基于GIS海島土壤有機質和全氮空間變異特征的初步研究

張曉勉，高智慧，張 勇，高浩杰，李海東，沈愛華，林 蔭，阮偉建，王 泳

（1.南京林業大學，江蘇 南京 210037；2.浙江省林業科學研究院，浙江 杭州 310023；

3.浙江省林業生態工程管理中心，浙江 杭州 310020；4.浙江省岱山縣農林局，浙江 岱山 316200；5.環境保護部南京環境科學研究所，江蘇 南京 210042；6.浙江省余姚市泗門鎮農業農村辦公室，浙江 余姚 315470）

揭示土壤養分的空間變異規律和掌握其分布狀況是實現土壤可持續利用和區域可持續發展的前提。土壤全氮和有機質是土壤固相的重要組成部分，在土壤肥力發展過程中起著極其重要的作用。土壤全氮、有機質的空間變異特征具有很強的空間異質性，主要受成土母質、氣候、地形、成土過程以及一些人為因素的影響[1～6]。揭示土壤全氮和有機質的空間變異規律和分布特征對于實現土壤資源的合理利用和可持續發展具有重要意義[7]。

由于土壤養分的常規統計分析只能概括土壤養分變化的全貌，不能反映其局部的變化特征，為此有必要進一步采用地統計學方法進行土壤養分空間變異結構的分析和探討[8]。地統計學能夠更好地定性地揭示各屬性變量在空間上的分布、變異和相關特征。地統計方法已經被廣泛用來研究土壤養分的空間變異特征，主要集中在土壤養分特征及狀態參數、物理性質、化學性質的空間變異研究[9]。

浙江沿海地區受地理位置和海洋性季風氣候的影響，臺風、暴雨、洪澇等自然災害頻發，構建沿海防護林體系可有效減少海嘯和風暴潮等自然災害影響，是沿海地區社會可持續發展的一項重大任務[10]。對海島土壤養分空間變異結構進行深入分析研究，對于建設布局合理、功能全面的沿海防護林體系具有重要的意義。

1 研究區概況

研究區為浙江省舟山市岱山縣岱山本島，舟山群島中部，30° 14′ ～ 30° 21′ N，122° 02′ ～ 122° 11′ E。陸域面積104.97 km2，最高點磨心山海拔257.1 m，海岸線長96.31 km，氣候屬于亞熱帶南緣季風海洋型氣候，年平均氣溫為16.2℃，年平均日照在2 257h。研究區屬低山丘陵區，主要由低山丘陵和海灣小平原組成。區內有維管束植物160科550屬913種，主要植被有馬尾松（Pinus massoniana）、杉木（Cunninghamia lanceolata）、毛竹（Phyllostachys heterocycla cv.pubescens）等。研究區土壤類型有濱海鹽土、潮土、水稻土、紅壤、粗骨土5個土類。

2 材料與方法

2.1 樣點布設及土壤剖面數據來源

本研究樣點布設采取在土壤類型圖上進行機械布點的方法。具體操作為利用ArcGIS軟件對土壤類型分布圖進行數字化，并建立土壤類型數據庫。根據土壤類型分布圖的精度選擇1 000 m×1 000 m的網格進行機械布點，共布點98個。對每個樣點進行編號，根據所屬土壤類型建立屬性表。土壤剖面數據引自岱山縣第二次土壤普查成果和2011年土壤性質補充調查數據。

2.2 數據檢驗分析

用 SPSS軟件對土壤數據進行經典描述性統計分析。并對數據進行頻數統計分析，檢驗樣點屬性數據是否服從正態分布。

2.3 數字化圖件和克立格插值

利用地理信息系統ArcGIS軟件的數字化編輯分析功能，數字化圖件，利用ArcGIS地統計分析模塊對土壤屬性數據及樣點數據進行檢驗。

克立格插值是根據變異函數模型而發展起來的空間插值方法，在地質、土壤、農業、氣象等領域應用廣泛，主要用于研究空間分異和制圖。克立格插值的最大優點是它能給出無偏估計，能夠充分考慮到土壤特性的空間變異[11]。本文采用ArcGIS空間插值模塊中的泛克立格方法進行空間插值，生成土壤表層pH、有機質含量和全氮含量空間分布圖。

