河北省吳橋縣土壤微量元素空間分布特征

范文杰,張洪江,程金花,姚晶晶

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100083,北京;2.河北省林業(yè)廳,050001,石家莊)

河北省吳橋縣土壤微量元素空間分布特征

范文杰1,2,張洪江1?,程金花1,姚晶晶1

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100083,北京;2.河北省林業(yè)廳,050001,石家莊)

為揭示土壤微量元素在空間上的分布,更好地指導(dǎo)農(nóng)田培肥管理,以河北省吳橋縣4 965份土壤樣品為研究對(duì)象,利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS相結(jié)合的方法,分析土壤有效鐵、有效銅、有效錳、有效鋅等土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的空間分布特征。結(jié)果表明:1)吳橋縣土壤有效鐵、有效錳、有效銅及有效鋅平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為11.54、11.84、1.30和0.97 mg/kg。2)通過半方差函數(shù)相關(guān)參數(shù)分析,土壤耕層中有效鐵和有效銅的空間自相關(guān)范圍較大,變程分別為879和660 m;耕層有效鋅和有效錳的變程較小,分別為33和36 m。3)4種有效微量元素的變程大小順序?yàn)橛行цF＞有效銅＞有效錳＞有效鋅。4)4種微量元素變異函數(shù)的理論模型符合指數(shù)模型,有效鐵和有效銅的塊基比在25%～75%之間,具有中等的空間相關(guān)性;有效錳和有效鋅的塊基比＞75%,系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱。通過普通克里格插值所得的空間分布圖能很好地反映土壤微量元素的空間分布特征,經(jīng)檢驗(yàn)插值精度較高。

土壤;地統(tǒng)計(jì);微量元素;空間分布;克里格插值

Keywords:soil;geostatistics;soil microelements;spatial distribution;Kriging

土壤中的微量元素是作物必需的營(yíng)養(yǎng)元素,其對(duì)植物的生長(zhǎng)起著重要的作用,有時(shí)甚至超過大量元素的作用。研究土壤中微量元素的空間分布特征,不僅可以探明其分布與成土因素之間的關(guān)系,而且可以有效地進(jìn)行分區(qū)管理[1]。目前,運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS相結(jié)合的方法對(duì)區(qū)域土壤養(yǎng)分空間分布的研究得到了廣泛的應(yīng)用[2],并取得了一定的成果;但研究多集中在有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷及速效鉀等方面[3-6],而利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究土壤微量元素空間變異特性的報(bào)道還不多見。國(guó)內(nèi)有少數(shù)學(xué)者在這方面進(jìn)行了初步探討。畢如田等[7]對(duì)永濟(jì)市6種土壤微量元素空間變異性進(jìn)行了初步研究,認(rèn)為耕地中的有效鋅屬于中等變異,有效鐵、有效錳屬于中等偏低的變異強(qiáng)度。王淑英等[8]分析北京市平谷區(qū)土壤耕層有效微量元素空間分布的影響因素認(rèn)為,有效鐵和有效錳分布主要取決于地形、土壤類型、土壤性質(zhì)等結(jié)構(gòu)性因素,而有效銅和有效鋅分布則主要與土地利用類型有關(guān)。李莉等[9]在小尺度下研究了平頂山煙區(qū)土壤微量元素的空間變異性,結(jié)果表明人為因素等隨機(jī)作用對(duì)有效鋅的空間分布影響較大,土壤有效鐵、銅和錳的空間分布則主要由成土母質(zhì)等結(jié)構(gòu)性因素決定且4種微量元素的半方差函數(shù)模型均為球狀模型。

因此,筆者選擇河北省吳橋縣作為研究區(qū)域,采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS相結(jié)合的方法對(duì)研究區(qū)土壤微量元素的空間分布狀況進(jìn)行分析與探討,繪制土壤微量元素的空間分布圖,為準(zhǔn)確了解吳橋縣土壤微量元素空間分布規(guī)律及土壤養(yǎng)分肥力的概況提供科學(xué)參考,對(duì)因地制宜地指導(dǎo)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn),促進(jìn)區(qū)域發(fā)展具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

