名山縣城東鄉(xiāng)漂洗水稻土速效磷在田間尺度下的空間變異研究

摘要根據(jù)44個(gè)表層土壤（0～20 cm）樣點(diǎn)速效磷的化驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的基本原理和方法，結(jié)合GIS技術(shù)，研究名山縣城東鄉(xiāng)漂洗水稻土速效磷在田間尺度下的空間變異規(guī)律及其影響因素。結(jié)果表明：研究區(qū)土壤速效磷含量為16.51±15.85 mg/kg，具有較強(qiáng)的變異性；速效磷具有中等空間相關(guān)性，空間插值結(jié)果呈塊狀分布；pH、坡向與速效磷含量相關(guān)性不顯著，而坡度與速效磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，有機(jī)質(zhì)、高程與速效磷含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，表明高程、坡度與有機(jī)質(zhì)對(duì)速效磷含量具有比較明顯的影響。

關(guān)鍵詞漂洗水稻土；速效磷；田間尺度；空間變異

中圖分類(lèi)號(hào)S511文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）01-00102-05

作者簡(jiǎn)介彭滔（1989-），男，重慶人，碩士研究生，研究方向：景觀生態(tài)，Email：236404727@qq.com。

收稿日期20131205土壤速效磷（SAP）作為磷的一種常見(jiàn)形態(tài)，是標(biāo)志土壤磷素供應(yīng)水平的重要指標(biāo)之一，對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育及作物產(chǎn)量有重要影響。研究區(qū)所在的名山縣素有雅安“糧倉(cāng)”之稱，盛產(chǎn)茶葉，是全國(guó)重要的茶葉生產(chǎn)基地，因此對(duì)研究區(qū)土壤速效磷空間變異規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)改良土壤和發(fā)展當(dāng)?shù)厣a(chǎn)具有指導(dǎo)意義。地形因子與土壤中物質(zhì)的運(yùn)移有著緊密的聯(lián)系，會(huì)影響土壤中元素的分布情況[1]。雖然磷素在土壤中的移動(dòng)是很微弱的，但是在長(zhǎng)期的成土和利用過(guò)程中土壤磷素不僅形成大的地帶性差異，而且在一個(gè)局部范圍內(nèi)，也可以通過(guò)淋溶、淀積和人為活動(dòng)而重新分布，在丘陵地區(qū)這種局部變異很明顯[2]。地統(tǒng)計(jì)學(xué)已被證明是分析土壤性狀空間分布和空間異質(zhì)性的最有效方法之一。它彌補(bǔ)了以概率論為基礎(chǔ)的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析方法在結(jié)構(gòu)和過(guò)程分析方面的不足[3]。

以往關(guān)于磷素空間變異特征的研究，大多集中在大尺度方面，在微尺度方面的研究相對(duì)較少。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，在大尺度下土壤速效磷含量主要受成土母質(zhì)、海拔、坡度、氣候差異、土壤侵蝕程度和土地利用方式等因素的影響[4-5]。但，對(duì)于田間尺度下利用方式、地形地貌等差異都較小的研究區(qū)，其土壤速效磷含量及影響因素是否與其他區(qū)域相似以及有無(wú)其特殊性等問(wèn)題是值得探討的內(nèi)容[6]。筆者擬在前人研究的基礎(chǔ)上，主要運(yùn)用土壤學(xué)、測(cè)量學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和地理信息系統(tǒng)（GIS）知識(shí)，在對(duì)研究區(qū)地形進(jìn)行測(cè)量和對(duì)土壤進(jìn)行采樣分析的基礎(chǔ)上得到研究區(qū)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，利用空間數(shù)據(jù)制作數(shù)字高程模型（DEM）以提取地形因子，利用ArcGIS空間插值實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的融合。然后，運(yùn)用ArcGIS中地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析組件對(duì)土壤速效磷進(jìn)行空間分析，綜合利用ArcGIS、SPSS、Excel等軟件統(tǒng)計(jì)分析各種因子對(duì)研究區(qū)土壤速效磷空間變異的影響，從而為土地利用規(guī)劃，養(yǎng)分的精準(zhǔn)化管理提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況研究區(qū)位于雅安市名山縣城東鄉(xiāng)雙田村四組境內(nèi)國(guó)道318線與成雅高速公路之間，處于第四級(jí)階地上，地勢(shì)西南低其他三面高，呈喇叭形向西南開(kāi)口，屬于緩丘地形、丘陵臺(tái)地地貌，海拔在450～550 m，面積約1.8 hm2。區(qū)內(nèi)主要土壤為白鱔泥，地塊多為水田改造而成的茶園。研究區(qū)內(nèi)國(guó)道318線自南部經(jīng)過(guò)，成雅高速公路自東北向西南方向經(jīng)過(guò)，東北側(cè)有一鄉(xiāng)道和幾處居民點(diǎn)。

