湖南省煙稻輪作區土壤養分的空間變異特征

黃新杰，屠乃美，李艷芳，周 娟，易鎮邪，李宇威，李 淼，羅富林

（湖南農業大學農學院，長沙 410128）

土壤養分是土壤肥力的重要物質基礎，是土壤的基本屬性和本質特征。對土壤養分空間特性變異的充分了解是田間土壤養分精細管理、精準施肥、提高肥料利用率的重要基礎。自20世紀70年代以來，土壤養分的空間變異研究已逐漸成為一個研究熱點[1-3]。姜麗娜等[4]、陳防等[5]、許紅衛等[6]研究了長江中下游水網平原區土壤養分空間變異情況，王新中等[7]研究了煙田土壤有效態微量元素的空間分布格局，王勇等[8]研究了中低山區植煙土壤氯素空間變異特征。

湖南省是水稻種植和煙草種植的優勢省份之一，煙稻輪作是該地區的常見種植模式，該模式可以合理協調土壤養分，減少病蟲害的發生，有利于作物優質高產及促進區域農業經濟可持續發展，但針對該地區煙稻輪作土壤養分空間變異研究未見報道。鑒于此，本研究運用地理信息技術和地統計學相結合的方法，對湖南省煙稻輪作種植區土壤主要養分的空間變異特征進行了研究，旨在了解煙稻輪作土壤養分的空間變異規律，為該地區的測土配方施肥和養分精確管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

湖南位于長江中游以南，地跨東經108°47′～114°15′，北緯 24°39′～30°8′，國土面積 21.18萬km2。屬大陸性中亞熱帶季風濕潤氣候區，大部分地區海拔100～800 m，年均溫16～18 ℃，年均日照 1300～1800 h，無霜期 278～300 d，年均降雨量1200～1700 mm，日照充足，雨量充沛，四季分明，適宜農業發展。全省現有可用耕地330萬hm2，水稻土占全省土壤總面積的16.5%，煙稻輪作是該區域常見的耕作模式之一。

1.2 樣品采集

2006年采用GPS定位技術，對湖南省14個煙稻輪作區的土壤進行定位取樣，共采集 3255個土壤樣品（圖1）。田間取樣時，用手持式GPS定位，記錄采樣點的經緯度和高程，以定位點為中心，在半徑10 m的圓形區域內（10個點）混合取樣，取樣深度0～20 cm，用四分法取大約1 kg土樣帶回實驗室測試。

圖1 土壤采樣點分布圖Fig.1 Distribution of soil samples

1.3 測定項目與方法

土樣登記編碼后經風干、研磨、過篩、裝袋后備用。土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀4個指標的測定方法參照文獻[9]中的相關測試方法進行測定，有機質采用重鉻酸鉀外加熱法，全氮采用硫酸消化-半微量凱氏蒸餾定氮法，有效磷采用 0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用冷2 mol/LHNO3溶液浸提-火焰光度法[9]。

1.4 數據分析

常規統計分析采用 SPSS17.0統計軟件進行，并對數據進行K-S檢驗[10]。地統計分析及圖形繪制采用 ArcGIS 9.3軟件地統計學模塊（geostatistical analyst）完成[11]。

2 結 果

2.1 土壤養分的描述性統計

從表 1可知，全氮含量平均值略高（＞2.0 g/kg）；有機質、有效磷和速效鉀平均值分別為33.84 g/kg、18.53 mg/kg和121.87 g/kg，均達到中等水平。土壤養分指標變異系數均在 36%～70%，為中等變異性，土壤全氮的變異系數最低為36.65%，有效磷的變異系數最大，達到66.28%。K-S檢驗結果表明（表1）[12]，土壤養分指標均符合正態分布。

表1 土壤養分的統計特征值Table1 Statistics of nutrient contents of tobacco soil in Hunan

2.2 土壤養分的空間變異

根據半方差函數的計算公式，對上述4個土壤養分的測定值進行半方差分析，得到養分指標的半方差擬合模型及其特征參數值（表2）。本研究分別選用了離差平方和最小即擬合度最好的指數模型（Exponential）和高斯模型（Gaussian）來描述 4個土壤養分的空間結構。

本研究區域內 4個土壤養分的塊金效應均在25%～75%（表 2），表明土壤養分含量具有中等的空間相關性，湖南煙稻輪作區土壤養分的空間變異不僅受結構性因素（氣候、母質、土壤類型和地形地貌等自然因素）的影響，而且受隨機性因素（種植制度、耕作措施、施肥和管理水平等各種人為因素）的影響[13-14]。

表2 土壤養分半方差函數理論模型及其參數Table2 Semivariogram models of soil nutrient and their parameters

變程是指變異函數達到基臺值所對應的樣點間距，也稱為空間最大相關距離，它表明土壤養分變量空間自相關范圍的大小[14]。4種土壤養分變程大小順序為有機質＞有效磷＞速效鉀＞全氮，其中有機質變程最大，達1.213 km，說明土壤有機質在研究區域較大的范圍內均有相關性，反映了結構因素對土壤有機質的影響較大（表2）。總體來看，有機質、全氮、有效磷、速效鉀都具有較好的半方差結構，擬合程度都很好，其擬合系數分別高達0.889、0.918、0.946、0.971。以上分析表明，數據滿足克立格插值的要求。

