環洞庭湖區稻田土壤中硅分布特征及其影響因素

盧召艷, 魏 曉, 李 紅, 龔長安

(湖南省經濟地理研究所, 湖南 長沙 410004)

環洞庭湖區稻田土壤中硅分布特征及其影響因素

盧召艷, 魏 曉, 李 紅, 龔長安

(湖南省經濟地理研究所,湖南長沙410004)

[目的] 研究環洞庭湖區稻田土壤中有效硅的空間分布特征及其變化規律，以期為環洞庭湖區精準農業的發展、農田的保養提供科學依據和實踐指導。 [方法] 運用地統計學與GIS技術相結合的方法開展研究。 [結果] 環洞庭湖區土壤中有效硅的含量與水稻產量呈顯著的正相關，硅是水稻生長所需的重要營養元素。環洞庭稻田土壤有效硅平均含量為155.1 mg/kg，多集中于100～200 mg/kg。有效硅含量變幅大，最低與最高含量相差27倍，在研究區域空間上呈中間高四周低，西北最低的分布格局。土壤有效硅具有較強的空間相關性，其空間變異主要受土壤類型、土壤酸堿度、成土母質等因素影響。 [結論] 硅在水稻生長發育中起著重要的作用。不同的土壤類型所處的自然地理環境不一樣，土壤有效硅含量各異，土壤有效硅的豐缺程度受土壤成土母質的影響并與土壤pH值成顯著的正相關。

稻田; 土壤有效硅; GIS; 環洞庭湖區; 地統計學方法

文獻參數： 盧召艷, 魏曉, 李紅, 等.環洞庭湖區稻田土壤中硅分布特征及其影響因素[J].水土保持通報，2017,37(4)：27-32.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.005； Lu Zhaoyan, Wei Xiao, Li Hong, et al. Distribution characteristics and influencing factors of silicon in paddy soil around Dongting Lake region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：27-32.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.005

硅是水稻和其他農作物生長所需要的重要營養元素[1]。硅肥已被列為氮、磷、鉀后的第4大肥料品種。在土壤溶液中，硅主要以單硅酸即Si(OH)4的形態存在[2]。土壤的有效硅的含量通常被用來作為衡量硅容量的一種方法[3]。據臧惠林等研究，當有效硅低于95 mg/kg時，屬于缺硅的土壤，施用硅肥可獲得5%以上的增產效果[4]。之前有許多學者對土壤中有效硅進行過研究[5-9]，明確了我國土壤施用硅肥的前景，環洞庭湖區作為全國特大型商品糧基地，準確有效的土壤中硅含量的空間分布及豐缺狀況評價，不但能使作物充分利用現有的資源，而且還能指導農戶合理施肥，減少因土壤化肥使用過量而導致的環境問題。GIS是一種特定的地理空間信息系統，地統計學結合GIS技術已經成為目前分析土壤空間分布特征及變異規律最為有效的方式之一[10]。綜合已有研究[11-16]，通過GIS技術對環洞庭湖區稻田土壤中硅的含量水平進行全面調查，既能更科學地指導施肥，又可以監測單硅酸濃度情況，控制重金屬污染，為相關部門合理調整農業生產布局、產業結構和治理稻田土壤污染提供數據支持和理論依據。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集與制備

按照中國地質調查局《多目標區域地球化學調查規范(DD2005-01)》的要求，設計環洞庭湖區稻田土壤試驗方案，2014年晚稻收獲后，選取環洞庭湖片區具有代表性的雙季稻田田塊挖掘土壤剖面，在每一耕地采樣單元的0—20 cm 土層中，長方形地塊采用“S”法，近似正方形地塊采用X形法布點。用差分GPS確定樣點空間地理位置及海拔高度，同時記錄周圍的景觀信息、耕作制度和生產能力等情況。共采集146個有效土壤樣品，包含環洞庭湖片區岳陽市、益陽市、常德市3個地級市及長沙市望城區，共26個區縣，總面積約4.10×104km2，約占湖南省國土總面積的19.2%。

1.2 土壤樣品的分析

土壤有效硅采用檸檬酸提取—硅鉬藍比色法(分光光度法)測定；土壤類型參照環洞庭湖片區1∶250萬土壤類型圖；土壤pH值采用土液比1∶2.5(電位法)測定；土壤成土母質參照環洞庭湖片區1∶250萬土壤成土母質圖。

1.3 數理統計分析方法

(1) 采用經典統計學參數如最小值、最大值、平均值、標準差和變異系數等描述環洞庭湖稻田土壤中有效硅的分布特征，其中變異系數采用Nielsen(1985)劃分標準；采用偏度、峰度和柯爾莫諾夫—斯米爾諾夫(Kolmogorov-Smirnov， K-S)檢驗法檢驗原始數據的正態分布性，對于不符合正態分布的數據，采用Box-Cox數據變換使其符合或近似符合正態分布[10]。

