蘇州市土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量變化的空間尺度效應(yīng)

孫永泉，陳 吉，劉 旭，沈林林，陸幸鸚

(1.蘇州市耕地質(zhì)量保護(hù)站，江蘇蘇州 215011；2.蘇州市農(nóng)產(chǎn)品安全監(jiān)測中心，江蘇蘇州 215011)

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蘇州市土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量變化的空間尺度效應(yīng)

孫永泉1，陳 吉1，劉 旭1，沈林林2，陸幸鸚1

(1.蘇州市耕地質(zhì)量保護(hù)站，江蘇蘇州 215011；2.蘇州市農(nóng)產(chǎn)品安全監(jiān)測中心，江蘇蘇州 215011)

[目的]明確蘇州市土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量在不同空間尺度下的變化規(guī)律。[方法]以2010年蘇州市耕地質(zhì)量監(jiān)測點數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量與空間尺度的關(guān)系。[結(jié)果]土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量的變異程度與空間尺度變化存在一定關(guān)系，其中土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量的組內(nèi)變異程度隨著空間尺度的增大而增加，而其組間變異程度則表現(xiàn)出相反趨勢，土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量的組間變異程度普遍大于其組內(nèi)變異程度。[結(jié)論]為準(zhǔn)確確定土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量的空間區(qū)域劃分方法提供了科學(xué)依據(jù)。

土壤養(yǎng)分；土壤有機(jī)質(zhì)；空間尺度；變異系數(shù)

土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量是常用的土壤肥力指標(biāo)，其影響因素很多，主要包括氣候條件、地形狀況、植被類型、土壤性狀和利用管理狀況等[1]。不同區(qū)域尺度下對應(yīng)著不同的影響因素，導(dǎo)致不同區(qū)域尺度下表現(xiàn)出不同土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量變異格局，這被稱為尺度效應(yīng)。尺度效應(yīng)是地理分異規(guī)律和地理綜合規(guī)律在時間和空間上的表現(xiàn)，隨著尺度變大，研究對象的綜合性、概括性增強(qiáng)，研究對象之間的主導(dǎo)分異因子級別提高；隨著尺度變小，研究對象的分異性、多樣性增強(qiáng)，研究對象之間的主導(dǎo)分異因子級別降低[2-3]。筆者通過分析蘇州市多種空間尺度的土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量的變異性，研究不同空間尺度區(qū)域劃分方式下土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量變異的規(guī)律，旨在為準(zhǔn)確確定土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量的空間區(qū)域劃分方法提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 蘇州處于長江下游太湖流域，全市總面積8 488.42 km2，其中平原占55%，水面占42%，丘陵占3%。境內(nèi)河流縱橫，湖泊眾多，平均海拔4 m，年均氣溫16.9 ℃，年均無霜期230 d，年均日照時數(shù)77.31 h，年均降水量1 200 mm。蘇州市耕地質(zhì)量監(jiān)測工作始于2004年，全市共建立了108個監(jiān)測點，其中1個國家級監(jiān)測點，20個省級監(jiān)測點。監(jiān)測點分布在4個市(縣)4個區(qū)，覆蓋了黃泥土、沙夾垅、小粉土、沙夾土、高(低)位白土、烏柵土等15個主要土壤種類，涉及麥稻、林果、油稻、蔬菜、茶葉5個主要種植制度，代表耕地面積3 675萬hm2。其中，糧田監(jiān)測點70個，占70%，體現(xiàn)了對糧食生產(chǎn)的高度重視。監(jiān)測類別分為耕地肥力檢測和農(nóng)田環(huán)境檢測兩大類。省級監(jiān)測點設(shè)常規(guī)施肥、優(yōu)化施肥、當(dāng)年無肥和常年無肥4種施肥處理。

1.2 數(shù)據(jù)來源 數(shù)據(jù)來源于2010年蘇州市省級耕地質(zhì)量監(jiān)測點常規(guī)施肥區(qū)數(shù)據(jù)。

