黃河下游縣域耕層土壤養(yǎng)分的空間變異分析
——以山東省東阿縣為例

盧向陽(yáng),張金萍,魏 帆,張保華(聊城大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,山東 聊城252059)

黃河下游縣域耕層土壤養(yǎng)分的空間變異分析
——以山東省東阿縣為例

盧向陽(yáng),張金萍,魏 帆,張保華*
(聊城大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,山東 聊城252059)

以山東省東阿縣為研究區(qū),運(yùn)用全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及地統(tǒng)計(jì)分析方法探測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀4種土壤養(yǎng)分的空間變異特征。結(jié)果表明,東阿縣耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量介于9.50～29.80g/kg, 分布相對(duì)穩(wěn)定，大部分區(qū)域介于15.00～20.00 g/kg，屬于4級(jí)水平；僅高集鎮(zhèn)東北部、顧官屯鎮(zhèn)西部、劉集鎮(zhèn)西南部、魚山鎮(zhèn)中西部及魚山鎮(zhèn)、劉集鎮(zhèn)、姜樓鎮(zhèn)三鎮(zhèn)交界地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量較低；僅銅城街道辦事處西北部、新城街道辦事處東南部、陳集鄉(xiāng)西南角、大橋鎮(zhèn)西北部以及牛角店鎮(zhèn)西南部有機(jī)質(zhì)含量較高。全氮含量介于0.64～1.82 g/kg, 整體上分布較均勻，大部分區(qū)域介于1.00～1.50 g/kg,屬于3級(jí)水平，僅劉集鎮(zhèn)北部地區(qū)略低。有效磷含量介于2.50～78.20 mg/kg,具有較大的空間變異,但絕大部分介于20.00～40.00 mg/kg,屬于2級(jí)水平;僅高集鎮(zhèn)北部、牛角店鎮(zhèn)東南部、魚山鎮(zhèn)南部和劉集鎮(zhèn)南部地區(qū)處于3級(jí)水平。速效鉀含量在空間上呈島狀和條帶狀相結(jié)合的分布特點(diǎn)，大部分地區(qū)在150.00 mg/kg以上,屬于2級(jí)及其以上水平，含量總體上很豐富,其中東阿縣中部和南部大片地區(qū)處于1級(jí)水平;僅高集鎮(zhèn)中部、姚寨鎮(zhèn)中部、牛角店鎮(zhèn)東部、顧官屯鎮(zhèn)中西部、魚山鎮(zhèn)北部及南部、姜樓鎮(zhèn)西部和南部少量地區(qū)速效鉀含量稍低,屬于3級(jí)水平；4級(jí)區(qū)域非常稀少。

GIS; 土壤養(yǎng)分; 地統(tǒng)計(jì)分析; 空間相關(guān)性; 普通克里金

土壤養(yǎng)分是衡量土地生產(chǎn)力的指標(biāo),了解其豐缺狀況、變異情況對(duì)測(cè)土配方施肥及實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)具有重要指導(dǎo)意義[1]。因此,研究土壤養(yǎng)分的空間變異特征具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。迄今,關(guān)于土壤養(yǎng)分空間變異的研究較多,主要集中于縣域糧田土壤養(yǎng)分、稻麥兩熟農(nóng)田土壤速效鉀、華北平原典型縣域土壤養(yǎng)分等方面[2-12],但對(duì)黃河下游典型平原縣域土壤養(yǎng)分的變異研究相對(duì)較少[13]。為此,對(duì)黃河下游典型平原縣東阿縣有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀4種土壤養(yǎng)分的空間變異特征進(jìn)行分析,旨在為土地資源可持續(xù)利用及土壤養(yǎng)分精準(zhǔn)管理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

東阿縣位于山東省聊城市東南部,緊鄰黃河,地處魯西北平原(116°02′～116°33′E、36°07′～36°33′N)?？h境沿黃河呈西南東北走向,南北長(zhǎng)52 km,東西寬24.5 km。地勢(shì)由西南向東北傾斜,海拔介于28～40 m,大部分為平原,山丘僅占0.03%,為典型的平原縣域,主要有波狀起伏的高崗、緩坡及洼地、緩坡平地、河間淺平洼地、決口扇形地等5種地形。全縣土地總面積729 km2,耕地面積48 000 hm2[14]。土類主要以潮土為主,包括鹽化潮土、褐土化潮土、潮土3個(gè)亞類。成土母質(zhì)主要以黃河沖積物為主,東阿縣農(nóng)耕歷史悠久,為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū),主要農(nóng)作物有小麥、玉米、大豆、棉花等。

