區域耕地土壤養分空間變異研究及影響因素分析

王云全　吳學群　彭占偉

摘 要 借助GIS和地統計學方法對研究區土壤全氮、有效磷、速效鉀3種土壤養分的空間變異特征進行了分析，結果表明：全氮、有效磷、速效鉀符合指數模型；有效磷、速效鉀的塊金效應25%

關鍵詞 土壤養分；空間變異；地統計學；克里格插值

中圖分類號 S158. 3 文獻標識碼 A

土壤既受氣候、生物、母質、地形、成土時間等因素的影響，又受人為因素的影響，具有顯著的復雜性和變異性[1]，其中氮、磷、鉀是土壤大量元素中作物正常生長的三要素。地統計學是分析土壤養分空間變異性的有效方法[2]，目前應用GIS和地統計學方法來研究土壤養分的空間變化多集中在農業用地和平原地區[3]，并取得了一定的成果。秦占飛等[4]借助GIS和地統計學方法對蒲城縣4種大量元素進行了分析，得出縣域范圍內土壤養分的分布情況并對其影響因素進行了分析；王永東等[5]借此研究了四川省羅江縣耕地5種養分值的特征及其影響因素；賈樹海等[6]基于GIS和地統計學方法研究以遼寧省凌源市西南部6鄉鎮為研究對象，探討了土壤養分空間上的變化情況；趙莉敏等[7]則對太湖地區表層土壤養分空間變異的影響因素研究，結果表明土壤養分受母質、地形、土壤類型等影響較大。基于GIS和地統計學等方法在土壤養分上的研究日趨成熟，但在云南滇西地區研究報道相對少，而關于氮、磷、鉀方面的研究報道則更少。本研究以滇西昌寧縣為研究對象，探討縣區耕層土壤養分空間的變化情況，對豐缺格局和影響土壤養分變化的因素進行分析和研究，以期明確該區域土壤養分現狀及其影響因素，為環境保護、科學施肥、土地資源有效利用和土壤養分分區管理等提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究區概況 研究區位于云南省西部，地處東經99°16′～100°12′，北緯20°14′～25°12′之間，東連鳳慶縣，全縣總面積3 888 km2，總人口33.5萬人，最高海拔2 875.9 m，最低海拔608 m。屬亞熱帶季風氣候，有低熱、溫熱、溫涼、高寒4個氣候帶。境內年均溫14.9 ℃，極端最高溫40.4 ℃，極端最低溫-6 ℃。年平均降雨1 259 mm，無霜期253 d，最大坡度為38.2°，主要種植茶葉、甘蔗、水稻、玉米等；土壤母質主要沖積物、第三迭系褐紅土、第四系更新統巖風化物、老沖積物，土壤類型主要為赤紅壤、沖積土、紅壤等。

1.1.2 樣品采集與分析 利用GPS定位技術，在研究區耕地內隨機法進行采樣。采集土壤耕按0～20 cm土樣，要求土壤采樣點具有代表性，并遠離居住區、道路等人為活動密切的地方，記錄每個采樣點的坐標，共采樣3 791個。將所采樣樣品排除雜物風干，磨碎，分別裝于瓶中，待測定。按照《測土配方施肥技術規范》[8]的要求，測定分析土壤養分中的有全氮、有效磷、速效鉀的含量。

1.2 方法

1.2.1 半方差函數及其模型選取標準 數據分析采用GIS和地統計學相結合的方法。半方差函數是最核心的工具之一，是進行克里格空間插值的基礎，用于分析區域變化量的變異特征及結構性狀[9]。本文研究應用地統計軟件GS+中球狀、指數、高斯、線性模型，以殘差平方和（RSS）接近于0最小、決定系數（R2）接近1最大為原則[10]，對半方差函數進行擬合，選取最優的半方差函數理論模型及其參數。

計算公式為：r（h）=[Z（xi）-Z（xi+h）]2。

1.2.2 數據處理 將所測的GPS數據實驗測定值加減三倍標準差來處理特異值，剔除異常值共169個。利用ArcGIS軟件，將經緯度轉換成平面坐標得到的 3 621個樣點的土壤養分數據，導入ArcGIS軟件中生成樣點分布圖（圖1）。采用SPSS19.0進行統計分析，利用GS+9.0軟件對土壤養分數據進行半方差分析，Kriging插值和圖形繪制在ArcGIS軟件的地統計學模塊中完成[10-11]。

2 結果與分析

2.1 土壤養分含量的統計特征分析

用SPSS19.0統計軟件，對全氮、有效磷、速效鉀的測定值進行統計分析（表1）。當CV≤0.1時，為弱變異性；當0.1速效鉀>全氮。3種養分均屬中等變異強度，說明養分在空間分布受人為活動、耕作施肥等隨機性因素的影響相對較大。

