基于GIS的塔額盆地農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異特征分析

信會(huì)男，賴 寧，耿慶龍，陳署晃，李 娜，李永福，趙海燕

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆九圣禾種子標(biāo)準(zhǔn)研究院有限公司，新疆昌吉 831113)

0 引 言

【研究意義】土壤養(yǎng)分是表征土壤肥力的重要指標(biāo)。長(zhǎng)期耕作條件下土壤養(yǎng)分含量變化較快，利用GIS手段研究其時(shí)空變異規(guī)律，分析長(zhǎng)期耕作條件下養(yǎng)分含量空間分異特征，準(zhǔn)確掌握土壤養(yǎng)分豐缺水平及變化趨勢(shì)，為合理制定農(nóng)田管理措施、農(nóng)業(yè)規(guī)劃及土壤養(yǎng)分調(diào)控提供依據(jù)，對(duì)科學(xué)合理施肥、防止土壤肥力退化亦有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】王珊等[2]對(duì)川南丘陵地帶近30年來(lái)的土壤養(yǎng)分指標(biāo)的時(shí)空變化分析得出，該地區(qū)土壤養(yǎng)分呈現(xiàn)出南低北高，而且近30年的利用下重視氮肥，輕視磷肥，基本忽略鉀肥的現(xiàn)象。于洋等[3]對(duì)渭北臺(tái)塬區(qū)耕地土壤速效養(yǎng)分指標(biāo)分析得到該區(qū)域1980～2011年空間結(jié)構(gòu)性特征弱化，呈現(xiàn)原有較低的養(yǎng)分指標(biāo)在后期增長(zhǎng)速率快，原有較高區(qū)域的增長(zhǎng)慢甚至有降低趨勢(shì)。王玉軍等[4]對(duì)徐州農(nóng)田土壤養(yǎng)分和重金屬的含量與分布進(jìn)行了研究分析，二者在空間上的分布存在較大的差異，不同土壤類(lèi)型和農(nóng)田利用類(lèi)型二者也有較為明顯含量差異。李娜等[5]運(yùn)用GIS技術(shù)方法，研究伊犁州農(nóng)田養(yǎng)分的空間分布特征及變異規(guī)律表明，AK、SOM、AP平均含量均處于較高水平；TN、AN平均含量均處于較低水平。土壤養(yǎng)分含量空間分布呈現(xiàn)北低南高、西低東高的態(tài)勢(shì)。利用GIS 手段對(duì)土壤養(yǎng)分分布的探析成為了熱門(mén)之一[6-8]。【本研究切入點(diǎn)】利用GIS中的空間插值技術(shù)可以將適合的點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)的面數(shù)據(jù)，從而達(dá)到研究區(qū)內(nèi)空間全覆蓋[9-12]。需利用GIS手段和地統(tǒng)計(jì)插值方法，分析塔額盆地農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間空變異特征?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】選擇塔額盆地耕層土壤(0～ 20 cm) 5種養(yǎng)分(全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀)，分析空間變異特征，以2010和2018年的數(shù)據(jù)為參考，研究塔額盆地區(qū)域土壤養(yǎng)分的時(shí)空特征及變化特點(diǎn)，為該區(qū)域的土壤質(zhì)量管理及農(nóng)業(yè)布局提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

塔城地區(qū)位于新疆西北部，地理位置處于82°16'～87°21'E、43°25'～47°15'N，地勢(shì)南北高而中部低，地形大致呈喇叭狀向西敞開(kāi)。北部為準(zhǔn)噶爾西部山區(qū)，包括塔爾巴哈臺(tái)山地巴爾魯克山地以及薩烏爾山地；北天山中段的依連哈比爾尕山綿延于塔城的南部。屬中溫帶干旱和半干旱氣候區(qū)，春季升溫快，冷暖波動(dòng)大，夏季炎熱，秋季降溫迅速，冬季嚴(yán)寒且漫長(zhǎng)，年極端最高氣溫40℃，極端最低氣溫-40℃。塔城盆地年降水量290 mm，蒸發(fā)量1 600 mm、日照2 800～3 000 h，無(wú)霜期130～190 d。