1.2 土樣采集與分析

按照農(nóng)業(yè)部測(cè)土配方施肥的要求,在東阿縣按照隨機(jī)、等量和多點(diǎn)混合的原則,于2012年在研究區(qū)域選取采樣點(diǎn)166個(gè),每個(gè)樣點(diǎn)設(shè)立12個(gè)取土點(diǎn),然后混合成一個(gè)樣品,以確保采集的樣品能代表采樣點(diǎn)的土壤特性。采用S形布點(diǎn)采集耕層0～20 cm土壤,采樣位置集中于每個(gè)采樣單元中心位置的典型地塊,并用GPS標(biāo)定中心點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo),采樣點(diǎn)地理位置見圖1。

圖1 采樣點(diǎn)位置

把所采集的樣品除去雜質(zhì),風(fēng)干,過篩,對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行化學(xué)分析。有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定,全氮含量用凱氏定氮法法測(cè)定,有效磷含量用0.5 mol /L NaHCO3提取—鉬銻抗比色法測(cè)定,速效鉀含量用1 mol/L中性醋酸銨提取—火焰光度計(jì)測(cè)定[15]。

1.3 土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

參照全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[16],對(duì)土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行分級(jí),具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.4 土壤養(yǎng)分空間變異分析方法

地統(tǒng)計(jì)學(xué)是分析土壤特性空間分布特征及其變異規(guī)律的有效方法。變異函數(shù)r(h)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論核心,它是區(qū)域化變量增量平方的數(shù)學(xué)期望,即區(qū)域化變量增量的方差,其計(jì)算公式如下。

式中,N(h)為樣本對(duì)數(shù),Z(x)是系統(tǒng)某屬性在空間位置x處的區(qū)域化隨機(jī)變量,并且滿足二階平穩(wěn)假設(shè),h為兩樣本點(diǎn)空間間隔距離,Z(xi)和Z(xi+h)分別是區(qū)域化變量Z(x)在空間位置xi和xi+h處的實(shí)測(cè)值[i=1,2,...,N(h)][17]。

變異函數(shù)的重要特征值為變程(a)、基臺(tái)值(C0+C)和塊金值(C0)。變程表示土壤要素的空間自相關(guān)范圍,其變化反映引起土壤要素變異主要過程的變化。當(dāng)變程a≤h時(shí),區(qū)域化變量Z(x)的空間相關(guān)性消失。塊金值表示由試驗(yàn)誤差和小于最小取樣尺度引起的隨機(jī)變異,較大的塊金值表明較小尺度上的某種變化過程不容忽視?；_(tái)值通常表示系統(tǒng)內(nèi)的總變異,包括結(jié)構(gòu)性變異和隨機(jī)性變異,是系統(tǒng)或系統(tǒng)屬性中最大的變異,基臺(tái)值越高,表示系統(tǒng)總的空間異質(zhì)性越高。塊金值和基臺(tái)值之比[C0/(C0+C)],即變異系數(shù),反映塊金值占總空間異質(zhì)性變異的大小,比值較高說明由隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性程度較大;相反,則由空間自相關(guān)部分引起的空間異質(zhì)性程度較大;如果接近1,則說明該變量在整個(gè)尺度上具有恒定的變異。從結(jié)構(gòu)性因素的角度來看,C0/(C0+C)可表示系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性程度,如果比例大于25%,說明變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性;在25%～75%,說明變量具有中等的空間相關(guān)性;超過75%時(shí),說明變量空間相關(guān)性很弱[18]。

本研究首先對(duì)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析,判斷各養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的分布特征,然后進(jìn)行趨勢(shì)分析,最后采用普通克里金法進(jìn)行土壤養(yǎng)分的空間插值。進(jìn)行插值時(shí),將方向參數(shù)設(shè)置為各向異性,分別用三角函數(shù)、球面函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等模型進(jìn)行模擬,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)平均值(ME)最接近于0、平均標(biāo)準(zhǔn)誤差(ASE)最接近于均方根預(yù)測(cè)誤差(RMS)、標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測(cè)誤差(RMSS)最接近于1三個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)判斷半方差函數(shù)模型及其參數(shù)是否合適,記錄下最優(yōu)模型的變程、基臺(tái)值、塊金值等重要參數(shù),分析土壤養(yǎng)分變異函數(shù)的特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 東阿縣土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)分析

由表2可知, 黃河下游典型平原縣東阿縣土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)經(jīng)過對(duì)數(shù)變換,全氮、有效磷、速效鉀含量數(shù)據(jù)經(jīng)過Box-Cox變換之后均符合正態(tài)分布。東阿縣土壤有機(jī)質(zhì)含量介于9.50～29.80 g/kg,處于3～5級(jí),平均處于4級(jí);全氮含量介于0.64～1.82 g/kg,處于2～5級(jí),平均處于3級(jí);有效磷含量介于2.50～78.20 mg/kg,處于1～6級(jí),含量分布較分散,平均處于2級(jí);速效鉀含量介于60.00～463.00 mg/kg,處于1～4級(jí), 平均處于1級(jí)。

