聯(lián)合梯田農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)稻田土壤養(yǎng)分空間變異特征

高燈州,閔慶文,陳桂香,章文龍,胡偉芳,王維奇,*

1 福建師范大學(xué)地理研究所, 福州 350007 2 濕潤(rùn)亞熱帶生態(tài)-地理過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350007 3 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101

聯(lián)合梯田農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)稻田土壤養(yǎng)分空間變異特征

高燈州1,2,閔慶文3,陳桂香1,2,章文龍1,2,胡偉芳1,2,王維奇1,2,*

1 福建師范大學(xué)地理研究所, 福州 350007 2 濕潤(rùn)亞熱帶生態(tài)-地理過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350007 3 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101

研究稻田土壤養(yǎng)分(有機(jī)質(zhì)(OM)、堿解氮(AN)、有效磷(AP)和速效鉀(AK))空間分布特征對(duì)稻田的科學(xué)科學(xué)管理具有重要意義。選取聯(lián)合梯田稻田土壤作為研究對(duì)象,基于半變異方差函數(shù)分析土壤養(yǎng)分的空間變異性,并進(jìn)一步分析地形因子對(duì)其影響。結(jié)果表明：(1)聯(lián)合梯田稻田土壤OM、AN、AP和AK含量范圍分別為3.6—49.9 g/kg、67—423 mg/kg、3.1—79.6 mg/kg和15—300 mg/kg；其變異系數(shù)范圍為24.23%—63.9%,均屬于中等變異水平；(2)將土壤養(yǎng)分分為5級(jí),包括偏高(Ⅰ)、豐富(Ⅱ)、中等(Ⅲ)、缺乏(Ⅳ)和偏低(Ⅴ),區(qū)內(nèi)土壤OM和AN豐富,Ⅱ級(jí)以上水平分別占94.5%和88.5%；而AP和AK則較為缺乏,IV級(jí)以下水平分別占37%和51.5%；(3)土壤OM、AN和AP具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性,表明其主要受結(jié)構(gòu)因素影響；而AK為中等強(qiáng)度的空間自相關(guān),表明其同時(shí)受結(jié)構(gòu)和隨機(jī)因素控制；AN和AK空間自相關(guān)尺度較大,且在步長(zhǎng)小于2000 m和1600 m時(shí),各方向(0°、45°、90°和135°)變化平穩(wěn),為各向同性,而OM和AP變程較小,且各方向變化復(fù)雜,為各向異性。這些結(jié)果表明,政府需加強(qiáng)施肥指導(dǎo),合理增加磷肥和鉀肥,適當(dāng)降低氮肥施用和秸稈還田量。此外,在后續(xù)調(diào)查采樣時(shí),適當(dāng)加密OM和AP采樣點(diǎn)布設(shè),而AN和AK采樣可以在此基礎(chǔ)上適當(dāng)減少樣點(diǎn)。

土壤養(yǎng)分；空間結(jié)構(gòu)；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；聯(lián)合梯田

稻作梯田作為農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)的重要組成部分,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位愈顯重要。認(rèn)識(shí)稻作梯田土壤養(yǎng)分的空間特征是土地科學(xué)管理和施肥的基礎(chǔ),對(duì)改善土壤理化性質(zhì)、保護(hù)環(huán)境、農(nóng)作物生長(zhǎng)以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等具有重要作用[1]。然而隨著梯田農(nóng)業(yè)發(fā)展,如種植制度、耕作措施和施肥水平的變化,耕地土壤養(yǎng)分也會(huì)發(fā)生變化[2]。因此,開展稻作梯田土壤養(yǎng)分空間變異的研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

近年來,GIS技術(shù)結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤養(yǎng)分空間分異研究中得到越來越廣泛的應(yīng)用[3],如楊奇勇等[4]以黃淮平原耕地土壤為研究對(duì)象,分析了不同尺度下耕地土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的空間變異特征；鄧歐平等[5]探討了地形因素下,丘陵土壤養(yǎng)分(有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀)空間變異情況；除此之外,部分學(xué)者對(duì)草地[6-7]和林地[8-9]等土壤也作了相應(yīng)的研究。目前,有關(guān)農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)稻作梯田土壤養(yǎng)分研究也日益受到關(guān)注[10- 12],但當(dāng)前針對(duì)稻作梯田土壤養(yǎng)分研究相對(duì)比較零散,對(duì)空間分異特征的研究也鮮見報(bào)道。因此,有必要對(duì)稻作梯田農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)土壤養(yǎng)分空間分異特征開展研究,以期為土壤養(yǎng)分與農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)物質(zhì)生產(chǎn)功能的維系提供重要參考。

