基于信息熵的耕地土壤養(yǎng)分與環(huán)境影響因子空間相關(guān)性研究

高浩然， 周 勇， 劉甲康， 王 麗

(1.華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430000； 2.地理過(guò)程分析與模擬湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430000)

土壤養(yǎng)分是土壤中能直接或經(jīng)轉(zhuǎn)化后被植物根系吸收的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)成分。土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀作為土壤養(yǎng)分中最常見(jiàn)的元素，不僅是植物生長(zhǎng)必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)[1]。土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)及保水能力起著至關(guān)重要的作用，而土壤鉀和磷元素又是農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程及土壤化學(xué)過(guò)程中不可或缺的元素[2]。當(dāng)缺乏某種營(yíng)養(yǎng)元素并低于農(nóng)作物生長(zhǎng)所需含量時(shí)，則會(huì)造成植物生長(zhǎng)緩慢甚至死亡，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)，并可能造成土壤化學(xué)成分失衡。而過(guò)量的施用肥料同樣也會(huì)造成農(nóng)田土壤和水污染[3]，而且不同農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素配比也存在差異。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮影響著土壤的理化性質(zhì)，是土壤質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)和土壤肥力指標(biāo)[4]；土壤全磷是耕地土壤肥力和質(zhì)量的主要決定因素和指標(biāo)[5]；速效鉀是土壤鉀素供應(yīng)能力尤其是耕地土壤表征鉀素豐缺的重要指示性指標(biāo)[6]，但由于土壤鉀素在各形態(tài)間存在一定的漸變性動(dòng)態(tài)平衡，即外源鉀素影響下的速效態(tài)鉀易向緩效態(tài)轉(zhuǎn)化[7]。目前，針對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量[8-10]的相關(guān)研究較多，對(duì)土壤鉀和磷元素研究較少。許多研究成果為土壤養(yǎng)分和影響因素的相關(guān)性研究提供了一定的思路啟發(fā)，如馮新新[11]等人研究了太谷區(qū)桃園養(yǎng)分投入與土壤養(yǎng)分的關(guān)系；張金燕[12]等人對(duì)干旱荒漠區(qū)不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分時(shí)空特征進(jìn)行研究；謝仕達(dá)[13]等人對(duì)不同調(diào)理劑與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系進(jìn)行討論，并且解釋了土壤微生物群落與之相關(guān)性。鄒佳何[14]等人對(duì)吉林汪清天然云冷杉針闊混交林的土壤養(yǎng)分影響因素進(jìn)行了研究；金明清等人對(duì)四川省鹽源縣植煙土壤氮磷鉀空間變異特征及影響因素進(jìn)行了研究[15]。在農(nóng)田土壤養(yǎng)分相關(guān)研究中，已有學(xué)者對(duì)地形條件[16-18]、氣候條件[19-21]、河流水庫(kù)[22]等環(huán)境因子以及土地利用方式[23-24]、種植模式[25]等人為因子與土壤養(yǎng)分狀況進(jìn)行了相關(guān)性分析，而基于縣域尺度的多種養(yǎng)分因子與多種環(huán)境要素的相關(guān)性研究較少。

信息熵最早由Shannon于1948年首次引入，多用于經(jīng)濟(jì)學(xué)[26-27]、統(tǒng)計(jì)學(xué)[28-29]等領(lǐng)域的研究。由于信息熵能夠最大化地利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，并且允許采用基于經(jīng)驗(yàn)的主觀信息方法進(jìn)行分析研究[30]，近年來(lái)廣泛用于地理學(xué)研究中，如易晶晶等人[31]引入信息熵原理研究了1980—2015年廣東省用水結(jié)構(gòu)的時(shí)空演變特征。陽(yáng)艾利等人[32]對(duì)香溪河流域降雨—徑流相關(guān)性進(jìn)行了分析。陳彥光等人[33]利用熵值定律對(duì)鄭州等城市的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究。李秀霞等人[34-35]通過(guò)引入信息熵原理，研究了黃河流域土壤侵蝕的空間影響因素以及南京市土壤Cr含量的空間分布與土地利用方式的相關(guān)性。本研究引入信息熵理論和技術(shù)，以棗陽(yáng)市為研究區(qū)，以現(xiàn)有耕地為研究對(duì)象，選取土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、緩效鉀、有效磷5種土壤樣分指標(biāo)和10種環(huán)境影響因子，深入分析各種土壤養(yǎng)分含量的空間分布特征，探討各種土壤養(yǎng)分含量與環(huán)境因子之間的相關(guān)性，以期為棗陽(yáng)市耕地農(nóng)作物產(chǎn)量提升，耕地土壤施肥管控、土壤養(yǎng)分提升及耕地質(zhì)量提升、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)等相關(guān)工作提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

