李 娜,陳署晃,賴 寧,李永福,耿慶龍

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】土壤養(yǎng)分含量是表征土壤肥力的重要指標(biāo)，土壤肥力狀況更是關(guān)乎綠洲農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。土壤養(yǎng)分的空間變異特征在一定程度上反映了土壤耕作層中土壤養(yǎng)分的豐缺程度，掌握其變異性及分布規(guī)律對(duì)提高農(nóng)業(yè)土肥利用效率、土壤分區(qū)管理及保持土壤肥力等具有重要意義[1,2]。【前人研究進(jìn)展】地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法是研究土壤空間養(yǎng)分變異以及在不同尺度下的土壤養(yǎng)分分布特征最常用的統(tǒng)計(jì)分析方法[3]。趙明松等[4]采用地統(tǒng)計(jì)分析表明,蒙城縣土壤養(yǎng)分的變異函數(shù)符合指數(shù)模型,具有中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性。在空間上呈塊狀分布。王雪梅等[5]基于GIS與地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析了新疆精河縣耕層土壤養(yǎng)分空間變異特征及影響因素，結(jié)果表明：該地區(qū)有效磷的空間變異性較強(qiáng)，速效鉀的空間變異性最弱。各土壤養(yǎng)分元素在綠洲內(nèi)部具有較高含量的片狀和斑塊狀分布,而在綠洲外緣,其含量相對(duì)較低,且呈大面積的片狀分布。陳桂香等[6]采用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，分析了福州市農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間分布特征及與地形因子的相關(guān)關(guān)系，研究結(jié)果表明有機(jī)質(zhì)、堿解氮與地形起伏度、高程及坡度等呈顯著正相關(guān)，而有效磷和速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】隨著GIS技術(shù)的飛速發(fā)展，將GIS技術(shù)與地統(tǒng)計(jì)方法結(jié)合分析土壤養(yǎng)分空間特征已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。通過地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的引入，土壤養(yǎng)分空間變異性的研究由傳統(tǒng)的定性研究逐步發(fā)展到定量的研究。研究基于GIS技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)方法，分析伊犁州地區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分空變異特征。【擬解決的關(guān)鍵問題】采用GIS技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法對(duì)伊犁州耕層土壤(0～ 20 cm)5種養(yǎng)分(全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀)進(jìn)行空間變異特征研究，掌握該地區(qū)農(nóng)田土壤肥力的空間差異，為該地區(qū)土壤施肥與土壤養(yǎng)分管理及農(nóng)業(yè)布局提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

伊犁哈薩克自治州位于新疆西部天山北部的伊犁河谷內(nèi)，轄2個(gè)地級(jí)行政區(qū)、11個(gè)縣級(jí)行政區(qū)，地處80°9′42″～91°01′45″E，40°14′16″～49°10′45″N,土地總面積為2.69×105km2。地貌類型復(fù)雜多樣，山地多分布在西南部、東北部和準(zhǔn)噶爾盆地西部；丘陵分布在山麓緩坡地帶；平原分布在天山谷地、烏倫古河河谷、額爾齊斯河河谷、準(zhǔn)噶爾盆地及盆地西部山區(qū)；沙漠分布在布爾津、哈巴河、吉木乃、霍城等縣(市)。屬溫帶大陸性氣候，山地多雨濕潤(rùn)，平原少雨干燥。平均年降水量為295.03 mm，年平均氣溫為8.3℃。伊犁州主要土壤類型有：潮土、灌耕土、草甸土、沼澤土、黑鈣土、灌耕黑鈣土、栗鈣土等。有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量較高，pH值為7.3～8.4，呈中性偏微堿。結(jié)合研究區(qū)土壤類型及分布及地形地貌，將土地利用現(xiàn)狀圖、2 km×2 km方格網(wǎng)進(jìn)行疊加布設(shè)采樣點(diǎn)。

1.2 方 法

利用GPS確定樣點(diǎn)坐標(biāo)，采集土壤表層(0～20 cm)土樣。共計(jì)948個(gè)樣點(diǎn)，將采集的948個(gè)土壤樣品統(tǒng)一分析，測(cè)試有機(jī)質(zhì)(SOM)及5大養(yǎng)分指標(biāo)：全氮(TN)、堿解氮(AN)、有效磷(AP)、速效鉀(AK)。土樣經(jīng)室內(nèi)自然風(fēng)干后，統(tǒng)一過網(wǎng)篩選后進(jìn)行混勻。圖1

圖1 伊犁州采樣點(diǎn)分布
Fig. 1 Distribution map of Yili Prefecture sampling n=948)

