海南省樂東縣橡膠園土壤養分的空間變異特征研究

高樂等

摘 要 通過GIS和地統計學相結合的方法研究海南省樂東縣橡膠園土壤速效氮、磷和鉀含量的空間變異特征。結果表明：（1）土壤速效氮、磷、鉀具有強烈或中等程度的空間自相關性，相關距離變化范圍為1 623～61 100 m，塊金值/基臺值變化范圍為4.7%～49.97%；（2）0～20 cm和20～40 cm土層，速效氮、鉀養分第四、第五等級分布面積較廣，0～20 cm土層速效磷含量第四等級、20～40 cm土層速效磷含量第五等級分布較廣；（3）不同土壤類型上，速效氮、磷和鉀含量差異不顯著，地形地貌和成土母質主要影響速效氮和速效鉀含量，而速效磷含量主要受人為管理措施的影響；（4）樂東縣膠園土壤速效氮、磷、鉀養分含量缺乏，空間結構特征明顯，在縣級尺度進行養分的宏觀分區管理切實可行。

關鍵詞 地統計學；GIS；速效氮；速效磷；速效鉀；空間變異

中圖分類號 S151.9 文獻標識碼 A

Abstract By the combinative method of GIS and geostatistics， the spatial variability characteristic and influencing factors of soil available nitrogen（AN）， available phosphorus（AP）and available potassium（AK）were studied in Ledong， Hainan. The result showed that：（1）AN， AP and AK contents had strong or moderate spatial dependence， the range of spatial dependence was between 1 623 m and 61 100 m， and the proportional range of C0/C0+C was between 4.7% and 49.97%；（2）The distribution area of AN and AK was wide in the 4th in and 5th grades， the 4th grade of AP in soil layer of 0-20 cm and the 5th grade in 20-40 cm soil layer were widely distributed；（3）The content of AN， AP and AK was not significantly different among different soil types； Landform and soil parent mainly influenced the content of AN and AK， but AP mainly being influenced by management measures；（4）The content of AN， AP and AK which had obvious spatial structure characteristics in rubber plantation in Ledong was lacking， so macro partition management of nutrient in county scale was practicable.

Key words Geostatistics； GIS； Soil available N； Soil available P； Soil available K； Spatial variability

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.11.003

了解土壤養分狀況是土壤管理的基礎。由于土壤是一個自然連續體，土壤屬性具有空間連續性和變異性特征，隨著20世紀60年代以區域化變量理論為基礎的地統計分析方法和3S技術的發展，國內外眾多學者應用GIS和地統計學相結合的方法對不同尺度或不同作物上土壤性質的空間差異性進行了大量研究[1-8]，但利用地統計學研究橡膠園土壤養分空間變異的報道較少，僅池富旺等[9]、王博等[10]和林清火等[11]研究了田塊尺度或農場尺度土壤養分的空間變異，楊昭君等[12]研究了縣域尺度的土壤鉀素的空間變異狀況。目前，海南省橡膠園土壤管理還是基于在20世紀90年代土壤肥力區化[13]，在大區域、大尺度上研究橡膠園土壤養分空間變異，從而進行橡膠園合理土壤管理對海南省天然橡膠生產有著重要的意義。為了解縣域尺度的橡膠園土壤養分變異特征，本研究以海南省樂東縣橡膠園為研究對象，在縣域尺度加大采樣密度，分析了海南省樂東縣橡膠園土壤速效氮磷鉀的空間變異特征，以期為縣域尺度的膠園土壤養分管理奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

樂東縣地處東經108°39′～109°24′，北緯18°24′～18°58′，東西長72 km，南北寬58 km，總面積2 747 km2。其中，山地占全縣面積的41%，丘陵盆地占36%，平原占23%，地勢西北高和東北高。土壤成土母巖和母質有花崗巖（占59.50%）、砂頁巖（占21.3%）、安山巖（占1.1%）、海相沉積物（占14.6%）和近代河流沖積物（占3.5%）。氣候類型為熱帶季風氣候，年平均溫度23～25 ℃，年降水量1 400～1 800 mm。全縣轄11個鎮，境內有11個國有農場，其中，橡膠主要分布在抱由鎮、萬沖鎮、大安鎮、志仲鎮、千家鎮和九所鎮等6個鎮和其中的國有農場（圖1）。

