名山縣城東鄉(xiāng)漂洗水稻土速效磷在田間尺度下的空間變異研究

摘要根據(jù)44個表層土壤（0～20 cm）樣點(diǎn)速效磷的化驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)的基本原理和方法，結(jié)合GIS技術(shù)，研究名山縣城東鄉(xiāng)漂洗水稻土速效磷在田間尺度下的空間變異規(guī)律及其影響因素。結(jié)果表明：研究區(qū)土壤速效磷含量為16.51±15.85 mg/kg，具有較強(qiáng)的變異性；速效磷具有中等空間相關(guān)性，空間插值結(jié)果呈塊狀分布；pH、坡向與速效磷含量相關(guān)性不顯著，而坡度與速效磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，有機(jī)質(zhì)、高程與速效磷含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，表明高程、坡度與有機(jī)質(zhì)對速效磷含量具有比較明顯的影響。

關(guān)鍵詞漂洗水稻土；速效磷；田間尺度；空間變異

中圖分類號S511文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）01-00102-05

作者簡介彭滔（1989-），男，重慶人，碩士研究生，研究方向：景觀生態(tài)，Email：236404727@qq.com。

收稿日期20131205土壤速效磷（SAP）作為磷的一種常見形態(tài)，是標(biāo)志土壤磷素供應(yīng)水平的重要指標(biāo)之一，對作物的生長發(fā)育及作物產(chǎn)量有重要影響。研究區(qū)所在的名山縣素有雅安“糧倉”之稱，盛產(chǎn)茶葉，是全國重要的茶葉生產(chǎn)基地，因此對研究區(qū)土壤速效磷空間變異規(guī)律進(jìn)行研究，對改良土壤和發(fā)展當(dāng)?shù)厣a(chǎn)具有指導(dǎo)意義。地形因子與土壤中物質(zhì)的運(yùn)移有著緊密的聯(lián)系，會影響土壤中元素的分布情況[1]。雖然磷素在土壤中的移動是很微弱的，但是在長期的成土和利用過程中土壤磷素不僅形成大的地帶性差異，而且在一個局部范圍內(nèi)，也可以通過淋溶、淀積和人為活動而重新分布，在丘陵地區(qū)這種局部變異很明顯[2]。地統(tǒng)計學(xué)已被證明是分析土壤性狀空間分布和空間異質(zhì)性的最有效方法之一。它彌補(bǔ)了以概率論為基礎(chǔ)的經(jīng)典統(tǒng)計分析方法在結(jié)構(gòu)和過程分析方面的不足[3]。

以往關(guān)于磷素空間變異特征的研究，大多集中在大尺度方面，在微尺度方面的研究相對較少。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，在大尺度下土壤速效磷含量主要受成土母質(zhì)、海拔、坡度、氣候差異、土壤侵蝕程度和土地利用方式等因素的影響[4-5]。但，對于田間尺度下利用方式、地形地貌等差異都較小的研究區(qū)，其土壤速效磷含量及影響因素是否與其他區(qū)域相似以及有無其特殊性等問題是值得探討的內(nèi)容[6]。筆者擬在前人研究的基礎(chǔ)上，主要運(yùn)用土壤學(xué)、測量學(xué)、統(tǒng)計學(xué)和地理信息系統(tǒng)（GIS）知識，在對研究區(qū)地形進(jìn)行測量和對土壤進(jìn)行采樣分析的基礎(chǔ)上得到研究區(qū)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，利用空間數(shù)據(jù)制作數(shù)字高程模型（DEM）以提取地形因子，利用ArcGIS空間插值實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的融合。然后，運(yùn)用ArcGIS中地統(tǒng)計學(xué)分析組件對土壤速效磷進(jìn)行空間分析，綜合利用ArcGIS、SPSS、Excel等軟件統(tǒng)計分析各種因子對研究區(qū)土壤速效磷空間變異的影響，從而為土地利用規(guī)劃，養(yǎng)分的精準(zhǔn)化管理提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況研究區(qū)位于雅安市名山縣城東鄉(xiāng)雙田村四組境內(nèi)國道318線與成雅高速公路之間，處于第四級階地上，地勢西南低其他三面高，呈喇叭形向西南開口，屬于緩丘地形、丘陵臺地地貌，海拔在450～550 m，面積約1.8 hm2。區(qū)內(nèi)主要土壤為白鱔泥，地塊多為水田改造而成的茶園。研究區(qū)內(nèi)國道318線自南部經(jīng)過，成雅高速公路自東北向西南方向經(jīng)過，東北側(cè)有一鄉(xiāng)道和幾處居民點(diǎn)。

