柴達(dá)木盆地枸杞種植區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異特征

李月梅

(1.青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院土壤肥料研究所，青海 西寧 810016；2.青海省高原作物種質(zhì)資源創(chuàng)新與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，青海 西寧 810016；3.農(nóng)業(yè)部西寧農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，青海 西寧 810016)

【研究意義】自20世紀(jì)70年代以來(lái)，土壤養(yǎng)分的空間變異已逐漸成為研究熱點(diǎn)[1-2]，其作為土壤的重要屬性之一，是由土壤類型、地形、母質(zhì)以及土地利用方式、人為耕作管理措施等各種因素在不同方向和尺度上共同作用的結(jié)果[3]。柴達(dá)木盆地是我國(guó)近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新興枸杞種植區(qū)，自本世紀(jì)初開(kāi)始大規(guī)模引進(jìn)枸杞以來(lái)，其種植面積逐漸擴(kuò)大。當(dāng)?shù)卣畬⑵淞腥爰哟筠r(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，加快農(nóng)牧民增收、推動(dòng)防沙治沙及生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)的重點(diǎn)工程之一，目前枸杞已成為當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)特色產(chǎn)業(yè)[4]。針對(duì)這種現(xiàn)狀，研究柴達(dá)木盆地枸杞種植區(qū)土壤養(yǎng)分狀況及其空間變異特征具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】部分學(xué)者對(duì)柴達(dá)木盆地土壤性質(zhì)開(kāi)展了一些研究[5-6]。研究表明，青海柴達(dá)木盆地唐古特白刺分布區(qū)域土壤養(yǎng)分含量存在顯著空間變異性，土層深度對(duì)土壤養(yǎng)分含量有顯著影響，但各養(yǎng)分指標(biāo)含量隨土層深度變化規(guī)律不明顯。陳輝[6]通過(guò)采集柴達(dá)木盆地東部青藏公路沿線典型植被類型的樣地土壤對(duì)柴達(dá)木盆地東部土壤有機(jī)質(zhì)分布規(guī)律開(kāi)展了研究。【本研究切入點(diǎn)】枸杞產(chǎn)量與品質(zhì)的高低與土壤養(yǎng)分關(guān)系密切，但目前關(guān)于整個(gè)柴達(dá)木盆地枸杞種植區(qū)域土壤養(yǎng)分及其空間變異研究尚未見(jiàn)報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】因此，從改善柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境、提高經(jīng)濟(jì)林(枸杞)產(chǎn)量，以及保持農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)和地統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法研究柴達(dá)木盆地枸杞種植區(qū)土壤主要養(yǎng)分的空間變異特征，對(duì)于該地區(qū)農(nóng)林業(yè)土壤合理利用和施肥管理決策提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本概況

柴達(dá)木盆地地跨北緯 35′00″～ 39′20″，東經(jīng)90′16″～99′16″，海拔 2675～ 3350 m，總面積約24.68×104km2，是我國(guó)著海拔最高的高原斷陷內(nèi)陸盆地。盆地氣候極度干燥少雨，冬季寒漫長(zhǎng)，夏季涼爽短促，四季不分明，屬典型的大陸性氣候。四周高山環(huán)繞，氣溫垂直變化和水平分帶明顯。年平均氣溫在1.1～5.1 ℃，晝夜氣溫變化大，日較差最大值達(dá)30 ℃以上；≥0 ℃連續(xù)積溫 2000～2800 ℃，持續(xù)日數(shù) 190～218 d。全盆地年平均日照時(shí)數(shù)在3000 h以上，年蒸發(fā)量2200～3500 mm，且呈現(xiàn)出由東向西遞增的趨勢(shì)。