Y(s)=〔Z(s)λ〕/λ(λ≠0)

(1)

式中：Y(s)——與正態分布一致的或符合正態分布的數據集的變換；Z(s)——有效樣點數據集；λ——擬合參數。

(2) 半方差函數也稱為半變異函數，是克里格插值的基礎。半方差函數中有3個重要參數，即塊金值(C0)、基臺值(C0+C)和變程(Range)。根據塊金系數即塊基比〔C0/(C0+C)〕來衡量區域化變量的空間結構性。

應用目前發展較為成熟的球狀、指數和高斯3種模型，通過預測精度評價，獲取最優的半方差函數理論模型及其參數[17]。半方差函數計算公式為:

(2)

式中：r(h)——半方差函數；h——樣本間距；N(h)——間距為h的區域化變量；Z(xi)，Z(xi+h)——隨機變量在空間位置xi和xi+h上的取值，可以假設空間變異函數為區域變化量且滿足平穩條件和本征假設的基本前提。因此，隨著變異函數值的增加，其空間相關性則不斷減弱。

(3) 預測精度評價選用絕對評價指標即平均預測偏差(ME) 反映預測值與平均值的偏差(公式3)；標準均方根預測誤差(RMSE)(公式4)反映樣點數據的估值和極值效應[15]。

(3)

(4)

2 結果與分析

2.1 土壤有效硅的描述性統計分析

有效硅是硅酸鹽礦物在風化成土作用下所產生的，能溶于水并為植物吸收利用的單硅酸及其鹽類。有效硅的含量決定土壤中硅的有效性，根據環洞庭湖片區146個土樣分析結果，土壤中有效硅(SiO2)平均含量為155.1 mg/kg，最低只有21.2 mg/kg，最高有573.6 mg/kg。就變異系數來看，屬中等變異強度。檢驗數據的正態分布是使用空間統計學Kriging方法進行土壤特性空間分析的前提。單一樣本K-S檢驗發現，環洞庭湖稻田土壤有效硅數據存在正偏態效應，當數據進行箱式定向轉換Box-Cox(p=0.35)變換后，符合正態分布，即PK-S=0.210，大于0.05，基本統計學特征詳見表1。

表1 環洞庭湖區土壤有效硅含量數據基本統計學特征

2.2 土壤有效硅的空間變異特征

在ArcGIS 10.2地統計分析模塊中，分析確定研究區土壤有效硅的最優半方差理論模型。模型選擇的標準:平均預測偏差(ME)最接近0，標準均方根預測誤差(RMSE)最接近于1[10]。通過多次參數設置比較，最終確定的半方差函數如表2所示。土壤有效硅的最優半方差模型為指數模型，塊金系數為0.514 7。

表2 環洞庭湖稻田土壤有效硅半方差模型及其參數

注：ME是平均預測偏差； RMSE是標準均方根預測誤差。

2.3 土壤有效硅的克里格空間插值

本文基于符合正態分布的有效硅含量數據，選用其最優半方差函數理論模型及參數，結合普通Kriging插值方法，生成20 m×20 m的縣域土壤有效硅含量空間分布圖(圖1)。

圖1 環洞庭湖區土壤有效硅空間分布

由圖1可直觀看出，在約400 m的采樣尺度下，以10 mg/kg為間距劃分等級，環洞庭湖片區土壤有效硅含量分數處于較豐富水平，變異系數為66.2%，但有效硅在整個洞庭湖區的空間分布不均衡，總體上呈湖區中間高、四周低、由中間向四周遞減的分布格局。有效硅含量低于95 mg/kg占31.5%，主要分布在臨湘市的中部、汨羅市的西北、平江縣的北部及西部、安化縣的北部及東部、石門縣的西北部、津市市的中部等；68.5%的稻田土壤有效硅處于中等水平，主要分布在岳陽市西北部、益陽市北部、常德市西南部等洞庭湖周邊市鎮。越靠近中心市區，有效硅含量相對越高，分析認為城區農戶注重肥料施用和田間耕作管理，對農田在技術和資金上投入相對較多，反映出人為活動對研究區有效硅含量變化的重要影響。

