皖東江淮丘陵縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)空間變異特征

顧成軍，高正寶，趙明偉

（1．滁州學院土木與建筑工程學院，安徽 滁州 239000；2．滁州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，安徽 滁州 239000；3．滁州學院地理信息與旅游學院，安徽 滁州 239000）

土壤是在成土因素長期作用下形成的復雜自然綜合體，具有高度的空間變異性［1］。土壤有機質(zhì)是土壤的重要組成部分，其含量大小和動態(tài)平衡能夠反映出土壤質(zhì)量的健康狀況和土壤肥力水平的高低，是評價土壤質(zhì)量和土壤肥力的重要指標［2-3］。揭示區(qū)域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的空間變異特征能夠為農(nóng)田土壤肥力評價和土壤養(yǎng)分管理提供依據(jù)，是實現(xiàn)土壤資源可持續(xù)利用的前提。

土壤特性的變異性是尺度的函數(shù)，不同尺度下，同一變量的自相關(guān)程度相差很大［4］。自20世紀70年代以來國內(nèi)外眾多學者運用地統(tǒng)計學方法從不同尺度方面對土壤有機質(zhì)的空間變異特征進行了研究［5-9］，其中縣域尺度是土壤有機質(zhì)空間變異研究的一個重要尺度［10-15］。但從已有縣域土壤有機質(zhì)空間變異特征研究來看，不同區(qū)域縣域土壤有機質(zhì)的空間變異特征仍存在較大差異。例如宋莎等對四川省雙流縣農(nóng)田土壤有機質(zhì)空間變異研究表明，雙流縣土壤有機質(zhì)含量具有強烈的空間相關(guān)性，空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因子的影響［10］。趙業(yè)婷［11］等對渭北臺塬區(qū)蒲城縣耕地土壤有機質(zhì)空間特征研究表明，蒲城縣耕地土壤有機質(zhì)表現(xiàn)為中等強度的空間變異性，其空間變異性是受自然因素和人為因素交互作用的結(jié)果。而唐杰等［12］對川中丘陵區(qū)大英縣土壤有機質(zhì)空間變異特征研究表明，大英縣農(nóng)田土壤有機質(zhì)空間自相關(guān)性較弱，其空間變異主要受隨機性因素影響。

皖東江淮丘陵位于長江和淮河兩大流域之間，是江淮丘陵的主要分布區(qū)域，也是國家重要的商品糧基地。趙明松等［15］曾以定遠縣為例，對該區(qū)域縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的空間變異特征進行了研究。但考慮到該區(qū)域復雜的地形條件，選擇單一的縣域進行研究可能無法準確反映出該區(qū)域縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的空間變異特點。因此本文基于皖東江淮丘陵滁州市7個縣域的農(nóng)田土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)，運用傳統(tǒng)統(tǒng)計學和地統(tǒng)計學方法分析了皖東江淮丘陵縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的空間變異特征，以期為皖東江淮丘陵縣域農(nóng)業(yè)的發(fā)展和土壤資源的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

滁州市又名皖東，地處安徽省東部，江淮之間（30°51′～ 33°13′N，117°10′～ 119°13′E），面積13 523.22 km2。下轄南譙區(qū)、瑯琊區(qū)、全椒縣、來安縣、定遠縣、鳳陽縣、天長市和明光市8個區(qū)縣市。屬于北亞熱帶向暖溫帶過渡的濕潤、半濕潤季風氣候，四季分明，氣候溫和，雨熱同季，易旱易澇。地勢西高東低，并以江淮分水嶺為中脊逐漸向淮河、長江2個方向低傾，東南部屬于長江流域，西北部屬于淮河流域。地貌是以丘陵、崗地和平原相間的分布格局［16］。土壤類型主要有黃棕壤、黃褐土、紫色土、黑色石灰土、石質(zhì)土、粗骨土、潮土、砂姜黑土和水稻土9個土類，其中以水稻土、黃棕壤、粗骨土和潮土分布面積較大，為主要土壤類型。滁州市耕地面積為703 773.34 hm2，約占滁州市總面積的52.04%，是全國重要的商品糧生產(chǎn)基地。

1.2 數(shù)據(jù)來源

由于滁州市瑯琊區(qū)主要為市區(qū)，農(nóng)田分布較少，所以本研究只選取了其它7個縣域進行分析。土壤樣點數(shù)據(jù)來自于2006～2010年滁州市測土配方施肥項目，由滁州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心提供，共有有效樣點14 203個。根據(jù)地貌、土壤類型和土地利用等選取典型田塊進行采樣，采集深度為0～20 cm的耕作層，通過GPS定位獲取采樣點的經(jīng)緯度。依據(jù)各縣域土種志中記錄的每一個土種的質(zhì)地類型，按照采集樣品所屬的土種可以確定每一個樣點的土壤質(zhì)地，質(zhì)地分級采用卡慶斯基制。土壤有機質(zhì)的測試方法為油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法。所有樣點的空間分布見圖1。

