眉山市東坡區土壤有效磷空間變異特征及其影響因素分析

劉敏英，呂小娜，朱志國

(1.四川省眉山市東坡區土壤肥料與生態建設管理站，四川 眉山 620010；2.山西省運城學院生命科學系，山西 運城 044500)

眉山市東坡區土壤有效磷空間變異特征及其影響因素分析

劉敏英1，呂小娜2，朱志國1

(1.四川省眉山市東坡區土壤肥料與生態建設管理站，四川 眉山 620010；2.山西省運城學院生命科學系，山西 運城 044500)

采用地統計學與GIS相結合的方法，對眉山市東坡區耕層(0-20cm)土壤有效磷含量空間變異特征及其影響因素進行了分析。結果表明：(1)土壤有效磷含量平均值為13.92 mg/kg，變異系數為87.43%，屬中等變異程度。(2)土壤有效磷含量成片狀分布，從東北到西南方向，土壤有效磷含量呈升高趨勢。土壤有效磷含量缺乏的區域面積占總面積的23.50%，土壤有效磷含量中等的區域面積占總面積的62.02%，土壤有效磷含量豐富及很豐富的區域面積占總面積的14.47%，東坡區土壤供磷能力處于中等偏下水平。(3)耕層土壤有效磷含量的半方差最佳理論模型為指數模型。在區域尺度下，土壤有效磷含量具有強烈的空間相關性(C0/( C0+C)值為50.0%)，受到結構性因子和隨機性因子的共同影響，系自然和人為利用因素共同作用的結果。

耕層土壤；空間變異；影響因子

對土壤養分空間變異的充分了解是土壤養分管理和合理施肥的基礎。磷作為植物生長必需的營養元素，也是土壤養分的重要組成部分。但耕地施入過量磷肥，不但造成磷肥資源浪費，而且會造成水體污染進而為害人體健康[ 1-6]。有效磷作為土壤磷貯庫中對作物最為有效的部分，能直接供作物吸收利用，因而是評價土壤供磷能力的重要指標[7]。由于自然和人為因素的影響，農田土壤有效磷含量常具有空間變化特點，若缺乏對其背景值及空間變異情況的了解，不能根據其變化來確定施肥量和施肥方式，有可能導致農田磷素虧缺或盈余。土壤磷素虧缺影響作物生長，而農田土壤磷素長期處于盈余狀態，則會加大土壤磷素向水體流失的風險，并產生潛在的生態環境問題。因此，推行合理施肥和有效控制農業面源磷污染，已成為人們越來越關心的問題[8]。

對農田土壤有效磷的空間變異特點及其影響因素的研究，可以為這一問題的解決提供重要的科學依據。早期對土壤養分空間變異性的研究不很成熟，如對K、P的研究側重于其塊金系數和空間自相關尺度的測定，而很少將其與精確農業結合起來進行土壤田間養分的精確管理，探究其含量變化與作物產量間的空間相關關系。近年來，學者們在這方面做了大量的工作，其中Simmelsgaard等研究了植被和土壤參數下的N、P、K的精確施肥，來判斷施肥后一定精度下作物產量的反饋和變化。Ferguson等根據土壤間隔采樣、土壤地形、玉米產量圖和遙感技術4種方法結合而產生N素含量圖來對玉米地進行特定N素管理。Shiel等通過密集土壤采樣生成的土壤P、K含量圖，利用作物產量和營養指數的光滑等值圖，分析了P肥和K肥的含量與作物產量間的關系，并將其應用于施肥推薦中。國內楊俐蘋等應用地理信息系統結合土壤狀況探討了一定農業生產條件下棉田土壤養分空間變異及其在推薦施肥中的應用。上世紀80 年代中期以來，我國一些學者將地統計學和地理信息系統結合起來，在土壤屬性的空間變異性方面做出了有益的探索，但在土壤養分的空間變異研究方面尚處于起步階段，尤其對于農田土壤速效養分空間變異的研究鮮有報道。近年來,隨著地理信息系統的廣泛應用和土壤科學的發展，利用地統計學,并結合GIS 技術來研究土壤性質的空間變異成為土壤學研究的熱點，也取得了很好的成果[9-11]。