3 影響土壤有效硅含量的因素

3.1 土壤類型

由于不同的土壤類型所處的自然地理環境、氣候特點、成土條件及農業利用方式不同，土壤有效硅含量也有差異詳見表3。從環洞庭湖片區土壤有效硅的統計結果看，該區石灰土、潮土的土壤有效硅平均含量最高，分別為315.5和256.5 mg/kg，主要分布于內環的濱湖平原；黃棕壤、紫色土、水稻土等土壤有效硅含量次之，分別為165.1，148.8和170.8 mg/kg，主要分布于環洞庭湖區外環丘崗地區；紅壤、黃壤有效硅含量平均值均低于缺硅臨界值，分別為90.4和43.3 mg/kg，主要分布于環洞庭湖區外圍東西兩側的邊緣山地。有效硅高低的重要原因是土壤全硅量的多寡和成土過程中淋溶淀積作用的影響。另外，山地草甸土有效硅含量也較高，如采自平江幕阜山花崗巖風化物發育的山地草甸土樣本有機質含量達11.37%，有效硅高達215 mg/kg。這是由于山地草甸土有機質較多，有機質本身含有一定量的硅可以溶解，同時有機質分解時造成的還原條件和有機酸的絡合作用，破壞鐵—硅復合體，有助于硅的釋放。

表3 環洞庭湖區不同土壤類型有效硅含量

3.2 土壤酸堿度

相關研究[4]表明，土壤有效硅含量與土壤pH值呈極顯著正相關(y(有效硅含量)=71.63×(pH值)-286.54，γ=0.609 5**，n=297)。土壤中有效硅含量隨pH值升高而增加。從表4中可看出，土壤有效硅含量的高低與其pH值關系密切，146個樣本的統計發現pH值在4.3～8.0范圍內，隨pH值的升高，有效硅的含量也隨之增加。pH值小于5.5的48個土樣中，其有效硅為21～177 mg/kg，平均為73.4 mg/kg，低于缺硅臨界值(95 mg/kg)的樣點占總樣點的71.2%，說明此土壤大部分缺硅；pH值為5.5～6.5的41個土樣中有效硅為43～478 mg/kg，平均為137.2 mg/kg，低于缺硅臨界值的樣點占總樣點的15.8%，只有少數樣點缺硅；pH值為6.5～7.5的41個土樣中有效硅為80～464 mg/kg，平均為203.1 mg/kg，低于缺硅臨界值的樣點占總樣點的7.9%，只有少數樣點缺硅；pH值大于7.5的16個土樣中有效硅為150～573 mg/kg，平均為324.5 mg/kg，調查樣點全部高于缺硅臨界值，土壤有效硅含量較豐富。綜上所述，土壤有效硅含量與pH值呈正相關，因此,酸性土壤有效硅低，偏堿性的土壤有效硅高。酸性土壤連續施用石灰，pH值提高，土壤硅的有效度也增加。

表4 環洞庭湖區不同土壤酸堿度有效硅含量

3.3 成土母質

環洞庭湖區成土母質母巖類型復雜，湖區主要為河湖沉積物，山丘區有砂巖、板頁巖、石灰巖、花崗巖、紫色砂巖、第四紀紅土等。環洞庭湖區各主要成土母質發育的稻田土壤有效硅含量詳見表5，從各類土壤有效硅的平均含量來看，以湖積物、石灰巖、紫色砂頁巖發育的3種土壤有效硅含量最為豐富，有效硅大于150 mg/kg，其平均含量均高于缺硅臨界值；第四紀紅土發育的水稻土有效硅的平均含量接近此臨界值，而紅砂巖、板頁巖、花崗巖發育的土壤有效硅較低，其平均值均低于臨界值。7種成土母質發育的水稻土其有效硅的平均含量順序為:石灰巖風化物>河湖沉積物>紫色砂頁巖風化物>第四紀紅色黏土>砂、礫巖風化物>板頁巖風化物>花崗巖風化物。研究結果還表明，土壤有效硅的含量極明顯地受到風化成土過程的影響。發育在風化淋溶程度較弱的石灰巖、石灰性紫色砂頁巖及河湖沉積物上的土壤，pH值呈堿性，脫硅作用較弱，土壤有效硅含量均較高。而風化淋溶程度較強的土壤則有效硅相對較低，例如同為石灰巖母質發育的水稻土，某些淋溶程度相對較強、呈微酸性的土壤，其有效硅可低至45～75 mg/kg。花崗巖風化物、第四紀紅色黏土、砂頁巖風化物發育的土壤，脫硅富鋁化作用強烈，土壤呈強酸性，有效硅含量均較低。對于發育在紫色砂頁巖的水稻土，則因母巖的酸堿性而異。發育在酸性紫色砂頁巖上的水稻土，其有效硅變化在45～85 mg/kg，而發育在堿性紫色砂頁巖的水稻土有效硅則高達170～301 mg/kg。

表5 環洞庭湖區不同成土母質土壤有效硅含量

4 環洞庭湖區土壤有效硅與水稻產量的關系

環洞庭湖區作為湖南省特大型商品糧基地。運用GIS技術，得出準確有效的土壤中硅含量的空間分布特征及豐缺狀況，揭示土壤有效硅與水稻產量的關系，不但能使作物充分利用現有的資源，而且還能指導農戶合理施肥，減少因土壤化肥使用過量而導致的環境問題。