吳橋縣位于河北省東南部,處于中部平原與濱海平原的過渡地帶,是黑龍港低平原旱作區(qū),位于E 116°19′～116°43′、N 37°29′～37°47′,屬于半干旱大陸性季風(fēng)氣候,具有雨熱同季,季風(fēng)明顯,四季分明,春季干燥風(fēng)大,夏季炎熱多雨,秋季天高氣爽,冬季寒冷少雪的特點(diǎn)。年平均降水量560 mm,夏季降水集中,占全年降水量的80%,降水時(shí)間分配不均,年降水總量的70.0%以上主要集中在6—8月份。全年平均氣溫12.4℃,極端最高溫42℃,極端最低溫-24℃。平均無(wú)霜期197 d,最長(zhǎng)267 d,最短184 d?！?℃的初日至終日間隔時(shí)間平均為278 d,活動(dòng)積溫4 862.9℃,適宜種植喜熱作物棉花(Gossypium spp hirsutum L.)等。全縣共有6個(gè)土屬39個(gè)土種。土壤母質(zhì)主要為古黃河沖積物,土壤層次分明,土壤分布以潮土為主,土壤質(zhì)地主要為壤土或沙壤土,土層深厚,宜耕性好,適應(yīng)性好。除了草本植物外,現(xiàn)存植被多為人工栽培種類。喬木樹種主要有楊樹(Populus L.)、柳樹(Salix matsudana Koidz)、榆樹(Ulmuspumila Linn.)、國(guó)槐 (Sophora japonica Linn.)、刺槐(Robinia pseudoacacia Linn.)、蘋果(Malus pumila Mill.)、梨樹(Pyrus sorotina.)、桃樹(Prunus persica)、杏樹(Armeniaca vulgaris Lam.)、棗樹(Ziziphus jujuba Mill.)、李子(Prunus salicina Linn.)、葡萄(Vitis vinifera Linn.)等;灌木主要有紫穗槐(Amorpha fruticosa Linn.)、杞柳(Salix integra Thunb.)、檉柳(Tamarix chinensis Lour.)等;農(nóng)作物主要有小麥(Triticum aestivum L.)、玉米(Zea mays L.)、谷子(Setaria italica(L.)Beauv.)、高粱(Sorghum bicolor(Linn.)Moench)、棉花、豆類(Leguminosae)、蔬菜等。從種植結(jié)構(gòu)來看,屬于典型的農(nóng)業(yè)耕作區(qū)。

2 研究方法

2.1 樣品采集

以田塊為采樣單元,利用GPS定位采集4 965個(gè)田塊的0～20 cm土樣,采集樣點(diǎn)分布全縣10個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))473個(gè)村。采樣時(shí)應(yīng)沿著一定的線路,按照“隨機(jī)”“等量”和“多點(diǎn)混合”的原則進(jìn)行采樣。采用S形或棋盤形布點(diǎn)采樣,每個(gè)采樣點(diǎn)的取土深度及采樣量應(yīng)均勻一致,土樣上層與下層的比例要相同。土樣充分混合后,四分法留取1 kg,用于數(shù)據(jù)分析。

2.2 指標(biāo)測(cè)定

將外業(yè)采回來的土壤樣品要放在潔凈的儲(chǔ)藏室內(nèi),并鋪成薄層于樣品盤上,按要求將風(fēng)干后的土壤樣品進(jìn)行研磨過100目篩,篩后放于樣品瓶進(jìn)行儲(chǔ)存,并在瓶?jī)?nèi)外做好標(biāo)簽等標(biāo)記。土壤微量元素的測(cè)定方法采用DTPA提取—原子吸收光譜法[10]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel整理后,利用SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;利用GS+9.0軟件對(duì)土壤微量元素進(jìn)行半方差分析,并在ArcGIS 10.1中地統(tǒng)計(jì)(geostatistic analysis)模塊中采用普通克里格法(ordinary Krig-ing)進(jìn)行插值。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤微量元素常規(guī)統(tǒng)計(jì)描述

