山西省主要農田土壤有機質和全氮的空間變異分析

解文艷，周懷平 ，關春林 ，張建杰 ，楊振興 ，顏曉元 ，王書偉

（1.山西省農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030006；2.土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，中國科學院南京土壤研究所，南京210008）

耕地是土壤資源的精華，它是在自然土壤的基礎上，經過長期的人類耕作、灌溉、施肥等措施逐步演化而成的。由于各地氣候、成土母質、成土條件、耕作方式、栽培歷史等的不同，耕地的類型、質量、肥力狀況差異較大[1]。土壤有機質和全氮是評價土壤肥力和土壤質量的重要指標，是全球碳循環(huán)的重要源和匯，目前，其已成為土壤科學、環(huán)境科學研究的熱點之一[2-3]。土壤有機質和全氮與其他土壤特性一樣，具有高度的空間變異性，即在相同的區(qū)域內，同一時刻不同的空間位置，其含量存在明顯的差異。充分了解土壤有機質和全氮的空間分布特征，掌握其變異規(guī)律，對于土壤養(yǎng)分資源的科學管理和合理利用，有針對性地采取合理施肥技術，提高肥料養(yǎng)分資源的利用率和作物產量，保持和提高土壤肥力，促進區(qū)域農業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面具有十分重要的理論和實踐意義[4-8]。目前，國內外學者對土壤有機質和全氮的空間變異性進行了廣泛研究，并取得了一些進展[9-12]。

山西省是經濟欠發(fā)達地區(qū)，是一個農業(yè)省份，糧食收入是該省農民收入的重要組成部分，是貧困地區(qū)農民的主要經濟來源。近年來，山西省農村經營管理體制、耕作制度、有機肥和化肥施用總量與作物品種結構發(fā)生了巨大變化[13-14]。

本試驗通過研究山西省土壤有機質和全氮空間分布特征和變異規(guī)律，旨在為山西省農田的平衡施肥、作物產量的提高和土壤環(huán)境安全等提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

山西省位于我國中部、黃河中游，太行山以西，介于東經110°15′～114°32′、北緯34°34′～40°44′之間，屬暖溫帶、溫帶大陸性氣候，年平均氣溫在3.7～13.8℃之間，氣溫地區(qū)分布總趨向是自南向北、自平川向山地遞減；無霜期一般為120～220 d，其分布特點是南長北短，平川長山地短；年均日照為2 000～3 000 h，年均降水量為380～650 mm。全省土地總面積15.66萬km2，約占全國土地總面積的1.64%。1986年山西省土壤普查資源匯總耕地面積約373.2萬hm2。山西地形較為復雜，境內有山地、丘陵、盆地、臺地等各種地貌類型，整個地貌是被黃土廣泛覆蓋的山地型高原，海拔為1 000～2 000 m。農作物以小麥、玉米為主，農田土壤類型主要有棕壤、褐土、黃綿土、栗鈣土、草甸土等。按地貌、土壤、氣候等因素條件，山西省大致可分為5個農業(yè)地理區(qū)域，分別為晉南（運城市、臨汾市）、晉東南（晉城市、長治市）、晉西北（呂梁市）、中部區(qū)（晉中市、太原市、陽泉市）、晉北（忻州市、大同市、朔州市）。這5個區(qū)域的自然生態(tài)條件、土壤性質和農業(yè)生產水平等方面存在較大差異。

1.2 研究方法

參照全國第二次土壤普查資料，根據(jù)耕地面積、土種類型和肥料水平進行布點采樣，共確定75個取樣點。利用GPS對采樣點定位，記錄經度、緯度、海拔高度和土壤質地狀況等，2007年秋收后，在距每一樣點10 m的范圍內分別采集土壤剖面0～20，20～100 cm土層各5份土樣，混合均勻后用四分法取0.5 kg土樣備用。

土壤樣品分析由中國科學院南京土壤研究所土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室負責完成。重點分析了土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、pH值等土壤理化性質[15]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及制圖采用SPSS 13.0及ArcInfo9.2軟件完成。

2 結果與分析

2.1 山西省主要農田土壤有機質和全氮含量的統(tǒng)計特征值情況

由表1的偏度和峰度系數(shù)可知，0～20，20～100 cm土層的有機質和全氮既不服從正態(tài)分布，也不服從對數(shù)正態(tài)分布，呈偏態(tài)分布，二者的變異系數(shù)分別為 42.65%，46.82%和 25.88%，28.89%，均屬中等變異程度[16]，并且同一養(yǎng)分不同層次的變異系數(shù)差異很小，這與以往的一些研究結果一致[9-12]。有機質和全氮的分布及變異程度比較一致，表明二者受研究區(qū)內地形、水熱條件等相同條件所控制。

