新疆察布查爾縣農耕層土壤養分空間特征及其與地形因子的關系
2018-09-21 09:29:42閆俊杰
水土保持通報 2018年4期
徐 莉, 閆俊杰, 陳 晨, 崔 東
(1.伊犁師范學院 生物與地理科學學院, 新疆 伊寧835000; 2.新疆大學 資源與環境科學學院,新疆 烏魯木齊 830046; 3.中國科學院 新疆生態與地理研究所, 新疆 烏魯木齊 830011; 4.中國科學院大學, 北京 100049)
土壤養分含量是表征土壤肥力的重要指標，尤其對干旱區綠洲農業來說，土壤肥力狀況更是關乎綠洲農業可持續發展的關鍵因素。土壤養分的空間變異狀態在一定程度上反映了土壤耕作層內土壤養分的豐缺程度和狀態，掌握其變異性與分布規律對提高農業土肥利用效率、土壤分區管理及保持土壤肥力等具有重要意義[1-2]。
近年來，土壤養分空間變異研究不斷取得進展，多數研究表明土壤養分空間變異受自然因素(氣候、母質、土壤類型、地形等)和人為因素(施肥、耕作措施、種植結構等)共同控制，且研究涵蓋了平原[3]、丘陵[4]、山地[5]、灌區[6]、旱地[7]等多種用地類型。Mzuku等[8]認為農田土壤養分空間分布特征研究有利于劃分特定的農田小區進行施肥管理；Antwi等[9]采用地理空間分析法繪制了加納北部16個地區120個玉米農場的土壤養分分布圖，據此探究了其土壤N，P，K含量的分布特征，表明土壤養分空間分布格局對特定地點的施肥量具有一定的指引作用；張兆永等[10]研究了新疆艾比湖流域小尺度農田土壤養分的空間分布及影響因素，認為土壤養分含量的空間異質性是影響區域農業生產的重要因素。在氣候、母質等條件較為一致的區域，地形是間接引起土壤中物質、能量的再分配的重要條件，不同地形條件對土壤養分空間變異的影響作用會存在明顯差異[11-12]。因此，不少學者探究了土壤養分空間變異與地形因子之間的相關關系。陳桂香等[13]分析了福州市農田土壤養分的空間分布特征及與地形因子的相關關系，表明有機質、堿解氮與地形起伏度、高程、坡度等呈顯著正相關，而有效磷和速效鉀呈顯著負相關；鄧歐平等[14]研究了川中紫色丘區地形因子與土壤養分空間分異的相關關系，表明坡向、坡度及坡位對土壤養分分布有強烈影響；朱洪芬等[15]探究了黃土高原盆地土壤有機質與高程、坡度、地形濕度指數等地形因子間的相關關系，表明坡度、地形濕度指數與土壤有機質關系較為顯著。
在西北干旱、半干旱地區，綠洲是其社會經濟發展的核心區域，而農業是其經濟發展的基礎和主體，因此，綠洲農業的可持續發展對區域經濟的穩定發展具有重要意義。伊犁河谷地勢東高西低，東窄西寬，三面環山，地形復雜，是中國西部干旱區水熱條件最佳的區域，是新疆最重要的糧食主產基地，地形因素常常是制約其農業發展的主要限制性因素，因此，研究伊犁河谷典型綠洲區農耕層土壤養分空間變異特征及與地形因子的相關關系對維持綠洲農業生產、養分管理及區域穩定等具有重要意義。而且，目前關于土壤養分與地形因子的相關關系研究多集中在東部、中部地區，而針對西北干旱、半干旱地區的研究相對較少。
基于此，本研究以伊犁河谷典型綠洲區察布查爾縣為研究靶區，應用GIS和地統計學相結合的方法，研究了土壤養分的空間變異程度、分布規律以及與地形因子間的相關關系，以期為干旱區綠洲農業的施肥區劃、土壤資源的可持續利用及精準農業的推廣等提供理論依據。
1 材料與方法
1.1 研究區概況
