待復墾村莊土壤養分特征研究——以山西省西郜村為例

馬樺薇, 師學義, 張美榮, 張 琛, 王 晶

(中國地質大學(北京) 土地科學技術學院, 北京 100083)

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待復墾村莊土壤養分特征研究
——以山西省西郜村為例

馬樺薇, 師學義, 張美榮, 張 琛, 王 晶

(中國地質大學(北京) 土地科學技術學院, 北京 100083)

掌握復墾村莊土壤養分狀況，有助于探究長期作為村莊的土壤養分特點，為土地復墾過程中改善土壤質量與土壤培肥提供依據。以山西省晉城市澤州縣西郜村煤炭基地復墾村莊為研究區，運用地統計學與GIS相結合的方法，研究土壤中有機質、全氮、速效鉀和有效磷養分含量及空間分布特征，并在地理信息系統支持下繪制土壤養分的空間分布圖。研究結果表明：土壤這4種養分的變異系數范圍為19.78%～29.45%，變異程度較小，有機質、速效鉀的半方差擬合模型為球狀模型，全氮、有效磷的半方差擬合模型為高斯模型；有機質、全氮、速效鉀和有效磷的變程分別為59.70，54.47，55.89，66.87 m，塊金系數分別為74.2%，74.9%，69.1%，76.5%，具有中等程度的空間相關性；研究區內4種養分分布略有差異，但整體上均在村莊中部含量較高，逐次向周圍遞減，土壤養分空間分布格局是在地形變化、人類活動以及其他隨機因素共同作用下而形成的。掌握村莊土壤養分的空間分布規律，能夠為煤炭基地村莊復墾后耕地質量提升、農田土壤養分精準管理和施肥決策提供一定的依據。

土壤養分; 地統計學;GIS; 空間分布; 復墾村莊

我國黃土高原地區煤炭基地范圍內，由于土地塌陷、水資源枯竭、生態環境惡化等災害性問題，以及煤炭資源的開發、人口向城鎮遷移、新農村建設等原因，現有大量村莊土地即將被廢棄，僅山西省晉城市就有此類可復墾村莊土地面積4 900 hm2，村莊土地的復墾整理已成為該地區土地綜合整治的一項重要內容。掌握黃土高原地區待復墾村莊土壤養分空間分布規律，探究村莊的土壤養分長期存在問題，是村莊復墾過程中保護土壤養分、研究土壤培肥技術的基礎和重要環節，可以為村莊復墾提供有利依據。

利用地統計學和GIS相結合的方法研究土壤養分的空間變異規律，已成為土壤科學研究熱點之一，并得到了國內外學者的廣泛關注[1-5]。從研究尺度來看，目前的研究主要從地塊尺度、流域尺度和區域尺度來分析土壤養分的空間變異特征，進而揭示不同空間信息的相似性與相異性。地塊尺度屬于小尺度研究，可以為提高土壤養分管理效率提供數據支持，也是實現精確施肥的基礎。張淑娟等[6]、胡克林等[7]采用GIS與地統計學相結合的方法對農田的土壤空間分布狀況進行了研究；劉國順等[8]對緩坡煙田土壤養分空間變異特征進行了研究，并根據影響因素提出了改善煙田土壤養分狀況的建議措施。流域尺度屬于大中尺度研究，其研究成果有助于特定流域范圍農業面源污染的識別，對區域農業生產和環境管理有著十分重要的意義。劉付程等[9]對太湖流域典型地區土壤全氮的空間變異特征進行了研究，研究表明土壤全氮的空間分布體現了地貌過程的影響；王軍等[10]則對黃土高原小流域土壤養分空間異質性進行了研究。區域尺度一般屬于大尺度，其研究主要是為了掌握區域土壤質量的狀況，實現區域土壤的數字化管理。苑小勇等[11]利用GIS與地統計學方法初步研究了北京市平谷區農田土壤有機質含量的空間分布規律及其影響因素；司建華等[13]則分別研究了額濟納綠洲和喀斯特木論自然保護區土壤養分空間變異特征[12-13]。

