海南省樂東縣橡膠園土壤養(yǎng)分的空間變異特征研究

高樂等

摘 要 通過GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法研究海南省樂東縣橡膠園土壤速效氮、磷和鉀含量的空間變異特征。結(jié)果表明：（1）土壤速效氮、磷、鉀具有強(qiáng)烈或中等程度的空間自相關(guān)性，相關(guān)距離變化范圍為1 623～61 100 m，塊金值/基臺(tái)值變化范圍為4.7%～49.97%；（2）0～20 cm和20～40 cm土層，速效氮、鉀養(yǎng)分第四、第五等級(jí)分布面積較廣，0～20 cm土層速效磷含量第四等級(jí)、20～40 cm土層速效磷含量第五等級(jí)分布較廣；（3）不同土壤類型上，速效氮、磷和鉀含量差異不顯著，地形地貌和成土母質(zhì)主要影響速效氮和速效鉀含量，而速效磷含量主要受人為管理措施的影響；（4）樂東縣膠園土壤速效氮、磷、鉀養(yǎng)分含量缺乏，空間結(jié)構(gòu)特征明顯，在縣級(jí)尺度進(jìn)行養(yǎng)分的宏觀分區(qū)管理切實(shí)可行。

關(guān)鍵詞 地統(tǒng)計(jì)學(xué)；GIS；速效氮；速效磷；速效鉀；空間變異

中圖分類號(hào) S151.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Abstract By the combinative method of GIS and geostatistics， the spatial variability characteristic and influencing factors of soil available nitrogen（AN）， available phosphorus（AP）and available potassium（AK）were studied in Ledong， Hainan. The result showed that：（1）AN， AP and AK contents had strong or moderate spatial dependence， the range of spatial dependence was between 1 623 m and 61 100 m， and the proportional range of C0/C0+C was between 4.7% and 49.97%；（2）The distribution area of AN and AK was wide in the 4th in and 5th grades， the 4th grade of AP in soil layer of 0-20 cm and the 5th grade in 20-40 cm soil layer were widely distributed；（3）The content of AN， AP and AK was not significantly different among different soil types； Landform and soil parent mainly influenced the content of AN and AK， but AP mainly being influenced by management measures；（4）The content of AN， AP and AK which had obvious spatial structure characteristics in rubber plantation in Ledong was lacking， so macro partition management of nutrient in county scale was practicable.

Key words Geostatistics； GIS； Soil available N； Soil available P； Soil available K； Spatial variability

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.11.003

了解土壤養(yǎng)分狀況是土壤管理的基礎(chǔ)。由于土壤是一個(gè)自然連續(xù)體，土壤屬性具有空間連續(xù)性和變異性特征，隨著20世紀(jì)60年代以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)的地統(tǒng)計(jì)分析方法和3S技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外眾多學(xué)者應(yīng)用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法對(duì)不同尺度或不同作物上土壤性質(zhì)的空間差異性進(jìn)行了大量研究[1-8]，但利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究橡膠園土壤養(yǎng)分空間變異的報(bào)道較少，僅池富旺等[9]、王博等[10]和林清火等[11]研究了田塊尺度或農(nóng)場尺度土壤養(yǎng)分的空間變異，楊昭君等[12]研究了縣域尺度的土壤鉀素的空間變異狀況。目前，海南省橡膠園土壤管理還是基于在20世紀(jì)90年代土壤肥力區(qū)化[13]，在大區(qū)域、大尺度上研究橡膠園土壤養(yǎng)分空間變異，從而進(jìn)行橡膠園合理土壤管理對(duì)海南省天然橡膠生產(chǎn)有著重要的意義。為了解縣域尺度的橡膠園土壤養(yǎng)分變異特征，本研究以海南省樂東縣橡膠園為研究對(duì)象，在縣域尺度加大采樣密度，分析了海南省樂東縣橡膠園土壤速效氮磷鉀的空間變異特征，以期為縣域尺度的膠園土壤養(yǎng)分管理奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

樂東縣地處東經(jīng)108°39′～109°24′，北緯18°24′～18°58′，東西長72 km，南北寬58 km，總面積2 747 km2。其中，山地占全縣面積的41%，丘陵盆地占36%，平原占23%，地勢西北高和東北高。土壤成土母巖和母質(zhì)有花崗巖（占59.50%）、砂頁巖（占21.3%）、安山巖（占1.1%）、海相沉積物（占14.6%）和近代河流沖積物（占3.5%）。氣候類型為熱帶季風(fēng)氣候，年平均溫度23～25 ℃，年降水量1 400～1 800 mm。全縣轄11個(gè)鎮(zhèn)，境內(nèi)有11個(gè)國有農(nóng)場，其中，橡膠主要分布在抱由鎮(zhèn)、萬沖鎮(zhèn)、大安鎮(zhèn)、志仲鎮(zhèn)、千家鎮(zhèn)和九所鎮(zhèn)等6個(gè)鎮(zhèn)和其中的國有農(nóng)場（圖1）。