柴達(dá)木盆地從四周高山至盆心，分為5個(gè)自然帶：即大斷裂高山碎石帶、山前戈壁沙礫帶、洪積傾斜細(xì)土平原帶、河湖上沿草甸鹽土帶、洪積扇下沿湖濱鹽沼帶[7]。其中細(xì)土平原帶是盆地發(fā)展農(nóng)牧業(yè)的精華地帶，分布高程在海拔2700～3200 m之間，為沖、洪積平原，地勢(shì)平坦，面積約47.18萬(wàn)hm2，占盆地土地總面積的9.6 %，水土、氣候條件較好。20世紀(jì)80年代以來(lái)在細(xì)土平原帶上已開(kāi)發(fā)耕地面積約為4.74萬(wàn)hm2，主要分布在盆地東部和南部山前細(xì)土帶和北部祁連山麓的山間盆地細(xì)土帶，擁有德令哈、察汗烏蘇、香日德、諾木洪、格爾木等綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，在青海省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中具有重要的地位[8]。目前盆地內(nèi)約有45萬(wàn)667m2枸杞園均建植在細(xì)土平原帶上。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤采集與分析 2015年選擇青海省海西蒙古族自治州的德令哈市、都蘭縣、格爾木市和烏蘭縣各枸杞主產(chǎn)區(qū)土壤類型和肥力具有代表性的種植園，采用GPS定位技術(shù)采集耕層混合土壤樣品，土壤樣品采集深度0～20 cm，每個(gè)樣品由 5 個(gè)采樣點(diǎn)的混合而成，用四分法保留 約1.5 kg，并記錄調(diào)查該樣點(diǎn)的枸杞苗齡、原土地利用方式、施肥情況、田間管理、灌溉制度等情況。共采集土壤樣品291個(gè)，土壤樣品采集后帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)自然風(fēng)干后，揀出礫石及植物根系等雜物，將土樣磨細(xì)后分別過(guò)1、0.25、0.149 mm篩后制成待測(cè)樣，用于土壤測(cè)定(圖1)。

土壤養(yǎng)分含量測(cè)定采用常規(guī)分析方法進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定指標(biāo)主要包括：pH值、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀。其中土壤 pH值 采用電位法(水土比為2.5∶1 )測(cè)定；有機(jī)質(zhì)采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法測(cè)定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；速效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀采用乙酸銨浸提火焰光度法測(cè)定。

圖1 柴達(dá)木盆地枸杞種植區(qū)土壤樣點(diǎn)分布Fig.1 Map of soil sampling sites in wolfberry planting area of Qaidam basin

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 本研究的數(shù)據(jù)分析采用Fisher統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，涉及地統(tǒng)計(jì)學(xué)的主要包括半方差函數(shù)和半方差函數(shù)模型[9]，地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法是研究空間變異性的一種重要方法，是以區(qū)域化變量為核心和理論基礎(chǔ)，以空間相關(guān)和半方差函數(shù)為基本工具的一種數(shù)學(xué)地質(zhì)方法[10]。半方差函數(shù)和半方差函數(shù)模型的參照王政權(quán)[9]、王學(xué)鋒[10]的文獻(xiàn)。本文主要采用線性模型、指數(shù)模型、球形模型和高斯模型等半方差模型進(jìn)行描述，綜合考慮決定系數(shù)R2最大、殘差最小以選出最優(yōu)半方差函數(shù)模型[12]。

本研究采用GS+7.0用于分析半方差函數(shù)選擇合適的半方差模型、輸出半方差函數(shù)圖；通過(guò)SPSS軟件檢驗(yàn)；出各養(yǎng)分指標(biāo)的分布是否符合正態(tài)分布，運(yùn)用軟件ArcGIS10.3完成地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和Kriging插值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分的統(tǒng)計(jì)特征

由表1顯示，用Fisher經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法來(lái)判別樣本分布類型統(tǒng)計(jì)中數(shù)、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等，在一定程度上反映研究區(qū)域總體養(yǎng)分水平及變異狀況，柴達(dá)木盆地枸杞種植區(qū)土壤pH值中性偏堿，平均值為8.4。土壤有機(jī)質(zhì)的平均含量為11.18 g·kg-1，堿解氮為147.24 mg·kg-1，速效磷為23.38 mg·kg-1，速效鉀為189.3 mg·kg-1。依據(jù)全國(guó)第二次土壤普查時(shí)的青海省土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及海西州養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的平均含量進(jìn)行分級(jí)，試驗(yàn)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)屬中等水平，堿解氮屬高水平；土壤速效磷和速效鉀的平均含量屬于高水平范圍。從變異系數(shù)看，研究區(qū)域內(nèi)土壤各指標(biāo)存在不同程度的變異，變異范圍在4.3 %～118.9 %。速效磷和堿解氮的變異系數(shù)處于最高，分別高達(dá)118.9 %和118.4 %，pH值變異系數(shù)最低，為4.3 %，有機(jī)質(zhì)和速效鉀的變異系數(shù)居于兩者之間，分別為67.4 %和65.2 %。

