基于GIS的九寨溝縣域土壤養(yǎng)分空間變異特征

陳春燕 杜興端 李曉莉 李曉

（1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，a.農(nóng)業(yè)信息與農(nóng)村經(jīng)濟(jì)研究所；b.農(nóng)村發(fā)展研究中心，成都 610066；

2.四川比爾投資咨詢有限公司，成都 610066）

摘要：利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和GIS技術(shù)研究了四川省九寨溝縣土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀和pH的空間異質(zhì)性。結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量豐富，處于一級(jí)水平；堿解氮、速效磷、速效鉀和pH的空間異質(zhì)性相對(duì)較大，堿解氮含量均值為89.95 mg/kg，速效磷含量均值為36.83 mg/kg，速效鉀含量均值為144.70 mg/kg，pH均值為7.91。提出應(yīng)增施堿解氮肥、分類施用鉀肥和磷肥，注意補(bǔ)充養(yǎng)分與調(diào)節(jié)相結(jié)合，并采取相應(yīng)的措施調(diào)節(jié)土壤酸堿度。

關(guān)鍵詞：耕地；土壤養(yǎng)分；空間變異特征；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；GIS；九寨溝縣

中圖分類號(hào)：S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）21-5277-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.21.018

Spatial Variability Characteristics of Soil Nutrients in Jiuzhaigou County

Using GIS Technique

CHEN Chun-yan1a，1b， DU Xing-duan1a，1b， LI Xiao-li2， LI Xiao1a，1b

（1a.Agricultural Information and Rural Economy Institute； 1b.Center for Rural Development Research， Sichuan Academy of Agriculture Sciences， Chengdu 610066， China； 2.Sichuan Bier Investment Consulting Co.， Ltd.， Chengdu 610066， China）

Abstract： By the methods of geo-statistics and GIS， the spatial heterogeneity of soil organic matter， total nitrogen， available nitrogen， available phosphorus， available potassium， and pH in Jiuzhaigou County was studied. The results showed that the contents of organic matter and total nitrogen were at grade I level， and others such as available nitrogen， available phosphorus， available potassium， and pH had significant spatial heterogeneity， with mean content of 89.95 mg/kg， 36.83 mg/kg， 144.70 mg/kg and 7.91 respectively. According to the analysis above， these measures that adding available nitrogen， applying potash and phosphate fertilizer differently， and regulating soil pH were suggested.

Key words：arable land；soil nutrient； spatial variability characteristics； geo-statistics； GIS； Jiuzhaigou county

土壤肥力是土壤最重要的生態(tài)功能之一，缺乏對(duì)土壤養(yǎng)分狀況的了解而盲目施肥和過量施肥在山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍存在，結(jié)果不僅降低了肥料的利用效率，而且造成了較為嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染問題[1]。全面客觀地評(píng)價(jià)土壤的養(yǎng)分水平不僅是科學(xué)施肥的依據(jù)，也是農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)[2]。九寨溝是中國生態(tài)保護(hù)重點(diǎn)區(qū)域和西南生態(tài)安全屏障，對(duì)九寨溝縣域耕地土壤養(yǎng)分空間特異性進(jìn)行研究不僅成為九寨溝縣推進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實(shí)施的前提和基礎(chǔ)，而且也是控制農(nóng)業(yè)面源污染、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)效益綜合提高和可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)是研究土壤時(shí)空變異特征的較好方法，國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮、全磷、速效磷、速效鉀等的空間分布和評(píng)價(jià)已有不少研究。例如，Zhang等[3]結(jié)合GIS技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)愛爾蘭東南部草原地區(qū)土壤有機(jī)碳的空間分布特征進(jìn)行了研究；王貴政[4]基于GIS技術(shù)研究了河北省唐山市豐南區(qū)耕層土壤養(yǎng)分空間分布；周云龍等[5]調(diào)查了四川阿壩土壤與空氣中氡氣濃度及分布。目前尚未有關(guān)于采取地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)研究重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)耕地土壤養(yǎng)分的時(shí)空異質(zhì)性的報(bào)道。本研究利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)對(duì)九寨溝縣域耕地土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性進(jìn)行分析研究，為當(dāng)?shù)嘏浞绞┓屎屯恋乜沙掷m(xù)利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

四川省九寨溝縣位于東經(jīng)103°46′—104°04′，北緯32°54′—33°19′。屬深切割高山，山地總面積占86%，兼有部分山原和零散平壩。山原多分布在塔藏夏日柯河以西海拔3 000 m以上地帶，是縣內(nèi)主要牧區(qū)和中藥材種植區(qū)。零散的平壩集中于縣城一帶的河谷和郭元、黑河、玉瓦、白河等處，占全縣面積的0.2%，是主要的糧食產(chǎn)區(qū)。屬高原濕潤氣候，氣候垂直差異明顯，干、雨季分明，年均氣溫12.7 ℃，年均日照時(shí)間1 636 h，年均降水量600 mm。九寨溝縣以地帶性土壤為主，從低海拔到高海拔，土壤呈現(xiàn)垂直分布規(guī)律（圖1）。

