渭-庫綠洲耕層土壤養(yǎng)分空間變異及影響因素分析

邊慧芹，王雪梅,2*，毛東雷,2

(1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室“新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室”，新疆 烏魯木齊 830054)

【研究意義】當前，地統(tǒng)計學中的變異函數(shù)及克里格插值法已被廣泛應用于土壤特性的空間分異模型與圖形制作中[1]?！厩叭搜芯窟M展】由于在應用地統(tǒng)計學過程中，通常要求采樣點分布在中小尺度均勻采樣。故我國學者多將此方法應用于對農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間變異評價研究中[2]。范夫靜等通過研究喀斯特坡地土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)與分布格局，認為造成該坡地土壤養(yǎng)分空間分布差異的主要因素是植被、地形以及人為干擾下的微生境[3]。劉祖香對農(nóng)田尺度下旱地紅壤的養(yǎng)分空間變異進行分析并預測各養(yǎng)分的空間分布狀況，為農(nóng)業(yè)的精確與合理施肥提供了科學依據(jù)[4]。張娜等人以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)為研究對象，利用經(jīng)典統(tǒng)計學與地統(tǒng)計學相結(jié)合的方法，對不同土層有機質(zhì)含量的空間變異進行分析，研究結(jié)果表明，不同土層有機質(zhì)含量具有強烈的空間自相關，且土壤類型為影響空間分布的主導因子[5]。張小桐等人以徐水縣土壤有效態(tài)微量元素為研究對象，利用GIS與地統(tǒng)計學相結(jié)合的方法，分析了4種微量元素的空間變異特征及影響因素，認為土壤pH值對土壤有效態(tài)微量元素的含量分布具有顯著影響[6]?！颈狙芯壳腥朦c】以上研究結(jié)果表明，土壤養(yǎng)分的空間變異性是普遍存在的，其變異來源主要包括結(jié)構(gòu)性變異和隨機性變異[7]。自然因素是影響土壤養(yǎng)分發(fā)生空間分異的本質(zhì)因素，也是形成結(jié)構(gòu)性變異的主導因素；而人文因素則表現(xiàn)為較大的隨機性，是土壤養(yǎng)分空間分異的外因，它將有利于使土壤養(yǎng)分的空間變異朝均一方向發(fā)展，尤其是在小尺度范圍更為強烈[8]?！緮M解決的關鍵問題】基于GIS和地統(tǒng)計學分析方法對耕層土壤養(yǎng)分空間分異進行研究，可在一定程度上揭示土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律及其影響因素，對預測和提高耕地土壤肥力以及平衡施肥和防治土壤退化具有重要的現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

渭干河-庫車河三角洲綠洲(簡稱渭-庫綠洲)位于新疆天山山脈南麓，塔里木盆地北緣，地理位置介于80°37′～83°59′ E，41°06′～42°40′ N。行政區(qū)域上主要包括新和縣的全部和庫車、沙雅縣的大部分綠洲范圍，為一典型而完整的扇形洪、沖積傾斜平原。該綠洲屬溫帶大陸性干旱氣候，主要表現(xiàn)夏季炎熱，冬季干冷，氣候干燥，降水稀少，光照充足，氣溫的年較差大，蒸降比高，屬于干旱與極端干旱地區(qū)。該三角洲綠洲為典型的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)作物主要以棉花、玉米為主，經(jīng)濟作物以蘋果、紅棗和核桃等為主。在強烈的蒸發(fā)作用以及人類對水土資源不合理的利用情況下，該綠洲內(nèi)部與外圍的土壤鹽漬化現(xiàn)象非常嚴重，造成土壤肥力下降顯著[9]。