棗陽(yáng)市位于湖北省西北部，鄂豫兩省交界處，南襄盆地東南部，是湖北省降水量最少的地區(qū)，旱災(zāi)頻繁[36]。棗陽(yáng)市位于東經(jīng)112°30′—113°00′，北緯31°40′—32°40′之間。該市多年平均降雨量約為723.1 mm,多年平均氣溫15.4 ℃[37]。根據(jù)2018年棗陽(yáng)市統(tǒng)計(jì)年鑒，2018年末棗陽(yáng)市耕地總面積160 315 hm2，其中旱地面積89 232 hm2，約占全部耕地面積的55.7%，水田69 285 hm2，占全部耕地面積43.2%，水澆地面積1 798 hm2，僅占該市所有耕地面積的1%，耕地面積占總面積的4.9%。

1.2 耕地土壤養(yǎng)分影響因子選擇與數(shù)據(jù)處理

1.2.1 土壤樣本采集與養(yǎng)分含量測(cè)定 土壤采樣是相關(guān)研究工作開(kāi)展的前提和基礎(chǔ)[38]，根據(jù)《全國(guó)耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》和《耕地質(zhì)量等級(jí)》(GB/T33469-2016)等相關(guān)規(guī)程的技術(shù)要求，結(jié)合研究區(qū)自然環(huán)境、耕作制度、管理水平等相關(guān)因素進(jìn)行采樣點(diǎn)布設(shè)，棗陽(yáng)市共布設(shè)240個(gè)耕地土壤樣本，并在2019年10月末至11月中旬(秋收后)進(jìn)行野外采集工作，獲取2019年棗陽(yáng)市地表以下0—20 cm范圍內(nèi)耕層土壤樣本，并記錄各采樣點(diǎn)土地利用方式。將土壤樣本帶回室內(nèi)進(jìn)行稱重、過(guò)篩、除雜、風(fēng)干等工作，并采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量[39]；采用半微量開(kāi)氏蒸餾法測(cè)定全氮含量；采用乙酸銨浸—提火焰光度計(jì)法測(cè)定速效鉀含量[40]；熱硝酸浸提—火焰光度計(jì)法測(cè)定緩效鉀含量[41]；采用浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定土壤有效磷含量[42]。按照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析方法》，土壤pH值含量通過(guò)電位法測(cè)得。由于野外采樣及實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)受人為因素影響，養(yǎng)分含量實(shí)測(cè)值存在異常值的情況，本研究采用格拉布斯法[43]與臨近點(diǎn)數(shù)據(jù)比較法相結(jié)合，對(duì)存在異常值的樣點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別并剔除，剔除后保留研究區(qū)樣點(diǎn)237個(gè)。

1.2.2 影響因子選擇與處理 參考相關(guān)研究[44-46]，結(jié)合棗陽(yáng)市實(shí)際情況，選擇土壤類型、成土母質(zhì)、土壤pH值、高程(DEM)[47]、坡度、地表起伏度、植被覆蓋度指數(shù)(NDVI)、氣溫和降水量9個(gè)自然環(huán)境因子與土地利用方式1個(gè)人類活動(dòng)因子。運(yùn)用ArcGIS 10.2軟件，以ASTER GDEM 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品(地理空間數(shù)據(jù)云http:∥www.gscloud.cn/)為基礎(chǔ)，獲取高程(DEM)、坡度和地表起伏度。利用ENVI 5.3軟件，基于從地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)獲取的2018年Landset 8遙感圖像，提取歸一化植被指數(shù)(NDVI)。年平均氣溫和年平均降水量數(shù)據(jù)(2016年)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(www.resdc.cn)。運(yùn)用ArcGIS 10.2軟件對(duì)棗陽(yáng)市“第二次土壤普查”土壤類型圖進(jìn)行矢量化，提取成土母質(zhì)和土壤類型。