圖1 滁州市縣級行政區(qū)劃和土壤采樣點圖

1.3 研究方法

運用傳統(tǒng)統(tǒng)計學和地統(tǒng)計學方法分析滁州市縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的空間變異特征。其中傳統(tǒng)統(tǒng)計學主要是應(yīng)用SPSS 19.0軟件對樣本進行描述性統(tǒng)計、正態(tài)分布檢驗和方差分析，以反映土壤有機質(zhì)的總體變異特征和影響因素。地統(tǒng)計學方法主要是應(yīng)用地統(tǒng)計軟件GS+7.0對樣本進行半方差函數(shù)模型擬合，以反映土壤有機質(zhì)的空間變異結(jié)構(gòu)。由于地統(tǒng)計分析時，要求數(shù)據(jù)變量必須滿足正態(tài)分布，因此在分析前首先運用SPSS軟件中的頻率分布直方圖對滁州市各縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)進行了正態(tài)分布檢驗，結(jié)果表明滁州市各縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布，可以直接進行地統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機質(zhì)描述性統(tǒng)計特征

滁州市各縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的描述性統(tǒng)計見表1，不同縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的平均含量存在差異。7個縣域中天長市農(nóng)田土壤有機質(zhì)平均含量最高，為19.90 g·kg-1，其次為南譙、全椒、來安、鳳陽和定遠，明光市農(nóng)田土壤有機質(zhì)平均含量最低，僅為15.16 g·kg-1，天長市農(nóng)田土壤有機質(zhì)平均含量是明光市農(nóng)田土壤有機質(zhì)平均含量的1.31倍。按照全國耕地土壤養(yǎng)分等級劃分標準［17］，滁州市各縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)平均含量均屬于第四等級，土壤有機質(zhì)含量總體水平較低。

土壤特性空間變異性的大小一般用變異系數(shù)（CV）來表示。通常認為CV≤10%時為弱變異性，10%＜CV＜100%時為中等變異性，CV≥100%時為強變異性［13］。滁州市不同縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的變異系數(shù)也存在差異，但與土壤有機質(zhì)平均含量差異不同。各縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的變異系數(shù)以明光市最大，為22.4%，其次為定遠、南譙、全椒、來安和鳳陽，而天長市農(nóng)田土壤有機質(zhì)變異系數(shù)最小，僅為11.0%，明光市農(nóng)田土壤有機質(zhì)的變異系數(shù)是天長市的2.04倍。按照變異系數(shù)的劃分標準，滁州市7個縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的變異系數(shù)均屬于中等變異強度，土壤有機質(zhì)存在很大空間變異性。

表1 土壤有機質(zhì)的描述性統(tǒng)計

2.2 土壤有機質(zhì)空間變異結(jié)構(gòu)特征

土壤有機質(zhì)的空間變異主要由結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素引起。結(jié)構(gòu)性因素會加強土壤有機質(zhì)的空間自相關(guān)性，而隨機性因素會減小土壤有機質(zhì)的空間自相關(guān)性［18-19］。通過對地統(tǒng)計方法中擬合的土壤有機質(zhì)半方差函數(shù)進行解析可以有效地揭示土壤有機質(zhì)的空間變異結(jié)構(gòu)。滁州市各縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)半方差函數(shù)模型的擬合結(jié)果見表2。7個縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)半方差函數(shù)模型擬合的決定系數(shù)為0.503～0.956，模型擬合總體效果較好。各縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)半方差函數(shù)的最佳擬合模型均為指數(shù)模型，但不同縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)半方差函數(shù)模型的塊金效應(yīng)和變程存在較大差異。

塊金效應(yīng)是塊金值和基臺值的比值，能夠反映出系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性程度［20］。塊金效應(yīng)小于25%表示變量具有強烈的空間自相關(guān)性；在25%～75%之間表示變量具有中等的空間自相關(guān)性；大于75%表示變量空間自相關(guān)性很弱。滁州市7個縣域中，南譙、來安、明光、鳳陽和全椒5個縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)半方差函數(shù)模型的塊金效應(yīng)較小，為7.3%～13.1%，屬于強烈空間自相關(guān)性，說明這5個縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素影響，隨機性因素影響較小。而定遠和天長兩個縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)半方差函數(shù)模型的塊金效應(yīng)相對較大，分別為50.0%和50.6%，屬于中等空間自相關(guān)性，說明這兩個縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的空間變異受結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素共同影響。

表2 土壤有機質(zhì)半方差函數(shù)模型及參數(shù)

