海南儋州耕地土壤有機(jī)質(zhì)空間變異

曾迪　漆智平　黃海杰　魏志遠(yuǎn)　王登峰　高樂(lè)　劉磊

摘 要 以海南省儋州市作為研究區(qū)域，綜合運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和地理信息技術(shù)，對(duì)其耕地土壤的有機(jī)質(zhì)空間變異進(jìn)行分析。結(jié)果表明：儋州耕地土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為20.64 g/kg，總體水平為中等偏上；變異系數(shù)為48.05%，屬于中等變異；其空間變異變程約為16.50 km，C0/（C0+C1）值為37.34%，土壤有機(jī)質(zhì)含量屬于中等程度的空間相關(guān)性；Kriging插值分析結(jié)果可反映土壤有機(jī)質(zhì)含量在空間分布上呈大塊狀分布，有較強(qiáng)的連續(xù)性，其分布變異不顯著，以3級(jí)含量水平分布范圍最廣；北部最高，其余區(qū)域（南部、東部、中部、西部）逐漸降低。這種空間分布可能與當(dāng)?shù)氐牡乇硇螒B(tài)、地質(zhì)狀況及土地經(jīng)營(yíng)利用方式等有關(guān)。

關(guān)鍵詞 儋州耕地；土壤有機(jī)質(zhì)；空間變異

中圖分類號(hào) Q938.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Spatial Variability of Soil Organic Matter

Content in Danzhou City， Hainan Province

ZENG Di1， QI Zhiping2， HUANG Haijie2， WEI Zhiyuan2，

WANG Dengfeng2， GAO Le4， LIU Lei3*

1 College of Applied Science and Technology， Hainan University， Danzhou， Hainan 571737， China

2 Tropic Crops Genetic Resources Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Danzhou， Hainan 571737， China

3 Environment and Plant Protection Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， Hainan 571101， China

4 Rubber Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Danzhou， Hainan 571737， China

Abstract Understanding the spatial variation and distribution pattern of soil organic matter（SOM）content is needed for sustainable development in the region. The spatial variation of SOM content in Danzhou was determined using geostatistics and geographic information system（GIS）to provide information for preventing soil degradation. 2597 soil samples（0-20 cm）were collected from the study area. The geostatistical characteristics， spatial trend and range of SOM content were analyzed using the Geostatistical Analyst， ArcGIS 9.0. For all soil samples， the mean of SOM content were 20.64 g/kg， The distribution of SOM content was from the mid to upper level in Danzhou. Statistical analysis showed differences in SOM content among different stratum， landform and land-use type. The average coefficient of variation（CV）of SOM content was 48.05%. The spatial correlation distance（range）was 16.50 km， and the proportion of the semi-variogram model was 37.34%， showed a middle semi-variogram value. The Kriging spatial interpolation showed that SOM decreased gradually from the north to the south， east， west and west in the area. The three levels band of SOM content were distributed in the most widely field. The spatial distribution of SOM content was probably related to variation in stratum， land form and land-use type in Danzhou.

Key words The arable land of Danzhou；Soil organic matter；Spatial variability

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.01.033

土壤環(huán)境是人類賴以生存和發(fā)展最根本的時(shí)空連續(xù)體， 具有高度的空間異質(zhì)性。20世紀(jì)70年代后期，人們開(kāi)始進(jìn)行土壤空間變異性的相關(guān)研究[1]，已有土壤學(xué)家率先對(duì)土壤物理性質(zhì)空間變異性規(guī)律進(jìn)行了大量研究[2-3]。1951年南非地質(zhì)學(xué)家Krige提出地統(tǒng)計(jì)學(xué)的概念，隨后法國(guó)學(xué)者M(jìn)atheron將其完善并發(fā)展形成理論[4]， 隨后美國(guó)科學(xué)家將該方法應(yīng)用于土壤調(diào)查、 制圖及土壤變異性等研究[5-7]， 這一方法不僅能有效揭示屬性變量在空間上的分布、 變異和相關(guān)特征，而且可以有效地將空間格局與生態(tài)過(guò)程聯(lián)系，進(jìn)而解釋空間格局對(duì)生態(tài)過(guò)程與功能的影響。目前， 將地統(tǒng)計(jì)學(xué)與空間內(nèi)插技術(shù)和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于不同區(qū)域土壤養(yǎng)分空間變異性的研究正逐步得到深入[8-11]。