土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)分析方法只能說(shuō)明養(yǎng)分含量變化的全貌，不能反映土壤養(yǎng)分的結(jié)構(gòu)性、隨機(jī)性、相關(guān)性和獨(dú)立性，因此必須進(jìn)一步采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析進(jìn)行土壤養(yǎng)分含量的空間變異結(jié)構(gòu)的分析和探討[13]。

2.2 土壤養(yǎng)分空間變異特征

如表2所示，在土壤養(yǎng)分空間變異研究中，準(zhǔn)確估算土壤某一養(yǎng)分半方差函數(shù)模型是關(guān)鍵所在，因?yàn)榘敕讲詈瘮?shù)反映了土壤養(yǎng)分的空間變異結(jié)構(gòu)，直接影響土壤養(yǎng)分克立格插值計(jì)算[14]?；仔?yīng)[C0/(C+C0) ]一般用來(lái)表征空間變異性程度[9]。如果該比值較高，說(shuō)明由隨機(jī)部分引起的空間變異程度較大；相反則由空間自相關(guān)部分引起的空間變異程度較大；如果該比值接近1，則說(shuō)明該變量在整個(gè)尺度上具有恒定的變異[15]。按照區(qū)域化變量空間相關(guān)性程度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[16]，變量基底效應(yīng)< 25 %時(shí)，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，在25 %～75 %，變量具有中等的空間相關(guān)性，> 75 %時(shí)，變量的空間相關(guān)性較弱。本研究中，基底效應(yīng)大于70 %的養(yǎng)分指標(biāo)為速效磷，表明空間相關(guān)性較弱，其變異也主要來(lái)自施肥、灌溉、取樣等隨機(jī)變異；基底效應(yīng)小于25 %的為pH、有機(jī)質(zhì)和速效鉀，表明這些變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，其變異主要來(lái)自土壤母質(zhì)、氣候、地形等系統(tǒng)變異；比值在25 %～75 %之間為堿解氮，表明具有中等空間相關(guān)性，其變異來(lái)自于隨機(jī)變異和系統(tǒng)變異的雙重作用。

表1 土壤養(yǎng)分含量的描述性統(tǒng)計(jì)

表2 土壤各養(yǎng)分指標(biāo)半方差參數(shù)及模型

圖2 土壤養(yǎng)分和pH的半方差函數(shù)圖Fig.2 Semivariograms of soil nutrients

柴達(dá)木盆地不同土壤養(yǎng)分及其它屬性的空間變異結(jié)構(gòu)存在差異。從基底效應(yīng)[C0/(C+C0) ]的大小比較來(lái)看，柴達(dá)木盆地枸杞種植區(qū)土壤中各養(yǎng)分指標(biāo)及pH值的空間相關(guān)性大小順序?yàn)樗傩Я?堿解氮>有機(jī)質(zhì)>pH值>速效鉀，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)、pH值和速效鉀的空間結(jié)構(gòu)性要優(yōu)于堿解氮和速效磷。從變程大小可以看出，總體上柴達(dá)木盆地枸杞種植區(qū)土壤各養(yǎng)分指標(biāo)的空間相關(guān)性范圍為2.56～210.23 km，速效鉀、有機(jī)質(zhì)和pH值較速效磷小得多，這說(shuō)明速效鉀、有機(jī)質(zhì)和pH值在小范圍內(nèi)的空間相關(guān)性強(qiáng)。就擬合的模型類型而言，屬于指數(shù)模型的為堿解氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)和pH值，而速效磷屬于線性模型；從決定系數(shù)和養(yǎng)分的半方差圖2可見(jiàn)，除了速效磷和堿解氮外，有機(jī)質(zhì)、pH值和速效鉀半方差函數(shù)模型的擬合度均較高。表明有機(jī)質(zhì)、pH值和速效鉀這3個(gè)主要土壤指標(biāo)具有一定的漸變性分布規(guī)律，這與柴達(dá)木盆地枸杞種植區(qū)的地形地貌、土壤類型等的地帶性分布規(guī)律相關(guān)。