1.2研究方法

1.2.1DEM的獲取和地形因子的提取。采用尼康全站儀對(duì)研究區(qū)進(jìn)行研究區(qū)進(jìn)行三維坐標(biāo)的測(cè)定，得到以此作為生成研究區(qū)DEM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在具體操作中，將第一站坐標(biāo)假設(shè)為一個(gè)已知點(diǎn)（500，500，500）。并且根據(jù)羅盤(pán)定位及測(cè)站位置，估算一個(gè)坐標(biāo)方位角，進(jìn)而測(cè)出各個(gè)研究區(qū)特征點(diǎn)的坐標(biāo)和高程。DEM獲取是將研究區(qū)的特征點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立要素類(lèi)，在ArcGIS9.0中將要素類(lèi)轉(zhuǎn)化為T(mén)IN，并由TIN生成DEM（圖1）。在DEM上，分別提取研究區(qū)高程、坡度、坡向等地形因子。

1.2.3數(shù)據(jù)分析方法。

1.2.3.1特異值的識(shí)別與處理和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。由于特異值的存在會(huì)造成變量連續(xù)表面的中斷，影響變量的分布特征，因此采用域法識(shí)別特異值，即樣本平均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差（S），在區(qū)間[-3S，+3S]以外的數(shù)據(jù)均定為特異值，然后分別用正常的最大值和最小值代替特異值[9]。文中，利用SPSS Statistics17.0軟件對(duì)研究區(qū)域44個(gè)土壤樣本進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，并對(duì)速效磷與地形因子、土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量等影響因素進(jìn)行相關(guān)分析。

1.2.3.2地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和空間插值。采用ArcCatalog工具對(duì)采樣點(diǎn)建立屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，由數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建要素類(lèi)實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的融合。常規(guī)統(tǒng)計(jì)不能全面反映研究區(qū)速效磷空間分布的結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性。為了更直觀地了解研究土壤速效磷空間變異特征，筆者利用ArcGIS9.0中地統(tǒng)計(jì)分析模塊對(duì)速效磷進(jìn)行趨勢(shì)分析，然后用GS+9.0軟件計(jì)算速效磷半方差函數(shù)，進(jìn)行空間變異分析。通過(guò)分析，選擇擬合度較好的模型進(jìn)行插值，獲得研究區(qū)速效磷含量分布圖[10]。運(yùn)用區(qū)域統(tǒng)計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析和地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的驗(yàn)證。

2結(jié)果與分析

2.1土壤速效磷、pH、有機(jī)質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析排除和更正特異值后，利用SPSS Statistics17.0軟件對(duì)研究區(qū)44個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，初步了解其分布信息，便于空間插值分析。

