峽江縣土壤養(yǎng)分空間特征及與地形因子的相關(guān)性

趙 越,羅志軍,趙 杰,齊 松,曹麗萍

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源與環(huán)境學(xué)院,南昌330045; 2.江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌330045)

土壤養(yǎng)分是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，也是植物生長的必要營養(yǎng)來源，土壤養(yǎng)分得空間分布隨著土壤環(huán)境的改變而顯示出一定的分布規(guī)律。近年來，對(duì)土壤養(yǎng)分中空間分布規(guī)律方面的研究逐漸增多，但所采用的方法各異，角度多樣，結(jié)論也有所不同[1-2]，朱菊蘭等[3]研究者對(duì)渾河太子河流域的土壤養(yǎng)分進(jìn)行了空間分異研究，馬樺薇等[4]研究了待復(fù)墾村莊的土壤養(yǎng)分的空間分布特點(diǎn)，但對(duì)于影響土壤養(yǎng)分空間分布的因素缺乏必要的探討。而土壤養(yǎng)分的空間分布受到諸多因素的影響，是地形地貌、成土母質(zhì)、土壤侵蝕、氣溫、降水、施肥等因素綜合作用的結(jié)果[5]，而地形是影響土壤養(yǎng)分的一個(gè)重要因素之一，而前人的研究往往針對(duì)地形的某個(gè)方面，如劉國順等[6]通過對(duì)緩坡煙田土壤養(yǎng)分空間變異的研究，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀呈現(xiàn)中等的空間變異性，而在坡度較大的地區(qū)，土壤養(yǎng)分出現(xiàn)低值，在較為平緩的地區(qū)，土壤養(yǎng)分出現(xiàn)高值。楊建虎等[7]發(fā)現(xiàn)黃土高原小流域土壤養(yǎng)分的空間分布特征與地形因子密切相關(guān)，土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量與高程和坡度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與坡向呈正相關(guān)關(guān)系，而前人的研究過于關(guān)注土壤養(yǎng)分的含量分布，缺乏對(duì)土壤空間變異性與自相關(guān)性的研究，且缺乏對(duì)地形因子較為全面的探討，而峽江縣四周高，中間低，地形特殊且耕地廣布，具有良好的研究條件。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)峽江縣的土壤養(yǎng)分空間特征進(jìn)行探討，并對(duì)地形因子與土壤養(yǎng)分的關(guān)系進(jìn)行分析，以期為峽江縣的土地利用、耕地保護(hù)、精準(zhǔn)施肥等工作的開展提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

峽江縣位于江西省中部，地跨北緯27.46°—27.76°N、東經(jīng)114.46°—115.86°E?？偯娣e約為1 287.43 km2。丘陵廣布，東西邊界海拔略高，中部地勢(shì)較低，耕地廣布。平均氣溫約為17.9℃，年降水量約1 360.1 mm，年平均日照為1 586.6 h。地處中低緯度，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，水熱充足，森林廣布，動(dòng)、植物資源豐富，為農(nóng)作物生長提供了諸多有利條件。其中土壤以紅壤為主，水稻土、潮土次之。是全國蔬菜生產(chǎn)重點(diǎn)縣之一。

1.2 研究方法

1.2.1 采樣方法 根據(jù)《全國耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，在GPS定位技術(shù)的支持下，為保證樣點(diǎn)在數(shù)量和空間上的均勻分布，按照均勻性、代表性和連續(xù)性的原則,同時(shí)考慮地形部位的基礎(chǔ)上進(jìn)行采樣，在峽江縣的耕地范圍內(nèi)進(jìn)行“S”法均勻隨機(jī)采取15～20個(gè)樣點(diǎn)，進(jìn)行充分混合后利用四分法取1 kg。通過手持GPS實(shí)地記錄采樣點(diǎn)坐標(biāo)與海拔等位置信息，樣點(diǎn)采集厚度約為20 cm，于2013年秋收集樣點(diǎn)6 034個(gè)。