變程也稱為空間最大相關(guān)距離，反映了變量空間相關(guān)范圍的大?。?1-22］，變程以內(nèi)的空間變量具有空間自相關(guān)性，變程以外則不存在空間自相關(guān)。與塊金效應(yīng)值差異相一致，滁州市各縣域中南譙、來安、明光、鳳陽和全椒5個縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的變程為3 060～4 290 m，空間相關(guān)距離相對較小，土壤有機質(zhì)的空間連續(xù)性較差。而定遠和天長兩個縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的變程分別為17 460和29 910 m，空間相關(guān)距離相對較大，土壤有機質(zhì)的空間連續(xù)性較好。

2.3 土壤有機質(zhì)空間變異的影響因子

上面分析表明，結(jié)構(gòu)性因素在滁州市各縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的空間變異中都起到重要作用，而隨機性因素僅對定遠和天長兩個縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的空間變異有較大的影響，因此從總體上來看相對于隨機性因素，結(jié)構(gòu)性因素是滁州市縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)空間變異的主要影響因素。結(jié)構(gòu)性因素一般是指氣候、母質(zhì)、地形和土壤類型等非人為的區(qū)域因素，涉及的類別較多。為進一步反映出滁州市縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的空間變異特征，本文結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)，運用方差分析方法選擇并分析地貌、土壤類型和質(zhì)地這3個結(jié)構(gòu)性因子對滁州市縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)空間變異的影響，以明確滁州市縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)空間變異的影響因子。

滁州市各縣域不同結(jié)構(gòu)性因子的土壤有機質(zhì)方差分析結(jié)果見表3，不同縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的結(jié)構(gòu)性影響因子存在差異。7個縣域中，南譙區(qū)和全椒縣不同地貌類型和土壤質(zhì)地的土壤有機質(zhì)含量存在顯著（P＜0.05）或極顯著差異（P＜0.01），但不同土壤類型的土壤有機質(zhì)含量差異不顯著（P＞0.05），說明南譙區(qū)和全椒縣農(nóng)田土壤有機質(zhì)的空間變異受地貌和土壤質(zhì)地的影響，與土壤類型關(guān)系不大。鳳陽、明光和天長3個縣域內(nèi)不同地貌的土壤有機質(zhì)含量差異不顯著（P＞0.05），但不同土壤類型和土壤質(zhì)地的土壤有機質(zhì)含量存在顯著（P＜0.05）或極顯著差異（P＜0.01），說明地貌對這3個縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)空間變異沒有顯著影響，鳳陽、明光和天長土壤有機質(zhì)的空間變異受土壤類型和土壤質(zhì)地這兩個因子影響。而定遠和來安兩個縣域不同地貌、土壤類型和土壤質(zhì)地的土壤有機質(zhì)含量均存在顯著（P＜0.05）或極顯著差異（P＜0.01），定遠和來安縣土壤有機質(zhì)的空間變異受地貌、土壤類型和質(zhì)地3個影響因子共同影響。

表3中F值為組間均方與組內(nèi)均方的比值，表示不同分組間樣本均數(shù)的差別，其值越大說明不同分組間的差異越明顯。比較滁州市7個縣域內(nèi)不同結(jié)構(gòu)性影響因子方差分析的F值，可以看出各縣域內(nèi)不同影響因子方差分析的F值差異較大。7個縣域中，南譙、明光和全椒3個縣域土壤質(zhì)地方差分析的F值要大于地貌或土壤類型，說明這3個縣域不同質(zhì)地的土壤有機質(zhì)含量差異較大，土壤有機質(zhì)的空間變異主要受土壤質(zhì)地影響。而定遠、鳳陽、來安和天長4個縣域土壤有機質(zhì)空間變異的各影響因子中以土壤類型方差分析的F值最大，說明這4個縣域土壤有機質(zhì)空間變異主要受土壤類型影響。

表3 不同結(jié)構(gòu)性因子的土壤有機質(zhì)方差分析結(jié)果

3 討論

滁州市各縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的變異系數(shù)為11.0%～22.4%，平均變異系數(shù)為17.1%，總體上要小于高正寶等［16］研究的滁州市農(nóng)田土壤有機質(zhì)的變異系數(shù)（21%）。在空間變異結(jié)構(gòu)方面，南譙、來安、明光、鳳陽和全椒5個縣域的土壤有機質(zhì)為強烈空間自相關(guān)，與滁州市農(nóng)田土壤有機質(zhì)存在的中等空間自相關(guān)也有很大的不同［16］，反映了皖東江淮丘陵地區(qū)農(nóng)田土壤有機質(zhì)空間變異特征存在著空間尺度上的差異。因此有必要對皖東江淮丘陵縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的空間變異特征進行研究，以便為該地區(qū)縣域農(nóng)業(yè)發(fā)展和土壤養(yǎng)分管理提供依據(jù)。