本文運用GIS 與地統計學相結合的方法，在高采樣密度下，探討眉山市東坡區耕層土壤有效磷空間變異特征，結合眉山市東坡區的具體情況，對土壤有效磷含量的影響因子作出分析，以期為提高區域農田土壤質量和農作物的施肥提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

眉山市東坡區(103°30′-103°59′E，29°51′-30°16′N)位于四川成都平原西南邊緣，面積1331km2。該區地處岷江中上游，地形地貌以平壩、淺丘臺地為主，主要成土母質為洪積物、坡積物和黃土母質，土壤以沖積土、紫色土、黃壤和水稻土為主，主產水稻、油菜、小麥和蔬菜，多為一年兩熟。該區具有亞熱帶濕潤季風氣候的特點，年均氣溫17.2℃，年均日照1193 h，年均無霜期315d，年平均降雨量1057.5mm，降水一般集中在7～8月。

1.2 土樣采集

根據四川省《測土配方施肥技術規程》(DB51/T-2006))的規定確定采樣單元，在保證土壤樣品代表性的前提下，平均每35 hm2布設1個采樣點，在人為活動強烈的平原地區加密布點。每個土樣以取土點為中心，在10 m半徑內取5～10個耕層(0～20cm)土樣混合而成，同時用GPS (Garmin 72)記錄中心點的位置，全區域共采集土樣3859個(圖1)，采樣時間為2007年，由4個小組在全區23個鄉(鎮)同時進行。

圖1 土樣采集點分布圖 圖2 東坡區行政區劃圖

1.3 樣品處理

將采集的樣本進行風干處理后，研磨并全部通過2mm篩，備用。土樣中有效磷用0.5mol/L碳酸氫鈉浸提，采用鉬銻抗比色法測定[12]。

1.4 數據處理

1.4.1 地統計學方法 利用半方差函數的相關參數對土壤有效磷進行空間分析[13]。其中，半方差函數的塊金值、基臺值和變程等參數可以表示區域化變量在一定范圍內和尺度下的空間變異和相關程度，它既是研究土壤理化特性空間變異性的關鍵，同時也是進行Kriging插值的基礎。半方差函數計算公式如下：

式中r(h)為間隔距離h的半方差，也是以h為間距所有觀測點的成對數目，N(h)是間距為h的計算對數,z(xi)和z(xi+h)分別是區域化變量z(x)

和z(x+h)在空間位置xi和xi+h處的實測值。由此可以得到實驗半方差函數散點圖，對實驗半方差函數散點圖進行擬合，得到半方差函數的最佳理論模型。

1.4.2 軟件平臺SPSS13.0——描述性統計分析、方差分析；GS+5.3——半方差函數分析；ArcGIS9.3——數字化地圖、普通克里格插值 。

2 結果與分析

2.1 耕層土壤有效磷統計特征分析

為了解土壤實測樣本的描述統計特征，計算了總體樣本的基本統計參數。由表 1 可知，土壤有效磷的變異系數為87.43%，屬于中等變異強度。 土壤實測樣本中最小值、最大值分別為0.10和80.60mg/kg，極差較大，表明該區域在施肥方面沒有根據土壤的肥力均衡施肥，而且可能存在盲目平均施肥，導致耕層土壤有效磷含量偏低或者過剩。

表1 東坡區土壤有效磷描述性統計

2.2 耕層土壤有效磷含量的空間結構分析

土壤特性空間結構分析的關鍵是擬合出精度較高的半方差函數模型，在選擇模型時，要根據模型的參數值，從中選出最優模型(如表2)[14]。表2中的C0為塊金值，表示由隨機部分引起的空間異質性，C+C0為基臺值，表示系統內總的變異。在土壤有效磷進行擬合時，得到有效磷的塊金值與基臺值，保證其變量在采樣條件下的空間相關性。塊金值與基臺值之比可以揭示空間變量的相關程度，若比值<25%，表明變量空間相關性強烈，且主要受結構性因子影響；若比值>75%，表明變量的空間相關性很弱，且主要受隨機性因子影響[14]。

