湘中南土地整理后煙田土壤肥力指標(biāo)評價(jià)及空間變異特征

廖超林, 傅靈藝, 張鵬博, 盛 浩, 于慶濤, 鄒 凱, 張楊珠

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 長沙 410128; 2.邵陽市煙草公司, 湖南 邵陽 422000)

湘中南土地整理后煙田土壤肥力指標(biāo)評價(jià)及空間變異特征

廖超林1, 傅靈藝1, 張鵬博1, 盛 浩1, 于慶濤2, 鄒 凱2, 張楊珠1

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 長沙 410128; 2.邵陽市煙草公司, 湖南 邵陽 422000)

掌握土地整理區(qū)土壤養(yǎng)分特征已成為煙田快速培肥和提升土壤質(zhì)量的首要問題。采用GIS與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，評價(jià)了土地整理后煙田土壤養(yǎng)分等肥力指標(biāo)的適宜性等級狀況及其空間變異特征。結(jié)果表明：研究區(qū)土壤偏酸，有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量普遍缺乏，存在較大面積的缺鉀現(xiàn)象；各肥力指標(biāo)均屬于中等變異，變異系數(shù)大小順序依次為有效磷>速效鉀>堿解氮>有機(jī)質(zhì)>全氮>全磷>全鉀>pH值。有機(jī)質(zhì)和速效鉀的變異函數(shù)比較符合指數(shù)模型，全鉀、堿解氮用高斯模型擬合效果好，而pH值、全磷、全氮和有效磷則以球狀模型擬合效果最佳。肥力指標(biāo)的塊金系數(shù)[C0/(C0+C)]中，土壤有機(jī)質(zhì)、全鉀、堿解氮分別為0.903，0.998，0.823，空間相關(guān)性較弱；而pH值、全氮、全磷和有效磷的塊金系數(shù)[C0/(C0+C)]變化范圍為0.501～0.724，具有中等空間相關(guān)性；各肥力指標(biāo)空間變程為99～1 003 m，最大和最小值分別為全鉀和堿解氮；各肥力指標(biāo)表現(xiàn)出不同的空間分布特征，其中，pH值呈斑塊狀，堿解氮及全鉀呈條帶狀，全磷整體上呈從北至南含量增加的梯度分布格局。

土地整理; 煙田; 肥力指標(biāo); 空間變異

良好的土壤環(huán)境是實(shí)現(xiàn)烤煙穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的必要條件[1]。土壤養(yǎng)分等肥力指標(biāo)是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，其豐缺狀況直接影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)[2]。科學(xué)、準(zhǔn)確地掌握煙田土壤養(yǎng)分狀況，對合理利用土壤資源、改善土壤肥力狀況、調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分供給、指導(dǎo)烤煙合理施肥、促進(jìn)烤煙生產(chǎn)發(fā)展具有重要意義[3]。多年來，土壤養(yǎng)分等肥力指標(biāo)的空間分布定量分析以及空間變異特征研究受到各國學(xué)者的普遍重視[4]，并在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中尤其是在精準(zhǔn)施肥等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用[5-8]。近年來，隨著全國范圍內(nèi)煙田土地整理的開展，通過對植煙土壤進(jìn)行的翻壓和客土填埋，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)、土壤肥力和土壤生態(tài)環(huán)境都發(fā)生了較大的變化，在一定程度上限制了土壤綜合生產(chǎn)能力的提高[9]，掌握土地整理區(qū)土壤養(yǎng)分特征其及土壤肥力狀況已成為煙田快速培肥和提升土壤質(zhì)量首要解決的問題。土地整理對土壤理化性質(zhì)[10]、土壤微生物多樣性[11]、土壤侵蝕[12-13]、土壤質(zhì)量[14]、及生態(tài)環(huán)境[15-16]的影響研究已做了大量工作。本文以湖南邵陽縣金稱市鎮(zhèn)土地整理后的煙田為例，采用GIS與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，評價(jià)土地整理后土壤養(yǎng)分等肥力指標(biāo)的適宜性等級狀況，分析其空間變異特征，為土地開發(fā)利用及土地整理耕地培肥提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于湖南邵陽縣金稱市鎮(zhèn)的西南部，地跨東經(jīng)111°07′06″—110°8′34″，北緯26°49′51″—26°50′42″。東連邵陽縣東部，南連芙荑河，西連大塘村，北接金良村。項(xiàng)目區(qū)緊鄰金稱市鎮(zhèn)，距邵陽縣城28 km，金稱市至東安公路從項(xiàng)目區(qū)附近通過，交通方便。研究區(qū)屬大陸季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，光照充足，雨量充沛。年平均氣溫16.9℃，年日照1 593 h，無霜期280 d，年降雨量1 355 mm[17]。試驗(yàn)區(qū)為湖南省現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)試點(diǎn)項(xiàng)目—金稱市項(xiàng)目區(qū)煙田綜合整治試點(diǎn)，總面積140.53 hm2，土壤母質(zhì)為第四紀(jì)紅色黏土和河流沖積物。該區(qū)土地整理于2012年開始，因區(qū)內(nèi)相對高差較大，采取了土方挖、填與調(diào)配、移除巖石等重度整理方式，經(jīng)過平整深翻，改造坡地，加深活土層等措施，擴(kuò)大了耕地面積，改善了耕作和水利條件，工程于2013年1月完成并交付使用[18]。耕作方式為煙—稻輪作。

