黃山市土壤主要養(yǎng)分含量空間分布特征及影響因素

王曉玉+何方

摘 要：該文以安徽省黃山市為研究對象，應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)和GIS技術(shù)研究土壤養(yǎng)分（有機質(zhì)、有效磷、速效鉀）的空間分布特征及影響因子。結(jié)果表明：有機質(zhì)和速效鉀的變異系數(shù)均介于0.1～1之間，屬中等變異，有效磷的變異系數(shù)>1，屬較強變異。地統(tǒng)計分析表明，3種土壤養(yǎng)分均呈現(xiàn)較強的空間自相關(guān)性，說明結(jié)構(gòu)因素是其主導(dǎo)因素。普通Kriging插值結(jié)果表明，黃山市有機質(zhì)含量從西南至東部逐漸減小，并呈片狀分布。有效磷的空間分布為從南到北，由東至西逐漸減小。速效鉀則呈現(xiàn)低值區(qū)片狀分布，高值區(qū)斑塊狀分布的趨勢。總體來說土壤類型、質(zhì)地和坡度對養(yǎng)分均有顯著影響。研究結(jié)果可為黃山市合理施肥，提高土壤肥力提供科學(xué)有效的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：黃山市；土壤養(yǎng)分；空間變異；地統(tǒng)計學(xué)；影響因素

中圖分類號 S158.3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2015）08-73-05

Spatial Distribution and Influencing Factors of Soil Nutrient Index in Huangshan City

Wang Xiaoyu et al.

（School of Resources and Environment，Anhui Agriculture University， Hefei 230036， China）

Abstract：The research was done in Huangshan City， Anhui Province.This paper offers a research into the spatial distribution characteristics of soil nutrient and the influence factors by means of geostatistics and GIS technology.The results show that：organic matter and available potassium， with the coefficient of variation between 0.1～1， belong to the category of intermediate variability； the available phosphorus， with the coefficient of variation of>1，belongs to the strong variability.According to the geostatistical analysis， the three soil nutrients are possessed of strong spatial autocorrelation， indicating that the structural factor is the dominant one.The ordinary Kriging interpolation results reveal that the content of organic matters in Huangshan City gradually decreases from the southwest to east and displays sheet distribution.The spatial distribution of available phosphorus also reduces from south to north and from east to west.The available potassium displays flaky distribution in areas with low content but patchy distribution in areas with high content.Generally speaking， the soil type， soil texture and slope will exert obvious influence on the distribution of nutrients.The results of this research could provide scientific and effective basis for the rational fertilization and increase in soil fertility in Huangshan City.

Key Words：Huangshan City；Soil nutrient；Patial variability；Geostatistics；Influencing factor

土壤是自然界中復(fù)雜的綜合體之一，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等都存在著突出的空間異質(zhì)性， 即使是相鄰的土壤其性質(zhì)也存在強烈變異[1]。其中土壤養(yǎng)分是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，它不僅為植物提供生長所必須的營養(yǎng)元素，而且能夠直接地影響土壤的健康狀況。