3 結果與分析

3.1 分段頻次分析

對研究區所涉及到的9個土壤類型土壤表層pH、有機質含量、全氮含量3個指標進行統計（表1）。可以看出，土壤 pH值排序為泥涂＞淡涂泥＞涂泥田＞淡涂泥田＞棕紅泥＞石砂土、黃泥沙田、濱海砂土＞酸性紫泥田，其中泥涂pH最高為8.7，呈重堿性。酸性紫泥田pH最小為5.6，呈中強度酸性。土壤有機質排序為黃泥沙田＞淡涂泥田＞石砂土＞涂泥田＞酸性紫泥田＞棕紅泥、淡涂泥＞泥涂＞濱海砂土，其中黃泥沙田有機質含量最高為 31.8 g/kg，濱海沙土有機質含量最低為6.9 g/kg。土壤全氮含量排序為黃泥沙田＞淡涂泥田＞涂泥田＞淡涂泥＞石砂土＞酸性紫泥田＞棕紅泥＞泥涂＞濱海砂土，其中黃泥沙田全氮含量最高為2.0g/kg，濱海砂土全氮含量最低，為0.5g/kg。

按照第二次土壤普查養分分級標準，運用SPSS17.0軟件對所布點各樣本土壤表層屬性指標值進行分段頻數分析。由表2可見，岱山本島土壤表層pH、有機質含量、全氮含量3個指標集中等級分布并不一致，土壤表層pH值頻數最高分布在第二級5.0 ～ 6.5范圍內，占總樣點數的37%。有機質含量頻數最多分布在第三級20 ～ 30范圍內，占總樣點數的43%。全氮含量頻數最大值為1.0 ～ 1.5范圍，占總樣點數的40%。由此可以看出研究區土壤總體情況為：土壤偏酸性，有機質含量中等，全氮含量中等。

表1 不同土壤類型表層土壤屬性指標統計Table1 Attributes of different types of surface soil

表2 樣點土壤屬性指標分段頻次分布統計表Table2 Frequency distribution of soil attributes in sampling points

3.2 經典統計特征分析

運用 SPSS17.0軟件對數據進行頻數統計分析（表3）。由表3可以看出，pH值和有機質變幅分別為 6.0 ～ 8.7和 6.9 ～ 31.8 g/kg，均值分別為7.0和16.3 g/kg，中值分別為6.9和17.0 g/kg，兩個指標中值和均值比較接近，說明研究區內pH值和有機質分布比較均勻，未受到特異值影響，標準差分別為0.79和7.6，變異系數分別為0.11和0.47。研究區全氮變幅為0.3 ～ 2.0g/kg，均值為0.99 g/kg，中值為1.3 g/kg，標準差為0.53，變異系數為0.54。3個指標變異系數大小為pH值（0.11）＜有機質（0.47）＜全氮（0.54）。按照反映離散程度變異系數的大小，可粗略分為3級[12]：弱變異性＜0.1，中等變異性0.1～1.0，強變異性＞1.0。由此可以看出pH值、有機質、全氮含量存在中等程度的變異性。

檢驗數據的正態分布性是使用空間統計學克立格方法進行土壤特性空間分析的前提，只有當數據服從正態分布時，克立格插值方法才能有效。本文利用ArcGIS軟件空間分析模塊中的正態QQPlot圖方法進行了正態檢驗，結果表明土壤pH值、有機質含量、全氮含量的分布符合正態分布，可以采用克立格方法進行空間插值。

表3 樣點土壤指標統計特征值Table3 Characteristic value of soil attributes in sampling points

3.3 空間變異特征分析

土壤 pH值是土壤重要的基本性質，它直接影響土壤中元素的存在狀態、轉化、遷移和有效性，也影響土壤中微生物的數量、組成和活性。土壤的pH值是由母質、生物氣候以及農業措施等條件控制的[13]。由圖1可以看出，研究區土壤 pH值總體趨勢是從海島中部到四周逐漸增大，條帶和斑塊分布明顯，這與研究區的實際情況比較吻合。研究區為海島地形，海岸邊受海水影響，特別是西南部和北部有大面積鹽田分布，土壤鹽堿化程度比較高，pH值較高。中部平原區土壤類型主要為棕紅泥屬于紅壤土類，pH值較小，土壤呈酸性。中南部和西北部山區由于森林覆蓋率比較高，林下植被較好，土壤微生物活動頻繁，有效改善土壤的鹽堿化狀況，使土壤接近中性。

