渭—庫河綠洲植棉土壤有機質及鹽分之間的相關性分析

玉蘇甫·買買提　蘇熱艷·玉蘇甫江　買合皮熱提·吾拉木

摘要 [目的] 為了實現提高施肥的精度，減少浪費和保護農業資源和環境質量。[方法] 在野外取樣、GPS定位、樣品分析的基礎上，獲取土壤樣品的理化性質等監測數據。在SPSS和GS+的支持下，運用統計分析、相關分析等方法， 以渭-庫河綠洲植棉土研究對象，分析耕層土壤有機質現狀及其與鹽分之間的相關特性。[結果]渭-庫河綠洲植棉土有機質平均含量為15.81～17.65 g/kg，鹽分為3.17～3.42 g/kg；有機質的變異系數介于13.87%～16.19%，鹽分的變異系數介于57.10%～61.99%；有機質與鹽分離子在各個土層中相關特征不一，其在中層土壤中與Mg2+具有顯著性負相關；空間自相關分析表明，有機質的空間結構優于全鹽，且二者不論在哪個土層，各自的空間相關性差異不大。[結論]研究區植棉土壤不同土層有機質含量在表層、中層、底層其變異系數依次為16.19%、13.87%、14.28%，表層有機質變異強度最大，底層次之，中層有機質變異最小。鹽離子在各個土層變異系數有差異，沒有明顯特征規律。有機質與HCO3-、Cl-、SO2-4、Ca2+、K++Na+等鹽離子在表層、中層均具有不同程度的相關特征，但相關性不明顯。在表層、中層、底層土壤中有機質含量依次為8.58%、6.29%、6.09%，具有遞減趨勢特征；鹽分在土壤表層、中層、底層的含量依次為3.32、3.42、3.21 g/k，各土層鹽分的含量相差甚小，與土壤層次的相關性不明顯。有機質的分維數大小排列為中層>底層>表層。不同土壤層級中全鹽的空間分維數依次是底層>表層>中層。

關鍵詞 植棉土壤；有機質；鹽分；相關分析；渭-庫河綠洲

中圖分類號 S136 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）20-103-04

Abstract [Objective] The research aimed to improve the accuracy of fertilization， reduce waste and protect agricultural resources and environmental quality. [Method] Based on the field sampling， GPS positioning and sample analysis， the data of physical and chemical properties of soil samples was obtained. By the support of SPSS and GS+， the methods of statistical analysis and correlation analysis were used. UganKuqa river delta oasis cotton soil was study objects，and the correlation analysis was made between soil organic matter and salinity，spatial correlation.[Result] The average content of soil organic matter in the study area was 15.81-17.65g/kg， and salt was 3.17-3.42g/kg. The coefficient of variation of organic matter was 13.87% -16.19%， and the coefficient of variation of salt was 57.10% -61.99%. Relevant characteristics of organic matter and soil salt ions in each soil lay was different， and in the middle of its soil and Mg2+ had a significant negative correlation. Spatial auto correlation analysis showed that the spatial structure of organic matter was better than the whole salt. And they in any soil layer had little differences. [Conclusion] The organic matter variation coefficient of different soil layers in surface layer of research area was 16.19%， middle layer was 13.87% and bottom layer was14.28%. The variation of surface organic matter was the biggest， followed by bottom layer， and middle layer was the smallest. the variation coefficient of salt ions in different soil layers had the difference， and characteristic rule weren′t obvious. Organic matter and HCO3-， Cl-， SO2-4， Ca2+ and K++Na+ salt ions had different degrees of correlation in the surface and middle layer， but it wasnt obvious . The contents of organic matter in the surface， middle and bottom soil were 8.58%， 6.29% and 6.09%，showing the decreasing trend.The content of salt in the soil surface， middle， and bottom was 3.32， 3.42 and 3.21 g/kg.The content was very little. The order of fractal dimension of organic matter was middle layer>bottom layer>surface layer.The order of spatial fractal dimension of total salt in different soil levels was bottom layer>surface layer>middle layer.

