究區(qū)域壩地土壤養(yǎng)分進行空間變異結(jié)構(gòu)的分析和探討。圖2為研究區(qū)域各種養(yǎng)分按照實際變異函數(shù)的計算結(jié)果，以半方差為縱坐標(biāo)，采樣距離為橫坐標(biāo)，取得的變異函數(shù)曲線圖。

圖2 壩地土壤養(yǎng)分的半方差圖

從土壤養(yǎng)分的半方差圖中可以看出，各養(yǎng)分的半方差值隨著距離的增大而增加，在達到一定的距離后趨于平穩(wěn)，這表明隨著距離的增加，養(yǎng)分的空間相關(guān)性逐漸減小，到達一定距離后不再具有相關(guān)性，也就是說到一定的距離后養(yǎng)分能夠保持空間上的相對獨立。各養(yǎng)分的變異函數(shù)曲線均較為平穩(wěn)，說明在整個尺度上各種生態(tài)過程同等重要，整個區(qū)域內(nèi)會有個別實測點與理論模型相差很遠，可能與采樣的距離及較小范圍內(nèi)養(yǎng)分的分布有關(guān)。

表3是根據(jù)土壤養(yǎng)分的半方差擬合模型得出的相應(yīng)的參數(shù)。塊金值，表示實驗誤差和小于實驗取樣尺度等隨機部分的空間變異性?；_值為半變異函數(shù)從初始的塊金值達到一個相對穩(wěn)定時的常數(shù)。當(dāng)半變異函數(shù)值超過基臺值時，即函數(shù)值不隨采樣點間隔距離而改變時，空間相關(guān)性不存在。從結(jié)構(gòu)性因素的角度來看，基底效應(yīng)的百分數(shù)可表示系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性程度，如果百分數(shù)＜25%，說明變量具有強烈的空間相關(guān)性;在25% －75%之間，變量具有中等的空間相關(guān)性;＞75%時，變量空間相關(guān)性很弱。當(dāng)半變異函數(shù)的取值由初始的塊金值達到基臺值時，采樣點的間隔距離為變程。變程表示了在某種觀測尺度下，空間相關(guān)性的作用范圍，其大小受觀測尺度限定。

表3 壩地土壤養(yǎng)分空間變異參數(shù)

在對模型進行最優(yōu)擬合時，選擇不同的理論模型來擬合半方差圖。通過比較，分別選出了最優(yōu)的理論模型。土壤有機質(zhì)用球狀模型擬合較好，土壤全氮、堿解氮用指數(shù)模型擬合，土壤緩效鉀、速效鉀用高斯模型擬合，土壤速效磷用對數(shù)轉(zhuǎn)換后的高斯模型擬合。經(jīng)過模型擬合后得到的各養(yǎng)分變異函數(shù)理論模型的相應(yīng)參數(shù)，其中土壤速效磷決定系數(shù)比較小，擬合程度不是很好。

洪水溝流域壩地土壤養(yǎng)分的空間自相關(guān)變化尺度范圍均比較小，最大相關(guān)距離從0.001 km到0.005 km，在較小尺度范圍內(nèi)存在著空間相關(guān)性。各土壤養(yǎng)分的空間變異程度有一定的差異，其含量在研究區(qū)域上由隨機因素引起的空間變異分別占其總空間變異的 8.3%、44.0%、23.6%、29.6%、20.2%、30.5%。其中，土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀基底效應(yīng)都較小，分別為8.3%、23.6%、20.2%，具有強烈的空間相關(guān)性，由空間自相關(guān)性引起的變異分別為91.7%、76.4%、79.8%。由此說明，由空間自相關(guān)性引起的空間變異性是主要的，在小尺度上具有較強的漸變性分布規(guī)律。其空間變異主要來自于土壤母質(zhì)、地形、氣候等非人為的區(qū)域因素，在小尺度上其空間變異受施肥、作物種類、管理水平等人為因素的影響較小。土壤全氮、緩效鉀、速效磷基底效應(yīng)分別為44.0%、29.6%、30.5%，具有中等的空間相關(guān)性，在小尺度上由空間自相關(guān)性引起的變異要比由隨機因素引起的變異大些，其空間變異受施肥、作物種類、管理水平等人為因素的影響較土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀大。

