湘中南土地整理后煙田土壤肥力指標評價及空間變異特征

廖超林, 傅靈藝, 張鵬博, 盛 浩, 于慶濤, 鄒 凱, 張楊珠

(1.湖南農業大學 資源環境學院, 長沙 410128; 2.邵陽市煙草公司, 湖南 邵陽 422000)

湘中南土地整理后煙田土壤肥力指標評價及空間變異特征

廖超林1, 傅靈藝1, 張鵬博1, 盛 浩1, 于慶濤2, 鄒 凱2, 張楊珠1

(1.湖南農業大學 資源環境學院, 長沙 410128; 2.邵陽市煙草公司, 湖南 邵陽 422000)

掌握土地整理區土壤養分特征已成為煙田快速培肥和提升土壤質量的首要問題。采用GIS與地統計學相結合的方法，評價了土地整理后煙田土壤養分等肥力指標的適宜性等級狀況及其空間變異特征。結果表明：研究區土壤偏酸，有機質、堿解氮含量普遍缺乏，存在較大面積的缺鉀現象；各肥力指標均屬于中等變異，變異系數大小順序依次為有效磷>速效鉀>堿解氮>有機質>全氮>全磷>全鉀>pH值。有機質和速效鉀的變異函數比較符合指數模型，全鉀、堿解氮用高斯模型擬合效果好，而pH值、全磷、全氮和有效磷則以球狀模型擬合效果最佳。肥力指標的塊金系數[C0/(C0+C)]中，土壤有機質、全鉀、堿解氮分別為0.903，0.998，0.823，空間相關性較弱；而pH值、全氮、全磷和有效磷的塊金系數[C0/(C0+C)]變化范圍為0.501～0.724，具有中等空間相關性；各肥力指標空間變程為99～1 003 m，最大和最小值分別為全鉀和堿解氮；各肥力指標表現出不同的空間分布特征，其中，pH值呈斑塊狀，堿解氮及全鉀呈條帶狀，全磷整體上呈從北至南含量增加的梯度分布格局。

土地整理; 煙田; 肥力指標; 空間變異

良好的土壤環境是實現烤煙穩產優質的必要條件[1]。土壤養分等肥力指標是土壤肥力的物質基礎，其豐缺狀況直接影響作物產量和品質[2]。科學、準確地掌握煙田土壤養分狀況，對合理利用土壤資源、改善土壤肥力狀況、調節土壤養分供給、指導烤煙合理施肥、促進烤煙生產發展具有重要意義[3]。多年來，土壤養分等肥力指標的空間分布定量分析以及空間變異特征研究受到各國學者的普遍重視[4]，并在農業生產中尤其是在精準施肥等方面得到了越來越廣泛的應用[5-8]。近年來，隨著全國范圍內煙田土地整理的開展，通過對植煙土壤進行的翻壓和客土填埋，導致土壤結構、土壤肥力和土壤生態環境都發生了較大的變化，在一定程度上限制了土壤綜合生產能力的提高[9]，掌握土地整理區土壤養分特征其及土壤肥力狀況已成為煙田快速培肥和提升土壤質量首要解決的問題。土地整理對土壤理化性質[10]、土壤微生物多樣性[11]、土壤侵蝕[12-13]、土壤質量[14]、及生態環境[15-16]的影響研究已做了大量工作。本文以湖南邵陽縣金稱市鎮土地整理后的煙田為例，采用GIS與地統計學相結合的方法，評價土地整理后土壤養分等肥力指標的適宜性等級狀況，分析其空間變異特征，為土地開發利用及土地整理耕地培肥提供依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

試驗區位于湖南邵陽縣金稱市鎮的西南部，地跨東經111°07′06″—110°8′34″，北緯26°49′51″—26°50′42″。東連邵陽縣東部，南連芙荑河，西連大塘村，北接金良村。項目區緊鄰金稱市鎮，距邵陽縣城28 km，金稱市至東安公路從項目區附近通過，交通方便。研究區屬大陸季風氣候區，氣候溫和，光照充足，雨量充沛。年平均氣溫16.9℃，年日照1 593 h，無霜期280 d，年降雨量1 355 mm[17]。試驗區為湖南省現代煙草農業試點項目—金稱市項目區煙田綜合整治試點，總面積140.53 hm2，土壤母質為第四紀紅色黏土和河流沖積物。該區土地整理于2012年開始，因區內相對高差較大，采取了土方挖、填與調配、移除巖石等重度整理方式，經過平整深翻，改造坡地，加深活土層等措施，擴大了耕地面積，改善了耕作和水利條件，工程于2013年1月完成并交付使用[18]。耕作方式為煙—稻輪作。

