獼猴桃果園土壤養(yǎng)分空間變異性分析
——以陜西周至縣為例

雷寶佳，楊聯(lián)安,張林森,王天泰,朱群娥,閆朝霞

(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710127;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院, 陜西 楊凌 712100;3.陜西省周至縣土壤肥料工作站, 陜西 西安 710400)

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·環(huán)境科學(xué)·

獼猴桃果園土壤養(yǎng)分空間變異性分析
——以陜西周至縣為例

雷寶佳1，楊聯(lián)安1,張林森2,王天泰3,朱群娥3,閆朝霞3

(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710127;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院, 陜西 楊凌 712100;3.陜西省周至縣土壤肥料工作站, 陜西 西安 710400)

以陜西周至縣獼猴桃果園為例,采用GIS與地統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法,對有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀進(jìn)行了空間變異性研究, 并分析得到4種土壤養(yǎng)分的空間分布規(guī)律和豐缺狀況。結(jié)果表明:① 變異系數(shù)P>K>NH4+-N>OM且均小于50%,屬于中等變異性;② 4種土壤養(yǎng)分均具有中等空間相關(guān)性,其中P>OM> NH4+-N>K；③ 對4種土壤養(yǎng)分空間分布進(jìn)行分析,P的豐缺等級為“中-高”水平,而其他3種養(yǎng)分豐缺等級均處于“中-低”甚至“極低”的水平,需加強(qiáng)施肥力度。

GIS;土壤養(yǎng)分;空間變異;Kriging插值

土壤養(yǎng)分空間變異性是指土壤是不均一的、變化的連續(xù)體,即使在土壤質(zhì)地相同的區(qū)域內(nèi),同一時刻土壤特性(包括物理、化學(xué)、生物等方面)在不同空間位置上也具有明顯差異的特性[1]。土壤空間變異性是結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同作用的結(jié)果,隨機(jī)性因素指耕作、施肥、點(diǎn)源污染等各種人為活動引起的空間變異,結(jié)構(gòu)性因素指母質(zhì)、地形、土壤類型等非人為的區(qū)域因素(空間自相關(guān)部分)影響。自20世紀(jì)70年代以來,許多學(xué)者將地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS相結(jié)合，對土壤屬性的空間變異性進(jìn)行了研究[2-3]。Cambardella等研究了美國伊阿華中部土壤的田間尺度變異性[4]。路鵬等運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS分析了區(qū)土壤養(yǎng)分空間分布規(guī)律[5]。根據(jù)土壤養(yǎng)分變異規(guī)律及分布特征,了解土壤養(yǎng)分的含量,掌握土壤養(yǎng)分的豐缺狀況,進(jìn)而對農(nóng)田果園等實(shí)行精確變量施肥,對提高農(nóng)作物品質(zhì)、增加產(chǎn)量具有重要的意義。陜西省周至縣是我國最大的獼猴桃種植基地縣。本研究通過野外調(diào)查、實(shí)地采樣、測試分析和整理歷史資料,運(yùn)用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法,對陜西周至縣獼猴桃產(chǎn)業(yè)區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異性進(jìn)行了研究,揭示了獼猴桃果園土壤養(yǎng)分的空間變異特征,進(jìn)而提出合理的施肥措施,對提高肥料使用率、優(yōu)化果品品質(zhì)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

周至縣地處東經(jīng)107°39′～108°31′,北緯33°42′～34°14′之間,東西長約64.8 km,南北寬約55.6 km,位于陜西八百里秦川腹地,關(guān)中平原南部偏西,南依秦嶺,屬西安市管轄郊區(qū)縣,距西安市區(qū)78 km,是獼猴桃最佳適生區(qū),農(nóng)業(yè)部定點(diǎn)的中國唯一的獼猴桃標(biāo)準(zhǔn)化栽培示范縣。2011年底,全縣獼猴桃種植面積達(dá)2.34×104hm2(其中,掛果面積1.4×104hm2),占全國獼猴桃種植總面積的30%。本研究采樣區(qū)位于周至縣獼猴桃種植密集區(qū),海拔在149～241 m之間,地勢南高北低,跨3個自然地貌單元,依次為秦嶺山地、黃土臺塬、渭河平原,境內(nèi)有渭河支流黑河、田峪河。土壤類型主要以塿土、黃土、潮土、淤土、水稻土為主。