研究區位于新疆伊犁河南岸典型綠洲區，地理位置為43°17′—43°57′N，80°31′—81°43′E。該區域屬于典型的大陸性北溫帶溫和干旱氣候，熱量豐富，光照充足，四季分明，年均氣溫5.0～8.4 ℃，年降水量南部中低山區為300～400 mm，北部平原為150～250 mm，年蒸發量為1 400～2 200 mm。地勢自南向北形成多級階梯，東窄西寬，南高北低；地形分為南部山區、山麓、丘陵、中部傾斜平原、北部河流階地和河漫灘等五個地貌類型；有伊犁河、察布查爾河等水系；主要發育的土壤類型是灰鈣土；土壤質地多以黏土和壤土為主，約占總面積的89.2%[16]。主要農作物有玉米、小麥、水稻、油料作物、棉花、甜菜、蔬菜，是新疆典型的優質糧、棉、油及特色農業基地。
1.2 樣品采集
2015年10月，在伊犁河南岸察布查爾錫伯自治縣(簡稱察縣)境內，對其2個鎮(愛新舍里鎮、察布查爾鎮)、12個鄉(瓊博樂鄉、加格斯臺鄉、海努克鄉、納達齊牛錄鄉、扎庫齊牛錄鄉、孫扎齊牛錄鄉、綽霍爾鄉、堆依齊牛錄鄉、闊洪齊鄉、米糧泉鄉、坎鄉及良繁場)進行了野外實地調查。樣點的布設采用隨機采樣方式，共設置了104個取樣點。樣點設置時，因考慮了地形地貌、土壤類型、肥力高低、作物種類等因素和空間分布的均勻性，因此，選擇在每個鄉鎮平均取4～5個代表性條田。用GPS定位并記錄每個采樣點的海拔和經緯度。采樣間距約為1～2 km，采樣深度為0—20 cm，同一田塊按S形線路采樣，每塊田取5點，并將各點的土樣進行混合，四分法保留土樣干重1 kg左右。之后，將取好的土樣裝入樣品袋，并進行統一編號用于室內指標測定。所有土壤樣品是在均一的氣候條件下采集的。
1.3 測定方法
土壤樣品帶回實驗室，在實驗室內去除雜質，自然風干，磨碎后過2 mm孔篩，并放置在陰涼干燥處貯存備用。土壤養分測定參照《土壤農化分析(第3版)》[17]。土壤有機質的測定采用重鉻酸鉀容量法；土壤堿解氮采用堿解擴散法測定；土壤速效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法，上機儀器是UV-2550型紫外分光光度計；土壤速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計法測定。
地形因子主要包括高程(elevation， Ele)、坡度(slope， Slo)、坡向(aspect， Asp)、平面曲率(horizontal curvature， Hc)、剖面曲率(profile curvature， Pc)、地形起伏度(Roughness of terrain， Qfd)，由30 m分辨率的DEM數據在ArcGIS 10.2空間分析模塊提取出來[18]。其中，高程由ArcGIS 10.2中的Spatial Analysis Tools提取出來，坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率及地形起伏度等由3D Analysis計算工具實現。坡度、坡向通過reclassify命令分為平緩坡(-1)，陰坡(0°～45°，315°～360°)，半陽坡(45°～135°)，陽坡(135°～275°)，半陰坡(275°～315°)；高程介于575～2 400 m，平均約為843 m。
1.4 數據分析處理
所有試驗數據使用Excel 2010整理后，分析土壤養分的均值、最大值、最小值、標準差和變異系數(Cv)等統計性特征，并使用方差分析的F值進行顯著性檢驗。為了消除比例效應，土壤變量在半方差計算時要求數據必須符合正態分布，因此，對所有數據通過K-S法進行正態檢驗(p<0.05)，并將不服從正態分布的數據經對數轉化后呈正態分布，變異函數計算采用的數據均為對數轉化后的數據[19-20]。變異系數(Cv)是描述土壤特性參數空間變異性程度的指標，依據Nielsen分級標準[21]，當Cv≤10%時為弱變異性，當10%≤Cv≤100%時為中等變異性，當Cv≥100%時為強變異性。采用地統計學方法對土壤養分的空間變異程度進行分析。半方差函數是地統計學的基本工具，是研究土壤變異性的關鍵函數，包括塊金值(C0)、基臺值(C0+C1)、塊基比C0/(C0+C1)及變程(A0)等重要參數，可用于揭示土壤性質的空間相關性程度[4]，其估算公式為
