土壤粒級空間分布及其與土壤養分的關系

王新中，劉國順，張正楊，劉清華，王振海

（1.河南農業大學，國家煙草栽培生理生化研究基地，鄭州 450002；2.大理州公司南澗縣分公司，云南 南澗 675700；3.平頂山市煙草公司，河南 平頂山 467100）

土壤作為一個時空連續的變異體，具有高度的空間異質性。傳統農業生產按照經驗進行投入，使得施肥缺乏針對性、肥料利用率低、養分供給不平衡。根據土壤養分變異情況，對農田實行精確施肥是近年來的熱點研究領域[1-2]。許多研究人員運用GIS，GPS和地統計學等技術研究土壤養分狀況及其變異規律[3-4]，以達到科學、精準管理土壤養分的目的。

土壤粒級對持水性和保肥能力有明顯的影響，土壤粒級的不同是造成土壤養分差異的主要內在原因之一[5]。精確掌握煙田土壤粒級的空間分布狀況，確定合理的管理分區，并以此調整相應的肥料投入，不僅能夠發揮土壤生產潛力，提高養分利用率，也能夠改善煙葉品質，減少環境污染，是實現煙田土壤精準管理的基礎。本文綜合運用GIS和地統計相結合的方法，分析了土壤粒級的空間變異規律，并繪制了空間分布格局圖，為實現煙區土壤的精細化管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗區位于平頂山市郟縣堂街鎮岔河村，面積約 87 hm2（圖1）。村中心位于東經 113°17′08″、北緯 33°53′05″。該區屬暖溫帶大陸性季風氣候，光照充足，四季分明。年平均氣溫 14.6 ℃，無霜期220 d左右。年平均降雨量680 mm，7～9月份降雨量占全年的70%左右，屬“豫西丘陵干熱少雨區”。土壤類型為褐土。

1.2 土壤樣品采集

2007年 3月在試驗區進行土壤樣品的采集工作。利用GPS定位技術，以100 m間隔采集耕層（0～20 cm）土樣 81個。取樣點經緯度坐標在ArcGIS中利用高斯—克呂格投影轉換為大地坐標，方便土壤養分空間變異分析。采樣點分布見圖1。

圖1 試驗區邊界及土壤采樣點分布圖Fig.1 The boundary of study site and soil sampling points

1.3 測定方法

土壤有機質用重鉻酸鉀—外加熱法測定，土壤全氮用凱氏蒸餾法測定，堿解氮用堿解擴散法測定，速效磷測定采用碳酸氫鈉（0.5 mol/L）浸提鉬銻抗比色法，速效鉀用1N NH4OAc浸提—火焰光度法測定。比重計法進行土壤粒級分析[6]，按國際制劃分為砂粒（0.02～2 mm）、粉粒（0.002～0.02 mm）和粘粒（＜0.002 mm）。

1.4 數據處理方法

土壤屬性的基本統計特征通過SPSS11.0完成，涉及地統計學的半方差函數計算、理論模型擬合和Kriging 插值采用GS+ for windows 3.0進行分析，插值的結果以 ASCII數據的格式輸出存儲，輸入ArcGIS軟件生成GRID圖形，用研究區域的邊界圖形進行切割，繪制土壤養分分布圖。

2 結 果

2.1 土壤粒級統計特征值

在土壤粒級組成中，砂粒的平均含量最高，占總量的43.8%，其次是粉粒，占總量的41.7%，粘粒最少（表1）。按照國際土壤質地分類，試驗區土壤質地主要為壤土和粘壤土。顆粒組成中粘粒的變異系數較大，為23.4%，砂粒和粉粒的變異系數較小，均屬中等變異強度[7]。不同粒徑土壤粒級經Kolmogorov–Smironov(K-S)法檢驗，均呈正態分布。

表1 土壤粒級的描述性統計Table1 Statistics of soil particle composition

2.2 土壤粒級半方差函數分析

利用地統計學方法對研究區域土壤粒級進行半方差分析。結果表明，煙田土壤不同粒徑顆粒的空間變異性均存在半方差結構（表2）。土壤粉粒的半方差函數理論模型可以用指數模型（Exponential model）進行擬合，砂粒和粘粒的半方差函數理論模型用球狀模型（Spherical model）擬合最佳，三者的決定系數均大于0.97，表明模型的擬合度較高。不同粒徑顆粒含量的最大相關距離均較大，砂粒（0.02～2 mm）、粉粒（0.002～0.02 mm）和粘粒（＜0.002 mm）含量的最大相關距離分別為657、435和609 m。

表2 土壤粒級的半方差函數理論模型及有關參數Table2 Theoretical models and corresponding parameters for semivariogram of soil particle composition

按照區域化變量空間相關程度的分級標準[8]，如果某變量C0/(C+C0)的比值＜25%，變量具有強烈的空間相關性；C0/(C+C0)的比值在25%～75%之間，變量具有中等程度的空間相關性；C0/(C+C0)的比值＞75%時，變量空間相關性很弱。研究區域土壤砂粒、粉粒和粘粒含量的空間相關程度表現出一定的差異，由隨機因素引起的空間變異性分別占其總空間變異性的19%，44%和19%（塊金值/基臺值），說明砂粒和粘粒表現出強烈的空間相關性，粉粒表現為中等強度的空間相關性。由結構因素決定的空間變異性較大，依次占其總空間變異性的81%、56%和81%。說明即使在小尺度下土壤砂粒、粉粒和粘粒含量也具有較強的漸變性分布規律，土壤母質類型等非人為因素所引起的空間結構變異在總空間變異中起主導和決定作用，進一步說明質地在長期的土壤分化、發育、演變過程中變異的相對穩定性。