1.2 數(shù)據(jù)的采集

2011年,果實(shí)采收后基肥施入前,對周至縣獼猴桃種植較集中的17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的果園土壤進(jìn)行采集,共684個樣點(diǎn)。利用GPS定位技術(shù),遵循土壤采樣全面性、均衡性、客觀性、可比性的原則,對不同土壤類型和地貌類型的土壤都有采樣點(diǎn)分布,并按照農(nóng)業(yè)部統(tǒng)一的測土配方施肥技術(shù)規(guī)范和要求,果園于0～20 cm深度進(jìn)行取樣,每一土樣選取有代表性的田塊,采用“S”法均勻隨機(jī)采取8個點(diǎn)混勻后用四分法留取1 kg土樣裝袋以備分析,樣品于實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后測定土壤養(yǎng)分。采樣項(xiàng)目包括有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷,速效鉀。因地勢限制,獼猴桃種植區(qū)主要位于秦嶺北麓的平原地區(qū)。采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of test sample points

1.3 研究方法

1.3.1 分析方法 土壤有機(jī)質(zhì)(OM):重鉻酸鉀氧化外加熱法;土壤堿解氮(NH4+-N):堿解擴(kuò)散法;土壤有效磷(P):碳酸氫銨浸提-鉬銻抗比色法;土壤速效鉀(K):乙酸銨浸提-火焰光度法[6]。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理 將GPS定位的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS10.0軟件平臺,在ArcGIS地統(tǒng)計(jì)模塊中對采樣點(diǎn)進(jìn)行探索性檢驗(yàn),利用直方圖、Normal QQPlot圖檢驗(yàn)其是否符合正態(tài)分布,剔除離群值,直到符合正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布。再采用Ordinary Kriging插值方法,首先繪制實(shí)際半變異函數(shù)曲線,然后通過交叉驗(yàn)證選擇最優(yōu)模型(主要包括線性模型、球狀模型、指數(shù)模型和高斯模型),最后進(jìn)行插值生成各養(yǎng)分含量的表面預(yù)測圖[7]。

2 結(jié)果分析

2.1 果園區(qū)土壤養(yǎng)分的正態(tài)分布檢驗(yàn)

根據(jù)周至縣獼猴桃果園樣點(diǎn)的土壤養(yǎng)分特征,進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)和評價,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。首先利用直方圖、Normal QQPlot圖剔除離群值。直方圖中采樣數(shù)據(jù)出現(xiàn)頻數(shù)越小,其為異常值可能性越大;Normal QQPlot圖中離散點(diǎn)越接近于一條直線,數(shù)據(jù)越符合正態(tài)分布,偏離這條直線越遠(yuǎn)為異常值可能性越大。在ArcGIS10.0軟件平臺下,偏度越接近0,峰值越接近3,采樣數(shù)據(jù)越符合正態(tài)分布。通過評價分析,有機(jī)質(zhì)、堿解氮符合正態(tài)分布;有效磷、速效鉀符合對數(shù)正態(tài)分布。變異系數(shù)表示土壤特性空間變異性的大小,變異系數(shù)越大,元素在土壤中的分布越不均勻,受人類影響越大。變異系數(shù)≤10%為弱變異性,10%<變異系數(shù)<100%為中等變異性,變異系數(shù)≥ 100%為強(qiáng)變異性[8]。因此，4種元素均屬于中等變異性,其中P>K>NH4+-N>OM且均小于50%。其中有效磷的變異系數(shù)最大,這與有效磷施肥方式、施肥量有關(guān),而且磷在土壤中移動小,當(dāng)季利用率低,從而使得有效磷分布不均勻。其他幾種元素在土壤中移動性大,氮和鉀的當(dāng)季利用率高,土壤中殘留量少,一般處于虧缺狀態(tài),因此分布比較均勻。

表1 周至縣獼猴桃果園區(qū)土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計(jì)Tab.1 The descriptive statistics of soil nutrients in kiwi orchards of Zhouzhi county

2.2 果園區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異結(jié)構(gòu)分析

在選取土壤養(yǎng)分的半方差函數(shù)時,首先計(jì)算出r(h)～h的散點(diǎn)圖,然后用不同的模型(線性模型、球狀模型、指數(shù)模型、高斯模型)進(jìn)行擬合,根據(jù)不同模型的參數(shù)選取最適宜的模型類型,最后再用交叉性檢驗(yàn)法來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合參數(shù)。最優(yōu)模型參數(shù)選擇的判斷標(biāo)準(zhǔn)為:平均預(yù)測誤差(ME)越接近于0,平均標(biāo)準(zhǔn)差(RMSSE)越接近于1,預(yù)測誤差的均方恨(RMS)、平均預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差(ASE)越小時,其模型擬和狀況越好[9]。通過分析比較,有機(jī)質(zhì)采用球狀模型,堿解氮、有效磷和速效鉀均采用指數(shù)模型時具有較好效果。其土壤養(yǎng)分空間變異的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

