張毅,蔡艷,張世熔,楊喜珍
摘要:運用地理信息系統(tǒng)(GIS)和地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的方法研究了彭州市新黃村震后土壤堿解氮(AN)、有效磷(AP)和速效鉀(AK)的空間分布特征。結(jié)果表明,該區(qū)土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的含量分別為(126.19±67.89) mg/kg、(37.18±17.18) mg/kg、(165.69±79.80) mg/kg;導(dǎo)致堿解氮空間變異的因素以隨機性因素為主,而有效磷和速效鉀為隨機性因素和結(jié)構(gòu)性因素共同影響的結(jié)果,但影響程度有所差異?;冢粒颍悖牵桑?9.2平臺的克里格插值分析結(jié)果顯示,該區(qū)堿解氮含量總體上呈現(xiàn)由北向南逐漸增加的趨勢,且呈條帶狀分布,高值區(qū)(>165 mg/kg)主要分布在該區(qū)的中部和南部,低值區(qū)(<90 mg/kg)零星分布在研究區(qū)域內(nèi);有效磷含量在總體上呈現(xiàn)以低值區(qū)為中心向四周環(huán)狀遞增趨勢,且呈兩端高中間低的斑塊狀分布,高值區(qū)(>44 mg/kg)主要分布在北部山坡林地的中部,低值區(qū)(<20 mg/kg)主要分布在低山丘陵與平壩的過渡地帶;速效鉀含量總體上呈斑塊狀分布,且呈現(xiàn)兩端高中間低,西面高東面低的分布特征,以北部山坡林地和西南平壩一角的高值區(qū)(>220 mg/kg)為中心,分別向南部和東部呈帶狀遞減,并在低山丘陵區(qū)東部的旱地以及丘陵向平壩過渡的東部邊緣區(qū)出現(xiàn)相對低值(<110 mg/kg)分布。顯著性檢驗結(jié)果表明,震后壓實對土壤速效養(yǎng)分有顯著或極顯著影響,且水田明顯于旱地;不同土地利用方式對土壤速效養(yǎng)分含量也有顯著影響。
關(guān)鍵詞:速效養(yǎng)分;土壤;空間分布;地震
中圖分類號:S152.4文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2012)14-2948-05
Spatial Distribution Characteristics of Soil Available Nitrogen, Available Phosphorus and Available Potassium after Earthquake:Taking New Huang Village of Pengzhou City as An Example
ZHANG Yi,CAI Yan,ZHANG Shi-rong,YANG Xi-zhen
(College of Resources and Environment,Sichuan Agricultural University, Chengdu 625014,China)
Abstract: The spatial variability characteristics of soil available nitrogen(AN), available phosphorus(AP) and available potassium(AK) in new huang village in Pengzhou after earthquake were analyzed using geostatistics and GIS. The results showed that the contents of AN, AP and AK were 126.19±67.89 mg/kg, 37.18±17.18 mg/kg and 165.69±79.80 mg/kg respectively. Factors causing spatial variability of AN were mainly random factors, which of AP and AK were random factors and structural factors jointly. Kriging analysis based on ArcGIS 9.2 showed that AN in the area generally showed a gradual increasing trend from north to south, and showed the strip distribution, and whose high-value areas (>165 mg/kg) distributed mainly in the central and southern, low-value areas (<90 mg/kg) scattered in the studied area; AP presented increasing trend with low value area centered in general, and end of the studied areas were high, and high-value areas (>44 mg/kg) were mainly distributed in the central part of the northern slopes of woodland, and low-value areas (<20 mg/kg) were mainly distributed in transitional zone from hilly to plaim; AK were generally patchy distribution, and presented high end and low intermediate or west high and east low, and reduced strip to the south and the east respectively with northern woodland and southwestern slopes as high value center(>220 mg/kg). Significance test results showed that the post-earthquake compaction had notable or significant influence on soil available nutrients, and the influence of paddy field was more obvious than that of dry land; and different land use patterns also had notable influence on soil available nutrients.