表1 山西省土壤有機質和全氮含量的描述性統(tǒng)計

由表1還可知，0～20 cm耕層土壤有機質和全氮平均含量分別為17.70，0.85 g/kg，按照全國第二次土壤普查山西省的養(yǎng)分分級標準[17]，二者均屬中等偏上水平。20～100 cm土層土壤有機質和全氮平均含量分別為8.50，0.45 g/kg，分別比耕層土壤含量低51.98%和47.06%。表明有機質和全氮在土壤的剖面分布具有一定的表聚性。這是由于耕層土壤受人為活動影響較強烈，作物根系又多密集于耕層內。因此，耕層土壤有機質和全氮含量明顯高于下層土壤。

表1還表明，有機質和全氮在0～20，20～100 cm土層中的含量不同，耕層有機質含量范圍為5.2～44.8 g/kg，極差為 39.6 g/kg；20～100 cm土層土壤有機質含量范圍為3.1～23.0 g/kg，極差為19.9 g/kg。耕層土壤的全氮含量范圍為0.29～1.39 g/kg，極差為 1.10 g/kg；20～100 cm土層土壤全氮含量范圍為0.20～0.91g/kg，極差為0.71 g/kg。有機質和全氮的含量在這2個土層變化幅度均較大，說明有機質和全氮含量在不同土層土壤中存在明顯差異。

2.2 山西省土壤有機質和全氮空間分布特征

以地區(qū)為最小單元，分析了山西省0～20 cm和20～100 cm有機質和全氮的分布情況（圖1）。

表 2和表 3是對 5個研究區(qū)域的 0～20，20～100 cm土層土壤有機質和全氮的基本統(tǒng)計分析。

表2 山西省不同地區(qū)0～20 cm土層土壤有機質和全氮含量的統(tǒng)計分析

表3 山西省不同地區(qū)20～100 cm土層土壤有機質和全氮含量的統(tǒng)計分析

從全省來看，耕層土壤有機質含量總的趨勢是：由東南向西北方向含量逐漸降低，中部向晉南和晉北方向逐漸減少（圖1-a）。5個區(qū)域耕層土壤有機質含量的分布特點：晉東南最高，其次為中部區(qū)和晉西北，這3個地區(qū)的有機質含量大于全省的平均值（17.7 g/kg）；晉南和晉北的有機質含量小于全省的平均值。

由于耕層土壤有機質含量（y）與土壤全氮含量（x）呈非常顯著的正相關（y＝30.21x－0.807，r＝0.840**），耕層土壤全氮含量的空間分布與有機質總的趨勢基本一致，呈由東南向西北方向逐漸降低的趨勢（圖1-b）。5個區(qū)域耕層土壤全氮平均含量大小依次為晉東南＞中部＞晉南＞晉西北＞晉北（表2）。

山西省土壤20～100 cm土層土壤有機質和全氮含量的空間分布與耕層基本一致，表現(xiàn)出一定的空間垂直分布特征（圖1-c，d）。晉東南和中部區(qū)域20～100 cm土層土壤有機質和全氮平均含量較高，分別為 11.10，10.12g/kg和 0.55，0.46g/kg；晉西北、晉南、晉北土壤有機質和全氮平均含量相差不大，分別在7.5，0.43 g/kg左右（表3）。

2.3 影響山西省土壤有機質和全氮含量空間分布的主要因素

山西省主要的土壤類型有褐土、潮土、栗褐土、黃綿土等，不同土壤類型理化性質差異是造成土壤有機質和全氮空間分布差異的自然因素。但研究區(qū)域又是人為影響比較明顯的地方，其輪作制度有一年一作、兩年三作、一年兩熟等，種植的作物有春玉米、春玉米—冬小麥—夏大豆、冬小麥—夏玉米、雜糧、果園等，不同的土地利用方式下，人為因素又會對土壤有機質和全氮分布的差異造成影響。以耕層有機質和全氮為例來分析其主要影響因素。

