江淮丘陵地區土壤養分空間變異特征①
——以安徽省定遠縣為例

趙明松，李德成，張甘霖，張兆冬，王莉莉（1 安徽理工大學測繪學院，安徽淮南 001； 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 10008； 定遠縣土壤肥料工作站，安徽定遠 00）

江淮丘陵地區土壤養分空間變異特征①
——以安徽省定遠縣為例

趙明松1，2，李德成2*，張甘霖2，張兆冬3，王莉莉3
（1 安徽理工大學測繪學院，安徽淮南 232001；2 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008；3 定遠縣土壤肥料工作站，安徽定遠 233200）

以安徽省江淮丘陵地區的定遠縣為例，利用測土配方施肥獲取的1 401個農田表層樣點數據，運用地統計學方法和GIS技術研究了土壤有機質 （SOM）、全氮 （TN）、速效磷 （AP） 和速效鉀 （AK） 含量的空間變異特征及其影響因素。結果表明，定遠縣SOM含量為17.74 g/kg，TN含量為1.04 g/kg，AP含量為13.45 mg/kg，AK含量為115.00 mg/kg，屬中等水平。變異系數介于28.85% ～ 73.38%，屬中等變異強度。地統計分析表明，定遠縣土壤養分的變異函數符合指數模型，具有中等強度的空間自相關性，SOM和TN的空間自相關性稍強。土壤養分在空間上呈塊狀分布，SOM、TN和AK的空間分布總體上東南高、西北低；AP總體上西高東低。土壤養分空間變異主要受地形和土壤類型影響。

土壤養分；空間變異；地統計學；Kriging插值

研究土壤空間變異對土壤預測制圖、土壤分區管理、農業生產等具有重要意義，也是實施土壤調查和優化采樣策略必需考慮的因素［1］。土壤養分直接影響農作物生長與糧食產量，同時對改善土壤理化性質、地表過程模擬、農業可持續發展等有著重要的意義。因此，揭示土壤養分空間變異特征是了解區域土壤肥力狀況的重要內容，也是合理利用土壤資源和指導施肥的前提。

20 世紀 70 年代起，國內外眾多學者多采用地統計學方法 （主要是 Kriging 插值） 對土壤養分的空間變異進行了研究［2-8］，如 Cambardella 等［3］研究了田間尺度土壤有機質、全氮等含量的空間變異，利用塊金系數確定變異強弱標準，Kuzel 等［4］研究了1 hm2區域內 Cd 濃度、pH 和土壤有機質的空間變異。王志剛等［5］研究了長三角典型地區土壤肥力的空間變異規律，劉國順等［6］研究了田間尺度的緩坡煙田土壤養分空間變異規律，呂真真等［7］研究了環渤海沿海區域土壤養分空間變異及分布格局，趙明松等［8］研究了徐淮黃泛平原區土壤有機質空間變異規律，并揭示其變異影響因素，這些研究為評價區域土壤肥力、合理利用土壤資源等提供科學依據。