2.3 土壤粒級空間分布格局

應用Kringing最優內插法繪制了土壤粒級的空間分布圖（圖2）。從圖2可以直觀的了解研究區域不同粒徑顆粒的空間分布特征。結果表明，土壤砂粒（0.02～2 mm）、粉粒（0.002～0.02 mm）和粘粒（＜0.002 mm）均呈現較明顯的漸變性分布規律。土壤砂粒含量北部較高，西南部較低，而粉粒和粘粒含量的分布與砂粒的分布基本呈相反的趨勢。根據粘粒含量，土壤質地可分為砂土、壤土（粘粒含量＜15%），粘壤土（15%＜粘粒含量＜25%），粘土類（粘粒含量＞25%）。從土壤粘粒的分布圖可以看出，該研究區域土壤質地包括壤土和粘壤土兩類，壤土占了研究區域土壤的絕大部分，粘壤土僅在西南角的小塊分布。

圖2 土壤粒級的空間分布圖Fig.2 Spatial distribution maps of soil particle composition

2.4 土壤粒級和土壤養分的關系

2.4.1 土壤養分的空間分布 利用地統計學方法分析了土壤養分的半方差函數理論模型（表3）。從表3可看出，堿解氮的理論模型為直線模型，模型擬合度低，表現為純塊金效應。其他各指標模型決定系數均大于0.94，模型的擬合度高。土壤全氮的C0/(C+C0)比值為20%，表現出強烈的空間相關性；土壤有機質、速效磷、速效鉀的C0/(C+C0)比值在26%～50%之間，表現出中等強度的空間相關性；堿解氮在該采樣尺度下不存在空間相關性。

表3 土壤養分半方差函數理論模型及有關參數Table 3 Theoretical models and corresponding parameters for semivariogram of soil nutrients

在半方差函數理論模型的基礎上，應用Kriging最優內插法繪制了土壤養分（除堿解氮外）空間分布圖（圖3）。從中可以看出，各養分指標均呈現出明顯的空間分布格局。土壤有機質和全氮含量分布有很強的相似性分布趨勢，一方面是由于有機質是土壤氮素的重要來源；另一方面，有機質具有膠體特性，保肥性強，有機質含量高的區域，氮素保蓄在土壤中的量就多。土壤有機質和全氮相對較高的含量基本分布在西南部，而中部相對較低。土壤速效磷的含量中部和中北部含量較低，而東南部含量較高。整個研究區域的中部、中北部及西部拐角處要注重磷肥的補充，充分考慮磷肥的特性，提高磷肥利用率。土壤速效鉀的較低值分布在研究區域的中部，由西北到東南延伸；較高值在西北部、南部和東部有零星分布。

圖3 土壤養分的空間分布圖Fig.3 Spatial distribution maps of soil nutrients

2.4.2 土壤粒級與養分之間的關系 表4對土壤粒級和土壤養分含量之間的相關性進行了分析。結果表明，除堿解氮外，其余土壤屬性都與土壤粘粒含量存在極顯著相關關系（P＜0.01）。土壤有機質、全氮、速效鉀含量與砂粒含量之間均呈現極顯著的負相關關系（P＜0.01）。其他研究也表明，土壤有機質、氮、磷以及鉀的含量都與土壤粒級密切相關，土壤粒級組成對持水性和保肥能力有明顯的影響[9]。

土壤有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量一般隨粘粒量增加而增加。土壤中粘粒含量愈高，與有機質結合成復合體的可能性愈大，土壤有機質和全氮含量也較高。相應的土壤粘粒中有機質含量高，對速效養分有較強的膠體吸附作用，在一定程度上可以減少K+等速效養分的淋溶。反之，土壤砂粒含量越高的土壤保水、保肥能力越差，土壤速效磷、速效鉀越易流失。從圖2和圖3也可以看出，土壤養分的空間分布特征和粘粒的分布有較強的相似性，和砂粒的分布趨勢相反。

表4 土壤粒級和養分之間的相關性Table 4 Correlationships between soil particle composition and soil nutrients

3 討 論

從半方差函數模型結果可以看出，粉粒的半方差函數模型可以用指數模型擬合，砂粒和粘粒的半方差函數模型可用球狀模型擬合。不同粒徑顆粒在較大范圍內均存在著空間相關性，砂粒空間相關距離達657 m，粉粒和粘粒空間相關距離分別為435 m和609 m。各粒級呈現出較明顯的漸變性分布規律，這一結果對土壤管理分區的劃分是十分有利的。

土壤粒級與土壤養分含量密切相關，土壤有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量均隨粘粒含量增加而增加，說明研究區域土壤屬性因子受土壤質地的影響比較大。對于土壤速效磷與粘粒含量的關系，劉欽普[10]等認為速效磷含量主要受細粘粒的影響，隨其含量的增加而增加，這一點與本研究結果一致。但也有研究認為，土壤速效磷含量是輕壤土明顯高于砂壤土、中壤土、重壤土和粘土，隨粘粒含量的提高，速效磷含量降低[11]。本研究中，土壤堿解氮與不同粒級間均無顯著相關關系，這可能與堿解氮受栽培、施肥等措施的影響較大[12]，研究區域農戶在栽培和施肥等田間管理上差異較大有關。

土壤粒級組成呈現明顯的空間分布規律，且和土壤有機質、氮、磷、鉀等主要養分存在密切相關性。因此，在今后的研究工作中可將土壤粒級的分布圖作為劃分土壤管理分區的依據，在管理分區內開展測土配方施肥，發揮肥料的最大潛力，提高烤煙生產精細化管理水平。

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