2.3 土壤養分的空間分布特征

統計學模塊采用普通Kriging法進行最優內插，并根據第二次全國土壤普查結果以及南方6省水稻土的養分分級標準[15]，繪制了湖南煙稻輪作區土壤養分含量的空間分布圖（圖2）。從土壤養分含量空間分布圖看出，4種土壤養分的含量呈現較明顯的空間分布格局。

圖2 土壤養分含量空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of soil nutrient contents in Hunan

有機質含量在整個區域的空間變異較為明顯，總體表現為湘南＞湘東＞湘北＞湘中＞湘西。20～40 g/kg的土壤面積占整個研究區域的80.42%，絕大部分土壤有機質處于中等水平。土壤有機質含量10～20 g/kg的區域主要分布在湘西的湘西州、懷化市部分地區和湘中的邵陽市部分地區，該區域面積占到整個研究區域的7.43%。土壤全氮含量的空間分布與有機質總的趨勢基本一致，呈湘南＞湘東＞湘北＞湘中＞湘西的趨勢。全氮最高值＞2 g/kg分布在湘南地區的郴州市大部分地區、永州市部分地區和衡陽市的部分地區，占整個研究區域的35.47%，1～2 g/kg的土壤面積占整個研究區域的64.53%。土壤有效磷含量的空間分布與有機質的趨勢基本一致，土壤有效磷含量20～40 mg/kg的區域主要分布于湘南的郴州市、永州市的小部分地區和衡陽市的小部分地區，該區域面積占到整個研究區域的23.12%，10～20 mg/kg的土壤面積占到整個研究區域的58.55%，5～10 mg/kg的區域主要分布在湘西州和懷化的大部分地區，該區域面積占到整個研究區域的18.33%，該區有效磷缺乏，10～40 mg/kg的面積占到整個研究區域的81.67%。土壤速效鉀含量＞150 mg/kg的面積占到整個研究區域的16.48%。研究區域土壤速效鉀含量低于100 mg/kg的占總量的33.25%。

3 小 結

經典統計分析結果表明，湖南省煙稻輪作區土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量均符合對數正態分布或近似對數正態分布，表現為中等變異性。從均值來看，湖南省煙稻輪作土壤全氮含量略高，其他土壤養分含量均屬中等水平。地統計分析結果表明，土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量表現為各向異性分布，具有中等程度的空間相關性，其空間變異均是由結構性因素和隨機性因素共同作用的結果。從土壤的空間分布圖來看，全氮含量豐富，有機質含量總體上處于中等水平，缺乏（10～20 g/kg）的面積僅為7.43%，有效磷區域差異較大，湘西地區較為缺乏，湘南地區處于較高水平，有效磷含量缺乏（＜10 mg/kg）的面積為18.33%。土壤速效鉀含量缺乏（＜100 mg/kg）面積占研究區33.25%。根據分析結果，湘西地區應全面補施磷肥，衡陽市、永州市、常德部分地區、懷化部分地區應補施鉀肥，以保證作物正常生長；同時密切關注土壤有機質含量的動態，可針對個別區域增施有機肥；此外全省應適當控制氮肥在土壤上的施用，以減少煙草赤星病、煙草氣候斑點病等病害的發生，同時保護土壤生態環境。

[1]胡克林，李保國，林啟美，等.農田土壤養分的空間變異性特征[J].農業工程學報，1999，15（3）：33- 381.

[2]王 軍，傅伯杰，邱揚，等.黃土高原小流域土壤養分的空間變異性[J].生態學報，2002，22（8）：1173-1178.

[3]郭旭東，傅伯杰，陳利頂，等.河北省遵化平原土壤養分的時空變異特征[J].地理學報，2000，55（5）：555-556.

[4]姜麗娜，符建榮，范浩定.水網平原稻田土壤養分空間變異特性研究[J].中國水稻科學，2005，19（2）：153-159.

[5]陳防，劉冬碧，熊桂云，等.中亞熱帶兩種水稻土土壤養分空間變異的對比研究[J].土壤學報，2006，43（4）：688-693.

[6]許紅衛，高克異，王珂，等.稻田土壤養分空間變異與合理取樣數研究[J].植物營養與肥料學報，2006，12（1）：37-43.

[7]王新中，劉國順，楊程.小尺度下煙田土壤有效態微量元素空間分布格局研究[J].中國煙草科學，2011，32（1）：12-16.

[8]王勇，李廷軒，邢小軍，等.不同尺度下中低山區植煙土壤氯素空間變異性研究[J].中國煙草科學，2008，29（4）：18-24.

[9]鮑士旦.土壤農化分析[M].北京：中國農業出版社，2000.

[10]郝黎仁，攀元，郝哲歐.SPSS實用統計分析[M].北京：中國水利水電出版社，2002：110-135.

[11]吳秀芹，張洪巖，李瑞改，等.ArcGIS9地理信息系統應用與實踐（下冊）[M].北京：清華大學出版社，2007：463-517.

[12]Baxter S J, Oliver M A, Gaunt J A.Geostatistical analysis of the spatial variation of soil mineral nitrogen and potentially available nitrogen within an arable field[J].Precision Agriculture, 2003(4): 213-226.

[13]Cambardella C A, Moorman T B, Novak J M, et al.Filed scale variability of soil properties in central Iowa soils[J].Soil Sci.Soc.Am.J., 1994, 58: 1501-1511.

[14]王政權.地統計學及在生態學中的應用[M].北京：科學出版社，1999：65-132.

[15]陸欣.土壤肥料學[M].北京：中國農業大學出版社，2001：199-235.