如表2所示，得到3個模型的空間模擬相關參數，可以看出有效磷在步長為2778m范圍內，土壤有效磷的分布受到了結構性因子和隨機性因子的共同影響。當變程在930m時，塊金值與基臺值之比為50%，則表明土壤有效磷的分布受到結構性因子和隨機性因子的影響是均衡的；而當變程在260m和2250m時，塊金值與基臺值之比分別為93.9%和80.0%，說明隨機性因子對土壤有效磷分布的影響比結構性因子對其的影響大。在對比決定系數(R2)和殘差(RSS)中，決定系數趨近于1，并且在決定系數一定的情況下，殘差越小越好，由此，從表2中可以看出，指數模型是最優的理論模型。因此，在指數模型中，土壤有效磷含量具有強烈的空間相關性。

表2 土壤有效磷半方差函數理論模型及有關參數

2.3 耕層土壤有效磷的空間變異特征

土壤有效磷含量符合對數正態分布，指數模型中進行交互檢驗結果表明，土壤有效磷含量半方差函數的標準化均方根誤差為1.0487，說明選用的模型預測結果準確性較高，這與空間相關性的強弱相吻合。根據全國第2次土壤詳查分級標準，將土壤有效磷含量分為6個等級(表3)。

表3 有效磷含量分類等級

為了更加直觀地反應土壤有效磷的空間變異特征，根據所得到的半方差函數模型，利用Kriging最優內插法，繪制了養分空間插值圖。從空間插值圖看出，土壤有效磷含量分布上具有斑塊狀的分布格局，從東北地區到西南地區，總體上趨勢是持續升高，其中東北部地區有2個斑塊有效磷含量較低，岷江河邊土壤有效磷含量較高，有效磷含量最高的部分是南部的松江鎮、中部的崇禮鎮、北部的太和鎮、西南部的修文鎮和三蘇鄉、西部的廣濟鄉。另外，按照表3的劃分標準，眉山市東坡區土壤有效磷含量共有極缺、很缺、缺乏、中等、豐富、很豐富6個等級，且從圖3中可以看出，東北部土壤有效磷含量主要是缺乏、很缺、極缺等3個等級，占總面積的23.50%；中北部、中部和東部土壤有效磷含量中等，占總面積的62.02%，西部個別鄉鎮和岷江河邊土壤有效磷含量豐富，占總面積的14.47%。因此，眉山市東坡區耕層土壤供磷水平中等偏下，還需要繼續推廣測土配方施肥，引導農民科學施肥、均衡施肥。同時，土壤普查資料顯示，土壤有效磷含量的主要變化方向也是區域內土壤類型、地形地貌及成土母質變化較為集中的幾個方向。

圖3 土壤有效磷含量空間分布圖

2.4 耕層土壤有效磷空間變異的影響因素分析

土壤有效磷空間結構分析顯示，土壤有效磷的空間變異受到結構性因子和隨機性因子的共同影響。調查資料顯示，區內的成土母質、地貌類型、有機肥施用量、種植制度及耕作方式都存在明顯差異。因此，本研究選擇成土母質、地貌類型作為結構性因子，選擇有機肥施用量、種植制度多個指標作為隨機性因子，探討其對土壤耕層有效磷含量空間變異的影響。

