土壤養(yǎng)分空間變異的影響因素研究

孟婷婷，魏 靜

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；3.國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075)

1 土壤養(yǎng)分空間變異

土壤有碳、氮是土壤重要的組成部分，在土壤化學(xué)和物理過程中有很重要的影響，并且能通過礦化作用釋放自身固有的可供植物利用的養(yǎng)分，它在自然生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中占有很重要的地位[1]。近年來，土壤碳、氮庫受到越來越多的關(guān)注，是因為它在全球碳循環(huán)和緩解或加劇大氣中溫室氣體的濃度中占有重要作用。土壤養(yǎng)分儲量和分布在全球尺度、國家地域尺度上都有研究，但缺乏完整的數(shù)據(jù)庫以及對土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的研究。前人對中國大尺度有機碳，全氮等儲量的估計通常建立在中國第二次全國土地調(diào)查的土壤數(shù)據(jù)上。這些估計是基于十幾年前的就信息，后來可能發(fā)生了重大的變化，因此它不可能成為一個基準(zhǔn)年。土壤養(yǎng)分含量每個地方各不相同，主要是在不同的空間尺度上受一系列環(huán)境因素的影響。目前土壤養(yǎng)分影響它含量的環(huán)境因素之間的關(guān)系在大尺上的研究還不充分。為了更好地了解土壤養(yǎng)分空間變異，用現(xiàn)代精密的測量方法和地統(tǒng)計學(xué)去更新區(qū)域尺度上有機碳、氮等養(yǎng)分的信息是有必要的。

空間變異一詞，多用在地統(tǒng)計學(xué)中，隨著20世紀(jì)一些專家把地統(tǒng)計學(xué)引用到土壤學(xué)中，越來越多的學(xué)者開始運用地統(tǒng)計學(xué)的手段來研究土壤的基本理化性質(zhì)[2]。土壤養(yǎng)分空間變異的來源有地形因素如山地、丘陵、平原等，人為因素如耕作方式、施肥、田間管理，土壤自身母質(zhì)因素等。此外，影響土壤養(yǎng)分空間插值準(zhǔn)確性的因素還有采樣設(shè)計，采樣方式，采樣數(shù)目，這就需要在采取土樣時考慮到采樣尺度及樣點空間布局這兩個關(guān)鍵因素。在研究土壤養(yǎng)分空間變異時，主要運用地統(tǒng)計學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)進行分析。經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)主要用于描述性分析，主要計算地統(tǒng)計學(xué)中的塊金值、基臺值、塊金效應(yīng)、變程、決定系數(shù)等值，來觀測土壤養(yǎng)分的空間變異程度。并用地統(tǒng)計學(xué)中的克里金插值法進行空間養(yǎng)分空間的分布直觀觀測。本文對以前文獻進行整理，形成直觀的因素分析，為后面的研究者提供直觀便捷的參考資料。

2 影響土壤養(yǎng)分空間變異的因素分析

2.1 地形

地形對土壤養(yǎng)分空間變異的影響多與自身土壤肥沃程度有關(guān)，可歸結(jié)于土壤固有性質(zhì)。如土地利用的改變，以黃土丘陵區(qū)園則溝小流域為例[3]，該流域有30年撂荒草地，7年撂荒草地、農(nóng)地和棗園4種不同的土地利用類型，對其土壤有機碳，全氮和全磷含量空間變異的研究發(fā)現(xiàn)，30年撂荒草地上土壤有機碳和全氮空間變異性較高，而全磷含量空間變異較小。此外，不同的土壤母質(zhì)也有一定的影響，如山地和丘陵地，以湖南省仁縣的山地地形和丘陵區(qū)為例[4]，選取不同的采樣密度，研究了土壤有機質(zhì)、有效磷、速效鉀和堿解氮含量的空間變異特征。同一采樣密度下，丘陵區(qū)有效磷、速效鉀和堿解氮含量的變異系數(shù)比山地區(qū)的小，有機質(zhì)含量的變異系數(shù)比丘陵區(qū)的大。不同采樣密度下，山地地區(qū)堿解氮含量、速效鉀含量、有機質(zhì)含量具有強烈的空間相關(guān)性；丘陵區(qū)有機質(zhì)含量、堿解氮具有中等空間相關(guān)性，速效鉀具有強烈的空間相關(guān)性。

2.2 采樣尺度

采樣尺度的大小，對土壤養(yǎng)分空間變異的影響尤其顯著。小尺度下由于采樣面積較小，海拔、經(jīng)度、緯度差異較小以及其他環(huán)境因素影響不是很強烈，一般土壤養(yǎng)分空間變異較小；而大尺度下由于采樣面積較大，一般涉及到的影響因素較為廣泛，此時土壤養(yǎng)分空間的變異程度就大。以新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)六師芳草湖農(nóng)場五分場為例[5]，研究了不同取樣尺度下土壤有機質(zhì)、全氮 和有效磷含量空間變異特征。結(jié)果表明，大比例尺下，土壤有機質(zhì)含量、有效磷含量、全氮含量變異系數(shù)較小，在中小比例尺下變異系數(shù)較大。在大中小不同比例尺下，土壤有機質(zhì)含量、有效磷含量、全氮含量都有較好的半方差結(jié)構(gòu)，且在短距離內(nèi)樣點具有明顯空間自相關(guān)性，隨著距離增加，空間自相關(guān)逐漸減弱。由此，可分析得出，在大面積上也即中小比例尺下采樣，土壤養(yǎng)分空間變異較大，具有強烈的空間自相關(guān)性，而在小面積上也即大比例尺上，土壤養(yǎng)分空間變異較小，具有明顯的空間自相關(guān)性。