1.2.2 分析方法 土壤樣本經(jīng)自然風(fēng)干，去雜，過篩等處理之后，通過重鉻酸鉀(K2Cr2O7)外加熱的方法得出土壤有機(jī)質(zhì)的含量；堿解氮?jiǎng)t是通過堿解擴(kuò)散法測定得出；速效鉀則采用乙酸銨浸—提火焰光度計(jì)法測定。有效磷則是通過NaHCO3提取，然后再采用鉬銻抗比色法對(duì)所提取的有效磷含量加以測定。此外，采用30 m分辨率的規(guī)則格網(wǎng)數(shù)字高程模型(DEM)提取峽江縣坡度、坡向等地形要素信息。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理 本文采用IBM SPSS Statistics 22軟件數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性與統(tǒng)計(jì)分析處理，由于特異質(zhì)的存在會(huì)影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，故采用三倍標(biāo)準(zhǔn)差的方法進(jìn)行特異質(zhì)的剔除。借助ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行空間分析、插值圖制作、地形數(shù)據(jù)的提取等，考慮到耕地圖斑破碎化的特點(diǎn)，故本文采用全域作為制圖范圍以實(shí)現(xiàn)表達(dá)效果的最優(yōu)化。

1.3.2 半變異函數(shù)分析方法 地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)廣泛應(yīng)用于空間分析的各個(gè)領(lǐng)域[8]，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤養(yǎng)分的空間分析，本文采用GS+7.0軟件在假定采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)符合二階平穩(wěn)和本征假設(shè)基礎(chǔ)上進(jìn)行半變異函數(shù)分析與模型擬合，可表示為：

(1)

1.3.3 空間自相關(guān)分析方法 采用Geoda 5.1i軟件通過對(duì)空間權(quán)重計(jì)算與Moran′sI指數(shù)計(jì)算對(duì)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行空間自相關(guān)分析。空間自相關(guān)分析用來檢驗(yàn)?zāi)承┛臻g變量在特定位置的屬性值是否與鄰近位置的屬性值顯著相關(guān)的算法，可以分為全局空間自相關(guān)(Global Spatial Autocorrelation)與局部空間自相關(guān)(Local Spatial Autocorrelation)[9]，全局空間自相關(guān)的公式為(2) 、(3) ；局部空間自相關(guān)更能展示土壤養(yǎng)分的空間聚集性，有利于空間表現(xiàn)，公式為(4)：

(2)

(3)

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)

樣本總數(shù)為6 034個(gè)，剔除異常點(diǎn)之后，土壤中有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀、堿解氮有效樣本分別為6 029,6 030,6 025,6 031個(gè)，研究區(qū)土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)特征如表1所示。

由表1可知，峽江縣土壤有機(jī)質(zhì)平均值為29.90 g/kg，有效磷平均值為23.50 mg/kg，土壤速效鉀平均值為108.90 mg/kg，土壤堿解氮平均值為151.60 mg/kg?？芍袡C(jī)質(zhì)與堿解氮含量適中，有效磷與土壤速效鉀含量總體上偏低。從分布類型可以得知均符合正態(tài)分布。變異系數(shù)由大到小依次為有效磷(56.64%)>速效鉀(37.69%)>堿解氮(26.67%)>有機(jī)質(zhì)(22.60%)。

表1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)特征

2.2 半變異函數(shù)分析

通過半變異函數(shù)常常用于區(qū)域化變量在分隔距離上對(duì)各樣本變異程度的度量，可以用以研究土壤養(yǎng)分的結(jié)構(gòu)性、獨(dú)立性、相關(guān)性以及空間變異特點(diǎn)研究[10]，其主要模型包含球狀模型(Spherical)、高斯模型(Gaussian)、指數(shù)模型(Exponential)、線性模型(Linear)等，分析結(jié)果如表2所示。

表2 土壤養(yǎng)分半變異函數(shù)參數(shù)