表2 東阿縣土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)分析

2.2 東阿縣土壤養(yǎng)分含量的空間趨勢(shì)及變異函數(shù)分析

對(duì)東阿縣土壤養(yǎng)分含量變化進(jìn)行趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn),有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀4種土壤養(yǎng)分都呈倒U形,呈現(xiàn)一定的二階趨勢(shì)。因此,對(duì)各土壤養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值時(shí)都選擇二次趨勢(shì)效應(yīng)函數(shù)。通過檢驗(yàn),有機(jī)質(zhì)選擇指數(shù)函數(shù)模型、全氮選擇三角函數(shù)模型、有效磷選擇球面模型、速效鉀選擇球面模型進(jìn)行空間分布插值模擬,參數(shù)如表3所示。由表3可見,東阿縣土壤有機(jī)質(zhì)、全氮的塊金值和基臺(tái)值都較小,表明隨機(jī)部分的空間異質(zhì)性和養(yǎng)分總變異相對(duì)較小;有效磷塊金值和基臺(tái)值相同,表明二者在整個(gè)尺度上都具有恒定的變異;速效鉀塊金值和基臺(tái)值相對(duì)較大,表明隨機(jī)部分的空間異質(zhì)性和養(yǎng)分總變異相對(duì)較大。從變程看,土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀在空間上呈現(xiàn)出明顯的各向異性,分別在1.82～3.98 km、2.34～6.15 km、2.56～6.32 km時(shí)存在空間相關(guān)性,其含量具有較強(qiáng)的空間漸變性特征。有效磷在空間上表現(xiàn)為各向同性,在0～59.65 km存在空間相關(guān)性,超過59.65 km空間相關(guān)性消失。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷含量變異系數(shù)都大于75%,表明其空間相關(guān)性較弱,且養(yǎng)分分布情況主要由隨機(jī)性因素引起。速效鉀含量變異系數(shù)為48.27%,屬于中等程度的空間相關(guān)性, 其分布情況主要由隨機(jī)性因素如灌溉、施肥、耕作、土壤改良等人為活動(dòng),以及結(jié)構(gòu)性因素如地形、氣候、土壤類型等共同作用引起[19]。各養(yǎng)分指標(biāo)空間相關(guān)范圍均大于采樣點(diǎn)平均間隔,可以進(jìn)行空間插值、制圖。

表3 東阿縣土壤養(yǎng)分空間插值模型參數(shù)及檢驗(yàn)指標(biāo)

2.3 東阿縣土壤養(yǎng)分含量的空間變異特征

由圖2可以看出，東阿縣耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量分布相對(duì)穩(wěn)定、差異較小,大部分區(qū)域介于15.00～20.00 g/kg,屬于4級(jí)水平;僅高集鎮(zhèn)東北部、顧官屯鎮(zhèn)西部、劉集鎮(zhèn)西南部、魚山鎮(zhèn)中西部及魚山鎮(zhèn)、劉集鎮(zhèn)、姜樓鎮(zhèn)三鎮(zhèn)交界地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量較低,介于9.50～15.00 g/kg，屬于4～5級(jí);僅銅城街道辦事處西北部、新城街道辦事處東南部、陳集鄉(xiāng)西南角、大橋鎮(zhèn)西北部以及牛角店鎮(zhèn)西南部有機(jī)質(zhì)含量較高,介于20.00～29.80 g/kg，屬于3級(jí)水平。全氮含量整體上分布較均勻，大部分區(qū)域介于1.00～1.50 g/kg,屬于3級(jí)水平；劉集鎮(zhèn)北部地區(qū)全氮含量略低, 介于0.75～1.00 g/kg,屬于4級(jí)水平;全氮含量在2級(jí)和5級(jí)的區(qū)域比較稀少。有效磷含量具有較大的空間變異,介于2.50～78.20 mg/kg,但絕大部分介于20.00～40.00 mg/kg,屬于2級(jí)水平;僅高集鎮(zhèn)北部、牛角店鎮(zhèn)東南部、魚山鎮(zhèn)南部和劉集鎮(zhèn)南部地區(qū)處于3級(jí)水平;其他等級(jí)區(qū)域比較稀少。速效鉀含量在空間上呈島狀和條帶狀相結(jié)合的分布特點(diǎn)，大部分地區(qū)在150.00 mg/kg以上,屬于2級(jí)以上，含量總體上很豐富,其中東阿縣中部和南部大片地區(qū)處于1級(jí)水平;僅高集鎮(zhèn)中部、姚寨鎮(zhèn)中部、牛角店鎮(zhèn)東部、顧官屯鎮(zhèn)中西部、魚山鎮(zhèn)北部及南部、姜樓鎮(zhèn)西部和南部少量地區(qū)速效鉀含量稍低,屬于3級(jí)水平；4級(jí)區(qū)域非常稀少。