1.2 研究方法

1.2.1 采樣方法 采用GPS定位技術，根據田塊形狀，按照(80～100 m)×(100～120 m)的規格，對研究區土壤進行了網格五點梅花法采樣，采用手持GPS標記各采樣點坐標，共采集耕作層(0—20 cm)土壤農化樣213個，其中土地整理干擾土樣157個，未干擾土樣56個。

1.2.2 分析方法 采集的土壤樣品帶回實驗室后，經風干、去雜、過10，100目篩后，供土壤pH值、有機質、全氮和堿解氮、全磷和有效磷、全鉀和有效鉀的分析。其中土壤有機碳含量的測定采用重鉻酸鉀-外加熱法，全氮的測定采用凱氏定氮法，堿解氮的測定采用堿解擴散法，全磷的測定采用鉬銻抗比色法，有效磷采用NaHCO3提取，鉬銻抗比色法測定，其他指標均采用常規分析法[19]。

1.3 半變異函數分析方法

1.4 數據處理

將手持GPS標記的各采樣點坐標導入GS+9.0和ArcGIS10.0軟件，生成具有土壤肥力指標信息的采樣樣點數據，用以進行空間自相關分析、半方差函數計算以及克里格空間插值分析。

基于地統計學原理，采用GS+9.0軟件完成半變異函數計算和理論模型擬合，并結合ArcGIS軟件GeostatisticalAnalyst工具，對采樣點各土壤肥力指標值進行克里格插值，生成研究區土壤肥力指標的空間分布圖，完成各肥力指標空間部分面積統計。

傳統的數據統計分析借助Excel2010和SPSS18.0軟件完成。

2 結果與分析

2.1 土壤肥力指標評價及空間變異特征

根據湖南省種植煙草土壤肥力指標豐缺狀況的五級體系[21]，研究區土壤肥力指標劃分為極低、低、適宜、高、很高五個級別，分析研究區土壤養分含量豐缺狀況，指導烤煙生產。

表1為土地整理區土壤主要肥力指標的基本特征。研究區土壤pH值變化為4.23～8.07，90.01%土壤屬于低等級以下水平；有機質含量均值為15.57±5.94，屬于適宜等級以上的僅占21.23%，極低等級的占14.62%；全氮變化范圍為0.62～3.39g/kg，高等級僅占6.14%；堿解氮變化范圍為23.15～288.30mg/kg，含量為低級以下的高達74.53%，說明研究區土壤偏酸，有機質、堿解氮含量普遍缺乏，應適當施肥，調節土壤酸堿性，增施有機肥和氮肥，分別增加土壤氮的供應強度和有效性。全磷變化范圍為0.34～1.50g/kg，其中71.23%為適宜以上等級，處于高等級的僅占6.60%；有效磷變化范圍為2.00～118.58mg/kg，其中適宜以上等級的達91.51%，處于很高等級的高達30.19%，說明研究區土壤磷豐富；全磷含量高等級水平較少，表明土壤磷的供應潛力不足，適量施用磷肥，對防止土壤磷素的缺乏具有很好的防范作用。

表1 土壤肥力指標描述性統計分析

注：有機質、全氮、全鉀的單位為g/kg；堿解氮、有效磷、速效鉀的單位為mg/kg。

全鉀含量處于適宜等級以上的則高達92.45%；速效鉀含量呈現高低分異明顯，處以低級以下水平的為38.21%，適宜和很高等級的分別為20.28%和33.02%，說明研究區土壤供鉀能力較強，但速效鉀含量存在較大比例的極低等級，說明存在較大面積的缺鉀現象，應及時使用鉀肥。從變異系數(CV)來看，研究主要肥力指標均屬于中等變異，其中pH值變異系數接近弱變異，為13.32%；有機質和全量養分指標為中等變異，變化范圍為31.66%～38.17%；速效養分指標最大，堿解氮、有效磷和速效鉀變異系數分別為43.21%，68.48%和62.31%。pH值變異系數小，主要受土壤母質影響，速效養分變異系數高于全量養分，可能受土地整理區表土剝離、回填不均及施肥管理的影響。K-S檢驗表明，研究區pH值、有機質、堿解氮均符合正態分布；全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀經對數轉換符合正態分布。

2.2 土壤肥力指標的空間變異結構特征

利用地統計學軟件GS+9.0的Semivariance Analysis模塊選用不同的函數模型對土壤肥力指標進行半方差函數擬合，根據決定系數(R2)、殘差(RSS)來選擇最佳的擬合模型，得到各種模型擬合的特征參數值和半方差函數圖[22]。表2和圖1為擬合的土壤肥力指標最優半方差函數模型的參數值和半方差函數圖。由圖中可以看出，有機質和速效鉀的變異函數比較符合指數模型，全鉀、堿解氮用高斯模型擬合效果好，而pH值、全磷、全氮和有效磷則以球狀模型擬合效果最佳。

