基于地統計學的耕層土壤有效態微量元素空間變異特征研究

孫翠珊+李玉環+陳明

摘要：運用地統計學和ArcGIS技術相結合的方法，研究了威海市文登區農田土壤有效態微量元素的空間變異分布特征。統計分析結果表明，有效B、Fe、Mn、Cu 和 Zn 符合對數正態分布，土壤中有效態微量元素含量均在正常范圍之內，總體偏低。土壤微量元素的變異系數差異較大，分配不均衡，有效Fe、Mn、Zn、Cu均屬中等變異程度（10%～100%） ，而有效B屬低等變異程度（<10%）。結構分析表明，文登區土壤微量元素含量空間變異具有各向異性， 塊金值與基臺值的比值均小于25%，具有強烈的空間相關性，說明在該研究區內，受人為因素的影響較小。空間局部差值結果表明，中部低山丘陵區有效Fe 含量較高，中南部邊界地帶含量最低，且有區域性特征，有效Mn的分布特征與有效Fe有一定的相似性，有效Cu在北部山區、中北部圣經山以及中南部低山丘陵一帶較為集中，有效Zn和有效B地域差異不明顯，分布較為細碎化。利用地統計學方法分析本區土壤有效態微量元素的空間變異結構，對農業生產合理布局、土壤資源綜合治理具有重要意義。

關鍵詞：耕層土壤；微量元素；空間變異；Kriging插值

中圖分類號：S158 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2017）07-0081-05

Abstract In this paper， the spatial variability characteristics of available microelements in farmland soils in Wendeng District of Weihai City were studied by means of geostatistics and ArcGIS. The results of statistical analysis showed that the available B， Fe， Mn， Cu and Zn accorded with the logarithmic normal distribution， and the contents of trace elements were all within the normal range， but the total level was lower. The variation coefficients of soil microelements had greater differences and the distribution was not balanced. The available Fe， Mn， Zn and Cu belonged to moderate degree of variation （10%～100%）， while the available B belonged to low degree of variation （<10%）. Structural analysis showed that the spatial variation of trace elements in Wendeng had anisotropy. The ratio of gold value to base value was less than 25%， so there was strong spatial correlation. It indicated that the influence of human factors was smaller in this region. The results of spatial local difference showed that the available Fe content was higher in the middle hilly area of central China， while the lowest in the central and southern regions， which presented regional characteristics. The distribution of available Mn had some similarity to the available Fe. The available Cu mainly concentrated in the northern mountains， the back of the Bible and the middle and south of hilly area. The difference between the available Zn and B was not obvious， and their distribution appeared fragmentation. Using the method of geostatistics to understand the spatial variation structure of soil microelements in this area would be of great significance to rational distribution of agricultural production and comprehensive management of soil resources.

Keywords Plow layer soil； Trace elements； Spatial variability； Kriging interpolation

微量元素是土壤的重要組成成分，是表征土壤質量的重要因子[1]，雖然在土壤中含量比較低，但對作物正常生長影響廣泛，有重要探究意義。近年來，許多國內外學者對土壤微量元素進行了多方面探究，基于地統計學的內插方法能夠更好地反映微量元素的空間分布特征，推動對微量元素空間異質性研究探討，比如徐尚平等[2]用克里格法分析了內蒙地區土壤微量元素的空間結構，發現母質和以土類為代表的表生地球化學作用是影響分布模式的主要因素。張慶利等[3]對城郊蔬菜基地、趙彥峰等[4]對城鄉交錯區分析耕層土壤有效微量元素空間分布的影響因素認為，有效鋅和有效銅的含量主要受人類活動影響。農業生產中施用的氮、磷肥等將導致土壤-植物系統中微量營養元素的失衡，從而引起微量元素的缺乏[5]。

本文在前人對文登區研究的基礎上，結合文登區土地類型、地形、利用現狀等因素分析了土壤有效態微量元素的空間分布規律，有效彌補了文登區土壤養分分析的不足，以更全面直觀地了解文登區微量元素分布現狀，有助于精準施肥，因地制宜，對農業生產有重要指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

