王學(xué)寅，黃益靈，全斌斌，林道秀，韓振春

(1.浙江省第十一地質(zhì)大隊(duì)，浙江 溫州 325006； 2.溫州市地質(zhì)資源與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 溫州 325006)

0 引 言

土壤肥力(養(yǎng)分)是土壤科學(xué)研究的核心內(nèi)容，但是不代表土壤有了養(yǎng)分就能轉(zhuǎn)換為土地生產(chǎn)力[1]。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)土壤利用和農(nóng)田養(yǎng)分管理有了更多手段，不僅對(duì)于氮(N)、磷(P)和鉀(K)等大量養(yǎng)分元素的施用越來(lái)越科學(xué)合理，而且越來(lái)越重視鈷(Co)、 釩(V)和鉬(Mo)等微量養(yǎng)分元素對(duì)作物生產(chǎn)和產(chǎn)量的影響[2]。但總體看對(duì)于土壤元素“生物有效性”這一概念還不夠重視，導(dǎo)致部分地區(qū)土壤出現(xiàn)“肥而無(wú)力”這一現(xiàn)象。

由于成土母質(zhì)、地形地貌、土壤類型、氣候等自然環(huán)境因素和耕作制度、外源輸入(如肥料施用)以及秸稈還田等人為因素的長(zhǎng)期共同作用，土壤元素有效態(tài)含量具有高度的空間異質(zhì)性和明顯的區(qū)域分異特征[3-6]。單憑傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法無(wú)法解決空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的問(wèn)題。因此，目前許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者都采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS技術(shù)相結(jié)合的方法來(lái)研究土壤中元素有效態(tài)含量的空間變異特征[7]。

本次研究以瑞安市(以下稱“研究區(qū)”)農(nóng)田耕作層土壤為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)地調(diào)查采樣和測(cè)試分析，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)、GIS和傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)瑞安市耕作層土壤中土壤養(yǎng)分元素有效態(tài)含量的空間分布特征進(jìn)行研究，采用相關(guān)分析、主成分因子分析和分類對(duì)比分析方法對(duì)元素有效態(tài)含量與影響因素之間的關(guān)系進(jìn)行分析，了解研究區(qū)耕作層土壤主要養(yǎng)分元素有效態(tài)的特性，以期為研究區(qū)土壤養(yǎng)分平衡管理、農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)布局以及土壤保護(hù)措施等提供理論參考和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處浙江省東南沿海黃金海岸線的中段，溫州市中部(圖1)，面積1 350.01 km2，地理坐標(biāo)：東經(jīng)120°10′至121°15′，北緯27°40′至28°00′。全區(qū)地勢(shì)西高東低，西北部為山區(qū)丘陵，中部為飛云江流域河谷平原，東部沿海為沖積平原和近海灘涂，地勢(shì)平坦。研究區(qū)屬中亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，常年平均氣溫18.9 ℃，年平均降雨量為1 826.2 mm。

研究區(qū)土地資源肥沃，受地層巖性、地形地貌以及沉積古環(huán)境等因素影響，可以把研究區(qū)耕作層土壤成土母質(zhì)劃分為火成巖類風(fēng)化物、沉積巖類風(fēng)化物和第四紀(jì)沉積物3大類。第二次全國(guó)土壤普查顯示，瑞安市共有紅壤、黃壤、粗骨土、潮土、水稻土、鹽土和新積土7大類和紅壤、黃壤、黃紅壤、侵蝕性紅壤、酸性粗骨土、淹育型水稻土、潴育型水稻土、滲育型水稻土、潛育型水稻土、脫潛潴育型水稻土、灰潮土、鈣質(zhì)潮土、濱海鹽土和水成新積土14亞類土壤(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置、土壤類型及采樣點(diǎn)位Fig.1 The geographic location，soil types and sampling site of the study area

2 材料與方法

2.1 樣品采集與測(cè)試分析

以研究區(qū)內(nèi)永久基本農(nóng)田示范區(qū)為重點(diǎn)，綜合考慮成土母質(zhì)、土壤類型和土地利用類型等因素，隨機(jī)從3 692件1:5萬(wàn)土壤地球化學(xué)調(diào)查采集的表層土壤(0～20 cm)樣品中選取500件樣品展開研究，表層土壤樣品采集執(zhí)行DB33/T 2224—2019土地質(zhì)量地質(zhì)調(diào)查規(guī)范。