地統(tǒng)計學(xué)是在傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的以區(qū)域化變量理論（Regionalized variable theory）為基礎(chǔ)，以半方差函數(shù)為基本工具的一種空間分析方法[2]。其不僅能夠準確有效地反映出屬性變量在空間上的分布、變異和相關(guān)特征，而且可以有效的解釋空間格局對生態(tài)過程與功能的影響[3]。當今，隨著“精準農(nóng)業(yè)”（Precision Agriculture）的不斷發(fā)展，地統(tǒng)計學(xué)的研究方法已廣泛應(yīng)用于土壤養(yǎng)分空間分布定量分析以及空間變異特征的研究中。如Davis.JG等針對土壤pH、有效磷、交換性鹽基和有機質(zhì)等養(yǎng)分的空間變異性進行了研究，獲得了土壤主要化學(xué)性質(zhì)的空間變異模型[4]。Cordora等對其研究區(qū)內(nèi)土壤氮的空間分布進行分析，認為施肥等隨機因素是影響土壤氮素空間變異的主要影響因素[5]。周慧平等將地理信息系統(tǒng)與地統(tǒng)計學(xué)結(jié)合，對巢湖流域的土壤全磷的空間變異特征進行了分析研究，揭示了流域范圍內(nèi)土壤全磷空間變異受到隨機因素和結(jié)構(gòu)性因素的共同作用[6]，然而有關(guān)山區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異特征及其影響因素的研究鮮有報道。因此，本文以皖南黃山地區(qū)為研究對象，采用地統(tǒng)計學(xué)和GIS技術(shù)相結(jié)合的方法，分析該區(qū)土壤有機質(zhì)、有效磷及速效鉀的空間變異規(guī)律，并著重分析土壤類型、耕層質(zhì)地和地形因子對其空間變異的影響，從而為進一步提高黃山地區(qū)的土壤質(zhì)量與肥力提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況 黃山市位于安徽省最南端，介于東經(jīng)117°02′～118°55′和北緯29°24′～30°24′之間。是一個“八山半水半分田，一分道路和莊園”的山區(qū)城市，總面積9 807km2，下轄屯溪區(qū)、徽州區(qū)、黃山區(qū)、歙縣、黟縣、休寧縣、祁門縣3區(qū)4縣（圖1），全市總?cè)丝?48.60萬人，其中農(nóng)業(yè)人口98.63萬人。全市共有農(nóng)用地894 330hm2，其中耕地63 372hm2。其地處中亞熱帶濕潤季風氣候，溫和多雨，四季分明。全年平均氣溫15～16℃，大部分地區(qū)冬無嚴寒，無霜期236d。平均年降水量1 670mm，最高達2 708mm。降水多集中于5～8月，水熱資源十分豐富。黃山市共有9個土類（紅壤、黃壤、黃棕壤、石質(zhì)土、石灰（巖）土、紫色土、潮土、水稻土及粗骨土），33個土屬和45個土種。其中，低山地大部分為黃壤，山地黃棕壤，土層較厚，石礫含量較高，透水透氣性能良好，肥力較高，有利于木、茶葉、桑和藥材生長。丘陵地帶多為紅壤和紫色土，質(zhì)地粘重，酸性，肥力很差，但光熱條件好，適宜櫟松、油茶等生長，山麓盆地與平原谷地多砂壤土、溪河兩岸多沖積土，適用于農(nóng)業(yè)耕作[7]。

1.2 研究方法

1.2.1 采樣點的確定與樣品分析 本文應(yīng)用ArcGIS9.3中的Creat Random Points功能對黃山市2008年以來開展的測土配方施肥與地力評價工作中采集的約48 000個采樣點進行了隨機抽樣，共生成了1 051個樣點，并均勻的分布于整個研究區(qū)（圖1）。本研究中的土壤樣品分析是由黃山市當?shù)馗魍练收緶y定完成，其土壤樣品按《測土配方施肥技術(shù)規(guī)范（2011年修訂版）》[8]進行分析測定。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析 應(yīng)用SPSS 17.0對黃山市地力評價中土壤養(yǎng)分（有機質(zhì)、有效磷和速效鉀）數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析，并對其進行了K-S檢驗，檢驗數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，如不符合，則需對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換以便于進一步統(tǒng)計分析[9-10]。利用GS+9.0對研究數(shù)據(jù)進行半方差分析和擬合，依據(jù)變異函數(shù)理論模型參數(shù)，以探索黃山地區(qū)土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性。利用Arcgis9.3進行克里格（Kriging）空間局部插值，生成各養(yǎng)分的空間分布圖。本研究為了定量分析影響土壤養(yǎng)分空間分布的主要因素，采用了方差分析法和多重比較法，分別分析了土壤類型、耕層質(zhì)地和坡度因子對土壤養(yǎng)分的影響。