收集塔城地區(qū)2個(gè)時(shí)期的(2010年和2018年)的土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)。其中2010年數(shù)據(jù)為耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)、測(cè)土配方施肥項(xiàng)目在2010年采樣、分析獲取的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，按照2 km×2 km 1個(gè)點(diǎn)位，取樣深度為0～20 cm，采用多點(diǎn)混合法(采用“S”法，“X”法或者棋盤(pán)法)進(jìn)行取樣，共計(jì)827個(gè)土壤樣品。2018年數(shù)據(jù)為各塔城地區(qū)測(cè)土配方施肥項(xiàng)目數(shù)據(jù)，采樣法與2010年相同，共計(jì)1 167個(gè)土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。所有樣品于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定土壤養(yǎng)分信息。測(cè)定方法均為常規(guī)方法。

1.2 方 法

1.2.1 樣本處理

對(duì)2期數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)抽取將樣本中4/5的樣本數(shù)據(jù)用于插值分析(即訓(xùn)練樣本)，另外1/5的樣本數(shù)據(jù)用于插值結(jié)果精度的驗(yàn)證(驗(yàn)證樣本)。

對(duì)處理過(guò)的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行K-S驗(yàn)證，驗(yàn)證該數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，2期數(shù)據(jù)基本都符合正態(tài)分布可以進(jìn)行插值分析。

1.2.2 空間自相關(guān)性及半方差函數(shù)

半方差函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的特有的基本工具，當(dāng)空間點(diǎn)x在一維x軸上變化時(shí)，區(qū)域化變量Z(x)在 點(diǎn)x和x+h處的值Z(x)與Z(x+h)差的方差的一半為區(qū)域化變量Z(x)在x軸方向上的變異函數(shù)。設(shè)區(qū)域化變量Z(x)滿足二階平穩(wěn)，則半變異函數(shù)可以具體表示為：

(1)

式中，r(h)為半方差函數(shù);h為樣點(diǎn)空間距離；N(h)為間隔距離為h的樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；Z(xi)和Z(xi+h)分別為區(qū)域化變量Z(x)在空間位置xi和xi+h的實(shí)測(cè)值[13-14]。

空間自相關(guān)根據(jù)要素位置和要素值來(lái)度量空間自相關(guān)。在給定一組要素及相關(guān)屬性的情況下，評(píng)估所表達(dá)的模式是聚類(lèi)模式、離散模式還是隨機(jī)模式。計(jì)算 Moran's I 指數(shù)值、Z得分，評(píng)估該指數(shù)顯著性。

(2)

其中Z是要素i的屬性與其平均值(Xi-X)的偏差，Wi,j是要素i和j之間的空間權(quán)重，n等于要素總數(shù)，So是所有空間權(quán)重的聚合。

(3)

全局Moran’s I指數(shù)計(jì)算的是協(xié)方差，半方差函數(shù)分析法計(jì)算的是方差，沒(méi)有區(qū)分正負(fù)2種相關(guān)性，其能夠?yàn)榭臻g插值提供科學(xué)依據(jù)，全局Moran’s I指數(shù)為空間相關(guān)顯著性以及正負(fù)性提供統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)。將二者相結(jié)合分析才更加有效[13-14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 塔額盆地耕地土壤養(yǎng)分與含量變化

研究表明，從2010 ～2018年期間塔城盆地養(yǎng)分含量均有增加，其中有效磷、速效鉀增加最為明顯，增長(zhǎng)率為101.77%、68.67%；堿解氮增幅最小為17.24%。

土壤特性空間變異性的強(qiáng)弱可以用變異系數(shù)來(lái)表示，變異系數(shù)在10%以內(nèi)為弱變異，在10%～100%以內(nèi)的為中等變異，大于100%的為強(qiáng)變異。