1.2 研究方法

1.2.1 采樣方法 采用GPS定位技術(shù)，根據(jù)田塊形狀，按照(80～100 m)×(100～120 m)的規(guī)格，對研究區(qū)土壤進(jìn)行了網(wǎng)格五點(diǎn)梅花法采樣，采用手持GPS標(biāo)記各采樣點(diǎn)坐標(biāo)，共采集耕作層(0—20 cm)土壤農(nóng)化樣213個(gè)，其中土地整理干擾土樣157個(gè)，未干擾土樣56個(gè)。

1.2.2 分析方法 采集的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，經(jīng)風(fēng)干、去雜、過10，100目篩后，供土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮、全磷和有效磷、全鉀和有效鉀的分析。其中土壤有機(jī)碳含量的測定采用重鉻酸鉀-外加熱法，全氮的測定采用凱氏定氮法，堿解氮的測定采用堿解擴(kuò)散法，全磷的測定采用鉬銻抗比色法，有效磷采用NaHCO3提取，鉬銻抗比色法測定，其他指標(biāo)均采用常規(guī)分析法[19]。

1.3 半變異函數(shù)分析方法

1.4 數(shù)據(jù)處理

將手持GPS標(biāo)記的各采樣點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入GS+9.0和ArcGIS10.0軟件，生成具有土壤肥力指標(biāo)信息的采樣樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，用以進(jìn)行空間自相關(guān)分析、半方差函數(shù)計(jì)算以及克里格空間插值分析。

基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，采用GS+9.0軟件完成半變異函數(shù)計(jì)算和理論模型擬合，并結(jié)合ArcGIS軟件GeostatisticalAnalyst工具，對采樣點(diǎn)各土壤肥力指標(biāo)值進(jìn)行克里格插值，生成研究區(qū)土壤肥力指標(biāo)的空間分布圖，完成各肥力指標(biāo)空間部分面積統(tǒng)計(jì)。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析借助Excel2010和SPSS18.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤肥力指標(biāo)評價(jià)及空間變異特征

根據(jù)湖南省種植煙草土壤肥力指標(biāo)豐缺狀況的五級體系[21]，研究區(qū)土壤肥力指標(biāo)劃分為極低、低、適宜、高、很高五個(gè)級別，分析研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量豐缺狀況，指導(dǎo)烤煙生產(chǎn)。

表1為土地整理區(qū)土壤主要肥力指標(biāo)的基本特征。研究區(qū)土壤pH值變化為4.23～8.07，90.01%土壤屬于低等級以下水平；有機(jī)質(zhì)含量均值為15.57±5.94，屬于適宜等級以上的僅占21.23%，極低等級的占14.62%；全氮變化范圍為0.62～3.39g/kg，高等級僅占6.14%；堿解氮變化范圍為23.15～288.30mg/kg，含量為低級以下的高達(dá)74.53%，說明研究區(qū)土壤偏酸，有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量普遍缺乏，應(yīng)適當(dāng)施肥，調(diào)節(jié)土壤酸堿性，增施有機(jī)肥和氮肥，分別增加土壤氮的供應(yīng)強(qiáng)度和有效性。全磷變化范圍為0.34～1.50g/kg，其中71.23%為適宜以上等級，處于高等級的僅占6.60%；有效磷變化范圍為2.00～118.58mg/kg，其中適宜以上等級的達(dá)91.51%，處于很高等級的高達(dá)30.19%，說明研究區(qū)土壤磷豐富；全磷含量高等級水平較少，表明土壤磷的供應(yīng)潛力不足，適量施用磷肥，對防止土壤磷素的缺乏具有很好的防范作用。

