運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)時空變異研究

呂小娜，靳 波，昝亞玲，王姍姍

(1.運城學(xué)院 生命科學(xué)系；2.運城市鹽湖區(qū)農(nóng)業(yè)委員會，山西 運城 044000)

引言

土壤有機質(zhì)對土壤理化性質(zhì)的改善和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要作用，是評價土壤肥力的重要指標(biāo)之一[1,2]。地統(tǒng)計學(xué)和GIS技術(shù)是分析土壤有機質(zhì)空間特征的有效方法[3]。目前國內(nèi)學(xué)者對土壤有機質(zhì)的研究主要集中在區(qū)域土壤有機質(zhì)含量特征及差異性研究；區(qū)域農(nóng)田土壤有機質(zhì)含量空間變化規(guī)律特征；土壤有機質(zhì)含量改良措施[4-8]。對于耕地土壤有機質(zhì)含量時空變異的分布特征研究多為流域、省市級區(qū)域，且研究年限基本為兩個時期整體變異研究，對中間過渡年份改進(jìn)措施及影響的研究較少。

運城市鹽湖區(qū)作為運城盆地重要的商品糧生產(chǎn)基地，農(nóng)業(yè)對全市經(jīng)濟(jì)發(fā)展尤為重要。本研究以山西省運城市鹽湖區(qū)為例，對1986、2006、2019年這三個時期耕地土壤有機質(zhì)含量進(jìn)行時空變異研究，以期為鹽湖區(qū)糧食生產(chǎn)和平衡施肥提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)，同時也為合理發(fā)展農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，帶動地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供指導(dǎo)。

1. 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

運城市鹽湖區(qū)位于山西省西南部，運城盆地的中心(北緯34°48′45″～35°22′30″，東經(jīng)110°42′53″～111°11′15″)。全區(qū)土地面積12.03萬hm2，耕地面積4.35萬hm2。整個地勢東北高、西南低，呈現(xiàn)高山、丘陵、平原、洼地多樣地形。境內(nèi)除南北兩山及鳴條崗、四十里崗和七里崗為臺地和一部分湖灘洼地之外，大部分地區(qū)地勢平坦。鹽湖區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，年平均降雨量526.5 mm，年均蒸發(fā)量為2120.5 mm。耕作制度多為一年兩熟，主產(chǎn)小麥、棉花、秋糧等，形成棉、糧、林、果和蔬菜為支撐的特色產(chǎn)業(yè)格局。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文主要對運城市鹽湖區(qū)三個時期的耕地土壤(0～20 cm)有機質(zhì)含量進(jìn)行分析：第二次全國土壤普查(1982年)共613個樣點的土壤數(shù)據(jù)，收集自《運城土壤》[9]；2006年533個樣點的土壤數(shù)據(jù)，收集自山西省運城市鹽湖區(qū)土壤肥料工作站采樣數(shù)據(jù)；2019年310個樣點數(shù)據(jù)，由野外采樣所得。

1.3 樣本的采集與處理

2019年在作物收獲后、施肥前，根據(jù)地形地貌、土壤性質(zhì)等因素特點，以全面性、均衡性、客觀性和可比性為原則，確定2x2 km2為采樣單元。每一采樣單元選取有代表性的田塊，用不銹鋼土鉆等工具，在0～20 cm土層采用五點法均勻布點取樣，采樣點遍布鹽湖區(qū)的平原，盆地，采樣土地包括農(nóng)田、果園等。共采集土樣310個。采集的土壤樣本進(jìn)行自然風(fēng)干，剔除土樣中的動植物殘渣等，過0.25 mm孔徑的尼龍篩[10]，室溫避光保存。本實驗采用重鉻酸鉀容量法對土壤有機質(zhì)含量進(jìn)行測定[11,12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

利用SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計分析，在GS+10.0中完成半方差函數(shù)分析，數(shù)據(jù)處理中采用域法識別特異值[13]。本文采用ArcGIS中的Geostistical Analyst模塊功能下的直方圖對數(shù)據(jù)及K-S檢驗法進(jìn)行檢驗[14]，經(jīng)對數(shù)變換后的土壤有機質(zhì)含量數(shù)據(jù)都符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。利用ArcGIS 10.2對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行普通Kriging插值，繪制三個時期運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)的空間分布圖，并對三個時期的空間分布圖疊加相減，獲得三個時期鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)增量分布圖。

