晉中市土壤養分空間分布與影響因子的相關性

董 悅,張永清,劉彩彩

山西師范大學地理科學學院,臨汾 041000

土壤養分指的是主要靠土壤提供的植物生長發育所必需的營養元素,是土壤肥力的物質基礎[1]。氮、磷、鉀三種元素是植物需要量多而土壤中含量較少的元素,往往被認為是土壤養分的三要素[2]。土壤屬性具有復雜的空間變異性和非平穩性[3],土壤養分空間變異特性直接影響著土壤生產力的高低以及生態恢復的途徑和方向,充分了解土壤養分、尤其是三要素的空間變異規律是土壤養分管理、合理施肥乃至調整種植制度的基礎。眾多的研究表明,土壤在形成和演化過程中受多種時空尺度環境因素(氣候、土地利用、海拔、地貌地形等)的控制,因此土壤養分的空間變異特征十分復雜[4]。隨著GIS的發展,將其與地統計學相結合的方法已經成為熱點[5]。郭旭東等[6]、謝花林等[7]、余新曉等[8]均對土壤養分空間變異進行了相應的研究,張偉等[9]、王宗明等[10]對土壤養分空間分布的影響因素進行了分析。但是綜觀前人已有的研究,有關山西省土壤養分空間分布規律的研究尚不多見。山西省不僅農耕歷史悠久,而且土壤所處的地形及其利用方式復雜多樣,研究土壤養分的時空分布更有利于揭示其影響因素。為此,以農業產業化居山西省領先位置的晉中市土壤為研究對象,運用GIS技術,探討晉中市表層土壤(0—20 cm)有機質(Soil Organic Matter, SOM)、全氮(Total N,TN)、全磷(Total P,TP)和全鉀(Total K,TK)的空間分布特征及其影響因子,旨在進一步充實晉中市土壤研究的相關內容,并最終為當地農業生產服務。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

晉中市地理坐標為111°25′—114°05′E,36°40′—38°06′N[11],地處太行山脈中段與汾河之間,屬暖溫帶大陸性半干旱季風氣候,土壤類型主要有淋溶褐土、褐土性土、石灰性褐土、潮土、鹽化潮土、中性石質土、鈣質石質土、中性粗骨土等[12]。晉中地區是山西省糧食、蔬萊、水果、畜牧品等的重要產區之一,農業居山西省領先位置,生產條件十分優越,農業科技含量較高,農業綜合生產能力較強,農業優勢突出[13]。

1.2 土壤養分的測試方法與研究數據的處理

為了更好地探討晉中市不同利用類型土壤SOM及主要營養元素的空間分布特征,應用ArcGIS網格布點方法,在研究區1∶25萬電子地圖上統一劃分網格,不同土地利用類型采用不同的網格密度,每點以S型采取5個樣點0—20 cm的土壤樣品并進行混合,土壤樣品帶回實驗室自然風干,棄除動植物殘體、石塊等,風干樣品磨細過100目篩裝入密封袋備用,最終得到土壤樣品149個(具體布點位置圖1)。SOM含量測定采用重鉻酸鉀容量法,TN含量測定采用凱氏定氮法,TP含量測定采用納氏比色分光光度法,TK含量測定采用NaOH熔融火焰光度法。土壤SOM、TN、TP、TK的空間分布圖通過GIS空間插值的反距離權重分析功能獲得。數據分析運用IBM SPSS Statistics 22.0統計分析軟件。

圖1 采樣點分布圖Fig.1 Distribution of sampling points

2 結果與分析

2.1 土壤SOM及養分含量空間分布狀況

土壤SOM是土壤肥力的重要組成部分,如圖2所示,晉中市土壤SOM含量比較高(大于2%)的地方主要是東部的和順縣、昔陽縣,壽陽縣北部以及西南的祁縣,另外靈石縣也有少部分SOM高含量區。全市SOM含量大部分處于1%—2%之間,SOM含量大于2.5%的采樣點僅占全體的5.4%,而含量小于1.5%的占全部采樣點比例的63.5%。可以看出晉中市土壤SOM的含量水平處于整體偏低的狀況。