可以看出，目前的研究多集中于農用地、保護區等土壤養分空間分布，而缺乏對待復墾村莊土壤養分的研究。與農用地、保護區相比，待復墾村莊與人類活動的關系更為密切，受人為影響比較大，其生物群落簡單，并且多是人為活動的結果，而村莊復墾作為增加耕地的有效手段和重要來源之一，研究其土壤養分狀況對于今后復墾采取針對性措施、增加耕地數量、快速提高耕地質量具有重要意義。因此，本研究將運用地統計學和GIS結合的方法，對煤炭基地復墾村莊土壤養分(主要以有機質、全氮、速效鉀、有效磷為指標)空間分布進行分析，揭示其變異規律，探究待復墾村莊的土壤養分的特點及存在問題，以期為復墾后耕地質量提升、農田土壤養分精準管理和施肥決策提供一定的依據。

1　材料與方法

1.1研究區概況

西郜村地處山西省澤州縣巴公鎮，位于東經112°51′38″—112°52′09″，北緯35°40′01″—35°40′39″，交通條件良好，全部為農村居民點用地，土地總面積為35.71 hm2。但是，村莊布局相對分散，居住環境惡劣，群眾生產生活都不便，并壓占大量煤炭資源，為改善農民的生活環境，合理開發煤炭資源，亟待進行整村搬遷改造，村莊土地復墾對北方煤炭基地具有很好的示范意義。西郜村地勢呈東西北高，中部、南部低的簸箕狀，海拔高度為750～850 m。屬暖溫帶大陸性季風氣候區，土壤屬褐土地帶，土層深厚，土壤熟化度較高，土質偏粘，土體干旱。西郜村復墾項目完成后可新增凈耕地29.54 hm2，新增耕地率為82.74%。

1.2樣品采集與分析

針對研究區域條件與情況，本研究選取西郜村復墾村莊土壤中的有機質、全氮、速效鉀和有效磷作為評價指標，采用50 m間隔的“網格法”設置采樣點128個，并用GPS確定每個樣點的位置。采樣時間是2012年7月18日至20日，每個樣點在直徑10 m范圍內按“W”形狀采集五鉆耕作層土壤(0—30 cm)，混合均勻后縮至1～2 kg裝袋。土壤樣品在實驗室風干，剔除石塊等雜質用瑪瑙研缽磨成粉末。其中，土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；全氮含量采用開式法(半微量法)測定；速效鉀采用乙酸銨提取火焰光度法測定；有效磷采用碳酸氫鈉一鉬藍比色法測定[14]。為了提高試驗結果的準確性，每個采樣點均設定5個化驗樣本，最后取平均值確定每個樣點土壤養分各指標含量水平。

1.3數據處理

土壤有機質、全氮、速效鉀和有效磷數據采用SPSS 19.0進行正態分布檢驗和描述性統計，半方差函數分析及理論模型的擬合在GS+9.0中進行，Kriging插值及空間分布圖的制作輸出在ARCGIS 10.0軟件中完成。

半方差函數也稱為半變異函數,它表述了區域化變量空間自相關性，是地統計學中研究土壤變異性的關鍵函數。半方差函數描述了不同距離的變量之間空間變異結構，其公式如下：

(1)

式中：r(h)——半方差函數值；h——樣點間距，在一定范圍內r(h)隨h的增大而增大；N(Xi)——樣點Xi處的實測值；N(Xi+h)——與樣點Xi距離h處的實測值。通過半變異函數可以得到4個特征參數，即變程、基臺值、塊金值和塊金系數，能夠準確地描述土壤養分狀況的空間連續變異狀況，反映土壤養分狀況不同距離觀測值之間的變化。