2 材料與方法

2.1 調(diào)查取樣

本研究于2013年10月中下旬在渭-庫綠洲進行為期10 d 的GPS定位采樣。根據(jù)不同的土地利用方式在綠洲內(nèi)部確定樣地的布局和采樣點數(shù)。如圖1 所示，采樣點的分布涵蓋了主要土地利用方式(耕地、林地、荒漠灌叢和鹽堿草地)。依據(jù)典型性和代表性原則，每種土地利用方式下進行多次取樣，每個樣點重復 3 次在耕層(0～20 cm)土層進行取樣，共取得耕層土樣234個。同時，在野外對地表環(huán)境特征以及人為活動情況進行了詳細調(diào)查，并進行實地記錄。

2.2 室內(nèi)處理與分析

對采集的土樣在實驗室經(jīng)過自然風干，研磨過篩備用。根據(jù)中國科學院南京土壤研究所編寫的《土壤理化性質(zhì)分析》[10]，有機質(zhì)采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法進行測定，全氮采用凱氏定氮法，堿解氮采用堿解擴散法測定，有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法，速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計法進行測定。土壤pH值使用pH計測定，電導率用電導儀測定。

2.3 統(tǒng)計分析

運用SPSS20.0統(tǒng)計分析軟件，對研究區(qū)耕層土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀進行描述性統(tǒng)計；利用ArcGIS10.2軟件對地理數(shù)據(jù)進行地統(tǒng)計模型參數(shù)的擬合，選取最優(yōu)擬合模型，同時進行空間數(shù)據(jù)的普通克立格插值分析，并繪制土壤養(yǎng)分的空間分布圖；對土壤各養(yǎng)分元素與土壤pH值和電導率進行相關分析，了解各養(yǎng)分元素之間的相互關系以及土壤環(huán)境對土壤養(yǎng)分的影響。

圖1 研究區(qū)采樣點分布Fig.1 Distribution map of sampling points in study areas

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分總體特征描述

從表1可以看出，研究區(qū)耕層土壤中，有機質(zhì)(OM)和全氮(TN)的含量在3.73～24.07和0.13～1.43 g·kg-1之間發(fā)生變動，平均含量為10.99 和0.59 g·kg-1；堿解氮(AN)、有效磷(AP)和速效鉀(AK)的平均含量分別為80.46、33.52和312.81 mg·kg-1，有效磷變幅相對較小，而速效鉀具有較大的變動幅度。

在經(jīng)典統(tǒng)計方法中，常用變異系數(shù)(c.v.)從整體上來衡量測定值的變異程度。從表1可知，研究區(qū)域內(nèi)不同土壤養(yǎng)分變異情況不同，有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀均屬中度變異，它們的變異系數(shù)分別為37.80 %、45.14 %、75.25 %、96.40 %和52.32 %，變異程度由大到小依次為：有效磷>堿解氮>速效鉀>全氮>有機質(zhì)。由偏度系數(shù)和峰度系數(shù)以及K-S檢驗結(jié)果分析可知，有機質(zhì)和全氮為正態(tài)分布，堿解氮、有效磷和速效鉀為對數(shù)正態(tài)分布。

3.2 土壤養(yǎng)分空間變異分析

3.2.1 半方差函數(shù)分析 通過對渭干河-庫車河三角洲綠洲耕層土壤養(yǎng)分進行的半方差函數(shù)分析(表2)，結(jié)果顯示：有機質(zhì)、堿解氮和速效鉀的最適模型為球狀模型，全氮和有效磷以指數(shù)模型擬合效果最佳，模型決定系數(shù)均在0.6以上，殘差均小于0.1，模型擬合效果較好。

從表2可以看出，研究區(qū)耕層土壤各養(yǎng)分的塊金值(C0)均較小，表明在本研究尺度上由試驗誤差和小于試驗取樣尺度上由耕作、施肥、管理水平等隨機因素所引起的隨機誤差較小。全氮的塊金值最小，說明其受隨機因素影響較小?；_值(C0+C)可以反應土壤養(yǎng)分在研究區(qū)域內(nèi)的空間變異程度，本試驗中5種養(yǎng)分含量的基臺值在0.031～0.740，其中全氮的基臺值最小，有效磷的基臺值最大。塊金效應(C0/C0+C)小于25 %表明系統(tǒng)具有強烈的相關性，在25 %～75 %之間指示具有中等空間相關性，大于75 %則指示其空間相關性很弱[11]。研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分速效鉀含量的塊金效應為74.9 %，表明速效鉀具有中等空間相關性，其空間分異是由結(jié)構(gòu)性因素(母質(zhì)、地形、土壤類型等自然因素)和耕作、施肥、作物栽培管理等隨機性因素共同作用的結(jié)果；而其它各項養(yǎng)分指標的塊金效應都大于75 %，表現(xiàn)出在采樣尺度內(nèi)有較弱的空間相關性，且主要受隨機性因素如耕作、施肥、點源污染等人為活動的影響。