式中:γ(h)——半方差函數；h——分隔2樣點的矢量，稱為步長；N(h)——被向量h間隔的試驗數據點對的數目。Z(χi)和Z(χi+h)——區域變量Z(χ)在位置χi的數值和在距離χi+h處的數值。Kriging插值法是利用區域化變量的原始數據和半方差函數的結構特點，對未采樣地的區域化變量的取值進行無偏最優估值的一種方法[19]，且廣泛的應用于土壤養分的空間變異性研究[3-7]。因此，土壤養分的空間分布格局采用Kriging插值法。
使用SPSS 17.0對土壤養分的統計性特征以及土壤養分與地形因子的相關性進行分析，借助GS+9.0進行土壤養分元素的Kriging插值和半方差函數模型的計算，運用ArcGIS 10.2軟件中Geostatistical Analyst模塊進行Kriging插值分析，得到土壤養分的空間分布圖，并采用交叉檢驗方法對插值結果進行評估，借助CANOCO 5.0軟件運用典范對應分析(CCA)技術進一步探究土壤養分空間變異與地形因子間的關系。
2 結果與分析
2.1 土壤養分含量的統計特征
對土壤養分含量進行統計分析(表1)。研究區土壤中有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的平均含量分別為2.15%，134.04 mg/kg，13.26 mg/kg，291.79 mg/kg，其中，速效磷和速效鉀的變化范圍較大。從變異系數來看，有機質、堿解氮及速效鉀的變異系數分別為24.22%，39.27%和46.76%，均表現為中等變異性，其中有機質的變異系數相對較小；速效磷的變異系數為107.51%>100%，表現為強變異性。從分布類型來看，有機質、堿解氮和速效鉀變化服從于正態分布，速效磷變化服從于自然對數正態分布。通過對土壤養分含量的方差分析，表明4種土壤養分含量具有顯著差異，且方差分析的F檢驗值大小依次為：速效磷>速效鉀>堿解氮>有機質，其中，速效磷變異最大，有機質變異最小，這與變異系數的規律一致。
表1 土壤養分的基本統計值
注：*表示在p<0.05水平顯著相關；N表示服從正態分布；n表示服從自然對數正態分布。
2.2 土壤養分的空間變異結構特征
根據半方差函數理論及計算模型，得出土壤養分含量的半方差變異函數擬合模型及參數(表2，圖1)。研究區土壤中有機質和速效磷最優擬合的模型為指數模型，堿解氮為高斯模型，速效鉀為球狀模型。塊金值(C0)表示由隨機性因素引起的變異，即由試驗誤差或小于試驗取樣尺度所引起的變異[16]。有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的C0分別為0.098，0.065，0.016 3和0.054 7，說明在采樣尺度范圍內存在采樣的誤差、短距離的變異、施肥耕作措施及種植制度等隨機性因素引起的變異[4,22]。塊基比C0/(C0+C1)可用來表明土壤性質空間相關性的程度。當C0/(C0+C1)<25%，表現為強烈的空間相關性，其變異性主要受結構因素影響；25%
表2 土壤養分含量空間變異的半方差參數
圖1 土壤養分的半方差函數
2.3 土壤養分的空間格局