圖1 采樣點分布

2 結(jié)果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計分析 由表1可以看出，土壤有機質(zhì)的平均含量是30.69g/kg，變化范圍為1.95～66.10g/kg，根據(jù)全國土壤養(yǎng)分含量分級標準（表2）可以看出，黃山市的土壤有機質(zhì)含量平均水平為二級，含量變化跨度為1～6級，由此可見黃山市的有機質(zhì)含量屬于中等水平。而有效磷含量的變化范圍為1.70～410.00mg/kg，平均值為24.58mg/kg，屬于二級水平，說明與全國平均水平相比較，黃山市的有效磷含量較高。土壤速效鉀的平均值為81.75mg/kg，屬于四級水平，變化范圍為15.00～544.00mg/kg，跨越了1～6級，說明研究區(qū)的速效鉀含量處于中等偏低水平。

表1 土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計

[土壤養(yǎng)分分析＼&有機質(zhì)（g/kg）＼&有效磷（mg/kg）＼&速效鉀（mg/kg）＼&樣本數(shù)＼&1501＼&1501＼&1501＼&最小值＼&1.95＼&1.70＼&15.00＼&最大值＼&66.10＼&410.00＼&544.00＼&均值＼&30.69＼&24.58＼&81.75＼&標準差＼&9.13＼&28.42＼&50.51＼&變異系數(shù)＼&29.75＼&115.62＼&61.78＼&偏度＼&0.12＼&5.55＼&3.03＼&峰度＼&0.32＼&49.34＼&16.05＼&分布類型＼&正態(tài)＼&對數(shù)正態(tài)＼&對數(shù)正態(tài)＼&]

表2 全國土壤養(yǎng)分含量分級標準

[土壤養(yǎng)分＼&有機質(zhì)（g/kg）＼&有效磷（mg/kg）＼&速效鉀（mg/kg）＼&一級＼&>40＼&>40＼&>200＼&二級＼&30-40＼&20-40＼&150-200＼&三級＼&20-30＼&10-20＼&100-150＼&四級＼&10-20＼&5-10＼&50-100＼&五級＼&6-10＼&3-5＼&30-50＼&六級＼&<6＼&<3＼&<30＼&]

從變異系數(shù)角度看，由變異系數(shù)的劃分等級：變異系數(shù)<0.1為弱變異性；變異系數(shù)>1為強變異性；變異系數(shù)介于0.1～1之間為中等變異性，我們可知有機質(zhì)和速效鉀屬于中等變異程度，而有效磷屬于強變異程度。正態(tài)分布檢驗表明，有機質(zhì)符合正態(tài)分布，有效磷和速效鉀的原始數(shù)據(jù)均表現(xiàn)為右偏性、尖峰，經(jīng)對對其進行數(shù)轉(zhuǎn)換后，符合正態(tài)分布，并滿足地統(tǒng)計學(xué)分析的要求。

2.2 土壤養(yǎng)分的地統(tǒng)計分析 地統(tǒng)計分析中擬合出精度較高的半變異函數(shù)模型是描述土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)特征的關(guān)鍵[11]。本研究選取的3種土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)都符合正態(tài)分布，可以減少模型模擬產(chǎn)生的誤差，滿足半變異方差函數(shù)理論模型進行土壤養(yǎng)分最優(yōu)擬合的基礎(chǔ)條件。半方差分析結(jié)果中殘差和決定系數(shù)是反映模型擬合效果的最重要參數(shù)，殘差越小，決定系數(shù)越大擬合出的模型精度越高，因此，由表3我們可以看出，土壤養(yǎng)分指標的半方差理論模擬都是以指數(shù)模型最佳。

表3 土壤養(yǎng)分指標的半方差函數(shù)模型與參數(shù)

[土壤養(yǎng)分 ＼&理論模型＼&塊金值

（C0）＼&基臺值

（C0+C）＼&塊金值 /基臺值

（C0/（C0+C）＼&變程 （km）＼&決定系數(shù)

（R2）＼&殘差

（RSS）＼&有機質(zhì)＼&指數(shù)＼&0.0020＼&0.0220＼&0.09＼&16.02＼&0.414＼&7.752×10-6＼&有效磷＼&指數(shù)＼&0.0138＼&0.1326＼&0.10＼&5.79＼&0.766＼&1.399×10-4＼&速效鉀＼&指數(shù)＼&0.0088＼&0.0524＼&0.18＼&4.44＼&0.686＼&3.051×10-4＼&]

