黃山市土壤主要養分含量空間分布特征及影響因素

王曉玉+何方

摘 要：該文以安徽省黃山市為研究對象，應用地統計學和GIS技術研究土壤養分（有機質、有效磷、速效鉀）的空間分布特征及影響因子。結果表明：有機質和速效鉀的變異系數均介于0.1～1之間，屬中等變異，有效磷的變異系數>1，屬較強變異。地統計分析表明，3種土壤養分均呈現較強的空間自相關性，說明結構因素是其主導因素。普通Kriging插值結果表明，黃山市有機質含量從西南至東部逐漸減小，并呈片狀分布。有效磷的空間分布為從南到北，由東至西逐漸減小。速效鉀則呈現低值區片狀分布，高值區斑塊狀分布的趨勢?？傮w來說土壤類型、質地和坡度對養分均有顯著影響。研究結果可為黃山市合理施肥，提高土壤肥力提供科學有效的依據。

關鍵詞：黃山市；土壤養分；空間變異；地統計學；影響因素

中圖分類號 S158.3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2015）08-73-05

Spatial Distribution and Influencing Factors of Soil Nutrient Index in Huangshan City

Wang Xiaoyu et al.

（School of Resources and Environment，Anhui Agriculture University， Hefei 230036， China）

Abstract：The research was done in Huangshan City， Anhui Province.This paper offers a research into the spatial distribution characteristics of soil nutrient and the influence factors by means of geostatistics and GIS technology.The results show that：organic matter and available potassium， with the coefficient of variation between 0.1～1， belong to the category of intermediate variability； the available phosphorus， with the coefficient of variation of>1，belongs to the strong variability.According to the geostatistical analysis， the three soil nutrients are possessed of strong spatial autocorrelation， indicating that the structural factor is the dominant one.The ordinary Kriging interpolation results reveal that the content of organic matters in Huangshan City gradually decreases from the southwest to east and displays sheet distribution.The spatial distribution of available phosphorus also reduces from south to north and from east to west.The available potassium displays flaky distribution in areas with low content but patchy distribution in areas with high content.Generally speaking， the soil type， soil texture and slope will exert obvious influence on the distribution of nutrients.The results of this research could provide scientific and effective basis for the rational fertilization and increase in soil fertility in Huangshan City.

Key Words：Huangshan City；Soil nutrient；Patial variability；Geostatistics；Influencing factor

土壤是自然界中復雜的綜合體之一，其內部的結構、性質等都存在著突出的空間異質性， 即使是相鄰的土壤其性質也存在強烈變異[1]。其中土壤養分是土壤生態系統中的重要組成部分，它不僅為植物提供生長所必須的營養元素，而且能夠直接地影響土壤的健康狀況。