2.3 土壤養(yǎng)分空間分布

土壤養(yǎng)分空間分布圖是反映土壤養(yǎng)分狀況的應(yīng)用圖件，是測(cè)土配方平衡施肥及數(shù)字農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。它能以定量指標(biāo)和定位方式，直觀地反映研究區(qū)域內(nèi)土壤養(yǎng)分含量狀況和分布規(guī)律。為了更準(zhǔn)確的描述土壤各養(yǎng)分指標(biāo)在空間上的分布狀況以及在柴達(dá)木盆地地區(qū)等級(jí)上的差異，本研究根據(jù)以上半方差函數(shù)的擬合數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行了Kriging插值，得到各養(yǎng)分指標(biāo)含量的分布 (圖3)。結(jié)果表明：有機(jī)質(zhì)含量大部分都分布在2.64～17.1 g·kg-1范圍內(nèi)，占到了總面積的85.0 %；速效磷含量大部分集中在1.8～25.8 mg·kg-1范圍內(nèi)，占總面積的82.2 %；堿解氮含量分布在4～203 mg·kg-1范圍內(nèi)占據(jù)了相當(dāng)大的面積，為86.7 %；速效鉀含量則大部分集中在52～338 mg·kg-1范圍內(nèi)，占到了總面積的89.2 %。從圖3可以看出，有機(jī)質(zhì)的總體空間分布趨勢(shì)表現(xiàn)為從東向西逐漸下降；pH值的空間分布趨勢(shì)表現(xiàn)為從東向西逐漸增加；速效磷的分布呈現(xiàn)出格爾木市高于德令哈市、都蘭縣和烏蘭縣的趨勢(shì)；速效鉀的空間分布趨勢(shì)表現(xiàn)為東、西兩端高，中間低的趨勢(shì)；與其它指標(biāo)相比，可以直觀看出堿解氮在格爾木市、德令哈市、都蘭縣和烏蘭縣 4 個(gè)種植區(qū)表現(xiàn)出明顯的養(yǎng)分集聚現(xiàn)象。

3 討 論

20世紀(jì)90年代以來(lái)，地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS、GPS的結(jié)合在研究土壤養(yǎng)分空間變異研究方面得到了廣泛應(yīng)用，許多研究表明這種方法的應(yīng)用與Fisher經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法比較，可以更好地揭示土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律[ 1-3，11，14-15，17]。不同的空間尺度，由于促成其空間變異的主導(dǎo)因素不同，形成了特定的空間分布格局。由于不同尺度土壤空間變異研究應(yīng)用的目的不同，例如大尺度的土壤空間變異研究可以改進(jìn)和創(chuàng)新土壤分類系統(tǒng)，提高土壤調(diào)查制圖的質(zhì)量[18]；中小尺度的土壤空間變異研究有利于合理布局種植結(jié)構(gòu)和改善田間管理[19]，因此目前多數(shù)研究都明確指出其選擇的空間尺度以確定其管理策略。

圖3 養(yǎng)分空間插值分布圖Fig.3 Variational maps of nutrients

在本研究中，柴達(dá)木盆地東西兩端約跨十個(gè)經(jīng)度、800余km，屬于大尺度研究區(qū)域，土壤生物氣候帶的分布由東向西呈現(xiàn)地帶更替，即荒漠草原棕鈣土地帶、灰棕荒漠土地帶、石膏灰棕漠土地帶依次排列，這種分布格局與有機(jī)質(zhì)從東向西逐漸下降的空間分布特征相一致。pH值的空間分布表現(xiàn)為從東向西逐漸增加，這與盆地地形東高西低的分布相符合。金繼運(yùn)等[20]指出在大尺度上影響土壤養(yǎng)分變異的因素主要是一些區(qū)域因素，如氣候條件、地形地貌、土壤類型等，本文研究結(jié)果與此論點(diǎn)相符。有機(jī)質(zhì)作為一個(gè)重要的土壤質(zhì)量指標(biāo)，其變異主要來(lái)自土壤母質(zhì)、氣候、地形等系統(tǒng)變異，本研究中有機(jī)質(zhì)的基底效應(yīng)值為16.6 %，具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，這與趙之重[21]研究結(jié)果相一致。