2.3 采樣方式

采樣方式有隨機采樣法和網(wǎng)格采樣法，隨機采樣方法比較簡單靈活，一般要求不高時，選擇隨機采樣。網(wǎng)格法由于涉及網(wǎng)格密度和間距的合理確定以及研究區(qū)域的合理布置，一般很少采用。以新疆石河子國家科技園區(qū)棉花種基地研究區(qū)為例[6]，采用隨機采樣法和網(wǎng)格采樣法進行采樣，隨機采樣方式是根據(jù)研究區(qū)域的大小及地形情況，用GPS進行定位，人為隨機定點取樣；網(wǎng)格法采樣的網(wǎng)格密度定為20 m ×20 m的間距。對土壤全量養(yǎng)分氮磷和速效養(yǎng)分氮磷鉀進行插值分析。結(jié)果表明，與隨機采樣法相比，網(wǎng)格采樣法中的土壤養(yǎng)分的空間變異結(jié)果能更好的反應(yīng)研究區(qū)域的空間變異特征。雖然本研究中得出網(wǎng)格法采樣的空間變異結(jié)果較好，這得益于研究區(qū)自身的優(yōu)勢，所以在實際應(yīng)用中，尤其是對大面積農(nóng)田采樣時，隨機采樣法與網(wǎng)格采樣法的土壤特性的空間分析較一致，應(yīng)選取隨機采樣法采樣，這樣可以使采樣的過程操作簡便易行，提高效率。

2.4 采樣間距

上述提到采樣方式有隨機采樣和網(wǎng)格采樣，當(dāng)采用網(wǎng)格法取樣時，采樣間距的大小，也會對土壤養(yǎng)分變異程度有一定影響。以新疆石河子121團新蘭農(nóng)場研究區(qū)為例[7]，該研究采用大間距(100 m×100 m)內(nèi)套中間距(50 m×50 m)，中間距內(nèi)套25 m ×25 m小間距布點，三種取樣間距進行網(wǎng)格取樣，對土壤全量養(yǎng)分全氮，全磷和有機質(zhì)進行了變異研究。結(jié)果表明，土壤全氮，全磷和有機質(zhì)變異系數(shù)范圍為10%～100%，屬于中等變異，且同一土壤養(yǎng)分特征在不同取樣間距下的平均值變化很小，說明不同取樣間距對土壤全量養(yǎng)分的變異性影響較小，因此，在進行農(nóng)田土壤全量養(yǎng)分空間變異分析時，采取100 m×100 m的取樣間距即可滿足取樣數(shù)目精度要求，又可以科學(xué)地反映土壤的空間變異規(guī)律。

2.5 采樣密度

采樣密度也即采樣數(shù)目，合理的采樣數(shù)目對養(yǎng)分空間插值的準(zhǔn)確性有著重要的意義。以中科院上海精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地為例[8]，研究結(jié)果表明, 田間土壤養(yǎng)分合理取樣數(shù)取決于養(yǎng)分要素自身空間變異程度和人們對數(shù)據(jù)精度的要求。若空間變異大、精度要求高則需要較多采樣數(shù),反之需較少樣點數(shù)。極大多數(shù)養(yǎng)分要素的合理取樣數(shù)較實際取樣數(shù)有較大幅度減少,意味著可大幅降低采樣及分析成本。

3 問題與展望

本文僅對現(xiàn)有的研究進行了梳理分析，地形因素只包含了山地與丘陵區(qū)的對比，其豐富度還不夠，采樣尺度僅僅分析了大中小比例尺下土壤養(yǎng)分空間插值結(jié)果的準(zhǔn)確性，對于在大面積地塊，大比例尺采樣如何去設(shè)計，既能保證采樣間距的合適，又能保證變異程度，這些還需要進一步查證與研究。

4 結(jié)語

本文以前人的研究為例，羅列了影響土壤養(yǎng)分空間變異的一系列因素。通過分析發(fā)現(xiàn)地形因素對土壤養(yǎng)分空間變異的影響是由于自身植被或母質(zhì)的不同而造成的，與采樣設(shè)計關(guān)系不是很密切。而土壤采樣方式，采樣間距，采樣密度，以及采樣尺度很大程度上是人為決定的，會有經(jīng)驗值與理論值的差異，對養(yǎng)分空間插值的影響較大。因此，在實際采樣中，需要根據(jù)不同的實地條件來選擇不同的采樣方式、采樣間距、采樣密度，以及采樣尺度，以保證土壤養(yǎng)分空間插值的準(zhǔn)確性。