表1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計特征值

注：顯著水平為0.05； LN表示對數(shù)正態(tài)分布型，N表示正態(tài)分布型。

Note: Significant level is 0.05. LN means logarithmic normal distribution, N means normal distribution.

表2 半方差函數(shù)模型參數(shù)

變程反映了土壤因子發(fā)生空間變異的尺度大小及空間自相關性的強弱。從表中數(shù)據(jù)顯示：速效鉀的變程最大，為14.043 km，說明它的空間變異尺度相對較大，在這個變程范圍的空間相關性較強。堿解氮的變程最小，為0.125 km，說明在相同尺度下堿解氮具有明顯的空間變異性，空間分布特征較為復雜。

3.2.2 土壤養(yǎng)分空間插值分析 Kriging插值方法利用區(qū)域變量的原始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點，對未采樣點的區(qū)域化變量的取值進行線性無偏最優(yōu)估計，其結(jié)果平滑了變量的原始數(shù)據(jù)，使得大值降低，小值增高，從而減少了變量的突然變化[12]。為了更直觀地了解渭干河-庫車河三角洲綠洲土壤養(yǎng)分元素的空間格局分布特征，在所得半方差函數(shù)理論模型的基礎上，對土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀采用普通Kinging插值法進行空間插值，并繪制研究區(qū)土壤養(yǎng)分元素的空間插值圖。

OM為有機質(zhì)；TN為全氮；AN為堿解氮；AP為有效磷；AK為速效鉀圖2 土壤養(yǎng)分空間分布Fig.2 The spatial distribution of soil nutrients

指標海拔 AltitudepH電導率EC有機質(zhì)OM全氮TN堿解氮AN有效磷AP速效鉀AK海拔 Altitude1pH0.205*1電導率 EC-0.445**-0.635**1有機質(zhì) OM0.0590.013-0.1231全氮 TN0.252**0.082-0.294**0.704**1堿解氮 AN-0.022-0.168*0.1490.516**0.432**1有效磷 AP0.001-0.1540.1230.359**0.333**0.395**1速效鉀 AK-0.203*-0.351**0.628**0.301**0.0480.313**0.219**1

注：*表示在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關；**表示在0.01 水平(雙側(cè)檢驗)上顯著相關。

Note: * indicates significant correlation at the level of 0.05(bilateral test); **indicates significant correlation at the level of 0.01(bilateral test).

由圖2可以看出，渭干河-庫車河三角洲綠洲耕層土壤的有機質(zhì)在綠洲東南部區(qū)域有最高水平的分布，在綠洲西部區(qū)域含量相對較低，這主要與地勢有關，東南部海拔低，西部海拔高；總體上全區(qū)耕層土壤有機質(zhì)含量在3.73～24.07g·kg-1之間發(fā)生變化。全氮在綠洲的中部有較高含量的分布，含量最低處分布在綠洲西部與東北部，與有機質(zhì)的分布有一定的相似性，說明有機質(zhì)的分解速率會影響土壤中氮素的存儲和轉(zhuǎn)化。堿解氮的含量大致從南部向北部遞減，高值中心和低值中心呈斑塊狀分布；在研究區(qū)域內(nèi)有效磷上呈條帶狀由南向北遞減，分布較均勻；速效鉀的含量在東西方向上變化趨勢明顯、從東向西逐步降低，綠洲西北方向的含量顯著低于東南方向。從整個三角洲綠洲來看，各養(yǎng)分指標東部和南部養(yǎng)分含量較高，而西部和北部較低，有較為明顯的空間分異特征。