變異系數(shù)全部在10%～100%，都屬于中等強(qiáng)度變異，其中變異系數(shù)最高的為2018年的有效磷的為85.79%，其次為2018年全氮為50.76%，2018年其他養(yǎng)分變異也在50%上下沒(méi)有明顯的差異，其中最低的為速效鉀但其增幅率大于其他養(yǎng)分指標(biāo)。2010年的變異系數(shù)基本在30%～45%，其中有效磷變異系數(shù)仍為最高為42.31%。在2010和2018年的數(shù)據(jù)中變異系數(shù)最小為堿解氮為30.30%，最高為有效磷，這與兩者的增幅率相對(duì)應(yīng)。表1

表1 2010年和2018年塔額盆地耕地土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)特征

塔城盆地2010年和2018年各養(yǎng)分指標(biāo)的最佳半方差函數(shù)與各參數(shù)，在擬合精度中，決定系數(shù)R2越接近于1結(jié)果越優(yōu)，2010年的R2全部在0.5以上，最高為0.927，該半方差函數(shù)可以較好的表達(dá)出養(yǎng)分指標(biāo)的空間特征。2018年各養(yǎng)分指標(biāo)最差的為堿解氮以及有效磷，其余3項(xiàng)均在0.9以上。2期數(shù)據(jù)最佳模型都為指數(shù)模型。2期土壤指標(biāo)的塊金系數(shù)都在0.50以上，其中2010年和2018年的有機(jī)質(zhì)全氮在0.75以下，具有中等程度的空間相關(guān)性。其余指標(biāo)均大于0.75，空間相關(guān)性較弱。其中2010年的各項(xiàng)指標(biāo)塊金系數(shù)都小于2018年的，該數(shù)據(jù)表明該區(qū)域土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)性特征近10年在減弱，空間分布網(wǎng)破碎化方向發(fā)展。全局Morans’I 的標(biāo)準(zhǔn)化Z值除了2010年得有效磷其余均大于2.5，各養(yǎng)分指標(biāo)都具有極顯著(P<0.01)的空間自相關(guān)性，空間聚集特征明顯，并且2018年各項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化Z值均低于2010年，說(shuō)明近年來(lái)以下指標(biāo)的空間自相關(guān)呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)。表2

2.2 2010-2018養(yǎng)分分布特征

研究表明，而2010年和2018年的2個(gè)時(shí)期的有機(jī)質(zhì)分布有較大的差別，2010年有機(jī)質(zhì)在塔城市的南邊以及額敏縣西南面含量較高最大值為17 g/kg，有機(jī)質(zhì)最低處位于塔城市東面，整體呈現(xiàn)中間高兩邊低的狀態(tài)；2018年的有機(jī)質(zhì)整體較2010年有所升高，有機(jī)質(zhì)含量最高處主要在裕民縣的中部以及托里縣的西面，最低處在裕民縣北面以及托里縣的西北角處，4縣市交界處低(相對(duì)于2018年)周?chē)叩臓顟B(tài)。全氮在2010年含量較高的分布在塔城市的南面以及額敏縣的西面，塔城市的中部以及裕民縣的北面全氮含量相對(duì)較低；2018年的全氮含量較高的分布在塔城市南北面、額敏縣的北面、裕民縣的中部、托里縣的西中面，全氮含量現(xiàn)對(duì)較低的主要分布在裕民縣北邊以及托里縣與其它縣市交界處。堿解氮含量最高為塔城市得西面、額敏縣的西南面、裕民縣的北邊，托里縣整體以及塔城市與額敏縣交界處相對(duì)含量較低。2010年的速效鉀含量較高區(qū)域主要集中在4縣市交界周?chē)肯鄬?duì)較高，在塔城市于額敏縣交界處含量相對(duì)較低；2018年速效鉀含量最高處位于裕民縣的中部與額敏縣的中部區(qū)域，在4縣市交界處含量較低。2010年有效磷含量分布相對(duì)其它養(yǎng)分分布相對(duì)均勻，無(wú)過(guò)集中現(xiàn)象；2018年托里縣有效磷含量相對(duì)較高，額敏縣有效磷含量分布不均呈現(xiàn)西高東低現(xiàn)象。表2