安徽省江淮丘陵區地處淮河和長江之間，地貌類型較復雜，包括低山、丘陵、崗地、湖濱與沿河平原等。行政區包括霍邱縣、壽縣、肥東縣、肥西縣、長豐縣、定遠縣、鳳陽縣、滁州市、天長市、全椒縣、來安縣等地，土地面積 1.54 萬 km2。江淮丘陵位于北亞熱帶向暖溫帶的過渡帶，光溫水等氣候條件豐富，主要分布有黃棕壤 （濕潤淋溶土）、黃褐土 （濕潤淋溶土）、水稻土 （水耕人為土）、石灰土 （濕潤雛形土）、砂姜黑土 （潮濕雛形土）、潮土 （潮濕雛形土）、紫色土 （濕潤雛形土） 等土壤，是安徽省主要的糧油生產基地之一。該區域土壤肥力較低，中低產土壤比重大，水土易流失，在很大程度上制約農業發展。目前，關于江淮丘陵區土壤養分空間變異的研究較少，如馬渝欣等［9］利用測土配方施肥和農田土壤碳庫調查數據，研究了該區定遠縣土壤有機碳空間分異，但對于其他土壤養分沒有涉及。因此，本研究利用地統計方法和 GIS 技術，探討江淮丘陵地區土壤有機質、氮磷鉀等養分空間變異規律及其影響因素，對于了解土壤肥力空間變異、指導野外采樣具有重要意義，為區域土壤分區管理和改善土壤肥力等提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于江淮丘陵地區中部的定遠縣，介于32°13′ ～ 32°42′N，117°13′ ～ 118°15′E （圖1），總面積2 998 km2。定遠縣屬暖溫帶半濕潤季風區，年平均氣溫14.8℃，年平均降水量934 mm，無霜期210 天。該縣地勢總體上北高南低，海拔15 ～ 337 m，90% 區域海拔低于100 m （圖2）。地貌類型大致分為丘陵、崗地、波狀平原和平原。研究區內大部分地區為崗地和波狀平原分布在區域中部；少量的成片平原僅分布于縣西南和縣東池河沿岸一帶；丘陵分布在區域北部和東部。成土母質主要為下蜀黃土、黃土性古河流沉積物、石灰巖殘坡積物等，農田土壤類型主要有黃棕壤、石灰巖土、紫色土、砂姜黑土、水稻土、潮土等。研究區土地利用以水田為主，占總面積的 63.78%，旱地面積占9.78% （圖2）。輪作制度以稻-油 （麥） 輪作為主，是全國商品糧基地縣之一。

圖1 定遠縣位置（左）和采樣點分布圖（右）Fig. 1 Location （left） and soil sampling sites （right） of the Dingyuan County

圖2 定遠縣數字高程模型（左）和土地利用（右）Fig. 2 Digital elevation model （left） and land use （right） of Dingyuan County

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 土壤樣品采集 土壤養分數據來源于定遠縣2008年測土配方施肥工作。根據土壤、土地利用、地貌等共調查取樣典型田塊1 401個 （圖1），采樣深度為耕作層 （0 ～ 20 cm），同一田塊內隨機多點采樣，混合后按四分法留1 kg，并在田塊中心記錄GPS坐標和海拔。

1.2.2 樣品處理與分析 樣品在實驗室自然風干后，用木棒壓碎挑出礫石、草根等雜物，研磨過2、0.25和0.149 mm尼龍篩。土壤有機質 （SOM） 采用重鉻酸鉀氧化-滴定法測定，土壤全氮 （TN）采用重鉻酸鉀、硫酸消化-蒸餾法 （凱氏蒸餾法） 測定，土壤有效磷 （AP） 采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法 （分光光度法） 測定，土壤速效鉀 （AK） 采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定［10］。依據《定遠土壤》中記錄的每一個土種（最小分類單元）的質地類型，按照測土配方施肥樣品所屬的土種確定每一個樣點質地。質地分級采用卡慶斯基制。

1.3 數據處理

利用SPSS 13.0 for Windows對土壤養分含量進行描述性統計、正態分布檢驗以及方差分析。利用地統計學的變異函數分析土壤養分空間變異結構特征［11］。利用ArcGIS 9.3地統計模塊的普通Kriging插值方法繪制土壤養分空間分布圖。

2 結果與討論

2.1 土壤養分含量的統計特征

表1為土壤養分含量的統計特征值。研究區SOM、TN、AP和AK的平均含量分別為17.74 g/kg、1.04 g/kg、13.45 mg/kg和115.00 mg/kg，養分含量屬于中等水平。SOM含量介于1.60 ～ 60.80 g/kg，TN含量介于0.29 ～ 4.63 g/kg，AP含量介于0.40 ～ 99.70 mg/kg，AK含量16.00 ～ 794.00 mg/kg，全縣養分含量變化范圍較大。土壤養分的變異系數介于28.85% ～ 73.38%，均屬于中等變異強度［12］，其中AP的變異最大，變異系數為73.38%，其次是AK，SOM和TN的變異最弱，變異系數均小于30%。這與劉國順等［6］、呂真真等［7］的研究結果相似，土壤速效養分較之SOM和TN等的變化幅度大。這主要與養分元素在土壤中的化學行為及肥料施用狀況、耕作等田間管理措施有關。實施家庭聯產責任承包制以來，我國農業生產由集體耕作轉變為以農戶家庭為單位的獨立耕作管理方式，農戶根據個人意愿和經驗進行農業生產，不同農戶間的田間施肥種類和數量、耕作方式以及田間管理水平等存在較大差異。農戶施肥調查信息表明，不同農戶的氮素投入量差異不明顯，磷素和鉀素投入差異較明顯。偏度和峰度系數表明研究區土壤養分含量符合對數正態分布，滿足地統計學分析的要求。