2. 結(jié)果分析

2.1 運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)含量統(tǒng)計特征

表1 運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)含量描述性統(tǒng)計

由表1可知，1982年～2019年運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)含量呈整體上升趨勢，2019年有機質(zhì)含量平均值較2006年增長4.67 g/kg，增幅29.75%，較1982年增長11.06 g/kg，增幅118.79%。從變異系數(shù)看，1982年有機質(zhì)含量的離散程度屬于低等變異強度；2006年有機質(zhì)含量的離散程度屬中等變異程度。利用GS+軟件對2019年的鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換，結(jié)果符合正態(tài)分布。2019年變異系數(shù)為92.51%，變異程度高。土壤有機質(zhì)含量極值差異明顯，存在本底效應(yīng)，需分區(qū)差異化管理與施肥。

2.2 運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)空間變異結(jié)構(gòu)特征

運用ArcGIS 10.2軟件對運城市鹽湖區(qū)三個時期耕地土壤有機質(zhì)含量進(jìn)行各向同性變異函數(shù)擬合，同時，利用GS+10.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(表2)，經(jīng)檢驗1982年最佳理論模型為指數(shù)函數(shù)，2006年最佳理論模型為球面函數(shù)，2019年最佳理論模型為指數(shù)函數(shù)。

表2 運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)空間變異理論模型和相應(yīng)參數(shù)

空間變異主要分為隨機性和結(jié)構(gòu)性兩部分變異。塊金值C0表示區(qū)域內(nèi)變量的隨機性可能程度，即有人為活動、測量誤差、土壤管理等因素影響而產(chǎn)生的人為隨機程度，比值越高表明研究區(qū)域數(shù)值受人為隨機因素造成的有機質(zhì)含量空間變異程度比較大?？臻g總變異程度受地塊等因素影響的程度通過基臺值來反映。

2006年鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)的塊金值為0.0400，較1982有所增加，表明隨機變量在增加，即受人為因素影響增大；基臺值為0.0806，較1982年有所增加，表明結(jié)構(gòu)變異也在增加。2019年土壤有機質(zhì)塊金值為0.2000，基臺值為1.357，相對于1982年和2006年增長幅度很大，表明在此期間隨機變量和系統(tǒng)的總體空間變異在增加。塊金系數(shù)由1982年的50.1%增加至50.4%，再到2019年的85.3%，表明隨機因素(人為活動、施肥等)在運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)含量空間變異中的主導(dǎo)作用明顯加強。

2.3 運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)空間分布特征

圖1 1982年、2006年和2019年鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)含量空間分布圖

由圖1可知，1982年運城市鹽湖區(qū)南部席張鄉(xiāng)、解州鎮(zhèn)和中部北相鎮(zhèn)耕地土壤有機質(zhì)含量較高，北部上王鄉(xiāng)、三里路鎮(zhèn)和西南部金井鄉(xiāng)附近有機質(zhì)含量較低，整體含量水平較低；2006年運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)含量具有明顯的空間分布格局，南部即鹽湖附近鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地土壤有機質(zhì)含量明顯增大；2019年鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)含量較1982年和2006年變化顯著，整個區(qū)域內(nèi)有機質(zhì)含量分布比較均勻，除陶村鎮(zhèn)部分區(qū)域有機質(zhì)含量偏低，其余地區(qū)有機質(zhì)含量均較高，相對于1982年和2006年整體水平有了顯著提升，尤其中部鄉(xiāng)鎮(zhèn)和南部鹽湖附近區(qū)域增量顯著。

2.4 運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)時間分布特征

一定范圍內(nèi)土壤有機質(zhì)的平均增長速率通過土壤有機質(zhì)增加量除以變異時間計算。結(jié)果表明，1982年到2006年運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)的平均增長速率為0.25 g·kg-1·a-1；2006年至2019年平均增長速率為0.23 g·kg-1·a-1；1982年至2019年整體平均增長速率為0.23 g·kg-1·a-1，三個時期結(jié)果均高于山西省近30年的平均增長速率(0.10 g·kg-1·a-1)[15]。

