江蘇北部縣域土壤有機(jī)質(zhì)空間變異特征

張忠啟，于法展，李保杰，吳金龍

（江蘇師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，江蘇 徐州221116）

土壤有機(jī)質(zhì)（soil or ganic matter，SOM）是土壤物質(zhì)重要組成成分之一，其含量大小及動(dòng)態(tài)平衡不僅反映土壤質(zhì)量和健康狀況，直接制約著土壤肥力水平和作物產(chǎn)量的高低［1－2］，而且是評(píng)價(jià)區(qū)域土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量及時(shí)空演變的重要指標(biāo)，準(zhǔn)確掌握其空間分布特征可以為制定高效農(nóng)業(yè)和環(huán)境管理措施提供依據(jù)［3－4］。由于復(fù)雜的成土過(guò)程及日益增強(qiáng)的人類(lèi)活動(dòng)影響，土壤有機(jī)質(zhì)通常呈現(xiàn)出較強(qiáng)的空間變異性［4］。為較好的把握土壤有機(jī)質(zhì)空間變異特征，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者在不同區(qū)域開(kāi)展了研究［5－7］。其中，江蘇省作為全國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且人地矛盾突出的地區(qū)，土壤學(xué)相關(guān)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(jì)80年代張家騏等利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)江蘇南部土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布特征及與其他土壤屬性之間的關(guān)系開(kāi)展研究［8］。隨著地理信息系統(tǒng)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的發(fā)展，土壤有機(jī)質(zhì)研究逐漸深入，曹慧等利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了江蘇南部太湖丘陵地區(qū)高強(qiáng)度開(kāi)發(fā)背景條件下土壤肥力質(zhì)量的空間變異特點(diǎn)，并指出土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量有重要影響［9］。孫瑞娟通過(guò)對(duì)2000年與第二次土壤普查（1979—1982年）相對(duì)應(yīng)地塊土壤性狀的比較，對(duì)太湖流域的常熟等縣市的土壤肥力變化趨勢(shì)及原因進(jìn)行了分析，指出近20 a來(lái)土壤有機(jī)質(zhì)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(diǎn)數(shù)據(jù)，得出張家港市的水稻土的有機(jī)質(zhì)年平均增加速率為2．15 g／kg［11］。從已有的研究來(lái)看，對(duì)蘇南地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)開(kāi)展研究很多，而蘇北地區(qū)的相關(guān)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(chǎn)地，該地區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)等肥力指標(biāo)的研究對(duì)全省的糧食生產(chǎn)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(diǎn)為基礎(chǔ)，研究其土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布特征，為該地區(qū)的農(nóng)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(jīng) 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(guò)，北與山東省魚(yú)臺(tái)縣毗鄰，總面積約1 291 k m2。該縣屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，四季分明，氣候溫和，年日照時(shí)數(shù)和無(wú)霜期均較長(zhǎng)，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(shì)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(zhì)發(fā)育而成，主要分為沙土、兩合土、淤土和輕鹽堿土四大類(lèi)，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(lèi)。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(nóng)作物收割后，在全縣范圍內(nèi)采用正方形網(wǎng)格布點(diǎn)采樣，網(wǎng)格大小為2 k m×2 k m，在每個(gè)網(wǎng)格中心位置附近約30 m的范圍內(nèi)取5個(gè)土壤樣品，充分混合后取500 g為1個(gè)混合樣品，共計(jì)采集342個(gè)，采樣點(diǎn)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(lèi)型，其樣點(diǎn)數(shù)量分別為59，200，59和6個(gè)（圖1）。所有樣品均采自耕層（0—20 c m），采樣時(shí)用GPS記錄每個(gè)樣點(diǎn)的經(jīng)緯度，并描述各樣點(diǎn)的土地利用、土壤類(lèi)型和成土母質(zhì)等相關(guān)信息。土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀（K2Cr2O7）氧化—滴定法測(cè)定［13］。

1．3 地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法及數(shù)據(jù)處理軟件

傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)將土壤屬性假定為隨機(jī)變量，忽略了其空間特性。而地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法則將土壤屬性視為區(qū)域化變量，以半方差函數(shù)為基本工具，對(duì)既具有隨機(jī)性又具有結(jié)構(gòu)性的土壤屬性在空間上的分布進(jìn)行研究。普通克里格是基于區(qū)域化變量理論，通過(guò)空間相關(guān)的隨機(jī)函數(shù)模型計(jì)算可獲取變量的線(xiàn)性加權(quán)組合，從而對(duì)待估點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)［3，14］，其估計(jì)公式為：

