張忠啟，于法展，李保杰，吳金龍

（江蘇師范大學 城市與環(huán)境學院，江蘇 徐州221116）

土壤有機質（soil or ganic matter，SOM）是土壤物質重要組成成分之一，其含量大小及動態(tài)平衡不僅反映土壤質量和健康狀況，直接制約著土壤肥力水平和作物產量的高低［1－2］，而且是評價區(qū)域土壤碳庫儲量及時空演變的重要指標，準確掌握其空間分布特征可以為制定高效農業(yè)和環(huán)境管理措施提供依據［3－4］。由于復雜的成土過程及日益增強的人類活動影響，土壤有機質通常呈現(xiàn)出較強的空間變異性［4］。為較好的把握土壤有機質空間變異特征，國內很多學者在不同區(qū)域開展了研究［5－7］。其中，江蘇省作為全國經濟發(fā)達且人地矛盾突出的地區(qū)，土壤學相關研究較為深入，目前主要以蘇南太湖流域土壤屬性的研究最為廣泛，如20世紀80年代張家騏等利用統(tǒng)計學方法對江蘇南部土壤有機質的空間分布特征及與其他土壤屬性之間的關系開展研究［8］。隨著地理信息系統(tǒng)和地統(tǒng)計學的發(fā)展，土壤有機質研究逐漸深入，曹慧等利用地統(tǒng)計學方法研究了江蘇南部太湖丘陵地區(qū)高強度開發(fā)背景條件下土壤肥力質量的空間變異特點，并指出土地利用方式對土壤有機質含量有重要影響［9］。孫瑞娟通過對2000年與第二次土壤普查（1979—1982年）相對應地塊土壤性狀的比較，對太湖流域的常熟等縣市的土壤肥力變化趨勢及原因進行了分析，指出近20 a來土壤有機質含量出現(xiàn)了較大幅度的提高［10］。Darilek等利用1994年和2004年土壤采樣點數據，得出張家港市的水稻土的有機質年平均增加速率為2．15 g／kg［11］。從已有的研究來看，對蘇南地區(qū)土壤有機質開展研究很多，而蘇北地區(qū)的相關研究卻一直受到忽略。然而，蘇北地形平坦且耕地面積廣闊，一直是江蘇省的主要糧食產地，該地區(qū)的土壤有機質等肥力指標的研究對全省的糧食生產有重要意義。鑒于此，本研究選擇江蘇省北部的沛縣為研究區(qū)，以全縣高密度采樣點為基礎，研究其土壤有機質的空間分布特征，為該地區(qū)的農業(yè)施肥、管理等措施的制定提供參考。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況

江蘇省沛縣地處東經 116°41′—117°09′，北緯28°04′—28°37′，東臨微山湖，西和南分別與江蘇豐縣和銅山縣接壤，并有大沙河從西部穿過，北與山東省魚臺縣毗鄰，總面積約1 291 k m2。該縣屬暖溫帶半濕潤季風氣候，四季分明，氣候溫和，年日照時數和無霜期均較長，年平均氣溫為13．8℃，年平均降水量766 mm［12］。全縣屬黃泛沖擊平原，地勢較為平坦，西南略高于東北，土地利用方式以旱地和水—旱田為主，其中旱地與水—旱田的比例約為2．2∶1，林果園零散分布，土壤以黃泛沖擊物為母質發(fā)育而成，主要分為沙土、兩合土、淤土和輕鹽堿土四大類，約占全縣土壤的90%，其中兩合土為本區(qū)沖擊平原的主要土類。該縣主要種植作物為小麥、玉米、水稻、大豆和棉花等。

1．2 樣品采集及分析

2007年7 月份農作物收割后，在全縣范圍內采用正方形網格布點采樣，網格大小為2 k m×2 k m，在每個網格中心位置附近約30 m的范圍內取5個土壤樣品，充分混合后取500 g為1個混合樣品，共計采集342個，采樣點包含了該縣的沙土、兩合土、淤土和輕鹽堿土4種主要土壤類型，其樣點數量分別為59，200，59和6個（圖1）。所有樣品均采自耕層（0—20 c m），采樣時用GPS記錄每個樣點的經緯度，并描述各樣點的土地利用、土壤類型和成土母質等相關信息。土壤有機質用重鉻酸鉀（K2Cr2O7）氧化—滴定法測定［13］。

1．3 地統(tǒng)計學方法及數據處理軟件

傳統(tǒng)統(tǒng)計學將土壤屬性假定為隨機變量，忽略了其空間特性。而地統(tǒng)計學方法則將土壤屬性視為區(qū)域化變量，以半方差函數為基本工具，對既具有隨機性又具有結構性的土壤屬性在空間上的分布進行研究。普通克里格是基于區(qū)域化變量理論，通過空間相關的隨機函數模型計算可獲取變量的線性加權組合，從而對待估點進行預測［3，14］，其估計公式為：

式中：Z＊（x0）——待估點x0處的估計值；z（x）——實測值；λi——分配給每個實測值的權重 ＝1；n——參與x0點估值的實測值的數目。

土壤有機質數據的經典統(tǒng)計分析采用SPSS 13．0，半方差函數及理論模型擬合利用地統(tǒng)計學軟件GS＋7．0，空間插值圖在 Arc GIS 9．2下完成。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布