土壤中的氮絕大多數是以有機態的形式存在的,由圖3可以看出,晉中市土壤TN含量在空間分布上基本與土壤SOM含量的分布吻合,TN含量高于0.12%的高值區多分布在東部的和順縣和西南的祁縣；低值區主要在西北部連片分布,西部的TN分布也相對較低。

圖2 晉中市土壤有機質分布Fig.2 Soil organic matter distribution in Jinzhong

圖3 晉中市土壤全氮分布Fig.3 Total N distribution of soil in Jinzhong

作為農作物生長所必需的大量養分元素之一,土壤中磷的供給狀況直接影響著農作物的生長[14]。有研究表明,土壤磷素才是黃土高原地區土壤肥力的起動因子[15],只有當土壤中磷素含量達到一定的水平時,施用其他肥料才能實現增產的作用。由圖4可以看出,晉中市TP含量高于0.11%的地區集中出現在太谷縣西部、祁縣以及壽陽縣西南部,其他約占全部采樣點96.6%的地區TP含量均低于0.11%。前人的研究結果表明,土壤有效磷比全磷受人為影響更顯著[16],全磷含量高的土壤,有效磷不一定高,但全磷含量低的土壤,一般有效磷含量也不高。

圖4 晉中市土壤全磷分布Fig.4 Total P distribution of soil in Jinzhong

雖然在黃土高原地區土壤有“缺氮、少磷、鉀充足”之說,但隨著作物產量的提高及喜鉀類作物種植面積的增大,尤其是近年來人們對農產品品質的重視,鉀作為影響品質的重要因素而日益受到重視[17-18]。圖5結果表明,晉中市TK含量高的地區較少且分布非常集中,TK含量大于2.6%的地區主要集中在左權縣中部和太谷縣東北部地區,僅占全部采樣點的1.34%,其余地區的TK含量均低于2.6%。

圖5 晉中市土壤全鉀分布Fig.5 Total K distribution of soil in Jinzhong

2.2 不同縣域土壤pH值及養分含量的描述性統計分析

晉中市土壤pH值在各區縣的差異不大,表現為介休市<左權縣<榆社縣<和順縣<榆次縣<祁縣<太谷縣<壽陽縣<平遙縣<昔陽縣<靈石縣(表1),土壤整體呈堿性,pH值平均為7.97,變化范圍為7.22—8.69。進一步分析結果表明,同一行政區域內不同利用方式的土壤pH及養分也有差異。

表1結果顯示,晉中市土壤SOM含量在各區縣中表現為太谷縣<榆社縣<靈石縣<平遙縣<昔陽縣=左權縣<榆次縣<壽陽縣<祁縣<介休市<和順縣,平均為1.42%,變化范圍是0.19%—3.94%；各區縣的TN含量表現為太谷縣=靈石縣<榆社縣=左權縣=昔陽縣=平遙縣<榆次縣<壽陽縣=祁縣=介休市<和順縣,平均含量為1.42%,變化范圍是0.01%—0.19%；土壤TP含量則是左權縣=昔陽縣=平遙縣<榆社縣=和順縣=靈石縣<榆次縣=壽陽縣=介休市<太谷縣<祁縣,平均含量0.07%,測量范圍0.03%—0.14%；土壤TK含量的變化趨勢為介休市<靈石縣<平遙縣<昔陽縣<壽陽縣<榆次縣<榆社縣<和順縣<祁縣<太谷縣<左權縣,平均含量為1.97%,變化范圍是1.43%—3.44%。

表1 晉中市土壤性質描述性分析表

根據國家土壤第二次普查的養分分級標準(表2),晉中市的表層土壤SOM、TN、TP含量平均水平分別為四級、四級、五級,SOM含量變化跨度為2—6級,TN含量變化跨度為2—6級,TP含量變化跨度為3—6級。晉中市表層土壤SOM、TN和TP含量屬于中等偏低水平。TK含量平均水平為三級,含量變化跨度為1—4級,因此,晉中市的表層土壤TK含量屬于較高水平。

