喀斯特地區(qū)煙田土壤養(yǎng)分的空間變異特征

臘貴曉，顧懷勝，劉國(guó)順，李祖良，翟 欣

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院 國(guó)家煙草栽培生理生化研究基地，鄭州450002；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 經(jīng)濟(jì)作物研究所，鄭州450002；3.貴州省煙草公司畢節(jié)地區(qū)公司，貴州 畢節(jié)551700）

土壤是一個(gè)不均一和變化的連續(xù)體［1］，受氣候、母質(zhì)、植被覆蓋、地形等自然因素、人為作用和過(guò)程控制，具有高度的復(fù)雜性和空間變異性［2－3］。土壤肥力是土壤最重要的生態(tài)功能之一，對(duì)土壤肥力尤其是土壤養(yǎng)分空間變異的充分了解，是土壤精準(zhǔn)施肥和養(yǎng)分分區(qū)管理的基礎(chǔ)［4－5］。喀斯特地貌是地球上最脆弱的生態(tài)系統(tǒng)之一，廣泛分布于我國(guó)西南部，該地區(qū)人地矛盾突出、生存環(huán)境惡劣，尤其是不合理的農(nóng)業(yè)活動(dòng)造成該地區(qū)水土流失嚴(yán)重，石漠化程度加?。?－7］。對(duì)于喀斯特脆弱生態(tài)地區(qū)，土壤養(yǎng)分含量的高低和時(shí)空變分布狀態(tài)直接關(guān)系到該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境重建的途徑和方向。同時(shí)，因經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展條件限制，喀斯特地區(qū)也是我國(guó)重要的烤煙種植區(qū)，烤煙種植是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民重要的經(jīng)濟(jì)收入來(lái)源［8］。因此，揭示喀斯特地區(qū)煙田土壤養(yǎng)分空間變異特征，成為影響喀斯特地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展、農(nóng)業(yè)面源污染控制、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及恢復(fù)的關(guān)鍵［9］。

地統(tǒng)計(jì)學(xué)是定量分析土壤性質(zhì)的空間分布、空間變異尺度等空間變異特性的有效方法；而地理信息系統(tǒng)（GIS）可以有效的解決土壤性質(zhì)的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，因此，兩者結(jié)合彌補(bǔ)了以概率論為基礎(chǔ)的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析方法在結(jié)構(gòu)和過(guò)程分析方面的不足，能夠有效地解釋養(yǎng)分的空間分布格局對(duì)生態(tài)過(guò)程和功能的影響［10］。利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS相結(jié)合的方法是當(dāng)前揭示土壤屬性變量在空間的分布、變異的最有效的方法之一。近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用這種方法對(duì)喀斯特地區(qū)的石漠化分布、土地利用方式、土壤礦物質(zhì)、土壤水分等空間變異特征進(jìn)行了大量的研究［11－14］，但是利用這種方法對(duì)喀斯特地區(qū)煙田土壤養(yǎng)分空間變異的研究還未見(jiàn)報(bào)道。為此，本文以我國(guó)典型的喀斯特地區(qū)—貴州省畢節(jié)地區(qū)為例，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS相結(jié)合的方法分析了煙田土壤養(yǎng)分的空間分布特征，揭示該地區(qū)土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律，旨在幫助人們了解煙田土壤養(yǎng)分的含量狀況及人為活動(dòng)對(duì)其空間變異的影響，為喀斯特地區(qū)煙田的科學(xué)施肥及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，還可為其它類似地區(qū)提供一定的借鑒作用。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

畢節(jié)地區(qū)位于貴州省西北部，地處東經(jīng)103°36′—106°43′、北緯26°21′—27°46′，屬低緯高海拔山區(qū)，是我國(guó)典型的喀斯特地區(qū)。境內(nèi)土壤類型主要為黃壤、黃棕壤、石灰土和紫色土，分別占耕地面積的36.42%，26.78%，13.88%和12.39%。其它有棕壤、沼澤土、潮土、粗骨土等。境內(nèi)海拔落差較大（457～2 500m），地勢(shì)西高東低；大部分地區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候，立體氣候明顯。夏無(wú)酷暑，冬無(wú)嚴(yán)寒，各地多年平均日照時(shí)數(shù)1 101.8～1 780.2h，年平均氣溫10.5～15.0℃，有效積溫2 544.6～4 617.1℃；雨量充沛，年平均降水量848.6～1 394.4mm，月變率大，70%左右的降水量集中在5—9月；無(wú)霜期205～297 d。烤煙種植面積每年保持在30 000hm2，生產(chǎn)、加工煙葉9 000～10 000萬(wàn)kg。所產(chǎn)煙葉顏色以正黃、金黃為主，光澤較強(qiáng)，葉片結(jié)構(gòu)多稍疏，油分較多。煙葉香型較齊全，以中間香型為代表，有一定比例的中偏清、中偏濃、清香型和濃香型，香氣質(zhì)好、量足，余味舒適干凈，勁頭適中，燃燒性良好。