不同土壤養(yǎng)分的分析測(cè)試方法分別為：全氮含量采用凱氏定氮法(NY/T1121.24-2012);有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀法(NY/T1121.6-2006);堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法(LY/T1229-1999);有效磷含量采用碳酸氫鈉溶液浸取—分光光度法測(cè)定(NY/T1121.7-2014)；速效鉀含量測(cè)定采用1 mol/L乙酸銨浸提-火焰光度法(NY/T889-2004)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Statistics SPSS 16.0軟件，對(duì)土壤元素含量特征進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)和正態(tài)分布檢驗(yàn)，檢驗(yàn)土壤樣品各元素含量是否服從正態(tài)分布；對(duì)不服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，使其服從對(duì)數(shù)正態(tài)，再使用ArcGIS 10.2軟件的Kriging(普通克里格)空間插值和地統(tǒng)計(jì)分析。土壤養(yǎng)分含量的分級(jí)參照《全國九大農(nóng)區(qū)及省級(jí)耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(試行)》和《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范(DZ/T 0295-2016)》[7]，劃分為豐富、較豐富、中等、較缺乏、缺乏五個(gè)等級(jí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 伊犁州土壤養(yǎng)分含量的描述性統(tǒng)計(jì)

土壤全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布(K-S檢驗(yàn)，P<0.05)，而土壤有機(jī)質(zhì)含量服從對(duì)數(shù)二階正態(tài)分布，表層土壤有機(jī)質(zhì)受施肥的影響較大。研究區(qū)土壤中全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀的平均含量分別為1.36 g/kg、35.32 g/kg、88.38 mg/kg、28.72 mg/kg、235.40 mg/kg，其中，堿解氮和速效鉀的變化范圍較大。變異系數(shù)可以表征土壤特性的空間變異程度.一般來說，當(dāng)變異系數(shù)CV≤0.1時(shí)為弱變異性；CV在0.1～1.0時(shí)為中等變異性；CV≥1.0時(shí)，為強(qiáng)變異性。該地區(qū)5種土壤養(yǎng)分含量變異系數(shù)最大為有效磷(0.82)，次之有機(jī)質(zhì)(0.79)，兩者變異強(qiáng)度較高，在該區(qū)域分異顯著，可能受人為活動(dòng)影響較大。其它肥力指標(biāo)變異系數(shù)處于0.60～0.67，均屬于中等變異強(qiáng)度，表明在該區(qū)域有一定差異，但變化不顯著。依據(jù)新疆第二次土壤普查的養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[8-9]，研究區(qū)速效鉀、有機(jī)質(zhì)、有效磷平均含量均處于較高水平；全氮、堿解氮平均含量均處于較低水平。表 1

表 1 土壤各肥力指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)特征
Table 1 The descriptive statistics of soil fertility factors contents in study area

肥力指標(biāo)Fertility indices樣點(diǎn)數(shù)Samples分布類型Distribution types極小值Min.極大值Max.均值Mean標(biāo)準(zhǔn)差St.d變異系數(shù)CV偏度Skewness峰度KurtosisTN948對(duì)數(shù)正態(tài)0.117.701.360.810.602.9112.74SOM948對(duì)數(shù)正態(tài)2.64145.5735.3227.770.791.641.91AN948對(duì)數(shù)正態(tài)4.80467.9088.3852.780.602.8212.28AP948對(duì)數(shù)正態(tài) 1.00164.0328.7223.530.821.582.70AK948對(duì)數(shù)正態(tài)30.002 056.00235.40156.920.674.0832.46

注：TN表示全氮，SOM表示土壤有機(jī)質(zhì)，AN表示堿解氮，AP表示有效磷，AK表示速效鉀.下同

Note:SOM represents soil organic matter, TN represents total nitrogen, AN represents available nitrogen, AP represents available phosphorus, AK represents available potassium. The same as below

2.2 伊犁州土壤養(yǎng)分指標(biāo)分級(jí)比例

研究表明,SOM含量最高，豐富(SOM>25 g/kg)的樣點(diǎn)比例為45.46%，其次為AK、AP，豐富(AK>250 mg/kg、AP>30 mg/kg)的樣點(diǎn)比例分別為32.81%、31.65%；TN含量較高，較豐富(1～1.5 g/kg)的樣點(diǎn)比例為41.98%；AN含量相對(duì)較低，缺乏和較缺乏(0～90 mg/kg)的樣點(diǎn)比例超過65.72%。相比而言，TN、SOM含量總體較高，較豐富以上的樣點(diǎn)比例分別占66.66%、61.07%，中等水平以上的樣點(diǎn)比例分別占89.44%、87.02%；其次為AK、AP，較豐富以上的樣點(diǎn)比例分別占50.85%、49.37%，中等水平以上的樣點(diǎn)比例分別占71.21%、64.41%；AN含量相對(duì)較低，缺乏和較缺乏的樣點(diǎn)比例超過65.72%。研究表明，伊犁州農(nóng)田土壤TN、SOM、AK、AP含量總體較為豐富；AN含量總體處于缺乏水平。AK、AP含量較高可能是該地區(qū)過量施用鉀肥、磷肥。表2