Kriging插值是根據區域變量的原始數據與變異函數提供的空間自相關性程度信息對未知點的值進行線性無偏最優化估計的一種方法，是地統計學中目前應用較為廣泛的一種最優內插法：

(2)

式中：Z(x0)——未觀測點x0上的內插估計值；Z(Xi)——點x0附近的若干點上獲取的實測值；λi——考慮了半方差圖中表示空間的權重。

2　結果與分析

2.1土壤養分含量描述統計特征

對樣品進行統計分析和K-S檢驗后可知，研究區土壤有機質、全氮、速效鉀、有效磷的平均含量分別為18.13 g/kg，1.02 g/kg，300 mg/kg，20 mg/kg。根據全國第二次土壤普查養分分級標準，研究區有機質、全氮、有效磷較適宜，分別達到四級、三級、二級水平，速效鉀含量過高，為一級水平。4種養分變異系數處于2.24%～16%，變異程度較小，其中速效鉀的變異系數最低，為2.24%，有機質的變異系數最高，為16%。對4種養分進行Kolmogorov-Smirnov正態分布檢驗，假定p>0.01，檢驗結果顯示4種養分只有速效鉀、有效磷服從正態分布，有機質、全氮不服從正態分布。

研究區土壤描述性統計特征見表1，描述性統計只能反映土壤中養分總體含量特征，不能完全反映研究區域養分含量的空間相關性及結構特征，因此，需要運用地統計學和GIS相結合的方法做進一步分析。

表1　土壤養分含量描述性統計

2.2土壤養分含量的半方差函數分析

土壤養分含量的空間變異通過半方差函數來描述，半方差函數的計算一般要求數據服從正態分布，否則可能存在比例效應。表1顯示，只有速效鉀、有效磷服從正態分布，有機質、全氮不服從正態分布。因此，在數據分析前，需對有機質、全氮進行對數轉換和異常值剔除，轉換后再對4種養分進行半方差函數分析，得到理論擬合模型及其檢驗參數見表2。

表2　土壤養分含量模型擬合及其檢驗參數

由表2可以看出，有機質與速效鉀符合球狀模型，全氮和有效磷符合高斯模型。塊金值表示取樣誤差和小于取樣尺度下的空間變異，基臺值反映了變量在研究區域內總的空間變異強度，塊金系數則表明了系統變量的空間相關程度。根據相關文獻研究[15-16]得出的區域化變量相關性程度分級標準可知：若塊金系數小于25%，表明變量具有強烈的空間相關性；若塊金系數處于25%～75%，表明變量具有中等程度的空間相關性；若塊金系數大于75%，表明變量的空間相關性較弱。研究區域內土壤有機質、全氮和速效鉀的塊金系數均在25%～75%，表明變量具有中等的空間相關性，而速效鉀的塊金系數大于75%，空間相關性較弱，其變異受隨機因素和結構因素共同影響。復墾村莊土壤特性受人類活動的影響較大，人類活動的差異性和隨機性增大了隨機因素的影響，由于地形特征造成對土壤侵蝕與運移則增強了土壤養分空間分布的結構性差異。

變程反映了空間相關性的最大距離。可以認為，變量在變程范圍內具有空間相關性，變量之間的距離超過變程時是相互獨立的。本研究在50 m取樣尺度下4種土壤養分的變程在54.47～66.87 m之間，空間自相關范圍差異不明顯，表明該待復墾村莊土壤有機質、全氮、速效鉀和有效磷的生態過程基本在相同的尺度上起作用。在復墾村莊內部，人類活動對土壤特性的擾動較大，使得土壤養分分布特征較以往研究的農用地、保護區等差別較大。由平均預測標準差和標準均方差預測誤差可以看出，預測精度滿足區域差值的要求，可以進行克里金插值。

2.3土壤養分含量的空間分布特征

利用ArcGIS地統計模塊進行Kriging插值計算后，土壤養分的空間分布如圖1所示。研究區內4種養分整體上均在村莊中部含量較高，逐次向周圍遞減，具體來說，有機質的高值集中在村莊的西南和東北，全氮的分布高值多集中在村莊的中東部，速效鉀的高值分布在村莊的西部及中部，有效磷的高值集中在村莊北部偏東地區。