表1 土壤肥力指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)分析

注：有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀的單位為g/kg；堿解氮、有效磷、速效鉀的單位為mg/kg。

全鉀含量處于適宜等級以上的則高達(dá)92.45%；速效鉀含量呈現(xiàn)高低分異明顯，處以低級以下水平的為38.21%，適宜和很高等級的分別為20.28%和33.02%，說明研究區(qū)土壤供鉀能力較強(qiáng)，但速效鉀含量存在較大比例的極低等級，說明存在較大面積的缺鉀現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)使用鉀肥。從變異系數(shù)(CV)來看，研究主要肥力指標(biāo)均屬于中等變異，其中pH值變異系數(shù)接近弱變異，為13.32%；有機(jī)質(zhì)和全量養(yǎng)分指標(biāo)為中等變異，變化范圍為31.66%～38.17%；速效養(yǎng)分指標(biāo)最大，堿解氮、有效磷和速效鉀變異系數(shù)分別為43.21%，68.48%和62.31%。pH值變異系數(shù)小，主要受土壤母質(zhì)影響，速效養(yǎng)分變異系數(shù)高于全量養(yǎng)分，可能受土地整理區(qū)表土剝離、回填不均及施肥管理的影響。K-S檢驗(yàn)表明，研究區(qū)pH值、有機(jī)質(zhì)、堿解氮均符合正態(tài)分布；全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換符合正態(tài)分布。

2.2 土壤肥力指標(biāo)的空間變異結(jié)構(gòu)特征

利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+9.0的Semivariance Analysis模塊選用不同的函數(shù)模型對土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行半方差函數(shù)擬合，根據(jù)決定系數(shù)(R2)、殘差(RSS)來選擇最佳的擬合模型，得到各種模型擬合的特征參數(shù)值和半方差函數(shù)圖[22]。表2和圖1為擬合的土壤肥力指標(biāo)最優(yōu)半方差函數(shù)模型的參數(shù)值和半方差函數(shù)圖。由圖中可以看出，有機(jī)質(zhì)和速效鉀的變異函數(shù)比較符合指數(shù)模型，全鉀、堿解氮用高斯模型擬合效果好，而pH值、全磷、全氮和有效磷則以球狀模型擬合效果最佳。

表2 土壤肥力的半方差函數(shù)理論模型及其相關(guān)參數(shù)

由表2可知，邵陽金稱市鎮(zhèn)土地整理區(qū)，各肥力指標(biāo)中土壤pH值塊金值為0.173，其他肥力指標(biāo)變化為0.000 26～0.005 19，說明在當(dāng)前采樣尺度范圍內(nèi)，各肥力指標(biāo)由采樣誤差、短距離的變異、隨機(jī)因素引起的變異小。各肥力指標(biāo)的塊金系數(shù)[C0/(C0+C)]中，土壤有機(jī)質(zhì)、全鉀、堿解氮分別為0.903，0.998，0.823，其值均大于0.75，空間相關(guān)性較弱[8]，其空間變異是由隨機(jī)性因素作用引起的[19]。說明土壤有機(jī)質(zhì)、全鉀和堿解氮受自然因素影響小，主要受人為因素即土地整理、耕作、施肥等的影響；pH值、全氮、全磷和有效磷的塊金系數(shù)[C0/(C0+C)]變化范圍為0.501～0.724，在0.25～0.75，具有中等空間相關(guān)性，其空間變異是由隨機(jī)性因素和結(jié)構(gòu)性因素共同作用引起的。說明存在一定自然因素即土壤氣候、母質(zhì)、地形等的影響。變程表示隨機(jī)變量在空間上的自相關(guān)性尺度，也稱為空間最大相關(guān)距離，反映了變量空間自相關(guān)范圍的大小[23]。區(qū)內(nèi)以全鉀的變程最大，為1 003 m，pH值、全氮、全磷、有效磷和速效鉀的變程相對較大，變化范圍243～761 m，說明環(huán)境因素在較大尺度上控制著其空間異質(zhì)性[24]；土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮變程較小，分別為132 m和99 m，說明這2種肥力指標(biāo)在較小尺度下具有最顯著的空間變異性，空間分布特征也最為復(fù)雜，與塊金系數(shù)一致。

圖1 土壤肥力指標(biāo)半方差函數(shù)

