眉山市東坡區(qū)土壤有效磷空間變異特征及其影響因素分析

劉敏英，呂小娜，朱志國

(1.四川省眉山市東坡區(qū)土壤肥料與生態(tài)建設管理站，四川 眉山 620010；2.山西省運城學院生命科學系，山西 運城 044500)

眉山市東坡區(qū)土壤有效磷空間變異特征及其影響因素分析

劉敏英1，呂小娜2，朱志國1

(1.四川省眉山市東坡區(qū)土壤肥料與生態(tài)建設管理站，四川 眉山 620010；2.山西省運城學院生命科學系，山西 運城 044500)

采用地統(tǒng)計學與GIS相結(jié)合的方法，對眉山市東坡區(qū)耕層(0-20cm)土壤有效磷含量空間變異特征及其影響因素進行了分析。結(jié)果表明：(1)土壤有效磷含量平均值為13.92 mg/kg，變異系數(shù)為87.43%，屬中等變異程度。(2)土壤有效磷含量成片狀分布，從東北到西南方向，土壤有效磷含量呈升高趨勢。土壤有效磷含量缺乏的區(qū)域面積占總面積的23.50%，土壤有效磷含量中等的區(qū)域面積占總面積的62.02%，土壤有效磷含量豐富及很豐富的區(qū)域面積占總面積的14.47%，東坡區(qū)土壤供磷能力處于中等偏下水平。(3)耕層土壤有效磷含量的半方差最佳理論模型為指數(shù)模型。在區(qū)域尺度下，土壤有效磷含量具有強烈的空間相關(guān)性(C0/( C0+C)值為50.0%)，受到結(jié)構(gòu)性因子和隨機性因子的共同影響，系自然和人為利用因素共同作用的結(jié)果。

耕層土壤；空間變異；影響因子

對土壤養(yǎng)分空間變異的充分了解是土壤養(yǎng)分管理和合理施肥的基礎。磷作為植物生長必需的營養(yǎng)元素，也是土壤養(yǎng)分的重要組成部分。但耕地施入過量磷肥，不但造成磷肥資源浪費，而且會造成水體污染進而為害人體健康[ 1-6]。有效磷作為土壤磷貯庫中對作物最為有效的部分，能直接供作物吸收利用，因而是評價土壤供磷能力的重要指標[7]。由于自然和人為因素的影響，農(nóng)田土壤有效磷含量常具有空間變化特點，若缺乏對其背景值及空間變異情況的了解，不能根據(jù)其變化來確定施肥量和施肥方式，有可能導致農(nóng)田磷素虧缺或盈余。土壤磷素虧缺影響作物生長，而農(nóng)田土壤磷素長期處于盈余狀態(tài)，則會加大土壤磷素向水體流失的風險，并產(chǎn)生潛在的生態(tài)環(huán)境問題。因此，推行合理施肥和有效控制農(nóng)業(yè)面源磷污染，已成為人們越來越關(guān)心的問題[8]。

