三峽庫區(qū)土壤養(yǎng)分空間分布狀況研究①

樊燕

摘 要 采用地統(tǒng)計學(xué)及GIS技術(shù)對三峽庫區(qū)土壤養(yǎng)分的空間變異性及空間分布狀況進(jìn)行研究，評價研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量水平。結(jié)果表明，試驗區(qū)土壤養(yǎng)分變異較大，但均為中等變異，其中氮的空間變異主要來自結(jié)構(gòu)性因素，而有機(jī)質(zhì)、磷、鉀的空間變異性主要來自于隨機(jī)因素的影響。另外，研究區(qū)各種土壤養(yǎng)分含量水平均不高，其中有機(jī)質(zhì)、磷、鉀非常缺乏，鉀大部分區(qū)域含量中等，部分地區(qū)也比較缺乏。

關(guān)鍵詞 三峽庫區(qū) ；土壤養(yǎng)分 ；空間分布

分類號 S159

由于在形成過程中受到成土母質(zhì)、地形、人類活動等自然因素和人為因素的影響，土壤成為在時間和空間上不均一、變化的時空連續(xù)體，并表現(xiàn)出高度的變異性。20世紀(jì)80年代開始，土壤空間變異性研究在我國勃然興起，并取得了豐碩的研究成果[1-4]。土壤的空間變異性對于評價和有效利用土壤具有十分重要的作用[5]。近年來，由于地統(tǒng)計學(xué)、GIS和GPS等研究方法廣泛應(yīng)用在土壤科學(xué)領(lǐng)域，并由此推進(jìn)了我國對土壤養(yǎng)分空間特性的研究，并取得了一定成果[6-8]。然而，三峽庫區(qū)作為全國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要區(qū)域，在土壤空間變異性研究方面卻相對較少。因此，本研究以三峽庫區(qū)腹心地帶重慶市忠縣為例，應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)并結(jié)合GIS技術(shù)，對土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等養(yǎng)分的空間變異情況進(jìn)行研究，從而為三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃、養(yǎng)分的管理及合理施肥等提供科學(xué)依據(jù)，以期為庫區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)、耕地質(zhì)量保護(hù)以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

忠縣地處重慶市中部，是三峽庫區(qū)腹心地帶，面積2 187 km2，最高海拔1 680 m，最低117 m，典型的丘陵地貌，處于暖濕亞熱帶東南季風(fēng)區(qū)，屬亞熱帶東南季風(fēng)區(qū)山地氣候。年均溫18.2℃，≥10℃年積溫5 787℃，無霜期341 d，日照時數(shù)1 327.5 h，太陽總輻射能350.43 kj/cm2，年降雨量1 200 mm，相對濕度80%。

1.2 方法

本研究在忠縣全縣范圍內(nèi)采集土壤樣品1 980個，隨機(jī)采樣，同時利用GPS確定樣點經(jīng)緯度，由此得到忠縣土壤樣點分布圖（圖1）。

采樣方法：在隨機(jī)選取的樣點附近采用“S”法均勻采取0～20 cm深的耕層土壤，每一個樣點采集10個點，然后將其進(jìn)行充分混合后，用四分法留取1 kg作為樣品。

樣品分析方法：本研究采用土壤養(yǎng)分狀況系統(tǒng)研究方法（ASI法）[9]分析土壤樣品，分析土樣的項目主要包括土壤有機(jī)質(zhì)（OM）、堿解氮、有效磷和速效鉀等大量養(yǎng)分元素。

數(shù)據(jù)分析方法：本研究利用SPSS對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計及相關(guān)性分析。數(shù)據(jù)統(tǒng)計包括平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、方差、變異系數(shù)等的計算，數(shù)據(jù)分析利用ArcGIS采用地統(tǒng)計分析及kriging空間插值的方法進(jìn)行半方差函數(shù)分析、函數(shù)模型擬合、土壤養(yǎng)分空間分布圖及土壤養(yǎng)分分級分布圖的繪制[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分的基本統(tǒng)計值特征

首先用閾值識別法對所有1 980個土壤樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后再利用SPSS進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計分析，其分析結(jié)果見表1。