聯(lián)合梯田作為中國(guó)重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn),其農(nóng)業(yè)具有獨(dú)特的價(jià)值,擁有特色鮮明的瀕危作物品種、牲畜品種、綠肥品種、土制農(nóng)藥品種,對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。因此,本文以聯(lián)合梯田稻田土壤為研究對(duì)象,分析聯(lián)合梯田稻田土壤養(yǎng)分含量、等級(jí)指標(biāo)、分布以及空間分異特征,旨為聯(lián)合梯田稻田土壤管理與施肥提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)這一研究也可對(duì)聯(lián)合梯田農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)的保護(hù)與發(fā)展提供重要的指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

聯(lián)合梯田屬福建省西部地區(qū)尤溪縣北部山區(qū),土質(zhì)優(yōu)良,以黃泥田、灰泥田為主,土壤整體較為肥沃,呈微酸性。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,年平均溫度為15.8—19.6℃,無霜期280d,年平均降雨量約1600 mm,多集中在5—9月。植物、動(dòng)物的種類繁多,其中共有植物種類500余種,動(dòng)物種類100余種。聯(lián)合梯田耕地面積為918.73 hm2,種植諸多傳統(tǒng)水稻品種,如矮腳白、白頭蓮、石榴紅和胡早等,且農(nóng)業(yè)獨(dú)具特色,現(xiàn)今保存著傳統(tǒng)耕作技術(shù)、管理方式及梯田生態(tài)機(jī)制[13]。

1.2 研究方法1.2.1 數(shù)據(jù)來源

聯(lián)合梯田稻田土壤養(yǎng)分(有機(jī)質(zhì)(OM)、堿解氮(AN)、速效磷(AP)、速效鉀(AN))來源于福建省農(nóng)業(yè)廳農(nóng)業(yè)服務(wù)系統(tǒng),其樣地的選取以聯(lián)合梯田核心區(qū)為主線,沿著梯田分布采集有代表性的樣點(diǎn),共選取12個(gè)村莊200個(gè)樣點(diǎn)。利用Arcgis10.1平臺(tái)在ASTER GDEM提取相應(yīng)的高程、坡度、地形濕度指數(shù)、地形起伏度和沉積運(yùn)輸指數(shù)。其中,地形濕度指數(shù)是指單位等高線長(zhǎng)度上的匯流面積與局地坡度比值的自然對(duì)數(shù),可以較準(zhǔn)確刻劃地形的變化及其對(duì)土壤徑流的影響[14]；地形起伏度即為相對(duì)高度,表示在特定區(qū)域內(nèi)最高海拔與最低海拔的差值,可以描述特定區(qū)域地形特征的宏觀性指標(biāo)；沉積物運(yùn)輸指數(shù)(Sediment transport index, STI)是指在地形作用下地表物質(zhì)的沉積運(yùn)輸能力,是反映特定區(qū)域中水分和沉積物運(yùn)移的綜合地形變量,可以較好預(yù)測(cè)土壤屬性的變化,其提取公式如下[15]：

(1)

式中,As為單位長(zhǎng)度等高線上地表水所流經(jīng)的上游區(qū)域面積,β為地形坡度。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與分析方法

通過描述統(tǒng)計(jì)特征值(最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)(CV))反映土壤養(yǎng)分的平均水平和總變異程度。當(dāng)CV<10%時(shí),為弱變異,10%≤CV≤100%時(shí),為中等變異,CV>100%時(shí),為強(qiáng)變異[16]。另外,根據(jù)福建省土壤肥力豐缺指標(biāo)[2],將土壤養(yǎng)分分為偏高(Ⅰ),豐富(Ⅱ),中等(Ⅲ),缺乏(Ⅳ)和偏低(Ⅴ)5種等級(jí)水平。

半變異函數(shù)可以有效描述土壤特性變異特征,區(qū)分結(jié)構(gòu)性因素與隨機(jī)因素對(duì)養(yǎng)分空間變異的影響,是空間結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ),當(dāng)區(qū)域化變量滿足二階平穩(wěn)性假設(shè)和本征假設(shè)時(shí),計(jì)算公式為：

(2)