對農(nóng)田土壤有效磷的空間變異特點及其影響因素的研究，可以為這一問題的解決提供重要的科學依據(jù)。早期對土壤養(yǎng)分空間變異性的研究不很成熟，如對K、P的研究側(cè)重于其塊金系數(shù)和空間自相關(guān)尺度的測定，而很少將其與精確農(nóng)業(yè)結(jié)合起來進行土壤田間養(yǎng)分的精確管理，探究其含量變化與作物產(chǎn)量間的空間相關(guān)關(guān)系。近年來，學者們在這方面做了大量的工作，其中Simmelsgaard等研究了植被和土壤參數(shù)下的N、P、K的精確施肥，來判斷施肥后一定精度下作物產(chǎn)量的反饋和變化。Ferguson等根據(jù)土壤間隔采樣、土壤地形、玉米產(chǎn)量圖和遙感技術(shù)4種方法結(jié)合而產(chǎn)生N素含量圖來對玉米地進行特定N素管理。Shiel等通過密集土壤采樣生成的土壤P、K含量圖，利用作物產(chǎn)量和營養(yǎng)指數(shù)的光滑等值圖，分析了P肥和K肥的含量與作物產(chǎn)量間的關(guān)系，并將其應用于施肥推薦中。國內(nèi)楊俐蘋等應用地理信息系統(tǒng)結(jié)合土壤狀況探討了一定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下棉田土壤養(yǎng)分空間變異及其在推薦施肥中的應用。上世紀80 年代中期以來，我國一些學者將地統(tǒng)計學和地理信息系統(tǒng)結(jié)合起來，在土壤屬性的空間變異性方面做出了有益的探索，但在土壤養(yǎng)分的空間變異研究方面尚處于起步階段，尤其對于農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分空間變異的研究鮮有報道。近年來,隨著地理信息系統(tǒng)的廣泛應用和土壤科學的發(fā)展，利用地統(tǒng)計學,并結(jié)合GIS 技術(shù)來研究土壤性質(zhì)的空間變異成為土壤學研究的熱點，也取得了很好的成果[9-11]。

本文運用GIS 與地統(tǒng)計學相結(jié)合的方法，在高采樣密度下，探討眉山市東坡區(qū)耕層土壤有效磷空間變異特征，結(jié)合眉山市東坡區(qū)的具體情況，對土壤有效磷含量的影響因子作出分析，以期為提高區(qū)域農(nóng)田土壤質(zhì)量和農(nóng)作物的施肥提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

眉山市東坡區(qū)(103°30′-103°59′E，29°51′-30°16′N)位于四川成都平原西南邊緣，面積1331km2。該區(qū)地處岷江中上游，地形地貌以平壩、淺丘臺地為主，主要成土母質(zhì)為洪積物、坡積物和黃土母質(zhì)，土壤以沖積土、紫色土、黃壤和水稻土為主，主產(chǎn)水稻、油菜、小麥和蔬菜，多為一年兩熟。該區(qū)具有亞熱帶濕潤季風氣候的特點，年均氣溫17.2℃，年均日照1193 h，年均無霜期315d，年平均降雨量1057.5mm，降水一般集中在7～8月。

1.2 土樣采集

根據(jù)四川省《測土配方施肥技術(shù)規(guī)程》(DB51/T-2006))的規(guī)定確定采樣單元，在保證土壤樣品代表性的前提下，平均每35 hm2布設1個采樣點，在人為活動強烈的平原地區(qū)加密布點。每個土樣以取土點為中心，在10 m半徑內(nèi)取5～10個耕層(0～20cm)土樣混合而成，同時用GPS (Garmin 72)記錄中心點的位置，全區(qū)域共采集土樣3859個(圖1)，采樣時間為2007年，由4個小組在全區(qū)23個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))同時進行。

圖1 土樣采集點分布圖 圖2 東坡區(qū)行政區(qū)劃圖

1.3 樣品處理

將采集的樣本進行風干處理后，研磨并全部通過2mm篩，備用。土樣中有效磷用0.5mol/L碳酸氫鈉浸提，采用鉬銻抗比色法測定[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 地統(tǒng)計學方法 利用半方差函數(shù)的相關(guān)參數(shù)對土壤有效磷進行空間分析[13]。其中，半方差函數(shù)的塊金值、基臺值和變程等參數(shù)可以表示區(qū)域化變量在一定范圍內(nèi)和尺度下的空間變異和相關(guān)程度，它既是研究土壤理化特性空間變異性的關(guān)鍵，同時也是進行Kriging插值的基礎。半方差函數(shù)計算公式如下：

式中r(h)為間隔距離h的半方差，也是以h為間距所有觀測點的成對數(shù)目，N(h)是間距為h的計算對數(shù),z(xi)和z(xi+h)分別是區(qū)域化變量z(x)

和z(x+h)在空間位置xi和xi+h處的實測值。由此可以得到實驗半方差函數(shù)散點圖，對實驗半方差函數(shù)散點圖進行擬合，得到半方差函數(shù)的最佳理論模型。