1.3 研究方法

1.3.1 克里金法 克里金法(Kriging)作為某一個(gè)指標(biāo)的空間分布[48]及空間預(yù)測(cè)的研究手段[49]，其計(jì)算公式為[50]：

Z(X)=μ+e(X)

(1)

式中：μ代表未知常數(shù)，通常被視為區(qū)域變量的平均值；x代表任意位置x上具有隨機(jī)殘差的區(qū)域化變量；e(x)均值和單位方差為零。

1.3.2 信息熵 “熵”是一個(gè)物理學(xué)概念，表示某個(gè)系統(tǒng)的存在狀態(tài)，熵的變化可以表征系統(tǒng)的演化方向，也有學(xué)者把“熵”直接理解為一個(gè)信息源發(fā)出的信號(hào)狀態(tài)的不確定程度[51]。1948年Shanno[52]將熵的概念引入信息論，用來(lái)表示某一信息源所發(fā)出的多種信息的平均信息量[30]。設(shè)xi為離散型隨機(jī)變量，其分布概率則為P(xi)，設(shè)n為樣本總體，則信息源X信息熵H(X)計(jì)算原理為:

(2)

當(dāng)出現(xiàn)二維隨機(jī)變量X,Y時(shí)，先計(jì)算兩個(gè)信息源的信息熵H(X)和H(Y)，且聯(lián)合分布概率則為P(Xi,Yi)(i=1,2,3,…,n;j=1,2,3,…,m)，則信息源X,Y的聯(lián)合信息熵H(X,Y)為[53]：

(3)

一般來(lái)說(shuō)，H(X,Y)≤H(X)+H(Y)，且可用H(X,Y)/{[H(X)+H(Y)]}來(lái)表示變量X，Y的相關(guān)性[54]，通常情況下，兩個(gè)信息源相關(guān)性用K來(lái)表示：

(4)

其中，K∈[0,1],K值越大，則證明二者相關(guān)性越強(qiáng)，反之，當(dāng)K=0時(shí)說(shuō)明二者不存在相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)分析

依據(jù)《全國(guó)第二次土壤普查肥力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，將研究區(qū)5種土壤養(yǎng)分含量劃分為6個(gè)等級(jí)(表1)。對(duì)棗陽(yáng)市237個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析(表2)并依據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)237個(gè)有效樣點(diǎn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)(表3)，結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量為19.00～29.07 g/kg，平均值為24.89 g/kg，變異系數(shù)小于10%，屬于空間弱變異，含量集中于2，3級(jí)水平(10～30 kg/g)，且98%的樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)含量處于3級(jí)水平。全氮含量位于0.38～2.29 g/kg范圍內(nèi)，平均值1.50 g/kg，變異系數(shù)24.49%，分布相對(duì)均勻，但集中分布于,2，3級(jí)水平，與有機(jī)質(zhì)含量分布相似。速效鉀含量水平較高，位于45～302 g/kg范圍內(nèi)，變異系數(shù)33.34%屬于中等強(qiáng)度變異，多集中于1,2,3級(jí)水平處。緩效鉀含量位于284～1466 g/kg范圍內(nèi)，變異系數(shù)29.27%，基本處在高級(jí)別水平(83.54%的樣點(diǎn)處于1級(jí)水平)，表明棗陽(yáng)市耕地土壤速效鉀與緩效鉀含量較為豐富。有效磷含量位于3.20～28.90 g/kg之間，變異系數(shù)36.74%，含量分布變異性屬5種指標(biāo)中最高，含量水平級(jí)別分布較為均勻。

表1 棗陽(yáng)市5種土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 棗陽(yáng)市5種土壤養(yǎng)分基本統(tǒng)計(jì)特征值

