湖南省烟稻轮作区土壤养分的空间变异特征

黄新杰，屠乃美，李艳芳，周 娟，易镇邪，李宇威，李 淼，罗富林

（湖南农业大学农学院，长沙 410128）

土壤养分是土壤肥力的重要物质基础，是土壤的基本属性和本质特征。对土壤养分空间特性变异的充分了解是田间土壤养分精细管理、精准施肥、提高肥料利用率的重要基础。自20世纪70年代以来，土壤养分的空间变异研究已逐渐成为一个研究热点[1-3]。姜丽娜等[4]、陈防等[5]、许红卫等[6]研究了长江中下游水网平原区土壤养分空间变异情况，王新中等[7]研究了烟田土壤有效态微量元素的空间分布格局，王勇等[8]研究了中低山区植烟土壤氯素空间变异特征。

湖南省是水稻种植和烟草种植的优势省份之一，烟稻轮作是该地区的常见种植模式，该模式可以合理协调土壤养分，减少病虫害的发生，有利于作物优质高产及促进区域农业经济可持续发展，但针对该地区烟稻轮作土壤养分空间变异研究未见报道。鉴于此，本研究运用地理信息技术和地统计学相结合的方法，对湖南省烟稻轮作种植区土壤主要养分的空间变异特征进行了研究，旨在了解烟稻轮作土壤养分的空间变异规律，为该地区的测土配方施肥和养分精确管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

湖南位于长江中游以南，地跨东经108°47′～114°15′，北纬 24°39′～30°8′，国土面积 21.18万km2。属大陆性中亚热带季风湿润气候区，大部分地区海拔100～800 m，年均温16～18 ℃，年均日照 1300～1800 h，无霜期 278～300 d，年均降雨量1200～1700 mm，日照充足，雨量充沛，四季分明，适宜农业发展。全省现有可用耕地330万hm2，水稻土占全省土壤总面积的16.5%，烟稻轮作是该区域常见的耕作模式之一。

1.2 样品采集

2006年采用GPS定位技术，对湖南省14个烟稻轮作区的土壤进行定位取样，共采集 3255个土壤样品（图1）。田间取样时，用手持式GPS定位，记录采样点的经纬度和高程，以定位点为中心，在半径10 m的圆形区域内（10个点）混合取样，取样深度0～20 cm，用四分法取大约1 kg土样带回实验室测试。

图1 土壤采样点分布图Fig.1 Distribution of soil samples

1.3 测定项目与方法

土样登记编码后经风干、研磨、过筛、装袋后备用。土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾4个指标的测定方法参照文献[9]中的相关测试方法进行测定，有机质采用重铬酸钾外加热法，全氮采用硫酸消化-半微量凯氏蒸馏定氮法，有效磷采用 0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法，速效钾采用冷2 mol/LHNO3溶液浸提-火焰光度法[9]。

1.4 数据分析

常规统计分析采用 SPSS17.0统计软件进行，并对数据进行K-S检验[10]。地统计分析及图形绘制采用 ArcGIS 9.3软件地统计学模块（geostatistical analyst）完成[11]。

2 结 果

2.1 土壤养分的描述性统计

从表 1可知，全氮含量平均值略高（＞2.0 g/kg）；有机质、有效磷和速效钾平均值分别为33.84 g/kg、18.53 mg/kg和121.87 g/kg，均达到中等水平。土壤养分指标变异系数均在 36%～70%，为中等变异性，土壤全氮的变异系数最低为36.65%，有效磷的变异系数最大，达到66.28%。K-S检验结果表明（表1）[12]，土壤养分指标均符合正态分布。

表1 土壤养分的统计特征值Table1 Statistics of nutrient contents of tobacco soil in Hunan

2.2 土壤养分的空间变异

根据半方差函数的计算公式，对上述4个土壤养分的测定值进行半方差分析，得到养分指标的半方差拟合模型及其特征参数值（表2）。本研究分别选用了离差平方和最小即拟合度最好的指数模型（Exponential）和高斯模型（Gaussian）来描述 4个土壤养分的空间结构。