半方差函數(shù)中塊金值代表實驗誤差和小于最小取樣尺度造成的隨機變異，較大的塊金值說明較小尺度上的某些隨機過程較為重要[12]，由表3可知，本研究的有機質(zhì)、有效磷和速效鉀的塊金值C0分別為0.002、0.0138和0.0088，均小于1，證明3種養(yǎng)分指標在最小間距內(nèi)的空間變異程度受上述過程影響較小?；_值C0+C包括了結(jié)構(gòu)性變異和隨機性變異，代表了系統(tǒng)內(nèi)總的變異性，基臺值C0+C越大表明系統(tǒng)總的空間變異性越強[13]。本研究中，3種土壤養(yǎng)分指標的基臺值C0+C大小順序為有效磷（0.1326）>速效鉀（0.0524）>有機質(zhì)（0.0220），即有效磷的空間變異性最強，而有機質(zhì)空間變異性最弱，這與上文土壤養(yǎng)分含量變異系數(shù)的大小順序保持一致（表2）。

一般養(yǎng)分的系統(tǒng)總空間變異主要是由隨機因素（如耕作活動、種植制度、管理方式等）和結(jié)構(gòu)性因素（成土母質(zhì)、地形因子、土壤類型等）共同作用。塊金系數(shù)（塊金值/基臺值）用于表征隨機因素造成的空間變異與系統(tǒng)空間總變異的比例，能直接反映出土壤養(yǎng)分指標的空間相關(guān)性程度[14]。塊金系數(shù)是<25%、25%～75%和>75%的數(shù)值時，分別代表空間自相關(guān)性較強、中等和較弱。本文中，土壤養(yǎng)分的塊金系數(shù)都<25%，均呈現(xiàn)較強程度的空間自相關(guān)性，說明成土母質(zhì)、地形因子、土壤類型等結(jié)構(gòu)因素是引起黃山地區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異的主要原因。因此，這一現(xiàn)象也成為下文主要探討的內(nèi)容。研究區(qū)中有機質(zhì)的變程最大為16.02km，說明有機質(zhì)的空間自相關(guān)范圍較大，而有效磷與速效鉀的變程較小，證明這2種養(yǎng)分在較小范圍內(nèi)具有顯著的空間變異性，空間分布較為復(fù)雜。

2.3 土壤養(yǎng)分Kriging插值分析 利用半方差模型所得參數(shù)在ArcGIS軟件進行普通Kriging插值，得到黃山市土壤養(yǎng)分空間分布圖（圖2）。結(jié)合圖1和圖2我們可以看出，黃山市有機質(zhì)、有效磷和速效鉀的空間分布呈現(xiàn)顯著性差異。有機質(zhì)含量的空間分布相對集中從西南至東部有逐漸減小的趨勢，并呈片狀分布，含量最高的區(qū)域分布于祁門縣南部與黃山區(qū)中部地區(qū)，含量較低的區(qū)域主要分布于東部的歙縣范圍內(nèi)，有機質(zhì)含量在31.59～36.23g/kg之間的面積比例最高，與統(tǒng)計結(jié)果近似。有效磷與速效鉀的空間分布隨機性較強，與半方差分析結(jié)果相符合。其中有效磷的空間分布為從南到北，由東至西呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。根據(jù)國家土壤養(yǎng)分含量分級標準，有效磷高值區(qū)較多并且分布相對集中，成片狀分布于黃山市南部，而低值區(qū)相對分散，呈斑塊狀分布于黃山區(qū)北部和西北部、歙縣北部、祁門縣東部以及徽州區(qū)東部等。速效鉀空間分布的呈現(xiàn)低值區(qū)片狀分布，高值區(qū)斑塊狀分布的趨勢，整體上需適量加強鉀肥的投入量。

（a）有機質(zhì)