樣品測(cè)定了堿解氮、速效鉀、有效磷、有效硼、有效錳、有效鉬、有效銅、有效鐵和有效鋅9種養(yǎng)分元素有效態(tài)含量以及CEC(陽(yáng)離子交換量)、有機(jī)質(zhì)、全鹽量和pH等指標(biāo)。樣品檢測(cè)工作由河南省巖石礦物測(cè)試中心完成，檢測(cè)過(guò)程執(zhí)行《地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試質(zhì)量管理規(guī)范》(DZ/T 0130—2006)、《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1:250 000)》及《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)分析技術(shù)要求(DD2005—03)》。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析方法

首先采用地球化學(xué)勘查數(shù)據(jù)一體化處理系統(tǒng)(Geochem Studio 3.0)以3倍離差迭代至少7次剔除原始數(shù)據(jù)異常值，使數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布或是對(duì)數(shù)正態(tài)分布，并求取處理前后數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)參數(shù)特征。然后以地統(tǒng)計(jì)學(xué)基本原理和方法為基礎(chǔ)，分析元素有效態(tài)含量空間變異特征，運(yùn)用GS+9.0軟件對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差函數(shù)分析及模型擬合，以半方差分析結(jié)果中模型的擬合決定系數(shù)R2最大、殘差平方和RSS最小為最優(yōu)插值理論模型和參數(shù)[7-10]。然后運(yùn)用ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行普通克里金插值法，以《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)等級(jí)劃分為標(biāo)準(zhǔn)(表1)，求得研究區(qū)耕作層土壤元素有效態(tài)含量空間分布特征圖。最后采用SPSS 23.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析，探討研究區(qū)耕作層土壤9種養(yǎng)分元素有效態(tài)含量的主要影響因素和影響程度。

表1 土壤養(yǎng)分元素有效態(tài)含量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 分析結(jié)果

3.1 有效態(tài)參數(shù)特征

通過(guò)對(duì)比原始數(shù)據(jù)剔除3倍離差前后描述性統(tǒng)計(jì)參數(shù)可以看出研究區(qū)耕作層土壤堿解氮、速效鉀、有效磷、有效硼、有效錳、有效鉬、有效銅、有效鐵和有效鋅9種養(yǎng)分元素有效態(tài)地球化學(xué)基本參數(shù)特征存在一定差別(表2)。

研究表明變異系數(shù)可以反映土壤元素的離散程度，進(jìn)而表示土壤元素的分布均勻程度。變異系數(shù)越大，元素分布越不均勻，離散程度越大。一般認(rèn)為當(dāng)變異系數(shù)Cv<0.3為均勻分布，0.3≤Cv<0.6為弱分異，0.6≤Cv<1.0為較強(qiáng)分異，Cv≥1.0為強(qiáng)分異[7，11]。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示研究區(qū)耕作層土壤有效磷、有效銅和有效鋅在剔除3倍離差前變異系數(shù)都大于1.0，而剔除3倍離差后，變異系數(shù)分別降為0.82、0.44和0.59，且剔除前后這3種元素有效態(tài)含量的算術(shù)平均值相差較明顯，說(shuō)明這3種有效態(tài)在耕作層土壤中分布較離散，可能受農(nóng)業(yè)施肥和人類生產(chǎn)生活廢棄物等外界因素影響而在部分土壤中出現(xiàn)不同程度的富集，對(duì)這3種元素有效態(tài)平均含量產(chǎn)生了較大影響。

表2 研究區(qū)耕作層9種養(yǎng)分元素有效態(tài)含量統(tǒng)計(jì)參數(shù)

有效錳和有效硼的變異系數(shù)分別為0.82和0.61，屬于較強(qiáng)分異，剔除3倍離差后變異系數(shù)分別降為0.69和0.53，說(shuō)明這2種養(yǎng)分元素有效態(tài)總體分布不均勻，少量極值存在給土壤平均含量造成了一定程度的影響；堿解氮、速效鉀和有效鉬變異系數(shù)>0.3，但都<0.6，屬于弱分異，剔除3倍離差前后總體相差不大，說(shuō)明這3種有效態(tài)元素分布較均勻，受外界影響較小，雖然在個(gè)別樣點(diǎn)出現(xiàn)了極值，但對(duì)其平均值影響不大；有效鐵剔除前后各項(xiàng)參數(shù)保持一致，無(wú)極值點(diǎn)剔除，變異系數(shù)為0.24，屬于均勻分布范疇，說(shuō)明外界影響因素未對(duì)耕作層土壤有效鐵含量造成較明顯的影響。