C0表示塊金值,較大的塊金值說明較小尺度上的某種過程不容忽視;基臺值Sill即變異函數(shù)值不再隨距離變化的值;基底效應(yīng)(C0/Sill)表示隨機(jī)部分引起的空間變異性占系統(tǒng)總變異的比例,該值越大,說明空間變異更多的是隨機(jī)性因素引起的,否則,則是由結(jié)構(gòu)性因素引起的[9]。 一般,基底效應(yīng)<25%,說明具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性,變異主要由空間自相關(guān)因素引起的;基底效應(yīng)介于25%～75%,屬于中等的空間相關(guān)性;>75%時,說明空間相關(guān)性較弱,不適合采用空間插值的方法進(jìn)行預(yù)測[4]。4種變量基底效應(yīng)在25%～75%之間,均屬于中等空間相關(guān),其中P>OM> NH4+-N>K。有效磷的基底效應(yīng)接近75%,說明有效磷空間變異性由隨機(jī)性因素引起的占主導(dǎo)地位,這可能與耕作方式、灌溉、施肥等人為因素有關(guān),例如果園獼猴桃樹種植時間長,不同農(nóng)戶對磷肥的施肥情況不同等因素引起。有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀的基底效應(yīng)均小于50%,說明其空間變異不僅受人為因素影響,受土壤類型、地形等自然因素影響也較大。

表2 土壤養(yǎng)分空間變異理論模型與相關(guān)參數(shù)Tab.2 The theoretical models of spatial Variability of soil nutrients and the related parameters

2.3 果園區(qū)土壤養(yǎng)分空間分布特征

根據(jù)上面所述的半方差函數(shù)參數(shù)采用Ordinary Kriging插值法進(jìn)行空間插值,并依據(jù)周至縣土壤肥料工作站制定的周至縣獼猴桃地土壤氮磷鉀養(yǎng)分豐缺指標(biāo)體系,有機(jī)質(zhì)等級以陜西省土壤養(yǎng)分分解等級為標(biāo)準(zhǔn),將各養(yǎng)分含量劃分為不同等級,4種土壤養(yǎng)分元素的插值結(jié)果如圖2所示。

獼猴桃為貪肥果樹,對營養(yǎng)元素的需求量大,可能對于蘋果樹、桃樹等營養(yǎng)已十分充足,但對獼猴桃卻遠(yuǎn)不夠。我國無公害果樹技術(shù)規(guī)程要求土壤有機(jī)質(zhì)含量要達(dá)15/g·kg-1以上,最好能達(dá)到30/g·kg-1[10]。由表1可知,該區(qū)有機(jī)質(zhì)平均值為16.522/g·kg-1,范圍介于8.7～23.5/g·kg-1之間,總體含量偏低。由圖2a有機(jī)質(zhì)分布圖可看出,研究區(qū)大部分區(qū)域有機(jī)質(zhì)在15～20/g·kg-1,在四屯鄉(xiāng)、侯家村鄉(xiāng)中部、馬召鎮(zhèn)北部、廣濟(jì)鎮(zhèn)東部、以及終南鎮(zhèn)的部分地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量明顯缺乏。土壤堿解氮的分布如圖2b所示,其含量明顯偏低,大部分地區(qū)為50～80/mg·kg-1,在豐缺等級中處于“低”水平,部分地區(qū)含量<50/mg·kg-1,處于“極低”水平。從圖2c的土壤有效磷分布圖可看出,在尚村鎮(zhèn)、九峰鄉(xiāng)、集賢鎮(zhèn)東部、青化鄉(xiāng)、以及富仁鄉(xiāng)、司竹鄉(xiāng)、馬召鎮(zhèn)、辛家寨鄉(xiāng)和廣濟(jì)鎮(zhèn)的部分地區(qū)有效磷含量為30～50/mg·kg-1,處于“高”等級,養(yǎng)分充足;在九峰鄉(xiāng)、尚村鎮(zhèn)出現(xiàn)的極高分布區(qū),說明該縣土壤有效磷含量相對較高,大部分地區(qū)能滿足獼猴桃生長,同時也反映出果農(nóng)施用磷肥較多。研究區(qū)土壤速效鉀含量普遍偏低,如圖2d顯示,除尚村鎮(zhèn)、九峰鄉(xiāng)北部部分地區(qū)處于“高”等級外,其他地方也存在明顯的速效鉀缺乏現(xiàn)象，部分地區(qū)含量不足100/mg·kg-1。

圖2 周至縣獼猴桃果園土壤養(yǎng)分含量Kriging插值分布圖Fig.2 The Kriging distribution diagram of soil nutrients contents in Kiwifruit Orchards, Zhouzhi County