通過SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析,描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。有效鐵、有效錳、有效銅和有效鋅的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為11.54、11.84、1.29和0.97 mg/kg;就偏態(tài)數(shù)而言,所有成分的偏態(tài)數(shù)都＞0,為正偏;在峰態(tài)數(shù)方面,有效鐵、有效錳、有效銅的峰態(tài)數(shù)＜0,有效鋅的峰態(tài)數(shù)＜3,其分布均為低闊峰。變異系數(shù)的大小表明了微量元素的變異程度,變異系數(shù)＜10%屬于弱變異性,變異系數(shù)≥10%且≤100%屬于中等變異性,變異系數(shù)＞100%屬于強(qiáng)變異性[3]。就變異系數(shù)來看,有效銅的變異系數(shù)最大為30.23%,有效錳的變異系數(shù)最小為18.83%,4種微量元素的變異系數(shù)處在18.83～30.23%之間,均＞10%。表明屬于中等變異,變異性大小順序?yàn)橛行с~＞有效鋅＞有效鐵＞有效錳。

表1 土壤微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Mass fraction of microelements in soil mg/kg

3.2 半方差變異函數(shù)分析

變異函數(shù)的計(jì)算一般要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布,數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布,這是進(jìn)行空間分布性研究的前提條件[11]。有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅的峰度和偏度值都在-1～1之間,所以都基本符合正態(tài)分布[12],從而滿足半方差分析的要求。

選用GS+9.0軟件對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差分析,選擇最合適的半方差模型類型,最終確定4種土壤微量元素都符合指數(shù)模型,擬合系數(shù)在0.819～0.967之間(表 2);4種微量元素的塊基比在50.0%～88.6%之間,且變程之間有明顯差異,最大的變程有效鐵為879 m,空間相關(guān)范圍最大,最小的有效鋅為33 m,僅為最大值的3.37%,空間相關(guān)范圍較小。

表2 土壤養(yǎng)分半方差函數(shù)相關(guān)參數(shù)及理論模型Tab.2 Theoretical semivariogram models of soil nutrients and relevant parameters

3.3 土壤微量元素空間分布格局

3.3.1 空間插值分析 為了準(zhǔn)確直觀地描述土壤微量元素在空間上的分布,運(yùn)用ArcGIS 10.0軟件中的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析模塊中的普通克里格法來繪制土壤微量元素空間分布圖(圖1),使土壤特性研究變得簡(jiǎn)單化、可視化,能更加清晰地描述土壤屬性空間分布特征,其目的是了解土壤微量元素的含量和空間分布的情況,以便于科學(xué)地揭示吳橋縣耕層土壤微量元素的變異規(guī)律,為提高土壤的生產(chǎn)能力、合理科學(xué)施肥、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供一定的參考依據(jù)。

由圖1可以看出:在吳橋縣南部、中部及西北部土壤有效鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低,在4.90～8.66 mg/kg之間;在西部、東北部相對(duì)較高,集中在14.34～20.00 mg/kg之間,總體分布趨勢(shì)表現(xiàn)出中部、南部及西北低,東北、西部高的分布特點(diǎn)。土壤有效錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為西部地區(qū)較低,主要集中在6.50～7.99 mg/kg之間,中部相對(duì)較高,主要集中在15.43～16.91 mg/kg之間,總體上來看呈先升高再下降的分布趨勢(shì)。在吳橋縣的西部,土壤有效銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低,在0.60～0.84 mg/kg之間;東南部一帶相對(duì)較高,在2.01～2.25 mg/kg之間,總體分布趨勢(shì)表現(xiàn)為西部地區(qū)較低,向東部地區(qū)遞增的趨勢(shì),在中南部、西北部,東北、東南部出現(xiàn)高低交錯(cuò)現(xiàn)象。土壤有效鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布較均勻,在吳橋縣中部及東北部較高,主要集中在1.12～1.75 mg/kg之間,西北及西南部較低,主要集中在0.49～0.65 mg/kg之間,分布趨勢(shì)表現(xiàn)為西部較小區(qū)域較低,中部相對(duì)最高,東部相對(duì)較高的趨勢(shì)。

