湖北省主要農(nóng)區(qū)耕地土壤質(zhì)量研究Ⅰ.耕地土壤養(yǎng)分的空間變異特征

楊利，夏賢格，范先鵬，吳家瓊，肖習(xí)明，陳波，丁亨虎，熊桂云

摘要：采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，研究了湖北省主要農(nóng)區(qū)耕地土壤養(yǎng)分狀況以及空間變異特征。結(jié)果表明，土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分及主要微量元素指標(biāo)均表現(xiàn)出明顯的空間變異，其中pH、OM、全K變異較小，速效N、P、K及微量元素變異較大。湖北省主要農(nóng)區(qū)土壤OM、全N、有效Mn和有效Cu較為豐富，但堿解N、速效P、有效Fe、有效B較為缺乏。

關(guān)鍵詞：湖北省;農(nóng)區(qū);土壤養(yǎng)分;空間變異。

中圖分類(lèi)號(hào)：S158.3 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：0439-8114（2014）23-5683-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.017

土壤肥力作為土壤質(zhì)量狀況的一個(gè)重要指征，是維持土壤生產(chǎn)力、保障動(dòng)植物健康的重要因素。土壤肥力受母質(zhì)[1，2]、地形[3]、氣候等自然因素和耕種、施肥、灌溉等人類(lèi)活動(dòng)[4，5]的影響，一直處于動(dòng)態(tài)的變化之中，了解掌握土壤肥力及其演變規(guī)律，已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)[6，7]。但在一定的區(qū)域范圍內(nèi)，由于氣候、耕作管理等比較一致，土壤特性的空間變異將趨于緩和，由母質(zhì)引起的空間變異會(huì)逐步減小[8]。

地統(tǒng)計(jì)學(xué)（Geostatistics）[9-11]是基于20世紀(jì)50年代礦藏勘察中使用的空間估值方法，由法國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家Matheron總結(jié)提出的區(qū)域化變量估算理論。20世紀(jì)80年代以來(lái)，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來(lái)研究土壤特性及空間變異，已成為土壤科學(xué)研究的熱點(diǎn)[12，13]。本研究采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，研究湖北省主要農(nóng)區(qū)耕地土壤養(yǎng)分狀況及空間變異特征。

1 ?材料與方法

1.1 ?調(diào)查地域的確定

湖北省的江漢平原、鄂中丘陵和鄂北地區(qū)等幾個(gè)區(qū)域?yàn)楹笔〖Z棉油重要產(chǎn)區(qū)，其面積占湖北省耕地總面積的70%左右，選擇上述3個(gè)區(qū)域作為全省主要農(nóng)區(qū)開(kāi)展調(diào)查研究，其中江漢平原以潛江市作為代表，鄂中丘陵以荊門(mén)市掇刀區(qū)和東寶區(qū)作為代表，鄂北地區(qū)以棗陽(yáng)市和宜城市作為代表。

1.2 ?樣品取樣與測(cè)試

土壤樣品的采集依據(jù)國(guó)家測(cè)土配方施肥項(xiàng)目的要求進(jìn)行。樣品的采集需考慮耕作特性、種植作物、輪作制度、施肥習(xí)慣、土壤類(lèi)型、水分狀況等因素，力求具有代表性，每樣點(diǎn)代表面積平原為6.7～13.3 hm2，丘陵為2.0～5.3 hm2。

土壤樣品采用以下方法分析：pH測(cè)定采用水土比5∶1、pH計(jì)法，有機(jī)質(zhì)測(cè)定用重鉻酸鉀容量法，全N測(cè)定采用凱式消煮法，全P測(cè)定采用堿溶-鉬銻抗比色法，全K測(cè)定采用堿溶-火焰光度計(jì)測(cè)定法，堿解N測(cè)定采用堿解擴(kuò)散-半微量滴定法，速效P測(cè)定采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法，速效K測(cè)定采用乙酸銨提取-火焰光度計(jì)法，有效Fe、Mn、Cu、Zn、B測(cè)定采用DTPA混合提取劑提取-原子吸收分光光度法[14]。