1.4.2 軟件平臺SPSS13.0——描述性統(tǒng)計分析、方差分析；GS+5.3——半方差函數(shù)分析；ArcGIS9.3——數(shù)字化地圖、普通克里格插值 。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕層土壤有效磷統(tǒng)計特征分析

為了解土壤實測樣本的描述統(tǒng)計特征，計算了總體樣本的基本統(tǒng)計參數(shù)。由表 1 可知，土壤有效磷的變異系數(shù)為87.43%，屬于中等變異強度。 土壤實測樣本中最小值、最大值分別為0.10和80.60mg/kg，極差較大，表明該區(qū)域在施肥方面沒有根據(jù)土壤的肥力均衡施肥，而且可能存在盲目平均施肥，導致耕層土壤有效磷含量偏低或者過剩。

表1 東坡區(qū)土壤有效磷描述性統(tǒng)計

2.2 耕層土壤有效磷含量的空間結(jié)構(gòu)分析

土壤特性空間結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵是擬合出精度較高的半方差函數(shù)模型，在選擇模型時，要根據(jù)模型的參數(shù)值，從中選出最優(yōu)模型(如表2)[14]。表2中的C0為塊金值，表示由隨機部分引起的空間異質(zhì)性，C+C0為基臺值，表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異。在土壤有效磷進行擬合時，得到有效磷的塊金值與基臺值，保證其變量在采樣條件下的空間相關(guān)性。塊金值與基臺值之比可以揭示空間變量的相關(guān)程度，若比值<25%，表明變量空間相關(guān)性強烈，且主要受結(jié)構(gòu)性因子影響；若比值>75%，表明變量的空間相關(guān)性很弱，且主要受隨機性因子影響[14]。

如表2所示，得到3個模型的空間模擬相關(guān)參數(shù)，可以看出有效磷在步長為2778m范圍內(nèi)，土壤有效磷的分布受到了結(jié)構(gòu)性因子和隨機性因子的共同影響。當變程在930m時，塊金值與基臺值之比為50%，則表明土壤有效磷的分布受到結(jié)構(gòu)性因子和隨機性因子的影響是均衡的；而當變程在260m和2250m時，塊金值與基臺值之比分別為93.9%和80.0%，說明隨機性因子對土壤有效磷分布的影響比結(jié)構(gòu)性因子對其的影響大。在對比決定系數(shù)(R2)和殘差(RSS)中，決定系數(shù)趨近于1，并且在決定系數(shù)一定的情況下，殘差越小越好，由此，從表2中可以看出，指數(shù)模型是最優(yōu)的理論模型。因此，在指數(shù)模型中，土壤有效磷含量具有強烈的空間相關(guān)性。

表2 土壤有效磷半方差函數(shù)理論模型及有關(guān)參數(shù)

2.3 耕層土壤有效磷的空間變異特征

土壤有效磷含量符合對數(shù)正態(tài)分布，指數(shù)模型中進行交互檢驗結(jié)果表明，土壤有效磷含量半方差函數(shù)的標準化均方根誤差為1.0487，說明選用的模型預測結(jié)果準確性較高，這與空間相關(guān)性的強弱相吻合。根據(jù)全國第2次土壤詳查分級標準，將土壤有效磷含量分為6個等級(表3)。