2.4.1 成土母質的影響 巖石礦物經過風化作用產生的土壤母質是土壤形成的物質基礎，也是土壤肥力的最根本來源,其對于土壤肥力的形成具有舉足輕重的作用[15]。成土母質既是土壤的骨架，又是植物礦質養料元素的最初來源，因此直接影響著土壤的物理、化學性質組成和土壤成土過程的性質，影響著土壤中有效磷的積累和淋失。對研究區域中主要的6種成土母質進行描述性統計分析(表4),結果顯示：不同成土母質土壤中有效磷的含量存在明顯差異；土壤有效磷的均值比較是：由沖積物所形成的母質>由沉積物形成的母質>由殘積物形成的母質>由坡積物形成的母質>由洪積物形成的母質>由黃土母質形成的母質。圖3顯示，松江鎮、崇禮鎮、太和鎮土壤有效磷含量最高，其土壤是沖積物所形成的，根據全國第2次土壤普查的資料，沖積物為近代河流沖積與洪積層，具有二元結構，下部為河床相礫石層，物質來源于石灰巖和紫色鈣質砂泥巖，質地輕，肥沃，土壤中有效磷含量較高，供磷能力強。尚義鎮、悅興鎮和土地鄉部分地區土壤有效磷含量最低，其土壤是黃土母質所形成的，由于黃土母質易侵蝕，黃土地區容易發生水土流失，所以土壤中有效磷流失較為嚴重，含量低。上述分析可以表明，成土母質是土壤有效磷空間變異的重要因素。

表4 不同母質對土壤有效磷含量的描述性統計分析

2.4.2 地貌類型的影響 不同的地形條件影響著水分在自然界的重新分配及人類活動的頻度，導致土壤養分含量因地形條件變化而產生差異[16]。同時，在成土過程中，地形是影響土壤和環境之間進行物質、能量交換的1個重要條件，它與母質、生物、氣候等因素的作用不同，不提供任何新的物質，但影響著土壤的形成、發育和分化。統計分析表明(表5)，丘陵地區土壤耕層有效磷含量均值高于平原地區土壤有效磷含量，可能是由于平原地區1年內要種植兩季以上的農作物，磷肥消耗較大，而丘陵地區較少開墾種植。因此原因，在東坡區的區域內，丘陵地區的供磷能力大于平原地區的供磷能力。

表5 不同地形地貌對土壤有效磷含量的統計分析(mg/kg)

2.4.3 施肥管理 目前，中國廣大農村的畜禽養殖戶，普遍以露天堆肥后作為有機肥使用的方式來處理畜禽糞便[17]。根據調查資料顯示，東坡區的主要農作物是水稻、玉米、油菜，其施用肥料大多以有機肥為主，配合施用復合肥。在進行空間插值圖上，選取土壤有效磷含量差異較大的區域進行對比發現：尚義鎮的黃廟村、人民村、順河村等地區，土壤有效磷的含量均在10mg/kg以下；而在太和鎮新江村、仙橋村等地區土壤有效磷的含量在20mg/kg以上。據調查，產生這種差異的原因可能是施肥方式不同，尚義鎮的幾個村采取的是單一施用有機肥或者磷肥，且施肥量較小；而太和鎮的幾個村除了施用有機肥外，還常年進行秸稈還田，有效磷容易積累。因此，不同地區之間施肥管理上的不同，也會對土壤有效磷含量空間變異產生深遠影響。

2.4.4 種植制度 種植制度也是影響土壤有效磷含量空間變異的主要因素之一[18]。在各項農業基礎設施完善，灌溉條件、交通便利等相同的條件下，常年生與一年三熟的種植制度的耕層土壤有效磷的含量最高(如表6所示)，這主要得益于土壤的施肥次數，且玉米的根系相對其它作物而言比較龐大，還田后有機質增加，磷也會相應增加。在一年兩熟或者一年一熟的種植制度下，耕層土壤有效磷含量值相對較低，其主要作物為水稻。雖然磷素是水稻生長中必不可少的元素，但由于稻田長期被水淹浸，會造成了水稻田土壤中有效磷的流失或者被轉化利用[19]；同時，由于磷肥在土壤中有較大的累積效應，殘留的磷肥終將被水稻、油菜等農作物利用，最終導致土壤的供磷水平處于中等水平。只有在連續足量施磷條件下，土壤有效磷含量才會基本保持穩定或不斷提高。