（b）有效磷

（c）速效鉀

圖2 黃山市養(yǎng)分空間插值

2.4 土壤屬性空間分布影響因素分析 前文已初步揭示出結(jié)構(gòu)性因素對土壤有機質(zhì)、有效磷和速效鉀的空間變異起主導(dǎo)作用。為進一步探討各影響因素對土壤養(yǎng)分空間變異的內(nèi)在機制，本文選取研究區(qū)空間差異較為明顯的土壤類型、耕層質(zhì)地和地形因子3個因素進行研究分析。

2.4.1 土壤類型 黃山市共有9種土壤類型，本研究選取了具有代表性并且在耕地面積中所占面積較大的3種土壤類型（紅壤、水稻土和紫色土）進行分析。由表4可知，在3種土壤類型下有機質(zhì)、有效磷和速效鉀的含量存在明顯的差異性，其中水稻土的有機質(zhì)的平均含量最高，其次是紅壤，含量最低的是紫色土。研究區(qū)內(nèi)的水稻土成土母質(zhì)主要為泥巖類殘積物、沖積物以及洪積物等，該土類的形成過程是還原淋溶、氧化淀積和水耕熟化的發(fā)展過程，土壤質(zhì)地偏粘，故有機質(zhì)的含量最高。紅壤成土母質(zhì)多為巖類殘積坡積物等，質(zhì)地多為壤粘土，故有機質(zhì)含量處于中等水平。本研究區(qū)的紫色土成土母質(zhì)多為中性砂巖殘積物，土層一般較薄，土壤剖面層次分異不明顯，土壤有機質(zhì)礦化速度快，因此有機質(zhì)含量較低。而對于其它土壤養(yǎng)分，紅壤有效磷平均含量最高，水稻土最低；紫色土速效鉀平均含量最高，水稻土最低。

表4 不同土壤類型下土壤養(yǎng)分含量

[土壤類型＼&樣本數(shù)＼&有機質(zhì)

（均值±標準差）＼&有效磷

（均值±標準差）＼&速效鉀

（均值±標準差）＼&紅壤＼&103＼&27.72±8.38b＼&36.61±36.31a＼&101.90±55.89a＼&水稻土＼&1311＼&31.30±8.95a＼&23.34±25.73b＼&78.80±47.15b＼&紫色土＼&69＼&23.76±9.31c＼&29.78±49.75a＼&106.39±84.14a＼&]

注：同一列數(shù)據(jù)后小寫字母不同者表示差異顯著（P<0.05）

2.4.2 耕層質(zhì)地 由表5可知，耕層質(zhì)地對土壤養(yǎng)分含量的影響較為明顯，其中不同質(zhì)地下有機質(zhì)平均含量的排列如下：重壤>粘土>輕壤>中壤 >砂壤。從總體上來看，有機質(zhì)含量隨著耕地質(zhì)地由砂變粘而有所升高。這是由于性質(zhì)較為粘重的土壤其本身具有的透氣透水性較差等特點，使得動植物等殘體在土壤中易于降解，因此有機質(zhì)含量較高。而由于砂質(zhì)土壤蓄水能力弱，保肥能力差，土溫變化快，透氣和透水性強，因此有機質(zhì)含量較低[15-17]。另外，粘土的有機質(zhì)平均含量高于中壤和輕壤，其原因可能是由當?shù)剞r(nóng)民進行耕種是施肥不均所造成的。速效鉀的變化趨勢變現(xiàn)為輕壤<砂壤<粘土<中壤<重壤，其總體呈現(xiàn)出隨著土壤顆粒的變粗，速效鉀的含量隨之降低的趨勢，這是由于砂質(zhì)土壤一般是由礦物質(zhì)含量較低花崗巖形成，故含量較低，而粘質(zhì)和壤質(zhì)土多是由富含鉀鎂等礦質(zhì)元素的礦物形成，故含量較高[18]。本研究中的有效磷沒有很明顯的變化趨勢，說明質(zhì)地對有效磷的影響并不顯著。

表5 不同耕層質(zhì)地下土壤養(yǎng)分含量

[耕層質(zhì)地＼&樣本數(shù)＼&有機質(zhì)

