湘南紫色丘陵耕作區土壤肥力質量空間變異研究

廖超林，劉杰，張楊珠，黃運湘，周衛軍

土壤肥力質量與作物生產能力、糧食安全、生態環境及人類健康密切相關[1]。土壤肥力質量的動態變化能反映土壤管理的變化[2]，與其分布地區的自然環境和社會經濟條件有關[3]。同時具有時空分異特征[4]。鑒于土壤肥力質量在土地資源開發利用和農業發展中的特殊作用，開展對土壤肥力質量的空間變異研究，對指導農業生產的合理種植，簡約施肥及耕地可持續利用管理具有現實意義。

地統計學方法是研究空間變異性的一種重要方法，已被廣泛地應用于土壤主要肥力指標的空間變異研究中。據已有研究結果表明，土壤有效磷的空間變異系數比其他指標大，屬于中等或強變異程度[5]，有機質、全氮、有效鉀的變異屬于中等強度，pH值則具有弱的空間變異程度[6]。土壤肥力質量仍然是我國土壤質量研究的核心內容之一。目前對土壤肥力質量的研究主要集中在土壤養分平衡、時空變化特征、趨勢分析與預測、肥力(養分)質量綜合評價等方面[7-9]，其特點表現為理論研究較多，應用研究較少。關于土壤肥力質量空間變異研究，蔡崇法等采用GIS技術研究了鄉鎮域土壤肥力評價的方法和過程，分析了土壤肥力變化原因[3]；崔瀟瀟采用地統計技術評價了北京郊區大興土壤肥力質量演變[10]。不同土地利用方式必然對土壤養分的變化產生重要影響[11]，因而土壤肥力質量也會發生很大變化。研究耕作區尤其是南方紫色丘陵區不同土地利用方式土壤肥力質量變化規律，探討土地利用方式對土壤質量的影響，分析農用地利用方式變化引發的土壤質量變化，對指導該區耕地利用結構調整和可持續利用具有實踐價值。

紫色土是中國南方，特別是湖南、四川等省的重要耕地土壤[12]。紫色土肥力高，土層發育淺薄，土質風化度低，受土地利用方式影響較大。不同土地利用方式改變土壤微生態環境，導致土壤有機質庫和土壤肥力水平變化[13]。土壤養分是土壤質量變化最基本的表征和核心研究內容[14]。本文選擇湘南典型紫色丘陵區，采用地統計學、GIS和GPS相結合的方法，在分析土壤主要單項肥力要素的空間變異基礎上，結合Fuzzy綜合評價法和普通Kriging插值法研究了紫色丘陵耕作區不同土地利用土壤肥力質量空間變異規律，為該區合理規劃、開發土壤資源、進行科學施肥、合理種植以及提高水土資源利用效率提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

實驗所在的永州市屬中亞熱帶濕潤季風氣候區，平均氣溫17.2℃，年平均無霜期為275d，積溫為5457℃，年平均日照數為1677 h，熱量條件比較優越；年降水量為1390 mm，集中在春夏兩季，降水年際變化較大。實驗地位于祁陽縣文富市鎮坪陽甸村（東經 111°50′16.4''-111°50′31.8''，北緯 26°45'33.2''-26°45'20.9''）約13.49 hm2的連片紫色丘陵耕作小區，區內土壤均為紫色砂頁巖發育而成的石灰性紫色土。

1.2 土壤樣品的采集與分析

本研究采樣在考慮樣點等距分布的前提下，土樣采集結合土地利用類型、地貌單元及植被，按旱地、荒地和水田進行表土（0cm-20 cm）隨機采樣。每個土樣以取土點為中心，在10 m半徑內取5點混合而成，同時用GPS(GARMIN 72)記錄中心點位置，記錄其經緯度坐標及高程，并詳細記錄采樣點周圍的景觀信息。在地形相對復雜處加大采樣密度，共采集土壤樣品29個，其中包括旱耕地土壤7個，主要種植花生、果樹及蔬菜；拋荒地土壤6個，主要為低矮灌叢、雜草及裸露地，水田為沖於田或梯田，土樣16個，主要種植水稻。樣點分布如圖1。