基于符合正態分布的各土壤養分含量數據，選擇上述最優半方差函數理論模型及相關參數運用Kriging插值法繪制出土壤養分含量的空間分布圖(圖2)，并采用交叉檢驗方法進行評估(表3)。由表3可知，土壤養分的ME和MSE均接近于0，RMSE和ASE值之間較為接近，RMSSE在0.955 0～1.064 6之間，接近于1，可知土壤養分指標的插值精度較高，理論模型能較好其空間結構。由圖2可知，土壤養分含量在空間分布上多呈出斑塊狀格局。式中：有機質在研究區中部略偏東地區出現了一個小面積斑塊狀的聚集區，主要在海努克鄉和納達齊牛錄鄉等區域，總體表現為東部相對較低，中西部相對較高；堿解氮在中部偏北地區相對較低，主要在孫扎齊牛錄鄉和綽霍爾鄉等區域，總體表現出中部相對較低，且自西向東呈現先減少再增加；速效磷在中部偏北相對較高，主要在孫扎齊牛錄鄉和堆依齊牛錄鄉等區域，總體表現為東北和西南方向上相對較低，中部偏北相對較高；速效鉀在東北、西南地區均出現一個連續的高值中心，主要在海努克鄉、扎庫齊牛錄鄉、愛新舍里鎮、納達齊牛錄鄉等區域，總體表現為中部偏北和東南方向較小范圍內較低，西部較大范圍和東北方向上相對較高。
表3 交叉檢驗結果
2.4 土壤養分與地形因子的相關關系
如表4所示，土壤有機質與堿解氮呈極顯著正相關關系(p<0.01)，與速效鉀呈顯著正相關關系(p<0.05)，速效鉀與速效磷呈極顯著負相關關系(p<0.01)；土壤有機質與高程、坡度、坡向、剖面曲率、地形起伏度呈負相關關系。
其中，與坡度、地形起伏度呈顯著負相關關系(p<0.05)；堿解氮與高程、坡向、平面曲率、剖面曲率、地形起伏度呈正相關關系，其中，與高程、地形起伏度呈極顯著正相關關系(p<0.01)；速效磷與坡度、地形起伏度呈正相關關系，與平面曲率、剖面曲率呈負相關關系；速效鉀與坡度、地形起伏度呈負相關關系。綜上所述，地形因子對土壤養分含量的分布具有一定的影響。
圖2 研究區土壤養分的空間分布
項 目有機質堿解氮速效磷速效鉀高程坡度坡向平面曲率剖面曲率地形起伏度有機質1堿解氮 0.796**1速效磷-0.245 -0.163 1速效鉀0.368*0.225-0.429**1高 程-0.047 0.447**-0.046 0.0471坡 度-0.332* -0.135 0.225-0.295 -0.017 1坡 向-0.081 0.0840.0150.007-0.082 0.1591平面曲率0.2550.050-0.137 0.1870.157-0.02 -0.261 1剖面曲率-0.047 0.269-0.214 0.2570.063-0.341*-0.016 -0.095 1地形起伏度-0.101* 0.444**0.087-0.133 0.839**0.0750.1490.215-0.0761
注：*表示在p<0.05水平顯著相關； **表示在p<0.01水平極顯著相關。
2.5 土壤養分與地形因子的CCA分析
為了進一步了解地形因子對土壤養分空間變異程度的影響，采用CCA二維排序(圖3)對其進行分析。排序圖中矢量箭頭代表各地形因子，箭頭連線長度代表土壤養分空間變異與某個地形因子之間的相關程度的大小，連線越長，相關性越大，反之越小。箭頭連線和排序軸的夾角代表著某個地形因子與排序軸的相關性大小，夾角越小，相關性越大[23]。從第1，2排序軸平面上可以看出，坡向(Asp)、地形起伏度(Qfd)、高程(Ele)及剖面曲率(Pc)等對土壤養分空間變異影響較大，相關性較大，坡度(Slo)對土壤養分空間變異影響相對較小，相關性較小；有機質(SOM)、堿解氮(AN)及速效鉀(AK)距離質心較近，速效磷(AP)相對距離較遠，表明地形因子對土壤養分變異具有一定的制約性。其中，速效鉀距離質心最近，表明其空間變異會受多個地形因素的共同影響，堿解氮主要受地形起伏度影響較為顯著。由此可以看出，高程、坡度、地形起伏度、剖面曲率等地形因子是影響土壤養分空間變異的主要因素。