1.2 土壤樣品采集

采樣在畢節(jié)地區(qū)的織金、黔西、納雍、金沙、赫章、大方、畢節(jié)市和威寧縣等8個(gè)烤煙種植縣（市）進(jìn)行。為盡量避免施肥對(duì)土樣的影響，統(tǒng)一在烤煙收獲后進(jìn)行取樣。原則上，每5km2采集1個(gè)混合土樣，根據(jù)采樣地塊的地勢(shì)、形狀與大小確定采樣路線，一般采用對(duì)角線與棋盤(pán)法，樣品采集深度為0—20cm，每個(gè)采樣地塊取8～10個(gè)樣點(diǎn)土壤混合為一個(gè)土樣，根據(jù)差分GPS定位后，采用人工土鉆鉆取，共采集298個(gè)土壤樣品。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、磨碎、過(guò)篩后待測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法［15］

土壤pH值采用pH計(jì)法測(cè)定（水土質(zhì)量比為2.5∶1）；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀—外加熱法測(cè)定；全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定；全磷采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀含量采用NaOH熔融—火焰光度法測(cè)定；堿解氮含量采用堿解—擴(kuò)散法測(cè)定；速效磷含量采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀含量采用NH4AC浸提—火焰光度法測(cè)定。

1.4 研究方法

式中：γ（h）——半方差函數(shù)值；h——樣本間距；N（h）——以h為間距的點(diǎn)對(duì)總數(shù)；Z（xi）——變量Z在xi處的實(shí)測(cè)值；Z（xi＋h）——與xi間距為h處樣點(diǎn)的值。本研究中半方差函數(shù)的擬合主要采用球狀模型、指數(shù)模型和線性模型，其公式如下：

（1）球狀模型 （Spherical model）

半方差函數(shù)，也稱半變異函數(shù)，能夠同時(shí)描述區(qū)域化變量的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性，是地統(tǒng)計(jì)學(xué)解釋土壤空間變異結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，它的精確估計(jì)是空間內(nèi)插成功與否的關(guān)鍵，其公式為［10，16－17］：

（2）指數(shù)模型 （Exponential model）

（3）線性模型 （Liner model）

上述模型公式中，參數(shù)C0為塊金值（nugget），是由實(shí)驗(yàn)誤差、施肥習(xí)慣、施肥種類、管理水平等隨機(jī)因素引起的變異；C為結(jié)構(gòu)方差，是由土壤母質(zhì)、地形地貌、氣候等非人為的區(qū)域因素（空間自相關(guān)部分）引起的變異；C0＋C為基臺(tái)值（still），是半方差函數(shù)達(dá)到的極限值，表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異；塊金值／基臺(tái)值表示隨機(jī)部分引起的空間變異占系統(tǒng)總變異的比例，該比值＜25%，表明結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異起主要作用；該比值在25%～75%范圍內(nèi)，表明結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同起主要作用；該比值＞75%，則說(shuō)明隨機(jī)部分在引起空間異質(zhì)性中起主要作用。a為變程（range），表示采樣數(shù)據(jù)在空間上存在相關(guān)性的尺度；間距小于變程的樣點(diǎn)之間是存在空間相關(guān)性，而間距大于變程的樣點(diǎn)間則是相互獨(dú)立的。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)的異常值檢驗(yàn)，采用樣本平均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)識(shí)別異常值，分別以樣品正常值的最大值、最小值對(duì)數(shù)據(jù)的異常值進(jìn)行替換處理。采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 16.0中K—S方法對(duì)土壤養(yǎng)分因子含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析及正態(tài)分布檢驗(yàn)，得出平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、偏度、峰度等統(tǒng)計(jì)信息。利用GS＋5.1進(jìn)行半方差函數(shù)最佳模型擬合。利用ArcGIS 9.1軟件的普通克里格法（Kriging）對(duì)土壤養(yǎng)分各指標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)、無(wú)偏Kriging插值，得到土壤養(yǎng)分各指標(biāo)的空間變異圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 畢節(jié)地區(qū)煙田土壤養(yǎng)分各指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)