Key words Correlation analysis； Organic matter； Salinity； Ugan-Kuqa River Delta Oasis

土壤是由不同的礦物質成分所構成的具有一定肥力且能夠生長植物的歷史自然體，是人類生存發展的不可或缺的自然資源。它具有固體、液體和氣體三類形態，富含礦物質、有機質和微生物等[1]。土壤在形成與發育過程中往往與周圍環境因素有一定的聯系。自然因素如成土母質、地質地形、氣候、生物、水文等往往形成土壤主體特性[2]，而人為活動如耕種、輪作、培肥、開荒等具有隨機性和不確定性，則會加速土壤性質的異化發生[3]。土壤養分的相關特性研究是揭示土壤養分空間結構特征，闡釋土壤形成機制的重要基礎[4]。將復雜的土壤養分信息進行定量化的表達，對于實現提高施肥的精度，減少浪費和保護農業資源和環境質量，從而促進農業的可持續發展極為必要。同時，基于土壤性質相關特性和空間變異性的研究可以為建立土壤數據庫以及以后的研究、實踐提供寶貴的數據，特別是對提高干旱荒漠區的土地利用效率和改善種植制度等具有重要的理論意義和現實意義[5]。自20世紀60年代以來，隨著地統計學的不斷深入發展且成功應用于土壤養分性質研究，人們對土壤養分的結構特性和空間特性有深刻的認識，不過大部分研究主要停留在對土壤空間特性的描述上[6-7]。Pbell首先采用地統計學方法，分析了兩個土壤制圖單元砂礫土的pH分布特征及其空間變異；Bunamoco運用多變量地統計學探討了土壤水分與土壤空氣之間轉換聯系；Matthew等[8]探索了濕地土壤養分的相關特性在不同強度的人為活動干擾下變化趨勢。通過該類的實證研究，發現中小尺度范圍內土壤結構各養分具有空間關聯的特征。國外的研究注重系統性的理論結構，疊加自然科學與人文科學的學科特性，從地球化學、地球物理學、生物學等角度深入研究土壤養分相關性與變異性的本質來源，闡釋土壤各類養分與自然要素之間的反饋作用，并且取得一定的成果。國內研究起步稍晚，目前集中于土壤水分、機械組成、容重等方面，對土壤養分相關性的原理研究較少，日趨向應用方向轉移[9]，更加側重于以人—地關系為主線，基于養分的相關特性與變異結構探討優化土壤養分分布，合理規劃農業結構，促進農業可持續發展。這些研究有助于加深對土壤發生于生態過程之間的關系認識，明確環境因素對土壤的反饋機理，也為精耕細作技術提供新思路[10]。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

渭干河-庫車河三角洲綠洲（渭-庫綠洲，圖1）位于我國西北新疆，地處天山南麓向塔里木盆地平原的北部，地理坐標為 81°28′30″～84°5′6″ E，39°29′51″～42°38′1″N，海拔1 500～2 000 m，渭–庫綠洲自西北山地向東南盆地傾斜，東西延伸194 km，南北跨距322 km，總面積達53 500 km2，其中平原、山地各占 52.5%、47.5%[11]。該區地貌形態特性明顯，綠州平原、沖擊平原與山地呈南北分列，平原高度在940～980 m之間，山地地區高差差距較大。該平原由庫車河水系沉積形成，綠洲面積狹小且呈零星分布，大部分地區是荒漠鹽堿灘。該綠洲位于中緯度地區，遠離海洋，大陸性暖溫帶干旱氣候顯著，具有冬冷夏熱、氣溫變化大、降水稀少、蒸發量大、氣候干燥、風沙頻繁等特征[12]。全區大陸性暖溫干旱氣候特征明顯，年均溫蒸發強烈，山地與平原區氣溫、降水差距明顯，整體而言氣候干燥，降水偏少，冬季綿長寒冷，夏季暖溫差異大，且多大風與沙塵天氣。該區屬于典型的綠洲灌溉農業區。豐富的光照資源與較大的日溫差有利于作物養分積累。研究區以潮土、灌淤土、灌耕棕漠土等為主，約占耕地面積96%，主要作物有小麥、棉花、早熟玉米、晚熟玉米等。區域植被以由農田作物和山地自然生長的植被構成。綜合來說，植物以鹽生植被為主，類型少，結構單一，夾雜分布于綠洲內部或耕地邊緣。

1.2 采集土樣方法

在研究區植棉土地利用類型的耕地按“S”型采樣線路進行均勻取樣，便于統計分析和數據處理。每個取樣點分別采集0～10、10～30、30～50 cm的土層樣品，共計79個點（圖2）。將土壤樣品經過風干、搗碎后，經過篩選以剔除生物腐體。采集樣品分析的土壤養分包括有機質、全鹽。樣品分析方法分別為重鉻酸鉀-外加熱法、電位法和醋酸鈉-火焰光度計法。