圖1 土壤微量元素空間分布Fig.1 Spatial distribution map of microelements

3.3.2 插值精度檢驗(yàn) 運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析模塊生成克里格插值圖后,可以通過交互檢驗(yàn)(cross-validation)來評(píng)價(jià)克里格法的預(yù)測(cè)精度,主要指標(biāo)有平均預(yù)測(cè)誤差(ME)、均方根誤差(RMSE)、平均標(biāo)準(zhǔn)誤差(ASE)、平均標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)測(cè)誤差(MSE)和均方根標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)誤差(RMSSE),其中,均預(yù)測(cè)誤差(ME)、均方根誤差(RMSE)、平均標(biāo)準(zhǔn)誤差(ASE)、平均標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)測(cè)誤差(MSE)這4個(gè)值越小越好,均方根標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)誤差(RMSSE)越接近1越好[13]。

通過交叉檢驗(yàn)法來對(duì)普通克里格插值進(jìn)行精度檢驗(yàn),從表3可以看出土壤微量元素的平均預(yù)測(cè)誤差和平均標(biāo)準(zhǔn)誤差均接近0,均方根誤差和均標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)測(cè)誤差較小,均方根標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)誤差在0.975～1.031之間,接近于1。根據(jù)對(duì)精度檢驗(yàn)各指標(biāo)含義的理解,綜合可得各項(xiàng)土壤指標(biāo)插值精度較高。說明插值結(jié)果的適用性較強(qiáng),結(jié)果可信,理論模型較好地反映了4種微量元素的空間結(jié)構(gòu)特征。

表3 交叉檢驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Result of cross-check

4 結(jié)論與討論

傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,吳橋縣土壤有效鐵、有效錳、有效銅及有效鋅的測(cè)定數(shù)據(jù)近似符合正態(tài)分布,其平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為11.54、11.84、1.30和0.97 mg/kg,且變異系數(shù)均在18.83～30.23%之間,屬中等變異強(qiáng)度。土壤有效鐵、有效錳、有效銅及有效鋅平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別高于1982年全國(guó)第2次土壤普查時(shí)全縣耕層的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.52、2.10、0.88和0.60 mg/kg。4種微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈增加的趨勢(shì),這跟近年來推廣使用微肥和有機(jī)肥有著直接的關(guān)系。郭觀林等[14]和鄭袁明等[15]認(rèn)為施加禽畜糞便等有機(jī)肥、復(fù)合肥及噴灑含微量元素的農(nóng)藥可以導(dǎo)致土壤中微量元素的增加。

本文采用地統(tǒng)計(jì)與GIS相結(jié)合的方法,分析了河北省吳橋縣耕層土壤微量元素的空間變異性。4種微量元素的半方差函數(shù)模型均為指數(shù)模型,結(jié)構(gòu)分析表明,吳橋縣土壤耕層4種有效微量元素的變程大小順序?yàn)橛行цF＞有效銅＞有效錳＞有效鋅。變程是指變異函數(shù)達(dá)到基臺(tái)值所對(duì)應(yīng)的距離,它表明土壤肥力要素的空間自相關(guān)范圍,在變程范圍內(nèi)土壤肥力要素具有空間相關(guān)性,超出這個(gè)范圍則不具有空間相關(guān)性[16]。其中:有效鐵和有效銅的變程較大,分別為879 m和660 m,反映了結(jié)構(gòu)因素對(duì)耕層有效鐵和有效銅的影響較大;有效錳和有效鋅的變程較小,分別為36 m和33 m,反映了隨機(jī)因素對(duì)耕層有效錳和有效鋅的影響較大。