地統計學是在傳統統計學基礎上發展起來的以區域化變量理論（Regionalized variable theory）為基礎，以半方差函數為基本工具的一種空間分析方法[2]。其不僅能夠準確有效地反映出屬性變量在空間上的分布、變異和相關特征，而且可以有效的解釋空間格局對生態過程與功能的影響[3]。當今，隨著“精準農業”（Precision Agriculture）的不斷發展，地統計學的研究方法已廣泛應用于土壤養分空間分布定量分析以及空間變異特征的研究中。如Davis.JG等針對土壤pH、有效磷、交換性鹽基和有機質等養分的空間變異性進行了研究，獲得了土壤主要化學性質的空間變異模型[4]。Cordora等對其研究區內土壤氮的空間分布進行分析，認為施肥等隨機因素是影響土壤氮素空間變異的主要影響因素[5]。周慧平等將地理信息系統與地統計學結合，對巢湖流域的土壤全磷的空間變異特征進行了分析研究，揭示了流域范圍內土壤全磷空間變異受到隨機因素和結構性因素的共同作用[6]，然而有關山區土壤養分空間變異特征及其影響因素的研究鮮有報道。因此，本文以皖南黃山地區為研究對象，采用地統計學和GIS技術相結合的方法，分析該區土壤有機質、有效磷及速效鉀的空間變異規律，并著重分析土壤類型、耕層質地和地形因子對其空間變異的影響，從而為進一步提高黃山地區的土壤質量與肥力提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況 黃山市位于安徽省最南端，介于東經117°02′～118°55′和北緯29°24′～30°24′之間。是一個“八山半水半分田，一分道路和莊園”的山區城市，總面積9 807km2，下轄屯溪區、徽州區、黃山區、歙縣、黟縣、休寧縣、祁門縣3區4縣（圖1），全市總人口148.60萬人，其中農業人口98.63萬人。全市共有農用地894 330hm2，其中耕地63 372hm2。其地處中亞熱帶濕潤季風氣候，溫和多雨，四季分明。全年平均氣溫15～16℃，大部分地區冬無嚴寒，無霜期236d。平均年降水量1 670mm，最高達2 708mm。降水多集中于5～8月，水熱資源十分豐富。黃山市共有9個土類（紅壤、黃壤、黃棕壤、石質土、石灰（巖）土、紫色土、潮土、水稻土及粗骨土），33個土屬和45個土種。其中，低山地大部分為黃壤，山地黃棕壤，土層較厚，石礫含量較高，透水透氣性能良好，肥力較高，有利于木、茶葉、桑和藥材生長。丘陵地帶多為紅壤和紫色土，質地粘重，酸性，肥力很差，但光熱條件好，適宜櫟松、油茶等生長，山麓盆地與平原谷地多砂壤土、溪河兩岸多沖積土，適用于農業耕作[7]。

1.2 研究方法

1.2.1 采樣點的確定與樣品分析 本文應用ArcGIS9.3中的Creat Random Points功能對黃山市2008年以來開展的測土配方施肥與地力評價工作中采集的約48 000個采樣點進行了隨機抽樣，共生成了1 051個樣點，并均勻的分布于整個研究區（圖1）。本研究中的土壤樣品分析是由黃山市當地各土肥站測定完成，其土壤樣品按《測土配方施肥技術規范（2011年修訂版）》[8]進行分析測定。

1.2.2 數據處理與統計分析 應用SPSS 17.0對黃山市地力評價中土壤養分（有機質、有效磷和速效鉀）數據進行描述性統計分析，并對其進行了K-S檢驗，檢驗數據是否符合正態分布，如不符合，則需對數據進行轉換以便于進一步統計分析[9-10]。利用GS+9.0對研究數據進行半方差分析和擬合，依據變異函數理論模型參數，以探索黃山地區土壤養分的空間異質性。利用Arcgis9.3進行克里格（Kriging）空間局部插值，生成各養分的空間分布圖。本研究為了定量分析影響土壤養分空間分布的主要因素，采用了方差分析法和多重比較法，分別分析了土壤類型、耕層質地和坡度因子對土壤養分的影響。

圖1 采樣點分布

2 結果與分析

2.1 描述性統計分析 由表1可以看出，土壤有機質的平均含量是30.69g/kg，變化范圍為1.95～66.10g/kg，根據全國土壤養分含量分級標準（表2）可以看出，黃山市的土壤有機質含量平均水平為二級，含量變化跨度為1～6級，由此可見黃山市的有機質含量屬于中等水平。而有效磷含量的變化范圍為1.70～410.00mg/kg，平均值為24.58mg/kg，屬于二級水平，說明與全國平均水平相比較，黃山市的有效磷含量較高。土壤速效鉀的平均值為81.75mg/kg，屬于四級水平，變化范圍為15.00～544.00mg/kg，跨越了1～6級，說明研究區的速效鉀含量處于中等偏低水平。

表1 土壤養分的描述性統計

[土壤養分分析＼&有機質（g/kg）＼&有效磷（mg/kg）＼&速效鉀（mg/kg）＼&樣本數＼&1501＼&1501＼&1501＼&最小值＼&1.95＼&1.70＼&15.00＼&最大值＼&66.10＼&410.00＼&544.00＼&均值＼&30.69＼&24.58＼&81.75＼&標準差＼&9.13＼&28.42＼&50.51＼&變異系數＼&29.75＼&115.62＼&61.78＼&偏度＼&0.12＼&5.55＼&3.03＼&峰度＼&0.32＼&49.34＼&16.05＼&分布類型＼&正態＼&對數正態＼&對數正態＼&]