所有樣品經風干、剔除雜質和研磨后，分別過10目和100目篩，用于土壤理化性質指標的測定，分析方法均采用常規分析方法[15]。

1.3 土壤肥力質量綜合指數的計算

1.3.1 評價指標篩選 因土壤肥力形成機制較復雜，不同學者對土壤肥力內涵和外延的理解不同，其評價方法和評價指標也不盡一致。作為土壤肥力評價，應以土壤的養分含量為主[16]。本研究針對南方土壤特性，基于選擇的通用性、實用性、有效性和敏感性原則，按照因子對土壤生產力的影響，選取有機質、全氮、全磷、全鉀等8個土壤肥力評價指標，建立南方紫色丘陵區土壤肥力質量評價指標體系。

1.3.2 土壤肥力質量Fuzzy綜合評判法 本研究肥力質量評價根據模糊數學（Fuzzy）和多元統計分析原理分別計算各肥力指標的隸屬度和權重系數，再利用加乘法原則得出綜合肥力指標值 (Integrated Fertility Index，IFI)[17]。IFI取值范圍為0-1，其值越高，表明土壤肥力質量越好。

隸屬度函數實際是所要評價的肥力指標與作物生長效應曲線(S型曲線或直線)之間關系的數學表達式，它可以將肥力評價指標標準化，轉變成范圍為0-1的無量綱值 (即隸屬度)。隸屬度函數通常有兩類，分別是S型隸屬度函數和拋物線型隸屬度函數，其函數表達式為：

S型隸屬度函數：

通過建立各個參評指標的隸屬函數模型，計算其隸屬度值。本研究除了pH值采用拋物線型隸屬度函數外，其他肥力指標可采用S型隸屬度函數。根據湘南地區土壤肥力特性、作物品種特點以及相關研究的結果[18]，確定隸屬函數曲線轉折點的取值（表1），其中pH值在拋物線型隸屬度函數曲線中轉折點的相應取值為：x1=4.0，x2=5.5，X3=7.5，x4=8.5。

表1 S型隸屬度函數曲線轉折點取值

1.3.3 單項肥力指標權重的確定 首先將所有樣點各項評價指標的測定值錄入SPSS軟件，求單項肥力質量指標間的相關系數（R2），建立各肥力質量指標間的相關系數矩陣；然后計算各因子與其他因子相關系數的平均值；求出該平均值占所有肥力質量指標相關系數平均值之和的百分率即為該單項肥力質量指標在表征土壤肥力質量中的貢獻率，由此可以得出各項肥力指標的權重[19]。所得權重值見表2。

表2 土壤肥力評價指標權重

1.3.4 土壤養分質量綜合指標值的確定 以模糊數學中的加乘法原則為原理，利用各項肥力指標的權重系數和隸屬度值，計算土壤綜合肥力指數（integrated fertility index,IFI），具體計算公式如下：

式中：Ni—第i項評價指標的隸屬度值；Wi——第i項評價指標的權重系數。

參考湘南土壤肥力質量的實際狀況，以土壤綜合肥力指數IFI作為依據，按照等距法[20]，將土壤肥力劃分為5個等級（表3）。

1.4 地統計數據處理方法

本研究主要采用地統計學中的半方差函數及其模型，半方差函數的塊金系數、基臺值和變程等重要參數可以用來表征區域化變量在一定尺度上的空間變異和相關程度，它是研究土壤特性空間變異的關鍵，同時也是進行Kriging插值的基礎[21]。半方差函數表達式如下：

表3 土壤綜合肥力指數（IFI）分級標準

其中γ(h)為半變異函數值；h是空間向量；N(h)是間距等于h的點對數；Z(x)是區域化變量Z在位置xi的實測值；Z(xi+h)是與xi距離為h處樣點的值；以h為橫坐標，γ(h)為縱坐標作圖，即為半方差圖[22]。

運用MapInfo7.0軟件將采樣區的邊界進行矢量化，且將各采樣點的位置及其數據導入ArcGIS中，以獲得樣點分布的空間數據庫和樣點分布圖(圖1)，通過關鍵字段與分析數據之間實現連接，作為普通Kriging插值的源屬性數據。最后運用Cross-Validation交叉驗證選擇合適的Kriging插值模型，并進行驗證和對各參數進行修正，以得到最合理的土壤肥力指標及土壤肥力質量分布等值區圖。