圖1 岱山本島表層土壤pH值分布圖Figure1 Distribution of soil pH in Daishan Island

圖2 岱山本島表層土壤有機質含量分布圖 Figure2 Distribution of organic matter in Daishan Island

土壤有機質是重要的養分來源，對土壤理化性質、微生物活動和各種肥力因素都有深刻的影響，是決定土壤肥力的重要因子[14]。由圖2可以看出，研究區土壤有機質成條帶狀和斑塊狀分布明顯，大體呈現從中間到四周逐漸遞減的趨勢，最高值斑塊出現在島嶼中南部。在北部出現比較明顯的高值獨立斑塊，在西北部也出現比較突出的高值斑塊。分析原因為這三個區域為山區，是沿海防護林建設的重點區域，植被覆蓋度高，枯枝落葉積累多，有機質含量較高，由此可以看出建設沿海防護林，增加植被覆蓋度可以提高土壤有機質含量，增加土壤肥力。

氮素是構成一切生命體的重要元素，是植物生長必需且是需求量很大的養分元素，凋落物的分解可使土壤氮素明顯增加，而土壤含氮的多少，在一定程度上影響植物對磷和其他元素的吸收[15]。由圖3可以看出，研究區土壤全氮成環狀或條帶狀分布明顯，從中南部到四周逐漸遞減。全氮含量最高值斑塊分布在島嶼中南部。分析原因此區域為丘陵區，植被較好，根系發達有利于氮素的積累。山間平原土壤類型主要為淡涂泥、涂泥田、棕紅泥和黃沙泥田，大部分屬于水稻土土類，是主要的耕作土壤類型，由于長期耕作施肥使該區塊土壤全氮含量比較高。對樣點土壤有機質含量和全氮含量進行相關分析表明兩者相關系數為0.973（P＞0.01），達到極顯著水平，從圖上也可以看出，兩者空間分布規律具有相似性。

圖3 岱山本島表層土壤全氮含量分布圖Figure3 Distribution of total nitrogen in Daishan Island

4 結論

通過對岱山本島土壤pH值、有機質和全氮統計特征值與空間變異特征的研究，可以得出以下結論：

（1）研究區9種土壤類型中pH值排序為泥涂＞淡涂泥＞涂泥田＞淡涂泥田＞棕紅泥＞石砂土、黃泥沙田、濱海砂土＞酸性紫泥田；有機質排序為黃泥沙田＞淡涂泥田＞石砂土＞涂泥田＞酸性紫泥田＞棕紅泥、淡涂泥＞泥涂＞濱海砂土；全氮含量排序為黃泥沙田＞淡涂泥田＞涂泥田＞淡涂泥＞石砂土＞酸性紫泥田＞棕紅泥＞泥涂＞濱海砂土。

（2）按照第二次土壤普查養分分級標準，對所布點各樣本土壤剖面表層土壤指標值進行分段頻數分析，岱山本島表層土壤總體評價為土壤偏酸性，有機質含量中等，全氮含量中等。

（3）對土壤表層 pH值、有機質、全氮含量進行經典統計分析可以看出，pH值和有機質分布比較均勻，未受到特異值影響。pH值、有機質、全氮含量變異系數分別為0.11、0.13和0.54，存在中等程度的變異性。

（4）土壤pH值總體趨勢從海島中部到四周逐漸增大，條帶狀和斑塊狀分布明顯。土壤有機質和全氮含量相關系數性達到極顯著水平（P＞0.01），兩者空間分布格局具有相似性，成環狀或條帶狀分布明顯，有機質在北部和西部有明顯的斑塊狀分布。

（5）研究區土壤表層pH值、有機質、全氮空間變異性主要受到植被分布、土壤類型、地形等因素的影響。土壤有機質含量空間變異性受植被因素影響明顯。由此可見，開展沿海防護林建設對于改善海島土壤養分條件，增加土壤肥力有重要作用。

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