表3 有效磷含量分類等級

為了更加直觀地反應土壤有效磷的空間變異特征，根據(jù)所得到的半方差函數(shù)模型，利用Kriging最優(yōu)內(nèi)插法，繪制了養(yǎng)分空間插值圖。從空間插值圖看出，土壤有效磷含量分布上具有斑塊狀的分布格局，從東北地區(qū)到西南地區(qū)，總體上趨勢是持續(xù)升高，其中東北部地區(qū)有2個斑塊有效磷含量較低，岷江河邊土壤有效磷含量較高，有效磷含量最高的部分是南部的松江鎮(zhèn)、中部的崇禮鎮(zhèn)、北部的太和鎮(zhèn)、西南部的修文鎮(zhèn)和三蘇鄉(xiāng)、西部的廣濟鄉(xiāng)。另外，按照表3的劃分標準，眉山市東坡區(qū)土壤有效磷含量共有極缺、很缺、缺乏、中等、豐富、很豐富6個等級，且從圖3中可以看出，東北部土壤有效磷含量主要是缺乏、很缺、極缺等3個等級，占總面積的23.50%；中北部、中部和東部土壤有效磷含量中等，占總面積的62.02%，西部個別鄉(xiāng)鎮(zhèn)和岷江河邊土壤有效磷含量豐富，占總面積的14.47%。因此，眉山市東坡區(qū)耕層土壤供磷水平中等偏下，還需要繼續(xù)推廣測土配方施肥，引導農(nóng)民科學施肥、均衡施肥。同時，土壤普查資料顯示，土壤有效磷含量的主要變化方向也是區(qū)域內(nèi)土壤類型、地形地貌及成土母質(zhì)變化較為集中的幾個方向。

圖3 土壤有效磷含量空間分布圖

2.4 耕層土壤有效磷空間變異的影響因素分析

土壤有效磷空間結(jié)構(gòu)分析顯示，土壤有效磷的空間變異受到結(jié)構(gòu)性因子和隨機性因子的共同影響。調(diào)查資料顯示，區(qū)內(nèi)的成土母質(zhì)、地貌類型、有機肥施用量、種植制度及耕作方式都存在明顯差異。因此，本研究選擇成土母質(zhì)、地貌類型作為結(jié)構(gòu)性因子，選擇有機肥施用量、種植制度多個指標作為隨機性因子，探討其對土壤耕層有效磷含量空間變異的影響。

2.4.1 成土母質(zhì)的影響 巖石礦物經(jīng)過風化作用產(chǎn)生的土壤母質(zhì)是土壤形成的物質(zhì)基礎，也是土壤肥力的最根本來源,其對于土壤肥力的形成具有舉足輕重的作用[15]。成土母質(zhì)既是土壤的骨架，又是植物礦質(zhì)養(yǎng)料元素的最初來源，因此直接影響著土壤的物理、化學性質(zhì)組成和土壤成土過程的性質(zhì)，影響著土壤中有效磷的積累和淋失。對研究區(qū)域中主要的6種成土母質(zhì)進行描述性統(tǒng)計分析(表4),結(jié)果顯示：不同成土母質(zhì)土壤中有效磷的含量存在明顯差異；土壤有效磷的均值比較是：由沖積物所形成的母質(zhì)>由沉積物形成的母質(zhì)>由殘積物形成的母質(zhì)>由坡積物形成的母質(zhì)>由洪積物形成的母質(zhì)>由黃土母質(zhì)形成的母質(zhì)。圖3顯示，松江鎮(zhèn)、崇禮鎮(zhèn)、太和鎮(zhèn)土壤有效磷含量最高，其土壤是沖積物所形成的，根據(jù)全國第2次土壤普查的資料，沖積物為近代河流沖積與洪積層，具有二元結(jié)構(gòu)，下部為河床相礫石層，物質(zhì)來源于石灰?guī)r和紫色鈣質(zhì)砂泥巖，質(zhì)地輕，肥沃，土壤中有效磷含量較高，供磷能力強。尚義鎮(zhèn)、悅興鎮(zhèn)和土地鄉(xiāng)部分地區(qū)土壤有效磷含量最低，其土壤是黃土母質(zhì)所形成的，由于黃土母質(zhì)易侵蝕，黃土地區(qū)容易發(fā)生水土流失，所以土壤中有效磷流失較為嚴重，含量低。上述分析可以表明，成土母質(zhì)是土壤有效磷空間變異的重要因素。