文登位于山東半島東部，在北緯36°52′～37°23′、東經121°43′～122°19′之間。西阻于昆崳山，與煙臺市牟平區和乳山市相接，北連威海市環翠區，東鄰榮成市，南瀕黃海。總面積1 645 km2，海岸線155.88 km。全市土地總面積161 461.77 hm2，農用地占土地總面積的74.90%。文登位于新華夏系第二隆起的東部，總的地質特點是：地質簡單，巖漿巖分布廣泛，構造不太發育。全境兩側高，中間低，北部高，南部低，像一個簸箕，口向南，伸向黃海。境內地形復雜，丘陵起伏，溝壑縱橫，平原沿河谷兩岸及濱海地區呈帶狀展布。山地占總面積19%，丘陵占58.4%，平原占22.6%。文登地處北溫帶，屬大陸性季風氣候，四季分明。降水分布不均，夏季較為集中，春秋季降水偏少，常發生干旱。根據全區第二次土壤普查資料，全區土壤有6個土類，10個亞類，14個土屬，97個土種，179個變種。棕壤是全區主要土壤類型，分布于各地，可利用土地面積13.15×104 hm2，占可利用總面積的83.59%。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與分析 2011 年 9 月（作物收割后） 進行耕層土壤（0～20 cm）的取樣，以威海市文登區土地利用現狀圖為基礎圖件，結合研究區實地情況，根據均勻布點原則并進行實地采樣，采取多點混合和四分法采集 0～20 cm 耕作層土壤，用手持GPS定位采樣點，共布設2 387個土壤采樣點，經篩選選取1 086個采樣點（圖1）。

土壤有效鐵的測定采用鄰二氮菲分光光度法[6]；有效鋅、錳的測定采用DTPA浸提-原子吸收分光光度法[7]；土壤有效硼通常是指以沸水提取的硼，用甲亞胺比色法測定；有效銅采用火焰原子吸收分光光度法測定。

1.2.2 數據處理與統計分析 利用 SPSS 19.0 對數據進行K-S檢驗和一般描述性統計，剔除原始數據中的異常值后，如不符合正態分布，需進行對數轉換。利用GS+7.0和ArcGIS10.0軟件互相輔助對數據進行半方差分析和擬合，依據變異函數理論模型參數，選取最優擬合方法，在地統計模塊中進行普通Kriging插值，生成微量元素空間變異分布圖。

半變異函數的理論模型可用來分析土壤理化性質空間變異的隨機性和結構性，它是地統計學特有的工具和分析的基礎[8]。變異函數是研究空間變異的關鍵函數[9]，該函數為：

r（h）=12δ2[Z（x+h）-Z（x）]。

式中：h—樣本間距；Z（x）—在位置x處的數值；Z（x+h）—在距離x+h處的數值[10]。

實際工作中區域化變量的變異性往往很復雜，它可能在不同的方向上呈現不同的變異性，或者在同一方向上包含著不同尺度的多層次的變異性。

2 結果與分析

2.1 土壤有效態微量元素的統計分析特征

土壤有效態微量元素指標的描述統計結果見表1。按照全國第二次土壤普查養分分級標準，文登區土壤有效態微量元素含量差異較大，有效Fe、Mn、Cu、Zn、B 含量的變化范圍分別為2.02～9.32、1.63～8.52、0.03～0.94、0.01～0.72、0.10～0.26 mg/kg，其平均含量分別為4.26、4.35、0.31、0.22、0.24 mg/kg，其中有效Mn的平均含量最高，有效Zn的平均含量最低。按照山東省土壤有效態微量元素分級標準，從平均含量來看，有效態Fe 處于低等水平（2.5～4.5 mg/kg），有效Mn處于低等水平（1～5 mg/kg），有效Cu處于中等水平（0.2～1.0 mg/kg），有效Zn處于低等水平（<0.5 mg/kg），有效B處于低等水平（<0.25 mg/kg）。由土壤環境質量標準[11]可知，有效Cu、Zn、Mn 均未超過國家規定的標準。按照反映離散程度的變異系數大小的分級標準，有效Fe、Mn、Zn、Cu均屬中等變異程度（10%～100%），而有效B屬低等變異程度（<10%）。正態分布檢驗表明，各微量元素原始數據均表現為尖峰、正偏性，經對數轉換后，符合正態分布，滿足地統計學分析的要求。

2.2 土壤有效態微量元素空間異質性特征分析

塊金值也叫塊金方差，反映的是最小抽樣尺度以下變量的變異性及測量誤差，表示隨機部分的空間異質性。塊金值與基臺值的比值為空間相關度，表示可度量空間自相關的變異所占的比例，表明系統變量的空間相關性的程度。如果比值<25%，說明具有強烈的空間相關性；如果比值在25%～75%之間，表明具有中等的空間相關性；若>75%說明空間相關性很弱。如表2所示，各個微量元素塊金值/基臺值均小于25%，說明具有強烈的空間相關性，說明在該研究區內，受人為因素（耕作、施肥、種植制度等） 的影響較小。由表2可知，土壤微量元素的半方差函數擬合效果最優，有效Fe、Mn、Cu、Zn用指數模型擬合效果最優，有效B用球狀模型擬合效果最優。