表3 棗陽(yáng)市5種土壤養(yǎng)分含量分級(jí)按樣點(diǎn)分類統(tǒng)計(jì)

2.2 正態(tài)分布檢驗(yàn)

在進(jìn)行克里金插值前需要對(duì)土壤樣本實(shí)測(cè)含量值進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)。使用Minitab18軟件進(jìn)行K-S分析，棗陽(yáng)市5種土壤養(yǎng)分含量實(shí)測(cè)值均符合正態(tài)分布(p>0.005)。

2.3 地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用GS+9.0對(duì)棗陽(yáng)市樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分進(jìn)行半變異函數(shù)分析，結(jié)果詳見(jiàn)表4。根據(jù)R2越接近于1，RSS越小的原則，選擇克里金插值分析模型。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀和緩效鉀的塊金值較高，表明其空間變異性受到自然環(huán)境因素和人類活動(dòng)因素共同影響[55]，而有效磷塊金值較低，且低于0.25，說(shuō)明棗陽(yáng)市土壤有效磷空間變異性因素主要受自然因素影響。

表4 棗陽(yáng)市土壤養(yǎng)分半變異函數(shù)模型

2.4 耕地土壤養(yǎng)分克里金插值分析

本研究利用ArcGIS 10.2的插值分析工具，選取普通克里金(OK)法，對(duì)棗陽(yáng)市237個(gè)有效樣點(diǎn)測(cè)得的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、緩效鉀、有效磷5種土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行空間插值，柵格大小設(shè)置為100 m×100 m，得到5種土壤養(yǎng)分含量空間分布圖(圖1)。由于有機(jī)質(zhì)含量水平較為單一，為體現(xiàn)出空間分布差異，則在插值過(guò)程中對(duì)有機(jī)質(zhì)含量分級(jí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，并對(duì)237個(gè)樣點(diǎn)的5種土壤養(yǎng)分含量以鄉(xiāng)鎮(zhèn)分類統(tǒng)計(jì)(表4)。從圖1和表5可知，有機(jī)質(zhì)含量在平林、七方、太平鎮(zhèn)分布較高，棗陽(yáng)市郊、楊垱、劉升鎮(zhèn)等含量分布稍低，但棗陽(yáng)市范圍內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量水平基本一致，考慮當(dāng)?shù)赜袡C(jī)質(zhì)含量積累較好，或存在人為影響使得有機(jī)質(zhì)含量保持相對(duì)單一且較為豐富的水平。全氮含量較為豐富的地區(qū)為太平、七方、平林鎮(zhèn)等，平均值超過(guò)1.65 g/kg以上，劉升鎮(zhèn)與棗陽(yáng)市郊全氮含量較差，平均值不足1.5 g/kg，且極低值位于劉升鎮(zhèn)，與有機(jī)質(zhì)含量分布類似，這與武治華等人提到土壤中的氮有95%是以有機(jī)狀態(tài)存在且證明了有機(jī)質(zhì)與全氮含量存在強(qiáng)相關(guān)性[56]的研究結(jié)果相似。土壤速效鉀含量在分布格局上存在一定差異，其中琚灣鎮(zhèn)、鹿頭鎮(zhèn)平均值最高，高值區(qū)位于琚灣鎮(zhèn)境內(nèi)，存在兩個(gè)顯著低值區(qū)，位于棗陽(yáng)市興隆鎮(zhèn)境內(nèi)。緩效鉀空間異質(zhì)性較弱，全域含量水平較高，考慮耕作時(shí)施肥量和施肥強(qiáng)度較大使得部分樣點(diǎn)含量遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(極值為1466 mg/kg)，高值區(qū)位于琚灣鎮(zhèn)境內(nèi)，但也存在一個(gè)明顯的低值區(qū)，位于興隆鎮(zhèn)境內(nèi)。有效磷分布空間異質(zhì)性較強(qiáng)，且全域含量水平較低，琚灣鎮(zhèn)及棗陽(yáng)市西北部含量較高，而棗陽(yáng)市郊、興隆鎮(zhèn)等大多鄉(xiāng)鎮(zhèn)有效磷含量水平較低，后期應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)上述地區(qū)土壤有效磷含量的提升和施肥管控。