2.3 土壤養(yǎng)分的空間分布格局

空間分布格局是指土壤養(yǎng)分含量在空間上有規(guī)律的分布?？死锔穹ㄖ茍D是根據(jù)計算所得的最優(yōu)無偏估計值，按照相應(yīng)的空間位置點繪制形成的空間分布圖。本研究中為了準(zhǔn)確直觀地描述壩地土壤養(yǎng)分在空間上的分布，利用ArcGIS軟件的地統(tǒng)計分析模塊Geostatistical Analyst，用克里格插值法來繪制所測土壤養(yǎng)分的空間分布圖(見圖3)。

圖3 壩地土壤養(yǎng)分的空間分布圖

從各個土壤養(yǎng)分的空間分布規(guī)律來看，土壤養(yǎng)分含量分布均具有較強的空間異質(zhì)性，說明存在著空間格局。土壤養(yǎng)分空間分布總趨勢大致相同，養(yǎng)分含量斑塊的大小、形狀及空間分布具有明顯的差異。除土壤緩效鉀外，其他養(yǎng)分都具有一定的漸變性分布規(guī)律，呈現(xiàn)出從東南到西北的條帶狀分布，這與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的農(nóng)田經(jīng)營方向基本一致。說明，農(nóng)戶不同的經(jīng)營方式與施肥習(xí)慣等人為因素對壩地土壤養(yǎng)分的變異起主導(dǎo)作用。土壤緩效鉀含量的空間分布具有較高程度的異質(zhì)性，但是呈現(xiàn)出的是明顯的斑塊鑲嵌狀的空間結(jié)構(gòu)，而且斑塊的大小、形狀及空間分布等都存在著差異。土壤緩效鉀的斑塊狀格局可能與當(dāng)?shù)剽浄实氖┯昧俊⑩浄实漠?dāng)季利用率等有關(guān)。

3 結(jié)論與討論

(1)中陽縣洪水溝流域壩地土壤養(yǎng)分分布不平衡，土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)在12% －40%之間，均屬于中等變異。除鉀素含量較高可滿足作物生長外，其他肥力要素含量較低，特別是有機質(zhì)、全磷和速效磷含量趨于貧瘠化。

(2)土壤養(yǎng)分的半方差隨著距離的增大而增加，說明存在空間相關(guān)性。

(3)各土壤養(yǎng)分的空間自相關(guān)變化尺度范圍都比較小，在較小范圍內(nèi)存在著空間相關(guān)性。各養(yǎng)分的空間變異程度有一定的差異，土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀在小尺度上具有較強的漸變性分布規(guī)律，其空間變異主要來自于土壤母質(zhì)、地形、氣候等非人為的區(qū)域因素。土壤全氮、緩效鉀、速效磷在小尺度上由空間自相關(guān)性引起的變異要比由隨機因素引起的變異大些。

(4)土壤養(yǎng)分空間分布總趨勢大致相同，具有高度的空間相關(guān)性，存在空間格局。養(yǎng)分含量斑塊的大小、形狀及空間分布具有明顯的差異。除土壤緩效鉀外，其他養(yǎng)分都具有一定的漸變性分布規(guī)律，呈現(xiàn)出從東南到西北的條帶狀分布，這與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的農(nóng)田經(jīng)營方向基本一致。

研究表明，研究區(qū)域內(nèi)的壩地唯獨鉀素富足，土壤養(yǎng)分整體退化趨勢嚴重。壩地種植利用多年后，動植物殘體等外界養(yǎng)分的再次攜入非常有限，同時農(nóng)戶的耕作活動又會導(dǎo)致耕種土壤肥力的消耗，壩地有機質(zhì)的含量已處于低肥力地的下限。由于黃土高原地區(qū)畜牧業(yè)不發(fā)達制約了有機肥的生產(chǎn)與投入，經(jīng)濟水平低下又限制了化肥的投入，建議當(dāng)?shù)厝罕姂?yīng)轉(zhuǎn)變以往認為壩地是上好農(nóng)地而不施或少施肥料的錯誤觀念，應(yīng)將有機肥、氮肥和磷肥進行配合施用，只有這樣才能持續(xù)發(fā)揮壩地的經(jīng)濟效益。

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