2.3 土壤有效態微量元素含量的空間局部插值分析

空間插值分布圖可以更直觀地體現土壤微量元素含量的變化，為便于全面、直觀地揭示土壤微量元素的空間分布規律，在 ArcGIS10.0 中，對各個微量元素采用普通Kriging插值（圖2）。中部低山丘陵區有效Fe含量較高，在 6.0 mg/kg 以上，中南部邊界地帶有效Fe 含量最低，且有區域性特征，基本在小觀鎮范圍內，土地利用類型是菜地和果園。有效Mn的分布特征與有效Fe有一定的相似性，環繞在鐵元素密集區周圍。有效Cu在北部山區、中北部圣經山以及中南部低山丘陵一帶較為集中。有效Zn和有效B地域差異不明顯，分布較為細碎化，說明受人類活動、地形和土地利用類型影響比較少。張忠啟等[12]研究了江蘇省沛縣土壤全氮空間變異性，土壤類型對土壤全氮含量有著重要影響，成土母質是影響空間分布的重要因素。微量元素空間分布較為復雜，產生這種現象的原因主要與研究區的成土母質有關，成土母質是影響微量元素含量和空間分布的首要因素[13]，文登區成土母質大部分為酸性巖風化物，土壤代換量平均在6.5 cmol/kg土，保肥能力弱。

3 討論

通過對文登區土壤有效態微量元素的分析，應從以下兩個方面加強研究：

（1）全面統計微量元素的空間信息，利用ArcGIS空間分析功能，結合土地利用現狀、類型、地形、氣候等相關數據，整合土壤有機質與氮磷鉀大量元素信息，進行土壤養分綜合分析，提高插值精度，為進一步開展文登區土壤監察與改良提供理論依據。

（2）文登區土壤有效態微量元素含量均在正常范圍之內，總體偏低，施肥是土壤養分補給的重要來源，在施肥過程中土壤微量元素也會產生動態變化，應根據不同鄉鎮農業農村經濟發展階段和科學施肥水平，因地制宜加快配方肥推廣，綠色防控，逐步淘汰高毒、高殘留化學農藥應用，規范化、標準化使用化學投入品，不斷改良土壤，使土壤養分達到生態平衡，改善缺乏現狀，助力農業生產。

4 結論

本研究運用經典統計學和地統計學的方法，借助GS+軟件輔助調參，運用克里格內插的方法分析了威海市文登區耕層土壤微量元素空間變異特征，主要結論如下：

（1）統計分析結果表明，有效B、Fe、Mn、Cu和Zn 符合對數正態分布，土壤中有效態微量元素含量均在正常范圍之內，總體偏低，有效Cu 處于中等水平，其他元素均處在低等水平，處于普遍缺乏狀態。土壤微量元素的變異系數差異較大，分配不均衡，有效Fe、Mn、Zn、Cu均屬中等變異程度（10%～100%） ，而有效B屬低等變異程度（<10%）。

（2）利用普通Kriging插值方法，在半變異函數擬合模型基礎上，分析了土壤有效態微量元素的地統計特征，文登區土壤微量元素含量空間變異具有各向異性， 塊金值/基臺值均小于25%，具有強烈的空間相關性，說明在該研究區內，受人為因素的影響較小。有效態元素Fe、Cu、Mn 和 Zn 用指數模型擬合較好，有效B用球狀模型擬合較好。

（3）通過制作該區域土壤微量元素含量的空間局部差值圖，分析了其空間分布規律。中部低山丘陵區有效Fe 含量較高，中南部邊界地帶含量最低，且有區域性特征，有效Mn的分布特征與有效Fe有一定的相似性，有效Cu在北部山區、中北部圣經山以及中南部低山丘陵一帶較為集中，有效Zn、B地域差異不明顯，分布較為細碎化。

參 考 文 獻：

[1]王學軍，鄧寶山，張澤浦.北京東郊污灌區表層土壤微量元素的小尺度空間結構特征[J].環境科學學報，1997，17（4）： 412-416.

[2]徐尚平，陶澍，徐福留，等.內蒙土壤微量元素含量的空間結構特征[J].地理學報，2000，55（3）：337-345.

[3]張慶利，史學正，黃標，等. 南京城郊蔬菜基地土壤有效態鉛、鋅、銅和鎘的空間分異及其驅動因子研究[J]. 土壤，2005，37（1）： 41-47.

[4]趙彥峰， 史學正， 黃標， 等. 工業型城鄉交錯區農業土壤 Zn 的空間分異及其影響因子探討——以無錫市為例[J]. 土壤，2006，38（1）： 29-35.

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[13]陶澍，曹軍，李本綱，等.深圳市土壤微量元素含量成因分析[J].土壤學報，2001，38（2）：248-255.