由表1可以看出，研究區(qū)內(nèi)煙田土壤養(yǎng)分各指標(biāo)變異系數(shù)分布在11.55%～62.81%，其中土壤pH值的變異程度很小，變異系數(shù)僅為11.55%，全氮、全磷、全鉀、速效鉀和有機(jī)質(zhì)的變異系數(shù)較接近，均為24%～45%，而堿解氮、速效磷的變異程度較大，變異系數(shù)分別為62.55%和62.81%。根據(jù)變異系數(shù)（CV）大小分級(jí)［18］，即CV＜10%時(shí)為弱變異性，10%＜CV＜100%時(shí)為中等變異性，CV＞100%時(shí)為強(qiáng)變異性，研究區(qū)煙田土壤養(yǎng)分各指標(biāo)均屬于中等變異程度。峰度和偏度是描述數(shù)據(jù)正態(tài)分布程度的參數(shù)，兩者越接近0，表示數(shù)據(jù)越服從正態(tài)分布。由表1可知，除pH偏度和峰度值為負(fù)數(shù)外，其它養(yǎng)分指標(biāo)的偏度和峰度都大于0，其中堿解氮的偏度和峰度值都大于1，速效磷的偏度值大于1，峰度接近1。根據(jù)SPSS 16.0的K—S檢驗(yàn)可知，煙田土壤全氮、速效鉀和pH數(shù)據(jù)分布符合正態(tài)分布，其它養(yǎng)分指標(biāo)數(shù)據(jù)分布符合對(duì)數(shù)分布。

表1 畢節(jié)地區(qū)煙田土壤養(yǎng)分的描述統(tǒng)計(jì)分析

2.2 畢節(jié)地區(qū)煙田土壤養(yǎng)分的空間結(jié)構(gòu)特性

半方差圖可以直觀的反映所關(guān)注變量空間自相關(guān)的尺度范圍。如果變量在采樣尺度內(nèi)具有空間自相關(guān)性，半方差函數(shù)值會(huì)隨著滯后距的增加而增加，但當(dāng)滯后距超過(guò)變程后，半方差函數(shù)值會(huì)逐漸趨近于基臺(tái)值或者在基臺(tái)值附近波動(dòng)［19］。圖1為研究區(qū)煙田土壤養(yǎng)分的半方差圖。由圖1和表2可知，煙田土壤全氮、全鉀、速效磷的最適模型是球狀模型，全磷和速效鉀的最適模型是線性模型，堿解氮、pH和有機(jī)質(zhì)的最適模型為指數(shù)模型；其中全氮、全磷、全鉀、速效鉀和pH的擬合效果最理想，擬合系數(shù)分別為0.954，0.815，0.842、0.934和0.833，有機(jī)質(zhì)的擬合效果次之，為0.635，堿解氮和速效磷的擬合效果最差。研究區(qū)內(nèi)煙田各土壤養(yǎng)分指標(biāo)的塊金值（C0）均為正值，說(shuō)明存在著一定的采樣、試驗(yàn)誤差；其中速效鉀的塊金值最大，其它養(yǎng)分指標(biāo)的塊金值都在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。塊金值／基臺(tái)值，即C0／（C0＋C）表示隨機(jī)部分引起的空間變異占系統(tǒng)總變異的比例。由表2可知，煙田土壤速效磷的C0／（C0＋C）為23.733%，小于25%，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，表明隨機(jī)因素對(duì)速效磷的空間分布的貢獻(xiàn)率較小，其空間分布主要受結(jié)構(gòu)性因素的影響，受人為活動(dòng)等隨機(jī)因素的影響比較?。欢?、全磷、全鉀、堿解氮、速效鉀、pH和有機(jī)質(zhì)的C0／（C0＋C）為25%～75%，表現(xiàn)為中等空間相關(guān)性，說(shuō)明研究區(qū)煙田上述土壤養(yǎng)分指標(biāo)的空間分布受隨機(jī)性因素和結(jié)構(gòu)性因素共同影響。結(jié)構(gòu)性因素主要包括土壤類型、氣候、地形地貌、水文條件等可以導(dǎo)致土壤養(yǎng)分強(qiáng)的空間相關(guān)性的自然因素；隨機(jī)性因素主要包括施肥、耕作措施、工業(yè)污染等使土壤養(yǎng)分向均一化方向發(fā)展的因素。變程反映空間相關(guān)性的最大距離，在變程范圍內(nèi)，變量之間具有空間相關(guān)性，當(dāng)距離超過(guò)變量時(shí)，認(rèn)為變量是相互獨(dú)立的。由表2可知，研究區(qū)煙田土壤全氮、全磷、全鉀和速效鉀的變程為98～156km，具有較好的空間相關(guān)連續(xù)性，而堿解氮、速效磷、pH和有機(jī)質(zhì)的變程為11～60km，在中等范圍內(nèi)具有空間相關(guān)性。