1.2 土樣采集與分析

考慮九寨溝縣土壤、植被、土地利用和地形等因素的影響，對(duì)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤進(jìn)行采樣，共采集樣點(diǎn)299個(gè)（圖2），每個(gè)采樣點(diǎn)采集0～20 cm土樣。采樣點(diǎn)基于農(nóng)業(yè)實(shí)際應(yīng)用，大部分位于農(nóng)田，部分采樣點(diǎn)位于林地、菜地和草地等。野外采集的土樣在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，用木棍磨碎后剔除植物殘根、侵入體和新生體等，過2 mm孔徑的篩子后待用。有機(jī)質(zhì)含量采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法測定；全氮含量采用凱氏定氮法測定；堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定；速效磷含量采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用火焰光度法測定[6]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用IBM SPSS Statistics 21進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量和pH的描述性統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用ArcGIS 9.3的地統(tǒng)計(jì)分析模塊中Kriging插值法繪制了0～20 cm表層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量和pH的空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

對(duì)299個(gè)樣點(diǎn)0～20 cm土壤層養(yǎng)分進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表1。由表1可知，九寨溝縣土壤有機(jī)質(zhì)含量均值為40.62 g/kg，變幅為9.30～98.70 g/kg；全氮含量均值為2.22 g/kg，變幅為0.23～5.70 g/kg；堿解氮含量均值為89.95 mg/kg，變幅為23.00～135.00 mg/kg；速效磷含量均值為36.83 mg/kg，變幅為1.40～131.10 mg/kg；速效鉀含量均值為144.70 mg/kg，變幅為29.00～452.00 mg/kg；pH均值為7.91，變幅為5.01～9.03。

除pH變異較小外，有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分均表現(xiàn)為中等程度變異。速效磷變異程度最大，其變異系數(shù)達(dá)83%，隨后依次為速效鉀、全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、pH。單樣本K-S檢驗(yàn)表明全氮和堿解氮呈正態(tài)分布，而其他養(yǎng)分和pH均不能通過5%水平檢驗(yàn)。對(duì)不符合正態(tài)分布的變量進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀和pH均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

由描述性統(tǒng)計(jì)與正態(tài)分布檢驗(yàn)的結(jié)果可知，本研究數(shù)據(jù)滿足地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和空間插值要求，可以直接用于變異函數(shù)分析。

2.2 土壤養(yǎng)分空間分布特征

2.2.1 土壤有機(jī)質(zhì)空間分布特征 土壤有機(jī)質(zhì)是土壤系統(tǒng)的基礎(chǔ)物質(zhì)，是土壤中各種營養(yǎng)元素特別是氮、磷的重要來源，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，它反映了土壤的熟化程度和肥力狀況。在一定范圍內(nèi)，有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤肥力越高，一般土壤的全氮量占有機(jī)質(zhì)含量的5%左右[7]。在研究范圍內(nèi)，2/3以上地區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量多在40 g/kg以上，以九寨溝縣西部最為集中，中東部高海拔區(qū)域也比較突出，其中玉瓦鄉(xiāng)玉瓦橋村坎坡下地有機(jī)質(zhì)含量最高為98.70 g/kg；有機(jī)質(zhì)含量在30～40 g/kg的點(diǎn)也分布較多，占樣本數(shù)的22.74%，主要集中在九環(huán)線和玉瓦鄉(xiāng)；有機(jī)質(zhì)含量在30 g/kg以下的較少，主要分布在大錄鄉(xiāng)，含量最低的是羅依鄉(xiāng)順和村門底里地，有機(jī)質(zhì)為9.30 g/kg。有機(jī)質(zhì)空間分布見圖3。

2.2.2 土壤N、P、K空間分布特征 土壤全氮是評(píng)價(jià)土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，是全球碳循環(huán)的重要源和匯，目前已成為土壤科學(xué)、環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[8]。堿解氮含量反映了土壤氮素的供應(yīng)情況，與作物生長密切相關(guān)。土壤速效磷、速效鉀含量是衡量土壤磷素、鉀素養(yǎng)分供應(yīng)能力的指標(biāo)，其分布反映了土壤中可供植物吸收利用的磷、鉀含量情況。