1.2研究方法

1.2.1DEM的獲取和地形因子的提取。采用尼康全站儀對研究區(qū)進(jìn)行研究區(qū)進(jìn)行三維坐標(biāo)的測定，得到以此作為生成研究區(qū)DEM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在具體操作中，將第一站坐標(biāo)假設(shè)為一個已知點(diǎn)（500，500，500）。并且根據(jù)羅盤定位及測站位置，估算一個坐標(biāo)方位角，進(jìn)而測出各個研究區(qū)特征點(diǎn)的坐標(biāo)和高程。DEM獲取是將研究區(qū)的特征點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立要素類，在ArcGIS9.0中將要素類轉(zhuǎn)化為TIN，并由TIN生成DEM（圖1）。在DEM上，分別提取研究區(qū)高程、坡度、坡向等地形因子。

1.2.3數(shù)據(jù)分析方法。

1.2.3.1特異值的識別與處理和經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)分析。由于特異值的存在會造成變量連續(xù)表面的中斷，影響變量的分布特征，因此采用域法識別特異值，即樣本平均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差（S），在區(qū)間[-3S，+3S]以外的數(shù)據(jù)均定為特異值，然后分別用正常的最大值和最小值代替特異值[9]。文中，利用SPSS Statistics17.0軟件對研究區(qū)域44個土壤樣本進(jìn)行描述性統(tǒng)計，并對速效磷與地形因子、土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量等影響因素進(jìn)行相關(guān)分析。

1.2.3.2地統(tǒng)計學(xué)分析和空間插值。采用ArcCatalog工具對采樣點(diǎn)建立屬性數(shù)據(jù)庫，由數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建要素類實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的融合。常規(guī)統(tǒng)計不能全面反映研究區(qū)速效磷空間分布的結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性。為了更直觀地了解研究土壤速效磷空間變異特征，筆者利用ArcGIS9.0中地統(tǒng)計分析模塊對速效磷進(jìn)行趨勢分析，然后用GS+9.0軟件計算速效磷半方差函數(shù)，進(jìn)行空間變異分析。通過分析，選擇擬合度較好的模型進(jìn)行插值，獲得研究區(qū)速效磷含量分布圖[10]。運(yùn)用區(qū)域統(tǒng)計功能，實(shí)現(xiàn)對經(jīng)典統(tǒng)計分析和地統(tǒng)計學(xué)分析的驗(yàn)證。

2結(jié)果與分析

2.1土壤速效磷、pH、有機(jī)質(zhì)統(tǒng)計分析排除和更正特異值后，利用SPSS Statistics17.0軟件對研究區(qū)44個樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，初步了解其分布信息，便于空間插值分析。

由表1可知，速效磷含量為（16.51±15.85）mg/kg，變異系數(shù)為96.00%。按照反映離散程度的變異系數(shù)大小，可以將土壤變異性進(jìn)行粗略分級：變異系數(shù)<10%為弱變異性，10%～100%為中變異性，>100%為強(qiáng)變異性。依此得出研究區(qū)土壤速效磷含量相對于其均值離散程度較高，在水平方向上呈強(qiáng)變異性[11]。速效磷含量偏度值和峰度值較大，表明原始數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，所以需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由圖3可知，研究區(qū)土壤速效磷數(shù)據(jù)經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布。由于研究區(qū)范圍較小、成土母質(zhì)相似且基本上都是由稻田改造而成的茶園，所以土壤養(yǎng)分受氣候、母質(zhì)和用地類型的影響較小。這表明土壤速效磷含量受到外部的強(qiáng)烈影響。該區(qū)土壤呈強(qiáng)酸性，pH為3.03～5.59，均值為4.25，變異系數(shù)在3項(xiàng)指標(biāo)中最小，表明pH受外部的影響較弱。土壤有機(jī)質(zhì)含量為1.67%～6.05%，均值為3.63%，有機(jī)質(zhì)含量偏低。

根據(jù)以上理論，我們可以分析出研究區(qū)土壤速效磷含量的空間異質(zhì)性。研究區(qū)塊基比在25%～75%之間，說明速效磷含量具有中等空間相關(guān)性，空間變異受結(jié)構(gòu)性因子和隨機(jī)因子的共同影響。結(jié)構(gòu)性因子包括土壤形成過程中的成土母質(zhì)、地形、地下水位及形成的土壤類型等因素；隨機(jī)因子是指土壤管理過程的施肥、種植的作物、耕作栽培措施等[3]。研究表明，研究區(qū)土壤35.5%受結(jié)構(gòu)性因子的影響，64.5%受隨機(jī)因子的影響。這將在后面的相關(guān)分析中得到驗(yàn)證。