圖2 東阿縣土壤養(yǎng)分空間分布情況

3 結(jié)論

在空間上,黃河下游典型平原縣東阿縣的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀3種土壤養(yǎng)分為各向異性,在1.82～6.32 km時(shí)存在空間相關(guān)性;有效磷為各向同性,超過59.65 km之后空間相關(guān)性消失。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀的變異系數(shù)介于48.27%～100.00%。速效鉀表現(xiàn)出中等程度的變異,其空間變化是結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同作用的結(jié)果；有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷空間變異性較弱,主要受隨機(jī)性即人為因素的影響。對(duì)普通克里金插值法獲得的各種養(yǎng)分的空間分布圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，東阿縣絕大部分地區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量處于4級(jí)水平,農(nóng)田普遍施用化肥,有機(jī)肥和畜禽廄糞肥施用不足使得東阿縣耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低。由于存在揮發(fā)、淋失與反硝化損失,氮肥很難在土壤中儲(chǔ)存,東阿縣全氮養(yǎng)分含量絕大多數(shù)地區(qū)處于3級(jí)水平。磷肥相對(duì)易儲(chǔ)存在土壤中,大部分地區(qū)有效磷含量處于2級(jí)水平，含量比較豐富。東阿縣農(nóng)田土壤速效鉀含量豐富,大部分處于1、2級(jí)水平。綜合而言,增施有機(jī)肥，小麥、玉米等作物秸稈還田,推廣平衡配套施肥技術(shù)等是提高東阿縣耕層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的有效措施。

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Analysis of Spatial Variability of Topsoil Nutrients of County Area of the Lower Yellow River—A Case Study of Dong’e County

LU Xiangyang,ZHANG Jinping,WEI Fan,ZHANG Baohua*
(College of Environment and Planning, Liaocheng University,Liaocheng 252059,China)

The spatial variability of soil organic matter,total nitrogen,phosphorus and potassium in Dong’e county of Shandong province was studied by geostatistics and nutrition classification standard for the second national soil survey in this paper.The results showed that soil organic matter contents were 9.50—29.80 g/kg,relatively stable,with most of the area being 15.00—20.00 g/kg,belonged to level 4;only in northeastern Gaoji town,west Guguantun town,southwest Liuji town,midwestern Yushan town,and the junction of Yushan,Liuji and Jianglou towns,the organic matter contents were lower;only in northwest of Tongcheng subdistrict,southeast of Xincheng subdistrict,southwest corner of Chenji country,northwest of Daqiao town and southwest of Niujiaodian town,the organic matter contents were higher.Total nitrogen contents were 0.64—1.82 g/kg and the distribution was more uniform,with most of the area being 1.00—1.50 g/kg,belonged to level 3;only in northern Liuji town,total nitrogen content was lower.Available phosphorus contents were 2.50—78.20 mg/kg,and more dispersed distribution,with most of the area being 20.00—40.00 mg/kg,belonged to level 2;only in northern Gaoji town,southeastern Niujiaodian town,south Yushan town,and south Liuji town,available phosphorus content belonged to level 3.In space,available potassium content had the features of combination of island and strip,was overall abundant,with most of the area being 150.00 mg/kg or more,belonged to level 1 or 2,the large areas of central and southern Dong’e county belonged to level 1;only in a small amount of areas of the central Gaoji town,central Yaozhai town,eastern Niujiaodian town,central and western Guguantun town,northern and southern Yushan town,western and southern Jianglou town,available potassium contents were lower,belonged to level 3,with very scarce area belonged to level 4.

GIS; soil nutrient; geostatistics; spatial correlation; ordinary Kriging

2016-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41201602)；山東省高?？萍加?jì)劃資助經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(J14LH04)；全國(guó)統(tǒng)計(jì)科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014LY057)；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201410447011)

盧向陽(yáng)(1990-)，男，山東德州人，在讀碩士研究生，研究方向：3S技術(shù)應(yīng)用與建模。E-mail:lcdx_lxy@163.com

*通訊作者：張保華(1971-)，男，山東莘縣人，教授，博士，主要從事土壤地理學(xué)、土壤物理學(xué)方面的研究。 E-mail:zhangbaohua@lcu.edu.cn

S158

A

1004-3268(2016)08-0069-05