從變異系數(shù)看，磷的變異系數(shù)最高為89.54%，其次是鉀和有機(jī)質(zhì)，變異系數(shù)分別為60.02%和38.50%，而變異最小的均為N（34.32%），這說明研究區(qū)的土壤養(yǎng)分含量差異很大。但由于研究區(qū)0.1

2.2 土壤養(yǎng)分空間變異特征

采用克里格（kring）空間插值法分析土壤養(yǎng)分的空間變異性。采用ArcGIS10.1軟件中的空間分析模塊來進(jìn)行分析。首先要計算各土壤養(yǎng)分含量的半方差函數(shù)，并選擇出最合適的半方差函數(shù)模型進(jìn)行擬合，并用交叉驗證法來修正模型的參數(shù)，得到研究區(qū)各土壤養(yǎng)分的半方差分析結(jié)果（表2）。

結(jié)果表明，忠縣土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷和鉀的空間變異性都存在半方差結(jié)構(gòu)，但半方差結(jié)構(gòu)參數(shù)表現(xiàn)不一，其變程范圍在10 118.4～57 252.5 m。由于C0表示由實驗誤差等隨機(jī)因素引起的變異，從塊金方差C0看，不同養(yǎng)分的差異較大，N的塊金方差很小，接近于0，表明隨機(jī)因素引起的變異小；而有機(jī)質(zhì)、磷和鉀則相對較大，表明隨機(jī)因素引起的變異較大。半方差結(jié)構(gòu)[C0/（C0+C）]比值表示養(yǎng)分的空間變異程度，從[C0/（C0+C）]比值看，N的比值為69.642%，在25%～75%，表明具有中等的空間相關(guān)性，其空間變異是由結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性因素共同作用的結(jié)果，而有機(jī)質(zhì)、磷和鉀的比值分別為89.988%、89.101%和79.403%，均大于75%，表明具有很弱的空間相關(guān)性，空間變異主要來自隨機(jī)因素[11]。就決定系數(shù)R2看，由于決定系數(shù)越大，模型的擬合性越好，本研究中氮的決定系數(shù)最大，其擬合性最好；而P的決定系數(shù)最小，擬合性最差。

2.3 土壤養(yǎng)分的空間分布格局

根據(jù)表2所選擇的半方差函數(shù)模型，采用克里格最優(yōu)內(nèi)插法，借助地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS10.1的地統(tǒng)計分析模塊，繪制出土壤各養(yǎng)分含量的等值線圖，然后與忠縣的行政區(qū)劃圖相疊加，得到忠縣各土壤養(yǎng)分的空間分布圖（圖2）。

從圖2中可以看出，在整個研究區(qū)范圍內(nèi)，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量在空間上的分布狀況各不相同，然而部分區(qū)域也具有一定的相似性。首先，土壤有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為西部及北部部分區(qū)域較高，而中部及東南部含量較低。而土壤堿解氮則表現(xiàn)為，北部及東部部分區(qū)域的含量較高，西部及南部含量較低。土壤有效磷含量表現(xiàn)為僅有西部及中部極少數(shù)區(qū)域含量較高，其分布特征總體上表現(xiàn)出比較高的均質(zhì)性，這可能跟磷素在土壤中不太容易遷移有關(guān)。土壤速效鉀的含量分布格局相對比較復(fù)雜，與其他養(yǎng)分相比，表現(xiàn)出相對較強的空間異質(zhì)性，這說明土壤中鉀素比較容易受到一些自然因素及人為因素的影響，其含量分布表現(xiàn)為中部地區(qū)含量較低，南部及北部含量較高，東部及西部含量較低。總體而言，土壤養(yǎng)分含量呈現(xiàn)北部高，中部低的趨勢，這可能跟研究區(qū)內(nèi)的地形、地貌特征等因素有關(guān)。

2.4 土壤養(yǎng)分含量評價

根據(jù)我國第二次土壤普查制定的土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)（表3），本研究還對忠縣的土壤養(yǎng)分含量狀況進(jìn)行了分級評價，其評價結(jié)果如圖3所示。