由表1可知，速效磷含量為（16.51±15.85）mg/kg，變異系數(shù)為96.00%。按照反映離散程度的變異系數(shù)大小，可以將土壤變異性進(jìn)行粗略分級(jí)：變異系數(shù)<10%為弱變異性，10%～100%為中變異性，>100%為強(qiáng)變異性。依此得出研究區(qū)土壤速效磷含量相對(duì)于其均值離散程度較高，在水平方向上呈強(qiáng)變異性[11]。速效磷含量偏度值和峰度值較大，表明原始數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，所以需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由圖3可知，研究區(qū)土壤速效磷數(shù)據(jù)經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布。由于研究區(qū)范圍較小、成土母質(zhì)相似且基本上都是由稻田改造而成的茶園，所以土壤養(yǎng)分受氣候、母質(zhì)和用地類(lèi)型的影響較小。這表明土壤速效磷含量受到外部的強(qiáng)烈影響。該區(qū)土壤呈強(qiáng)酸性，pH為3.03～5.59，均值為4.25，變異系數(shù)在3項(xiàng)指標(biāo)中最小，表明pH受外部的影響較弱。土壤有機(jī)質(zhì)含量為1.67%～6.05%，均值為3.63%，有機(jī)質(zhì)含量偏低。

根據(jù)以上理論，我們可以分析出研究區(qū)土壤速效磷含量的空間異質(zhì)性。研究區(qū)塊基比在25%～75%之間，說(shuō)明速效磷含量具有中等空間相關(guān)性，空間變異受結(jié)構(gòu)性因子和隨機(jī)因子的共同影響。結(jié)構(gòu)性因子包括土壤形成過(guò)程中的成土母質(zhì)、地形、地下水位及形成的土壤類(lèi)型等因素；隨機(jī)因子是指土壤管理過(guò)程的施肥、種植的作物、耕作栽培措施等[3]。研究表明，研究區(qū)土壤35.5%受結(jié)構(gòu)性因子的影響，64.5%受隨機(jī)因子的影響。這將在后面的相關(guān)分析中得到驗(yàn)證。

2.4空間分布特征分析由于ArcGIS9.0中沒(méi)有線性模型，用普通克里格方法采用同樣參數(shù)下的球狀模型進(jìn)行擬合，得到研究區(qū)速效磷含量空間分布圖（圖6）。插值結(jié)果中，平均值（MS）為13.11；均方根預(yù)測(cè)誤差（RMS）為4.27；平均標(biāo)準(zhǔn)誤差（ASE）為4.99；標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測(cè)誤差（RMSS）為0.943 8。由圖6可知，土壤速效磷空間分布呈塊狀分布。速效磷含量分布符合趨勢(shì)分析的預(yù)測(cè)，高值（20 mg/kg以上）區(qū)域沿研究區(qū)縱軸南北向分布，南方高于北方，低值（15 mg/kg以下）區(qū)域沿研究區(qū)橫軸東西向分布，東部高于西部。總體上，研究區(qū)速效磷含量有以西南部為中心向外遞增的趨勢(shì)，在東南方向上增幅最明顯。結(jié)合研究區(qū)地形圖對(duì)比，發(fā)現(xiàn)速效磷含量<10 mg/kg的區(qū)域和>30 mg/kg的區(qū)域分別對(duì)應(yīng)研究區(qū)地形的低洼處和制高點(diǎn)。因此，可以初步推斷研究區(qū)速效磷含量與高程值呈正相關(guān)關(guān)系。這將在后面的相關(guān)性分析得到驗(yàn)證。研究區(qū)速效磷含量集中在10～30 mg/kg之間，含量低于10 mg/kg和高于30 mg/kg的土壤面積很小，含量在15 mg/kg以上的區(qū)域約占整個(gè)研究區(qū)的75%。根據(jù)全國(guó)土壤普查辦公室《中國(guó)土壤普查技術(shù)》[13]對(duì)磷素含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的速效磷含量較豐富。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2014年圖6研究區(qū)速效碳空間分布2.5土壤速效磷影響因素分析由于土壤速效磷含量受結(jié)構(gòu)性因子和隨機(jī)因子的共同影響，僅研究土壤速效磷與高程、坡度、坡向等地形因子及pH、有機(jī)質(zhì)等土壤自身性質(zhì)的關(guān)系。