2.4空間分布特征分析由于ArcGIS9.0中沒有線性模型，用普通克里格方法采用同樣參數(shù)下的球狀模型進(jìn)行擬合，得到研究區(qū)速效磷含量空間分布圖（圖6）。插值結(jié)果中，平均值（MS）為13.11；均方根預(yù)測誤差（RMS）為4.27；平均標(biāo)準(zhǔn)誤差（ASE）為4.99；標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差（RMSS）為0.943 8。由圖6可知，土壤速效磷空間分布呈塊狀分布。速效磷含量分布符合趨勢分析的預(yù)測，高值（20 mg/kg以上）區(qū)域沿研究區(qū)縱軸南北向分布，南方高于北方，低值（15 mg/kg以下）區(qū)域沿研究區(qū)橫軸東西向分布，東部高于西部。總體上，研究區(qū)速效磷含量有以西南部為中心向外遞增的趨勢，在東南方向上增幅最明顯。結(jié)合研究區(qū)地形圖對比，發(fā)現(xiàn)速效磷含量<10 mg/kg的區(qū)域和>30 mg/kg的區(qū)域分別對應(yīng)研究區(qū)地形的低洼處和制高點(diǎn)。因此，可以初步推斷研究區(qū)速效磷含量與高程值呈正相關(guān)關(guān)系。這將在后面的相關(guān)性分析得到驗(yàn)證。研究區(qū)速效磷含量集中在10～30 mg/kg之間，含量低于10 mg/kg和高于30 mg/kg的土壤面積很小，含量在15 mg/kg以上的區(qū)域約占整個研究區(qū)的75%。根據(jù)全國土壤普查辦公室《中國土壤普查技術(shù)》[13]對磷素含量分級標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的速效磷含量較豐富。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2014年圖6研究區(qū)速效碳空間分布2.5土壤速效磷影響因素分析由于土壤速效磷含量受結(jié)構(gòu)性因子和隨機(jī)因子的共同影響，僅研究土壤速效磷與高程、坡度、坡向等地形因子及pH、有機(jī)質(zhì)等土壤自身性質(zhì)的關(guān)系。

2.5.1地形因子。為了探究土壤速效磷與地形因子的相關(guān)性，必須首先對地形因子進(jìn)行分級。地形因子分級建立在研究區(qū)微地形的基礎(chǔ)上，以體現(xiàn)研究區(qū)域地形特征、符合自然規(guī)律為原則[14] 。根據(jù)研究區(qū)高程特點(diǎn)，將高程的分為484～487、487～490、490～493、493～496、496～499、499～502 m 6個等級。坡度的劃分參考國際地理學(xué)會地貌調(diào)查與制圖委員會提議使用的7級劃分方案，分為0°～2°、2°～5°、5°～15°、15°～25°、25°～35°、35°～55°、>55°7個等級[15]；坡向分為東（90°）、南（180°）、西（270°）、北（0°）、東北（45°）、東南（135°）、西北（315°）、西南（225°）8個方向[16]。將按照上述標(biāo)準(zhǔn)提取的高程、坡度、坡向分布圖與土壤速效磷含量分布圖疊加分析，得到與各地形因子對應(yīng)的速效磷含量屬性數(shù)據(jù)庫，通過ArcGIS9.0空間分析里的區(qū)域統(tǒng)計功能計算不同等級的土壤速效磷含量的平均值，得到不同高程、坡度、坡向的土壤速效磷含量的平均值。然后，利用SPSS Statistics17.0軟件計算土壤速效磷與各地形因子的Pearson簡單相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表2。

2.5.1.1高程。由表2可知，土壤速效磷與高程呈0.01水平顯著正相關(guān)關(guān)系，表明高程對速效磷分布的影響具有重要意義。按照上述高程劃分方案，ArcGIS 9.0 空間分析區(qū)域統(tǒng)計結(jié)果（圖7）表明，496 m以下速效磷含量隨高程降低而迅速減少，而在496 m以上速效磷變化趨緩，并最終穩(wěn)定在23 mg/kg左右。結(jié)合研究區(qū)等高線圖和實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)496 m以下的區(qū)域在研究區(qū)多集中在溝谷和谷底部分，這一部分不易耕作且水流易匯集，水流對土壤沖蝕比較強(qiáng)烈，造成速效磷的嚴(yán)重流失；而在496 m以上區(qū)域多為水平茶園，水流沖蝕較均勻且耕作條件相近，造成速效磷含量差異不大。

