張曉勉，高智慧，張 勇，高浩杰，李海東，沈愛(ài)華，林 蔭，阮偉建，王 泳

（1.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037；2.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；

3.浙江省林業(yè)生態(tài)工程管理中心，浙江 杭州 310020；4.浙江省岱山縣農(nóng)林局，浙江 岱山 316200；5.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042；6.浙江省余姚市泗門(mén)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村辦公室，浙江 余姚 315470）

揭示土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律和掌握其分布狀況是實(shí)現(xiàn)土壤可持續(xù)利用和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的前提。土壤全氮和有機(jī)質(zhì)是土壤固相的重要組成部分，在土壤肥力發(fā)展過(guò)程中起著極其重要的作用。土壤全氮、有機(jī)質(zhì)的空間變異特征具有很強(qiáng)的空間異質(zhì)性，主要受成土母質(zhì)、氣候、地形、成土過(guò)程以及一些人為因素的影響[1～6]。揭示土壤全氮和有機(jī)質(zhì)的空間變異規(guī)律和分布特征對(duì)于實(shí)現(xiàn)土壤資源的合理利用和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[7]。

由于土壤養(yǎng)分的常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析只能概括土壤養(yǎng)分變化的全貌，不能反映其局部的變化特征，為此有必要進(jìn)一步采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行土壤養(yǎng)分空間變異結(jié)構(gòu)的分析和探討[8]。地統(tǒng)計(jì)學(xué)能夠更好地定性地揭示各屬性變量在空間上的分布、變異和相關(guān)特征。地統(tǒng)計(jì)方法已經(jīng)被廣泛用來(lái)研究土壤養(yǎng)分的空間變異特征，主要集中在土壤養(yǎng)分特征及狀態(tài)參數(shù)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的空間變異研究[9]。

浙江沿海地區(qū)受地理位置和海洋性季風(fēng)氣候的影響，臺(tái)風(fēng)、暴雨、洪澇等自然災(zāi)害頻發(fā)，構(gòu)建沿海防護(hù)林體系可有效減少海嘯和風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害影響，是沿海地區(qū)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重大任務(wù)[10]。對(duì)海島土壤養(yǎng)分空間變異結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析研究，對(duì)于建設(shè)布局合理、功能全面的沿海防護(hù)林體系具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為浙江省舟山市岱山縣岱山本島，舟山群島中部，30° 14′ ～ 30° 21′ N，122° 02′ ～ 122° 11′ E。陸域面積104.97 km2，最高點(diǎn)磨心山海拔257.1 m，海岸線(xiàn)長(zhǎng)96.31 km，氣候?qū)儆趤啛釒暇壖撅L(fēng)海洋型氣候，年平均氣溫為16.2℃，年平均日照在2 257h。研究區(qū)屬低山丘陵區(qū)，主要由低山丘陵和海灣小平原組成。區(qū)內(nèi)有維管束植物160科550屬913種，主要植被有馬尾松（Pinus massoniana）、杉木（Cunninghamia lanceolata）、毛竹（Phyllostachys heterocycla cv.pubescens）等。研究區(qū)土壤類(lèi)型有濱海鹽土、潮土、水稻土、紅壤、粗骨土5個(gè)土類(lèi)。

2 材料與方法

2.1 樣點(diǎn)布設(shè)及土壤剖面數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究樣點(diǎn)布設(shè)采取在土壤類(lèi)型圖上進(jìn)行機(jī)械布點(diǎn)的方法。具體操作為利用ArcGIS軟件對(duì)土壤類(lèi)型分布圖進(jìn)行數(shù)字化，并建立土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)土壤類(lèi)型分布圖的精度選擇1 000 m×1 000 m的網(wǎng)格進(jìn)行機(jī)械布點(diǎn)，共布點(diǎn)98個(gè)。對(duì)每個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)所屬土壤類(lèi)型建立屬性表。土壤剖面數(shù)據(jù)引自岱山縣第二次土壤普查成果和2011年土壤性質(zhì)補(bǔ)充調(diào)查數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)分析

用 SPSS軟件對(duì)土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)典描述性統(tǒng)計(jì)分析。并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，檢驗(yàn)樣點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布。

2.3 數(shù)字化圖件和克立格插值

利用地理信息系統(tǒng)ArcGIS軟件的數(shù)字化編輯分析功能，數(shù)字化圖件，利用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)分析模塊對(duì)土壤屬性數(shù)據(jù)及樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。