1.3 ?數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理采用SPSS 13.0軟件和Excel 2003進(jìn)行處理。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?土壤常規(guī)養(yǎng)分的空間變異

對(duì)當(dāng)前湖北省主要農(nóng)區(qū)土壤養(yǎng)分狀況采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。統(tǒng)計(jì)中，為了解各土壤養(yǎng)分含量的偏移程度，引用了偏移度P的概念[15-17]，其是指中值偏斜程度，用百分?jǐn)?shù)表示。即：

P=（V-M）/V×100%，式中，V為平均值，M為中值。

P值以5%為臨界值，大于5%為偏斜，小于5%為不偏斜。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表1）表明，土壤pH、OM（有機(jī)質(zhì)）、全N、全P、全K和堿解N為不偏斜養(yǎng)分，速效P、速效K為偏斜養(yǎng)分。但各區(qū)域的表現(xiàn)并不完全一致，江漢平原的pH、全N、全P、堿解N為不偏斜養(yǎng)分，OM、全K、速效P、速效K為偏斜養(yǎng)分。鄂中丘陵pH、有機(jī)質(zhì)、全N、全K、堿解N為不偏斜養(yǎng)分，全P、速效P、速效K為偏斜養(yǎng)分。鄂北地區(qū)pH、有機(jī)質(zhì)、全N、全K、堿解N、速效K為不偏斜養(yǎng)分，而全P、速效P為偏斜養(yǎng)分。

當(dāng)某一土壤養(yǎng)分含量的分布服從正態(tài)分布時(shí)，中值即等于平均值。從偏移養(yǎng)分的矢量及絕對(duì)值上看，絕大部分偏移的養(yǎng)分均為負(fù)偏斜，即平均值大于中值，平均值是中值的1.1～1.5倍，表明絕大部分養(yǎng)分指標(biāo)偏移并不十分明顯。但速效P的偏移較明顯，尤其是江漢平原和鄂北地區(qū)，偏移在15%以上。

各土壤養(yǎng)分含量中，按變異強(qiáng)度劃分[18]，pH、OM、全N、全P，全K、堿解N、速效P、速效K均為低或中等變異養(yǎng)分，其中以速效P變異最大，最大值是最小值的417倍。同時(shí)三大農(nóng)區(qū)差別也各不相同，江漢平原也是除pH為變異養(yǎng)分外，其他如OM、全N、全P，全K、堿解N、速效P、速效K均為低或中等變異養(yǎng)分，其中以速效P變異最大;鄂中丘陵pH、OM、全N、全P、全K、堿解N、速效P、速效K均為低或中等變異養(yǎng)分，其中以全P變異最大;鄂北地區(qū)則是pH為弱變異養(yǎng)分，OM、全N、全P、全K、堿解N、速效P、速效K均為低或中等變異養(yǎng)分，其中也是速效P變異最大。

綜合全省的結(jié)果來(lái)看，pH變異中等，變異最大的養(yǎng)分因子是速效P。說(shuō)明土壤中磷肥易被土壤吸附固定，且不易淋失，具有殘存效應(yīng)，在不同土壤環(huán)境中表現(xiàn)差異很大。這與池富旺等[19]、趙莉敏等[20]的觀(guān)點(diǎn)是一致的。

為了解湖北省主要農(nóng)區(qū)土壤養(yǎng)分的豐缺狀況，參考魯劍巍[21]的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)能較好反映土壤肥力狀況的OM、全N、堿解N，速效P、速效K等5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了頻數(shù)統(tǒng)計(jì)（圖1）。從頻數(shù)分布圖上可以看出，pH、OM、全K基本呈正態(tài)分布，全N、全P以及速效養(yǎng)分（堿解N、速效P、速效K）都呈非正態(tài)分布。