3結(jié)論

研究表明，土壤速效磷數(shù)據(jù)呈對數(shù)正態(tài)分布，其含量為16.51±15.85 mg/kg；研究區(qū)域土壤速效磷具有較強(qiáng)的變異性，表明該區(qū)域土壤受到較大的外源影響。研究區(qū)土壤速效磷含量具有中等空間相關(guān)性，土壤速效磷空間變異35.5%受結(jié)構(gòu)性因子的影響，64.5%受隨機(jī)因子受自然因素的影響，受人為因素影響較大。研究區(qū)速效磷含量分布有以西南部為中心向外遞增的趨勢，在東南方向上增幅最明顯。坡度與速效磷含量呈005水平顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，高程與速效磷含量呈005水平顯著正相關(guān)關(guān)系，而pH、坡向與速效磷含量相關(guān)性不顯著。有機(jī)質(zhì)含量對速效磷有比較明顯的影響，可能是由于農(nóng)業(yè)耕作和施肥造成有機(jī)質(zhì)和速效磷含量005水平顯著相關(guān)。

研究還表明，研究區(qū)速效磷含量比較豐富但不均衡，具有強(qiáng)變異性和中等程度空間相關(guān)性。速效磷的空間變異受結(jié)構(gòu)性因子和隨機(jī)因子的共同影響，受高程、坡度和有機(jī)質(zhì)含量的影響較大，水土流失和人為耕作、施肥對速效磷含量的高低具有決定作用。上述研究成果可為及時、準(zhǔn)確地為研究區(qū)定位施肥、土壤改良以及其他管理提供一定參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 林大儀.土壤學(xué)[M].北京：中國林業(yè)出版社，2002：82-83.

[2] 熊毅，李慶逵.中國土壤[M].北京：科學(xué)出版社，1987：484-485.

[3] 張興義，隋躍宇，于麗，等.薄層農(nóng)田黑土速效氮磷鉀含量的空間異質(zhì)性[J].水土保持學(xué)報，2004，18（4）：85-88.

[4] 鄭育鎖，肖波，陳子學(xué)，等.靜海縣土壤有效磷時空分布變化研究初報[J].天津農(nóng)林科技，2008，203（3）：3-5.

[5] 呂巧靈，付巧玲，吳克寧，等.鄭州市郊區(qū)土壤綜合肥力評價及空間分布研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2006，22（1）：166-168.

[6] 歐勇勝，張世熔，余瓊，等.橫斷山北部生態(tài)脆弱區(qū)土壤磷素空間分布特征[J].生態(tài)學(xué)報，2005，25（10）：2776-2781.

[7] 楊羽貴，陳亞新.土壤水分鹽分空間變異性與合理采樣數(shù)研究[J].土壤通報，2002，20（4）：64-66.

[8] 李酉開.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析方法[M].北京：科學(xué)出版社，1983：101-102.

[9] 趙彥鋒，史學(xué)正，于東升，等.小尺度土壤養(yǎng)分的空間變異及其影響因素探討——以江蘇省無錫市典型城鄉(xiāng)交錯區(qū)為例[J].土壤通報，2006，37（2）：214-219.

[10] 吳學(xué)文，晏路明.普通Kriging法的參數(shù)設(shè)置及變異函數(shù)模型選擇方法[J].地球信息科學(xué)，2007，9（3）：104-108.

[11] 劉世梁，傅伯杰，陳利頂，等.臥龍自然保護(hù)區(qū)土地利用變化對土壤性質(zhì)的影響[J].地理研究，2002，21（6）：682-688.

[12] CAMBARDELLA C A，YOST R S，WADE M K，et al.Fieldscale variability of soil properties in central Iowa soils[J].Soil Science Society of America Journal，1994，58（5）：1501-1511.

[13] 全國土壤普查辦公室.中國土壤普查技術(shù)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1992：87.

[14] 王秀云.基于DEM的地貌分析研究——以寧鎮(zhèn)地區(qū)為例[D].南京：南京師范大學(xué)，2006.

[15] 劉元保，唐克麗.國外坡度分級和王東溝試驗(yàn)區(qū)的坡度組成[J].水土保持通報，1987，7（8）：59-65.

[16] 馬群，趙庚星，李玉環(huán).小尺度地形因子對農(nóng)地土壤質(zhì)量的影響研究[J].地理與地理信息科學(xué)，2009，25（3）：4-7.

[17] 黃平，李廷軒，張佳寶，等.坡度和坡向?qū)Φ蜕讲鑸@土壤有機(jī)質(zhì)空間變異的影響[J].土壤，2009，41（2）：264-268.