2.3 土壤肥力指標(biāo)空間分布格局分析

依據(jù)地統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，根據(jù)待測點(diǎn)周邊范圍內(nèi)已測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，在考慮已測點(diǎn)與待測點(diǎn)之間樣點(diǎn)的形狀、大小、空間相互位置關(guān)系及結(jié)構(gòu)信息后，對待測點(diǎn)進(jìn)行的線性無偏最優(yōu)估計(jì)。在半方差函數(shù)理論模型的基礎(chǔ)上，采用Krging法繪制土壤肥力指標(biāo)的空間分布圖。研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮等肥力指標(biāo)的正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布保證了Krging空間插值的有效性。

圖2，3可以看出，研究區(qū)土壤pH值呈區(qū)域斑塊狀分布，通過矢量化面積統(tǒng)計(jì)表明，金稱市鎮(zhèn)土地整理區(qū)以pH值為5.1～5.7的土壤分布面積最大，為93.83 hm2，占區(qū)域總面積的65.64%；pH值為4.8～5.1，5.7～6.6，6.6～8.1的土壤分布面積分別占6.38%，26.33%和1.64%，其中pH值為6.6～8.1的區(qū)域主要為土地整理連片未干擾區(qū)和土壤母質(zhì)為河流沖積物的區(qū)域，說明pH值空間分布格局受土壤母質(zhì)和土地整理區(qū)域分布影響，連片未干擾區(qū)和河流沖擊物母質(zhì)土壤pH值相對較高，連片干擾區(qū)，土壤pH值低，酸化作用明顯。

圖2 土壤肥力指標(biāo)空間分布

土壤有機(jī)質(zhì)含量以13～17 g/kg空間分布面積最大，占區(qū)域總面積的78.34%，土壤有機(jī)質(zhì)含量最低和最高值均分布在研究區(qū)四周，與土地整理強(qiáng)度的邊際效應(yīng)相關(guān)，核心區(qū)土地整理強(qiáng)度大，區(qū)域邊際則土地整理作用強(qiáng)度相對小。土壤全氮以1.1～1.4 g/kg的分布面積最大，占區(qū)域總面積的70.69%，與有機(jī)質(zhì)呈一致的分布規(guī)律，與土壤全氮受有機(jī)質(zhì)影響相關(guān)，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，則全氮含量升高。土壤堿解氮以含量為23～54 mg/kg的分布面積最少，為2.46 hm2，占區(qū)域總面積的1.72%，54～71 mg/kg和71～103 mg/kg分別占區(qū)域總面積的48.64%和49.64%，從西北—東南呈增加—降低—增加—降低的條帶形分布格局。全磷以含量為0.4～0.5 g/kg的土壤分布面積最廣，為80.11 hm2，占區(qū)域總面積的56.04%，含量為0.8～1.5 g/kg的土壤分布面積僅占0.51%，含量為0.5～0.6，0.6～0.8 g/kg的土壤分布面積分別占28.70%和14.75%，分布格局除呈現(xiàn)東端高于西端外，核心區(qū)整體上呈現(xiàn)從北至南，含量增加的梯度分布規(guī)律。有效磷以含量為21～35 mg/kg的土壤分布面積最大，占區(qū)域的49.64%；其次為含量在15～21 mg/kg范圍的土壤，占區(qū)域的36.83%；以南端河流沖積物母質(zhì)發(fā)育的土壤較高，土壤有效磷含量范圍為35～62 mg/kg，占區(qū)域總面積的6.82%；區(qū)域整體空間分布格局與全磷較為一致，南高北低，東端高于西端。全鉀含量從西北—東南逐漸升高，呈現(xiàn)明顯的條帶狀分布規(guī)律，與研究區(qū)階梯形地形分布一致，說明其分布受地形影響明顯；此外，全鉀含量為23～33 g/kg的土壤分布面積為25.03 hm2，占區(qū)域面積的17.51%，且土壤主要為河流沖積物母質(zhì)，表明土壤母質(zhì)對全鉀含量也具有影響作用。土壤速效鉀含量以西端土地整理未干擾的土壤和南部邊緣河流沖積物母質(zhì)發(fā)育的土壤含量較低；土地整理核心區(qū)速效鉀含量相對較高，均處在120～182，182～305 mg/kg，分別占區(qū)域面積的60.44%和19.74%，可能是由于土地整理對土壤的破壞和翻填作用，促進(jìn)了土壤中礦物鉀的風(fēng)化和釋放的結(jié)果。

圖3 土壤肥力指標(biāo)空間分布面積統(tǒng)計(jì)