式中,γ(h),h,N(h),Z(xi) 和Z(xi+h)分別為變異函數(shù),滯后距離或步長(zhǎng),距離等于h時(shí)的樣點(diǎn)對(duì)數(shù),Z(x)在位置xi的數(shù)值和在距離xi+h處的數(shù)值。半變異函數(shù)包括幾個(gè)重要參數(shù),如塊金值(C0)、基臺(tái)值(C0+C)、變程(a),可一定程度揭示變量空間變異和相關(guān)性[17]。其中,塊金值和基臺(tái)值的比值(C0/(C0+C))表示塊金效應(yīng),反映變量的空間相關(guān)性。當(dāng)C0/(C0+C)<25%時(shí),說明變量空間自相關(guān)性很強(qiáng),其變異性主要受結(jié)構(gòu)因素(地形、氣候、土壤母質(zhì)等)影響；當(dāng)25%≤C0/(C0+C)≤75%時(shí),說明變量具有中等空間自相關(guān)性,受結(jié)構(gòu)和隨機(jī)因素(施肥、種植方式或耕作措施等)共同作用；當(dāng)C0/(C0+C)>75%時(shí),說明變量空間自相關(guān)性很弱[18],主要受隨機(jī)因素影響。

采用SPSS 19.0對(duì)土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)和正態(tài)分布Shapiro-Wilk(s-w)檢驗(yàn),用Minitab 16對(duì)非正態(tài)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化,以符合統(tǒng)計(jì)分析的條件；采用GS+7. 0進(jìn)行空間自相關(guān)分析和半變異函數(shù)分析。用Arc Gis 10.1和Origin 8.0作圖。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤養(yǎng)分統(tǒng)計(jì)特征

由表1可知,聯(lián)合梯田稻田土壤OM、AN、AP和AK含量分別介于3.6—49.9 g/kg,67—423 mg/kg,3.1—79.6 mg/kg,15—300 mg/kg,平均含量分別為30.93 g/kg,245.78 mg/kg,21.53 mg/kg與90.65 mg/kg。從標(biāo)準(zhǔn)差和CV看,各養(yǎng)分離散程度較大,CV在24.23%—63.9%之間,都屬于中等變異水平,其中OM、AN的CV較小,分別為24.23%,26.87%,而AP和AK的CV較大,分別為63.9%和60.49%。另外,從描述統(tǒng)計(jì)特征Ps-w可以看出,AN數(shù)據(jù)樣本近似正態(tài)分布,OM、AP和AK數(shù)據(jù)樣本經(jīng)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布。

表1 聯(lián)合梯田稻田土壤養(yǎng)分描述統(tǒng)計(jì)特征

*Box-Cox轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果,**對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果

2.2 土壤養(yǎng)分含量等級(jí)指標(biāo)及分布特征

聯(lián)合梯田稻田土壤養(yǎng)分分布不均(表2和圖1),土壤OM含量總體較高,Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)水平分別占56%與38.5%,Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)水平共占5.5%,零星分布在區(qū)域內(nèi)；區(qū)域內(nèi)土壤AN含量也相對(duì)較高,Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)水平分別占78%和10.5%,Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)水平共占11%,主要分布在惠州村北部地區(qū)；而AP和AK含量各等級(jí)指標(biāo)空間分比較離散, 其中Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)水平比例較大,AP的Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)水平比例共為37%,而AK高達(dá)51.5%。

表2 聯(lián)合梯田稻田土壤養(yǎng)分等級(jí)指標(biāo)及分布

圖1 聯(lián)合梯田稻田土壤養(yǎng)分含量分布Fig.1 Soil nutrient distribution in Lianhe terraced fields

2.3 土壤養(yǎng)分空間變異特征

表3為土壤養(yǎng)分各向同性下半變異方差函數(shù)理論模型及參數(shù)。由表3可知,OM和AP最優(yōu)擬合模型為指數(shù)模型,而AN和AK最優(yōu)擬合模型分別為高斯模型和球狀模型。土壤OM、AN和AP的塊金效應(yīng)分別為12.09%,16.89%和11.76%,均小于25%,區(qū)域內(nèi)具有強(qiáng)烈空間相關(guān)性,而土壤AK塊金效應(yīng)為50%,區(qū)域內(nèi)存在中等空間相關(guān)性。從變程看(表3),各養(yǎng)分之間變程差異較大(820—4399 m),其中土壤OM和OP的變程較小,分別為870 m和930 m,速效鉀變程為2230 m,AN的變程最大,為4399 m,這說明AN具有強(qiáng)烈空間相關(guān)性的范圍非常廣泛,而OM和AP區(qū)域內(nèi)存在強(qiáng)烈空間相關(guān)性,但是范圍較小,超出范圍空間自相關(guān)性也將消失。

表3 土壤養(yǎng)分半方差函數(shù)理論模型及相關(guān)參數(shù)