表2 土壤肥力的半方差函數理論模型及其相關參數

由表2可知，邵陽金稱市鎮土地整理區，各肥力指標中土壤pH值塊金值為0.173，其他肥力指標變化為0.000 26～0.005 19，說明在當前采樣尺度范圍內，各肥力指標由采樣誤差、短距離的變異、隨機因素引起的變異小。各肥力指標的塊金系數[C0/(C0+C)]中，土壤有機質、全鉀、堿解氮分別為0.903，0.998，0.823，其值均大于0.75，空間相關性較弱[8]，其空間變異是由隨機性因素作用引起的[19]。說明土壤有機質、全鉀和堿解氮受自然因素影響小，主要受人為因素即土地整理、耕作、施肥等的影響；pH值、全氮、全磷和有效磷的塊金系數[C0/(C0+C)]變化范圍為0.501～0.724，在0.25～0.75，具有中等空間相關性，其空間變異是由隨機性因素和結構性因素共同作用引起的。說明存在一定自然因素即土壤氣候、母質、地形等的影響。變程表示隨機變量在空間上的自相關性尺度，也稱為空間最大相關距離，反映了變量空間自相關范圍的大小[23]。區內以全鉀的變程最大，為1 003 m，pH值、全氮、全磷、有效磷和速效鉀的變程相對較大，變化范圍243～761 m，說明環境因素在較大尺度上控制著其空間異質性[24]；土壤有機質和堿解氮變程較小，分別為132 m和99 m，說明這2種肥力指標在較小尺度下具有最顯著的空間變異性，空間分布特征也最為復雜，與塊金系數一致。

圖1 土壤肥力指標半方差函數

2.3 土壤肥力指標空間分布格局分析

依據地統計學原理，根據待測點周邊范圍內已測點的數據，在考慮已測點與待測點之間樣點的形狀、大小、空間相互位置關系及結構信息后，對待測點進行的線性無偏最優估計。在半方差函數理論模型的基礎上，采用Krging法繪制土壤肥力指標的空間分布圖。研究區土壤有機質、全氮、堿解氮等肥力指標的正態或對數正態分布保證了Krging空間插值的有效性。

圖2，3可以看出，研究區土壤pH值呈區域斑塊狀分布，通過矢量化面積統計表明，金稱市鎮土地整理區以pH值為5.1～5.7的土壤分布面積最大，為93.83 hm2，占區域總面積的65.64%；pH值為4.8～5.1，5.7～6.6，6.6～8.1的土壤分布面積分別占6.38%，26.33%和1.64%，其中pH值為6.6～8.1的區域主要為土地整理連片未干擾區和土壤母質為河流沖積物的區域，說明pH值空間分布格局受土壤母質和土地整理區域分布影響，連片未干擾區和河流沖擊物母質土壤pH值相對較高，連片干擾區，土壤pH值低，酸化作用明顯。

圖2 土壤肥力指標空間分布

土壤有機質含量以13～17 g/kg空間分布面積最大，占區域總面積的78.34%，土壤有機質含量最低和最高值均分布在研究區四周，與土地整理強度的邊際效應相關，核心區土地整理強度大，區域邊際則土地整理作用強度相對小。土壤全氮以1.1～1.4 g/kg的分布面積最大，占區域總面積的70.69%，與有機質呈一致的分布規律，與土壤全氮受有機質影響相關，土壤有機質含量增加，則全氮含量升高。土壤堿解氮以含量為23～54 mg/kg的分布面積最少，為2.46 hm2，占區域總面積的1.72%，54～71 mg/kg和71～103 mg/kg分別占區域總面積的48.64%和49.64%，從西北—東南呈增加—降低—增加—降低的條帶形分布格局。全磷以含量為0.4～0.5 g/kg的土壤分布面積最廣，為80.11 hm2，占區域總面積的56.04%，含量為0.8～1.5 g/kg的土壤分布面積僅占0.51%，含量為0.5～0.6，0.6～0.8 g/kg的土壤分布面積分別占28.70%和14.75%，分布格局除呈現東端高于西端外，核心區整體上呈現從北至南，含量增加的梯度分布規律。有效磷以含量為21～35 mg/kg的土壤分布面積最大，占區域的49.64%；其次為含量在15～21 mg/kg范圍的土壤，占區域的36.83%；以南端河流沖積物母質發育的土壤較高，土壤有效磷含量范圍為35～62 mg/kg，占區域總面積的6.82%；區域整體空間分布格局與全磷較為一致，南高北低，東端高于西端。全鉀含量從西北—東南逐漸升高，呈現明顯的條帶狀分布規律，與研究區階梯形地形分布一致，說明其分布受地形影響明顯；此外，全鉀含量為23～33 g/kg的土壤分布面積為25.03 hm2，占區域面積的17.51%，且土壤主要為河流沖積物母質，表明土壤母質對全鉀含量也具有影響作用。土壤速效鉀含量以西端土地整理未干擾的土壤和南部邊緣河流沖積物母質發育的土壤含量較低；土地整理核心區速效鉀含量相對較高，均處在120～182，182～305 mg/kg，分別占區域面積的60.44%和19.74%，可能是由于土地整理對土壤的破壞和翻填作用，促進了土壤中礦物鉀的風化和釋放的結果。