表6 不同種植制度對土壤有效磷含量的描述性統計分析

3 結論

(1) 眉山市東坡區土壤有效磷含量具有強烈的空間相關性，屬于中等變異強度，受到結構性因子和隨機性因子的共同影響。由養分空間插值圖可知，土壤有效磷含量具有條帶狀的分布格局，從東北地區到西南地區，總體上趨勢是持續升高。

(2)成土母質、地貌類型、施肥管理和種植制度均會對土壤有效磷含量產生影響，土壤有效磷含量空間相關性受以上因素的共同影響。

[1] Sharp leyA N,Chap ra S C,W edepoh lR，etal.Managingagriculturalphosphorusforprotectionofsurfacewaters:issuesandoptions[J].J.Environ1Qual,1994,23: 437-451.

[2]SharpleyAN,DanielTC,LemunyonJL.Agriculturalphosphorusandeutrophication:asymposiumoverview[J].J.Environ.Qual,1998,27: 251- 257.

[3]郭曉冬,楊玲,張雪琴.甘肅省主要耕地土壤磷素形態及其有效性研究[J].土壤通報,1998,29 (3) : 119-122.

[4]高超,張桃林,吳蔚東.農田土壤中的磷向水體釋放的風險評價[J].環境科學學報,2001,21 (3) : 344-349.

[5]王紅旗,舒艷,王亞男.污水土地處理磷污染物遷移轉化模擬討論分城市環境與城市生態[J]. 環境科學學報,2002,15 (4) : 36-38.

[6]TurnerBL,McKelvieID，HaygarthPM.Characterisationofwater-extractablesoilorganicphosphorusbyphosphatasehydrolysis[J].SoilBiology&Biochemistry,2002,34: 27-35.

[7]胡靄堂.植物營養學[M].北京:北京農業大學出版社,1995.48-53.

[8]劉付程,史學正,潘賢章,等.太湖流域典型地區土壤磷素含量的空間變異特征[J].科學出版社,2003,23 (1) :77-81.

[9]張慶利,史學正,潘賢章,等.江蘇省金壇市土壤肥力的時空變化特征[J].土壤學報,2004,41 (2) :315-319.

[10]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—變異函數與Kriging插值分析[J].地理學報,2000,55(5) :555-566.

[11]張世熔,黃元仿,李保國,等.黃淮海沖積平原區土壤有效磷、鉀的時空變異特征[J].植物營養與肥料學報,2003,9 (1) :3-8.

[12]魯如坤.土壤農業化學分析方法[M].北京:中國農業科技出版社,2000.

[13]姜勇,莊秋麗,梁文舉,等.空間變異在土壤特性長期定位觀測及取樣中的應用[J].土壤通報,2005, 32(4):531-535.

[14]龐夙,李廷軒,王永東,等.土壤速效氮、磷、鉀含量空間變異特征及其影響因子[J].植物營養與肥料學報,2009,15(1):114-120.

[15]李忠武,羅霄,黃金權,等.紅壤丘陵區不同成土母質發育稻田土壤的肥力特性[J].湖南大學學報(自然科學版),2009,36(9):73-77.

[16]黃雙雙,張世熔,毛竹,等.基于GIS的城鄉交錯帶土壤養分空間特征研究—以洪雅縣為例[J].安徽農業科學，2007,35(8):2332-2335.

[17]張建杰,張強,楊治平,等.山西臨汾盆地土壤有機質和全氮的空間變異特征及其影響因素[J].土壤通報,2010,41(4):839-844.

[18]龐夙,李廷軒,王永東,等.縣域農田土壤銅、鋅、鉻含量空間變異特征及其影響因子分析[J].中國農業科學,2010,43(4):737-743.

[19]謝修鴻,崔悅宏.水稻土磷素分配特征及施肥對其影響的研究[J].安徽農業科學, 2007,35(21):6500- 6502.