首先，地形和土壤類型影響土壤有機質和全氮的空間分布。山西省地勢由北向南、由西向東逐漸降低；土壤類型依次為栗褐土、黃綿土、褐土性土、褐土、潮土及石灰性褐土，與有機質和全氮的空間分布趨勢一致，這反映了地形和土壤類型是山西省土壤有機質和全氮空間分布的主要影響因素之一。有機質和全氮含量最高值區(qū)域位于東南部海拔800～1 500 m的太行山一線山間盆地，土壤類型為石灰性褐土，土層深厚，氣溫相對較低，而降水量相對較多，土質黏重，有機質易積累。山西省中部為海拔700～800 m的盆地，土壤類型為石灰性褐土、褐土性土，河流兩岸有潮土，土層深厚，土質適中，通體暗灰色，保水保肥性能良好，有機質和全氮含量較高。山西省西北部為海拔800～1 400 m的黃土高原，主要土壤類型有褐土性土、栗褐土、黃綿土，種植小麥、谷子、馬鈴薯等，水蝕、風蝕嚴重，土壤有機質和全氮含量較低。晉南為海拔600 m以下的盆地，土壤類型主要有褐土、石灰性褐土和潮土，地勢較低，氣溫較高，有機質礦化率高，土壤有機質和全氮含量較低。晉北土壤有機質和全氮含量最低，主要是因為該區(qū)為大同盆地和忻定盆地，地勢較高，氣溫較低，土壤類型主要是栗鈣土、栗褐土，盆地內有大片鹽化、堿化土，該區(qū)風多干旱，植被多系旱生草本植物，生長量較少，供給土壤的有機質數(shù)量不多，而且少雨，礦質化大于腐殖化。

其次，土地利用方式和施肥狀況影響土壤有機質和全氮的空間分布。從土地利用方式看（表4），山西省主要農田耕層土壤有機質和全氮含量大小比較為：春玉米—冬小麥—夏大豆＞冬小麥—夏玉米＞春玉米＞果園＞雜糧。晉南主要種植冬小麥、夏玉米、豆類、棉花、果園等，輪作制度為一年兩熟或兩年三熟，主要為水澆地；中部區(qū)、晉東南多數(shù)以種冬小麥、春玉米、谷子、豆類為主，多數(shù)為一年一作或兩年三作，主要為旱地；晉西北作物有春玉米、谷子、果園、莜麥等，多數(shù)為一年一作。這些地區(qū)農民從事農業(yè)生產的積極性較高，有機肥和化肥投入也相對較多，尤其是近年來秸稈大量還田，有機質歸還率大大提高，土壤有機質和全氮含量水平較高。晉北主要種植莜麥、豆類、馬鈴薯等雜糧及油料作物，由于受堿化為害，農民管理相對困難，加之當?shù)仄骄鶜鉁剌^低，種植作物類型僅限于一些雜糧和油料作物，且農民對農業(yè)投入很少，土壤有機質和全氮含量很低。

表4 山西省不同土地利用方式下耕層土壤有機質和全氮含量統(tǒng)計

影響土壤有機質和全氮含量的因素比較復雜，對各因素影響程度的分析以后將進一步討論。

3 結論與討論

本研究結果表明，山西省耕層0～20 cm和20～100 cm土層的有機質和全氮含量都具有空間變異性，其變異系數(shù)分別為42.65%，46.82%和25.88%，28.89%，均屬中等變異程度。耕層土壤有機質和全氮含量平均值分別為17.7，0.85 g/kg，均屬中等偏上水平。20～100 cm土層土壤有機質和全氮含量明顯低于耕層，且在土壤剖面分布具有一定的表聚性。山西省耕層土壤有機質和全氮含量的空間分布趨勢受地形、土壤類型、土地利用方式、施肥狀況等因素影響，呈現(xiàn)由東南向西北逐漸降低的趨勢。20～100 cm土層土壤有機質和全氮的空間分布與耕層基本一致，表現(xiàn)出一定的垂直分布特征。

本研究僅應用GIS和地統(tǒng)計學方法，對較大空間尺度范圍進行了土壤有機質及全氮空間結構分析，由于土壤屬性空間變異的普遍性和人力財力消耗大，代表范圍有限，只靠普查和樣地實測對土壤進行監(jiān)測，很難保證高密度樣點分布。隨著空間科學技術的不斷發(fā)展，可以結合遙感在短時間內對同一地區(qū)進行重復探測，獲取大面積同步觀測數(shù)據(jù)，而且還不受地形阻隔等限制。利用3S技術，進行大尺度范圍的土壤屬性監(jiān)測研究，更新原有土壤數(shù)據(jù)，結合相關模型模擬土壤屬性空間變異將是今后研究的主要方向。

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