注：有機質(SOM)，堿解氮(AN)，速效磷(AP)，速效鉀(AK)；高程(Ele)，坡度(Slo)，坡向(Asp)，平面曲率(Hc)，剖面曲率(Pc)，地形起伏度(Qfd)。
圖3土壤養分與地形因子的CCA排序
3 討論與結論
(1) 研究區土壤中有機質含量相對較低，堿解氮、速效磷和速效鉀含量相對較高。不同土壤類型其養分含量變化的影響因素存在顯著性差異[3,7]。灰鈣土是新疆伊犁河流域重要的土壤資源，是伊犁河谷典型地帶性土壤，這種土壤類型的原始肥力相對較低，易受地形和耕作方式的影響，多數地區的有效土層薄，因而，有機質含量相對較低。而土壤中堿解氮、速效磷和速效鉀平均含量相對較高，通過實地調查得知，與近年來該區大力推廣實施“2+x”田間肥料試驗(包括常規施肥、優化施肥和小區施肥等多種方式)有關，因而，在一定范圍內提高了速效養分含量。此外，有機質、堿解氮和速效鉀屬于中等變異，而速效磷屬于強變異，說明速效磷較其他養分元素變異程度較大。
(2) 地統計分析表明，有機質、堿解氮和速效磷含量的空間變異受地形、成土母質及土壤類型等結構性因素以及農業生產中施肥和灌溉方式等隨機性因素的共同作用；而速效鉀含量的空間分布主要受氣候、成土母質、地形及土壤類型等結構性因素影響。從空間分布來看，土壤養分含量在空間分布上多呈出斑塊狀格局。有機質在東部相對含量較低；堿解氮中部含量相對較低，且在東西方向上變異較強烈；速效磷在東北和西南方向上相對較低；速效鉀在中部偏北和東南方向上相對較低，且在東部變異較強烈。因此，在今后的農業施肥過程中，可以適當增加東部有機肥的投入，在中部適當增加氮素的輸入，在東北方向上適當增加磷鉀元素的注入。
(3) 伊犁河谷典型綠洲區察布查爾縣農業發展雖具有優越的光熱水土資源條件，但由于地形復雜，存在較為顯著的區域差異。從土壤養分地形因子的相關分析可以看出，土壤堿解氮與高程和地形起伏度呈極顯著正相關，表明其空間變異受高程和地形起伏度影響較為顯著。前人研究表明，當海拔增加時，堿解氮更易于積累，因而其含量相對會較高[13,24]；有機質與坡度、地形起伏度呈顯著負相關，其中，與坡度的相關系數較大，表明隨著坡度的增加會造成有機質的流失，因而，在坡度較大區域，有機質含量相對較低，這與傅濤等[25]人的研究結果較為一致；速效鉀與平面曲率、剖面曲率呈正相關關系，且距質心最近，說明其空間變異受地形因子影響較為顯著，在彎曲度形成的凹形地形會利于鉀元素的積累[17]。因此，可以得出高程、坡度、地形起伏度、剖面曲率等是影響該區土壤養分空間變異的主要地形因子。此外，人為長期重視大量施用氮磷鉀肥[26]，輕有機肥的施用，部分地區大水漫灌現象突出，使得土壤養分在空間分布上呈現出明顯的差異。綜上所述，影響該區土壤養分的空間變異是地形、土壤類型、施肥及灌溉方式等共同作用而引起的。
綜上所述，本文僅初步分析了察布查爾縣農耕層土壤養分空間變異特征及其與地形因子的相關關系，對于如何改進和調整區域施肥的合理比例、施肥小區的劃定以及土肥合理利用的有效途徑等還有待于進一步研究。此外，不同尺度下土壤養分空間變異與地形因子間的相關關系亦不相同，本研究的研究區域較小，僅從小尺度區域上分析了土壤養分空間變異與地形因子之間的相關性，未來還需對大尺度區域內土壤養分空間變異與地形因子的相關關系進行更深地研究和思考。