表2 伊犁州土壤養(yǎng)分含量分級(jí)與比例統(tǒng)計(jì)
Table 2 Soil nutrient content grading and proportion statistics in Yili Prefecture

肥力指標(biāo)Fertility indices豐富Rich較豐富Less rich中等Moderate較缺乏Less deficient缺乏Deficient含量Content比例Ratio(%)含量Content比例Ratio(%)含量Content比例Ratio(%)含量Content比例Ratio(%)含量Content比例Ratio(%)TN>1.524.68>1.0-1.541.98>0.75～1.022.78>0.5～0.757.28≤0.53.27SOM>2545.46>20～2515.61>15-2025.95>10-1510.23≤102.74AN>1508.54>120～1507.07>90～12018.67>60～9040.19≤6025.53AP>3031.65>20～3017.72>15～2015.40>8-1524.26≤810.97AK>25032.81>200～25018.04>150～20020.36>100～15019.94≤1008.86

注：TN、SOM含量單位為g/kg，其他元素含量單位為mg/kg。下同

Note：The unit for TN and SOM is g/kg，and for all the others mg/kg. The same as below

2.3 伊犁州土壤養(yǎng)分空間變異特征

研究表明，全氮、堿解氮的變異函數(shù)曲線的理論模型能較好地符合高斯模型；有機(jī)質(zhì)、有效磷的變異函數(shù)曲線符合球形模型；速效鉀的變異函數(shù)曲線的理論模型則能較好的符線性模型。

塊金值(C0)表示由隨機(jī)性因素引起的變異，即由試驗(yàn)誤差或小于試驗(yàn)取樣尺度所引起的變異[12]。全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀的C0分別為0.164、0.001、0.155、0.256、0.259。說明在采樣尺度范圍內(nèi)存在采樣的誤差、短距離的變異、施肥耕作措施及種植制度等隨機(jī)性因素引起的變異[10,12]。塊基比C0/(C0+C)可用來表明土壤性質(zhì)空間相關(guān)性的程度。當(dāng)C0/(C0+C)<0.25時(shí)，說明其空間相關(guān)性極強(qiáng)，變異性主要受結(jié)構(gòu)因素影響；0.250.75，說明其空間相關(guān)性很弱，受隨機(jī)性因素的影響較大；若C0/(C0+C)趨近于1，則說明其變異性較為恒定[11]。由此可知，全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮表現(xiàn)為極強(qiáng)的空間相關(guān)性，其塊基比分別為0.107、0.002、0.000 07，表明農(nóng)田土壤中全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮的空間變異性主要受結(jié)構(gòu)因素(氣候、母質(zhì)、地形或土壤類型等)的影響；有效磷的塊基比為0.403，在區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)為中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性，表明有效磷的空間分布主要受結(jié)構(gòu)因素和隨機(jī)因素的共同作用[10]。速效鉀的塊基比為0.755，在區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)為較弱的空間自相關(guān)性，表明速效鉀的空間分布受隨機(jī)性因素影響較大。表3

表3 伊犁州土壤養(yǎng)分的半方差模型類型及其參數(shù)值
Table 3 Types of semivariogram models of soil nutrients in Yili Prefecture and their parameter values

肥力指標(biāo)Fertility indices理論模型Theoretical model塊金值C0基臺(tái)值C0+C塊基比C0/(C0+C)變程A0(km)決定系數(shù)R2殘差RSSTN高斯0.1641.5280.107 5.070.9736.36E-03SOM球形0.0010.4610.002 1.250.7640.082 7AN高斯0.1552 0770.000 07 5.780.9570.012 7AP球形0.2560.6360.403 1.210.5370.125AK線性0.2590.3430.755 2.890.8791.277E-0.3

2.4 伊犁州土壤各指標(biāo)的空間分布

研究表明,伊犁州5個(gè)土壤養(yǎng)分含量在空間分布上多呈斑塊狀格局。5個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)中，TN、AN含量的空間分布大體相似，含量較高的區(qū)域主要分布在尼勒克縣和新源縣；含量較低的區(qū)域主要分布在霍城縣、伊寧市、察布查爾錫伯自治縣、昭蘇縣。SOM、AP含量的空間分布大體相似，含量較高的區(qū)域主要分布在昭蘇縣；含量較低的區(qū)域主要分布在霍城縣、伊寧市、伊寧縣、鞏留縣。AK含量的空間分布相對(duì)均衡，含量較高的區(qū)域在霍城縣、察布查爾錫伯自治縣、昭蘇縣、特克斯縣、新源縣、尼勒克縣、奎屯市均有分布?？傮w而言，伊犁州土壤養(yǎng)分含量空間分布總體呈現(xiàn)南高北低、東高西低的格局。圖2