由于研究對象的尺度較小，造成土壤養分的空間分布差異明顯受到地形、土壤類型、人類活動以及其他隨機因素的影響，具體可能有以下幾個方面：

(1) 從村莊布局來看：隨著村莊格局不斷變化，新宅多集中在村莊的外圍，而村莊內部多為舊宅，且年久失修無人居住，形成了典型的“空心村”。村莊內部由于人類擾動較弱，植物覆蓋度高，堆積較多生活垃圾和動物糞便，微生物活動頻繁，土壤質量能夠得到有效改善，使得土壤養分得到富集。

(2) 從地勢地形來看：經過調查，西郜村地形呈“西北高、中部低、東南較高”的狀態，高低落差達100 m左右，因此可從地勢地形的方面對土壤養分分布不均進行解釋。坡度的差異性增強了生活廢水、雨水、地下水等的沖刷作用，造成了土壤侵蝕，土壤養分在地勢較高的地區容易流失，在地形較低的中部地區容易積累。

(3) 從土壤性質來看：一方面，該村莊土壤類型為褐土，土質偏粘，淋溶作用較弱，因此土壤養分豐富，而且有機質含量較高，大多土壤養分不易被雨水和灌溉水淋失，故土壤養分含量整體處于較高水平；另一方面，村莊由于建筑物、道路的修建以及人、畜活動頻繁，土壤壓實程度較高，特別是周圍新建村莊，中部舊村落由于人類活動較少、壓實程度相對低一些，使得中部地區的土壤養分含量高于周圍地區。

(4) 從人類活動來看：人類活動與耕種施肥、日常生活、管理習慣等密切相關。首先，待復墾村莊中一些農戶種植有菜園，菜園多集中在村莊中部無人使用的空地，村民施用農家肥或其他肥料也會對土壤的養分含量產生一定影響；其次，村中土壤養分與人類日常生活的關系較為緊密，特別是生活污水和生活垃圾的排放，會顯著影響著土壤中有效磷的空間分布。最后，人類活動伴隨著一定的隨機性和規律性，村莊布局不盡合理，缺乏統一的組織與管理，使得部分垃圾的排放隨意性較強，有些垃圾定點堆放于無人居住的舊宅區域，因此，土壤中有效磷的分布在隨機性因素和結構因素的共同影響下，呈現出由中部向周圍遞減的狀況。

由于本文的研究對象復墾村莊土壤，研究尺度較小，土壤類型、成土母質、氣候條件等因素對土壤養分空間分布影響較小，而坡度與人類活動則是土壤養分的空間分布的重要因素。因此，在對復墾后耕地進行養分分區管理及精準施肥研究時，應重點考慮。

圖1土壤養分的空間分布格局

3　結論與討論

經典統計分析結果顯示，研究區土壤有機質、全氮、速效鉀、有效磷的含量較高，4種養分變異程度較小，其中速效鉀的變異系數最低，有機質的變異系數最高。地統計分析結果顯示，土壤有機質、全氮、速效鉀、有效磷的變程分別為59.70，54.47，55.89，66.87 m，有機質、速效鉀的半方差擬合模型為球狀模型，全氮、有效磷的半方差擬合模型為高斯模型，4種養分的塊金系數分別為74.2%，74.9%，69.1%，76.5%，具有中等程度的空間相關性。Kriging插值分析，研究區土壤養分的分布呈現出一定的規律性，4種養分均在村莊中部含量較高，逐次向周圍遞減。各養分含量相對集中不均勻。