1.2 土壤樣品采集與分析

土壤樣品采集于2012年8～10月，用GPS與海南省樂東縣行政矢量電子圖結(jié)合指導(dǎo)定位，采用網(wǎng)格采樣法進(jìn)行采樣，網(wǎng)格間距為800 m×800 m，每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)各采集15個(gè)點(diǎn)的膠園0～20 cm土層（Ⅰ）、20～40 cm土層（Ⅱ）土壤樣品，各土層土壤樣品充分混勻后作為1個(gè)混合樣品，總共獲取了2 637個(gè)網(wǎng)格的7 911個(gè)土壤樣品，并詳細(xì)記錄每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)中心采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后經(jīng)風(fēng)干、過篩后再進(jìn)行分析化驗(yàn)。速效氮-堿解蒸餾法、速效磷-鹽酸-氟化銨法、速效鉀-乙酸銨提取-火焰光度計(jì)[14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用spss11.0對(duì)土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計(jì)，涉及地統(tǒng)計(jì)學(xué)的主要包括半方差函數(shù)和Kriging插值。其中，半方差函數(shù)分析采用GS+version 9，空間插值采用Arcmap 9.3的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析模塊進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤速效氮、磷、鉀含量的統(tǒng)計(jì)特征值

對(duì)樂東縣膠園土壤0～20 cm土層、20～40 cm土層的土壤速效氮、磷、鉀含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，得到相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特征值（表1）。從表1可見，在0～20 cm土層，土壤速效氮、磷、鉀含量的分布范圍分別為10.9～154.9、0.7～131.0、4.00～154.88 mg/kg，平均值分別為59.13、7.49、51.38 mg/kg；在20～40 cm土層，土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量的分布范圍分別為1.5～150.5、0.1～110.3、8.00～110.84 mg/kg，平均值分別為50.78、5.31、46.67 mg/kg；速效磷含量在兩土層均屬強(qiáng)變異，變異系數(shù)分別為187%和181%，速效氮和速效鉀含量在兩土層均屬中等程度變異，變異系數(shù)介于43%～49%；除20～40 cm土層的土壤速效氮含量分布類型為平方根正態(tài)外，其余指標(biāo)均屬對(duì)數(shù)正態(tài)分布。以上描述性統(tǒng)計(jì)指標(biāo)值反映了樂東縣膠園土壤速效養(yǎng)分含量的差異，其可能是各地區(qū)差別化施肥管理措施造成的結(jié)果，也可能是土壤養(yǎng)分本底值差異造成的結(jié)果，而各養(yǎng)分指標(biāo)符合正態(tài)分布類型，則表明其可運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行養(yǎng)分差異原因的進(jìn)一步探索。

2.2 膠園土壤速效養(yǎng)分氮、磷、鉀的空間結(jié)構(gòu)分析

由圖2和表2 可知，在0～20 cm土層，膠園土壤速效氮各向同性半方差函數(shù)理論模型為指數(shù)模型、速效磷和速效氮的各向同性半方差函數(shù)理論模型均為球狀模型。在20～40 cm土層，速效氮的半方差函數(shù)理論模型為球狀模型，而速效磷和速效鉀的半方差函數(shù)理論模型為指數(shù)模型。

在0～20 cm土層，土壤速效氮、磷和鉀含量的變程，也即最大相關(guān)距離分別為3 360、1 623、3 072 m；在20～40 cm土層，土壤速效氮、磷和鉀含量的變程分別為61 100、57 230、2 223 m，即在兩土層速效養(yǎng)分觀測值對(duì)應(yīng)的最大相關(guān)距離內(nèi)，各觀測值之間存在空間相關(guān)性，反之，各觀測值之間相互獨(dú)立。土壤養(yǎng)分指標(biāo)半方差函數(shù)的塊金值與基臺(tái)值之比反映了養(yǎng)分指標(biāo)的空間變異性程度和空間變異來源，土壤速效磷含量在0～20 cm土層、20～40 cm土層空間相關(guān)性均為中等，表明自然因素和人為因素共同影響其空間分布特征，而土壤速效氮在0～20 cm土層、土壤速效鉀在兩土層其塊金值與基臺(tái)值之比均小于25%，表明其空間相關(guān)性較強(qiáng)、空間分布主要受自然因素影響，受人為因素影響較小，人為因素對(duì)樂東縣橡膠園速效養(yǎng)分空間變異的影響順序?yàn)樗傩Я?速效氮>速效鉀。另外，土壤速效氮、速效磷和速效鉀在0～20 cm土層、20～40 cm土層的半變異函數(shù)的決定系數(shù)和殘差也比較合理，說明實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃屠碚撃Ｐ拖嚓P(guān)性好，可以作為空間內(nèi)插值模型。