（均值±標準差）＼&有效磷

（均值±標準差）＼&速效鉀

（均值±標準差）＼&砂壤＼&156＼&27.41±9.76c＼&25.39±22.62a＼&78.37±46.20b＼&重壤＼&345＼&34.13±8.83ab＼&20.21±24.91a＼&93.35±59.09a＼&粘土＼&115＼&31.42±8.60b＼&24.15±25.69a＼&79.02±40.13ab＼&中壤＼&430＼&28.55±8.16c＼&26.93±31.45a＼&80.25±53.13ab＼&輕壤＼&447＼&30.98±9.03bc＼&25.57±30.22a＼&76.34±43.13b＼&]

注：同一列數(shù)據(jù)后小寫字母不同者表示差異顯著（P<0.05）

2.4.3 坡度 利用DEM數(shù)據(jù)對研究區(qū)的坡度信息進行提取，并將采樣點分為3組：<3°、3°～15°、≥15°（表6）。并由表6可知，在3°～15°時土壤有機質(zhì)平均含量最高，其次是<3°，最低的為≥15°。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于研究區(qū)在3°～15°時，植被茂盛，有利于土壤有機質(zhì)累積，并且有研究結(jié)果表明，具有一定傾斜度的平地是有利于土壤有機質(zhì)的積累[19]，故有機質(zhì)在3°～15°時含量最高。而坡度≥15°是有機質(zhì)降低，這是由于研究區(qū)茶樹種植密度隨坡度的增大呈上升趨勢，坡度較大的區(qū)域茶樹生長對養(yǎng)分的消耗增大，而有機養(yǎng)分的供給又相對不足，造成有機質(zhì)含量降低。有效磷和速效鉀的平均含量最高的均出現(xiàn)在坡度為≥15°的土地中，最低的為坡度<3°。這是由于研究區(qū)≥15°時，土壤質(zhì)地中壤和重壤的面積較大，這與表6所得出的結(jié)論相符。

表6 不同坡度下土壤養(yǎng)分含量

[坡度＼&樣本數(shù)＼&有機質(zhì)

（均值±標準差）＼&有效磷

（均值±標準差）＼&速效鉀

（均值±標準差）＼&<3°＼&562＼&30.29±8.95a＼&23.62±31.02b＼&79.67±49.93b＼&3°～15°＼&816＼&31.25±9.25a＼&24.46±25.13a＼&80.59±46.66b＼&≥15°＼&123＼&28.84±8.90b＼&29.83±35.43a＼&99.02±70.95a＼&]

注：同一列數(shù)據(jù)后小寫字母不同者表示差異顯著（P<0.05）

3 結(jié)論

本文采用地統(tǒng)計學(xué)和GIS技術(shù)相結(jié)合的方法對安徽省黃山市土壤養(yǎng)分的空間變異特征及其影響因素進行了研究分析，得到如下結(jié)論：

（1）由描述性統(tǒng)計分析可知，研究區(qū)內(nèi)有機質(zhì)的平均含量為30.69g/kg，屬于中等水平，變異程度屬于中等變異；有效磷平均含量為24.58mg/kg，屬于二級水平，其變異程度較強；速效鉀的平均含量為81.75mg/kg，屬于中等偏低水平，變異程度中等。

（2）地統(tǒng)計分析表明，3種土壤養(yǎng)分均用指數(shù)模型擬合較好，其空間變異性為有效磷>速效鉀>有機質(zhì)，并且3種養(yǎng)分的塊金系數(shù)均<25%，其均表現(xiàn)出較強的空間自相關(guān)，說明成土母質(zhì)、地形因子、土壤類型等結(jié)構(gòu)因素是引起黃山地區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異的主要原因。

（3）普通Kriging插值結(jié)果表明，黃山市有機質(zhì)、有效磷和速效鉀的空間分布呈現(xiàn)出顯著性差異。有機質(zhì)含量的空間分布相對集中從西南至東部有逐漸減小的趨勢，并呈片狀分布。有效磷的空間分布為從南到北。速效鉀空間分布的呈現(xiàn)低值區(qū)片狀分布，高值區(qū)斑塊狀分布的趨勢。

參考文獻

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（責編：張長青）