1.5 合理采樣數量計算

合理采樣數量取決于養分要素自身空間變異程度和對數據精度的要求[23]。本研究采用針對區域隨機取樣而構造的最佳取樣數量計算公式計算各土壤樣本容量[24]，公式為：N=t2a/2(df)×(CV/K)2，其中，N為需要的取樣數量；ta/2(df)為 t分布特征值，CV為變異系數；K是與測定值和期望值之差有關的系數，由CV決定，當CV＜10%，CV=10%～20%，CV=20%～30%，CV＞30%時，K值分別取5%，10%，20%和30%。本研究在95%置信水平允許誤差為10%的要求下，需采集的樣本數有一定的區別。有機質和全磷較高，分別為18和13，最低的速效鉀為 2，pH、堿解氮、速效磷分別為 5、11、8；全氮及全鉀為9，均小于本研究采集樣本數29個，表明本研究采樣點數量已滿足置信度95%，相對誤差10%的要求。

2 結果與討論

2.1 紫色丘陵區土壤肥力指標統計特征分析

如表4所示，紫色丘陵區土壤有機質、全氮、全磷、全鉀的含量變化范圍分別為 3.0 g/kg-39.9 g/kg、0.3 g/kg-2.7 g/kg、0.5 g/kg-0.8 g/kg、14.6 g/kg-25.9 g/kg；而堿解氮、有效磷、速效鉀含量和pH值分別在22.48 mg/kg-201.98 mg/kg、2.40 mg/kg-12.61 mg/kg、54.25 mg/kg-178.86 mg/kg 和6.1-8.5之間；研究區所有養分偏度檢驗值接近于0，而峰度檢驗值在1.93-2.71，pH值則最大，為9.06，表明土壤養分的分布變化范圍較廣，測定數據中全鉀和有效鉀服從對數正態分布，其他養分均服從正態分布；pH和全磷變異系數分別為5.7%和9.2%，據變異系數等級劃分標準[25]，屬于弱變異；其他養分變異系數在15.1%和65.5%之間，屬于中等變異。

表4 土壤養分描述性統計

2.2 土壤肥力指標空間變異特征分析

在ArcGIS地統計模塊中，對各肥力指標選取各種半方差模型進行擬合，并對預測誤差進行了顯著性檢驗和比較，比較標準是：標準平均值（MSE）最接近于0；標準均方根預測誤差（RMSSE）最接近于1[26]。由表5可知，pH值、有機質和速效鉀符合球狀模型；堿解氮、有效磷、全氮、全磷和全鉀符合高斯模型。就預測誤差而言，8種肥力指標與半方差函數擬合較好，說明理論模型較好地反映了8種指標的空間結構特征。從塊金值與基臺值的比值可以看出，有機質、全氮、有效磷、速效鉀值的C0/(C+C0)分別為100.0%、100.0%、87.9%和99.9%，屬于空間弱相關，說明在養分要素中，隨機因素對其空間變異的影響較大，這與研究區域內不同土地利用類型下不同施肥措施有關。pH、堿解氮、全磷、全鉀值的C0/(C+C0)分別為33.8%、63.3%、66.1%和73.7%，說明它們具有中等的空間相關性，其空間變異受結構性因素和隨機性因素共同影響；這與研究區成土作用、土地利用及施肥等結構性因素密切相關。