表6 環洞庭湖區水稻產量與有效硅的關系

由環洞庭湖區稻谷產量分布圖(圖2)可以看出，稻谷產量最多的地區是益陽市赫山區、資陽區；常德市漢壽縣、安鄉縣；岳陽市湘陰縣；長沙市望城區，這些區域土壤有效硅含量豐富。而常德市石門縣、津市市以及益陽的安化縣，岳陽的臨湘市等有效硅含量低的地區稻谷產量也低。環洞庭湖稻田土壤有效硅與水稻產量存在極顯著的正相關性，顯著性檢驗p=0.037(p<0.05)(表7)。揭示環洞庭湖稻田土壤的有效硅水平、分布特征及影響稻田土壤硅的有效性發揮的關鍵因素對硅肥科學施用，提高農作物產量具有重大意義。

圖2 環洞庭湖區稻谷產量分布

指標水稻產量有效硅Pearson相關性10.419顯著性(雙尾)—0.037樣本數N2525

注：*表示在置信度(雙測)為0.05時，相關性顯著。

5 結 論

(1) 由于不同土壤類型所處的自然地理環境不一樣，土壤有效硅含量各異。石灰土、灰潮土有效硅平均含量最高，紫色土、水稻土、潮土、黃棕壤等土壤有效硅平均含量次之，紅壤、黃壤有效硅平均含量低于缺硅臨界值95 mg/kg。

(2) 土壤有效硅的豐缺程度受土壤成土母質影響，從各類土壤有效硅的平均含量來看，以河湖沉積物、石灰巖、紫色砂頁巖發育的3種土壤有效硅含量最為豐富，有效硅大于150 mg/kg，其平均含量均高于缺硅臨界值95 mg/kg；第四紀紅色黏土發育的水稻土有效硅的平均含量接近此臨界值，而砂、礫巖風化物、板頁巖風化物、花崗巖風化物發育的土壤有效硅較低，其平均值均低于臨界值。

(3) 土壤有效硅含量與土壤pH值成極顯著正相關(r=0.609 5**)，當土壤pH值<5.5,5.5～6.5,6.5～7.5,>7.5時，土壤有效硅平均含量分別為73.4，137.2，203.1，324.5 mg/kg。

(4) 土壤中有效硅的含量與水稻產量具有顯著的正相關，硅是水稻生長所需的重要營養元素。

(5) 近年來，環洞庭湖片區普遍存在農戶硅肥表施、施肥盲目等問題。環洞庭湖區應根據有效硅的豐缺程度，積極制定作物補硅措施，引導農戶樹立科學的施肥觀念。防止土壤有效硅的進一步流失，提升環洞庭湖區經濟效益和生態效益。本研究尚未提出影響硅素含量下降的具體障礙因素及應對策略，是下一步亟需實地考察、補充和探討的方向。

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Distribution Characteristics and Influencing Factors of Silicon in Paddy Soil Around Dongting Lake Region

LU Zhaoyan, WEI Xiao, LI Hong, GONG Chang’an

(Hu’nan Institute of Economic Geography, Changsha, Hu’nan 410004, China)

[Objective] The aim of this study was to explore the spatial distribution characteristics and the regularity of available silicon in the soil of Dongting Lake, and to provide scientific basis and practical guidance for the development of precision agriculture in the Dongting Lake area and the maintenance of farmland. [Methods] The geo-statistics and GIS technology were both used. [Results] There was a significantly positive correlation between the content of available silicon in the Dongting Lake area and the yield of rice. Silicon is an important nutrient element for rice growth. The average available silicon content in the paddy field around Dongting Lake was 155.1 mg/kg. Though in most cases, it varied from 100 to 200 mg/kg, the margin difference was so great as to the highest content was 27 times of the lowest. Spatially, the content of the part was found higher than the values of periphery, and in the northwest part it had the lowest silicon. Soil available silicon has a strong spatial correlation, and its spatial variation is mainly affected by soil type, soil pH value, soil parent material and other factors. [Conclusion] Silicon plays an important role in rice growth and development. Because soil types in natural geographical environment is not the same, so soil available silicon content normally varies. The abundance of soil available silicon is affected mainly by soil parent material and has significant positive correlation with soil pH value.

paddysoil;soilavailableSi;GIS;aroundDongtingLake;geostatisticalmethods

A

： 1000-288X(2017)04-0027-06

： S151.9

2016-11-21

：2016-12-21

湖南省科技重點項目“基于GIS環洞庭湖區稻田土壤中硅的動態變化及分布特征研究”(2014WK2031)

盧召艷(1988—),女(漢族),山東省臨沂市人,碩士研究生,研究方向為土地資源與空間信息技術。E-mail:553078611@qq.com。

魏曉(1961—),女(漢族),湖南省長沙市人,研究員,碩士生導師，主要研究方向為經濟地理和產業經濟方面的研究。E-mail:xwei_193@163.com。