表2 土壤養(yǎng)分半方差模型類(lèi)型及其參數(shù)值

2.3 塔額盆地土壤時(shí)空變異特征

研究表明，近10年來(lái)5種養(yǎng)分指標(biāo)都有增加且增幅不一。降低區(qū)域基本集中在4縣市交界周邊，除此之外其他區(qū)域基本呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。變化量與2018年的養(yǎng)分含量分布基本一致。有機(jī)質(zhì)主要增幅在0.1～5.9 g/kg，最大增幅為23.2 g/kg，最大減少量為3.2 g/kg。全氮最大增幅為1.10 mg/kg主要分布在裕民縣中部以及托里縣的西面。堿解氮降幅最大為19 mg/kg，主要分布在裕民縣和額敏縣交界處。速效鉀降幅面積較小零星分布在塔城市、裕民縣、額敏縣，其中托里縣無(wú)降幅。有效磷含量主要在額敏縣和裕民縣交界處周邊存在下降，整體都為增長(zhǎng)趨勢(shì)，最高漲幅為12 mg/kg。圖1

圖1 塔額盆地土壤養(yǎng)分時(shí)空變化分布

潮土的土壤有機(jī)質(zhì)含量增幅不大，但其基底值相對(duì)其他土類(lèi)相對(duì)較高，在栗鈣土和棕鈣土中有機(jī)質(zhì)增幅較大。全氮與有機(jī)質(zhì)相似，潮土的全氮含量增幅不高，但棕鈣土的全氮增幅高于其它兩種土類(lèi)。潮土的堿解氮含量有所下降，而其它兩種土類(lèi)堿解氮含量有不同程度的增加。棕鈣土的有效磷含量增幅最為明顯，遠(yuǎn)超其它兩種土類(lèi)。速效鉀在潮土中基本持平，在栗鈣土和棕鈣土中都有較大的增幅。潮土的五種養(yǎng)分含量增幅較小，而栗鈣土和棕鈣土養(yǎng)分含量都有較大幅度的提升，與潮土土壤養(yǎng)分基底值較高有一定關(guān)系。圖2

圖2 不同土類(lèi)下養(yǎng)分含量變化

在不同灌溉方式下養(yǎng)分也存在一定差異，有機(jī)質(zhì)在滴灌和漫灌的方式下含量有所提升，在畦灌下有所下降，漫灌的基底值最高其增長(zhǎng)幅度最大。全氮和堿解氮與有機(jī)質(zhì)相同在滴灌和漫灌的方式下含量有所提升，在畦灌下有所下降，堿解氮在畦灌方式下的含量下降較大。有效磷在畦灌中無(wú)明顯變化，其它2種灌溉方式有不同程度的增長(zhǎng)。在5種養(yǎng)分中只有速效鉀在3種方式中都有增長(zhǎng)。滴灌和漫灌方式下5種養(yǎng)分都有增長(zhǎng)，畦灌方式下只有速效鉀含量增加。圖3

圖3 不同灌溉方式下養(yǎng)分含量變化

2.4 土壤養(yǎng)分指標(biāo)分級(jí)比例

研究表明，依據(jù)新疆耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行土壤養(yǎng)分指標(biāo)分級(jí)，2010年有63.72%耕地土壤有機(jī)質(zhì)處于較缺乏狀況，2018年土壤有機(jī)質(zhì)含量處于中等和較缺乏水平的占比達(dá)67.46%，其中較缺乏和缺乏都有所下降，分別下降了31.65%和3.38%，中等水平以上占比都有不同程度上升。全氮較豐富水平占比提高了35.41%，豐富水平占比提高了16.17%。堿解氮和有效磷整體提升不明顯，依舊集中在較缺乏和缺乏區(qū)間內(nèi)。速效鉀較缺乏占比下降了37.73%，速效鉀在豐富和較豐富水平之間占比增加了26.10%。2018年土壤肥力水平較2010年有所提升，但土壤肥力總體依舊處于中等偏低水平。表3