本研究采用GIS與地統計學結合的方法，該方法的運用極大地推動了區域土壤養分空間變異的研究，但目前的研究主要集中在大中尺度的農用地、生態保護區等土壤質量評價，而關于微觀尺度的復墾村莊的研究則較少。待復墾的村莊土壤養分狀況對于復墾后耕地質量具有重要影響，本研究從微觀尺度上對待復墾村莊土壤養分的空間分布規律進行分析，能夠為復墾技術的選擇提供一定的依據，為復墾后耕地進行養分分區管理及精準施肥提供基礎，有助于新增耕地質量提高，等級提升。

研究區土壤養分整體水平較高，在今后復墾過程中可以發展玉米、棉花、谷子、小麥等農作物的種植，因地耕種，提高農業產量；也可以進行多種作物輪作，或林地農田間種，改善土壤質地與肥力，充分發展土壤潛力優勢。

研究區養分含量不均勻，今后的復墾管理實施中，宜采取分區、分級別管理。對于村莊中部養分含量較高地區，應注重提高養分利用率，提升土壤的保肥能力；對于村莊周圍養分含量相對較低的土壤，應加強松土，提高土壤的通透性與孔隙度，改善土壤容重，增加土壤肥力。

復墾過程中還應加強水利灌溉建設。一方面，研究區所處氣候較干旱，易發生土壤侵蝕，且土壤養分具有分布不均勻的特征，需要加強灌溉，均衡土壤中養分含量，防止養分流失；另一方面，研究區地形“西北高、中部低、東南較高”，在建設水利灌溉時應與地形地勢相結合，發揮地形優勢，規避地形缺陷。

由于受數據獲取的影響，本研究僅分析了西郜村耕作層(0—30 cm)土壤有機質、全氮、速效鉀和有效磷4種養分的空間變異特征與分布規律，沒有對深層土壤及其他養分如堿基氮、全磷、全鉀進行分析。在今后的復墾過程中可進行進一步的研究。

本文研究區域為35.71 hm2，采樣密度較大(每50 m一個樣點)，得到的結果能夠為村莊的復墾工作提供指導，為復墾后農田治理提供輔助參考。地統計方法通過變異函數可以確定變量因子的空間變異程度及空間變異尺度，在后續研究中應加強待復墾村莊不同尺度上土壤養分的空間變異特征，分析不同尺度上空間信息的相異性和相似性，這能夠為我國待復墾村莊土地的整理與復墾提供一定的參考價值。通過對研究區土壤養分的結果分析，可以總結出該待復墾村莊土壤養分含量有以下特點：

(1) 土壤養分含量平均水平較高。與全國第二次土壤普查養分分級標準相比，該復墾村莊的養分水平均達到三級以上，其中速效鉀含量極高，達到一級以上。與周圍農田的養分含量平均水平(經調查，村莊周圍土壤養分含量平均水平為：有機質20.13 g/kg，全氮0.96 g/kg，有效磷10.13 mg/kg，速效鉀155 mg/kg相比，該復墾村莊的養分平均含量處于較高水平。養分含量的高低可以從一定程度上反映土壤的肥沃程度，但是土壤肥力是土壤物理、化學、生物化學和物理化學特性的綜合表現，養分含量高并不等于土壤肥力高,土壤肥力高低仍需后續的研究。

(2) 土壤中各養分空間變異大，分布不均勻。分析顯示土壤各養分最高值與最低值相差較大，例如有機質含量，最大值為25.10 g/kg，最小值為18.13 g/kg，相差6.97 g/kg。通過插值圖亦可看出，該地區土壤養分分布集中在村莊中部，中部地勢較低，同時舊村落、廢棄地及垃圾堆放多在中部地區，在今后復墾工作中需要對中部地區加以重視。

(3) 土壤受人為影響較大。長期作為村莊的土壤，人類活動密集，建筑物、道路等造成土壤壓實，孔隙度降低，容重增加，對土壤養分的分布會產生很大的影響；加之排放的垃圾以及生活廢水廢物，在自然條件下經過物理、化學、生物反應，影響土壤養分含量，造成土壤養分分布不均勻。