2.2 土壤養分含量的半方差函數分析

2.2.1 各向同性下半方差函數特征 利用地統計軟件GS+9.0對研究區土壤養分屬性進行半方差函數分析，相關參數見表2。一般認為塊金值（Co）代表隨機變異的量，而基臺值（Co+C）代表變量空間變異的結構性方差。塊金值與基臺值的比稱為基底效應，表示樣本間的變異特征，該值越大，表示樣本間的變異更多是由隨機因素引起的[13]。按照區域化變量空間相關性程度的分級標準[14]。塊金值與基臺值的比值Co/（Co+C）表示隨機部分引起的空間變異性占系統總變異的比例，而土壤養分空間變異是由內在因素和隨機性因素共同作用的結果。如果比值<25%，說明系統具有強烈的空間相關性；如果比例在25%～75%表明系統具有中等的空間相關性；若>75%則說明系統空間相關性很弱[15]。全氮值的Co/（Co+C）均<25%，表現出強烈的空間相關性，表明這3種要素的空間變異主要受到結構性因素，如土壤類型、母質類別等因素的影響；有效磷、速效鉀值的25%

2.2.2 各向異性下半函數特征 區域變化要考慮在不同方向的變化。變異函數在幾個方向上的變異相同稱為各向同性，在幾個方向上的不同稱為各向異性。地形、水分等因子導致的空間異質性常常是各向異性的，自然過程在不同方向上控制著不同的變異性[16]。3種土壤養分在在四個方向上（表3），塊金值、基臺值和變程均相同，說明3種土壤養分在這四個方向上土壤全氮、有效磷、速效鉀具有帶狀同向性的結構特征。

2.3空間豐缺格局

通過對土壤養分趨勢特征參數及異向性分布特征參數分析，一般用0～4階來描述空間趨勢效應[13]，3種養分都符合二階趨勢效應。利用上述所得到的半方差分析結果的模型參數，利用ARCGIS10.1軟件地統計模塊中的Geostatistic analysis模塊中的Kriging法對全氮、有效磷、速效鉀進行空間內插，并根據全國第二次土壤普查標準[16]、云南省土壤耕層養分分級標準和云南省大理市土壤耕層養分分級標準對3種養分值圖進行劃分，并將轉為柵格圖，分別統計3種土壤養分的面積和所占研究區的比例（圖3）。有效磷的分布格局較為復雜，其含量高低值分布較分散，多以小的斑塊出現，變異主要與土壤微變異和人類活動密切相關，其中東部和中部含量較高。控施磷肥為今后改善土壤環境和保持土壤肥力的重要措施。磷肥缺乏地區主要是更嘎鄉的西米河街、大寨、平掌、勐練、立達、下寨等村寨，應增補肥料；養分速效鉀含量超過150 mg/kg的區域，占整個縣域面積的78%左右，研究區內速效鉀整體處于豐富水平。全氮分成兩個區管理，其中表現豐富地區占整個研究區的80%左右；表現缺乏地區，占整個研究區的20%左右，其中阿干、籬笆兔等村寨缺乏嚴重。

2.4 影響因子分析

不同因素下土壤氮、磷、鉀的方差分析及養分要素的相關性分析見表5和表6。可以看出，地形地貌類型、土壤類型、母質、利用類型對土壤全氮、有效磷、速效鉀養分含量均有顯著的影響；土壤養分與海拔高低、坡度大小、年平均降水量、平均溫度、灌溉保證率、有機質、pH值等具有顯著地關系，其中海拔與氮、磷、鉀有顯著的影響。3種養分在上述影響因子內的差異程度及變化規律有所差別。全氮主要受土壤質地、地貌類型、土壤類型、有機質、pH值、海拔、坡度、年平均降水量、平均溫度的影響；有效磷主要受土壤類型海拔、土壤利用類型、年平均降水量、平均溫度、灌溉保證率、有機質、pH值的影響，說明有效磷受人為因素影響比較大，其中與坡度的含量成反比；速效鉀受母質、土壤類型海拔、坡度、年平均降水量、平均溫度、灌溉保證率、有機質、全氮、有效磷的均有影響。土壤有機質是土壤氮、鉀素的重要來源之一，與人為利用因素相關，并對氮、磷、鉀產生影響。

3 討論與結論

研究表明表明，速效鉀、有效磷、全氮表現為強烈的空間相關性，主要受到結構性因素的影響；變異系數在23.34%～50.55%，變異強度為有效磷>速效鉀>全氮。總體上3項指標的Co/（Co+C）均大于25%。故隨機性因素對研究區土壤養分的空間變異起主導作用，全氮、有效磷、速效鉀的比值均在25%

土壤養分空間變異與母質類型、地貌類型、土壤類型、土壤利用方式有顯著性關系。全氮與海拔、坡度、年平均降水量、平均溫度、有機質、pH值、速效鉀等因子呈顯著關系；有效磷則與海拔、年平均降水量、平均溫度、有機質、pH值、速效鉀等因子呈顯著關系；坡度是有效磷的限制因子；速效鉀則與海拔、坡度、年平均降水量、平均溫度、有機質、速效鉀、全氮、有效磷等呈顯著關系。鑒于本文研究的氮、磷、鉀與有機質和其他影響因素等屬性間存在極顯著相關性，可進一步嘗試與有機質等容易獲取、穩定的屬性為輔助變量，運用協同克里格法插值，進一步提高土壤養分的估值精度及優化采樣數量。本試驗的不足之處是在分析土壤養分因子影響如氣候、灌溉因素、土壤水分等變化時，由于采樣數據的限制，只分析了1 a的平均值，缺乏年內和年際動態變化對土壤養分的影響研究，也缺乏時間性，又缺乏作物產量的相關數據，可作為今后的研究重點。

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