表1 研究區土壤養分含量的統計特征值Table1 Statistical characteristic values of soil nutrient contents

2.2 土壤養分含量空間變異結構特征分析

表2為對數變換后的土壤養分含量的變異函數擬合模型及參數。根據決定系數（R2）、殘差 （RSS）等，選擇變異函數的擬合模型。研究區土壤養分的變異函數均符合指數模型。

由表2可知，研究區的SOM、TN、AP和AK 的C0分別為0.046、0.034、0.270和0.119，說明在當前的采樣尺度范圍內存在由采樣誤差、短距離變異、施肥水平等隨機因素引起的變異［13］。其中AP和AK的 C0較大，說明在當前的采樣尺度內，隨機變異的成分仍較大。塊金系數 （C0/（C0+C）） 表示空間異質性程度，比值高，說明由隨機部分引起的空間變異程度較大［14］；相反，則由空間自相關部分引起的空間變異程度較大。4種養分的塊金系數均在 25% ～75%，說明區域內存在中等的空間自相關性，結構因素與隨機因素對研究區土壤養分空間變異的作用相當［3， 14］。其中SOM和TN的空間自相關性稍強，AP 和AK的空間自相關性稍弱，這主要是由農戶田間施肥和管理水平的差異引起的，與上文的變異系數的規律一致。

表2 土壤養分含量的半方差函數理論模型和參數Table2 Semivariogram model and its parameters for soil nutrients

變程表示具有相似性質的斑塊的空間連續性的范圍，變程以內的空間變量具有空間自相關性，變程以外則不存在空間自相關。各養分的變程介于7 380 ～12 600 m，說明在此空間范圍內分布連續，存在空間自相關性，超出此范圍空間自相關性消失。其中SOM的變程最大，AP次之，TN和AK的變程最小，這種規律與張玉銘等［15］和劉國順等［6］研究結果一致。本研究中SOM的變程為12 600 m，塊金系數為49.50%，馬渝欣等［9］在該縣的研究結果 （土壤有機碳變程為6 300 m，塊金系數為10%） 略有差異，這可能與選用的樣本數量和樣本集有關 （土壤樣本數2008年測土配方施肥樣916個，2011年70個），在后期的研究需進一步探討。

2.3 土壤養分含量空間分布特征

采用普通Kriging方法繪制土壤養分含量空間分布圖 （圖3）。定遠縣SOM含量空間分布趨勢與區域地形特征 （圖2左） 相反：總體上東北和東南沿河平原含量較高，達20 g/kg以上；西部次之，含量在15 ～20 g/kg；中部和東北部丘陵區含量較低，在15 g/kg以下，且在東南至西北方向上變異最強烈。這與定遠縣地形地貌有關，從地貌來看丘陵崗地起伏較大，水土流失相對較為嚴重，表層土壤和有機質分解后易被淋洗流失。此外，定遠縣沿河及濱湖平原地下水位在0.5 ～ 1.0 m；崗地與丘陵區地下水位在2 ～ 8 m，局部地區大于10 m，地下水補給較差①定遠縣土壤普查辦公室. 定遠土壤. 1985，土壤水分含量較低，這也是影響該縣 SOM空間分布格局的因素之一。TN的空間分布特征與SOM相似，這主要是因為二者之間的相關性。大部分區域 TN含量較低，在1.1 g/kg以下。AP和AK含量在空間上呈斑塊狀分布。AP的空間分布總體上西高東低，中部和西部地區含量均在13 mg/kg以上，分布趨勢與SOM相反。AK的高值主要分布在中東部，含量在150 mg/kg以上，低值分布在東部丘陵和西部，含量在100 mg/kg以下。參照全國第二次土壤普查養分分級標準，定遠縣土壤養分仍以中下等水平為主，SOM含量較缺乏。定遠縣總體上東部土壤肥力較西部高，因此需加強該縣西部區域的土壤培肥工作，增加有機質、氮、鉀等元素的輸入，東部地區需增加磷肥的輸入。