表5 土壤肥力指標半方差模型及其參數

2.3 土壤單項肥力指標的空間分布特征分析

土壤肥力指標的正態或對數正態分布保證了Kriging插值的有效性[27]。空間插值結果如圖2。

圖2 單項土壤肥力指標空間分布圖

2.3.1 pH 土壤pH值大致在6.1-8.4之間，土地利用類型由水田演變為旱地到荒地的變化中，土壤由弱酸性演變為中性和堿性。由于該區為紫色巖性土，同時耕作利用強度大，因此這種分布狀況與整個研究區域內的土壤母質和土地利用類型有著密切的關系。西部區域主要以水田為主，土壤常處于氧化還原反應中，pH值要低于以旱地為主的東部區域，加之當地農民以糧食生產為主，在追求產量效益的時候，大量施用化肥，有機肥施用不足，造成土壤結構變差，加速酸化過程。2.3.2有機質與速效養分 土壤有機質幾乎呈帶狀從東到西呈梯度增加的變化趨勢。西部水田土壤有機質含量在18.7 g/kg-39.9 g/kg；東部旱地及荒地有機質含量在3.03 g/kg-12.3 g/kg之間，這種現象可能仍與東部旱地與荒地和西部水田為主的土地利用方式有關，由于水田土壤熟化程度更強烈，加之水熱條件充足，土壤有機物質積累較旱地更多。全區土壤堿解氮含量與有機質含量呈顯著正相關（相關系數為0.98），其空間分布格局與有機質一致，這與前人的研究一致[28]。速效磷的空間變異結構較為復雜，大體上該區有效磷含量呈現從東到西遞增的趨勢。西部水田有效磷含量稍高，為6.1 mg/kg-12.6 mg/kg，東部旱地與荒地有效磷含量稍低，含量在2.4mg/kg-5.8 mg/kg之間，可能是由于土地利用類型和施肥等隨機因素造成的。速效鉀隨著土地利用類型由水田向荒地演變呈現帶狀分布且從東南向西北部遞減。西部為水田，耕地利用強度大，在鉀肥施用的同時有效性鉀容易隨水分流失。東南部旱地為主，有效性鉀流失現象不明顯，含量較西部高。

2.3.3 全量養分 全氮含量從南向北呈現凹狀，其中凹陷的部分全氮含量較高，含量為1.39 g/kg-2.70 g/kg，其余部分大部分全N含量偏低，含量大約在0.3 g/kg-1.2 g/kg，可能由于南部低海拔地區土層相對較厚，土壤細顆粒豐富，水分充足，有機態氮分解慢等原因。此外，全氮含量小于1.2 g/kg的土壤占據整個區域的3/5之多，說明此區域的土壤全氮含量處于較低水平，應該增加氮肥的施用量以維持當地農業發展。全磷的空間變異分布為中部、西部和東部向南北兩方向遞減，中部、西部和東部全磷含量大體在0.7g/kg-0.8 g/kg之間，南部及北部全磷含量大致在0.5 g/kg左右，因母質以紫色砂頁巖為主，整個區域土壤全磷處于弱變異性，且其含量處于較低水平。全鉀呈現帶狀分布從東南到西北部遞增變化，西北部全K含量在20.5g/kg-25.9 g/kg之間，東南部全鉀含量＜16.3 g/kg。土壤全K含量主要是由土壤母質以及K肥的施用量所決定的，紫色砂頁巖母質發育的土壤鉀素較高，雖水田鉀素較旱地易流失，但當地農民以糧食生產為主，水田施鉀水平較旱地高，土壤全鉀含量西部略高于東部。

2.4 土壤肥力質量的空間分布特征

2.4.1 土壤綜合肥力指數（IFI）的描述性統計分析 對坪陽甸村29個樣點的IFI值進行統計分析（表6）可知，坪陽甸村土壤的IFI值在0.36-0.72之間，均值為0.57。就變異系數而言，IFI值的變異系數為71.2%，屬于中等強度變異。單一樣本K-S檢驗結果表明，IFI值服從對數正態分布。

表6 土壤肥力綜合指標值（IFI）描述性統計分析

2.4.2 土壤綜合肥力指數（IFI）空間變異特征分析 由表7可以看出，坪陽甸村土壤綜合肥力指數IFI符合球狀模型，預測誤差則表明該理論模型較好地反映了IFI值的空間結構特征。塊金值與基臺值的比值為57.1%，由于影響速效磷變異的因素中，隨機性因素占主導，影響有機質、全氮、速效鉀等肥力指標和pH值變異的因素既有結構性因素又有隨機性因素。因此，從整個區域看，土壤綜合肥力指數IFI表現出中等空間相關性，其空間變異受結構性和隨機性因素共同影響。