表5 棗陽(yáng)市耕地土壤養(yǎng)分按鄉(xiāng)鎮(zhèn)分類

圖1 棗陽(yáng)市5種耕地土壤養(yǎng)分空間分布

2.5 土壤養(yǎng)分與環(huán)境因子相關(guān)性分析

為進(jìn)一步分析土壤養(yǎng)分含量的空間分布差異性，需要對(duì)土壤養(yǎng)分含量和環(huán)境影響因子的相關(guān)性進(jìn)行探討，10種影響因子類型及評(píng)價(jià)指標(biāo)詳見(jiàn)表6。本研究采用信息熵原理對(duì)土壤養(yǎng)分含量與影響因子的相關(guān)性進(jìn)行分析，計(jì)算土壤養(yǎng)分含量與環(huán)境影響因子的分布概率以及二者的聯(lián)合分布概率，以全氮含量和成土母質(zhì)為例，棗陽(yáng)市成土母質(zhì)與全氮含量聯(lián)合分布概率矩陣詳見(jiàn)表7。

表6 土壤養(yǎng)分10種影響因子類型及其評(píng)價(jià)指標(biāo)

表7 棗陽(yáng)市成土母質(zhì)與全氮含量聯(lián)合分布概率矩陣

將該矩陣帶入公式(2)—(3)得出成土母質(zhì)與全氮含量的空間相關(guān)系數(shù)K=0.031，說(shuō)明棗陽(yáng)市全氮含量與成土母質(zhì)之間存在相關(guān)性，且不單一受成土母質(zhì)影響。其他影響因子(土壤類型、土壤pH值、高程、坡度、地表起伏度、土地利用方式、NDVI、平均氣溫和平均降水量)與全氮含量相關(guān)系數(shù)以及其他養(yǎng)分含量(有機(jī)質(zhì)、速效鉀、緩效鉀、有效磷)與影響因子的相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法如上所示，最后計(jì)算得出各土壤養(yǎng)分與各環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)K值(表8)。

表8 棗陽(yáng)市5種土壤養(yǎng)分與環(huán)境因子相關(guān)系數(shù)(K值)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5種土壤養(yǎng)分含量與影響因子的相關(guān)性大小排序如圖2所示，與各土壤養(yǎng)分含量相關(guān)性最強(qiáng)的5種影響因子分別為：全氮含量，坡度>成土母質(zhì)>土壤類型>平均降水量>高程>；有機(jī)質(zhì)含量，坡度>成土母質(zhì)>土壤類型>平均降水量>高程；速效鉀含量，成土母質(zhì)>平均氣溫>土壤pH值>平均降水量>土壤類型；緩效鉀含量，成土母質(zhì)>平均氣溫>土壤pH值>坡度>平均降水量；有效磷含量，成土母質(zhì)>土壤類型>平均降水量>土壤pH值>坡度。

圖2 棗陽(yáng)市5種土壤養(yǎng)分與影響因子相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

3 討 論

3.1 地形對(duì)土壤養(yǎng)分空間格局的影響

根據(jù)信息熵模型計(jì)算結(jié)果可知，棗陽(yáng)市海拔與坡度兩種地形因子與土壤養(yǎng)分含量存在一定的相關(guān)性。其中，海拔(高程)為土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量格局的5種主控因素之一；坡度為土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、緩效鉀和有效磷含量的5種主控因素之一。平均氣溫為土壤根據(jù)以往研究結(jié)果，海拔越高，氣溫越低，土壤有機(jī)質(zhì)積累越明顯[10]，而坡度則會(huì)影響耕地排水進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分的流失從而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分豐缺的空間異質(zhì)性。棗陽(yáng)市大部分地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量基本符合這一規(guī)律，但在高海拔地區(qū)(高程值>200 m)存在有機(jī)質(zhì)含量為28.813 g/kg，緩效鉀含量為1 466 g/kg，速效鉀為254 g/kg的高值區(qū)，這與陳洋[15]等人對(duì)土壤養(yǎng)分與海拔高度呈顯著正相關(guān)的研究結(jié)果不一致。棗陽(yáng)市所處鄂北崗地與漢江平原交界，人類活動(dòng)強(qiáng)度較大，因此考慮人為因素對(duì)耕地土壤養(yǎng)分含量的影響較大(表9)。