2.3 膠園土壤速效養(yǎng)分氮、磷、鉀的空間分布特征

根據(jù)GS+version 9中各養(yǎng)分指標(biāo)的半方差函數(shù)擬合參數(shù)，在ARCMAP 9.3的地統(tǒng)計(jì)學(xué)模塊中進(jìn)行Kriging插值、等級(jí)分類等，獲得膠園速效氮、磷和鉀含量在0～20 cm土層和20～40 cm土層的等級(jí)分布圖（圖3）。圖3表明，在0～20 cm土層，樂東縣膠園土壤速效氮基本上從東部向西部減小，東部主要為第四等級(jí)，而西部主要在第五等級(jí)，在南北方向，第五等級(jí)和第四等級(jí)交叉分布；在0～20 cm土層，膠園土壤速效磷基本上分布在第四等級(jí)，同時(shí)，各地區(qū)還零星分布有第五等級(jí)和第三等級(jí)；在0～20 cm土層，膠園土壤速效鉀從東向西、從北向南減小，在東部、北部主要為第四等級(jí)，而西部和南部主要為第五等級(jí)。在20～40 cm土層，膠園土壤速效氮東部主要為第四等級(jí)，其余地區(qū)主要為第五等級(jí)，另外，還零星分布有第六等級(jí)；在20～40 cm土層，膠園土壤速效磷第五等級(jí)分布面積較廣，另外，在東部和北部分布有第六等級(jí)，在西部分布有第四等級(jí)；在20～40 cm土層，膠園土壤速效鉀從東向西、從北向南減小。通過與第二次土壤普查資料的對(duì)比，樂東縣土壤速效氮、磷、鉀養(yǎng)分含量的變化方向與區(qū)域內(nèi)地形地貌和成土母質(zhì)等自然因素變化方向較相似，因此，有必要深入探討這些結(jié)構(gòu)性因素對(duì)樂東縣土壤速效氮、磷和鉀養(yǎng)分含量的影響。

2.4 膠園土壤速效養(yǎng)分氮、磷、鉀空間變異的影響因子分析

空間結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，0～20 cm土層土壤速效氮、鉀含量和20～40 cm土層土壤速效鉀含量的空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因子影響，而兩土層速效磷和20～40 cm土層速效氮含量受結(jié)構(gòu)性因子和隨機(jī)性因子共同影響。土壤速效氮、速效磷和速效鉀含量變化規(guī)律與區(qū)域內(nèi)地形、成土母質(zhì)等結(jié)構(gòu)性因子的分布有一定聯(lián)系，受人為因素影響較小，因此，本研究選擇土壤類型、地形、成土母質(zhì)等三因素，探討其對(duì)土壤速效氮、磷和鉀含量空間變異的影響。

2.4.1 土壤類型的影響 統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明（表3），在0～20 cm土層中，不同土壤類型之間速效氮、磷和鉀含量差異不顯著，而在20～40 cm土層中，不同土壤類型之間速效氮和鉀含量差異顯著，而速效磷含量差異不顯著。土壤類型對(duì)20～40 cm土壤速效氮、磷和鉀含量影響順序?yàn)樗傩У?速效鉀>速效磷。

2.4.2 地形地貌的影響 地形地貌通過改變水分在自然界的重新分配和分布，影響土壤速效氮、磷和鉀含量。統(tǒng)計(jì)分析表明（表4），0～20 cm土層，土壤速效氮和速效磷含量在緩坡地、中坡度丘陵和陡坡山地中差異不顯著，但速效鉀含量則表現(xiàn)為陡坡山地顯著高于緩坡地。在20～40 cm土層，陡坡山地速效氮含量極顯著高于緩坡地，但中坡度丘陵速效氮含量與緩坡地、陡坡山地差異不顯著；速效磷含量在緩坡地、中坡度丘陵和陡坡山地中差異不顯著，但速效鉀含量在緩坡地、中坡度丘陵和陡坡山地中差異極顯著。以上分析表明，區(qū)域內(nèi)地形地貌對(duì)膠園土壤速效氮、磷和鉀含量空間變異的影響程度為速效鉀>速效氮>速效磷。

