山西農(nóng)谷土壤養(yǎng)分空間特征分布研究

劉立文，徐立帥，段永紅，周淑琴，秦明星，王 帥

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山西太谷030801）

土壤是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最為重要的組成部分，是影響深入推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，打造山西“農(nóng)谷”，建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新新高地和功能農(nóng)業(yè)示范區(qū)的重要影響因素[1]。土壤養(yǎng)分作為土壤的重要組成部分，是影響植物生長所必需的營養(yǎng)元素重要來源[2-3]。土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)移、養(yǎng)分的積累以及水分的運(yùn)輸都受到地形因子較為明顯的影響，不同研究區(qū)域內(nèi)簡單地形因子的變化，將會造成土壤養(yǎng)分的空間分布狀況、物質(zhì)移動(dòng)堆積特點(diǎn)和水熱分配條件產(chǎn)生差異[4-9]。因此，研究不同地形因子條件下土壤養(yǎng)分空間分布特征，能夠?yàn)橥寥鲤B(yǎng)分綜合管理以及進(jìn)行合理的土地利用規(guī)劃提供重要的理論依據(jù)，同時(shí)對土壤耕作和改良都具有十分重要的指導(dǎo)作用。

20世紀(jì)70年代后期，土壤養(yǎng)分的空間分布研究開始進(jìn)入研究者的視線，TRANGMAR等[10-11]對土壤養(yǎng)分的空間變異性以及分布特征的空間相關(guān)性進(jìn)行了研究。HAEFELE等[12]對大面積水稻田區(qū)域養(yǎng)分空間分布開展了研究。在我國，王淑英等[13]針對土壤養(yǎng)分有機(jī)質(zhì)和全氮含量的空間變異特征，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)進(jìn)行了分析研究。耿廣坡等[14]利用ArcGIS克里格插值方法和“3S”技術(shù)，研究不同地形因子對小流域表層土壤養(yǎng)分有機(jī)質(zhì)和全氮含量空間特征分布的影響。

本研究運(yùn)用ArcGIS軟件，結(jié)合經(jīng)典地統(tǒng)計(jì)學(xué)以及傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，選取山西省太谷縣為研究區(qū)域，分析了表層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷以及全鉀空間分布特征，進(jìn)一步分析了不同地形因子下的土壤養(yǎng)分含量特征，旨在為該地區(qū)的養(yǎng)分精準(zhǔn)管理和平衡施肥提供科學(xué)依據(jù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提出指導(dǎo)性建議。

1 研究區(qū)概況

山西農(nóng)谷地處山西省晉中盆地中部太谷縣內(nèi)，占地 1048km2，地理位置為東經(jīng) 112°28′～113°02′，北緯 37°13′～37°33′。太谷縣區(qū)域內(nèi)地形特點(diǎn)為東南高、西北低，地處黃土高原，平均海拔為700～1 900 m[15]。從資源條件上看，太谷是農(nóng)業(yè)大縣，地處大太原都市區(qū)，位置優(yōu)越，交通發(fā)達(dá)。從科技優(yōu)勢上看，其境內(nèi)擁有山西農(nóng)業(yè)大學(xué)、山西省農(nóng)科院果樹研究所2所科研院所，具有得天獨(dú)厚的農(nóng)業(yè)科技資源和一批素質(zhì)較高的新型職業(yè)農(nóng)民。從發(fā)展基礎(chǔ)上看，太谷形成了設(shè)施蔬菜、規(guī)模養(yǎng)殖、苗木花卉、干鮮果業(yè)四大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，擁有太谷餅、壺瓶棗、通寶醋、怡園干紅等一批優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品品牌，農(nóng)民年人均可支配收入連續(xù)多年位居全省前茅。從示范效果上看，太谷先后成為全國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)改革與建設(shè)試點(diǎn)縣、全國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全示范縣、國家農(nóng)村產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展試點(diǎn)示范縣，立足太谷、依托優(yōu)勢打造山西農(nóng)谷具有較好的基礎(chǔ)條件[16]。

2 數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)源和方法

本研究的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)來源于山西省耕地質(zhì)量及生產(chǎn)能力調(diào)查評價(jià)數(shù)據(jù)庫，太谷縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)界限來源于2014年第二次土地調(diào)查變更數(shù)據(jù)庫，高程數(shù)據(jù)為美國航天局（NASA）與日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）共同推出的最新的地球電子地形數(shù)據(jù)ASTER-GDEM（先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型），分辨率為30 m。