土壤有機(jī)質(zhì)（Soil Organic Matter，SOM）是表征土壤質(zhì)量的首要因子[12-13]，有機(jī)質(zhì)主要由一系列組成和結(jié)構(gòu)不均一，且存在于土壤中的有機(jī)化合物組成[14]，其成分中既有化學(xué)結(jié)構(gòu)單一、存在時(shí)間較短的單糖或多糖，也有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在時(shí)間較長(zhǎng)的腐殖質(zhì)類物質(zhì)，既包括主要成分為纖維素類的腐解植物殘?bào)w，也包括與土壤顆粒、團(tuán)聚體結(jié)合的根系分泌物、植物殘?bào)w降解物、生物菌營(yíng)養(yǎng)體等[15]。國(guó)外對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)空間異質(zhì)性的研究開(kāi)展較早，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步較晚。Mishra等[16]、Kuzel等[17]分別對(duì)紅壤地區(qū)農(nóng)田尺度和一公頃區(qū)域內(nèi)的土壤有機(jī)質(zhì)空間變異情況進(jìn)行了相應(yīng)研究；高峻等[18]在農(nóng)田土壤空間變異各向異性、趨勢(shì)效應(yīng)等方面進(jìn)行了研究；楊玉玲等[19]、王軍等[20]、郭旭東等[21]、蔣勇軍等[22]分別對(duì)干旱荒漠區(qū)、黃土高原、黃淮海平原、南方紅壤等不同區(qū)域、類型、尺度的土壤有機(jī)質(zhì)時(shí)空變異情況進(jìn)行了研究。1979年的第2次土壤普查[23]為中國(guó)農(nóng)田的開(kāi)發(fā)利用和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供了科學(xué)依據(jù)，但30多年來(lái)，隨著耕作條件、施肥方式、種植制度等均又發(fā)生了顯著改變，土壤養(yǎng)分狀況也隨之變化，且尚無(wú)結(jié)合空間內(nèi)插技術(shù)和GIS技術(shù)分析儋州市土壤有機(jī)質(zhì)分布狀況的報(bào)道，在課題組相關(guān)研究基礎(chǔ)上[24-25]，筆者根據(jù)近期土壤資料，對(duì)該區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異進(jìn)行分析，以期對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的施肥管理提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

儋州市位于海南島西北部，地處北緯19°11′～19°52′，東經(jīng)108°56′～109°46′，全市土地總面積為3 343.2 km2，其中耕地面積為103 562.0 hm2，占全市土地總面積的31.0%。人口數(shù)為96.57萬(wàn)人，分布于17個(gè)鎮(zhèn)。地勢(shì)由東南向西北傾斜，東南高西北低，南部屬山地和丘陵地帶，西南屬平原階地及火山熔巖臺(tái)地，東南部為沙壤土，海拔多在100～200 m，中部為河流沖擊平原，北部主要為玄武巖和第4紀(jì)的海相沉積平原，海拔在5～10 m，境內(nèi)大部分都在海拔200 m以下。其中，丘陵占76.5%，濱海及沿江平坦地形占23.13%，山地占0.37%。全境位于熱帶北部邊緣，降水充足，年均氣溫為25.4 ℃，因此，全年均可達(dá)到喜溫作物生長(zhǎng)要求，有利于發(fā)展農(nóng)業(yè)及多種經(jīng)營(yíng)。根據(jù)儋州市2012年統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示，全市農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)130.88億元。

1.2 樣品采集與理化分析

樣點(diǎn)采用GPS定位，其布局綜合考慮主要土壤類型（以磚紅壤、水稻土、紫色土為例）[26]（圖1）、地貌類型（以平原、丘陵、山地為例）及土地利用情況（以輪作地、菜地、果園為例），全市共布設(shè)2 597個(gè)樣點(diǎn)，每一樣點(diǎn)在直徑100 m×100 m范圍內(nèi)選擇15～20個(gè)點(diǎn)，用木鏟采集0～20 cm耕層土樣混合，按四分法取分析樣品1 kg。將土樣風(fēng)干后研磨，依次通過(guò)1.0、0.25 mm孔徑篩后，混勻裝袋，根據(jù)《耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)》[27]及《耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》（NY/T1634-2008）采用油浴加熱重鉻酸鉀容量法分析化驗(yàn)土壤樣品的有機(jī)質(zhì)含量[28-29]。