表4 不同母質(zhì)對土壤有效磷含量的描述性統(tǒng)計分析

2.4.2 地貌類型的影響 不同的地形條件影響著水分在自然界的重新分配及人類活動的頻度，導致土壤養(yǎng)分含量因地形條件變化而產(chǎn)生差異[16]。同時，在成土過程中，地形是影響土壤和環(huán)境之間進行物質(zhì)、能量交換的1個重要條件，它與母質(zhì)、生物、氣候等因素的作用不同，不提供任何新的物質(zhì)，但影響著土壤的形成、發(fā)育和分化。統(tǒng)計分析表明(表5)，丘陵地區(qū)土壤耕層有效磷含量均值高于平原地區(qū)土壤有效磷含量，可能是由于平原地區(qū)1年內(nèi)要種植兩季以上的農(nóng)作物，磷肥消耗較大，而丘陵地區(qū)較少開墾種植。因此原因，在東坡區(qū)的區(qū)域內(nèi)，丘陵地區(qū)的供磷能力大于平原地區(qū)的供磷能力。

表5 不同地形地貌對土壤有效磷含量的統(tǒng)計分析(mg/kg)

2.4.3 施肥管理 目前，中國廣大農(nóng)村的畜禽養(yǎng)殖戶，普遍以露天堆肥后作為有機肥使用的方式來處理畜禽糞便[17]。根據(jù)調(diào)查資料顯示，東坡區(qū)的主要農(nóng)作物是水稻、玉米、油菜，其施用肥料大多以有機肥為主，配合施用復合肥。在進行空間插值圖上，選取土壤有效磷含量差異較大的區(qū)域進行對比發(fā)現(xiàn)：尚義鎮(zhèn)的黃廟村、人民村、順河村等地區(qū)，土壤有效磷的含量均在10mg/kg以下；而在太和鎮(zhèn)新江村、仙橋村等地區(qū)土壤有效磷的含量在20mg/kg以上。據(jù)調(diào)查，產(chǎn)生這種差異的原因可能是施肥方式不同，尚義鎮(zhèn)的幾個村采取的是單一施用有機肥或者磷肥，且施肥量較小；而太和鎮(zhèn)的幾個村除了施用有機肥外，還常年進行秸稈還田，有效磷容易積累。因此，不同地區(qū)之間施肥管理上的不同，也會對土壤有效磷含量空間變異產(chǎn)生深遠影響。

2.4.4 種植制度 種植制度也是影響土壤有效磷含量空間變異的主要因素之一[18]。在各項農(nóng)業(yè)基礎設施完善，灌溉條件、交通便利等相同的條件下，常年生與一年三熟的種植制度的耕層土壤有效磷的含量最高(如表6所示)，這主要得益于土壤的施肥次數(shù)，且玉米的根系相對其它作物而言比較龐大，還田后有機質(zhì)增加，磷也會相應增加。在一年兩熟或者一年一熟的種植制度下，耕層土壤有效磷含量值相對較低，其主要作物為水稻。雖然磷素是水稻生長中必不可少的元素，但由于稻田長期被水淹浸，會造成了水稻田土壤中有效磷的流失或者被轉(zhuǎn)化利用[19]；同時，由于磷肥在土壤中有較大的累積效應，殘留的磷肥終將被水稻、油菜等農(nóng)作物利用，最終導致土壤的供磷水平處于中等水平。只有在連續(xù)足量施磷條件下，土壤有效磷含量才會基本保持穩(wěn)定或不斷提高。

表6 不同種植制度對土壤有效磷含量的描述性統(tǒng)計分析

3 結(jié)論

(1) 眉山市東坡區(qū)土壤有效磷含量具有強烈的空間相關(guān)性，屬于中等變異強度，受到結(jié)構(gòu)性因子和隨機性因子的共同影響。由養(yǎng)分空間插值圖可知，土壤有效磷含量具有條帶狀的分布格局，從東北地區(qū)到西南地區(qū)，總體上趨勢是持續(xù)升高。

(2)成土母質(zhì)、地貌類型、施肥管理和種植制度均會對土壤有效磷含量產(chǎn)生影響，土壤有效磷含量空間相關(guān)性受以上因素的共同影響。

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