由表2可知，指數(shù)模型為有機(jī)質(zhì)最適宜模型，速效磷、速效鉀、堿解氮最適宜模型均為高斯模型，4類土壤養(yǎng)分最適宜模型的決定系數(shù)R2均大于0.9且接近于1，表明擬合模型可以較好地反映土壤的空間特征。塊金值常常是由于誤差小于取樣尺度造成的，用來表示隨機(jī)部分的空間異質(zhì)性，越大的塊金值意味著在較小尺度上的某種過程越應(yīng)重視[11]。峽江縣土壤養(yǎng)分的4類養(yǎng)分因子塊金值均為正值，表明存在著由于采樣誤差，隨機(jī)或短距離變異引起正基底效應(yīng)?；_(tái)值是區(qū)域變量總體特征的表現(xiàn)，包括結(jié)構(gòu)性、隨機(jī)性變異，基臺(tái)值越大表示系統(tǒng)總的空間異質(zhì)性越高，有機(jī)質(zhì)基臺(tái)值最低，堿解氮基臺(tái)值最高，表明有機(jī)質(zhì)總的變異性最低，堿解氮總的變異性最高。塊金效應(yīng)表示隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總變異的比例，小于25%，25%～75%，大于75%分別表示強(qiáng)烈、中等、較弱的空間變異性。峽江縣土壤養(yǎng)分中，有機(jī)質(zhì)、有效磷均屬于中等變異性，塊金效應(yīng)值分別為35.75%和39.72%，表明其空間變異不易受到人類活動(dòng)的影響，而主要受氣候、成土母質(zhì)、顆粒大小等因素影響。速效鉀塊金效應(yīng)值為18.20%，表明其具有較強(qiáng)的空間變異性，主要影響因素為等結(jié)構(gòu)性因素(地形、母質(zhì)等)[12]。堿解氮?jiǎng)t顯現(xiàn)出較弱的空間變異性，塊金效應(yīng)值為83.60%，表明土壤中隨機(jī)成分對(duì)堿解氮的含量影響較大，隨機(jī)性變異起主導(dǎo)性作用，可能是其空間變異容易受到人類活動(dòng)的影響，如翻耕、施肥等，造成了土壤堿解氮的弱空間變異性[13]。

2.3 空間自相關(guān)分析

通過對(duì)峽江縣土壤養(yǎng)分的自相關(guān)分析可知，土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀、堿解氮Moran′s值分別為0.417 2、0.493 9、0.474 1和0.458 9，4種情況下p值均小于0.05，z值大于1.96，表明4類土壤養(yǎng)分因子都具有顯著的空間自相關(guān)性，為了獲知其空間聚集特征與異常值所在區(qū)域，采用LISA分布圖將空間聚集情況和異常值分布借助ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行展示[14]，得到各類土壤養(yǎng)分的LISA分布圖。

由圖1可知，4類土壤養(yǎng)分在空間聚集分布上均顯示出顯著的聚集特征，低值—低值(L—L)均集中分布于研究區(qū)西側(cè)，高值—高值(H—H)則集中分布于研究區(qū)東側(cè)，且低值—低值(L—L)面積最大，高值—高值(H—H)次之，表明研究區(qū)東側(cè)土壤養(yǎng)分含量普遍較高，形成高值聚集分布；西側(cè)土壤養(yǎng)分含量普遍較低，聚集且分布廣泛。各類土壤養(yǎng)分因子中高值—低值(H—L)聚集類型都主要分布于仁和鎮(zhèn)、水邊鎮(zhèn)西北部等區(qū)域，在戈坪鎮(zhèn)也有小范圍的分布、低值—高值(L—H)集聚分布范圍較小且零散。東部地區(qū)耕地土壤養(yǎng)分質(zhì)量明顯高于西部地區(qū)，造成土壤養(yǎng)分高值區(qū)的集中分布，從而形成東部的高值—高值(H—H)聚集區(qū)和西部的低值—低值(L—L)聚集區(qū)。而位于仁和鎮(zhèn)附近地區(qū)的高值—低值(H—L)分布區(qū)，表明其土壤養(yǎng)分含量較高，但其臨近單元的養(yǎng)分含量較低，主要受到戈坪鄉(xiāng)、巴邱鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)影響。經(jīng)過以上空間自相關(guān)聚集特征表明峽江縣土壤養(yǎng)分整體含量東高西低特征明顯。