表2 土壤養分分級表

引自第二次全國土壤普查分級標準[19]

2.3 土壤養分含量與海拔、用地類型的相關性分析2.3.1 土壤養分含量與海拔相關分析

地形是影響土壤發育的重要因素之一,海拔的不同會引起氣溫、降雨量、濕度等不同,進而導致動植物種類和微生物活動狀況存在差異,這些條件又會反過來影響表層土壤中各種化學元素的變化,使土壤養分含量出現差異性。本研究借助ArcGIS軟件空間分析區域統計模塊的重分類功能,將海拔因子進行分級,計算不同海拔高度等級條件下的3種土壤養分及SOM含量的平均值,并利用SPSS軟件進行相關性分析,探究研究區內土壤養分與海拔的相關性。

由表3可以看出,研究區的海拔高度范圍為733—1742 m,大部分的采樣點集中在733—1500 m的高度內,海拔增高,SOM的平均含量呈現先增多后減少的趨勢,TN平均含量明顯增多,與SOM和TN的含量相比,隨著海拔高度的增加,TP和TK的平均含量變化趨勢不明顯。

表3 不同海拔的土壤養分平均值

因為表3顯示的是某一海拔范圍土壤養分含量的平均值,對養分含量隨海拔變化而變化的趨勢有一定的掩蔽作用,為了進一步探明其變化趨勢,將不同海拔范圍內各樣點的養分含量實測值與樣點所處的海拔高程進行相關分析,結果表明(圖6),在1300—1500 m范圍內,海拔與SOM間呈很好的線性關系,相關系數為0.46(r0.05=0.404)；在733—900 m范圍內海拔與TP間呈很好的二次曲線關系,相關系數為0.459(r0.01=0.372)；在733—900 m范圍內海拔與TK間同樣是呈明顯的二次曲線關系,相關系數為0.4(r0.01=0.372),達到了極顯著相關水平；900—1100 m范圍內海拔與TK間呈較好的線性關系,相關系數為0.332(r0.05=0.325),達到了顯著相關水平。其余海拔范圍內養分與海拔間相關性未達顯著水平。

圖6 土壤養分與海拔的關系Fig.6 Relationship between soil nutrients and altitudes

運用SPSS的相關性分析結果可以看出,在采樣點全部覆蓋的海拔范圍(733—1742 m)內,海拔與TN含量呈極顯著正相關(表4),海拔越高,TN含量越高；而SOM、TP和TK與海拔的相關性不顯著。

表4 土壤養分與海拔相關系數

*:P﹤0.05,**:P﹤0.01

2.3.2 土壤養分含量與用地類型相關分析

在149個采樣點中,耕地類型最多,有113個,林地15個,未利用地19個,自然保護區2個,如表5所示,在前4個等級的高程中,耕地的SOM、TN、TP平均含量均明顯高于林地、未利用地和自然保護區,其中TN平均含量差距尤其明顯,主要是由于在耕地中人們重視氮肥的施用,而林地、未利用地和自然保護區一般不施用氮肥,所以長期以來耕地的TN含量明顯高于其他用地類型；而耕地中TK平均含量明顯低于其他用地類型,則與土地的利用有關,山下的土地開發早,山上開發的比較遲,但當地對鉀的施用重視不夠,使得鉀出現了短缺,再加上近年來當地農民信守“缺氮、少磷、鉀充足”的觀念,但隨著產量水平的不斷提高、秸稈還田數量的不斷減少,以及喜鉀類作物如果樹類、塊根類、葉菜類等作物的種植面積加大,土壤中的鉀在不施鉀肥的情況下已造成明顯的虧缺,這不僅是晉中市的問題,也是全山西省乃至整個黃土高原地區土壤施肥過程中應該關注的問題。在1500—1742 m的海拔中耕地的SOM、TN、TP平均含量低于其他用地類型,TK平均含量則與其他用地類型相差不大。海拔高的地方耕地土壤養分含量較低與農民的施肥管理也有一定的相關性,人們對這部分土地可能重視程度不夠,各種肥料的施用量均比較少,甚至還存在“只用不養”的現象。