1.3 測定項目與方法 土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定；全氮含量采用半微量開氏法測定；堿解氮含量采用1.0 mol/L NaOH擴(kuò)散法測定；有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定；緩效鉀采用1.0 mol/L HNO3浸提-火焰光度法測定[4]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計 數(shù)據(jù)采用Micsoft Excel 2003和SPSS 13.0軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量描述性統(tǒng)計及相關(guān)性分析 通過對2010年蘇州市20個省級耕地質(zhì)量監(jiān)測點常規(guī)施肥區(qū)的耕作層土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示(表1)，蘇州市有機(jī)質(zhì)含量平均值為26.4 mg/kg，全氮含量平均值為1.6 mg/kg，堿解氮含量平均值為175.2 mg/kg，有效磷含量平均值為26.6 mg/kg，速效鉀含量平均值為105.7 mg/kg，緩效鉀含量平均值為429.0 mg/kg。蘇州全市土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)出不同程度的變異，各市區(qū)土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量的變異系數(shù)為1.9%～93.0%，平均為24.6%。其中，土壤有效磷的變化最明顯(變異系數(shù)為87.0%)，對外界環(huán)境條件變化的響應(yīng)最直接，其次為速效鉀(變異系數(shù)為37.8%)、緩效鉀(變異系數(shù)為23.4%)、全氮(變異系數(shù)為19.6%)、有機(jī)質(zhì)(變異系數(shù)為18.7%)、堿解氮(變異系數(shù)為13.8%)。

表1 2010年蘇州市省級耕地質(zhì)量監(jiān)測點土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量

前人研究表明，土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量之間存在一定的相關(guān)性[5]。筆者對20個蘇州市省級耕地質(zhì)量監(jiān)測點土壤性質(zhì)(有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、緩效鉀)進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果顯示(表2)：土壤有機(jī)質(zhì)含量與全氮含量呈極顯著正相關(guān)，與速效鉀、緩效鉀含量呈顯著正相關(guān)；有效磷含量與緩效鉀含量呈顯著正相關(guān)；速效鉀含量與緩效鉀含量呈極顯著正相關(guān)。

表2 土壤性質(zhì)相關(guān)性分析

注：*表示在0.05水平呈顯著相關(guān)；**表示在0.01水平呈極顯著相關(guān)。

Note:* indicates a significant correlation at the 0.05 level；* * indicates a significant correlation at the 0.01 level.

2.2 土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量變異程度與空間尺度的關(guān)系 土壤性質(zhì)的變異程度與空間尺度變化存在一定關(guān)系[6]。筆者以蘇州張家港市、常熟市、太倉市、昆山市、吳江市、吳中區(qū)等各市區(qū)作為小區(qū)域尺度；張家港和常熟市位于蘇州市區(qū)以北，兩者合并為“北部”，太倉和昆山市位于蘇州市區(qū)以東，兩者合并為“東部”，吳江市和吳中區(qū)位于蘇州市區(qū)以南，兩者合并為“南部”，以“東部”“南部”和“北部”作為大區(qū)域尺度；以包括張家港市、常熟市、太倉市、昆山市、吳江市、吳中區(qū)等各市區(qū)的蘇州全市作為全市尺度。對小區(qū)域尺度、大區(qū)域尺度和全市尺度3種空間尺度下的土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量變異程度分別進(jìn)行以耕地質(zhì)量監(jiān)測點為統(tǒng)計單元的組內(nèi)變異程度分析和以空間尺度為統(tǒng)計單元的組間變異程度分析，結(jié)果見圖1、2。

從圖1可見，以耕地質(zhì)量監(jiān)測點為統(tǒng)計單元，隨著空間尺度的增大，監(jiān)測點數(shù)量增加，除了土壤堿解氮含量變化不大外，尺度單元內(nèi)部土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、緩效鉀含量的變異系數(shù)分別從小區(qū)域尺度的15.0%、10.3%、61.3%、28.4% 和18.3%增加到大區(qū)域尺度的18.3%、16.7%、69.4%、37.1%、21.6%及全市尺度的18.7%、19.6%、87.1%、37.8%、23.4%，即土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量組內(nèi)變異程度隨著空間尺度的增大而增加。