本研究以Kriging插值法為基礎(chǔ)方法，Kriging插值法是地統(tǒng)計(jì)的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)預(yù)測法，以實(shí)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將待預(yù)測值無偏性和最優(yōu)性作為預(yù)測的限制條件，利用距離權(quán)重對未知點(diǎn)賦予最優(yōu)權(quán)重值來預(yù)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，相關(guān)原理和方法參照文獻(xiàn)[17-18]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

研究區(qū)域內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)中過大或過小值被稱作異常值，土壤養(yǎng)分的采樣分析過程中人為失誤或外部環(huán)境條件變化都是產(chǎn)生異常值的主要原因[19]。異常值的存在會造成Kriging插值在形成連續(xù)面時(shí)發(fā)生中止，還可能出現(xiàn)短距離空間變異和減小空間相關(guān)變程距離的可能，因此，異常值的剔除顯得至關(guān)重要。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)測量次數(shù)大于10次，選取拉依達(dá)準(zhǔn)則法，以3倍的標(biāo)準(zhǔn)差限為依據(jù)，規(guī)定99.7%為標(biāo)準(zhǔn)，超過此標(biāo)準(zhǔn)將從測量數(shù)據(jù)中剔除。識別異常值，即樣本平均值a加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差s，在區(qū)間（a±3s）以外的數(shù)據(jù)均定為特異值，然后分別用正常最大和最小值代替特異值。

2.3 土壤養(yǎng)分的等級劃分

本研究利用ArcGIS空間分析模塊提取研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后打開屬性表運(yùn)用傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對太谷縣采樣點(diǎn)的4種土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析（表1）。其中，平均值反映了數(shù)據(jù)的集中趨勢；最大值、最小值和標(biāo)準(zhǔn)差可描述數(shù)據(jù)的異質(zhì)性。

表1 太谷縣表層土壤養(yǎng)分含量描述性統(tǒng)計(jì)特征

參照全國第2次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)太谷縣的實(shí)際土壤養(yǎng)分含量的描述性統(tǒng)計(jì)特征（表1），采用統(tǒng)計(jì)分組法對太谷縣土壤養(yǎng)分含量制定分級標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

表2 太谷縣土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn) g/kg

3 結(jié)果與分析

3.1 山西農(nóng)谷土壤養(yǎng)分空間分布特征

利用ArcGIS 10.2軟件地統(tǒng)計(jì)分析模塊中的Kriging對4種土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行插值分析，再運(yùn)用重分類功能根據(jù)土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)對4種土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行分級制圖，得到太谷縣土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀的空間分布（圖1），并根據(jù)分級結(jié)果，對各養(yǎng)分含量所占面積、比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表 3）。

表3 太谷縣土壤養(yǎng)分的分級情況

結(jié)合圖1和表2，3可以看出，太谷縣表層土壤的有機(jī)質(zhì)含量為中等偏低水平，其中，主要分布在3級水平以下，占了整個(gè)研究區(qū)面積的88.30%，其中，3級主要分布在太谷縣西部和東北部平原丘陵區(qū)，4級和5級主要分布在東南部的丘陵山地區(qū)。

全氮含量分布均勻且處于較低水平，總體上集中分布在5級水平，面積占了整個(gè)研究區(qū)面積的99.30%。太谷縣表層土壤養(yǎng)分中的全磷含量呈偏低水平，主要位于4級水平以下，面積占整個(gè)土壤總面積的71.90%，4級主要分布在太谷縣的中部地區(qū)，而5級主要分布在研究區(qū)的東南部和北部山區(qū)。全鉀含量為中等平均分布，主要分布在2～4級（135～180 g/kg），面積所占比例為78.6%，空間分布呈現(xiàn)西北部高、東南低的趨勢。

3.2 地形因子與土壤養(yǎng)分空間分布

太谷縣地形由東南向西北逐漸降低，地形因子條件的變化，使得不同地區(qū)表層土壤養(yǎng)分特征分布有著顯著差異。以太谷縣DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)作為本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用ArcGIS自然間斷點(diǎn)分裂法結(jié)合研究區(qū)的地形對研究區(qū)高程和坡度因子進(jìn)行重分類，共設(shè)置5個(gè)等級，即高程為＜900，900～1 100，1 100～1 300，1 300～1 500，＞1 500 m，坡度為＜5°，5°～10°，10°～15°，15°～25°，＞25°（圖 2）。借助ArcGIS表面分析功能，提取研究區(qū)的海拔等級并賦值給土壤采樣點(diǎn)，然后利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法得到太谷縣不同地形等級條件下的土壤養(yǎng)分含量特征（表 4）。