1.2 土壤樣品采集與分析

土壤樣品采集于2012年8～10月，用GPS與海南省樂東縣行政矢量電子圖結合指導定位，采用網格采樣法進行采樣，網格間距為800 m×800 m，每個網格內各采集15個點的膠園0～20 cm土層（Ⅰ）、20～40 cm土層（Ⅱ）土壤樣品，各土層土壤樣品充分混勻后作為1個混合樣品，總共獲取了2 637個網格的7 911個土壤樣品，并詳細記錄每個網格內中心采樣點的經緯度坐標。土樣帶回實驗室后經風干、過篩后再進行分析化驗。速效氮-堿解蒸餾法、速效磷-鹽酸-氟化銨法、速效鉀-乙酸銨提取-火焰光度計[14]。

1.3 數據處理

利用spss11.0對土壤養分指標進行常規統計，涉及地統計學的主要包括半方差函數和Kriging插值。其中，半方差函數分析采用GS+version 9，空間插值采用Arcmap 9.3的地統計學分析模塊進行。

2 結果與分析

2.1 土壤速效氮、磷、鉀含量的統計特征值

對樂東縣膠園土壤0～20 cm土層、20～40 cm土層的土壤速效氮、磷、鉀含量進行描述性統計分析，得到相應的統計特征值（表1）。從表1可見，在0～20 cm土層，土壤速效氮、磷、鉀含量的分布范圍分別為10.9～154.9、0.7～131.0、4.00～154.88 mg/kg，平均值分別為59.13、7.49、51.38 mg/kg；在20～40 cm土層，土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量的分布范圍分別為1.5～150.5、0.1～110.3、8.00～110.84 mg/kg，平均值分別為50.78、5.31、46.67 mg/kg；速效磷含量在兩土層均屬強變異，變異系數分別為187%和181%，速效氮和速效鉀含量在兩土層均屬中等程度變異，變異系數介于43%～49%；除20～40 cm土層的土壤速效氮含量分布類型為平方根正態外，其余指標均屬對數正態分布。以上描述性統計指標值反映了樂東縣膠園土壤速效養分含量的差異，其可能是各地區差別化施肥管理措施造成的結果，也可能是土壤養分本底值差異造成的結果，而各養分指標符合正態分布類型，則表明其可運用地統計學方法進行養分差異原因的進一步探索。

2.2 膠園土壤速效養分氮、磷、鉀的空間結構分析

由圖2和表2 可知，在0～20 cm土層，膠園土壤速效氮各向同性半方差函數理論模型為指數模型、速效磷和速效氮的各向同性半方差函數理論模型均為球狀模型。在20～40 cm土層，速效氮的半方差函數理論模型為球狀模型，而速效磷和速效鉀的半方差函數理論模型為指數模型。

在0～20 cm土層，土壤速效氮、磷和鉀含量的變程，也即最大相關距離分別為3 360、1 623、3 072 m；在20～40 cm土層，土壤速效氮、磷和鉀含量的變程分別為61 100、57 230、2 223 m，即在兩土層速效養分觀測值對應的最大相關距離內，各觀測值之間存在空間相關性，反之，各觀測值之間相互獨立。土壤養分指標半方差函數的塊金值與基臺值之比反映了養分指標的空間變異性程度和空間變異來源，土壤速效磷含量在0～20 cm土層、20～40 cm土層空間相關性均為中等，表明自然因素和人為因素共同影響其空間分布特征，而土壤速效氮在0～20 cm土層、土壤速效鉀在兩土層其塊金值與基臺值之比均小于25%，表明其空間相關性較強、空間分布主要受自然因素影響，受人為因素影響較小，人為因素對樂東縣橡膠園速效養分空間變異的影響順序為速效磷>速效氮>速效鉀。另外，土壤速效氮、速效磷和速效鉀在0～20 cm土層、20～40 cm土層的半變異函數的決定系數和殘差也比較合理，說明實驗模型和理論模型相關性好，可以作為空間內插值模型。

