基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的耕層土壤有效態(tài)微量元素空間變異特征研究

孫翠珊+李玉環(huán)+陳明

摘要：運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和ArcGIS技術(shù)相結(jié)合的方法，研究了威海市文登區(qū)農(nóng)田土壤有效態(tài)微量元素的空間變異分布特征。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，有效B、Fe、Mn、Cu 和 Zn 符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，土壤中有效態(tài)微量元素含量均在正常范圍之內(nèi)，總體偏低。土壤微量元素的變異系數(shù)差異較大，分配不均衡，有效Fe、Mn、Zn、Cu均屬中等變異程度（10%～100%） ，而有效B屬低等變異程度（<10%）。結(jié)構(gòu)分析表明，文登區(qū)土壤微量元素含量空間變異具有各向異性， 塊金值與基臺(tái)值的比值均小于25%，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，說明在該研究區(qū)內(nèi)，受人為因素的影響較小?？臻g局部差值結(jié)果表明，中部低山丘陵區(qū)有效Fe 含量較高，中南部邊界地帶含量最低，且有區(qū)域性特征，有效Mn的分布特征與有效Fe有一定的相似性，有效Cu在北部山區(qū)、中北部圣經(jīng)山以及中南部低山丘陵一帶較為集中，有效Zn和有效B地域差異不明顯，分布較為細(xì)碎化。利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析本區(qū)土壤有效態(tài)微量元素的空間變異結(jié)構(gòu)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)合理布局、土壤資源綜合治理具有重要意義。

關(guān)鍵詞：耕層土壤；微量元素；空間變異；Kriging插值

中圖分類號(hào)：S158 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2017）07-0081-05

Abstract In this paper， the spatial variability characteristics of available microelements in farmland soils in Wendeng District of Weihai City were studied by means of geostatistics and ArcGIS. The results of statistical analysis showed that the available B， Fe， Mn， Cu and Zn accorded with the logarithmic normal distribution， and the contents of trace elements were all within the normal range， but the total level was lower. The variation coefficients of soil microelements had greater differences and the distribution was not balanced. The available Fe， Mn， Zn and Cu belonged to moderate degree of variation （10%～100%）， while the available B belonged to low degree of variation （<10%）. Structural analysis showed that the spatial variation of trace elements in Wendeng had anisotropy. The ratio of gold value to base value was less than 25%， so there was strong spatial correlation. It indicated that the influence of human factors was smaller in this region. The results of spatial local difference showed that the available Fe content was higher in the middle hilly area of central China， while the lowest in the central and southern regions， which presented regional characteristics. The distribution of available Mn had some similarity to the available Fe. The available Cu mainly concentrated in the northern mountains， the back of the Bible and the middle and south of hilly area. The difference between the available Zn and B was not obvious， and their distribution appeared fragmentation. Using the method of geostatistics to understand the spatial variation structure of soil microelements in this area would be of great significance to rational distribution of agricultural production and comprehensive management of soil resources.

Keywords Plow layer soil； Trace elements； Spatial variability； Kriging interpolation

微量元素是土壤的重要組成成分，是表征土壤質(zhì)量的重要因子[1]，雖然在土壤中含量比較低，但對(duì)作物正常生長影響廣泛，有重要探究意義。近年來，許多國內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤微量元素進(jìn)行了多方面探究，基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的內(nèi)插方法能夠更好地反映微量元素的空間分布特征，推動(dòng)對(duì)微量元素空間異質(zhì)性研究探討，比如徐尚平等[2]用克里格法分析了內(nèi)蒙地區(qū)土壤微量元素的空間結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)母質(zhì)和以土類為代表的表生地球化學(xué)作用是影響分布模式的主要因素。張慶利等[3]對(duì)城郊蔬菜基地、趙彥峰等[4]對(duì)城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)分析耕層土壤有效微量元素空間分布的影響因素認(rèn)為，有效鋅和有效銅的含量主要受人類活動(dòng)影響。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用的氮、磷肥等將導(dǎo)致土壤-植物系統(tǒng)中微量營養(yǎng)元素的失衡，從而引起微量元素的缺乏[5]。

本文在前人對(duì)文登區(qū)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合文登區(qū)土地類型、地形、利用現(xiàn)狀等因素分析了土壤有效態(tài)微量元素的空間分布規(guī)律，有效彌補(bǔ)了文登區(qū)土壤養(yǎng)分分析的不足，以更全面直觀地了解文登區(qū)微量元素分布現(xiàn)狀，有助于精準(zhǔn)施肥，因地制宜，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