克立格插值是根據(jù)變異函數(shù)模型而發(fā)展起來(lái)的空間插值方法，在地質(zhì)、土壤、農(nóng)業(yè)、氣象等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要用于研究空間分異和制圖。克立格插值的最大優(yōu)點(diǎn)是它能給出無(wú)偏估計(jì)，能夠充分考慮到土壤特性的空間變異[11]。本文采用ArcGIS空間插值模塊中的泛克立格方法進(jìn)行空間插值，生成土壤表層pH、有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量空間分布圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 分段頻次分析

對(duì)研究區(qū)所涉及到的9個(gè)土壤類(lèi)型土壤表層pH、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1）?？梢钥闯?，土壤 pH值排序?yàn)槟嗤浚镜磕啵就磕嗵铮镜磕嗵铮咀丶t泥＞石砂土、黃泥沙田、濱海砂土＞酸性紫泥田，其中泥涂pH最高為8.7，呈重堿性。酸性紫泥田pH最小為5.6，呈中強(qiáng)度酸性。土壤有機(jī)質(zhì)排序?yàn)辄S泥沙田＞淡涂泥田＞石砂土＞涂泥田＞酸性紫泥田＞棕紅泥、淡涂泥＞泥涂＞濱海砂土，其中黃泥沙田有機(jī)質(zhì)含量最高為 31.8 g/kg，濱海沙土有機(jī)質(zhì)含量最低為6.9 g/kg。土壤全氮含量排序?yàn)辄S泥沙田＞淡涂泥田＞涂泥田＞淡涂泥＞石砂土＞酸性紫泥田＞棕紅泥＞泥涂＞濱海砂土，其中黃泥沙田全氮含量最高為2.0g/kg，濱海砂土全氮含量最低，為0.5g/kg。

按照第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用SPSS17.0軟件對(duì)所布點(diǎn)各樣本土壤表層屬性指標(biāo)值進(jìn)行分段頻數(shù)分析。由表2可見(jiàn)，岱山本島土壤表層pH、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量3個(gè)指標(biāo)集中等級(jí)分布并不一致，土壤表層pH值頻數(shù)最高分布在第二級(jí)5.0 ～ 6.5范圍內(nèi)，占總樣點(diǎn)數(shù)的37%。有機(jī)質(zhì)含量頻數(shù)最多分布在第三級(jí)20 ～ 30范圍內(nèi)，占總樣點(diǎn)數(shù)的43%。全氮含量頻數(shù)最大值為1.0 ～ 1.5范圍，占總樣點(diǎn)數(shù)的40%。由此可以看出研究區(qū)土壤總體情況為：土壤偏酸性，有機(jī)質(zhì)含量中等，全氮含量中等。

表1 不同土壤類(lèi)型表層土壤屬性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Table1 Attributes of different types of surface soil

表2 樣點(diǎn)土壤屬性指標(biāo)分段頻次分布統(tǒng)計(jì)表Table2 Frequency distribution of soil attributes in sampling points

3.2 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)特征分析

運(yùn)用 SPSS17.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分析（表3）。由表3可以看出，pH值和有機(jī)質(zhì)變幅分別為 6.0 ～ 8.7和 6.9 ～ 31.8 g/kg，均值分別為7.0和16.3 g/kg，中值分別為6.9和17.0 g/kg，兩個(gè)指標(biāo)中值和均值比較接近，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)pH值和有機(jī)質(zhì)分布比較均勻，未受到特異值影響，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.79和7.6，變異系數(shù)分別為0.11和0.47。研究區(qū)全氮變幅為0.3 ～ 2.0g/kg，均值為0.99 g/kg，中值為1.3 g/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為0.53，變異系數(shù)為0.54。3個(gè)指標(biāo)變異系數(shù)大小為pH值（0.11）＜有機(jī)質(zhì)（0.47）＜全氮（0.54）。按照反映離散程度變異系數(shù)的大小，可粗略分為3級(jí)[12]：弱變異性＜0.1，中等變異性0.1～1.0，強(qiáng)變異性＞1.0。由此可以看出pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮含量存在中等程度的變異性。

檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)分布性是使用空間統(tǒng)計(jì)學(xué)克立格方法進(jìn)行土壤特性空間分析的前提，只有當(dāng)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布時(shí)，克立格插值方法才能有效。本文利用ArcGIS軟件空間分析模塊中的正態(tài)QQPlot圖方法進(jìn)行了正態(tài)檢驗(yàn)，結(jié)果表明土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量的分布符合正態(tài)分布，可以采用克立格方法進(jìn)行空間插值。

表3 樣點(diǎn)土壤指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征值Table3 Characteristic value of soil attributes in sampling points

3.3 空間變異特征分析

土壤 pH值是土壤重要的基本性質(zhì)，它直接影響土壤中元素的存在狀態(tài)、轉(zhuǎn)化、遷移和有效性，也影響土壤中微生物的數(shù)量、組成和活性。土壤的pH值是由母質(zhì)、生物氣候以及農(nóng)業(yè)措施等條件控制的[13]。由圖1可以看出，研究區(qū)土壤 pH值總體趨勢(shì)是從海島中部到四周逐漸增大，條帶和斑塊分布明顯，這與研究區(qū)的實(shí)際情況比較吻合。研究區(qū)為海島地形，海岸邊受海水影響，特別是西南部和北部有大面積鹽田分布，土壤鹽堿化程度比較高，pH值較高。中部平原區(qū)土壤類(lèi)型主要為棕紅泥屬于紅壤土類(lèi)，pH值較小，土壤呈酸性。中南部和西北部山區(qū)由于森林覆蓋率比較高，林下植被較好，土壤微生物活動(dòng)頻繁，有效改善土壤的鹽堿化狀況，使土壤接近中性。

圖1 岱山本島表層土壤pH值分布圖Figure1 Distribution of soil pH in Daishan Island

圖2 岱山本島表層土壤有機(jī)質(zhì)含量分布圖 Figure2 Distribution of organic matter in Daishan Island

土壤有機(jī)質(zhì)是重要的養(yǎng)分來(lái)源，對(duì)土壤理化性質(zhì)、微生物活動(dòng)和各種肥力因素都有深刻的影響，是決定土壤肥力的重要因子[14]。由圖2可以看出，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)成條帶狀和斑塊狀分布明顯，大體呈現(xiàn)從中間到四周逐漸遞減的趨勢(shì)，最高值斑塊出現(xiàn)在島嶼中南部。在北部出現(xiàn)比較明顯的高值獨(dú)立斑塊，在西北部也出現(xiàn)比較突出的高值斑塊。分析原因?yàn)檫@三個(gè)區(qū)域?yàn)樯絽^(qū)，是沿海防護(hù)林建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域，植被覆蓋度高，枯枝落葉積累多，有機(jī)質(zhì)含量較高，由此可以看出建設(shè)沿海防護(hù)林，增加植被覆蓋度可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，增加土壤肥力。

氮素是構(gòu)成一切生命體的重要元素，是植物生長(zhǎng)必需且是需求量很大的養(yǎng)分元素，凋落物的分解可使土壤氮素明顯增加，而土壤含氮的多少，在一定程度上影響植物對(duì)磷和其他元素的吸收[15]。由圖3可以看出，研究區(qū)土壤全氮成環(huán)狀或條帶狀分布明顯，從中南部到四周逐漸遞減。全氮含量最高值斑塊分布在島嶼中南部。分析原因此區(qū)域?yàn)榍鹆陞^(qū)，植被較好，根系發(fā)達(dá)有利于氮素的積累。山間平原土壤類(lèi)型主要為淡涂泥、涂泥田、棕紅泥和黃沙泥田，大部分屬于水稻土土類(lèi)，是主要的耕作土壤類(lèi)型，由于長(zhǎng)期耕作施肥使該區(qū)塊土壤全氮含量比較高。對(duì)樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量進(jìn)行相關(guān)分析表明兩者相關(guān)系數(shù)為0.973（P＞0.01），達(dá)到極顯著水平，從圖上也可以看出，兩者空間分布規(guī)律具有相似性。

圖3 岱山本島表層土壤全氮含量分布圖Figure3 Distribution of total nitrogen in Daishan Island

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)岱山本島土壤pH值、有機(jī)質(zhì)和全氮統(tǒng)計(jì)特征值與空間變異特征的研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）研究區(qū)9種土壤類(lèi)型中pH值排序?yàn)槟嗤浚镜磕啵就磕嗵铮镜磕嗵铮咀丶t泥＞石砂土、黃泥沙田、濱海砂土＞酸性紫泥田；有機(jī)質(zhì)排序?yàn)辄S泥沙田＞淡涂泥田＞石砂土＞涂泥田＞酸性紫泥田＞棕紅泥、淡涂泥＞泥涂＞濱海砂土；全氮含量排序?yàn)辄S泥沙田＞淡涂泥田＞涂泥田＞淡涂泥＞石砂土＞酸性紫泥田＞棕紅泥＞泥涂＞濱海砂土。