1.3 地統(tǒng)計(jì)分析

Fisher傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，將研究的變量假設(shè)為純隨機(jī)變量，變異函數(shù)能夠描述區(qū)域化變量的隨機(jī)性及區(qū)域性，定義為區(qū)域化變量在抽樣間隔下樣本方差的數(shù)學(xué)期望[30-31]，且該函數(shù)在最大間隔的1/2內(nèi)才具有意義[3，32]。當(dāng)區(qū)域化變量與空間位置呈正相關(guān)，且滿足內(nèi)蘊(yùn)假設(shè)、平穩(wěn)性假設(shè)時(shí)，所得變異函數(shù)是：

r（h）=[Z（xi）-Z（xi+h）]2

公式中，h為步長(zhǎng)，N（h）為間隔在h的觀測(cè)樣點(diǎn)成對(duì)數(shù)，Z（xi）、 Z（xi+h）分別是區(qū)域變量在位置xi、 （xi+h）處的觀測(cè)值。

由于土壤特性在空間上并不是完全獨(dú)立的，在一定范圍內(nèi)存在著空間自相關(guān)性[3，33-34]，補(bǔ)充克立格法Kriging插值估計(jì)實(shí)行局部加權(quán)平均，可以同時(shí)對(duì)隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性變量在空間上的分布進(jìn)行研究[28-29]。

Z（X0）=λiZ（Xi）

Z（X0）為未經(jīng)觀測(cè)的點(diǎn)X0上的內(nèi)插估計(jì)值，Z（Xi）是點(diǎn)X0附近的若干觀測(cè)點(diǎn)上的實(shí)測(cè)值，λi為函數(shù)半方差圖分析獲取的權(quán)重。

本研究在總體定性分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)擬合指數(shù)模型，得到土壤有機(jī)質(zhì)含量的半方差函數(shù)，分析區(qū)域變量在空間尺度上的結(jié)構(gòu)性和相關(guān)性，檢驗(yàn)擬合效果，得到土壤有機(jī)質(zhì)的插值模型參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Arcgis9.0、Raster2Vector5.5等軟件將相關(guān)圖層矢量化，用Excel2007對(duì)樣點(diǎn)養(yǎng)分屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，錄入Access2003數(shù)據(jù)庫(kù)；經(jīng)ArcGIS9.0轉(zhuǎn)換GPS定位的樣點(diǎn)坐標(biāo)后，得到采樣點(diǎn)位圖，將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)識(shí)碼進(jìn)行鏈接；運(yùn)用ArcGIS9.0地統(tǒng)計(jì)分析模塊提供的空間分析方法，結(jié)合半方差函數(shù)及其模型、Kriging差值等生成土壤有機(jī)質(zhì)空間分布圖[29-30]。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕層土壤有機(jī)質(zhì)特征

由表1可知，研究區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)的平均值為20.64 g/kg，結(jié)合《海南省土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》分析得土壤有機(jī)質(zhì)總體水平中等偏上，大部分樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)屬3級(jí)水平；其變異系數(shù)為48.05%，屬中等程度變異。3種主要土壤類型中，水稻土有機(jī)質(zhì)的變異系數(shù)最小，為20.13%；紫色土變異系數(shù)最大，為36.62%。3種主要地貌類型中，平原區(qū)有機(jī)質(zhì)變異系數(shù)最小，為12.18%；山區(qū)變異系數(shù)最大，為50.12%。3種主要耕地利用方式中，輪作地有機(jī)質(zhì)變異系數(shù)最大，為37.82%；菜地變異系數(shù)最小，為26.74%（表1）。

2.2 趨勢(shì)檢驗(yàn)

使用空間統(tǒng)計(jì)學(xué)克立格Kriging方法進(jìn)行土壤特性空間時(shí)要求數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，此時(shí)生成的表面效果最理想，數(shù)據(jù)正態(tài)QQPlot分布圖見(jiàn)圖2，樣品有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。因此，在將數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后，可以直接進(jìn)行插值分析[28-29]。

2.3 變異函數(shù)分析

由表2可知，C0表示塊金方差，C0/（C0+C）表示空間變異性程度，可反映系統(tǒng)變量的空間自相關(guān)性程度。若比值<25%時(shí)，表示系統(tǒng)空間相關(guān)性較強(qiáng)，說(shuō)明空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因子的影響；若其比值>75%時(shí)，系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱，空間變異主要是隨機(jī)因子引起；若其比值為25%～75%時(shí)，表明系統(tǒng)空間相關(guān)性為中等強(qiáng)度，空間變異是結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性因子共同作用的結(jié)果。本研究中塊金效應(yīng)為37.34%，屬于中等空間相關(guān)性。變程為變異函數(shù)達(dá)到基臺(tái)值時(shí)所對(duì)應(yīng)的距離，本研究最佳模型中變程約為16.50 km，結(jié)合變程數(shù)據(jù)可判斷取樣尺度下的有機(jī)質(zhì)具有較好的空間自相關(guān)性，即結(jié)構(gòu)變量是影響其空間變異的主因，而隨機(jī)性變量的影響次之。