表2 全國土壤養分含量分級標準

[土壤養分＼&有機質（g/kg）＼&有效磷（mg/kg）＼&速效鉀（mg/kg）＼&一級＼&>40＼&>40＼&>200＼&二級＼&30-40＼&20-40＼&150-200＼&三級＼&20-30＼&10-20＼&100-150＼&四級＼&10-20＼&5-10＼&50-100＼&五級＼&6-10＼&3-5＼&30-50＼&六級＼&<6＼&<3＼&<30＼&]

從變異系數角度看，由變異系數的劃分等級：變異系數<0.1為弱變異性；變異系數>1為強變異性；變異系數介于0.1～1之間為中等變異性，我們可知有機質和速效鉀屬于中等變異程度，而有效磷屬于強變異程度。正態分布檢驗表明，有機質符合正態分布，有效磷和速效鉀的原始數據均表現為右偏性、尖峰，經對對其進行數轉換后，符合正態分布，并滿足地統計學分析的要求。

2.2 土壤養分的地統計分析 地統計分析中擬合出精度較高的半變異函數模型是描述土壤養分空間結構特征的關鍵[11]。本研究選取的3種土壤養分數據都符合正態分布，可以減少模型模擬產生的誤差，滿足半變異方差函數理論模型進行土壤養分最優擬合的基礎條件。半方差分析結果中殘差和決定系數是反映模型擬合效果的最重要參數，殘差越小，決定系數越大擬合出的模型精度越高，因此，由表3我們可以看出，土壤養分指標的半方差理論模擬都是以指數模型最佳。

表3 土壤養分指標的半方差函數模型與參數

[土壤養分 ＼&理論模型＼&塊金值

（C0）＼&基臺值

（C0+C）＼&塊金值 /基臺值

（C0/（C0+C）＼&變程 （km）＼&決定系數

（R2）＼&殘差

（RSS）＼&有機質＼&指數＼&0.0020＼&0.0220＼&0.09＼&16.02＼&0.414＼&7.752×10-6＼&有效磷＼&指數＼&0.0138＼&0.1326＼&0.10＼&5.79＼&0.766＼&1.399×10-4＼&速效鉀＼&指數＼&0.0088＼&0.0524＼&0.18＼&4.44＼&0.686＼&3.051×10-4＼&]

半方差函數中塊金值代表實驗誤差和小于最小取樣尺度造成的隨機變異，較大的塊金值說明較小尺度上的某些隨機過程較為重要[12]，由表3可知，本研究的有機質、有效磷和速效鉀的塊金值C0分別為0.002、0.0138和0.0088，均小于1，證明3種養分指標在最小間距內的空間變異程度受上述過程影響較小。基臺值C0+C包括了結構性變異和隨機性變異，代表了系統內總的變異性，基臺值C0+C越大表明系統總的空間變異性越強[13]。本研究中，3種土壤養分指標的基臺值C0+C大小順序為有效磷（0.1326）>速效鉀（0.0524）>有機質（0.0220），即有效磷的空間變異性最強，而有機質空間變異性最弱，這與上文土壤養分含量變異系數的大小順序保持一致（表2）。

一般養分的系統總空間變異主要是由隨機因素（如耕作活動、種植制度、管理方式等）和結構性因素（成土母質、地形因子、土壤類型等）共同作用。塊金系數（塊金值/基臺值）用于表征隨機因素造成的空間變異與系統空間總變異的比例，能直接反映出土壤養分指標的空間相關性程度[14]。塊金系數是<25%、25%～75%和>75%的數值時，分別代表空間自相關性較強、中等和較弱。本文中，土壤養分的塊金系數都<25%，均呈現較強程度的空間自相關性，說明成土母質、地形因子、土壤類型等結構因素是引起黃山地區土壤養分空間變異的主要原因。因此，這一現象也成為下文主要探討的內容。研究區中有機質的變程最大為16.02km，說明有機質的空間自相關范圍較大，而有效磷與速效鉀的變程較小，證明這2種養分在較小范圍內具有顯著的空間變異性，空間分布較為復雜。