圖3 土壤肥力指標空間分布面積統計

3 結 論

(1) 研究區土壤pH值 90.01%屬于低等級以下水平；有機質含屬于適宜等級以上的僅占21.23%；全氮高等級僅占6.14%；堿解氮含量為低級以下的高達74.53%，說明研究區土壤偏酸，有機質、堿解氮含量普遍缺乏。全磷71.23%為適宜以上等級；有效磷適宜以上等級的達91.51%，處于很高等級的高達30.19%，說明研究區土壤磷豐富；全鉀含量處于適宜等級以上的則高達92.45%；速效鉀含量呈現高低分異明顯，存在較大比例的極低等級，說明存在較大面積的缺鉀現象。在今后施肥過程中需要調節土壤酸堿性，增施有機肥，適量施用氮磷鉀肥。從變異系數(CV)來看，研究主要肥力指標均屬于中等變異。

(2) 有機質和速效鉀的變異函數比較符合指數模型，全鉀、堿解氮用高斯模型擬合效果好，而pH值、全磷、全氮和有效磷則以球狀模型擬合效果最佳。土壤有機質、全鉀、堿解氮空間相關性較弱主要受土地整理耕作管理等人為因素影響；pH值、全氮、全磷和有效磷具有中等的空間相關性，存在土壤母質地形等因素的影響。區內土壤有機質和堿解氮變程在較小尺度下具有最顯著的空間變異性。

(3) 土壤pH值呈區域斑塊狀分布，受土壤母質及土地整理區域分布影響；土壤有機質和全氮呈一致的分布規律，與土地整理強度的邊際效應相關；土壤堿解氮西北—東南呈增加—降低—增加—降低的條帶形分布格局。全磷分布格局除呈現東端高于西端外，核心區整體上呈現從北至南，含量增加的梯度分布規律。有效磷以南端河流沖積物母質發育的土壤較高，南高北低，東端高于西端。全鉀含量呈現明顯的條帶分布規律，可能受地形影響；速效鉀含量以西端土地整理未干擾的土壤和南部邊緣河流沖積物母質發育的土壤含量較低。

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AssessmentandSpatialVariationofSoilFertilityIndicesinTobaccoFieldAfterLandConsolidationinCentral-SouthernHunanProvince

LIAO Chaolin1, FU Lingyi1, ZHANG Pengbo1, SHENG Hao1,YU Qingtao2, ZOU Kai2, ZHANG Yangzhu1

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,HNAU,Changsha410128,China;2.ShaoyangMunicipalTobaccoCorporation,Shaoyang422000,China)

It is significant to explore soil nutrient features in tobacco field for fertilizer application and soil quality improvement in land consolidation area. The assessment and spatial variation of soil fertility indices in tobacco field after land consolidation had been explored based on a combination of geostatistics with GIS. The results showed that soil pH was relatively lower, most of soils were lacking organic matter (OM) and available nitrogen (AN) as well as potassium; all of soil fertility indices belonged to middle-grades variability and variation coefficients decreased in the order: available phosphorus (AP)>available (AK)>AN>OM>total phosphorus (TP)>total potassium (TK)>pH. Soil OM and AK were well described by exponential model, and the fitting semi-variance model for soil TK and AN was Gaussian, and the best matching effect of soil pH, TP, TN and AP was the spherical model. The results of semi-variance analysis showed that the nugget/still ratios of soil OM, TK, AN were 0.903，0.998 and 0.823, respectively, and their spatial correlations were relatively weak, the nugget/still ratios of soil pH, TN, TP and AP ranged from 0.501 to 0.724, and their spatial correlations were relatively middle. The range of different soil fertility indices varied from 99 to 1 003 m, and the values of TK and AN were the maximum and minimum, respectively. Meanwhile, its kriging map differentiated each other, such as pH embodied spotted type, AN and TK showed stripped pattern, however, TP had the type of increasing gradient distribution from the northern area to the southern area.

land consolidation; tobacco field; fertility indices; spatial variation

2016-03-19

：2016-04-08

湖南省教育廳重點項目(15A085)；湖南省煙草公司2014年度重點科技項目(14-16ZDAa01)；湖南省煙草公司邵陽市公司資助項目(12143)

廖超林(1975—),男,湖南衡南人,博士,副教授,主要從事土壤質量與水土保持研究。E-mail:clliao@163.com

S153.6

：A

：1005-3409(2017)02-0105-07