圖1 不同空間尺度的土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量組內(nèi)變異系數(shù)Fig.1 Coefficient of variation of soil nutrients and organic matter content at different spatial scales

從圖2可見，在確定的空間尺度單元下，單元內(nèi)土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量的組間變異系數(shù)則隨著空間尺度的增大而減小，即表現(xiàn)為土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、緩效鉀含量的變異系數(shù)分別從小區(qū)域尺度的68.0%、80.6%、77.5%、47.5%、46.4%、32.6%下降到大區(qū)域尺度的17.5%、20.0%、18.3%、35.7%、4.8%、18.3% 。小區(qū)域和大區(qū)域尺度下的組間差異是全市尺度下的組內(nèi)差異，表現(xiàn)出類似趨勢。由此可見，在尺度轉(zhuǎn)換過程中，對于低級尺度內(nèi)最基本單元概括而形成最初的區(qū)域基礎(chǔ)后，以此空間區(qū)域為基礎(chǔ)向高級空間尺度遞進(jìn)時，轉(zhuǎn)換層次的增加可導(dǎo)致其內(nèi)部的差異性減少。

圖2 不同空間尺度的土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量組間變異系數(shù)Fig.2 Coefficient of variation of soil nutrients and organic matter content at different spatial scales

綜合圖1、2來看，土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量的組間變異程度普遍大于其組內(nèi)變異程度，這在小區(qū)域尺度條件下表現(xiàn)得更為明顯。這可能與組內(nèi)比較的是相對較近區(qū)域內(nèi)土壤的變異程度，而組間比較的是相對較遠(yuǎn)區(qū)域內(nèi)土壤的變異程度有關(guān)。根據(jù)土壤發(fā)生學(xué)理論，氣候、生物、地形和母質(zhì)等均是土壤主要成土因素[7]，而區(qū)域變化可以影響這些因素變化。另外，土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量的組內(nèi)和組間變異程度均表現(xiàn)出一致的變化趨勢，這可能與各土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量存在一定程度的相關(guān)性有關(guān)。根據(jù)土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量在不同空間尺度內(nèi)的變異情況可以看出，不同空間尺度擴(kuò)展方式得到的結(jié)果存在差異。簡單來說，如果同樣的樣本數(shù)分布在大小不同的空間區(qū)域，那么大區(qū)域的變異程度就會超過小區(qū)域；而對于同一區(qū)域而言，樣本數(shù)的增多則會導(dǎo)致其變異性的增加。

3 小結(jié)

通過對小區(qū)域尺度、大區(qū)域尺度、全市尺度3種不同空間尺度的土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量的變異性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：蘇州市土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量的變異程度與空間尺度變化存在一定的關(guān)系，其中土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量的組內(nèi)變異程度隨著空間尺度的增大而增加，而組間變異程度則表現(xiàn)出相反趨勢，土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量的組間變異程度普遍大于其組內(nèi)變異程度。

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Scaling Effect on Spatial Variability of Soil Nutrients and Organic Matter Content

SUN Yong-quan1, CHEN Ji1, Liu Xu1et al

(Suzhou Quality of Cultivated Land Protection Station, Suzhou, Jiangsu 215011)

[Objective]The study aimed to define the variation of soil nutrients and organic matter content in different spatial scales in Suzhou City. [Method] Based on the data from Suzhou cultivated land quality monitoring data in 2010, the relationship between the variation of soil properties(include soil nutrients and organic matter) and the spatial scales were analyzed.[Result] The results indicated that the variation coefficient of soil properties content increased with increasing the number of soil sample while individual soil sample was taken as a basic statistical unit, and decreased with spatial scale up while average of soil properties content in the defined scale was taken as a statistical unit. The variation coefficient of soil properties content within soil group less than among soil groups. [Conclusion] The result could prove data support for determination of soil nutrients and organic matter content in the space division method.

Soil nutrients; Soil organic matter; Spatial scales; Variation coefficient

孫永泉(1966-)，男，江蘇蘇州人，高級農(nóng)藝師，從事耕地質(zhì)量研究。

2016-09-05

S 153.6

A

0517-6611(2016)32-0114-03