2.3 土壤養分Kriging插值分析 利用半方差模型所得參數在ArcGIS軟件進行普通Kriging插值，得到黃山市土壤養分空間分布圖（圖2）。結合圖1和圖2我們可以看出，黃山市有機質、有效磷和速效鉀的空間分布呈現顯著性差異。有機質含量的空間分布相對集中從西南至東部有逐漸減小的趨勢，并呈片狀分布，含量最高的區域分布于祁門縣南部與黃山區中部地區，含量較低的區域主要分布于東部的歙縣范圍內，有機質含量在31.59～36.23g/kg之間的面積比例最高，與統計結果近似。有效磷與速效鉀的空間分布隨機性較強，與半方差分析結果相符合。其中有效磷的空間分布為從南到北，由東至西呈現出逐漸減小的趨勢。根據國家土壤養分含量分級標準，有效磷高值區較多并且分布相對集中，成片狀分布于黃山市南部，而低值區相對分散，呈斑塊狀分布于黃山區北部和西北部、歙縣北部、祁門縣東部以及徽州區東部等。速效鉀空間分布的呈現低值區片狀分布，高值區斑塊狀分布的趨勢，整體上需適量加強鉀肥的投入量。

（a）有機質

（b）有效磷

（c）速效鉀

圖2 黃山市養分空間插值

2.4 土壤屬性空間分布影響因素分析 前文已初步揭示出結構性因素對土壤有機質、有效磷和速效鉀的空間變異起主導作用。為進一步探討各影響因素對土壤養分空間變異的內在機制，本文選取研究區空間差異較為明顯的土壤類型、耕層質地和地形因子3個因素進行研究分析。

2.4.1 土壤類型 黃山市共有9種土壤類型，本研究選取了具有代表性并且在耕地面積中所占面積較大的3種土壤類型（紅壤、水稻土和紫色土）進行分析。由表4可知，在3種土壤類型下有機質、有效磷和速效鉀的含量存在明顯的差異性，其中水稻土的有機質的平均含量最高，其次是紅壤，含量最低的是紫色土。研究區內的水稻土成土母質主要為泥巖類殘積物、沖積物以及洪積物等，該土類的形成過程是還原淋溶、氧化淀積和水耕熟化的發展過程，土壤質地偏粘，故有機質的含量最高。紅壤成土母質多為巖類殘積坡積物等，質地多為壤粘土，故有機質含量處于中等水平。本研究區的紫色土成土母質多為中性砂巖殘積物，土層一般較薄，土壤剖面層次分異不明顯，土壤有機質礦化速度快，因此有機質含量較低。而對于其它土壤養分，紅壤有效磷平均含量最高，水稻土最低；紫色土速效鉀平均含量最高，水稻土最低。

表4 不同土壤類型下土壤養分含量

[土壤類型＼&樣本數＼&有機質

（均值±標準差）＼&有效磷

（均值±標準差）＼&速效鉀

（均值±標準差）＼&紅壤＼&103＼&27.72±8.38b＼&36.61±36.31a＼&101.90±55.89a＼&水稻土＼&1311＼&31.30±8.95a＼&23.34±25.73b＼&78.80±47.15b＼&紫色土＼&69＼&23.76±9.31c＼&29.78±49.75a＼&106.39±84.14a＼&]

注：同一列數據后小寫字母不同者表示差異顯著（P<0.05）

2.4.2 耕層質地 由表5可知，耕層質地對土壤養分含量的影響較為明顯，其中不同質地下有機質平均含量的排列如下：重壤>粘土>輕壤>中壤 >砂壤。從總體上來看，有機質含量隨著耕地質地由砂變粘而有所升高。這是由于性質較為粘重的土壤其本身具有的透氣透水性較差等特點，使得動植物等殘體在土壤中易于降解，因此有機質含量較高。而由于砂質土壤蓄水能力弱，保肥能力差，土溫變化快，透氣和透水性強，因此有機質含量較低[15-17]。另外，粘土的有機質平均含量高于中壤和輕壤，其原因可能是由當地農民進行耕種是施肥不均所造成的。速效鉀的變化趨勢變現為輕壤<砂壤<粘土<中壤<重壤，其總體呈現出隨著土壤顆粒的變粗，速效鉀的含量隨之降低的趨勢，這是由于砂質土壤一般是由礦物質含量較低花崗巖形成，故含量較低，而粘質和壤質土多是由富含鉀鎂等礦質元素的礦物形成，故含量較高[18]。本研究中的有效磷沒有很明顯的變化趨勢，說明質地對有效磷的影響并不顯著。