結(jié)果表明，整個研究區(qū)土壤的有機(jī)質(zhì)含量水平大都處于4級以上，1級很少，5級最多，表明研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量很缺乏，僅南部極少數(shù)區(qū)域含量很豐富；研究區(qū)土壤堿解氮含量水平以4、5級為主，表明研究區(qū)土壤堿解氮含量非常缺乏，僅南部極少數(shù)區(qū)域為2級水平，含量豐富，沒有含量很豐富的區(qū)域；研究區(qū)土壤有效磷含量為5、6級水平，表明整個研究區(qū)土壤有效磷含量極低，非常缺乏；研究區(qū)土壤速效鉀含量主要處于3、4級水平，3級為主，表明總體上研究區(qū)速效鉀含量中等，部分地區(qū)缺乏。

4 結(jié)語

研究區(qū)所有1 980個采樣點的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，其土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷及速效鉀等土壤養(yǎng)分含量呈正態(tài)分布，但總體變異性較大，其變異系數(shù)為34.32%～89.54%，屬中等變異。土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)西部、北部部分區(qū)域較高，而中部、東南部含量較低的趨勢，但其總體含量水平低，處于很缺乏狀態(tài)。土壤堿解氮則呈現(xiàn)北部、東部部分區(qū)域的含量較高，西部、南部含量較低的趨勢，其總體含量水平很低，處于非常缺乏狀態(tài)。土壤有效磷含量呈現(xiàn)出西部、中部極少數(shù)區(qū)域含量較高的趨勢，在其總體分布特征總體上表現(xiàn)出相對較高的均質(zhì)性，但同樣其總體含量水平低，處于非常缺乏狀態(tài)。而土壤速效鉀的含量分布格局與其他土壤養(yǎng)分相比，相對比較復(fù)雜，總體表現(xiàn)出比較強的空間異質(zhì)性特征，呈現(xiàn)出中部地區(qū)含量較低，南部、北部含量較高，東部、西部含量較低的趨勢，總體含量中等，仍有相當(dāng)部分區(qū)域處于缺乏狀態(tài)。但就土壤養(yǎng)分整體而言，土壤養(yǎng)分含量表現(xiàn)為北部高，中部低。因此，在該研究區(qū)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時，應(yīng)加大有機(jī)肥、氮肥、磷肥的施用，適當(dāng)施用鉀肥，以更好的使用和培肥土壤，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，科學(xué)施肥。

參考文獻(xiàn)

[1] 程先富，史學(xué)正，于東升，等. 江西省興國縣土壤全氮和有機(jī)質(zhì)的空間變異及其分布格局[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2004，10（1）：64-67.

[2] 王宏庭，金繼運，王 斌，等. 土壤速效養(yǎng)分空間變異研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2004，10（4）：349-354.

[3] 崔瀟瀟，高 原，呂貽忠. 北京市大興區(qū)土壤肥力的空間變異[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，9（26）：327-333.

[4] 張 貞，高金權(quán)，陳 衛(wèi)，等. 基于地統(tǒng)計學(xué)的土壤肥力空間變異分析[J]. 天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報，2012，2（18）：134-139.

[5] 黃昌勇. 土壤學(xué)[M]. 北京： 中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

[6] 鄒 焱，蘇以榮，路 鵬，等. 洞庭湖區(qū)不同耕種方式下水稻土壤有機(jī)碳、全氮和全磷含量狀況[J]. 土壤通報，2006，37（4）： 671-674.

[7] 郭宗祥，左其東，李 梅，等. 江蘇省太倉市耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價-土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀和CEC的變化[J]. 土壤，2007，39（2）：318-321.

[8] 王勝佳，陳 義，李實燁. 長期三熟制下谷物產(chǎn)量和土壤氮磷鉀及有機(jī)質(zhì)性狀的演化[J]. 土壤通報，2003，34（3）：187-190.

[9] 加拿大磷鉀研究所北京辦事處. 土壤養(yǎng)分狀況系統(tǒng)研究法[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，1992.

[10] Cambardella C A， Moorman T B， Novak J M. Field-scale variability of soil properties in central low a soils J. Soil Sci. 1994， 58： 1 501-1 511.

[11] Alemi M H， Azari A B， Nielsen D R. Kriging and univariate modeling of a spatial correlated date[J]. Soil Technology， 1988， 1（2）： 117-132.