注：a、b、c、d、e分別表示全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀的空間分布

Note:a,b,c,d,and e represent the spatial distribution of total nitrogen, organic matter, alkali nitrogen,available phosphorus,and available potassium,respectively

圖2 伊犁州土壤養(yǎng)分含量空間分布
Fig. 2 Spatial distribution of soil nutrient content in Yili Prefecture

3 討 論

目前，研究分析土壤養(yǎng)分空間變異特征，采用 GIS 和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法較為普遍。通過土壤樣本采樣與分析，測(cè)定不同成分的含量，利用地統(tǒng)計(jì)分析模塊進(jìn)行空間變異分析。研究以伊犁州為例，利用ArcGIS10.2地統(tǒng)計(jì)分析功能研究伊犁州土壤全氮含量、有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮含量、有效磷含量和速效鉀含量的空間變異特征，5 種養(yǎng)分值均為中等變異，有效磷的變異系數(shù)最大，全氮變異系數(shù)最小，所有變量均符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布。伊犁州農(nóng)田土壤TN、SOM、AK、AP含量總體較為豐富；AN含量總體處于缺乏水平。通過實(shí)地采樣點(diǎn)調(diào)查可知，結(jié)果與近年來該區(qū)域大力推廣實(shí)施“2+x”田間肥料試驗(yàn)(包括常規(guī)施肥、優(yōu)化施肥和小區(qū)施肥等多種方式)有關(guān)，在一定范圍內(nèi)提高了速效養(yǎng)分的含量。數(shù)據(jù)經(jīng)過半變異函數(shù)的參數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)，全氮、堿解氮為高斯模型；有機(jī)質(zhì)、有效磷為球形模型；速效鉀的變異函數(shù)曲線的理論模型則能較好的符線性模型。全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮為極強(qiáng)的空間相關(guān)性，主要受結(jié)構(gòu)因素的影響；有效磷為中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性，主要是受結(jié)構(gòu)性因素和人為影響造成的。速效鉀為較弱的空間自相關(guān)性，受隨機(jī)因素影響較大。在土地利用中要加強(qiáng)用養(yǎng)結(jié)合，科學(xué)施用化肥。土壤養(yǎng)分含量在空間分布上多呈斑塊狀格局，全氮、堿解氮在東部相對(duì)含量較高；有機(jī)質(zhì)、有效磷在南部含量相對(duì)較高；速效鉀的含量分布較均勻。因此，在今后的農(nóng)業(yè)施肥過程中，在西部適當(dāng)增加氮素的輸入，可以適當(dāng)增加?xùn)|部有機(jī)肥的投入。

4 結(jié) 論

4.1 伊犁州土壤中有效磷、有機(jī)質(zhì)屬于強(qiáng)變異強(qiáng)度，變異系數(shù)分別為0.82、0.79；其它肥力指標(biāo)變異系數(shù)處于0.60～0.67，均屬于中等變異強(qiáng)度，表明在該區(qū)域有一定差異，但變化不顯著。研究區(qū)速效鉀、有機(jī)質(zhì)、有效磷平均含量均處于較高水平；全氮、堿解氮平均含量均處于較低水平。

4.2 伊犁州土壤TN、SOM含量總體較高，較豐富以上的樣點(diǎn)比例分別占66.66%、61.07%；中等水平以上的樣點(diǎn)比例分別占89.44%、87.02%；其次為AK、AP，較豐富以上的樣點(diǎn)比例分別占50.85%、49.37%，中等水平以上的樣點(diǎn)比例分別占71.21%、64.41%；AN含量相對(duì)較低，缺乏和較缺乏的樣點(diǎn)比例超過65.72%。

4.3 伊犁州全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮表現(xiàn)為極強(qiáng)的空間相關(guān)性，其塊基比分別為0.107、0.002、0.000 07，其空間變異性主要受結(jié)構(gòu)因素的影響；有效磷的塊基比為0.403，在區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)為中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性，其空間分布主要受結(jié)構(gòu)因素和隨機(jī)因素的共同作用。速效鉀的塊基比為0.755，在區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)為較弱的空間自相關(guān)性，其空間分布受隨機(jī)性因素影響較大。

4.4 伊犁州5個(gè)土壤養(yǎng)分含量在空間分布上多呈斑塊狀格局。5個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)中，TN、AN含量的空間分布大體相似，含量較高的區(qū)域主要分布伊犁州的東部；SOM、AP含量的空間分布大體相似，含量較高的區(qū)域主要分布伊犁州的南部；AK含量的空間分布相對(duì)均衡。伊犁州土壤養(yǎng)分含量空間分布總體呈現(xiàn)南高北低、東高西低的格局。