2.3 膠園土壤速效養分氮、磷、鉀的空間分布特征

根據GS+version 9中各養分指標的半方差函數擬合參數，在ARCMAP 9.3的地統計學模塊中進行Kriging插值、等級分類等，獲得膠園速效氮、磷和鉀含量在0～20 cm土層和20～40 cm土層的等級分布圖（圖3）。圖3表明，在0～20 cm土層，樂東縣膠園土壤速效氮基本上從東部向西部減小，東部主要為第四等級，而西部主要在第五等級，在南北方向，第五等級和第四等級交叉分布；在0～20 cm土層，膠園土壤速效磷基本上分布在第四等級，同時，各地區還零星分布有第五等級和第三等級；在0～20 cm土層，膠園土壤速效鉀從東向西、從北向南減小，在東部、北部主要為第四等級，而西部和南部主要為第五等級。在20～40 cm土層，膠園土壤速效氮東部主要為第四等級，其余地區主要為第五等級，另外，還零星分布有第六等級；在20～40 cm土層，膠園土壤速效磷第五等級分布面積較廣，另外，在東部和北部分布有第六等級，在西部分布有第四等級；在20～40 cm土層，膠園土壤速效鉀從東向西、從北向南減小。通過與第二次土壤普查資料的對比，樂東縣土壤速效氮、磷、鉀養分含量的變化方向與區域內地形地貌和成土母質等自然因素變化方向較相似，因此，有必要深入探討這些結構性因素對樂東縣土壤速效氮、磷和鉀養分含量的影響。

2.4 膠園土壤速效養分氮、磷、鉀空間變異的影響因子分析

空間結構分析結果表明，0～20 cm土層土壤速效氮、鉀含量和20～40 cm土層土壤速效鉀含量的空間變異主要受結構性因子影響，而兩土層速效磷和20～40 cm土層速效氮含量受結構性因子和隨機性因子共同影響。土壤速效氮、速效磷和速效鉀含量變化規律與區域內地形、成土母質等結構性因子的分布有一定聯系，受人為因素影響較小，因此，本研究選擇土壤類型、地形、成土母質等三因素，探討其對土壤速效氮、磷和鉀含量空間變異的影響。

2.4.1 土壤類型的影響 統計分析結果表明（表3），在0～20 cm土層中，不同土壤類型之間速效氮、磷和鉀含量差異不顯著，而在20～40 cm土層中，不同土壤類型之間速效氮和鉀含量差異顯著，而速效磷含量差異不顯著。土壤類型對20～40 cm土壤速效氮、磷和鉀含量影響順序為速效氮>速效鉀>速效磷。

2.4.2 地形地貌的影響 地形地貌通過改變水分在自然界的重新分配和分布，影響土壤速效氮、磷和鉀含量。統計分析表明（表4），0～20 cm土層，土壤速效氮和速效磷含量在緩坡地、中坡度丘陵和陡坡山地中差異不顯著，但速效鉀含量則表現為陡坡山地顯著高于緩坡地。在20～40 cm土層，陡坡山地速效氮含量極顯著高于緩坡地，但中坡度丘陵速效氮含量與緩坡地、陡坡山地差異不顯著；速效磷含量在緩坡地、中坡度丘陵和陡坡山地中差異不顯著，但速效鉀含量在緩坡地、中坡度丘陵和陡坡山地中差異極顯著。以上分析表明，區域內地形地貌對膠園土壤速效氮、磷和鉀含量空間變異的影響程度為速效鉀>速效氮>速效磷。

