基于GIS的塔額盆地農田土壤養分空間變異特征分析

信會男，賴 寧，耿慶龍，陳署晃，李 娜，李永福，趙海燕

(1.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆九圣禾種子標準研究院有限公司，新疆昌吉 831113)

0 引 言

【研究意義】土壤養分是表征土壤肥力的重要指標。長期耕作條件下土壤養分含量變化較快，利用GIS手段研究其時空變異規律，分析長期耕作條件下養分含量空間分異特征，準確掌握土壤養分豐缺水平及變化趨勢，為合理制定農田管理措施、農業規劃及土壤養分調控提供依據，對科學合理施肥、防止土壤肥力退化亦有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】王珊等[2]對川南丘陵地帶近30年來的土壤養分指標的時空變化分析得出，該地區土壤養分呈現出南低北高，而且近30年的利用下重視氮肥，輕視磷肥，基本忽略鉀肥的現象。于洋等[3]對渭北臺塬區耕地土壤速效養分指標分析得到該區域1980～2011年空間結構性特征弱化，呈現原有較低的養分指標在后期增長速率快，原有較高區域的增長慢甚至有降低趨勢。王玉軍等[4]對徐州農田土壤養分和重金屬的含量與分布進行了研究分析，二者在空間上的分布存在較大的差異，不同土壤類型和農田利用類型二者也有較為明顯含量差異。李娜等[5]運用GIS技術方法，研究伊犁州農田養分的空間分布特征及變異規律表明，AK、SOM、AP平均含量均處于較高水平；TN、AN平均含量均處于較低水平。土壤養分含量空間分布呈現北低南高、西低東高的態勢。利用GIS 手段對土壤養分分布的探析成為了熱門之一[6-8]?！颈狙芯壳腥朦c】利用GIS中的空間插值技術可以將適合的點數據轉化為連續的面數據，從而達到研究區內空間全覆蓋[9-12]。需利用GIS手段和地統計插值方法，分析塔額盆地農田土壤養分空間空變異特征?！緮M解決的關鍵問題】選擇塔額盆地耕層土壤(0～ 20 cm) 5種養分(全氮、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀)，分析空間變異特征，以2010和2018年的數據為參考，研究塔額盆地區域土壤養分的時空特征及變化特點，為該區域的土壤質量管理及農業布局提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

塔城地區位于新疆西北部，地理位置處于82°16'～87°21'E、43°25'～47°15'N，地勢南北高而中部低，地形大致呈喇叭狀向西敞開。北部為準噶爾西部山區，包括塔爾巴哈臺山地巴爾魯克山地以及薩烏爾山地；北天山中段的依連哈比爾尕山綿延于塔城的南部。屬中溫帶干旱和半干旱氣候區，春季升溫快，冷暖波動大，夏季炎熱，秋季降溫迅速，冬季嚴寒且漫長，年極端最高氣溫40℃，極端最低氣溫-40℃。塔城盆地年降水量290 mm，蒸發量1 600 mm、日照2 800～3 000 h，無霜期130～190 d。

收集塔城地區2個時期的(2010年和2018年)的土壤理化性質數據。其中2010年數據為耕地地力調查與質量評價、測土配方施肥項目在2010年采樣、分析獲取的樣點數據，按照2 km×2 km 1個點位，取樣深度為0～20 cm，采用多點混合法(采用“S”法，“X”法或者棋盤法)進行取樣，共計827個土壤樣品。2018年數據為各塔城地區測土配方施肥項目數據，采樣法與2010年相同，共計1 167個土壤樣點數據。所有樣品于實驗室內測定土壤養分信息。測定方法均為常規方法。

1.2 方 法

1.2.1 樣本處理

對2期數據進行隨機抽取將樣本中4/5的樣本數據用于插值分析(即訓練樣本)，另外1/5的樣本數據用于插值結果精度的驗證(驗證樣本)。

對處理過的樣本數據進行K-S驗證，驗證該數據是否符合正態分布，2期數據基本都符合正態分布可以進行插值分析。

1.2.2 空間自相關性及半方差函數

半方差函數是地統計學分析的特有的基本工具，當空間點x在一維x軸上變化時，區域化變量Z(x)在 點x和x+h處的值Z(x)與Z(x+h)差的方差的一半為區域化變量Z(x)在x軸方向上的變異函數。設區域化變量Z(x)滿足二階平穩，則半變異函數可以具體表示為：

(1)

式中，r(h)為半方差函數;h為樣點空間距離；N(h)為間隔距離為h的樣點個數；Z(xi)和Z(xi+h)分別為區域化變量Z(x)在空間位置xi和xi+h的實測值[13-14]。

空間自相關根據要素位置和要素值來度量空間自相關。在給定一組要素及相關屬性的情況下，評估所表達的模式是聚類模式、離散模式還是隨機模式。計算 Moran's I 指數值、Z得分，評估該指數顯著性。

(2)