2 結果與分析

2．1 土壤有機質的統(tǒng)計分析

所有采樣點土壤有機質含量的統(tǒng)計分布及特征值如表1所示。由表1可知，所有樣點的土壤有機質含量的最小和最大值分別為2．36，49．18 g／kg，后者約為前者的21倍。有機質含量的均值為20．10 g／kg，按第二次土壤普查的養(yǎng)分分級標準，屬于中等（20～30 g／kg）偏低水平，低于蘇南地區(qū)和全國的平均含量［11，15］。有機質含量的標準差為8．40 g／kg，變異系數為0．42，屬中等變異程度。而從四種土壤類型來看，沙土的有機質含量最低（27．26 g／kg），而淤土的含量最高（13．29 g／kg），幾乎為沙土的2倍。兩合土和輕鹽堿土的含量則介于沙土和淤土之間。

2．2 土壤有機質數據的地統(tǒng)計分析

土壤有機質含量數據的半方差函數擬合模型及相關參數見表2。最優(yōu)理論擬合模型為球狀模型，其決定系數為0．939，說明理論模型能較好地反映該地區(qū)土壤有機質的空間結構特征。C0和Sill分別表示塊金值和基臺值，而塊基比值C0／Sill表示由隨機部分引起的空間變異占系統(tǒng)總變異的比例。若該比值較高，則說明由隨機部分引起的空間變異性程度較大；相反，則由空間自相關部分引起的空間變異性程度較大。通常來講，C0／Sill小于0．25，說明區(qū)域化變量具有強烈的空間相關性；C0／Sill在0．25～0．75，其空間相關性為中等；C0／Sill大于0．75，則變量空間相關性很弱。從本研究的塊基比值來看，沛縣土壤有機質具有中等程度的空間自相關性。該理論模型的變程說明其自相關距離大小，研究區(qū)的變程為26 700 m，表明本研究中的采樣點間距（2 000 m）完全能滿足土壤有機質空間變異的需要。

表1 沛縣各土壤類型有機質含量的描述統(tǒng)計

表2 沛縣土壤有機質含量半方差函數擬合模型及參數

2．3 土壤有機質的空間分布特征

通過地統(tǒng)計學克里格方法得到的沛縣土壤有機質空間分布如圖2所示。圖2表明，該縣土壤有機質在空間上具有較強的規(guī)律性，其東北部地區(qū)含量較高，局部地區(qū)的含量超過30．0 g／kg，越往西南方向有機質含量逐漸減少，西南部局部地區(qū)的有機質含量不足12．0 g／kg。這與沛縣的土壤類型與土地利用方式有重要關系，由于沛縣東臨微山湖，該地區(qū)土壤母質多為微山湖湖相沉積，質地較細，比較粘重，土壤類型多為淤土，土壤肥力較高，加上水源充足，灌溉條件便利，是全縣主要的稻—麥輪作地區(qū)。該地區(qū)多年以來禁止作物秸稈焚燒污染環(huán)境，大力推廣作物秸稈還田技術，如秸稈粉碎還田、高留茬還田、堆漚腐熟還田及家禽過腹還田等，農作物秸稈還田面積及還田量均較高，加上其水分條件充足，還田秸稈進入土壤后經微生物分解轉化為腐殖質等有機質，并利于有機質的積累，所以該地區(qū)土壤有機質含量較高。而西部有大沙河流過，黃泛沖積物為主要成土母質，故土壤多為沙壤，中部多為壤質，土壤肥力和灌溉條件相對較差，多為玉米／小麥輪作，該地區(qū)雖然進行了秸稈還田技術的推廣，但由于旱地土壤的水分條件限制，秸稈進入土壤后腐爛過程較慢，對作物種植及管理造成不便，故農民的積極性較低，造成旱作區(qū)秸稈還田的面積和還田量均小于水旱輪作區(qū)，導致該地區(qū)土壤有機質含量偏低。

從各土壤有機質含量等級的統(tǒng)計結果（圖3）來看，全縣土壤有機質含量的分布多集中在12．0～18．0，18．0～24．0，24．0～30．0 g／kg共3個等級，所占面積比例分別為33．9%，33．6%，23．3%；按照全國土壤養(yǎng)分分級標準，全縣范圍內的土壤有機質含量中低水平所占比例較大，特別是中西部地區(qū)土壤有機質含量明顯偏低，對當地的農業(yè)生產造成一定影響，同時也說明該縣在土壤肥力方面還有較大的提升潛力，在提升土壤肥力過程中要注重種養(yǎng)結合，堅持在施用有機肥的基礎上優(yōu)化施肥結構，同時改進秸稈還田技術，改善旱作區(qū)的灌溉條件，培肥地力。從有機質含量超過30．0 g／kg等級的比例來看，其面積較小，僅為3．9%，主要分布在鄰近微山湖的水田區(qū)，表明該縣有機質含量達到豐富水平的面積較小，且與全國其他地區(qū)的水田土壤有機質含量有較大差距［15］，對其水稻產量造成影響，仍需制定合理的管理和耕作措施來提高有機質含量和土壤肥力，以提升當地的糧食產量。

圖2 沛縣土壤有機質含量空間分布

圖3 不同土壤有機質含量等級的面積比例

3 結 論

本研究利用地統(tǒng)計學和地理信息系統(tǒng)（GIS）相結合的方法分析了沛縣土壤有機質含量的空間變異特征，結果表明該縣土壤有機質含量均值為20．10 g／kg，其中淤土含量最高（27．26 g／kg），沙土含量最低（13．29 g／kg）；土壤有機質含量的空間自相關程度為中等程度，自相關距離達到26 700 m；全縣范圍內土壤有機質空間分布存在明顯的規(guī)律性，由東向西逐漸降低，與土壤類型及土地利用的方式關系密切；從有機質含量的等級分布看，該縣土壤有機質含量水平為中等偏低，特別是中西部地區(qū)，土壤有機質含量有較大的提升潛力，需要從耕作和管理上采取措施以提升土壤肥力。

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