Key words: available nutrients; soil; spatial distribution; earthquake
土壤養(yǎng)分是土壤生產(chǎn)力的基礎(chǔ),也是土壤重要的屬性之一。土壤養(yǎng)分的高低直接影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境安全[1]。土壤速效養(yǎng)分是植物養(yǎng)分的直接來源,因此作物產(chǎn)量與土壤速效養(yǎng)分含量密切相關(guān)[2]。隨著人口壓力的增大和糧食危機的加劇,獲得更多的產(chǎn)量成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要目的,而施肥是調(diào)控作物產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成動態(tài)轉(zhuǎn)化的重要手段[3],土壤養(yǎng)分狀況又是合理施肥的直接依據(jù)[4]。
氮、磷、鉀有植物營養(yǎng)三要素之稱。氮和磷均為植物的生命元素[5,6],鉀為植物的品質(zhì)元素和抗逆元素。在我國人口迅猛增長,耕地后備資源不足的現(xiàn)實下,只能依靠提高單產(chǎn)來滿足我國人口對糧食和其他農(nóng)作物的需求,作為植物營養(yǎng)三要素的氮、磷、鉀必然成為眾多學(xué)者的研究對象[7-12]。
土壤具有高度的空間異質(zhì)性[13]。20世紀70年代后,地統(tǒng)計學(xué)被引入土壤科學(xué),加之地理信息系統(tǒng)的發(fā)展,許多土壤學(xué)家都采用地統(tǒng)計學(xué)和GIS相結(jié)合的方法研究土壤氮、磷、鉀的空間分布特征[14-16]。但對地震后土壤速效養(yǎng)分空間分布特征的研究還鮮見報道。因此,以“5.12”汶川大地震的典型地震災(zāi)區(qū)為研究對象,運用地統(tǒng)計學(xué)和GIS相結(jié)合的方法,研究該區(qū)土壤有效氮、磷、鉀空間分布特征,旨在為該區(qū)的災(zāi)后重建工作及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。
1研究區(qū)域概況與研究方法
1.1研究區(qū)域概況
彭州市新黃村,距成都主城區(qū)55 km,彭州市城區(qū)23 km,交通方便,地處東經(jīng)103°47′28.94″-103°48′46.39″,北緯31°9′57.43″-31°11′24.71″,土地面積2.735 km2,屬湔江流域,地下水位不穩(wěn)定。受龍門山斷帶及湔江沖積平原影響而具有山、坡、壩復(fù)合地貌特征。同時該區(qū)也是“5.12”汶川大地震重災(zāi)區(qū),具有典型的地震災(zāi)區(qū)代表性。
1.2研究方法
1.2.1土壤樣點設(shè)置根據(jù)研究區(qū)域的實際范圍大小,充分考慮不同土地利用方式,臨時安置點的位置,以及地震中倒塌房屋對農(nóng)田土壤的影響,結(jié)合3S技術(shù),在該區(qū)域內(nèi)布設(shè)了26個采樣點。采樣點分布如圖1所示。
1.2.2土壤樣品采集與處理結(jié)合GPS技術(shù)在研究區(qū)域采樣后,帶回室內(nèi),自然風(fēng)干后,除去非土壤物質(zhì),采用四分法取出大約200g風(fēng)干樣品,磨細使其全部通過20目篩,裝袋并做好標記,備用。
1.2.3土壤有效氮、磷、鉀含量的測定均采用常規(guī)方法進行測定,即堿解氮采用堿解擴散法測定,有效磷采用0.5mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定,速效鉀采用1.0 mol/L 中性NH4OAc浸提-火焰光度計法測定[17]。
1.2.4數(shù)據(jù)處理方法采用SPSS和Excel對數(shù)據(jù)進行基礎(chǔ)處理,采用ArcGIS 9.2進行地統(tǒng)計學(xué)和插值分析。
2結(jié)果與分析
2.1常規(guī)統(tǒng)計分析