2.4.3 成土母質(zhì)的影響 成土母質(zhì)影響土壤的物質(zhì)組成、風(fēng)化及淋溶等，從而影響著土壤速效氮、磷和鉀的積累與淋失。表5表明，樂東縣膠園的兩種主要成土母質(zhì)花崗巖和砂頁巖極顯著影響0～20 cm土層和20～40 cm土層土壤速效鉀含量的多少，且花崗巖發(fā)育土壤的速效鉀含量極顯著高于砂頁巖發(fā)育土壤的速效鉀含量。

另外，在20～40 cm土層，花崗巖發(fā)育土壤速效氮含量極顯著高于砂頁巖發(fā)育土壤速效氮含量，但各土層土壤速效磷含量在各成土母質(zhì)間差異不顯著。

以上分析表明，樂東縣橡膠園的主要成土母質(zhì)對(duì)膠園土壤速效氮、磷和鉀含量空間變異的影響程度為速效鉀>速效氮>速效磷。成土母質(zhì)影響土壤速效氮、速效鉀空間變異，尤其是影響速效鉀空間變異的重要因子。

3 討論與結(jié)論

史利江等[15]的研究結(jié)果表明，基于GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法能夠很好地研究和反映土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律。本研究結(jié)果表明，土壤速效氮和鉀含量中等程度變異，變異系數(shù)為43%～49%，但速效磷含量強(qiáng)變異，變異系數(shù)為181%～187%。3種養(yǎng)分要素在一定的范圍內(nèi)均存在空間相關(guān)性，速效磷和20～40 cm土層速效氮含量具有中等程度的空間自相關(guān)性，空間變異受結(jié)構(gòu)性因素和人為因素共同影響；速效鉀和0～20 cm土層速效氮含量具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素影響，受人為因素影響較小。3種養(yǎng)分的相關(guān)距離變化范圍為1 623～61 100 m，塊金值/基臺(tái)值變化范圍為4.7%～49.97%。

一般情況，土壤養(yǎng)分的空間變異特性主要受自然因素和人為因素驅(qū)動(dòng)，其中，土壤養(yǎng)分含量的均衡化發(fā)展主要受人為因素影響[3]。吳敏等[16-17]的研究結(jié)果表明，不同地形和母質(zhì)條件下，海南省膠園土壤速效氮、磷和鉀含量有一定差異。本研究結(jié)果表明樂東縣地形地貌和成土母質(zhì)對(duì)膠園土壤速效氮、磷和鉀含量空間變異的影響程度為速效鉀>速效氮>速效磷，速效磷含量在不同土壤類型、地形地貌和成土母質(zhì)上差異均不顯著。速效磷、速效氮含量的空間變異是結(jié)構(gòu)性因素和人為因素共同影響的結(jié)果，而速效鉀含量的空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素影響。因此，總體上看，樂東縣橡膠園的人為因素對(duì)速效養(yǎng)分空間變異的影響順序?yàn)樗傩Я?速效氮>速效鉀。

根據(jù)各養(yǎng)分指標(biāo)的半方差函數(shù)擬合參數(shù)，利用Kriging插值法進(jìn)行內(nèi)插，并結(jié)合養(yǎng)分的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)內(nèi)插結(jié)果進(jìn)行分級(jí)，所得的空間變異圖能很好地反映土壤養(yǎng)分的空間變異特征和豐缺狀況[3]。本研究結(jié)果表明，樂東縣膠園土壤速效氮、鉀含量第四、第五等級(jí)分布面積較廣，另外，速效氮含量第四等級(jí)多集中分布在東部地區(qū)，速效鉀含量第四等級(jí)在東部、北部地區(qū)分布較廣；0～20 cm土層速效磷含量第四等級(jí)、20～40 cm土層速效磷含量第五等級(jí)分布較廣。何向東等[13]1991年把樂東縣膠園土壤分為缺氮磷鉀鎂型、缺磷鎂富鉀型和缺磷型。而樂東縣橡膠園當(dāng)前土壤速效氮、速效磷和速效鉀普遍缺乏，大多數(shù)地區(qū)均在第四等級(jí)和第五等級(jí)，僅極少地區(qū)速效氮含量在第三等級(jí)，速效磷含量在第四或第五等級(jí)。由此可見，經(jīng)過多年植膠后，樂東縣膠園土壤養(yǎng)分狀況和20世紀(jì)90年代相比已經(jīng)產(chǎn)生了相當(dāng)?shù)淖兓?，多年施肥管理使樂東縣膠園土壤速效磷缺乏狀況仍然存在，且速效氮和速效鉀缺乏狀況有所加重，因此，有必要針對(duì)當(dāng)前膠園土壤的養(yǎng)分狀況制定新的施肥管理措施，從而達(dá)到培肥膠園土壤和增加天然橡膠產(chǎn)量的目的。