圖1 研究區(qū)土壤養(yǎng)分LISA圖

由圖2可知，峽江縣土壤養(yǎng)分含量呈現(xiàn)“東高西低”的特點(diǎn)，印證了自相關(guān)分析的相關(guān)結(jié)論，桐林鄉(xiāng)土壤各類養(yǎng)分因子含量均較高，巴邱鎮(zhèn)則較低。桐林鄉(xiāng)海拔較高，高差較大，地形較為復(fù)雜，人口密度較小，植被覆蓋率高，生態(tài)環(huán)境條件較為優(yōu)越，土壤耕作層較厚，很好的保留了土壤的養(yǎng)分；巴邱鎮(zhèn)海拔較低，地形較為平緩，有著良好的農(nóng)業(yè)發(fā)展和城市布局條件，峽江縣縣城1997年之前位于巴邱鎮(zhèn)，之后將縣城遷移至水邊鎮(zhèn)，長期以來以巴邱鎮(zhèn)為中心的老縣城聚集了眾多居民，人類活動(dòng)頻繁，長期的土地開發(fā)活動(dòng)破壞了土壤中的養(yǎng)分含量，造成巴邱鎮(zhèn)土壤養(yǎng)分含量普遍較低的結(jié)果。土壤有機(jī)質(zhì)含量中的最高值與最低值分布范圍較小且零碎，高值多分布于桐林鄉(xiāng)，低值于巴邱鎮(zhèn)，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)中有機(jī)質(zhì)含量差異較小。有效磷含量較為集中連片，最低值分布范圍廣泛，戈坪鎮(zhèn)、仁和鎮(zhèn)、水邊鎮(zhèn)以西均為最低值分布區(qū)，是4類土壤養(yǎng)分因子中最低值分布最為范圍的養(yǎng)分類型，表明峽江縣西部有效磷含量整體較低，需要大量的補(bǔ)充磷肥。土壤速效鉀是一種土壤中存在水溶性鉀,此部分鉀能很快地被植物吸收利用,故稱為速效鉀，速效鉀含量在空間分布上呈現(xiàn)出東高西低，巴邱鎮(zhèn)最低的特點(diǎn)。可能是由于西部廣泛分布著不含鉀且保鉀困難的高嶺類礦物，且經(jīng)過河流侵蝕、風(fēng)化淋溶作用等，使得黏粒中的水云母含量減少，引起了峽江縣西部土壤養(yǎng)分中鉀含量不足[15]。土壤堿解氮包括無機(jī)態(tài)氮和結(jié)構(gòu)簡單能為作物直接吸收利用的有機(jī)態(tài)氮，而堿解氮的含量，往往容易受到土壤有機(jī)質(zhì)含量和氮素化肥的使用情況影響，土壤中的氮又跟植物根系及其生命活動(dòng)息息相關(guān)，在土壤中呈錐形分布，峽江縣堿解氮含量適中，巴邱鎮(zhèn)含量過低，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布較為均勻，尤其東部地區(qū)較為集中分布的農(nóng)田，較好的施肥條件，為農(nóng)作物生長提供了很好的條件。

2.4 土壤養(yǎng)分與地形因子相關(guān)性分析

土壤養(yǎng)分的空間分布具有一定的規(guī)律性，受到多種因素綜合作用，如地貌類型、土壤母質(zhì)、水熱分布、人類活動(dòng)等。首先通過從DEM中提取峽江縣坡度、坡向、曲率、坡度變率、地形起伏度等地形因子，經(jīng)過對(duì)采樣點(diǎn)地形信息的的提取對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，將坡向分為陰坡(0°～45°，351°～360°)、半陰坡(45°～90°，270°～315°)、半陽坡(90°～135°，225°～270°)、陽坡(135°～225°)4類，坡度分為1～5等，高程分為小于40 m，40～80 m，80～120 m，120～160 m、大于160 m六等，再借助IBM SPSS Statistics 22將高程、坡度、坡向、曲率、坡度變率、地形起伏度等地形因子與峽江縣土壤養(yǎng)分之間進(jìn)行pearson相關(guān)性分析，為了便于計(jì)算，坡向按照陰坡、半陰坡、半陽坡、陽坡進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[16]，分別編排為1，2，3，4，數(shù)字越大,表示坡向越向陽，分析結(jié)果如表3所示。