借助SPSS V13.0軟件平臺,對分析結(jié)果進行常規(guī)統(tǒng)計分析,分析結(jié)果見表1。表1結(jié)果表明,研究區(qū)域土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量均呈正態(tài)分布,堿解氮含量為(126.19±67.89) mg/kg,有效磷含量為(37.18±17.80) mg/kg,速效鉀含量為(165.69±79.80) mg/kg;從偏度上看,有效磷和速效鉀都呈左偏態(tài)分布,而堿解氮則呈右偏態(tài)分布;從峰度上看,3種有效養(yǎng)分都為負。
2.2地統(tǒng)計學(xué)分析
常規(guī)統(tǒng)計分析只能說明土壤速效養(yǎng)分的樣點情況,而對其空間分布特征卻難以反映。為更好地反映出該區(qū)土壤3種有效養(yǎng)分含量的空間變異特征,借助ArcGIS 9.2的地統(tǒng)計學(xué)相關(guān)組件對區(qū)域土壤有效氮、磷、鉀含量進行地統(tǒng)計學(xué)分析,結(jié)果見表2。從結(jié)構(gòu)性因素的角度來看,模型塊金效應(yīng)即C0/(C0+C)反映變量空間變異的來源,比值越大表明人為因素(灌溉、施肥、耕作等)的影響越明顯;反之,結(jié)構(gòu)性因素(母質(zhì)、氣候、生物、地形等)的影響占主要地位[18]。如果比值<25%,說明系統(tǒng)具有強的空間相關(guān)性;如果比值為25%~75%,表明系統(tǒng)具有中等的空間相關(guān)性;如果比值>75%,說明系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱[1]。土壤養(yǎng)分分布是由結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素共同作用的結(jié)果。一般研究認為,結(jié)構(gòu)性因素,如氣候、母質(zhì)、地形、土壤類型等自然因素可以導(dǎo)致土壤養(yǎng)分具有強的空間相關(guān)性,而隨機性因素,如施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動使得土壤養(yǎng)分的空間相關(guān)性減弱,朝均一化方向發(fā)展[19]。由表2可知,研究區(qū)域土壤堿解氮含量的變程為1 674.7 m,長軸方位角為289.2°,約為東南—西北方向,堿解氮空間變異中塊金值與基臺值之比為0.79(79%),表明其空間異質(zhì)性主要由隨機性因素引起,其空間分布的相關(guān)性很弱。該區(qū)域土壤有效磷的變程為1 079.5 m,長軸方位角為76.3°,約為東北—西北方向,有效磷含量空間變異中塊金值與基臺值之比為0.39(39%),表明其空間異質(zhì)性主要是隨機性因素和結(jié)構(gòu)性因素共同引起的,其空間分布體現(xiàn)為中等空間相關(guān)性。與有效氮、磷比較,該區(qū)域土壤速效鉀的變程最小,為998.7 m,長軸方位角為283.5°,約為東南—西北方向,速效鉀的空間變異中塊金值與基臺值之比為0.36(36%),表明其空間異質(zhì)性主要是隨機性因素和結(jié)構(gòu)性因素共同作用的結(jié)果,其空間分布體現(xiàn)為中等空間相關(guān)性。
2.3插值分析
為進一步反映出研究區(qū)域土壤有效養(yǎng)分的空間分布特征,基于ArcGIS 9.2軟件平臺對研究區(qū)域土壤有效氮、磷、鉀含量進行插值分析。
通過計算不同間距的半方差,得出該區(qū)域土壤堿解氮含量變異函數(shù)以高斯模型擬合效果最佳。趨勢分析表明區(qū)域內(nèi)堿解氮含量在北—南方向上的變化趨勢不明顯,呈略微增長趨勢;在東南—西北方向上的變化趨勢同樣不明顯,為略微的遞增趨勢(圖2)。由以上所得半方差理論模型,在ArcGIS 9.2軟件平臺上采用普通克里格法(Ordinary Kriging)進行最優(yōu)內(nèi)插值獲得土壤堿解氮含量的空間分布圖(圖3)??臻g分析結(jié)果表明,該區(qū)域土壤堿解氮含量呈條帶狀分布,高值區(qū)(>165 mg/kg)主要分布在該區(qū)的中部和南部,低值區(qū)(<90 mg/kg)零星分布在研究區(qū)域內(nèi)。全區(qū)堿解氮以含量為110~145 mg/kg的區(qū)域為主,占全區(qū)總面積的41.53%;含量為90~110 mg/kg的區(qū)域次之,占全區(qū)總面積的31.38%;含量<90 mg/kg的區(qū)域最少,僅占全區(qū)總面積的10.50%。該區(qū)域堿解氮總體上的分布特征為由北向南逐漸增加。