總之，樂東縣膠園土壤速效氮、磷、鉀養(yǎng)分含量缺乏，空間結(jié)構(gòu)特征明顯，在縣級(jí)尺度進(jìn)行養(yǎng)分的宏觀分區(qū)管理切實(shí)可行。

參考文獻(xiàn)

[1] Stenger R， Priesacka E， Beese F. Spatial variation of nitrate-N and related soil properties at the plotscale[J]. Geoderma， 2002， 105： 259-275.

[2] Wang Y Q， Zhang X C， Huang C Q. Spatial variability of soil total nitrogen and soil total phosphorus under different land uses in a small watershed on the Loess Plateau， China[J]. Geoderma， 2009， 150（1/2）： 141-149.

[3] 楊艷麗， 史學(xué)正， 于東升， 等. 區(qū)域尺度土壤養(yǎng)分空間變異及其影響因素研究[J]. 地理科學(xué)， 2008， 28（6）： 788-792.

[4] 李建輝， 李曉秀， 張汪壽， 等. 基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的北運(yùn)河下游土壤養(yǎng)分空間分布[J]. 地理科學(xué)， 2011， 08： 1 001-1 006.

[5] 龐 夙， 李廷軒， 王永東， 等. 土壤速效氮、 磷、 鉀含量空間變異特征及其影響因子[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)， 2009， 15（1）： 114-120.

[6] 孔慶波， 章明清， 姚寶全， 等. 福建縣級(jí)區(qū)域耕地土壤養(yǎng)分時(shí)空變異研究[J]. 熱帶作物學(xué)報(bào)， 2010， 31（10）： 1 686-1 690.

[7] 王 勇， 李廷軒， 邢小軍， 等. 不同尺度下中低山區(qū)植煙土壤氯素空間變異性研究[J]. 中國煙草科學(xué)， 2008， （29）4： 18-24.

[8] 張秋菊， 江厚龍， 劉國順， 等. 植煙土壤養(yǎng)分的空間變異性研究[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011， 45（1）： 116-122.

[9] 池富旺， 張培松， 羅 微， 等. 中大尺度下橡膠園土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量的空間分布特征[J]. 熱帶作物學(xué)報(bào)， 2009， 30（5）： 613-619.

[10] 王 博， 張培松， 林清火， 等. 國營陽江農(nóng)場橡膠園土壤有機(jī)質(zhì)與全氮時(shí)空變異分析[J]. 熱帶作物學(xué)報(bào)， 2009， 30（9）： 1 280-1 284.

[11] 林清火， 林釗沐， 貝美容， 等. 橡膠園土壤肥力指標(biāo)的小尺度空間變異Ⅰ： 0～20 cm土層[J]. 熱帶作物學(xué)報(bào)， 2012， 33（8）： 1 348-1 353.

[12] 楊昭君， 韋家少， 何 鵬， 等. 海南省儋州市橡膠園土壤鉀素空間變異特征[J]. 西北林學(xué)院學(xué)報(bào)， 2010， 25（5）： 41-44.

[13] 何向東， 陸行正， 吳小平. 海南島膠園土壤肥力區(qū)劃及其利用的研究[J]. 熱帶作物學(xué)報(bào)， 1991（1）： 40-48.

[14] 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京： 中國農(nóng)業(yè)科技出版社， 2000： 150-194.

[15] 史利江， 鄭麗波， 柳云龍. 農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異特征研究[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2008， 42（1）： 52-56.

[16] 吳 敏， 何 鵬， 韋家少. 不同母質(zhì)條件下海南省膠園土壤肥力特性研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2008， 36（26）： 11 449-11 452.

[17] 吳 敏， 何 鵬， 韋家少. 不同地形條件下海南省膠園土壤肥力特性初探[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)， 2009， 25（12）： 140-144.