表4 不同地形等級條件下的土壤養(yǎng)分含量特征

從圖2和表4可以看出，隨著海拔高度的增加，土壤全鉀的平均含量呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢，土壤全氮的平均含量變化不明顯，均處于1 g/kg。相比土壤全鉀含量，土壤有機(jī)質(zhì)和全磷的平均含量總體上呈下降趨勢，但分別在4級和3級處出現(xiàn)小幅波動(dòng)。隨著坡度的增加，土壤全鉀的含量變化不明顯，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷的含量均隨著海拔的增加而下降，其中，全磷在＞25°區(qū)域產(chǎn)生波動(dòng)。

4 結(jié)論

以山西農(nóng)谷為研究區(qū)，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)對太谷縣土壤采樣點(diǎn)養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和整理，針對土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)特征分析。借助ArcGIS技術(shù)與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合對研究區(qū)表層土壤養(yǎng)分含量以及地形因子等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，進(jìn)一步研究不同簡單地形因子（海拔和坡度）下土壤養(yǎng)分特征含量分布的影響。主要研究結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)表層土壤全磷和全鉀的含量較高，但空間分布狀況恰好相反；土壤全磷元素在整體上表現(xiàn)為西北部含量高于東南部；而土壤全鉀元素表現(xiàn)為東南部高于西北部。研究區(qū)內(nèi)土壤全磷含量呈中等平均分布，基本上處于3級水平；土壤有機(jī)質(zhì)含量整體呈塊狀分布，西北地區(qū)含量較高；全氮元素基本處于3級水平。研究區(qū)的簡單地形因子（海拔和坡度）與土壤養(yǎng)分含量空間分布有著相關(guān)關(guān)系。全鉀含量與地形因子呈正相關(guān)，隨著海拔的升高和坡度的增大，含量呈顯著增加趨勢；而有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷則隨之減少，其中，全氮的變化趨勢不明顯。

5 討論

由于山西農(nóng)谷位于黃土丘陵地區(qū)，區(qū)域內(nèi)整體平均海拔較高。在高海拔地區(qū)，土壤微生物活動(dòng)受氣溫低和雨量大等不利環(huán)境因素的影響[20]，使得相關(guān)活性受到抑制，大量枯枝落葉難以分解轉(zhuǎn)化，因此，導(dǎo)致研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，并在高海拔地區(qū)出現(xiàn)小幅波動(dòng)。

土壤中氮元素對提高糧食產(chǎn)量具有十分積極作用，在實(shí)際耕種過程中起著決定性作用，其含量一般在0.02%～0.50%[21]，而除了人工施肥之外，植物和土地利用方式是影響氮含量的主要因素[22]。山西農(nóng)谷地區(qū)全氮含量低并隨海拔和坡度的變化不明顯，這可能受該區(qū)整體植被覆蓋度低和海拔高等因素影響。

土壤養(yǎng)分中磷元素含量的適度配置能夠確保農(nóng)作物的健康生長，過度提高土壤含磷量，不僅導(dǎo)致耕地經(jīng)濟(jì)效益生產(chǎn)下降，同時(shí)導(dǎo)致大幅度水體流失，產(chǎn)生較為嚴(yán)重的環(huán)境污染。山西農(nóng)谷地區(qū)的全磷含量隨著海拔和坡度的增加，磷元素不斷降低，可能是由于土地利用類型逐漸從農(nóng)田向荒草地轉(zhuǎn)變[23-25]，而在＞25°出現(xiàn)了小幅度的變化，主要是受林地分布影響。

土壤養(yǎng)分中全鉀含量是指鉀元素的總量，包括代換性鉀、礦物態(tài)鉀和溶解態(tài)鉀。其中，礦物態(tài)鉀占90%以上，其他二者雖分布含量較少卻對植物生長起著十分重要的作用[26-27]。太谷縣的全鉀含量分布較高，可能與人為耕種與施肥活動(dòng)有關(guān)。