圖2 運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)增量圖

從圖2可以看出，1982～2006年運城鹽湖區(qū)土壤有機質(zhì)全部處于增加趨勢，鹽湖附近增加量明顯高于其他地方，但整體增長量沒有超過14 g/kg；2006～2019年鹽湖區(qū)西部和東部土壤有機質(zhì)含量有所下降，其他部分有機質(zhì)含量處于增長趨勢，增長量范圍位于0～14 g/kg，少部分地區(qū)增長量>20 g/kg；1982～2019年運城市鹽湖區(qū)土壤有機質(zhì)含量呈整體增長趨勢，且增量明顯，50%以上區(qū)域有機質(zhì)增量>14 g/kg。

2.5 運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)空間分布格局的影響因素

1982年、2006年和2019年三個時期運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)空間變異結(jié)構(gòu)特征分析結(jié)果(表2)表明，隨機因素和結(jié)構(gòu)因素共同決定耕地土壤有機質(zhì)的空間變異性。已有研究表明鹽湖區(qū)土壤有機質(zhì)空間分布主要受土壤類型、地形地貌和施肥等因素影響[16]，本文不再贅述。

2.6 運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)隨時間變化影響因素

2.6.1 氣候因素

氣候土壤形成演變的重要條件，山西省運城市鹽湖區(qū)全年受季風(fēng)活動影響，屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候。春季溫暖干旱，有利于土壤礦物質(zhì)的氧化和積累，夏季高溫多雨，土壤礦物質(zhì)分解與合成旺盛，氣溫的適度提升有利于作物的生長發(fā)育，秸稈還田量和土壤中作物的殘渣量也有所提升，對土壤有機質(zhì)含量積累有利。研究表明，山西省近30年來氣溫呈上升趨勢[15]，整體來看，研究區(qū)域氣候有利于土壤有機質(zhì)的積累，是土壤有機質(zhì)發(fā)生變化的原因之一。

2.6.2 人為因素

人類的生產(chǎn)活動對土壤的形成與演變影響頗大，不自覺地決定著土壤發(fā)展的方向及演變程度。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對土壤影響較大的主要因素有耕作、施肥等。

(1)耕作：鹽湖區(qū)農(nóng)田耕作主要有深耕、淺耕、中耕等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸擺脫了傳統(tǒng)低效率、高耗時的人工耕地方式，轉(zhuǎn)而開始利用機器進(jìn)行田間操作。通過這些措施可以有效破除板結(jié)，疏松土壤，改善土壤水肥氣熱條件，提高土壤有機質(zhì)含量。鹽湖區(qū)中部地勢平坦有利于田間管理操作，因此中部地區(qū)有機質(zhì)含量水平高于其他地區(qū)。

(2)施肥：隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的提出，農(nóng)業(yè)發(fā)展變化較大。教育的普及和文化水平的提高也使得農(nóng)業(yè)從業(yè)人員對耕地管理利用效率提高，使土壤有機質(zhì)含量不斷提升。尤其2006年我國提出“測土配肥”之后，鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)含量增幅明顯，且增量也高于2006年之前，表明政府投入力度的提升對耕地土壤肥力水平影響重大。

3. 結(jié)論

1982年耕地土壤有機質(zhì)含量平均值為9.31 g/kg；2006年土壤有機質(zhì)含量平均值為15.70 g/kg；2019年的土壤有有機質(zhì)平均含量為20.37 g/kg，整體呈上升趨勢。

1982年耕地土壤有機質(zhì)含量空間分布呈現(xiàn)南部中條山、鹽湖附近和中部平原地區(qū)較高，但整體含量偏低；2006年鹽湖區(qū)南部即鹽湖附近鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地土壤有機質(zhì)含量明顯增大；2019年整個區(qū)域內(nèi)耕地有機質(zhì)含量分布比較均勻，除東郭鎮(zhèn)部分區(qū)域有機質(zhì)含量偏低，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)有機質(zhì)含量均處于較高水平，且顯著高于1982年和2006年。

運城市鹽湖區(qū)土壤有機質(zhì)含量時空變異受土壤類型、地形地貌及人為因素等不同程度影響。2006年之前耕地土壤有機質(zhì)含量均處于較低水平，受地形地貌、土壤本身理化性質(zhì)影響較大，2006年至今，國家各項政策的實施，使得鹽湖區(qū)耕地土壤有機質(zhì)含量顯著提升。今后，仍需因地制宜對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)提供指導(dǎo)，提升土壤肥力水平，促進(jìn)鹽湖區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。