式中：Z＊（x0）——待估點(diǎn)x0處的估計(jì)值；z（x）——實(shí)測(cè)值；λi——分配給每個(gè)實(shí)測(cè)值的權(quán)重 ＝1；n——參與x0點(diǎn)估值的實(shí)測(cè)值的數(shù)目。

土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 13．0，半方差函數(shù)及理論模型擬合利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)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(diǎn)分布

2 結(jié)果與分析

2．1 土壤有機(jī)質(zhì)的統(tǒng)計(jì)分析

所有采樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)含量的統(tǒng)計(jì)分布及特征值如表1所示。由表1可知，所有樣點(diǎn)的土壤有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)含量的均值為20．10 g／kg，按第二次土壤普查的養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，屬于中等（20～30 g／kg）偏低水平，低于蘇南地區(qū)和全國(guó)的平均含量［11，15］。有機(jī)質(zhì)含量的標(biāo)準(zhǔn)差為8．40 g／kg，變異系數(shù)為0．42，屬中等變異程度。而從四種土壤類(lèi)型來(lái)看，沙土的有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)的地統(tǒng)計(jì)分析

土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)的半方差函數(shù)擬合模型及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。最優(yōu)理論擬合模型為球狀模型，其決定系數(shù)為0．939，說(shuō)明理論模型能較好地反映該地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)特征。C0和Sill分別表示塊金值和基臺(tái)值，而塊基比值C0／Sill表示由隨機(jī)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(shuō)明由隨機(jī)部分引起的空間變異性程度較大；相反，則由空間自相關(guān)部分引起的空間變異性程度較大。通常來(lái)講，C0／Sill小于0．25，說(shuō)明區(qū)域化變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；C0／Sill在0．25～0．75，其空間相關(guān)性為中等；C0／Sill大于0．75，則變量空間相關(guān)性很弱。從本研究的塊基比值來(lái)看，沛縣土壤有機(jī)質(zhì)具有中等程度的空間自相關(guān)性。該理論模型的變程說(shuō)明其自相關(guān)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(diǎn)間距（2 000 m）完全能滿(mǎn)足土壤有機(jī)質(zhì)空間變異的需要。

表1 沛縣各土壤類(lèi)型有機(jī)質(zhì)含量的描述統(tǒng)計(jì)

表2 沛縣土壤有機(jī)質(zhì)含量半方差函數(shù)擬合模型及參數(shù)

2．3 土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布特征

通過(guò)地統(tǒng)計(jì)學(xué)克里格方法得到的沛縣土壤有機(jī)質(zhì)空間分布如圖2所示。圖2表明，該縣土壤有機(jī)質(zhì)在空間上具有較強(qiáng)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(guò)30．0 g／kg，越往西南方向有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少，西南部局部地區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量不足12．0 g／kg。這與沛縣的土壤類(lèi)型與土地利用方式有重要關(guān)系，由于沛縣東臨微山湖，該地區(qū)土壤母質(zhì)多為微山湖湖相沉積，質(zhì)地較細(xì)，比較粘重，土壤類(lèi)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(lái)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(shù)，如秸稈粉碎還田、高留茬還田、堆漚腐熟還田及家禽過(guò)腹還田等，農(nóng)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(jìn)入土壤后經(jīng)微生物分解轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)等有機(jī)質(zhì)，并利于有機(jī)質(zhì)的積累，所以該地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量較高。而西部有大沙河流過(guò)，黃泛沖積物為主要成土母質(zhì)，故土壤多為沙壤，中部多為壤質(zhì)，土壤肥力和灌溉條件相對(duì)較差，多為玉米／小麥輪作，該地區(qū)雖然進(jìn)行了秸稈還田技術(shù)的推廣，但由于旱地土壤的水分條件限制，秸稈進(jìn)入土壤后腐爛過(guò)程較慢，對(duì)作物種植及管理造成不便，故農(nóng)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(dǎo)致該地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低。