Ⅰ: 指數(shù)模型,Ⅱ: 高斯模型,Ⅲ: 球狀模型

進(jìn)一步計(jì)算了E—W(0°),NE—SW(45°),S—N(90°)和EN—WN(135°)4個(gè)方向的半方差函數(shù),如圖2所示,土壤各養(yǎng)分不同方向(0°,45°,90°和135°)的變異函數(shù)差異較大,總體上表現(xiàn)出明顯的方向性特征。進(jìn)一步來看,OM和AP在步長(zhǎng)范圍內(nèi)(0—7000 m)各方向變異函數(shù)波動(dòng)性較為劇烈；而AN和AK在步長(zhǎng)小于2000 m和1600 m時(shí),半方差變化較平穩(wěn),增加比較緩慢,各個(gè)方向的變異函數(shù)基本重合,一定程度上表現(xiàn)為各向同性。

圖2 土壤養(yǎng)分各向異性半方差函數(shù)圖Fig.2 Anisotropic semivariogram of soil nutrients

2.4 土壤養(yǎng)分與地形因子相關(guān)關(guān)系

土壤養(yǎng)分與地形因子(高程、坡度、地形濕度指數(shù)、地形起伏度和沉積運(yùn)輸指數(shù))相關(guān)分析(表4)可見,OM與坡度、地形濕度指數(shù)呈顯著相關(guān)(P<0.05),與其他因子相關(guān)性不顯著,AN和AP與各地形因子相關(guān)性均不顯著,而AK與高程、地形濕度指數(shù)和地形起伏度呈顯著相關(guān)(P<0.05)。

3 討論

3.1 土壤養(yǎng)分總體特征

聯(lián)合梯田稻田土壤OM和AN平均水平較高,其平均值分別達(dá)到30.93 g/kg和245.78 mg/kg,屬于土壤肥力Ⅰ級(jí)水平,同時(shí)也均不同程度高于四川、重慶、山東、江蘇等地區(qū)耕地或農(nóng)田土壤(表5)。這可能與聯(lián)合梯田秸稈還田有一定關(guān)系,有研究表明,有效的秸稈還田可以為土壤中的微生物提供充足的碳源,從而刺激微生物活性,提高土壤OM含量[19],同時(shí)礦化的秸稈組分能促進(jìn)土壤氮循環(huán)和礦化,提高氮素有效性[20],本研究調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),聯(lián)合梯田稻田秸稈產(chǎn)量年均合計(jì)約5754 t,直接(粉碎)還田比例高達(dá)75%,與聯(lián)合鄉(xiāng)全鄉(xiāng)秸稈還田水平相當(dāng)(秸稈產(chǎn)量約6204 t,直接還田約4649 t,約占74%)[21],因而使得該區(qū)稻田土壤OM和AN含量較高。區(qū)域內(nèi)土壤AP平均含量為21.53 mg/kg,屬于土壤肥力Ⅱ級(jí)水平,一定程度高于四川、重慶、山東和江蘇等地耕地土壤,但低于福建閩侯與晉江縣域耕地土壤,這可能是由于聯(lián)合梯田以傳統(tǒng)耕作方式為主,化肥施加強(qiáng)度較低原因造成的。而土壤AK平均含量(90.65 mg/kg)明顯低于山東廣饒耕地土壤外,與各地土壤相當(dāng)。此外,本研究對(duì)土壤養(yǎng)分各等級(jí)指標(biāo)所占的比例發(fā)現(xiàn),OM和AN的Ⅰ級(jí)水平分別占56%和78%,Ⅳ級(jí)和V級(jí)水平所占比例小,而AP和AK的Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)水平所占比例分別為37%和51.5%,這表明聯(lián)合梯田大部分稻田土壤OM和AN存在盈余,而土壤AP和AK在部分稻田相對(duì)缺乏,這表明耕作施肥應(yīng)充分考慮地區(qū)間土壤養(yǎng)分含量本底差異,若不考慮養(yǎng)分含量本底差異而平均施肥,將可能造成區(qū)域之間養(yǎng)分差異進(jìn)一步擴(kuò)大。因而,有必要對(duì)聯(lián)合梯田有針對(duì)性的進(jìn)行施肥管理,合理增施磷肥和鉀肥,適當(dāng)降低氮肥施用和秸稈還田量,充分發(fā)揮耕地土壤養(yǎng)分的潛力,陳冬林[22]基于湖南水稻田秸稈還田量研究表明在免耕(覆蓋耕作、壟耕和不耕)條件下宜實(shí)行2/3秸稈還田,而聯(lián)合梯田稻田每年還田量4317.75 t,占總秸稈量的比例高達(dá)3/4,因而可以適當(dāng)降低其秸稈還田量,降低至3836 t左右。