目前相關(guān)縣域土壤有機質(zhì)空間變異的研究很多，從已有研究來看，山地丘陵區(qū)縣域土壤有機質(zhì)往往存在著較大的空間變異［10，12-13］。例如唐杰等［12］對川中丘陵區(qū)大英縣土壤有機質(zhì)空間變異特征研究表明大英縣土壤有機質(zhì)的變異系數(shù)為44.68%。與之相比，滁州市各縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的空間變異系數(shù)（11.0%～22.4%）要明顯偏小，說明皖東江淮丘陵縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)具有空間變異較小的特點。這應(yīng)該與皖東江淮丘陵位于長江和淮河流域之間，處于侵蝕剝蝕環(huán)境有關(guān)。長期的土壤侵蝕導致該地區(qū)土壤有機質(zhì)流失嚴重，減少了不同環(huán)境因子之間土壤有機質(zhì)的差異。但滁州市各縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)仍為中等程度變異，縣域內(nèi)存在很大空間變異。而從土壤有機質(zhì)的空間變異結(jié)構(gòu)和影響因子來看，滁州市各縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的空間變異主要受地貌、土壤類型和質(zhì)地等結(jié)構(gòu)性因素影響，人為隨機性因素影響相對較小。由于滁州市各縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)含量水平較低（15.16～19.90 g·kg-1），因此皖東江淮丘陵在縣域農(nóng)田土地利用中，應(yīng)該采用更多的人為措施如實施有機肥、改變耕作措施和灌溉水平等來提高土壤有機質(zhì)含量，改善土壤質(zhì)量。

滁州市不同縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的空間自相關(guān)程度和結(jié)構(gòu)性影響因子存在差異，在土壤有機質(zhì)含量水平和變異系數(shù)方面也有很大不同。結(jié)合圖1滁州市高程對比不同縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)空間變異特征差異可以發(fā)現(xiàn)，滁州市不同縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)空間變異特征的差異與滁州市在地形上受江淮分水嶺控制有很大關(guān)系。離江淮分水嶺嶺脊較近的縣域如南譙區(qū)地形主要以丘陵和崗地為主，受土壤侵蝕影響較大。土壤有機質(zhì)空間變異特征表現(xiàn)為土壤有機質(zhì)的平均含量較小，變異系數(shù)較大。土壤有機質(zhì)主要受土壤質(zhì)地的影響，存在強烈的空間自相關(guān)性，且相關(guān)距離較小。而離江淮分水嶺嶺脊較遠的縣域如天長市，地形主要以崗地和平原為主，受土壤侵蝕影響較小。土壤有機質(zhì)空間變異特征表現(xiàn)為土壤有機質(zhì)平均含量較大，變異系數(shù)較小，受結(jié)構(gòu)性因素影響相對較小而存在中等空間自相關(guān)性。在結(jié)構(gòu)性影響因素中，由于主要受土壤類型影響，土壤有機質(zhì)的空間相關(guān)距離較大，空間連續(xù)性較好。因此在對皖東江淮丘陵縣域農(nóng)田土地利用中，也應(yīng)該考慮到不同縣域土壤有機質(zhì)空間變異特征的差異。位于皖東江淮分水嶺嶺脊附近的縣域如南譙區(qū)更多地應(yīng)該實行保護性耕作如免耕等以防止土壤侵蝕造成土壤有機質(zhì)的進一步流失。而離江淮分水嶺嶺脊較遠的縣域如定遠和天長，由于農(nóng)業(yè)活動強度較大，應(yīng)該及時增施有機肥，合理使用化肥，以維持農(nóng)田土地利用中土壤有機質(zhì)輸入與輸出的動態(tài)平衡，實現(xiàn)土壤資源的可持續(xù)利用。

4 結(jié)論

滁州市各縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)含量較低，縣域內(nèi)土壤有機質(zhì)均存在中等程度變異。地貌、土壤類型和質(zhì)地等結(jié)構(gòu)性因素對滁州市各縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)的空間變異起到重要作用，而隨機性因素影響相對較小。但不同縣域農(nóng)田土壤有機質(zhì)在空間自相關(guān)程度和結(jié)構(gòu)性影響因子方面也存在很大差異?？臻g自相關(guān)程度方面，南譙、來安、明光、鳳陽和全椒5個縣域為強烈空間自相關(guān)，而定遠和天長兩個縣域為中等空間自相關(guān)。結(jié)構(gòu)性影響因子方面，南譙、全椒和明光3個縣域主要受土壤質(zhì)地影響，而定遠、鳳陽、來安和天長4個縣域主要受土壤類型影響。因此皖東江淮丘陵各縣域應(yīng)在結(jié)合其土壤有機質(zhì)空間變異特點的基礎(chǔ)上對農(nóng)田土壤資源進行合理利用與保護，以提高土壤有機質(zhì)含量，改善土壤質(zhì)量。