總體上，全省主要農(nóng)區(qū)土壤常規(guī)8項(xiàng)養(yǎng)分中，pH、OM為穩(wěn)定性養(yǎng)分因子，而由于重要的三大肥料元素氮、磷、鉀的影響，土壤速效養(yǎng)分堿解N、速效P、速效K變異均較大，呈非正態(tài)分布，表現(xiàn)出明顯的負(fù)偏峰分布特征。尤其是速效P、速效K，區(qū)域內(nèi)養(yǎng)分測(cè)定值相差很大，最大值是最小值的240～4 167倍，多數(shù)樣本的測(cè)定值處于平均水平以下。表明速效養(yǎng)分與地域特點(diǎn)、人為耕作活動(dòng)相關(guān)，尤其是施肥習(xí)慣，但仍需進(jìn)一步研究。

圖1結(jié)果還表明，有89.4%點(diǎn)位的土壤有機(jī)質(zhì)處于中等或豐富狀況，97.3%的土壤全N處于中等或豐富狀況，但堿解N則僅48.9%處于中等或豐富狀況，缺乏的比例占51.1%;速效P有44.4%處于中等或豐富狀況，缺乏的比例占55.6%;速效鉀有64.4%處于中等或豐富狀況，缺乏的比例占35.6%。說(shuō)明湖北省主要農(nóng)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮還是較為豐富的，但超過(guò)50%的田塊堿解N和速效P處于缺乏的狀態(tài)，速效鉀缺乏、中等和豐富的比例各約占1/3。

2.2 ?土壤微量元素的空間變異特征

采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，對(duì)湖北省主要農(nóng)區(qū)土壤中主要微量元素的含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，有效Fe、Mn、Cu、Zn、B均為偏斜養(yǎng)分。但各區(qū)域的表現(xiàn)并不完全一致，江漢平原的有效Fe、Cu、Zn為不偏斜養(yǎng)分，有效Mn、B為偏斜養(yǎng)分，鄂中丘陵有效Fe、Mn、Cu、Zn、B均為偏斜養(yǎng)分。鄂北崗地有效Mn、B為不偏斜養(yǎng)分，而有效Fe、Cu、Zn為偏斜養(yǎng)分。

從偏移養(yǎng)分的矢量上看，絕大部分呈偏移的養(yǎng)分均為負(fù)偏斜，即平均值大于中值，江漢平原鄂北地區(qū)各養(yǎng)分偏移并不十分明顯，但鄂中丘陵的有效Fe、Mn、Zn偏移較明顯。

各土壤微量元素養(yǎng)分含量中，變異系數(shù)均較大，有效Fe、Mn、Cu、Zn、B均為中等變異養(yǎng)分，但三大農(nóng)區(qū)間也有差異。江漢平原有效Fe、Mn、Cu、Zn、B為低等變異養(yǎng)分;鄂中丘陵和鄂北地區(qū)有效Fe、Mn、Cu、Zn、B均為低或中等變異養(yǎng)分。

從頻率（圖2）上看，有效Cu和有效硼B(yǎng)基本服從正態(tài)分布，偏移較小。有效Fe的含量比較集中，有63.3%的樣本含量集中在20～59.9 mg/kg之間;有效Mn和有效Cu的含量基本集中在中等及以上范圍;從變異情況看，有效Mn的變異很大，最大值是最小值的575倍。整體上，有效鐵、有效硼較為缺乏，有效錳和有效銅較為豐富，有效鋅為中等水平。

3 ?結(jié)論

1）當(dāng)前湖北省主要農(nóng)區(qū)耕地土壤養(yǎng)分狀況，存在較大的空間變異，常規(guī)8項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)中，pH、有機(jī)質(zhì)、全N、全P、全K、堿解N、速效P、速效K都表明出明顯的空間變異性。整體上，全省土壤pH變異最小，變異最大的是速效P。

2）湖北省主要農(nóng)區(qū)耕地土壤養(yǎng)分中，pH、有機(jī)質(zhì)、全K服從正態(tài)分布，速效養(yǎng)分（堿解N、速效P、速效K）都呈非正態(tài)分布;土壤常規(guī)8項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)中，pH、有機(jī)質(zhì)、全K為穩(wěn)定性養(yǎng)分因子，而土壤速效養(yǎng)分堿解N、速效P、速效K均變異較大，最大值是最小值的240～4 167倍，呈非正態(tài)分布。湖北省主要農(nóng)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮較為豐富，但超過(guò)50%的農(nóng)田堿解N和速效P處于缺乏的狀態(tài)。