表4 土壤養(yǎng)分與地形因子相關(guān)關(guān)系

*P<0.05,N=200

表5 不同地區(qū)不同土地類型土壤養(yǎng)分情況

3.2 土壤養(yǎng)分空間變異性

耕地土壤養(yǎng)分除受氣候、地形、母質(zhì)和生物等自然因素影響外,還受種植制度、耕作措施、施肥水平等人為因素的影響,這導(dǎo)致耕地土壤養(yǎng)分隨空間位置的變化而有差異[2,4]。本研究對(duì)樣本描述性統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn),福建聯(lián)合梯田稻田土壤OM、AN、AP和AK均屬于中等變異水平,與多數(shù)學(xué)者對(duì)丘陵耕地[5]、林地[8]和草地[6]等研究結(jié)果相似,這說明區(qū)域內(nèi)耕地土壤養(yǎng)分含量有一定差異。土壤特性描述性特征可以一定程度說明樣本整體狀況,但不能有效反映樣本空間結(jié)構(gòu)特征[26]。因此,本研究進(jìn)一步進(jìn)行土壤養(yǎng)分半變異方差函數(shù)分析,結(jié)果表明區(qū)內(nèi)稻田土壤均具有良好的空間結(jié)構(gòu),在空間自相關(guān)范圍內(nèi),OM、AN和AP表現(xiàn)為強(qiáng)烈的空間自相關(guān)(塊金效應(yīng)分別為12.09%,16.89%和11.76%),說明其主要受氣候、地形、母質(zhì)或土壤類型等結(jié)構(gòu)性因素的影響,隨機(jī)因素(施肥、種植方式或耕作措施等)影響較??；而AK塊金效應(yīng)為50%,表現(xiàn)為中等強(qiáng)度的空間自相關(guān),說明其可能與結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同作用有關(guān)。而孔慶波等[2]對(duì)福建閩侯和晉江縣域耕地土壤養(yǎng)分空間變異研究發(fā)現(xiàn),除閩侯土壤AK外,其他養(yǎng)分均呈中等空間自相關(guān),而陳伏生[6]和張偉[8]基于草地和林地土壤養(yǎng)分進(jìn)行空間變異研究,結(jié)果顯示OM和AK等養(yǎng)分也呈中等空間自相關(guān)。本文土壤養(yǎng)分除AK外,其他養(yǎng)分都呈現(xiàn)強(qiáng)烈空間自相關(guān),與前述學(xué)者研究結(jié)果[2,6,8]有所不同,原因可能在于聯(lián)合梯田水稻種植輔以傳統(tǒng)耕作方式為主,化肥施用強(qiáng)度較小也相對(duì)均一,使得區(qū)域內(nèi)土壤養(yǎng)分受施肥、種植和耕作方式等隨機(jī)因素影響較小,受地形、土壤類型和母質(zhì)等結(jié)構(gòu)因素影響較大。本文基于土壤養(yǎng)分與地形因子相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)(表3),OM與坡度和地形濕度指數(shù)呈顯著相關(guān),其中與坡度呈顯著負(fù)相關(guān),與地形濕度指數(shù)呈顯著正相關(guān),與其他因子相關(guān)性不顯著,而AN和AP與各地形因子相關(guān)性均不顯著,此外,AK與高程、地形濕度指數(shù)和地形起伏度均呈顯著相關(guān)。這表明聯(lián)合梯田稻田土壤OM的空間變異特征受地形因子(坡度和地形濕度指數(shù))影響較大,這主要是由于其土壤OM主要來源于秸稈等植物分解,其富集與流失受水分和坡度影響較大,當(dāng)坡度增大時(shí),表層土壤OM容易受到淋洗作用而損失[27],而土壤水份增加可使得有機(jī)質(zhì)等酸性物質(zhì)富集而增加土壤OM含量,有研究表明地形濕度指數(shù)與土壤水分含量呈直線相關(guān),可以很好表征土壤水分變化[28],因此地形濕度指數(shù)增加,可以促進(jìn)土壤OM富集。而AN和AP空間分布受地形因子的影響不大,可能受土壤類型和母質(zhì)等因素影響較大,另外,AN存在強(qiáng)烈空間自相關(guān)可能與稻田管理也有一定關(guān)系,較大強(qiáng)度的秸稈還田,使得AN含量總體上較大(表2和圖1),使得空間上差異小。AK空間分布受地形、母質(zhì)等結(jié)構(gòu)和施肥、管理等隨機(jī)因素共同影響,由于AK吸附能力較弱,流動(dòng)性較強(qiáng)[5],因此在結(jié)構(gòu)因素中容易受地形因子,如高程、起伏度等的影響。此外,本研究對(duì)土壤養(yǎng)分各向異性研究發(fā)現(xiàn),OM和AP變異函數(shù)在各方向上變化復(fù)雜,表現(xiàn)為各向異性,而AN和AK在步長(zhǎng)小于2000 m和1600 m時(shí),各方向上變異函數(shù)基本重合,為各向同性。區(qū)域內(nèi)土壤特性各向異性半方差分析的研究,不僅可以進(jìn)一步了解土壤空間變異特征,對(duì)后續(xù)調(diào)查研究中指導(dǎo)土壤采養(yǎng)具有重要意義[29]。因此,本研究結(jié)果顯示,在后續(xù)調(diào)查采樣時(shí),樣點(diǎn)布設(shè)要考慮密度和方向性,適當(dāng)加密有機(jī)質(zhì)和有效磷的采樣,而AN和AK采樣可以在此基礎(chǔ)上適當(dāng)減少樣點(diǎn)。