其中Z是要素i的屬性與其平均值(Xi-X)的偏差，Wi,j是要素i和j之間的空間權重，n等于要素總數，So是所有空間權重的聚合。

(3)

全局Moran’s I指數計算的是協方差，半方差函數分析法計算的是方差，沒有區分正負2種相關性，其能夠為空間插值提供科學依據，全局Moran’s I指數為空間相關顯著性以及正負性提供統計學檢驗。將二者相結合分析才更加有效[13-14]。

2 結果與分析

2.1 塔額盆地耕地土壤養分與含量變化

研究表明，從2010 ～2018年期間塔城盆地養分含量均有增加，其中有效磷、速效鉀增加最為明顯，增長率為101.77%、68.67%；堿解氮增幅最小為17.24%。

土壤特性空間變異性的強弱可以用變異系數來表示，變異系數在10%以內為弱變異，在10%～100%以內的為中等變異，大于100%的為強變異。

變異系數全部在10%～100%，都屬于中等強度變異，其中變異系數最高的為2018年的有效磷的為85.79%，其次為2018年全氮為50.76%，2018年其他養分變異也在50%上下沒有明顯的差異，其中最低的為速效鉀但其增幅率大于其他養分指標。2010年的變異系數基本在30%～45%，其中有效磷變異系數仍為最高為42.31%。在2010和2018年的數據中變異系數最小為堿解氮為30.30%，最高為有效磷，這與兩者的增幅率相對應。表1

表1 2010年和2018年塔額盆地耕地土壤養分含量統計特征

塔城盆地2010年和2018年各養分指標的最佳半方差函數與各參數，在擬合精度中，決定系數R2越接近于1結果越優，2010年的R2全部在0.5以上，最高為0.927，該半方差函數可以較好的表達出養分指標的空間特征。2018年各養分指標最差的為堿解氮以及有效磷，其余3項均在0.9以上。2期數據最佳模型都為指數模型。2期土壤指標的塊金系數都在0.50以上，其中2010年和2018年的有機質全氮在0.75以下，具有中等程度的空間相關性。其余指標均大于0.75，空間相關性較弱。其中2010年的各項指標塊金系數都小于2018年的，該數據表明該區域土壤養分空間結構性特征近10年在減弱，空間分布網破碎化方向發展。全局Morans’I 的標準化Z值除了2010年得有效磷其余均大于2.5，各養分指標都具有極顯著(P<0.01)的空間自相關性，空間聚集特征明顯，并且2018年各項指標的標準化Z值均低于2010年，說明近年來以下指標的空間自相關呈現減弱趨勢。表2

2.2 2010-2018養分分布特征

研究表明，而2010年和2018年的2個時期的有機質分布有較大的差別，2010年有機質在塔城市的南邊以及額敏縣西南面含量較高最大值為17 g/kg，有機質最低處位于塔城市東面，整體呈現中間高兩邊低的狀態；2018年的有機質整體較2010年有所升高，有機質含量最高處主要在裕民縣的中部以及托里縣的西面，最低處在裕民縣北面以及托里縣的西北角處，4縣市交界處低(相對于2018年)周圍高的狀態。全氮在2010年含量較高的分布在塔城市的南面以及額敏縣的西面，塔城市的中部以及裕民縣的北面全氮含量相對較低；2018年的全氮含量較高的分布在塔城市南北面、額敏縣的北面、裕民縣的中部、托里縣的西中面，全氮含量現對較低的主要分布在裕民縣北邊以及托里縣與其它縣市交界處。堿解氮含量最高為塔城市得西面、額敏縣的西南面、裕民縣的北邊，托里縣整體以及塔城市與額敏縣交界處相對含量較低。2010年的速效鉀含量較高區域主要集中在4縣市交界周圍含量相對較高，在塔城市于額敏縣交界處含量相對較低；2018年速效鉀含量最高處位于裕民縣的中部與額敏縣的中部區域，在4縣市交界處含量較低。2010年有效磷含量分布相對其它養分分布相對均勻，無過集中現象；2018年托里縣有效磷含量相對較高，額敏縣有效磷含量分布不均呈現西高東低現象。表2

表2 土壤養分半方差模型類型及其參數值

2.3 塔額盆地土壤時空變異特征

研究表明，近10年來5種養分指標都有增加且增幅不一。降低區域基本集中在4縣市交界周邊，除此之外其他區域基本呈現增長趨勢。變化量與2018年的養分含量分布基本一致。有機質主要增幅在0.1～5.9 g/kg，最大增幅為23.2 g/kg，最大減少量為3.2 g/kg。全氮最大增幅為1.10 mg/kg主要分布在裕民縣中部以及托里縣的西面。堿解氮降幅最大為19 mg/kg，主要分布在裕民縣和額敏縣交界處。速效鉀降幅面積較小零星分布在塔城市、裕民縣、額敏縣，其中托里縣無降幅。有效磷含量主要在額敏縣和裕民縣交界處周邊存在下降，整體都為增長趨勢，最高漲幅為12 mg/kg。圖1