表7 土壤綜合肥力指數（IFI）半方差模型及其參數

2.4.3 土壤肥力質量空間分布

由圖3和表3可知，文富市坪陽甸村土壤肥力質量總體上呈現出從西到東的梯度遞減的變化趨勢。整個區域土壤肥力質量均為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等，其中Ⅱ等占整個區域面積的46.2%；Ⅲ等面積為19.6%；Ⅳ等面積為34.2%。西部水田土壤肥力質量較優，為Ⅱ等，丘陵下部梯田土壤肥力質量為Ⅲ等，可能與該區為農田的土地利用類型有關，由于多年的耕作和人為培肥作用，土壤肥力質量相對較好；中部地勢較低的坡耕地土壤肥力質量為Ⅲ等，相對地勢較高的為Ⅳ等，可能與旱耕作用和水土流失相關，丘陵中上部由于侵蝕作用，土壤養分流失作用強，土壤肥力質量較差，中下部侵蝕作用較弱，土壤肥力質量相對較好。東部荒地土壤肥力質量均為Ⅳ等，該區為丘陵頂部，成土作用較弱，同時沒有耕作與施肥作用，土壤肥力質量相對較低。總體上，坪陽甸村紫色土肥力質量偏低，這可能與紫色土是巖性土，成土作用快，土壤質地偏砂，土壤退化相關，由于該區母質單一，土壤綜合肥力分布格局與土地利用類型、地形和施肥有著密切的關系。

3 結論與討論

3.1 結論

（1）湘南文富市鎮坪陽甸村8種土壤養分的分布變化范圍較廣，測定數據中全鉀和有效鉀接近正態分布，其他養分均服從正態分布；pH和全磷變異系數分別為5.7%和9.2%，據變異系數等級劃分標準，屬于弱變異。其他養分變異系數在15.1%和65.5%之間，屬于中等變異。

（2）8種肥力指標具有一定的空間相關性。有機質、全氮、有效磷、速效鉀值的C0/(C+C0)分別為100.0%、100.0%、87.9%和99.9%，屬于空間弱相關，說明在養分要素中，隨機因素對其空間變異的影響較大，與研究區土地利用和施肥措施有關。pH、堿解氮、全磷、全鉀值的C0/(C+C0)分別為33.8%、63.3%、66.1%和73.7%，說明它們具有中等的空間相關性，其空間變異受結構性因素和隨機性因素共同影響；采樣尺度影響土壤肥力指標的空間相關性，塊金值隨著采樣尺度的增大而增大[29]，因而隨著研究尺度的增大，小尺度上變異的相關性可被大尺度變異的相關性所掩蓋。本研究每個土樣以取土點為中心，在10 m半徑內取5點混合而成，可能掩蓋了10 m內土壤肥力指標的空間相關性，導致研究區空間異質比較大，影響了肥力指標的空間相關性。

（3）各單一肥力指標值表現出不同的空間變化趨勢。從西到東，土壤利用類型由水田演變為旱地到荒地的變化中，土壤由弱酸性演變為中性和堿性；有機質、堿解氮分布趨勢則表現為從西南向東北呈減少趨勢，速效磷則相反。全氮從南向北呈現凹狀；全磷的空間變異分布為中部、西部和東部向南北兩方向遞減；全鉀呈現帶狀分布從東南到西北部呈增加的變化趨勢。

（4）研究區土壤肥力質量呈現出從西到東的梯度遞減的變化趨勢，為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等，其中Ⅱ等占整個區域面積的46.2%；Ⅲ等面積為19.6%；Ⅳ等面積為34.2%。西部水田土壤肥力質量較優，主要為Ⅱ等；丘陵下部梯田土壤肥力質量為Ⅲ等。中部地勢較低的坡耕地土壤肥力質量為Ⅲ等，相對地勢較高的為Ⅳ等。東部荒地土壤肥力質量均為Ⅳ等。總體上，坪陽甸村紫色土肥力質量偏低，這可能與紫色土是巖性土，成土作用快，土壤質地偏砂，土壤退化相關。

3.2 討論

研究區為湘南紫色丘陵區，土壤雖均為紫色砂頁巖發育而成的石灰性紫色土，但土壤肥力的主要養分指標受地貌地形、植被覆蓋、土壤耕作和施肥等多種因素的影響，其中由于地貌地形、土地利用及耕作管理的影響，導致研究區主要肥力指標的空間變異受隨機因素如：土地利用和施肥措施影響，表現出不同的空間變化趨勢；綜合肥力指標則表現出從西南向東增加的趨勢，主要與耕作和地形等因素相關。本研

究通過GIS的空間分布功能對土壤養分及肥力質量的空間變異有了一定的了解，為土壤養分的監測和管理提供了依據。但為了更好地對土壤中各養分分布進行有效管理，還需將各類影響因子與養分的理化特征結合起來進行更深入的研究。

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