九寨溝縣的全氮含量十分豐富，52.84%的研究區(qū)域全氮含量在2 g/kg水平以上，草地鄉(xiāng)上草地村楊家灣地全氮含量最高，為5.70 g/kg，最低為保華鄉(xiāng)土門村，全氮含量為0.23 g/kg。75.92%的研究區(qū)域堿解氮含量處于60～120 mg/kg的水平，堿解氮含量最高的為草地鄉(xiāng)上草地村樹下子、草地鄉(xiāng)上草地房坎下、郭元鄉(xiāng)水溝村橋頭上、羅依鄉(xiāng)大寨子邊石浪地，均達(dá)到135.00 mg/kg。速效磷含量差異性較大，速效磷含量在40 mg/kg以上的樣點(diǎn)數(shù)占樣本總數(shù)的34.11%，尤以勿角鄉(xiāng)、黑河鄉(xiāng)、大錄鄉(xiāng)區(qū)域水平較高，其中草地鄉(xiāng)上草地村樹下子最高，為131.10 mg/kg；26.09%的研究區(qū)域速效磷含量在20～40 mg/kg，最低為白河鄉(xiāng)太平村，速效磷含量僅為1.40 mg/kg。速效鉀含量差異性亦較大，速效鉀含量在200 mg/kg以上的樣點(diǎn)數(shù)占樣本總數(shù)的23.08%，雙河鄉(xiāng)下甘座村速效鉀含量最高，為452.00 mg/kg，速效鉀含量在150～200 mg/kg的樣本占樣本總數(shù)的16.39%，速效鉀含量在100～150 mg/kg的樣本占樣本總數(shù)的33.78%，保華鄉(xiāng)靈寶村速效鉀含量最低，僅為29.00 mg/kg。N、P、K空間分布見圖4、圖5、圖6、圖7。

2.2.3 土壤pH空間分布特征 土壤酸堿性是土壤屬性的重要指標(biāo)，不僅直接影響土壤肥力和植物生長，還會(huì)影響?zhàn)B分的有效性。由表1可知，九寨溝縣土壤多呈堿性，全縣土壤pH平均為7.91，變幅為5.01～9.03。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布看，九寨溝縣陵江鄉(xiāng)、大錄鄉(xiāng)、勿角鄉(xiāng)以中性土壤為主，陵江鄉(xiāng)、雙河鄉(xiāng)還存在少量微酸性土壤，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤多呈堿性（圖8）。

3 結(jié)論

九寨溝縣屬于重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，生態(tài)環(huán)境優(yōu)良、地形地貌復(fù)雜、人為干擾較少。九寨溝縣具備發(fā)展優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的基礎(chǔ)條件，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量豐富，且其空間異質(zhì)性不明顯，均值分別為40.62、2.22 g/kg，均達(dá)到一級(jí)水平；但堿解氮含量較低，均值為89.95 mg/kg，處于四級(jí)水平。因此應(yīng)增加有效氮肥施用量，有機(jī)肥與無機(jī)肥相結(jié)合，同類作物在施肥方案中氮可采用同一標(biāo)準(zhǔn)，均量管理。速效磷、速效鉀的空間異質(zhì)性相對(duì)明顯，速效磷含量均值為36.83 mg/kg，處于二級(jí)水平；速效鉀含量較低，均值為144.70 mg/kg，處于三級(jí)水平。因此，應(yīng)分類施用鉀肥和磷肥，注意補(bǔ)鉀、磷與調(diào)鉀、磷相結(jié)合，在制定配方施肥時(shí)要重點(diǎn)考慮鉀、磷的精準(zhǔn)養(yǎng)分管理。九寨溝縣土壤多呈堿性，堿性土壤中微量元素（ 尤其是錳、銅、鋅等）有效性差，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中要注意采取措施調(diào)節(jié)土壤的酸堿度。

受歷史資料的限制，本研究只分析了九寨溝縣土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀等養(yǎng)分的空間分布，但土壤速效磷和速效鉀的含量受季節(jié)變化影響也較大，因此，還需對(duì)土壤養(yǎng)分的時(shí)空變異性做進(jìn)一步深入研究，尤其要加強(qiáng)對(duì)九寨溝縣主導(dǎo)農(nóng)產(chǎn)品生長的不同時(shí)期及不同年份土壤養(yǎng)分變異的研究，估算土壤養(yǎng)分限制其生產(chǎn)的閾值水平，以更好地指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 舒英格，何騰兵，高 雪，等.喀斯特山區(qū)縣域耕地土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（8）：112-115.

[2] 郭旭東，傅伯杰，陳利頂，等.河北省遵化平原土壤養(yǎng)分的時(shí)空變異特征——變異函數(shù)與Kriging插值分析[J].地理學(xué)報(bào)，2000， 55（5）：555-566.

[3] ZHANG C S，MCGRATH D. Geostatistical and GIS analyses on soil organic carbon concentrations in grassland of southeastern Ireland from two different periods[J]. Geoderma，2004，119（3）：261-275.

[4] 王貴政.基于GIS技術(shù)的土壤養(yǎng)分空間分布分析及應(yīng)用[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26（10）：187-191.

[5] 周云龍，岑 況，施澤明.四川阿壩土壤與空氣中氡氣濃度及分布調(diào)查[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2013，27（4）：993-998.

[6] 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2005.

[7] 陸 欣.土壤肥力學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[8] 李文芳，楊世俊，文池夫.土壤有機(jī)質(zhì)的環(huán)境效應(yīng)[J].環(huán)境科學(xué)動(dòng)態(tài)，2004（4）：31-33.