通過計算不同間距的半方差,得出該區(qū)域土壤有效磷含量變異函數(shù)以指數(shù)模型擬合效果最佳。趨勢分析表明區(qū)域內(nèi)有效磷含量分布在北—南方向上呈明顯正“U”型分布,在東—西方向上呈現(xiàn)明顯淺倒“U”型分布(圖4)。由以上所得半方差理論模型,在ArcGIS 9.2軟件平臺上采用普通克里格法(Ordinary kriging)進行最優(yōu)內(nèi)插值獲得土壤有效磷含量的空間分布圖(圖5)。圖5結(jié)果表明,該區(qū)域土壤有效磷含量呈大斑塊狀分布,高值區(qū)(>44 mg/kg)主要分布在北部山坡林地的中部和東南平壩一角,低值區(qū)(<20 mg/kg)主要分布在低山丘陵與平壩的過渡地帶。全區(qū)有效磷以含量35~44 mg/kg的區(qū)域為主,占全區(qū)總面積的47.29%,其次為含量25~35 mg/kg的區(qū)域,占全區(qū)總面積的31.46%;含量<20 mg/kg的區(qū)域最少,僅占全區(qū)總面積的3.91%。該區(qū)有效磷含量在總體上呈現(xiàn)以低值區(qū)為中心向四周遞增的趨勢,呈兩端高中間低的特點。
通過計算不同間距的半方差,得出該區(qū)土壤速效鉀含量變異函數(shù)以指數(shù)模型擬合效果最佳。趨勢分析表明區(qū)域內(nèi)土壤速效鉀含量分布在南—北方向呈淺度正“U”型分布,在東—西方向呈現(xiàn)明顯遞增趨勢(圖6)。由以上所得半方差理論模型,在ArcGIS 9.2軟件平臺上采用普通克里格法(Ordinary Kriging)進行最優(yōu)內(nèi)插值獲得土壤速效鉀含量的空間分布圖(圖7)。結(jié)果表明,該區(qū)域土壤速效鉀含量以北部山坡林地和西南平壩一角為高值區(qū)(>220 mg/kg),分別向南部和東部呈條帶狀遞減,并在低山丘陵區(qū)東部的旱地以及丘陵向平壩過渡的東部邊緣區(qū)出現(xiàn)相對低值(<110 mg/kg)分布。全區(qū)速效鉀以含量140~190 mg/kg的區(qū)域為主,占總面積的41.07%;其次為含量>220 mg/kg的區(qū)域,占全區(qū)面積的20.94%;含量<110 mg/kg的區(qū)域最少,僅占全區(qū)總面積的約4.70%。研究區(qū)域速效鉀含量在總體上呈現(xiàn)兩端高中間低,西面高東面低的特點。
2.4影響因素分析
2.4.1地震壓實研究區(qū)域為“5.12”地震重災(zāi)區(qū),在災(zāi)民安置的過程中造成了大面積的土壤壓實,利用顯著性測驗中的t測驗法[20],測驗該區(qū)壓實與未壓實區(qū)域的土壤養(yǎng)分狀況,結(jié)果見表3。由表3可知,水田在壓實后,土壤堿解氮和有效磷與未壓實比較存在極顯著差異,速效鉀呈顯著差異;旱地在壓實后,除速效鉀與未壓實存在極顯著差異外,堿解氮和有效磷都與未壓實差異不顯著。
2.4.2土地利用方式研究區(qū)域的土地利用方式主要有水田和旱地。利用顯著性測驗中的t測驗法對該區(qū)的旱地和水田進行顯著性測驗。結(jié)果表明,堿解氮、有效磷、速效鉀的t值分別為1.838、3.586**、7.610**,表明不同土地利用方式之間,有效磷和速效鉀存在極顯著差異,堿解氮的差異不顯著。
3結(jié)論
震后研究區(qū)域土壤堿解氮的空間分布特征主要受隨機性因素影響,有效磷和速效鉀是由隨機性因素和結(jié)構(gòu)性因素共同作用的結(jié)果。堿解氮的塊金效應(yīng)大于有效磷,有效磷與速效鉀相當,說明人為因素對堿解氮空間變異性的影響較有效磷與速效鉀強,堿解氮的變程大于速效磷,速效鉀最小。
該區(qū)域速效養(yǎng)分的低值區(qū)主要分布在中部地區(qū)即旱地利用區(qū),其中,堿解氮和有效磷的高值區(qū)主要分布在南部即樣板房區(qū),而速效鉀的高值區(qū)主要分布在北部即林地。堿解氮以條帶狀分布于研究區(qū)域內(nèi),由北向南呈增加趨勢;而有效磷和速效鉀則由區(qū)域中部的低值區(qū)向高值區(qū)逐漸過渡。
顯著性測驗顯示,地震壓實對土壤速效養(yǎng)分產(chǎn)生了一定的影響,且壓實對水田的影響較旱地明顯。壓實與未壓實比較,在水田中堿解氮和有效磷呈極顯著差異,速效鉀呈顯著差異,但旱地中除速效鉀呈極顯著差異外,堿解氮和有效磷差異不顯著。不同的土地利用方式對該區(qū)域有效磷和速效鉀的影響極顯著,但對堿解氮的影響不顯著。
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