1.3 研究方法

通過分析和處理，剔除異常值或將異常值以均值代替；隨后，在分析—描述性統計分析中，獲取各個變量的統計值如最大值、最小值、平均值、峰度、偏度、方差，并且通過均值與方差的大小計算出各養分的變異系數；在對元數據進行相關性分析，獲得各養分之間的相關性判定矩陣，并且對養分數據進行主成分分析；最后，在—非參數檢驗—單樣本（KS）檢驗的模塊下進行正態分布檢測，將數據導入GS+9.0，對樣本數據進行空間維數分析、半方差模型分析。

2 結果與分析

2.1 土壤有機質統計分析 對土壤有機質統計學特征進行分析，得出土壤有機質的統計特征值。由表1可知，表層有機質含量介于4.20～22.4 g/kg，均值為15.81 g/kg，含量為一般水平。在SPSS 20.0的數據分析中顯示，其峰度值為2.552，偏度為-9.378，方差為2.56。土壤中層有機質含量最大值為23.8 g/kg，最小值為12.7，均值為17.38 g/kg，高于表層土壤，偏度和峰度值分別為0.47和0.49；底層土壤有機質含量介于13.7～22.6 g/kg之間，均值為17.65 g/kg，方差為2.52，峰度值為0.576，偏度為-0.704。該區表層（0～10 cm）、中層（10～30 cm）、下層（30～50 cm）土壤有機質平均值分別為15.81、17.38、17.65 g/kg；土壤有機質含量大小依次為0～10 cm土層<10～30 cm土層<30～5 cm土層。變異系數能反映隨機變量的離散程度。一般，CV ≤10%為弱變異性；10%

2.2 土壤鹽分統計分析

由表2可知，土壤中HCO-3、Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、K++Na+等含量在土壤表層、中層、底層含量各有不同，且變異系數各有差異。HCO-3的變異程度隨著土層深度的不同，數值介于35.59%～67.71%；Cl-在各層土壤變異系數分別為16.75%、39.09%、67.82%；SO2-4在各層土壤變異系數分別為55.49%、13.51%、12.82%；Ca2+的變異系數在各層土壤中分別為15.79%、91.44%、100.06%；Mg2+的變異系數在各層土壤中分別為49.75%、57.4%、77.1%；K++Na+的變異系數在各層土壤中分別為56.23%、14.81%、0.164%。

2.3 有機質和鹽分之間的相關性

土壤有機質、鹽分是土壤基本性質。筆者對渭-庫河綠洲植棉土壤有機質與鹽分之間的相關性進行分析。

由表3可知，研究區植棉土有機質與HCO-3、Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、K++Na+等鹽離子在不同的土壤深度的相關性特征不一樣。有機質與HCO-3、Cl-、SO2-4、Ca2+、K++Na+等鹽離子在表層、中層均具有不同程度的相關特征，相關性不明顯；有機質與Mg2+在底層土壤中具有明顯的負相關特征（P<0.05）。

2.4 不同土層與土壤有機質和鹽分的相關性 有機質含量是以其所占土壤養分含量的百分比進行統計的，鹽分含量則以其所在土層的含量平均值為準。由表4可知，在表層土壤（0～10 cm）、中層（10～30 cm）、底層（30～50 cm）中，有機質含量分別為8.58%、6.29%、6.09%，可見表層土壤有機質含量高于底層土壤。這主要是由于表層土壤與地表生物界面聯系密切。鹽分在土壤表層、中層、底層的含量依次為3.32、3.42、3.21 g/kg，各土層鹽分的含量相差甚小。

2.5 土壤養分空間相關性分析

2.5.1 正態分布檢驗。

運用SPSS20.0軟件下分析模塊的數據檢驗分析功能，對土壤養分數據進行單樣本K-S正態分布檢驗。由表5可知，底層土壤有機質含量數據和表層土壤鹽分數據未能通過0.05的檢驗水平，在GS+9.0中可以通過對數變換、均值變換等變換方法將不符合正態分布形式的數據進行轉置。這是因為變量屬性呈正態分布形式，才能在GS+9.0中的空間相關分析中具有良好的擬合效果。