本研究区域内 4个土壤养分的块金效应均在25%～75%（表 2），表明土壤养分含量具有中等的空间相关性，湖南烟稻轮作区土壤养分的空间变异不仅受结构性因素（气候、母质、土壤类型和地形地貌等自然因素）的影响，而且受随机性因素（种植制度、耕作措施、施肥和管理水平等各种人为因素）的影响[13-14]。

表2 土壤养分半方差函数理论模型及其参数Table2 Semivariogram models of soil nutrient and their parameters

变程是指变异函数达到基台值所对应的样点间距，也称为空间最大相关距离，它表明土壤养分变量空间自相关范围的大小[14]。4种土壤养分变程大小顺序为有机质＞有效磷＞速效钾＞全氮，其中有机质变程最大，达1.213 km，说明土壤有机质在研究区域较大的范围内均有相关性，反映了结构因素对土壤有机质的影响较大（表2）。总体来看，有机质、全氮、有效磷、速效钾都具有较好的半方差结构，拟合程度都很好，其拟合系数分别高达0.889、0.918、0.946、0.971。以上分析表明，数据满足克立格插值的要求。

2.3 土壤养分的空间分布特征

统计学模块采用普通Kriging法进行最优内插，并根据第二次全国土壤普查结果以及南方6省水稻土的养分分级标准[15]，绘制了湖南烟稻轮作区土壤养分含量的空间分布图（图2）。从土壤养分含量空间分布图看出，4种土壤养分的含量呈现较明显的空间分布格局。

图2 土壤养分含量空间分布图Fig.2 Spatial distribution of soil nutrient contents in Hunan

有机质含量在整个区域的空间变异较为明显，总体表现为湘南＞湘东＞湘北＞湘中＞湘西。20～40 g/kg的土壤面积占整个研究区域的80.42%，绝大部分土壤有机质处于中等水平。土壤有机质含量10～20 g/kg的区域主要分布在湘西的湘西州、怀化市部分地区和湘中的邵阳市部分地区，该区域面积占到整个研究区域的7.43%。土壤全氮含量的空间分布与有机质总的趋势基本一致，呈湘南＞湘东＞湘北＞湘中＞湘西的趋势。全氮最高值＞2 g/kg分布在湘南地区的郴州市大部分地区、永州市部分地区和衡阳市的部分地区，占整个研究区域的35.47%，1～2 g/kg的土壤面积占整个研究区域的64.53%。土壤有效磷含量的空间分布与有机质的趋势基本一致，土壤有效磷含量20～40 mg/kg的区域主要分布于湘南的郴州市、永州市的小部分地区和衡阳市的小部分地区，该区域面积占到整个研究区域的23.12%，10～20 mg/kg的土壤面积占到整个研究区域的58.55%，5～10 mg/kg的区域主要分布在湘西州和怀化的大部分地区，该区域面积占到整个研究区域的18.33%，该区有效磷缺乏，10～40 mg/kg的面积占到整个研究区域的81.67%。土壤速效钾含量＞150 mg/kg的面积占到整个研究区域的16.48%。研究区域土壤速效钾含量低于100 mg/kg的占总量的33.25%。

3 小 结

经典统计分析结果表明，湖南省烟稻轮作区土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量均符合对数正态分布或近似对数正态分布，表现为中等变异性。从均值来看，湖南省烟稻轮作土壤全氮含量略高，其他土壤养分含量均属中等水平。地统计分析结果表明，土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量表现为各向异性分布，具有中等程度的空间相关性，其空间变异均是由结构性因素和随机性因素共同作用的结果。从土壤的空间分布图来看，全氮含量丰富，有机质含量总体上处于中等水平，缺乏（10～20 g/kg）的面积仅为7.43%，有效磷区域差异较大，湘西地区较为缺乏，湘南地区处于较高水平，有效磷含量缺乏（＜10 mg/kg）的面积为18.33%。土壤速效钾含量缺乏（＜100 mg/kg）面积占研究区33.25%。根据分析结果，湘西地区应全面补施磷肥，衡阳市、永州市、常德部分地区、怀化部分地区应补施钾肥，以保证作物正常生长；同时密切关注土壤有机质含量的动态，可针对个别区域增施有机肥；此外全省应适当控制氮肥在土壤上的施用，以减少烟草赤星病、烟草气候斑点病等病害的发生，同时保护土壤生态环境。

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