圖3 普通Kriging插值的土壤養分空間分布Fig. 3 Spatial distribution of soil nutrient contents based on Kriging

2.4 土壤養分空間變異影響因素分析

2.4.1 地形因素 地形對地表物質和能量的再分配影響著成土過程，土壤所處的環境條件也影響著其發育和演變。定遠縣地勢總體上北高南低、東西較低、中部較高 （圖2），SOM和TN含量空間分布與地形特征相反 （圖3），AP含量空間分布與地形特征相似。表3為海拔和土壤養分的相關系數矩陣，由表可見定遠縣SOM、TN和海拔呈極顯著負相關（P＜0.01），AP與海拔呈極顯著正相關（P＜0.01），AK與海拔呈負相關但不顯著。這主要是因為海拔較高的地區，土壤養分因灌水、降雨而易淋失；其次在定遠縣丘陵崗地的地下水位埋藏較深，土壤濕度較低，有機質分解迅速，不易積累，導致SOM和TN含量相對低于地勢較低的地區。

表3 土壤養分含量與海拔的相關系數矩陣Table3 Correlation coefficients between soil nutrient contents and elevation

2.4.2 土壤類型 表4為不同土壤類型的養分含量統計情況。6種土壤類型的SOM、TN和AP平均含量相差較小，其中水稻土的SOM和TN含量稍高，潮土的含量最低。這主要與兩種土壤類型的土地利用方式和成土環境有關。石灰（巖）土和黃棕壤的AP含量較高，分別為 13.81 和 13.69 mg/kg，潮土的含量最低。6種土壤類型的AK含量存在顯著差異 （P＜0.05），其中紫色土的含量最高，砂姜黑土的含量最低。

表4 不同土壤類型的土壤養分含量Table4 Soil nutrient contents different in soil types

不同土壤類型間養分含量的方差分析結果：SOM、TN和AK的組間均方均大于組內均方，F檢驗分別為 7.55 （P＜0.001）、6.19 （P＜0.001） 和 3.07 （P＜0.01）；AP的F檢驗為0.18 （P= 0.969）。結果表明除AP外各土壤類型的養分含量具有顯著差異，其中土壤類型對SOM含量的差異影響較大，對AK含量的差異影響較小。雖然方差分析表明不同土壤類型間養分含量存在顯著差異，但是SOM和TN數據組通不過齊次性檢驗，多重比較無意義。

2.4.3 土壤質地 土壤質地在局部范圍內影響土壤養分含量，特別是砂粒和黏粒含量顯著影響 SOM的累積與分解［17］。一般而言，土壤黏粒含量較高，SOM較高，主要因為黏粒通過與有機物質結合形成有機-無機復合體，吸附穩定SOM，降低了其礦化速度，有利于其積累；相反砂粒含量較高的土壤中，這種保護機制較小或缺少，有機質礦化分解較快［18］；而SOM含量與粉粒含量的作用，主要表現在粉粒對土壤水分有效性、植被生長的正效應及其對SOM的保護作用［19-21］。

表5為定遠縣不同土壤質地類型的養分含量統計值。不同土壤質地類型的SOM含量差異顯著，含量高低依次為：重壤土、中壤土、輕壤土、輕黏土。輕壤土、中壤土和重壤土中的黏粒和粉粒含量依次增高，其SOM含量相應較高。而輕黏土的黏粒含量較高，SOM含量反而比其他質地類型的SOM含量要低，這主要與區域成土母質有關。根據定遠縣第二次土壤普查資料，發育在下蜀黃土母質上的馬肝土、馬肝田、黃白土以及黑姜土，質地黏重，多為輕黏土，較發育在其他母質類型上的有機質含量較低①定遠縣土壤普查辦公室. 定遠土壤. 1985。