（2）按照第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所布點(diǎn)各樣本土壤剖面表層土壤指標(biāo)值進(jìn)行分段頻數(shù)分析，岱山本島表層土壤總體評(píng)價(jià)為土壤偏酸性，有機(jī)質(zhì)含量中等，全氮含量中等。

（3）對(duì)土壤表層 pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮含量進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析可以看出，pH值和有機(jī)質(zhì)分布比較均勻，未受到特異值影響。pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮含量變異系數(shù)分別為0.11、0.13和0.54，存在中等程度的變異性。

（4）土壤pH值總體趨勢(shì)從海島中部到四周逐漸增大，條帶狀和斑塊狀分布明顯。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量相關(guān)系數(shù)性達(dá)到極顯著水平（P＞0.01），兩者空間分布格局具有相似性，成環(huán)狀或條帶狀分布明顯，有機(jī)質(zhì)在北部和西部有明顯的斑塊狀分布。

（5）研究區(qū)土壤表層pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮空間變異性主要受到植被分布、土壤類(lèi)型、地形等因素的影響。土壤有機(jī)質(zhì)含量空間變異性受植被因素影響明顯。由此可見(jiàn)，開(kāi)展沿海防護(hù)林建設(shè)對(duì)于改善海島土壤養(yǎng)分條件，增加土壤肥力有重要作用。

[1]王貴政.基于GIS技術(shù)的土壤養(yǎng)分空間分布分析及應(yīng)用[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26（10）：187－191.

[2]李亮亮，依艷麗，凌國(guó)鑫.地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤空問(wèn)變異研究中的應(yīng)用[J].土壤通報(bào)，2005，36（2）：263－266.

[3]陳偉強(qiáng)，劉國(guó)順，華一新，等.平頂山市土壤速效養(yǎng)分空間變異分析[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，41（5）：559－564.

[4]Matheron G.Principles of geostatistics[J].Econ Geol，1963（58）：1 246－1 266.

[5]朱益玲，劉洪斌，江希流.江津市紫色土中N、P養(yǎng)分元素區(qū)域空間變異性研究[J].環(huán)境科學(xué) ，2004，25（1）：138－143.

[6]張淑娟 ，何勇，方慧.基于GPS和G1S的田間土壤特性空間變異性的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19（2）：39－44.

[7]張建杰，李富忠，胡克林，等.太原市農(nóng)業(yè)土壤全氮和有機(jī)質(zhì)的空間分布特征及其影響因素[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29（6）：3 163－3 164.

[8]卓春宣，林盛洪.尤溪金柑主產(chǎn)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量的空間變異分析[J].福建果樹(shù)，2011（4）：17－20.

[9]王瀟，趙建華，董博，等.基于克里格插值的蘭州市土壤全氮和有機(jī)質(zhì)空問(wèn)變異研究[J].甘肅農(nóng)業(yè)科技，2011（4）：5－7.

[10]高智慧、高洪娣、張曉勉，等.人工促進(jìn)植被恢復(fù)對(duì)基巖質(zhì)海岸防護(hù)林土壤理化特性的影響[J].浙江林業(yè)科技，2011，31（6）：1－6.

[11]耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程[S]，NY/T1634－2008.

[12]楊萍，胡續(xù)禮，姜小三，等.小流域尺度土壤可蝕性（K值）的變異及不同采樣密度對(duì)其估值精度的影響[J].水土保持通報(bào)，2006，6（26）：35－39.

[13]李海東，張波，沈渭?jí)?，?蘇南山丘區(qū)小流域土壤養(yǎng)分特性空間分布[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2009，18（9）：832－835.

[14]李玉和.城市土壤密實(shí)度對(duì)園林植物生長(zhǎng)的影響及利用措施[J].中國(guó)園林，1995，11（3）：41－43.

[15]劉為華，張桂蓮，徐飛，等.上海城市森林土壤理化性質(zhì)[J].浙江林學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，26（2）：155－163.