從各土壤有機(jī)質(zhì)含量等級(jí)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖3）來(lái)看，全縣土壤有機(jī)質(zhì)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(gè)等級(jí)，所占面積比例分別為33．9%，33．6%，23．3%；按照全國(guó)土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，全縣范圍內(nèi)的土壤有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)含量明顯偏低，對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成一定影響，同時(shí)也說(shuō)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(guò)程中要注重種養(yǎng)結(jié)合，堅(jiān)持在施用有機(jī)肥的基礎(chǔ)上優(yōu)化施肥結(jié)構(gòu)，同時(shí)改進(jìn)秸稈還田技術(shù)，改善旱作區(qū)的灌溉條件，培肥地力。從有機(jī)質(zhì)含量超過(guò)30．0 g／kg等級(jí)的比例來(lái)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(jī)質(zhì)含量達(dá)到豐富水平的面積較小，且與全國(guó)其他地區(qū)的水田土壤有機(jī)質(zhì)含量有較大差距［15］，對(duì)其水稻產(chǎn)量造成影響，仍需制定合理的管理和耕作措施來(lái)提高有機(jī)質(zhì)含量和土壤肥力，以提升當(dāng)?shù)氐募Z食產(chǎn)量。

圖2 沛縣土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布

圖3 不同土壤有機(jī)質(zhì)含量等級(jí)的面積比例

3 結(jié) 論

本研究利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和地理信息系統(tǒng)（GIS）相結(jié)合的方法分析了沛縣土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間變異特征，結(jié)果表明該縣土壤有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)含量的空間自相關(guān)程度為中等程度，自相關(guān)距離達(dá)到26 700 m；全縣范圍內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)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(lèi)型及土地利用的方式關(guān)系密切；從有機(jī)質(zhì)含量的等級(jí)分布看，該縣土壤有機(jī)質(zhì)含量水平為中等偏低，特別是中西部地區(qū)，土壤有機(jī)質(zhì)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。

［1］ Huang B，Sun W X，Zhao Y C，et al．Temporal and spatial variability of soil or ganic matter and total nitrogen in an agricultural ecosystem as affected by far ming practices［J］．Geoder ma，2007，139（3／4）：336－345．

［2］ 張忠啟，史學(xué)正，于東升，等．南方紅壤丘陵區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的空間預(yù)測(cè)研究［J］．生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30（19）：5338－5345．

［3］ Yu D S，Zhang Z Q，Shi X Z，et al．Effect of sampling density on detecting t he temporal evolution of soil organic carbon in hilly red soil region of South China［J］．Pedosphere，2011，21（2）：207－213．

［4］ Wissing L，K?lbl A，Vogelsang V，et al．Organic carbon accu mulation in a 2000－year chronosequence of paddy soil evolution［J］．Catena，2011，87（3）：376－385．

［5］ 邱建軍，王立剛，李虎，等．農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量對(duì)作物產(chǎn)量影響的模擬研究［J］．中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，42（1）：154－161．

［6］ 孔祥斌，張鳳榮，王茹，等．基于GIS的城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶土壤養(yǎng)分時(shí)空變化及格局分析：以北京市大興區(qū)為例［J］．生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23（11）：2210－2218．

［7］ 羅明，潘先章，孫波，等．江西余江縣土壤有機(jī)質(zhì)含量的時(shí)空變異規(guī)律研究［J］．土壤，2008，40（3）：403－406．

［8］ 章家琪，汪雅各，龐金華，等．土壤p H、有機(jī)質(zhì)和機(jī)械組成對(duì)背景值的影響［J］．上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，1989（2）：31－35．

［9］ 曹慧，楊浩，孫波，等．流域丘陵地區(qū)土壤養(yǎng)分的空間變異［J］．土壤，2002（4）：201－205．

［10］ 孫瑞娟，王德建，林靜慧．太湖流域土壤肥力演變及原因分析［J］．土壤，2006，8（1）：106－109．

［11］ Darilek J L，Huang B A，Wang Z G，et al．Changes in soil fertility parameters and t he envir on mental effects in a rapidly developing region of China［J］．Agricult ure Ecosystems＆Environ ment 2009，129（1／3）：286－292．

［12］ 江蘇沛縣土壤普查辦公室，沛縣土種志［M］．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1985：5－7．

［13］ 魯如坤．土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法［M］．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，2000：108－109．

［14］ 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）：3163－3172．

［15］ 吳樂(lè)知，蔡祖聰．中國(guó)土壤有機(jī)質(zhì)含量變異性與空間尺度的關(guān)系［J］．地球科學(xué)進(jìn)展，2006，21（9）：965－972．