表9 不同海拔高度下土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)特征

棗陽(yáng)市坡度較為平緩，大部分樣點(diǎn)位于坡度小于2°的地區(qū)。其中，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮出現(xiàn)隨坡度增加而養(yǎng)分含量平均值增加的情況，速效鉀、緩效鉀、有效磷含量隨坡度增加而降低且均在坡度位于8°～10°的范圍內(nèi)出現(xiàn)最低值，坡度>10°含量都有所增加，這與金明清[13]等人對(duì)坡度與土壤氮磷鉀等元素相關(guān)性研究結(jié)果存在出入，考慮本研究與其所選養(yǎng)分指標(biāo)不同，可能受自然環(huán)境影響不明顯，且土壤有機(jī)質(zhì)和全氮變異系數(shù)隨坡度增大而有所增加，根據(jù)信息熵研究模型計(jì)算結(jié)果可知，坡度與土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的相關(guān)性較強(qiáng)，考慮坡度較大的地區(qū)土壤養(yǎng)分流失變化及人為施肥作用共同影響，需進(jìn)一步分析研究(表10)。

表10 不同坡度下土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)特征

3.2 氣候因子對(duì)土壤養(yǎng)分空間格局影響

氣候因子對(duì)土壤養(yǎng)分含量影響也較為顯著，氣溫越高，土壤微生物活性越強(qiáng)，植物生長(zhǎng)所消耗的養(yǎng)分速率越快，土壤有機(jī)質(zhì)積累越緩慢，而降水豐缺對(duì)土壤微量元素的淋溶作用和土壤水蒸發(fā)速率的影響也較為明顯[57]。本研究中，根據(jù)信息熵模型計(jì)算結(jié)果可知，平均氣溫與棗陽(yáng)市耕地土壤速效鉀、緩效鉀、有效磷含量空間格局相關(guān)性較強(qiáng)(相關(guān)性K分別為0.026，0.017，0.015)，為這3種養(yǎng)分空間格局影響因子相關(guān)性大小前五位。結(jié)合樣點(diǎn)分布情況將棗陽(yáng)市平均氣溫分為5個(gè)等別，并統(tǒng)計(jì)不同平均氣溫下5種土壤養(yǎng)分含量情況(表11)。由表11可知，棗陽(yáng)市土壤速效鉀含量隨程度氣溫升高而降低，這與吳利杰[58]等人對(duì)近萬(wàn)年以來(lái)氣候變化與土壤鉀素演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)年均氣溫越高，土壤中速效鉀也越高這一結(jié)論不符合，緩效鉀含量隨氣溫變化規(guī)律同速效鉀一致，并且棗陽(yáng)市平均海拔較低，區(qū)域內(nèi)年均氣溫變化不明顯，同時(shí)由于海拔較低區(qū)域氣候條件好，農(nóng)作物生長(zhǎng)速度快，對(duì)土壤鉀素吸收率隨氣溫升高而增加導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量降低。

表11 不同溫度條件下土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)特征

降水量與棗陽(yáng)市耕地土壤5種養(yǎng)分的相關(guān)性均較強(qiáng)。本研究按每50 mm對(duì)降水量分為4個(gè)等別對(duì)5種土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見(jiàn)表12所示。