3 結(jié)論與討論

1)地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS相結(jié)合對研究獼猴桃果園土壤養(yǎng)分空間變異規(guī)律具有較好的效果。4種元素變異系數(shù)P>K>NH4+-N>OM且均小于50%,均屬于中等變異性。

2)經(jīng)半方差分析,土壤養(yǎng)分的空間變異結(jié)構(gòu)分析結(jié)果為P>OM> NH4+-N>K均具有中等相關(guān)性,其中有效磷具有較弱的空間相關(guān)性,說明人為因素對其影響占主要地位,其他3種元素受自然和人為因素影響均比較明顯。

3)通過對土壤養(yǎng)分空間分布圖的分析,對于土壤氮、磷、鉀及有機(jī)質(zhì),在今后的施肥指導(dǎo)管理決策中可根據(jù)不同元素分區(qū)指導(dǎo)。其中有效磷含量處于中等或充足水平,基本能滿足獼猴桃生長需求,證明果農(nóng)普遍重視磷肥的施用;速效鉀的含量等級差別最大,但大部分面積仍處于缺乏狀態(tài);而氮肥含量整體偏低,部分地區(qū)處于極低水平。因此,在今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對于磷肥可以酌情少量施肥,而要重視鉀肥和氮肥施用,以滿足果樹養(yǎng)分需求。

[1] 華孟,王堅(jiān).土壤物理學(xué)[M].北京:北京農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,1992,214-243.

[2] 白由路,金繼運(yùn),楊俐蘋,等.基于GIS的土壤養(yǎng)分分區(qū)管理模型研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2001,34(1):46-50.

[3] YANAI J,MISHIMA A,FURAKAWA S，et al. Spatial variability of organic matter dynamics in the semi-arid croplands of northern Kazakhstan[J]. Soil Science Plant Nutrient, 2005, 51 (2): 261-269.

[4] CAMBARDELLA C A,MOORMAN T B,NOVAK J M,et al. Field-scale variability of sail properties in cenrtal lowa soil[J].Soil Science Society Of America Journal,1994,58:1501-1511.

[5] 路鵬,彭佩欽,宋變蘭,等.洞庭湖平原區(qū)土壤全磷含量地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS分析[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2005,38(6):1204-1212.

[6] 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

[7] 石小華,楊聯(lián)安,張蕾.土壤速效鉀養(yǎng)分含量空間插值方法比較研究[J].水土保持學(xué)報,2006,16(2):68-72.

[8] 劉少沖,段文標(biāo).紅松闊葉混交林林隙土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性[J].水土保持學(xué)報,2011,25(3):142-146.

[9] 趙其國,史學(xué)正.土壤資源概論[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[10] 李百云,劉旭峰,金會翠,等.陜西眉縣部分獼猴桃果園土壤主要養(yǎng)分狀況分析[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報,2008,17(3):215-218.

(編 輯徐象平)

Analysis on spatial variability of soil nutrition of kiwifruit orchards: Taking Zhouzhi County of Shaanxi Province as a case

LEI Bao-jia1, YANG Lian-an1, ZHANG Lin-sen2, WANG Tian-tai3, ZHU Qun-e3, YAN Zhao-xia3

(1.College of Urban and Environmrntal Sciences, Northwest University, Xi′an 710127, China; 2.College of Horticulture, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 3. Soil and Fertilization Station of Zhouzhi County, Xi′an 710400, China)

The method of GIS and statistical analysis are combined to analyze the spatial variability of the organic matter, nitrogen, phosphorus and available potassium based on Zhouzhi County kiwifruit orchards. The abundance and the law of the spatial distribution of the four kinds of soil nutrients are analyzed. The results shows: ① The coefficient of variation of soil nutrients belongs to medium variability and they are all less than 50%,and P>K>NH4+-N>OM； ② The four kinds of soil nutrients all have medium spatial correlation, and P>OM>NH4+-N>K; ③ Through four kinds of soil nutrient spatial distribution analysis, the abundance and deficiency level of P is "Medium-High", the abundance and deficiency level of the other three kinds are "medium-low", even "extremely low" levels, fertilization efforts need to be strengthened.

GIS; soil nutrients; spatial variability; Kriging interpolation

2013-09-29

教育部人文社會科學(xué)研究規(guī)劃基金資助項(xiàng)目(10YJA910010);陜西省農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)基金資助項(xiàng)目(2011K02-11);農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代蘋果產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系肥水高效利用崗位基金資助項(xiàng)目(NYCYTX-08)

雷寶佳,女,陜西岐山人,從事遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用。

楊聯(lián)安，男，陜西武功人，西北大學(xué)副教授，博士，從事地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究。

S158.9

：ADOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2015-02-028