3 結(jié)論

本文以聯(lián)合梯田稻田土壤作為研究對(duì)象,基于描述統(tǒng)計(jì)和半變異方差函數(shù)分析土壤養(yǎng)分的空間分布特征,并進(jìn)一步分析了地形因子對(duì)其影響,主要結(jié)論如下：

(1)聯(lián)合梯田稻田土壤OM、AN、AP和AK均屬于中等變異水平；區(qū)域內(nèi)大部分稻田土壤OM和AN存在盈余,而土壤AP和AK在部分稻田相對(duì)缺乏。

(2)土壤OM、AN和AP為強(qiáng)烈空間自相關(guān),結(jié)構(gòu)變異占主導(dǎo),AK為中等強(qiáng)度的空間自相關(guān),受結(jié)構(gòu)因素和隨機(jī)因素共同作用；另外,OM和AP在各方向上變化復(fù)雜,均表現(xiàn)為各向異性,而AN和AK在步長(zhǎng)小于2000 m和1600 m時(shí),各方向上變異函數(shù)基本重合,為各向同性。

(3)充分發(fā)揮區(qū)域內(nèi)土壤肥力,需有針對(duì)性進(jìn)行施肥管理,加強(qiáng)指導(dǎo)施肥,合理增加磷肥和鉀肥施用強(qiáng)度,適當(dāng)降低氮肥施用和秸稈還田強(qiáng)度。

(4)在后續(xù)調(diào)查采樣時(shí),樣點(diǎn)布設(shè)要考慮方向性和密度,OM和AP采樣樣點(diǎn)布設(shè)應(yīng)更為全面,而AN和AK采樣可以在OM和AP采樣基礎(chǔ)上適當(dāng)減少樣點(diǎn)。

[1] 黃昌勇. 土壤學(xué). 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2000.

[2] 孔慶波, 章明清, 姚寶全, 李娟, 張青. 福建縣級(jí)區(qū)域耕地土壤養(yǎng)分時(shí)空變異研究. 熱帶作物學(xué)報(bào), 2010, 31(10): 1686- 1691.

[3] Kumhálová J, Kumhála F, Kroulík M, Matějková. The impact of topography on soil properties and yield and the effects of weather conditions. Precision Agriculture, 2011, 12(6): 813- 830.

[4] 楊奇勇, 楊勁松. 不同尺度下耕地土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的空間變異特征. 水土保持學(xué)報(bào), 2010, 24(3): 100- 104.

[5] 鄧歐平, 周稀, 黃萍萍, 鄧良基. 川中紫色丘區(qū)土壤養(yǎng)分空間分異與地形因子相關(guān)性研究. 資源科學(xué), 2013, 35(12): 2434- 2443.

[6] 陳伏生, 曾德慧. 科爾沁沙地退化草場(chǎng)土壤養(yǎng)分的空間結(jié)構(gòu)分析. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2004, 13(1): 39- 44.

[7] Steffens M, K?lbl A, Totsche K U, K?gel-Knabner I. Grazing effects on soil chemical and physical properties in a semiarid steppe of Inner Mongolia (P. R. China). Geoderma, 2008, 143(1/2): 63- 72.