表12 不同降水條件下土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)特征

其中，土壤有機(jī)質(zhì)含量在降水量<900 mm時(shí)其含量隨降水量升高而升高，在850～900 mm平均值最大，降水量>900 mm時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)含量有所降低，考慮降水對(duì)土壤養(yǎng)分的淋溶作用增大使得土壤有機(jī)質(zhì)含量降低。全氮含量隨降水量增加而增加，楊山[19]等人研究發(fā)現(xiàn)降水量通過(guò)提高土壤中的氮元素的轉(zhuǎn)移進(jìn)而促進(jìn)植物對(duì)土壤氮元素的吸收利用且土壤氮素與降水量呈正相關(guān)。但水分過(guò)多會(huì)導(dǎo)致土壤氮元素含量降低[15]，本研究則顯示土壤全氮與降水量呈負(fù)相關(guān)，考慮平原區(qū)水田—旱地兩季輪作，土壤原始礦質(zhì)向土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化速率小于農(nóng)作物對(duì)氮素吸收速率，還需結(jié)合種植模式與耕作制度等進(jìn)一步分析。

3.3 土壤屬性因子與土壤養(yǎng)分含量空間格局影響

土壤養(yǎng)分一部分主要來(lái)自于成土母質(zhì)中原始礦物分解，不同的成土母質(zhì)同時(shí)又決定了不同的土壤類型的發(fā)育情況。從相關(guān)性統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，成土母質(zhì)、土壤類型與各土壤養(yǎng)分含量的相關(guān)性都比較強(qiáng)，表明成土母質(zhì)對(duì)土壤成分起到了一定的決定作用，與萬(wàn)盼[9]等人的研究結(jié)果一致。但相關(guān)性指數(shù)K值都較低，說(shuō)明受到后期人為施肥與農(nóng)作物消耗以及灌溉排水導(dǎo)致的土壤水化學(xué)反應(yīng)及養(yǎng)分流失的影響，這也是耕作土壤與天然土壤的典型區(qū)別之一。

土壤pH值是速效鉀、緩效鉀、有效磷三種土壤養(yǎng)分相關(guān)性較強(qiáng)的環(huán)境因子，考慮人為鉀肥和磷肥的施用對(duì)土壤pH值存在一定的影響，而土壤過(guò)酸或過(guò)堿都會(huì)對(duì)農(nóng)作物造成一定影響[59]，且不同農(nóng)作物對(duì)土壤pH值的要求也不同，后期在進(jìn)行施肥管控的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)更加注重針對(duì)性管理。

4 結(jié) 論

(1) 棗陽(yáng)市5種土壤養(yǎng)分含量基本處于中等水平，且土壤有機(jī)質(zhì)、緩效鉀含量水平單一且較為豐富，而速效鉀、有效磷含量在棗陽(yáng)市范圍內(nèi)存在比較明顯的豐缺差異(有效磷含量變異系數(shù)最高)。根據(jù)克里金差值結(jié)果可知，土壤緩效鉀含量空間異質(zhì)性較弱，其余養(yǎng)分含量均存在一定程度上的空間異質(zhì)性。

(2) 運(yùn)用信息熵原理對(duì)棗陽(yáng)市5種土壤養(yǎng)分和10種環(huán)境因子的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果表示每種土壤養(yǎng)分與10種環(huán)境因子均存在一定程度上的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)K>0)，其中，成土母質(zhì)、土壤類型、平均降水量和平均溫度與5種土壤養(yǎng)分含量均存在相關(guān)性，土壤pH與有效磷、速效鉀和緩效鉀也存在相關(guān)性，且每種土壤養(yǎng)分含量不受單一環(huán)境因子的影響。

(3) 由于樣本及實(shí)驗(yàn)室條件限制，未獲取與自然環(huán)境相關(guān)度更強(qiáng)的全磷、全鉀等含量值，這在后續(xù)研究中應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步分析總結(jié)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇，并注意采樣及化驗(yàn)精度與技術(shù)。

(4) 根據(jù)研究結(jié)果，自然環(huán)境因子與棗陽(yáng)市耕地土壤養(yǎng)分含量存在一定的相關(guān)性，但耕地土壤還應(yīng)考慮施肥措施、種植制度等相關(guān)人類活動(dòng)因子，在后續(xù)的研究中應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步分析人類活動(dòng)因子對(duì)耕地土壤養(yǎng)分的類型，以期精準(zhǔn)指導(dǎo)農(nóng)田管理、施肥管控，提高棗陽(yáng)市耕地質(zhì)量，促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。