3.2 有效態(tài)半方差函數(shù)分析

半方差函數(shù)分析是研究元素空間變異特征的主要手段之一[12-14]。塊金值(Co)代表隨機(jī)變異的量，主要代表一些人為因素引起的土壤變異，如施肥、耕作等各種人類活動(dòng)。而基臺(tái)值(Co+C)代表變量空間變異的結(jié)構(gòu)性方差，主要代表自然因素引起的土壤變異，如母質(zhì)、氣候、地形等，塊金系數(shù)(Co/(Co+C))代表空間異質(zhì)性程度，該值<0.25、0.25～0.75、>0.75分別代表變量強(qiáng)、中等、弱空間相關(guān)性[15-18]。

半方差函數(shù)分析結(jié)果顯示研究區(qū)耕作層土壤堿解氮、速效鉀、有效鋅和有效錳的最佳擬合模型為指數(shù)模型，有效鉬、有效硼和有效銅的最佳擬合模型為高斯模型，而有效磷和有效鐵的最佳擬合模型為球狀模型(表3)。從表3還可以看出9種土壤養(yǎng)分元素有效態(tài)的決定系數(shù)(R2)都在0.68～0.90之間，說(shuō)明上述半方差函數(shù)與理論上的模型擬合較好。其中有效鐵和有效錳的塊金系數(shù)小于0.25，堿解氮塊金系數(shù)為0.26(略大于0.25)，速效鉀、有效磷、有效鉬、有效銅和有效鋅的塊金系數(shù)大于0.25，但小于0.75，而有效硼的塊金系數(shù)達(dá)到了0.81。這說(shuō)明有效鐵、有效錳和堿解氮的空間相關(guān)性較好，土壤母質(zhì)、土壤類型以及地形地貌等結(jié)構(gòu)性因素是影響其含量的主導(dǎo)因素；速效鉀、有效磷、有效鉬、有效銅和有效鋅為中等相關(guān)性，說(shuō)明這幾種元素有效態(tài)含量受土壤母質(zhì)、土壤類型以及地形地貌等結(jié)構(gòu)性因素和人為活動(dòng)等隨機(jī)性因素的雙重影響；有效硼空間相關(guān)性最弱，說(shuō)明其受人為活動(dòng)等隨機(jī)性因素影響較大。

表3 研究區(qū)耕作層9種養(yǎng)分元素有效態(tài)半方差函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)

3.3 有效態(tài)空間分布趨勢(shì)

變程(Ao)是擬合模型首次呈現(xiàn)水平狀態(tài)的距離，是反映變量空間自相關(guān)范圍大小的參數(shù)[19-22]。本次參與地統(tǒng)計(jì)的9種養(yǎng)分元素有效態(tài)半方差函數(shù)擬合模型變程在3.81～26.66 km之間(表3)，因此運(yùn)用普通克里金插值法求得的養(yǎng)分元素有效態(tài)含量等值線圖能較客觀地反映其空間分布趨勢(shì)。

以表1所示有效態(tài)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，可以看出9種元素有效態(tài)含量在空間上呈現(xiàn)一定的分布規(guī)律。堿解氮主要呈現(xiàn)西高東低的分布趨勢(shì)，研究區(qū)中西部地區(qū)普遍達(dá)到豐富標(biāo)準(zhǔn)，東南部莘塍街道、東山街道和塘下鎮(zhèn)等靠近沿海一帶普遍為較缺乏；有效鐵分布特征與堿解氮相似，總體分布均勻，近100%面積土壤有效鐵含量達(dá)到豐富標(biāo)準(zhǔn)；速效鉀、有效硼、有效錳、有效鉬、有效銅和有效鋅空間分布特征基本相似，西低東高，高值主要集中在中部和東南部平原區(qū)，但從總體含量來(lái)看，研究區(qū)表層土壤有效硼含量普遍偏低，西部丘陵區(qū)絕大多數(shù)屬于缺乏和較缺乏狀態(tài)，其他幾種養(yǎng)分元素有效態(tài)含量較高，基本都屬于中等及以上范疇；有效磷含量總體較高，呈“東西高、中間低”的分布規(guī)律，低值主要分布在云周街道和陶山鎮(zhèn)等飛云江流域中部平原區(qū)(圖2)。