從結(jié)構(gòu)性因素的角度來看,如果塊基比＜25%,說明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性,空間變異主要受土壤母質(zhì)、氣候等結(jié)構(gòu)性因素引起;如果塊基比在25%～75%之間,表明系統(tǒng)具有中等的空間相關(guān)性;塊基比＞75%,說明系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱,空間變異主要是受人為因素等隨機(jī)因素引起[2]。有效鐵、有效銅的塊基比分別為50.0%和50.1%,具有中等空間相關(guān)性,說明除結(jié)構(gòu)性因素的影響外,人為過程如施肥、耕作措施、作物種植制度等隨機(jī)因素對(duì)這2種元素的空間變異具有明顯的影響,并且受控制因素基本一致;有效錳、有效鋅的塊基比分別為82.8%和88.6%,系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱,說明隨機(jī)因素對(duì)這2種元素的影響占主導(dǎo)地位。根據(jù)塊金值與基臺(tái)值的比值,土壤屬性空間變異規(guī)律為有效鋅＞有效錳＞有效銅＞有效鐵。運(yùn)用ArcGIS 10.0軟件中的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析模塊中的克里格法繪制了土壤微量元素空間分布圖。通過交叉檢驗(yàn)法對(duì)克里格插值進(jìn)行精度檢驗(yàn),得出4項(xiàng)土壤指標(biāo)插值精度較高,插值結(jié)果可信。

本研究只對(duì)有效鐵、有效錳、有效銅和有效鋅4種微量元素進(jìn)行空間變異性分析,建議今后繼續(xù)開展土壤水分、土壤鹽分、土壤種類及作物種類等對(duì)土壤性質(zhì)變異性的響應(yīng),以便更好地服務(wù)于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)。

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(責(zé)任編輯:程 云)

Spatial distribution characteristics of soil microelements in Wuqiao County of Hebei Province

Fan Wenjie1,2,Zhang Hongjiang1,Cheng Jinhua1,Yao Jingjing1
(1.Beijing Forestry University,Key Lab.of Soil&Water Conservation and Desertification Combating,Ministry of Education, 100083,Beijing,China;2.Forestry Bureau of Hebei Province,050001,Shijiazhuang,China)

In order to reveal the spatial distribution of soil available microelements,and to better guide fertilizer management,4965 soil samples were collected from Wuqiao County of Hebei Province as the research object.By using the geostatistics method combined with GIS,spatial distribution characteristics of the mass fraction of effective Cu,Fe,Mn and Zn were studied.The results showed that the mass fractions of effective Cu,Fe,Mn and Zn were 11.54,11.84,1.30 and 0.97 mg/kg,respectively.The result of relevant parameters of semivariance analysis showed that the spatial autocorrelation ranges of effective Fe and Cu were larger in topsoil,while those of effective Zn and Mn were smaller in topsoil.The heterogeneity ranges of effective Fe and Cu were 879 and 660 m,respectively,while those of effective Zn and Mn were 33 and 36 m,respectively.The range of available microelements followed the order of effective Fe＞effective Cu＞effective Mn＞effective Zn.Theoretical semivariogram models of four kinds of microelements conformed to exponential model.The ratios of nugget and sill of effective Cu and Fe ranged between 25%and 75%,which showed a moderate spatial correlation.The ratios of nugget and sill of effective Mn and Zn were higher than 75%,showing a weak spatial correlation.The spatial distribution maps by ordinary kriging interpolation can well reflect the spatial variability of soil microelements,and the accuracy of interpolation was relatively higher by testing.

S158

A

1672-3007(2015)01-0091-05

2014- 03- 04

2014- 08- 17

范文杰(1964—),男,博士研究生。主要研究方向:水土保持及工程造林等。E-mail:1098173398@qq.com

?通信作者簡(jiǎn)介:張洪江(1955—),男,教授,博士生導(dǎo)師。主要研究方向:水土保持,防護(hù)林建設(shè),環(huán)境生態(tài)。E-mail:zhanghj @bjfu.edu.cn