圖1 塔額盆地土壤養分時空變化分布

潮土的土壤有機質含量增幅不大，但其基底值相對其他土類相對較高，在栗鈣土和棕鈣土中有機質增幅較大。全氮與有機質相似，潮土的全氮含量增幅不高，但棕鈣土的全氮增幅高于其它兩種土類。潮土的堿解氮含量有所下降，而其它兩種土類堿解氮含量有不同程度的增加。棕鈣土的有效磷含量增幅最為明顯，遠超其它兩種土類。速效鉀在潮土中基本持平，在栗鈣土和棕鈣土中都有較大的增幅。潮土的五種養分含量增幅較小，而栗鈣土和棕鈣土養分含量都有較大幅度的提升，與潮土土壤養分基底值較高有一定關系。圖2

圖2 不同土類下養分含量變化

在不同灌溉方式下養分也存在一定差異，有機質在滴灌和漫灌的方式下含量有所提升，在畦灌下有所下降，漫灌的基底值最高其增長幅度最大。全氮和堿解氮與有機質相同在滴灌和漫灌的方式下含量有所提升，在畦灌下有所下降，堿解氮在畦灌方式下的含量下降較大。有效磷在畦灌中無明顯變化，其它2種灌溉方式有不同程度的增長。在5種養分中只有速效鉀在3種方式中都有增長。滴灌和漫灌方式下5種養分都有增長，畦灌方式下只有速效鉀含量增加。圖3

圖3 不同灌溉方式下養分含量變化

2.4 土壤養分指標分級比例

研究表明，依據新疆耕地質量監測指標分級標準進行土壤養分指標分級，2010年有63.72%耕地土壤有機質處于較缺乏狀況，2018年土壤有機質含量處于中等和較缺乏水平的占比達67.46%，其中較缺乏和缺乏都有所下降，分別下降了31.65%和3.38%，中等水平以上占比都有不同程度上升。全氮較豐富水平占比提高了35.41%，豐富水平占比提高了16.17%。堿解氮和有效磷整體提升不明顯，依舊集中在較缺乏和缺乏區間內。速效鉀較缺乏占比下降了37.73%，速效鉀在豐富和較豐富水平之間占比增加了26.10%。2018年土壤肥力水平較2010年有所提升，但土壤肥力總體依舊處于中等偏低水平。表3

表3 土壤養分含量分級與比例

3 討 論

施用化肥成為提高耕地生產力的主要方式之一[13]。研究區中有效磷的增長幅度最高，土壤氮素也略有提升，與王安意[14]等在新疆棉田土壤研究結果一致。鉀素含量增長與近十年來隨著測土配方施肥的不斷深入及節水農業的推進有關[15-16]，增施鉀肥使得土壤鉀素含量進一步提高，與湯明堯和賴波[17-18]等對新疆農業施肥現狀的調查結果一致。王安意等[14,19]對綠洲農田的研究中發現鉀元素的存在下降情況，造成這一結果的可能由于該地區種植方式以及主要種植作物有關，也與自然環境存在一定關聯，還需進一步深入研究。研究區土壤狀況總體處于缺氮少磷的狀態，在今后應該加強測土配方施肥的建設普及進行合理的施肥配比。各指標塊基比都在50%以上最高達到了99%以上，人為作用是該地區影響土壤養分變化的主要因素之一，與王珊[2]等應結論一致。研究通過半變異函數的參數擬合發現各指標最佳擬合模型為指數模型。在空間自相關性上只有有機質和全氮呈現出中等程度相關，而其余指標都呈現弱相關性，有機質和全氮空間自相關性受到結構因素和隨機因素共同影響，其余指標受隨機影響程度較大，也與變異程度相吻合。而李娜[5]等在伊犁地區研究表明，有機質和全氮的空間自相關性呈現出極強的空間自相關性，這種差異可能是與兩地區施肥和農業種植結構有關。Moran's I 指數中2010和2018年的土壤有機質和全氮的數值較大，說明兩者的空間分布相關性較其他指標空間聚集相對明顯，但依然處于較弱水平。

4 結 論

4.15種養分指標中有效磷變異系數最高為85.8%，其它指標在30%～51%，都為中等變異，人為活動對土壤的養分的含量的影響不斷在增加，研究區內養分呈現四周低中間高(耕地主要在中間區域)。

4.22010～2018年期間，研究區內各項土壤養分指標都有所上升，其中有效磷與速效鉀上升最為明顯增加值為101.8%和68.7%，有機質緊隨其后為24.3%，最低為堿解氮17.3%，全氮為21.9%。

4.33種土類中潮土的增幅最小，棕鈣土的增幅最大，栗鈣土其次，潮土還存在不增長以及減少狀態。在灌溉方式中畦灌方式下養分有所下降，滴灌和漫灌下養分含量都有所增長。

4.4各養分含量都有所提升，但耕地土壤肥力總體處于中等及中等偏下水平，土壤肥力有待進一步提升。