2.4.3 成土母質的影響 成土母質影響土壤的物質組成、風化及淋溶等，從而影響著土壤速效氮、磷和鉀的積累與淋失。表5表明，樂東縣膠園的兩種主要成土母質花崗巖和砂頁巖極顯著影響0～20 cm土層和20～40 cm土層土壤速效鉀含量的多少，且花崗巖發育土壤的速效鉀含量極顯著高于砂頁巖發育土壤的速效鉀含量。

另外，在20～40 cm土層，花崗巖發育土壤速效氮含量極顯著高于砂頁巖發育土壤速效氮含量，但各土層土壤速效磷含量在各成土母質間差異不顯著。

以上分析表明，樂東縣橡膠園的主要成土母質對膠園土壤速效氮、磷和鉀含量空間變異的影響程度為速效鉀>速效氮>速效磷。成土母質影響土壤速效氮、速效鉀空間變異，尤其是影響速效鉀空間變異的重要因子。

3 討論與結論

史利江等[15]的研究結果表明，基于GIS和地統計學方法能夠很好地研究和反映土壤養分的空間變異規律。本研究結果表明，土壤速效氮和鉀含量中等程度變異，變異系數為43%～49%，但速效磷含量強變異，變異系數為181%～187%。3種養分要素在一定的范圍內均存在空間相關性，速效磷和20～40 cm土層速效氮含量具有中等程度的空間自相關性，空間變異受結構性因素和人為因素共同影響；速效鉀和0～20 cm土層速效氮含量具有強烈的空間自相關性，空間變異主要受結構性因素影響，受人為因素影響較小。3種養分的相關距離變化范圍為1 623～61 100 m，塊金值/基臺值變化范圍為4.7%～49.97%。

一般情況，土壤養分的空間變異特性主要受自然因素和人為因素驅動，其中，土壤養分含量的均衡化發展主要受人為因素影響[3]。吳敏等[16-17]的研究結果表明，不同地形和母質條件下，海南省膠園土壤速效氮、磷和鉀含量有一定差異。本研究結果表明樂東縣地形地貌和成土母質對膠園土壤速效氮、磷和鉀含量空間變異的影響程度為速效鉀>速效氮>速效磷，速效磷含量在不同土壤類型、地形地貌和成土母質上差異均不顯著。速效磷、速效氮含量的空間變異是結構性因素和人為因素共同影響的結果，而速效鉀含量的空間變異主要受結構性因素影響。因此，總體上看，樂東縣橡膠園的人為因素對速效養分空間變異的影響順序為速效磷>速效氮>速效鉀。

根據各養分指標的半方差函數擬合參數，利用Kriging插值法進行內插，并結合養分的分級標準對內插結果進行分級，所得的空間變異圖能很好地反映土壤養分的空間變異特征和豐缺狀況[3]。本研究結果表明，樂東縣膠園土壤速效氮、鉀含量第四、第五等級分布面積較廣，另外，速效氮含量第四等級多集中分布在東部地區，速效鉀含量第四等級在東部、北部地區分布較廣；0～20 cm土層速效磷含量第四等級、20～40 cm土層速效磷含量第五等級分布較廣。何向東等[13]1991年把樂東縣膠園土壤分為缺氮磷鉀鎂型、缺磷鎂富鉀型和缺磷型。而樂東縣橡膠園當前土壤速效氮、速效磷和速效鉀普遍缺乏，大多數地區均在第四等級和第五等級，僅極少地區速效氮含量在第三等級，速效磷含量在第四或第五等級。由此可見，經過多年植膠后，樂東縣膠園土壤養分狀況和20世紀90年代相比已經產生了相當的變化，多年施肥管理使樂東縣膠園土壤速效磷缺乏狀況仍然存在，且速效氮和速效鉀缺乏狀況有所加重，因此，有必要針對當前膠園土壤的養分狀況制定新的施肥管理措施，從而達到培肥膠園土壤和增加天然橡膠產量的目的。

總之，樂東縣膠園土壤速效氮、磷、鉀養分含量缺乏，空間結構特征明顯，在縣級尺度進行養分的宏觀分區管理切實可行。

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