[8] 張偉, 劉淑娟, 葉瑩瑩, 陳洪松, 王克林, 韋國(guó)富. 典型喀斯特林地土壤養(yǎng)分空間變異的影響因素. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013, 29(1): 93- 101.

[9] Yemefack M, Rossiter D G, Njomgang R. Multi-scale characterization of soil variability within an agricultural landscape mosaic system in southern Cameroon. Geoderma, 2005, 125(1/2): 117- 143.

[10] 文波龍, 任國(guó), 張乃明. 云南元陽(yáng)哈尼梯田土壤養(yǎng)分垂直變異特征研究. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 24(1): 78- 81.

[11] 邱宇潔, 許明祥, 師晨迪, 張志霞, 張帥. 隴東黃土丘陵區(qū)坡改梯田土壤有機(jī)碳累積動(dòng)態(tài). 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2014, 20(1): 87- 98.

[12] 李龍, 姚云峰, 秦富倉(cāng). 內(nèi)蒙古赤峰梯田土壤有機(jī)碳含量分布特征及其影響因素. 生態(tài)學(xué)雜志, 2014, 33(11): 2930- 2935.

[13] 尤溪縣志編纂委員會(huì). 尤溪縣志: 中華人民共和國(guó)地方志叢書. 福州: 福建省地圖出版社, 1989.

[14] 張彩霞, 楊勤科, 李銳. 基于DEM 的地形濕度指數(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2005, 24(6): 116- 123.

[15] 連綱, 郭旭東, 傅伯杰, 虎陳霞. 黃土高原小流域土壤養(yǎng)分空間變異特征及預(yù)測(cè). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 28(3): 946- 954.

[16] 高婷婷, 丁建麗, 哈學(xué)萍, 張飛, 王飛. 基于流域尺度的土壤鹽分空間變異特征——以渭干河-庫(kù)車河流域三角洲綠洲為例. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(10): 2695- 2705.

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

[18] Wang Y D, Feng N N, Li T X, Zhang X Z, Liao G T. Spatial variability of soil cation exchange capacity in hilly tea plantation soils under different sampling scales. Agricultural Sciences in China, 2008, 7(1): 96- 103.

[19] 田慎重, 寧堂原, 王瑜, 李洪杰, 仲惟磊, 李增嘉. 不同耕作方式和秸稈還田對(duì)麥田土壤有機(jī)碳含量的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 21(2): 373- 378.

[20] Tosti G, Benincasa P, Farneselli M, Pace R, Tei F, Guiducci M, Thorup-Kristensen K. Green manuring effect of pure and mixed barley-hairy vetch winter cover crops on maize and processing tomato N nutrition. European Journal of Agronomy, 2012, 43: 136- 146.

[21] 國(guó)家統(tǒng)計(jì)局尤溪調(diào)查隊(duì), 尤溪縣統(tǒng)計(jì)局. 尤溪縣統(tǒng)計(jì)年鑒(2014). 三明: 福建省尤溪縣創(chuàng)新彩色印刷有限公司, 2014. (未鏈接到本條文獻(xiàn)信息,請(qǐng)核對(duì))

[22] 陳冬林, 易鎮(zhèn)邪, 周文新, 屠乃美. 不同土壤耕作方式下秸稈還田量對(duì)晚稻土壤養(yǎng)分與微生物的影響. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 30(8): 1722- 1728.

[23] 張國(guó)平, 郭澎濤, 王正銀, 劉洪斌. 紫色土丘陵地區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間分布預(yù)測(cè). 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013, 29(6): 113- 120.

[24] 李文璐, 趙庚星, 許志偉. 鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)耕地土壤養(yǎng)分精確化管理分區(qū)及配方施肥研究. 自然資源學(xué)報(bào), 2011, 26(5): 746- 754.

[25] 李榮剛, 楊林章, 皮家歡. 蘇南地區(qū)稻田土壤肥力演變、養(yǎng)分平衡和合理施肥. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 14(11): 1889- 1892.

[26] Liu X M, Zhao K, Xu J M, Zhang M H, Si B, Wang F. Spatial variability of soil organic matter and nutrients in paddy fields at various scales in southeast China. Environmental Geology, 2008, 53(5): 1139- 1147.

[27] 解倩, 王瑩, 齊瑞鵬, 張應(yīng)龍, 高玲玲, 鄭紀(jì)勇. 毛烏素沙區(qū)退化濕地土壤剖面水分和養(yǎng)分特征. 水土保持學(xué)報(bào), 2015, 29(3): 150- 155, 288- 288.