圖1 畢節(jié)地區(qū)煙田土壤養(yǎng)分的半方差

表2 畢節(jié)地區(qū)煙田土壤養(yǎng)分半方差函數(shù)的理論模型及參數(shù)

2.3 畢節(jié)地區(qū)煙田土壤養(yǎng)分的空間分布特征

為更深刻、全面和直觀地反映土壤養(yǎng)分在空間上的分布特征，在GS＋建立半方差函數(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用ArcGIS 9.1軟件對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行Kriging插值，繪制出畢節(jié)地區(qū)煙田土壤養(yǎng)分含量的空間分布圖，詳見(jiàn)圖2。

圖2 畢節(jié)地區(qū)煙田土壤養(yǎng)分的空間分布

由插值圖可知，研究區(qū)域內(nèi)煙田土壤全氮、全鉀、速效磷和速效鉀含量呈現(xiàn)出連續(xù)分布的特點(diǎn)，全氮總體上呈現(xiàn)從中部向兩邊增加的趨勢(shì)，高值區(qū)分布在區(qū)域的東北角和東南角，最低值分布在東部；全鉀總體呈現(xiàn)從北部向南部增加的趨勢(shì)；速效磷總體呈現(xiàn)從東部向西部增加的趨勢(shì)，高值出現(xiàn)在西部；速效鉀總體呈現(xiàn)出從中部向東部減少和從南向北減少的趨勢(shì)；而土壤全磷、堿解氮、pH和有機(jī)質(zhì)存在著明顯的方向不均勻性，有多個(gè)高值中心?？λ固氐貐^(qū)土壤造壤能力差，土層淺薄且不連續(xù)，巖石裸露率高，使區(qū)域內(nèi)很小的范圍內(nèi)就有可能形成大量不同的微環(huán)境［9，10－12］。全氮、堿解氮和pH高值地區(qū)都是經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較好的地區(qū)，在這些地區(qū)采礦業(yè)較發(fā)達(dá)，全氮、堿解氮和pH高可能與當(dāng)?shù)貙?duì)土地的利用有關(guān)；全磷、速效磷、速效鉀的高值出現(xiàn)在立地因子（裸巖率、坡度和土層厚度）較高的位置，這和劉璐等［13］的研究結(jié)果一致；全鉀、有機(jī)質(zhì)的高值出現(xiàn)在低海拔的地方，這可能與低海拔地區(qū)淋溶比高海拔嚴(yán)重有關(guān)。喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分變異影響因子比較復(fù)雜，除受土地利用方式、立地因子影響外，當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況對(duì)土壤養(yǎng)分因子的影響也比較大，具體的影響機(jī)制需要進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

研究表明，地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS相結(jié)合的方法較好的反映了我國(guó)典型喀斯特地區(qū)——畢節(jié)地區(qū)煙田土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律。半方差函數(shù)分析表明，畢節(jié)地區(qū)煙田土壤全氮、全鉀、速效磷的最適模型是球狀模型，全磷和速效鉀的最適模型是線性模型，堿解氮、pH和有機(jī)質(zhì)的最適模型為指數(shù)模型；土壤速效磷表現(xiàn)為強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，主要受結(jié)構(gòu)性因素（土壤類型、氣候、地形地貌、水文條件等）的影響，受人為活動(dòng)等隨機(jī)因素的影響比較??；而土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效鉀、pH和有機(jī)質(zhì)，表現(xiàn)為中等空間相關(guān)性，受結(jié)構(gòu)性因素（土壤類型、氣候、地形地貌、水文條件等）和隨機(jī)性因素（施肥、耕作措施、工業(yè)污染等人為因素）共同影響。土壤養(yǎng)分空間分布圖表明，畢節(jié)地區(qū)煙田土壤全氮、全鉀、速效磷和速效鉀含量分布呈現(xiàn)空間連續(xù)分布的特點(diǎn)，而全磷、堿解氮、pH和有機(jī)質(zhì)分布沒(méi)有明顯的空間分布規(guī)律。喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱，強(qiáng)烈的人為因素會(huì)導(dǎo)致土壤空間結(jié)構(gòu)的顯著變化，進(jìn)而加劇該地區(qū)的水土流失、石漠化等生態(tài)系統(tǒng)的退化，因此，在喀斯特地區(qū)從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)大力推廣保護(hù)性耕作和精準(zhǔn)施肥等措施，建立農(nóng)業(yè)生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和恢復(fù)。

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