文登位于山東半島東部，在北緯36°52′～37°23′、東經(jīng)121°43′～122°19′之間。西阻于昆崳山，與煙臺(tái)市牟平區(qū)和乳山市相接，北連威海市環(huán)翠區(qū)，東鄰榮成市，南瀕黃海?？偯娣e1 645 km2，海岸線155.88 km。全市土地總面積161 461.77 hm2，農(nóng)用地占土地總面積的74.90%。文登位于新華夏系第二隆起的東部，總的地質(zhì)特點(diǎn)是：地質(zhì)簡單，巖漿巖分布廣泛，構(gòu)造不太發(fā)育。全境兩側(cè)高，中間低，北部高，南部低，像一個(gè)簸箕，口向南，伸向黃海。境內(nèi)地形復(fù)雜，丘陵起伏，溝壑縱橫，平原沿河谷兩岸及濱海地區(qū)呈帶狀展布。山地占總面積19%，丘陵占58.4%，平原占22.6%。文登地處北溫帶，屬大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。降水分布不均，夏季較為集中，春秋季降水偏少，常發(fā)生干旱。根據(jù)全區(qū)第二次土壤普查資料，全區(qū)土壤有6個(gè)土類，10個(gè)亞類，14個(gè)土屬，97個(gè)土種，179個(gè)變種。棕壤是全區(qū)主要土壤類型，分布于各地，可利用土地面積13.15×104 hm2，占可利用總面積的83.59%。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與分析 2011 年 9 月（作物收割后） 進(jìn)行耕層土壤（0～20 cm）的取樣，以威海市文登區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖為基礎(chǔ)圖件，結(jié)合研究區(qū)實(shí)地情況，根據(jù)均勻布點(diǎn)原則并進(jìn)行實(shí)地采樣，采取多點(diǎn)混合和四分法采集 0～20 cm 耕作層土壤，用手持GPS定位采樣點(diǎn)，共布設(shè)2 387個(gè)土壤采樣點(diǎn)，經(jīng)篩選選取1 086個(gè)采樣點(diǎn)（圖1）。

土壤有效鐵的測定采用鄰二氮菲分光光度法[6]；有效鋅、錳的測定采用DTPA浸提-原子吸收分光光度法[7]；土壤有效硼通常是指以沸水提取的硼，用甲亞胺比色法測定；有效銅采用火焰原子吸收分光光度法測定。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析 利用 SPSS 19.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行K-S檢驗(yàn)和一般描述性統(tǒng)計(jì)，剔除原始數(shù)據(jù)中的異常值后，如不符合正態(tài)分布，需進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換。利用GS+7.0和ArcGIS10.0軟件互相輔助對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差分析和擬合，依據(jù)變異函數(shù)理論模型參數(shù)，選取最優(yōu)擬合方法，在地統(tǒng)計(jì)模塊中進(jìn)行普通Kriging插值，生成微量元素空間變異分布圖。

半變異函數(shù)的理論模型可用來分析土壤理化性質(zhì)空間變異的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性，它是地統(tǒng)計(jì)學(xué)特有的工具和分析的基礎(chǔ)[8]。變異函數(shù)是研究空間變異的關(guān)鍵函數(shù)[9]，該函數(shù)為：

r（h）=12δ2[Z（x+h）-Z（x）]。

式中：h—樣本間距；Z（x）—在位置x處的數(shù)值；Z（x+h）—在距離x+h處的數(shù)值[10]。

實(shí)際工作中區(qū)域化變量的變異性往往很復(fù)雜，它可能在不同的方向上呈現(xiàn)不同的變異性，或者在同一方向上包含著不同尺度的多層次的變異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有效態(tài)微量元素的統(tǒng)計(jì)分析特征

土壤有效態(tài)微量元素指標(biāo)的描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。按照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，文登區(qū)土壤有效態(tài)微量元素含量差異較大，有效Fe、Mn、Cu、Zn、B 含量的變化范圍分別為2.02～9.32、1.63～8.52、0.03～0.94、0.01～0.72、0.10～0.26 mg/kg，其平均含量分別為4.26、4.35、0.31、0.22、0.24 mg/kg，其中有效Mn的平均含量最高，有效Zn的平均含量最低。按照山東省土壤有效態(tài)微量元素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從平均含量來看，有效態(tài)Fe 處于低等水平（2.5～4.5 mg/kg），有效Mn處于低等水平（1～5 mg/kg），有效Cu處于中等水平（0.2～1.0 mg/kg），有效Zn處于低等水平（<0.5 mg/kg），有效B處于低等水平（<0.25 mg/kg）。由土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[11]可知，有效Cu、Zn、Mn 均未超過國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。按照反映離散程度的變異系數(shù)大小的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，有效Fe、Mn、Zn、Cu均屬中等變異程度（10%～100%），而有效B屬低等變異程度（<10%）。正態(tài)分布檢驗(yàn)表明，各微量元素原始數(shù)據(jù)均表現(xiàn)為尖峰、正偏性，經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后，符合正態(tài)分布，滿足地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的要求。

2.2 土壤有效態(tài)微量元素空間異質(zhì)性特征分析

塊金值也叫塊金方差，反映的是最小抽樣尺度以下變量的變異性及測量誤差，表示隨機(jī)部分的空間異質(zhì)性。塊金值與基臺(tái)值的比值為空間相關(guān)度，表示可度量空間自相關(guān)的變異所占的比例，表明系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性的程度。如果比值<25%，說明具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；如果比值在25%～75%之間，表明具有中等的空間相關(guān)性；若>75%說明空間相關(guān)性很弱。如表2所示，各個(gè)微量元素塊金值/基臺(tái)值均小于25%，說明具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，說明在該研究區(qū)內(nèi)，受人為因素（耕作、施肥、種植制度等） 的影響較小。由表2可知，土壤微量元素的半方差函數(shù)擬合效果最優(yōu)，有效Fe、Mn、Cu、Zn用指數(shù)模型擬合效果最優(yōu)，有效B用球狀模型擬合效果最優(yōu)。