4 探 討

通過(guò)以上分析，對(duì)研究區(qū)耕作層土壤9種主要養(yǎng)分元素有效態(tài)含量的空間變異特征和分布規(guī)律有了一定了解，但是對(duì)其來(lái)源、影響因素及影響程度尚缺乏具體認(rèn)識(shí)。

皮爾遜相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，研究區(qū)9種主要養(yǎng)分元素有效態(tài)之間存在一定的相關(guān)性(表4)。堿解氮與有效鐵之間呈正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.561，速效鉀與有效硼之間相關(guān)系數(shù)為0.632，有效鉬與有效銅、有效鋅之間相關(guān)系數(shù)分別為0.426和0.447，有效銅和有效鋅之間相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.825，且顯著系數(shù)P<0.01，說(shuō)明這些元素有效態(tài)之間正相關(guān)性顯著，指示研究區(qū)耕作層中這些元素有效態(tài)含量控制因素相似。

表4 研究區(qū)耕作層9種養(yǎng)分元素有效態(tài)相關(guān)系數(shù)

圖2 研究區(qū)耕作層9種養(yǎng)分元素有效態(tài)含量空間分布趨勢(shì)Fig.2 Spatial distribution trend of available contents of 9 nutritive elements in tillage layer in the study area

圖3 研究區(qū)各種成土母質(zhì)、土壤類型、利用現(xiàn)狀及海拔高度條件下9種養(yǎng)分元素有效態(tài)含量箱狀圖Fig.3 Box diagrams of available contents of 9 nutritive elements under the conditions of different soil parent materials，soil types，utilization status and altitude in the study area

土壤理化性質(zhì)是影響土壤元素有效態(tài)含量的主要因素。如表3所示，土壤全鹽量與速效鉀、有效硼之間呈顯著正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.466和0.314，CEC和速效鉀、有效硼之間相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.476和0.694，pH和速效鉀、有效硼之間呈顯著正相關(guān)性，說(shuō)明在研究區(qū)含鹽量較高、陽(yáng)離子較活躍的中性或是弱堿性土壤環(huán)境有利于速效鉀和有效硼富集；pH與堿解氮、有效鐵之間呈顯著負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為-0.483和-0.501，說(shuō)明在特定條件下，相對(duì)酸性土壤環(huán)境有利于堿解氮和有效鐵的富集；而有機(jī)質(zhì)往往相反，其與堿解氮和有效鐵之間呈明顯正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.721和0.556，說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)越豐富，越有利于堿解氮和有效鐵的富集，這一結(jié)果與已有研究結(jié)論基本吻合[23-24]。

通過(guò)主成分分析法可以最大可能保留原始數(shù)據(jù)信息，在復(fù)雜的變量中概括出變量之間的關(guān)系[25]。對(duì)研究區(qū)耕作層土壤9種養(yǎng)分元素有效態(tài)進(jìn)行主成分分析，可以概括出4個(gè)主要成分(表5)，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到75.18%，可以較好反映原始數(shù)據(jù)大部分信息。

表5 研究區(qū)耕作層9種養(yǎng)分元素有效態(tài)主成分分析結(jié)果

成分載荷矩陣可以更直觀地反映出研究區(qū)耕作層土壤9種養(yǎng)分元素有效態(tài)之間包含的信息。從4個(gè)主成分中可以提取出如下因子組合特征(表6)：F1(速效鉀-有效鉬-有效硼-有效銅-有效鋅)，F(xiàn)2(堿解氮-有效鐵)，F(xiàn)3(速效鉀-有效硼)，F(xiàn)4(有效磷-|有效錳|)，表明土壤中速效鉀、有效鉬、有效硼、有效銅和有效鋅部分同源，其中有效硼和速效鉀高度同源，堿解氮和有效鐵亦基本同源，這一分析結(jié)果基本上和相關(guān)性分析結(jié)果一致。