表3 土壤養(yǎng)分含量分級(jí)與比例

3 討 論

施用化肥成為提高耕地生產(chǎn)力的主要方式之一[13]。研究區(qū)中有效磷的增長(zhǎng)幅度最高，土壤氮素也略有提升，與王安意[14]等在新疆棉田土壤研究結(jié)果一致。鉀素含量增長(zhǎng)與近十年來(lái)隨著測(cè)土配方施肥的不斷深入及節(jié)水農(nóng)業(yè)的推進(jìn)有關(guān)[15-16]，增施鉀肥使得土壤鉀素含量進(jìn)一步提高，與湯明堯和賴波[17-18]等對(duì)新疆農(nóng)業(yè)施肥現(xiàn)狀的調(diào)查結(jié)果一致。王安意等[14,19]對(duì)綠洲農(nóng)田的研究中發(fā)現(xiàn)鉀元素的存在下降情況，造成這一結(jié)果的可能由于該地區(qū)種植方式以及主要種植作物有關(guān)，也與自然環(huán)境存在一定關(guān)聯(lián)，還需進(jìn)一步深入研究。研究區(qū)土壤狀況總體處于缺氮少磷的狀態(tài)，在今后應(yīng)該加強(qiáng)測(cè)土配方施肥的建設(shè)普及進(jìn)行合理的施肥配比。各指標(biāo)塊基比都在50%以上最高達(dá)到了99%以上，人為作用是該地區(qū)影響土壤養(yǎng)分變化的主要因素之一，與王珊[2]等應(yīng)結(jié)論一致。研究通過(guò)半變異函數(shù)的參數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)各指標(biāo)最佳擬合模型為指數(shù)模型。在空間自相關(guān)性上只有有機(jī)質(zhì)和全氮呈現(xiàn)出中等程度相關(guān)，而其余指標(biāo)都呈現(xiàn)弱相關(guān)性，有機(jī)質(zhì)和全氮空間自相關(guān)性受到結(jié)構(gòu)因素和隨機(jī)因素共同影響，其余指標(biāo)受隨機(jī)影響程度較大，也與變異程度相吻合。而李娜[5]等在伊犁地區(qū)研究表明，有機(jī)質(zhì)和全氮的空間自相關(guān)性呈現(xiàn)出極強(qiáng)的空間自相關(guān)性，這種差異可能是與兩地區(qū)施肥和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)有關(guān)。Moran's I 指數(shù)中2010和2018年的土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的數(shù)值較大，說(shuō)明兩者的空間分布相關(guān)性較其他指標(biāo)空間聚集相對(duì)明顯，但依然處于較弱水平。

4 結(jié) 論

4.15種養(yǎng)分指標(biāo)中有效磷變異系數(shù)最高為85.8%，其它指標(biāo)在30%～51%，都為中等變異，人為活動(dòng)對(duì)土壤的養(yǎng)分的含量的影響不斷在增加，研究區(qū)內(nèi)養(yǎng)分呈現(xiàn)四周低中間高(耕地主要在中間區(qū)域)。

4.22010～2018年期間，研究區(qū)內(nèi)各項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)都有所上升，其中有效磷與速效鉀上升最為明顯增加值為101.8%和68.7%，有機(jī)質(zhì)緊隨其后為24.3%，最低為堿解氮17.3%，全氮為21.9%。

4.33種土類(lèi)中潮土的增幅最小，棕鈣土的增幅最大，栗鈣土其次，潮土還存在不增長(zhǎng)以及減少狀態(tài)。在灌溉方式中畦灌方式下養(yǎng)分有所下降，滴灌和漫灌下養(yǎng)分含量都有所增長(zhǎng)。

4.4各養(yǎng)分含量都有所提升，但耕地土壤肥力總體處于中等及中等偏下水平，土壤肥力有待進(jìn)一步提升。