2.3 土壤有效態(tài)微量元素含量的空間局部插值分析

空間插值分布圖可以更直觀地體現(xiàn)土壤微量元素含量的變化，為便于全面、直觀地揭示土壤微量元素的空間分布規(guī)律，在 ArcGIS10.0 中，對(duì)各個(gè)微量元素采用普通Kriging插值（圖2）。中部低山丘陵區(qū)有效Fe含量較高，在 6.0 mg/kg 以上，中南部邊界地帶有效Fe 含量最低，且有區(qū)域性特征，基本在小觀鎮(zhèn)范圍內(nèi)，土地利用類型是菜地和果園。有效Mn的分布特征與有效Fe有一定的相似性，環(huán)繞在鐵元素密集區(qū)周圍。有效Cu在北部山區(qū)、中北部圣經(jīng)山以及中南部低山丘陵一帶較為集中。有效Zn和有效B地域差異不明顯，分布較為細(xì)碎化，說明受人類活動(dòng)、地形和土地利用類型影響比較少。張忠啟等[12]研究了江蘇省沛縣土壤全氮空間變異性，土壤類型對(duì)土壤全氮含量有著重要影響，成土母質(zhì)是影響空間分布的重要因素。微量元素空間分布較為復(fù)雜，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要與研究區(qū)的成土母質(zhì)有關(guān)，成土母質(zhì)是影響微量元素含量和空間分布的首要因素[13]，文登區(qū)成土母質(zhì)大部分為酸性巖風(fēng)化物，土壤代換量平均在6.5 cmol/kg土，保肥能力弱。

3 討論

通過對(duì)文登區(qū)土壤有效態(tài)微量元素的分析，應(yīng)從以下兩個(gè)方面加強(qiáng)研究：

（1）全面統(tǒng)計(jì)微量元素的空間信息，利用ArcGIS空間分析功能，結(jié)合土地利用現(xiàn)狀、類型、地形、氣候等相關(guān)數(shù)據(jù)，整合土壤有機(jī)質(zhì)與氮磷鉀大量元素信息，進(jìn)行土壤養(yǎng)分綜合分析，提高插值精度，為進(jìn)一步開展文登區(qū)土壤監(jiān)察與改良提供理論依據(jù)。

（2）文登區(qū)土壤有效態(tài)微量元素含量均在正常范圍之內(nèi)，總體偏低，施肥是土壤養(yǎng)分補(bǔ)給的重要來源，在施肥過程中土壤微量元素也會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化，應(yīng)根據(jù)不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段和科學(xué)施肥水平，因地制宜加快配方肥推廣，綠色防控，逐步淘汰高毒、高殘留化學(xué)農(nóng)藥應(yīng)用，規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化使用化學(xué)投入品，不斷改良土壤，使土壤養(yǎng)分達(dá)到生態(tài)平衡，改善缺乏現(xiàn)狀，助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

4 結(jié)論

本研究運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，借助GS+軟件輔助調(diào)參，運(yùn)用克里格內(nèi)插的方法分析了威海市文登區(qū)耕層土壤微量元素空間變異特征，主要結(jié)論如下：

（1）統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，有效B、Fe、Mn、Cu和Zn 符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，土壤中有效態(tài)微量元素含量均在正常范圍之內(nèi)，總體偏低，有效Cu 處于中等水平，其他元素均處在低等水平，處于普遍缺乏狀態(tài)。土壤微量元素的變異系數(shù)差異較大，分配不均衡，有效Fe、Mn、Zn、Cu均屬中等變異程度（10%～100%） ，而有效B屬低等變異程度（<10%）。

（2）利用普通Kriging插值方法，在半變異函數(shù)擬合模型基礎(chǔ)上，分析了土壤有效態(tài)微量元素的地統(tǒng)計(jì)特征，文登區(qū)土壤微量元素含量空間變異具有各向異性， 塊金值/基臺(tái)值均小于25%，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，說明在該研究區(qū)內(nèi)，受人為因素的影響較小。有效態(tài)元素Fe、Cu、Mn 和 Zn 用指數(shù)模型擬合較好，有效B用球狀模型擬合較好。

（3）通過制作該區(qū)域土壤微量元素含量的空間局部差值圖，分析了其空間分布規(guī)律。中部低山丘陵區(qū)有效Fe 含量較高，中南部邊界地帶含量最低，且有區(qū)域性特征，有效Mn的分布特征與有效Fe有一定的相似性，有效Cu在北部山區(qū)、中北部圣經(jīng)山以及中南部低山丘陵一帶較為集中，有效Zn、B地域差異不明顯，分布較為細(xì)碎化。

參 考 文 獻(xiàn)：

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