成土母質(zhì)、土壤類型、土地利用現(xiàn)狀以及海拔高度分別是影響研究區(qū)耕作層土壤養(yǎng)分元素有效態(tài)含量的重要因素(圖3)。其中堿解氮、有效鐵和有效磷在不同成土母質(zhì)土壤中含量相差不大，值域變化范圍基本一致，均值相差不明顯；速效鉀、有效硼、有效鉬、有效銅和有效鋅含量相差較大，其中母質(zhì)為第四紀(jì)沉積物土壤中的有效硼、速效鉀、有效銅和有效鋅均值明顯高于沉積巖風(fēng)化物和火成巖風(fēng)化物土壤，且極值多數(shù)出現(xiàn)在第四紀(jì)沉積物土壤中。從土壤類型看，堿解氮和有效磷在不同土壤類型中含量差別相對(duì)較小，水稻土和紅壤中堿解氮、有效鐵含量較高，潮土中有效銅和有效鋅含量遠(yuǎn)高于其他土壤。不同土地利用方式更能客觀反映人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)土壤中元素有效態(tài)的影響，一般來(lái)說(shuō)水田受人類活動(dòng)影響要遠(yuǎn)大于旱地，從圖2可以明顯看出，水田中堿解氮、速效鉀、有效硼、有效銅和有效鋅平均含量要高于旱地，而旱地中有效鉬含量均值高于水田，有效錳和有效磷則基本一致；對(duì)比不同海拔高度土壤中養(yǎng)分元素有效態(tài)含量可以發(fā)現(xiàn)地形地貌因素對(duì)于堿解氮、速效鉀影響較小，而其他幾種養(yǎng)分元素有效態(tài)含量基本上呈現(xiàn)隨著海拔增加而減少的規(guī)律。

表6 研究區(qū)耕作層9種元素有效態(tài)主成分分析旋轉(zhuǎn)后成分載荷矩陣

5 結(jié) 論

(1)研究區(qū)耕作層土壤有效磷、有效銅和有效鋅在剔除3倍離差前變異系數(shù)都大于1.0，屬于強(qiáng)分異，有效錳和有效硼屬于較強(qiáng)分異，堿解氮、速效鉀和有效鉬屬于弱分異，有效鐵屬于均勻分布。剔除3倍離差后變異系數(shù)從大到小排列依次為有效磷>有效錳>有效鋅>有效硼>速效鉀>有效銅>有效鉬>堿解氮>有效鐵。

(2)堿解氮、速效鉀、有效鋅和有效錳的最佳擬合模型為指數(shù)模型，有效鉬、有效硼和有效銅的最佳擬合模型為高斯模型，有效磷和有效鐵的最佳指數(shù)模型為球狀模型。對(duì)應(yīng)空間相關(guān)性為強(qiáng)相關(guān)性：有效錳和有效鐵；中等相關(guān)性：堿解氮、速效鉀、有效磷、有效鉬、有效銅和有效鋅；弱相關(guān)性：有效硼。

(3)空間分布規(guī)律：堿解氮和有效鐵為西高東低；速效鉀、有效硼、有效鉬、有效銅和有效鋅為西低東高；有效磷為東西高、中間低，有效鐵分布均勻。豐缺狀況：中西部土壤有效硼含量較缺乏，東部堿解氮較缺乏，中部有效磷較缺乏，其他地區(qū)土壤9種養(yǎng)分元素有效態(tài)含量都達(dá)到中等標(biāo)準(zhǔn)以上。

(4)中性或是弱堿性、含鹽量較高且陽(yáng)離子較活躍的土壤環(huán)境有利于速效鉀和有效硼富集，酸性或弱酸性和有機(jī)質(zhì)含量較高的土壤有利于堿解氮和有效鐵富集。速效鉀、有效鉬、有效硼、有效銅和有效鋅主要受成土母質(zhì)、土壤類型以及地形地貌等結(jié)構(gòu)性因素和施肥、耕作等隨機(jī)性因素的雙重影響；堿解氮、有效鐵、有效磷和有效錳主要受成土母質(zhì)、土壤類型以及地形地貌等結(jié)構(gòu)性因素的影響。