3）主要微量元素方面，有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅、有效硼均為低、中等變異養(yǎng)分，但各區(qū)域的變異表現(xiàn)并不完全一致。全省整體上，有效鐵、有效硼較為缺乏，有效錳和有效銅較為豐富。

參考文獻(xiàn)：

[1] WILD A. The potassium status of soils in the savanna zone of Nigeria[J]. Expl Agric，1971，7：257-270.

[2] TENING A S， OMUETI J A I，TARAWALI G. Potassium status of some selected soils under different land-use systems in the subhumid zone of Nigeria[J]. Commun Soil Sci Plant Anal，1995，26（5-6）：657-672.

[3] OVALLES F A， COLLINS M E. Soil-landscape relationships and soil variability in north central Florida[J]. Soil Sci Soc Amer J，1986，50：401-408.

[4] BECKETT P H T， WEBSTER R. Soil variability： a review[J]. Soils and Fertilizers，1971，34：1-15.

[5] SCOTT H D， MAUROMOUSTAKOS A， HANDAYNI I P， et al. Temporal variability of selected properties of Loessial soil as affected by cropping[J]. Soil Sci Soc Amer J，1994，58：1531-1538.

[6] 劉世梁，傅伯杰，劉國(guó)華，等.我國(guó)土壤質(zhì)量及其評(píng)價(jià)研究的進(jìn)展[J].土壤通報(bào)，2006，37（1）：137-143.

[7] 徐明崗，梁國(guó)慶，張夫道.中國(guó)土壤肥力演變[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[8] 黃紹文，金繼運(yùn)，楊俐萍，等.縣級(jí)區(qū)域糧田土壤養(yǎng)分空間變異與分區(qū)管理技術(shù)研究[J].土壤學(xué)報(bào)，2003，40（1）：79-88.

[9] JOUMEL A G， HUIJBREGTS C J. Mining geostatistics[M].New York：Academic Press，1978.

[10] 王政權(quán).地統(tǒng)計(jì)學(xué)及其在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1999.

[11] GOOVAERTS P. Geostatistical tools for characterizing the spatial variability of microbiologica land physico-chemical soil properties[J]. Biol Fertil Soils，1998，27：315-334.

[12] 李亮亮，依艷麗.地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤空間變異中的應(yīng)用[J].土壤通報(bào)，2005，36（2）：265-266.

[13] 王宏庭，金繼運(yùn)，王 ?斌，等.土壤速效養(yǎng)分空間變異研究[J]。植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2004，10（4）：349-354.

[14] 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].第三版.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2000.

[15] 賈乃光.數(shù)理統(tǒng)計(jì)[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，1980.

[16] 白由路，金繼運(yùn)，楊俐萍，等.農(nóng)田土壤養(yǎng)分變異和施肥推薦[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2001，7（3）：130-133.

[17] 劉冬碧，熊桂云，陳 ?防，等.湖北省糧食主產(chǎn)區(qū)土壤養(yǎng)分的空問(wèn)變異性研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，46（6）：904-907.

[18] 雷志棟，楊詩(shī)秀，謝森傳.土壤水動(dòng)力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1988.

[19] 池富旺，張培松，茶正早，等.橡膠園土壤養(yǎng)分空間變異特征研究[A].中國(guó)土壤學(xué)會(huì).土壤科學(xué)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展（中）——土壤科學(xué)與資源可持續(xù)利用[C].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2008.271-275.

[20] 趙莉敏，史學(xué)正，黃 ?耀，等.太湖地區(qū)表層土壤養(yǎng)分空間變異的影響因素研究[J].土壤，2008，40（6）：1008-1012.

[21] 魯劍巍.測(cè)土配方與作物配方施肥技術(shù)[M].北京：金盾出版社，2006.