2.5.1地形因子。為了探究土壤速效磷與地形因子的相關(guān)性，必須首先對(duì)地形因子進(jìn)行分級(jí)。地形因子分級(jí)建立在研究區(qū)微地形的基礎(chǔ)上，以體現(xiàn)研究區(qū)域地形特征、符合自然規(guī)律為原則[14] 。根據(jù)研究區(qū)高程特點(diǎn)，將高程的分為484～487、487～490、490～493、493～496、496～499、499～502 m 6個(gè)等級(jí)。坡度的劃分參考國(guó)際地理學(xué)會(huì)地貌調(diào)查與制圖委員會(huì)提議使用的7級(jí)劃分方案，分為0°～2°、2°～5°、5°～15°、15°～25°、25°～35°、35°～55°、>55°7個(gè)等級(jí)[15]；坡向分為東（90°）、南（180°）、西（270°）、北（0°）、東北（45°）、東南（135°）、西北（315°）、西南（225°）8個(gè)方向[16]。將按照上述標(biāo)準(zhǔn)提取的高程、坡度、坡向分布圖與土壤速效磷含量分布圖疊加分析，得到與各地形因子對(duì)應(yīng)的速效磷含量屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)ArcGIS9.0空間分析里的區(qū)域統(tǒng)計(jì)功能計(jì)算不同等級(jí)的土壤速效磷含量的平均值，得到不同高程、坡度、坡向的土壤速效磷含量的平均值。然后，利用SPSS Statistics17.0軟件計(jì)算土壤速效磷與各地形因子的Pearson簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。

2.5.1.1高程。由表2可知，土壤速效磷與高程呈0.01水平顯著正相關(guān)關(guān)系，表明高程對(duì)速效磷分布的影響具有重要意義。按照上述高程劃分方案，ArcGIS 9.0 空間分析區(qū)域統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖7）表明，496 m以下速效磷含量隨高程降低而迅速減少，而在496 m以上速效磷變化趨緩，并最終穩(wěn)定在23 mg/kg左右。結(jié)合研究區(qū)等高線圖和實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)496 m以下的區(qū)域在研究區(qū)多集中在溝谷和谷底部分，這一部分不易耕作且水流易匯集，水流對(duì)土壤沖蝕比較強(qiáng)烈，造成速效磷的嚴(yán)重流失；而在496 m以上區(qū)域多為水平茶園，水流沖蝕較均勻且耕作條件相近，造成速效磷含量差異不大。

3結(jié)論

研究表明，土壤速效磷數(shù)據(jù)呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其含量為16.51±15.85 mg/kg；研究區(qū)域土壤速效磷具有較強(qiáng)的變異性，表明該區(qū)域土壤受到較大的外源影響。研究區(qū)土壤速效磷含量具有中等空間相關(guān)性，土壤速效磷空間變異35.5%受結(jié)構(gòu)性因子的影響，64.5%受隨機(jī)因子受自然因素的影響，受人為因素影響較大。研究區(qū)速效磷含量分布有以西南部為中心向外遞增的趨勢(shì)，在東南方向上增幅最明顯。坡度與速效磷含量呈005水平顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，高程與速效磷含量呈005水平顯著正相關(guān)關(guān)系，而pH、坡向與速效磷含量相關(guān)性不顯著。有機(jī)質(zhì)含量對(duì)速效磷有比較明顯的影響，可能是由于農(nóng)業(yè)耕作和施肥造成有機(jī)質(zhì)和速效磷含量005水平顯著相關(guān)。

研究還表明，研究區(qū)速效磷含量比較豐富但不均衡，具有強(qiáng)變異性和中等程度空間相關(guān)性。速效磷的空間變異受結(jié)構(gòu)性因子和隨機(jī)因子的共同影響，受高程、坡度和有機(jī)質(zhì)含量的影響較大，水土流失和人為耕作、施肥對(duì)速效磷含量的高低具有決定作用。上述研究成果可為及時(shí)、準(zhǔn)確地為研究區(qū)定位施肥、土壤改良以及其他管理提供一定參考。

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