[28] Güntner A, Seibert J, Uhlenbrook S. Modeling spatial patterns of saturated areas: An evaluation of different terrain indices. Water Resources Research, 2004, 40(5): 1- 19.

[29] 趙明松, 張甘霖, 李德成, 趙玉國(guó), 王德彩. 蘇中平原南部土壤有機(jī)質(zhì)空間變異特征研究. 地理科學(xué), 2013, 33(1): 83- 89.

Spatial variability of soil nutrients in the agricultural heritage systems of Lianhe terraced fields

GAO Dengzhou1,2, MIN Qingwen3, CHEN Guixiang1,2, ZHANG Wenlong1,2, HU Weifang1,2, WANG Weiqi1,2,*

1InstituteofGeography,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China2KeyLaboratoryofHumidSub-tropicalEco-geographicalProcessofMinistryofEducation,Fuzhou350007,China3InstituteofGeographicSciencesandNatureResourceResearch,ChineseAcademyofScience,Beijing100101,China

Terraced fields are an important part of agricultural heritage systems and play a vital role in agricultural production. Soil nutrients (organic matter [OM]; available nitrogen [AN]; available phosphorus [AP]; available potassium [AK]) are essential for improving the physical and chemical properties of soil, for protecting the environment, and for sustaining agricultural development. However, developments in terrace agriculture, such as changes in the cropping system, cultivation measures, and fertilization levels, lead to changes in soil nutrients. However, little information is available regarding the spatial variability of soil nutrients in terraced fields. As part of China′s Important Agricultural Heritage Systems, the Lianhe terraced fields are worth protecting and developing. The aim of this study was to better understand the spatial variability of soil nutrients (OM, AN, AP, and AK) for the scientific management of the Lianhe terraced fields. The field study was carried out in the Lianhe terraced fields, and the spatial variability of soil nutrients was analyzed based on a semivariogram, and the effects of topographic factors (elevation, gradient, topographic wetness index, topography relief, and sediment transport index) on soil nutrients were further analyzed. The results showed that the concentrations of OM, AN, AP, and AK varied in the ranges of 3.6 to 9 g/kg, 67 to 423 mg/kg, 3.1 to 9.6 mg/kg, and 15 to 300 mg/kg, with the coefficient of variation being 24.23%—63.9%, respectively. The soil nutrient levels were divided into five grades, which were slightly higher (Ⅰ), abundant (Ⅱ), medium (Ⅲ), deficient (Ⅳ), and low (Ⅴ). Most of the rice fields were rich in OM and AN, which accounted for 94.5 and 88.5% above the Ⅱ nutrient level. Some areas were lacking AP and AK, which accounted for 37 and 51.5% below the IV nutrient levels. The ratio of nugget (C0/(C0+C)) of OM, AN, and AP were 12.09, 16.89, and 11.76%, respectively, and these results showed strong spatial autocorrelation, which indicated that OM, AN, and AP were mainly affected by structural factors; however, the (C0/(C0+C)) of AK was 50%, which showed a modest degree of autocorrelation, implying that AK was controlled by both structural and random factors. The spatial autocorrelation scale of AN and AK was larger compared with that of the other nutrients; the ranges of spatial autocorrelation were 4399 to 2230 m, and they were isotropic within the range 2000 to 1600 m, respectively. The spatial autocorrelation scale of OM and AP was 870 and 930 m, respectively, and changed in the direction of 0, 45, 90, and 135°, which were significant in anisotropy. These results indicate there is a need for the government to strengthen its guidance on fertilization, including a moderate increase in phosphorus and potassium, and a reasonable reduction in nitrogen fertilizer and field straw residue. Moreover, the sampling density of OM and AP should be increased, while the sampling density of AN and AK could be appropriately reduced in future investigations of soil nutrients.

soil nutrient; spatial structure; geostatistics; Lianhe terraced fields

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41571287, 31000209)；福建省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目(2014Y0054, 2014R1034- 3)；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014J01119)；福建省尤溪縣人民政府委托項(xiàng)目(全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)申報(bào)書)

2015- 04- 21;

日期:2016- 03- 02

10.5846/stxb201504210822

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangweiqi15@163.com

高燈州,閔慶文,陳桂香,章文龍,胡偉芳,王維奇.聯(lián)合梯田農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)稻田土壤養(yǎng)分空間變異特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(21):6951- 6959.

Gao D Z, Min Q W, Chen G X, Zhang W L, Hu W F, Wang W Q.Spatial variability of soil nutrients in the agricultural heritage systems of Lianhe terraced fields.Acta Ecologica Sinica,2016,36(21):6951- 6959.