圖2 研究區(qū)土壤養(yǎng)分空間分布

表3 不同坡度、坡向及高程土壤養(yǎng)分含量特征

表4 土壤養(yǎng)分與地形因子相關(guān)性分析

注：*表示p<0.05；**表示p<0.01。

由表3可知，在坡向方面，陽坡采樣點(diǎn)中分布最多，養(yǎng)分含量最高，陰坡土壤養(yǎng)分含量最低，樣點(diǎn)分布最少，表明在陽坡中土壤養(yǎng)分含量能保持較高水平；在坡度方面，樣點(diǎn)主要分布于1級(jí)坡度(2°～6°)，但其中各養(yǎng)分含量均為各坡度級(jí)別中最低；在高程方面，多數(shù)樣點(diǎn)分布于40～80 m范圍內(nèi)，而隨著高程的升高，土壤養(yǎng)分含量逐漸提高。由表4相關(guān)分析可知，高程與土壤養(yǎng)分之間顯示顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，高程越高，土壤養(yǎng)分含量均越高，這與表3中結(jié)果保持一致，峽江縣高程較高區(qū)域多分布于桐林鄉(xiāng)等研究區(qū)東部邊界，此區(qū)域植被覆蓋率高，植物根系發(fā)達(dá)，保肥效果好，人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響較小，很好的保留了土壤養(yǎng)分，而低海拔區(qū)往往人類活動(dòng)頻繁，土地開發(fā)活動(dòng)多，土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重，造成該區(qū)域土壤養(yǎng)分含量較低[17]。坡度與有機(jī)質(zhì)、有效磷、堿解氮的均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，有效磷與坡度的相關(guān)性不明顯，坡度增大，土壤就越容易受到地表徑流等外力侵蝕作用影響，使得土壤養(yǎng)分因侵蝕作用而降低，速效鉀與作物、成土母質(zhì)等要素的關(guān)系密切，能直接被作物吸收，在含云母的地區(qū)含量較高，故不易受到坡度變化的影響。坡向與有機(jī)質(zhì)、速效鉀顯現(xiàn)出顯著正相關(guān)(p<0.05)關(guān)系，堿解氮?jiǎng)t顯現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。耕地越向陽，通常水熱條件越好，具有更加適宜農(nóng)作物生長的條件，植物根系較為發(fā)達(dá)，有助于土壤養(yǎng)分的涵養(yǎng)，而陰坡、半陰坡水熱條件較差，植物的光合作用弱于向陽坡，作物產(chǎn)量較低，植物體與土壤的養(yǎng)分交換較弱，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量較低[18]。曲率和地形起伏度與土壤養(yǎng)分均無明顯的相關(guān)關(guān)系，表明土壤養(yǎng)分與曲率和地形起伏度無明顯關(guān)系，可能由于峽江縣較為平緩的地形無較大的曲率和地形起伏度的變化，故其對(duì)土壤養(yǎng)分的含量影響較弱。坡度變率與土壤養(yǎng)分含量顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，隨著坡度變化幅度的加大，土壤養(yǎng)分越容易流失，而較為平緩的地面坡度，更適宜土壤的養(yǎng)分保留。

3 結(jié) 論

(1) 峽江縣土壤養(yǎng)分分布均符合正態(tài)分布，變異系數(shù)由大到小依次為有效磷(56.64%)>速效鉀(37.69%)>堿解氮(26.67%)>有機(jī)質(zhì)(22.60%)。有機(jī)質(zhì)、有效磷均屬于中等變異性，速效鉀屬于強(qiáng)烈空間變異性，堿解氮?jiǎng)t顯現(xiàn)出較弱的空間變異性。

(2) 空間分析研究表明：峽江縣土壤養(yǎng)分總體呈現(xiàn)中部低，四周高，東部含量大于西部的特點(diǎn)，且土壤養(yǎng)分中正相關(guān)H—H型、L—L型均比較集中連片，H—H型主要分布在東部地區(qū)，L—L型則主要分布于西部。負(fù)相關(guān)的H—L型、L—H型分布范圍較小，H—L型主要分布于北部地區(qū)，L—H型分布則較為零散。

(3) 通過相關(guān)關(guān)系分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)高程與土壤養(yǎng)分之間均為顯著正相關(guān)關(guān)系；坡度與有機(jī)質(zhì)、有效磷、堿解氮的均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)；坡向與有機(jī)質(zhì)、速效鉀顯現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，堿解氮?jiǎng)t顯現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系；曲率與土壤養(yǎng)分均未顯現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系，坡度變率與土壤養(yǎng)分均顯現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。