3 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)土壤pH值 90.01%屬于低等級以下水平；有機(jī)質(zhì)含屬于適宜等級以上的僅占21.23%；全氮高等級僅占6.14%；堿解氮含量為低級以下的高達(dá)74.53%，說明研究區(qū)土壤偏酸，有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量普遍缺乏。全磷71.23%為適宜以上等級；有效磷適宜以上等級的達(dá)91.51%，處于很高等級的高達(dá)30.19%，說明研究區(qū)土壤磷豐富；全鉀含量處于適宜等級以上的則高達(dá)92.45%；速效鉀含量呈現(xiàn)高低分異明顯，存在較大比例的極低等級，說明存在較大面積的缺鉀現(xiàn)象。在今后施肥過程中需要調(diào)節(jié)土壤酸堿性，增施有機(jī)肥，適量施用氮磷鉀肥。從變異系數(shù)(CV)來看，研究主要肥力指標(biāo)均屬于中等變異。

(2) 有機(jī)質(zhì)和速效鉀的變異函數(shù)比較符合指數(shù)模型，全鉀、堿解氮用高斯模型擬合效果好，而pH值、全磷、全氮和有效磷則以球狀模型擬合效果最佳。土壤有機(jī)質(zhì)、全鉀、堿解氮空間相關(guān)性較弱主要受土地整理耕作管理等人為因素影響；pH值、全氮、全磷和有效磷具有中等的空間相關(guān)性，存在土壤母質(zhì)地形等因素的影響。區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮變程在較小尺度下具有最顯著的空間變異性。

(3) 土壤pH值呈區(qū)域斑塊狀分布，受土壤母質(zhì)及土地整理區(qū)域分布影響；土壤有機(jī)質(zhì)和全氮呈一致的分布規(guī)律，與土地整理強(qiáng)度的邊際效應(yīng)相關(guān)；土壤堿解氮西北—東南呈增加—降低—增加—降低的條帶形分布格局。全磷分布格局除呈現(xiàn)東端高于西端外，核心區(qū)整體上呈現(xiàn)從北至南，含量增加的梯度分布規(guī)律。有效磷以南端河流沖積物母質(zhì)發(fā)育的土壤較高，南高北低，東端高于西端。全鉀含量呈現(xiàn)明顯的條帶分布規(guī)律，可能受地形影響；速效鉀含量以西端土地整理未干擾的土壤和南部邊緣河流沖積物母質(zhì)發(fā)育的土壤含量較低。

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AssessmentandSpatialVariationofSoilFertilityIndicesinTobaccoFieldAfterLandConsolidationinCentral-SouthernHunanProvince

LIAO Chaolin1, FU Lingyi1, ZHANG Pengbo1, SHENG Hao1,YU Qingtao2, ZOU Kai2, ZHANG Yangzhu1

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,HNAU,Changsha410128,China;2.ShaoyangMunicipalTobaccoCorporation,Shaoyang422000,China)

It is significant to explore soil nutrient features in tobacco field for fertilizer application and soil quality improvement in land consolidation area. The assessment and spatial variation of soil fertility indices in tobacco field after land consolidation had been explored based on a combination of geostatistics with GIS. The results showed that soil pH was relatively lower, most of soils were lacking organic matter (OM) and available nitrogen (AN) as well as potassium; all of soil fertility indices belonged to middle-grades variability and variation coefficients decreased in the order: available phosphorus (AP)>available (AK)>AN>OM>total phosphorus (TP)>total potassium (TK)>pH. Soil OM and AK were well described by exponential model, and the fitting semi-variance model for soil TK and AN was Gaussian, and the best matching effect of soil pH, TP, TN and AP was the spherical model. The results of semi-variance analysis showed that the nugget/still ratios of soil OM, TK, AN were 0.903，0.998 and 0.823, respectively, and their spatial correlations were relatively weak, the nugget/still ratios of soil pH, TN, TP and AP ranged from 0.501 to 0.724, and their spatial correlations were relatively middle. The range of different soil fertility indices varied from 99 to 1 003 m, and the values of TK and AN were the maximum and minimum, respectively. Meanwhile, its kriging map differentiated each other, such as pH embodied spotted type, AN and TK showed stripped pattern, however, TP had the type of increasing gradient distribution from the northern area to the southern area.

land consolidation; tobacco field; fertility indices; spatial variation

2016-03-19

：2016-04-08

湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(15A085)；湖南省煙草公司2014年度重點(diǎn)科技項(xiàng)目(14-16ZDAa01)；湖南省煙草公司邵陽市公司資助項(xiàng)目(12143)

廖超林(1975—),男,湖南衡南人,博士,副教授,主要從事土壤質(zhì)量與水土保持研究。E-mail:clliao@163.com

S153.6

：A

：1005-3409(2017)02-0105-07