表5 不同質地的土壤養分含量Table5 Nutrient contents in the soils with different texture types

方差分析結果表明各土壤質地類型間的SOM含量差異性顯著 （F檢驗為3.36，P＜0.05）。不同質地類型的TN （F檢驗為0.41，P= 0.748）、AP （F檢驗為0.98，P= 0.400） 和AK （F檢驗為1.34，P= 0.260） 差異不顯著，但由F檢驗值可以看出質地類型對AK的影響要略大于AP和TN。土壤質地是定遠縣SOM空間變異的主要影響因素。

3 結論

1） 定遠縣SOM、TN、AP和AK的平均含量分別為17.74 g/kg、1.04 g/kg、13.45 mg/kg和115.00 mg/kg，屬于中等水平。土壤養分的變異系數介于 28.85% ～73.38%，均屬于中等變異強度。土壤養分的變異函數均符合指數模型，區域內存在中等強度的空間自相關性，空間自相關距離介于7 380 ～ 12 600 m。SOM和TN的空間自相關性稍強，AP和AK的空間自相關性稍弱。

2） 定遠縣 SOM和 TN空間分布與地形特征相反，總體上東北和東南含量較高，西部次之，中部含量最低，在東南至西北方向上變異最強烈。AP和AK在空間上呈斑塊狀分布，AP含量總體上西高東低；AK含量總體上中東部較高，東部和西部較低。定遠縣土壤養分空間變異受地形、土壤類型和質地影響，其中地形和土壤質地對SOM空間變異影響較強。

3） 定遠縣土壤肥力總體上東部較西部高，西部區域應強化秸稈還田，增施有機肥、農家肥、鉀肥以提高土壤有機質、氮、鉀含量，而東部地區則需增施磷肥。

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Spatial Variability Characteristics of Soil Nutrients in Jianghuai Hilly Region——A Case Study of Dingyuan County， Anhui Province

ZHAO Mingsong1，2， LI Decheng2*， ZHANG Ganlin2， ZHANG Zhaodong3， WANG Lili3
（1 School of Geodesy and Geomatics， Anhui University of Science and Technology， Huainan， Anhui 232001， China； 2 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture （Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences）， Nanjing 210008，China； 3 Soil and Fertilizer Station of Dingyuan County， Dingyuan， Anhui 233200， China）

In this research， Dingyuan County was chosen as a case in the Jianghuai hilly region. A total of 1 401 soil samples were obtained from soil testing and formulated fertilization of Dingyuan County. Spatial variability of organic matter （SOM）， total nitrogen （TN）， available phosphorus （AP）， and available potassium （AK） in the surface layer of soils in this region were analyzed using the Geostatistics and GIS method. The factors influencing the spatial variability of soil nutrients were also investigated by means of correlation analysis and variance of analysis. The results showed that the average contents of SOM， TN，AP and AK were 17.74 g/kg， 1.04 g/kg， 3.45 mg/kg and 115.00 mg/kg， respectively. The coefficients of variation for these soil nutrients ranged from 28.85% to 73.38%， belonging to a moderate level of variation. Geostatistical analysis suggested that semivariance functions of soil nutrients were fitted by exponential model. There was a moderate spatial autocorrelation among these soil nutrients. Spatial autocorrelation of SOM and TN was slightly stronger than that of AP and AK. Soil nutrients were distributed spatially in patches. The contents of SOM， TN and AK decreased along the direction from southeast to northwest in spatial distribution. AP content decreased from west to east of Dingyuan County. Topography and soil types were main factors influencing the spatial variability of soil nutrients in Dingyuan County.

Soil nutrients； Spatial variability； Geostatistics； Kriging interpolation

S159

10.13758/j.cnki.tr.2016.04.021

國家自然科學基金項目（41501226）、安徽省高校自然科學研究項目（KJ2015A034）、土壤與農業可持續發展國家重點實驗室開放基金項目（Y412201431）和安徽理工大學人才引進項目（ZY020）資助。

（dcli@issas.ac.cn）

趙明松（1983—），男，安徽淮南人，博士，講師，主要從事數字土壤制圖和土壤空間變異研究。E-mail： zhaomingsonggis@163.com