格爾木種植區(qū)的速效磷含量明顯高于其它3個(gè)種植區(qū)，其基底效應(yīng)值在84.3 %，空間相關(guān)性較弱，據(jù)課題組2012-2015年開(kāi)展的盆地枸杞種植區(qū)肥料現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，格爾木市速效磷平均含量為28 mg·kg-1，高出其它3個(gè)地區(qū)，調(diào)查中出現(xiàn)的速效磷最大值126 mg·kg-1亦出現(xiàn)在格爾木種植區(qū)，與第二次土壤普查時(shí)[22]相比，柴達(dá)木盆地土壤速效磷含量由10 mg/kg增至20 mg·kg-1，說(shuō)明土壤速效磷含量極易受到施肥水平影響而有所變化，而且格爾木枸杞種植區(qū)偏施磷肥現(xiàn)象嚴(yán)重，應(yīng)依據(jù)土壤測(cè)試結(jié)果開(kāi)展科學(xué)施肥?？梢灾庇^看出堿解氮的空間格局分布亦明顯受到人類活動(dòng)(例如施肥)影響，在格爾木市、德令哈市、都蘭縣和烏蘭縣 4 個(gè)種植區(qū)表現(xiàn)出明顯的養(yǎng)分集聚現(xiàn)象。本研究中pH值的基底效應(yīng)為8.4 %，空間相關(guān)性強(qiáng)烈，變異系數(shù)僅為4.3 %；史利江[23]的研究表明，堿解氮和有效磷的空間相關(guān)性較弱，施肥等隨機(jī)因素對(duì)其具有較為明顯的影響；有機(jī)質(zhì)和pH值表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，表明其空間變異主要受土壤類型、母質(zhì)、地形等結(jié)構(gòu)性因素的影響，王宏庭[15]等的研究表明：受農(nóng)業(yè)傳統(tǒng)施肥措施影響較大的N、P等變異相對(duì)較大；而傳統(tǒng)施肥投入較少的養(yǎng)分(K、Cu、Fe 等)土壤變異相對(duì)較小。

利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法探討柴達(dá)木盆地枸杞種植區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異特征，對(duì)于該區(qū)域土壤肥力和養(yǎng)分管理工作具有重要的參考價(jià)值。由于柴達(dá)木盆地地域所屬的獨(dú)特性和范圍的廣闊性，本次研究在大尺度范圍開(kāi)展了土壤養(yǎng)分空間變異研究，但未對(duì)中小尺度層面開(kāi)展探索，有待下一步開(kāi)展相關(guān)工作，并將研究成果與施肥管理結(jié)合，應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。

4 結(jié) 論

(1)在柴達(dá)木盆地枸杞種植區(qū)調(diào)查的5項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)中，變異系數(shù)最小的是pH值，僅為4.3 %；其次是有機(jī)質(zhì)和速效鉀，變異系數(shù)分別為67.4 %和65.2 %；速效磷和堿解氮的變異系數(shù)最大，分別達(dá)到118.9 %和118.4 %，這主要與枸杞種植區(qū)農(nóng)戶大量偏施氮、磷肥有關(guān)。

(2)采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的半方差函數(shù)方法研究了土壤5項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)的空間變異結(jié)構(gòu)，速效磷空間相關(guān)性較弱，其基底效應(yīng)[C0/(C+C0)]為84.3 %，其變異主要來(lái)自施肥、灌溉、取樣等隨機(jī)變異；堿解氮具有中等的空間相關(guān)性，其基底效應(yīng)[C0/(C+C0)]為49.0 %，空間分布格局是由結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性變異共同作用的結(jié)果；pH值、有機(jī)質(zhì)和速效鉀這3個(gè)變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，其基底效應(yīng)[C0/(C+C0)]分別為8.4 %、10.8 %和16.6 %；其變異主要來(lái)自土壤母質(zhì)、氣候、地形等結(jié)構(gòu)性系統(tǒng)變異。

(3)通過(guò)Kriging插值制作的土壤養(yǎng)分圖，直觀反映了柴達(dá)木盆地枸杞種植區(qū)土壤空間分布情況。有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)為從東向西逐漸下降，pH值表現(xiàn)為從東向西逐漸增加，速效鉀表現(xiàn)為東、西兩端高，中間低的趨勢(shì)，這主要與土壤類型的空間分布和盆地地形有關(guān)；速效磷表現(xiàn)為格爾木市高于德令哈市、都蘭縣和烏蘭縣的趨勢(shì)，堿解氮在4大種植區(qū)呈現(xiàn)養(yǎng)分集聚現(xiàn)象，這主要受到施肥等因素的明顯影響。