表5 不同耕層質地下土壤養分含量

[耕層質地＼&樣本數＼&有機質

（均值±標準差）＼&有效磷

（均值±標準差）＼&速效鉀

（均值±標準差）＼&砂壤＼&156＼&27.41±9.76c＼&25.39±22.62a＼&78.37±46.20b＼&重壤＼&345＼&34.13±8.83ab＼&20.21±24.91a＼&93.35±59.09a＼&粘土＼&115＼&31.42±8.60b＼&24.15±25.69a＼&79.02±40.13ab＼&中壤＼&430＼&28.55±8.16c＼&26.93±31.45a＼&80.25±53.13ab＼&輕壤＼&447＼&30.98±9.03bc＼&25.57±30.22a＼&76.34±43.13b＼&]

注：同一列數據后小寫字母不同者表示差異顯著（P<0.05）

2.4.3 坡度 利用DEM數據對研究區的坡度信息進行提取，并將采樣點分為3組：<3°、3°～15°、≥15°（表6）。并由表6可知，在3°～15°時土壤有機質平均含量最高，其次是<3°，最低的為≥15°。出現這種現象是由于研究區在3°～15°時，植被茂盛，有利于土壤有機質累積，并且有研究結果表明，具有一定傾斜度的平地是有利于土壤有機質的積累[19]，故有機質在3°～15°時含量最高。而坡度≥15°是有機質降低，這是由于研究區茶樹種植密度隨坡度的增大呈上升趨勢，坡度較大的區域茶樹生長對養分的消耗增大，而有機養分的供給又相對不足，造成有機質含量降低。有效磷和速效鉀的平均含量最高的均出現在坡度為≥15°的土地中，最低的為坡度<3°。這是由于研究區≥15°時，土壤質地中壤和重壤的面積較大，這與表6所得出的結論相符。

表6 不同坡度下土壤養分含量

[坡度＼&樣本數＼&有機質

（均值±標準差）＼&有效磷

（均值±標準差）＼&速效鉀

（均值±標準差）＼&<3°＼&562＼&30.29±8.95a＼&23.62±31.02b＼&79.67±49.93b＼&3°～15°＼&816＼&31.25±9.25a＼&24.46±25.13a＼&80.59±46.66b＼&≥15°＼&123＼&28.84±8.90b＼&29.83±35.43a＼&99.02±70.95a＼&]

注：同一列數據后小寫字母不同者表示差異顯著（P<0.05）

3 結論

本文采用地統計學和GIS技術相結合的方法對安徽省黃山市土壤養分的空間變異特征及其影響因素進行了研究分析，得到如下結論：

（1）由描述性統計分析可知，研究區內有機質的平均含量為30.69g/kg，屬于中等水平，變異程度屬于中等變異；有效磷平均含量為24.58mg/kg，屬于二級水平，其變異程度較強；速效鉀的平均含量為81.75mg/kg，屬于中等偏低水平，變異程度中等。

（2）地統計分析表明，3種土壤養分均用指數模型擬合較好，其空間變異性為有效磷>速效鉀>有機質，并且3種養分的塊金系數均<25%，其均表現出較強的空間自相關，說明成土母質、地形因子、土壤類型等結構因素是引起黃山地區土壤養分空間變異的主要原因。

（3）普通Kriging插值結果表明，黃山市有機質、有效磷和速效鉀的空間分布呈現出顯著性差異。有機質含量的空間分布相對集中從西南至東部有逐漸減小的趨勢，并呈片狀分布。有效磷的空間分布為從南到北。速效鉀空間分布的呈現低值區片狀分布，高值區斑塊狀分布的趨勢。

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（責編：張長青）