今后的復墾過程中，應注意改善土壤理化性質，縮小空間變異程度。具體來說有以下幾點參考建議：

(1) 加強農田水利等基礎設施建設。由于待復墾區域地形呈“西北高、中部低、東南較高”的狀態，落差達100 m左右，低洼的地方在平整復墾后容易積水，因此，在復墾過程中應結合地下水位的相關數據，加強灌溉排水設施的建設，調節、改善農田水分狀況和地區水利條件，促進生態環境的良性循環，使之有利于農作物的生產。

(2) 分區管理，促進養分平衡。待復墾的土壤養分含量不均，且區域的地形因素對耕地種植及施肥具有較大影響，在復墾過程中應進行相應的農田分區管理，不同分區之間還應注意分區劃分的連續性、施肥改良的差異性，促進各養分均勻分布，提高土壤整體肥力。

(3) 復墾后耕地進行適度松土與翻壓。由于復墾前的村莊人為活動較為密集，土體壓實現象較為普遍，村莊外圍的新宅區域更為顯著。因此，在復墾過程中應注意適度松土，有效減少土壤容重，增加土壤透水性與保肥性，增加土壤養分，促進土壤質量的提升。

(4) 采用生物技術對復墾后的土壤進行改良。由于待復墾的土壤壓實程度高，土壤內的生物含量整體水平較正常農田含量低，即使土壤中養分含量高，其保肥性與供肥性可能較低，因此可采用生物制劑，增加土壤生物群落，促進土壤中養分的釋放；同時在區域內養分含量較低的地區可進行綠肥種植，可以有效地增加地表植被覆蓋，提高土壤養分，改善土壤理化性質，尤其在坡度較大的區域更應加強。

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Research on Spatial Characteristics of Soil Nutrients in Reclaimed Village —Taking Xigao Village in Shanxi Province as an Example

MA Huawei, SHI Xueyi, ZHANG Meirong, ZHANG Chen, WANG Jing

(School of Land Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China)

Understanding the soil nutrient condition in reclaimed village will make a difference on improving soil quality and soil fertility in the course of land reclamation. A reclaimed village in Zezhou County of Shanxi Province was selected as the study area, the spatial variability of soil nutrients in reclaimed village was comprehensively analyzed by a combination of geostatistics with a geographic information system (GIS). The results were shown as follows. (1) The variation coefficient of 4 soil nutrients ranged from 19.78% to 29.45%, which indicated the variation degree of soil nutrients was relatively small. The semi-variance models of 4 soli nutrients were in line with the Gaussian model. (2) The ranges of organic matter (OM), total nitrogen (TN), available K (AK) and available P (AP) were 59.70, 54.47, 55.59 and 66.87 m, respectively, and the nugget factors were 74.2%, 74.9%, 69.1% and 76.5%, respectively, which suggested that the soil nutrients had medium spatial correlation. (3) The maximum values of OM, TN and AP were concentrated in two parts namely northeast and southwest near central regions, and the distribution of AP was descending from the central to the peripheral areas. (4) The spatial distribution pattern of soil nutrients was formed under the influence of the terrain change, human activity and some random factors. Mastering the distribution of village soli nutrients will provide the basis for enhancing quality of arable land after reclamation, precise management of soil nutrients and fertilization decision in villages of coal base.

soli nutrients; geostatistics; GIS; spatial distribution; reclaimed village

2014-09-07

2014-10-12

國土資源部公益性行業科研專項經費課題“北方地區村莊土地復墾整理技術研究與示范”(201111015-04)

馬樺薇(1990—),女,河南省平頂山人,碩士研究生，主要研究方向為土地資源評價與利用規劃。E-mail:mahuawei90@126.com

師學義(1960—),男,山西省祁縣人,博士,教授，主要從事土地利用規劃與土地利用工程研究。E-mail:shixueyi60@163.com

S153.6

A

1005-3409(2015)04-0107-06