3 討論與結論

3.1 關于海拔高度與不同土壤養分含量間相關性研究

研究表明,土壤SOM與TN的含量變化會呈現相同的趨勢[20-24],與海拔的關系中會隨海拔升高而增多[20-23],在本研究中,隨海拔高度的增加,不同海拔等級的土壤SOM平均含量呈先增多后減少的趨勢,TN平均含量明顯增多,這與前人研究有所不同,這可能與研究區本身所處的地理位置及海拔高度的變化范圍有關,有待進一步研究。楊秋香等[25]研究了祁連山東段哈溪林區青海云杉林土壤,發現TP和TK含量均隨海拔升高而降低,但本研究結果顯示,不同海拔等級的土壤TP和TK的平均含量變化趨勢不明顯,與樣點覆蓋海拔范圍內受人為干擾比較大,使土壤自然狀態下營養元素含量發生變化有關。

表5 高程與土地利用方式影響下土壤養分分布情況

為了進一步探明土壤SOM、TN、TP和TK的變化趨勢,將不同海拔范圍內各樣點的養分量實測值與樣點所處的海拔高程進行相關分析,結果發現,在海拔1301—1500 m范圍內,海拔與SOM間呈很好的線性關系,隨海拔高度的增加SOM含量減少,后續可通過重新調整采樣點分布來進一步研究；在733—900 m范圍內海拔與TP、TK間均呈極顯著的二次曲線關系,TP和TK含量隨海拔高度的增高先增多,超過800 m開始慢慢減少,由于該海拔范圍內耕地類型的采樣點較多,所以受人為干擾較大,海拔較低時施肥量較多,而800 m之后人類活動逐漸減少；在其他海拔高度范圍內海拔與土壤養分間相關性不大。通過相關性分析得出,海拔與TN含量成極顯著正相關,與前人研究相吻合。

3.2 關于用地類型對土壤養分含量的影響

不同的土地利用方式決定了農業生產中有機物料和養分的投入不同[26]。徐鵬等[27]發現土地利用方式對土壤有機質的含量有明顯的影響,王舒等[28]發現晉西黃土區不同土地利用方式下土壤SOM含量差異在0—32 cm土層顯著,李新愛等[29]在研究喀斯特地區時發現不同土地利用類型對土壤TN含量造成顯著差異,陳志超等[30]發現萬安流域土地利用類型之間TP含量具有顯著差異。本研究結果表明,在不同的海拔高程范圍內,土地利用方式對土壤養分含量的影響有所不同,在樣點高程的前四個等級中,耕地的SOM、TN、TP平均含量均明顯高于林地、未利用地和自然保護區,其中TN平均含量差距尤其明顯,在1500—1742 m的海拔中耕地的SOM、TN、TP平均含量低于其他用地類型,TK平均含量則與其他用地類型相差不大。

3.3 晉中市土壤養分含量空間分布情況

晉中市土壤pH值平均為7.97,整體呈堿性；SOM和TN含量較高的地區主要是東部的和順縣以及西南的祁縣,SOM在壽陽縣北部、昔陽縣南部有少量富集,經調查發現,壽陽縣是山西省唯一的奧運蔬菜和世博蔬菜生產基地[31],和順縣核桃產業發展迅速[32],所以在這兩個地區可能是由于人為施肥量大,導致SOM和TN含量明顯富集,而祁縣南部山地大部分被灌木所覆蓋[33],大量枯枝落葉被分解或許是該地SOM含量明顯高于周邊地區的原因；TP含量高的地區主要在太谷縣西部、祁縣以及壽陽縣西南部；TK含量高的地區較少且分布非常集中,主要在左權縣中部和太谷縣東北部地區。另外,依據國家土壤第二次普查的養分分級標準,研究區表層土壤SOM、TN、TP含量偏低,平均水平分別為四級、四級、五級,而TK含量平均水平為三級。