2.4 Kriging插值分析

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在半方差結(jié)構(gòu)分析和指數(shù)模型套合基礎(chǔ)上，考慮各向異性，選取一階趨勢(shì)參數(shù)，參考第2次土壤普查的有機(jī)質(zhì)含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，建立比例尺為1：50 000的儋州耕地土壤有機(jī)質(zhì)分布圖（圖3）。由圖3可知，土壤有機(jī)質(zhì)分布格局為北部最高，南部、東部、中部、西部逐漸降低，呈大塊狀分布，連續(xù)性較強(qiáng)，其分布變異不大，以3級(jí)水平（20～30 mg/kg）分布范圍最廣，5級(jí)水平（低含量，6～10 mg/kg）呈零星分布。

表3根據(jù)模型選擇標(biāo)準(zhǔn)對(duì)研究樣本進(jìn)行多次模擬比較，得到了土壤有機(jī)質(zhì)最優(yōu)模型。由交叉校驗(yàn)可得，預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)結(jié)果平均標(biāo)準(zhǔn)誤差（MS）小于等于0.002 7，說(shuō)明接近無(wú)偏估計(jì)；標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測(cè)誤差（RMSS）介于0.930 2～1.013，說(shuō)明模型的擬合度較高。5項(xiàng)指標(biāo)綜合反映預(yù)測(cè)表面的精度，表明模型可準(zhǔn)確估計(jì)有機(jī)質(zhì)的空間變異，適用性較強(qiáng)。因此，土壤有機(jī)質(zhì)的Kriging插值結(jié)果可靠。

3 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明，土壤類型、地貌類型或土地利用方式的不同均可能造成儋州耕地土壤有機(jī)質(zhì)不同程度的空間變異，與趙明松等[35-36]、宋莎等[37]、林清火等[38]、武婕等[39]的相關(guān)研究結(jié)論趨勢(shì)一致。總體來(lái)看，全市土壤有機(jī)質(zhì)變異系數(shù)為48.05%，屬于中等變異，與趙明松等[35-36]、宋莎等[37]各自研究區(qū)域的有機(jī)質(zhì)變異一致；但空間相關(guān)性結(jié)論有所區(qū)別，本研究空間變異變程約為16.50 km，C0/（C0+C1）值為37.34%，空間相關(guān)性屬于中等程度，而前述研究報(bào)道中有機(jī)質(zhì)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，這可能由于本研究區(qū)域的結(jié)構(gòu)性因素對(duì)有機(jī)質(zhì)空間變異造成的影響較小。

同時(shí)，本研究得出土壤有機(jī)質(zhì)在空間分布上呈大塊狀分布，有較強(qiáng)連續(xù)性，北部最高，其余區(qū)域（南部、東部、中部、西部）逐漸降低，從地域特點(diǎn)角度可推測(cè)其原因?yàn)椋嘿僦輺|南高、西北低，由東南到西北逐漸遞降，地形起伏不大，北部階地臺(tái)地區(qū)域土壤較為粘重，不利于耕作，但保水保肥效果較好；南部、東部低山丘陵區(qū)域雖有水土流失，但土壤資源尚未完全開(kāi)發(fā)利用，土層較厚，有開(kāi)墾價(jià)值；中部低丘臺(tái)地區(qū)域地勢(shì)平緩，長(zhǎng)期作為主要的生產(chǎn)基地；西部階地平原區(qū)域也較平坦，且灌溉條件較好，但土壤砂性大，人口密集。

此外，研究得出儋州耕地土壤有機(jī)質(zhì)平均含量中等偏上，以3級(jí)含量水平分布范圍最廣，與第2次土壤普查[23]結(jié)果對(duì)比，部分區(qū)域的有機(jī)質(zhì)含量有一定改善，因此，應(yīng)在耕作時(shí)因地制宜，堅(jiān)持大力推廣種植綠肥、增施有機(jī)肥、稻桿回田、合理輪作、定期改良土壤等管理措施，以穩(wěn)定、提高耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量。

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