3.3 影響因素分析

利用SPSS統(tǒng)計分析軟件，對渭干河-庫車河三角洲綠洲耕層土壤的有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀與地形因子中的海拔高度以及土壤pH與電導率進行相關分析，考察它們之間的相互關系，以便確定影響土壤肥力的主要因素。各指標之間的相關系數(shù)見表3，海拔與土壤pH、全氮之間有顯著的正相關關系，而與電導率和速效鉀有較為顯著的負相關性，說明隨著海拔高度的不同，土壤的酸堿性以及氮、鉀元素具有顯著的差異。土壤pH與電導率、堿解氮以及速效鉀之間均呈現(xiàn)顯著的負相關性，說明土壤酸性環(huán)境將更利于土壤鹽分和養(yǎng)分的蓄積。土壤中的電導率與全氮呈顯著的負相關，而與速效鉀之間具有顯著的正相關關系。有機質(zhì)、全氮、堿解氮與有效磷兩兩之間具有極顯著的正相關性，速效鉀與全氮之間相關關系不顯著，而與有機質(zhì)、堿解氮和有效磷具有極顯著的正相關性。從上述相關分析結(jié)果可知，海拔、土壤pH值和電導率對土壤肥力具有顯著影響。

4 結(jié)論與討論

研究土壤養(yǎng)分的空間分異能更好地了解各種因素對土壤肥力的影響，預測土壤肥力的變化規(guī)律，從而為合理研究、平衡施肥和防治土壤退化提供理論依據(jù)。本文以渭干河-庫車河三角洲綠洲為例，基于野外調(diào)查數(shù)據(jù)，對綠洲耕層土壤養(yǎng)分的空間分異特征進行研究，主要結(jié)論如下。

(1)研究區(qū)耕層土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀為中等程度的空間變異，它們的變異程度也表現(xiàn)出較大差異，變異程度由大到小依次為：有效磷>堿解氮>速效鉀>全氮>有機質(zhì)。

(2)研究區(qū)內(nèi)耕層土壤養(yǎng)分除速效鉀具有中等空間相關性外，其它各項養(yǎng)分指標(有機質(zhì)、全氮、堿解氮和有效磷)的塊金效應都大于75 %，在采樣尺度內(nèi)具有較弱的空間相關性，且受隨機性因素如耕作、施肥、點源污染等人為活動的影響較大。

(3)有機質(zhì)在綠洲東南部區(qū)域有較高水平的分布，在綠洲西部區(qū)域含量相對較低；全氮在綠洲的中部有較高含量的分布；堿解氮的含量大致從南部向北部遞減，并呈斑塊狀分布；整體上，有效磷由南向北呈條帶狀遞減；速效鉀的含量在東西方向上變化趨勢明顯、從東向西逐步降低。各養(yǎng)分指標均表現(xiàn)為東部和南部養(yǎng)分含量較高，而西部和北部較低，有較為明顯的空間分異特征。

(4)通過相關分析發(fā)現(xiàn)，在不同的海拔高度和土壤酸堿環(huán)境下，土壤養(yǎng)分元素的含量呈現(xiàn)出顯著的差異，土壤中鹽基離子含量的高低對土壤養(yǎng)分的積累具有顯著的影響。可見，影響土壤肥力的結(jié)構(gòu)性因素主要是地形條件與土壤母質(zhì)中鹽基離子含量的多少，而隨機因素主要是人為活動造成的土壤酸堿環(huán)境的改變。

由于受母質(zhì)、氣候、水文條件、地形以及土壤質(zhì)地等因素的影響，耕層土壤養(yǎng)分的區(qū)域特性和空間變異規(guī)律非常明顯。同時，耕作、施肥方式以及種植制度等人類活動的影響也是土壤養(yǎng)分產(chǎn)生空間分異的重要原因[13-15]。

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