2.5.2 有機質與鹽分的維數分析。

土壤養分的空間維數為變異函數的二階導數，是變異函數值與滯后距雙對數關系。

分維數一般與土壤養分的空間相關度呈反比，從而指示土壤養分的空間結構特征。

由表6可知，不同土層的有機質和鹽分分維數大小不一，其中底層土壤中鹽分含量的分維數最大，達到1.973，說明其間分布均一度較高，空間結構中隨機變異因素比重較大，結構性較弱，分布復雜；中層土壤中鹽分的分維數最小，為1.686，說明其空間變異分布均一性較差，隨機因素影響小，結構性好，分布相對簡單。不同土層土壤有機質的分維數大小依次為中層有機質（1.769）>底層有機質（1.782）>表層有機質（1.769）。不同土壤層級中鹽分的空間分維數依次是底層（1.973）>表層（1.789）>中層（1.686）。雖然分維數大小介于1.686～1.973之間，數值相差甚小，但是仍指示出不同層級養分的空間相關性大小。各個空間分維模型的決定系數接近于0，擬合精度較高。

2.5.3 有機質與鹽分的半方差分析。

半方差函數為變量的空間相關特性的度量，即半方差值越小，說明其分布具有強烈的空間結構性。由表7可知，表層、中層、底層土壤有機質的最佳擬合模型分別為直屬模型、高斯模型、高斯模型，其擬合精度分別達到0.983、0.929、0.965；塊金值與基臺值比分別為10.87%、31.78%、27.54%。不同層級的鹽分最佳擬合模型分別為高斯模型、球面模型、線性模型，擬合精度分別達到0.932、0.927、0.945，塊基比依次為24.86%、22.50%、21.05%。

3 結論

以采樣點的監測數據為基礎，在SPSS20.0和GS+9.0的支持下研究渭干河-庫車河綠洲耕層土壤的有機質與鹽分含量的相關特性。

（1）研究區耕層土壤有機質含量介于4.20～23.8 g/kg之間，在表層、中層、底層其變異系數依次為16.19%、13.87%、14.28%，表層有機質變異強度最大，底層次之，中層有機質變異最小。鹽離子在各個土層變異系數具有差異，沒有明顯特征規律。HCO-3的變異程度隨著土層深度不同，數值介于35.59%～67.71%；Cl-在各層土壤變異系數分別為16.75%，39.09%、67.82%；SO2-4在各層土壤變異系數分別為55.49%、13.51%、12.82%，Ca2+的變異系數在各層土壤中分別15.79%、91.44%、100.06%；Mg2+的變異系數在各層土壤中分別為49.75%、57.4%、77.1%；K++Na+的變異系數在各層土壤中分別為56.23%、14.81%、0.164%。

（2）研究區植棉土中土壤有機質與HCO-3、Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、K++Na+等鹽離子在不同土壤深度的相關性特征不一樣。有機質與HCO-3、Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、K++Na+等鹽離子在表層、中層均具有不同程度的相關特征，相關性不明顯；有機質與Mg2+在底層土壤中具有明顯的負相關特征（P<0.05）。

（3）土壤層次結構不同，有機質含量與鹽分的含量各有差異。在表層、中層、底層土壤中，其有機質含量分別為8.58%、6.29%、6.09%，具有明顯的土體結構效應，結構比呈遞減趨勢特征。鹽分在土壤表層、中層、底層的含量分別為3.32、3.42、3.21 g/kg，各土層鹽分的含量相差甚小，與土壤層次的相關性不明顯。

（4）研究區土壤有機質和全鹽含量均發生一定程度的空間異化特征，其分維數大小各有差異，有機質的分維數大小依次為中層（1.769）>底層（1.782）>表層（1.769）。不同土壤層級中全鹽的空間分維數依次為底層（1.973）>表層（1.789）>中層（1.686）。應用半方差函數中的高斯模型、指數模型、線性模型和球面模型能很好地擬合出研究區這兩類養分的空間相關特征；表層、中層、底層土壤有機質的最佳擬合模型分別為直屬模型、高斯模型、高斯模型，塊金值與基臺值比分別為10.87%、31.78%、27.54%；不同層級的鹽分最佳擬合模型分別為高斯模型、球面模型、線性模型，塊基比分別為24.86%、22.50%、21.05%。

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