基于GIS海岛土壤有机质和全氮空间变异特征的初步研究

张晓勉，高智慧，张 勇，高浩杰，李海东，沈爱华，林 荫，阮伟建，王 泳

（1.南京林业大学，江苏 南京 210037；2.浙江省林业科学研究院，浙江 杭州 310023；

3.浙江省林业生态工程管理中心，浙江 杭州 310020；4.浙江省岱山县农林局，浙江 岱山 316200；5.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042；6.浙江省余姚市泗门镇农业农村办公室，浙江 余姚 315470）

揭示土壤养分的空间变异规律和掌握其分布状况是实现土壤可持续利用和区域可持续发展的前提。土壤全氮和有机质是土壤固相的重要组成部分，在土壤肥力发展过程中起着极其重要的作用。土壤全氮、有机质的空间变异特征具有很强的空间异质性，主要受成土母质、气候、地形、成土过程以及一些人为因素的影响[1～6]。揭示土壤全氮和有机质的空间变异规律和分布特征对于实现土壤资源的合理利用和可持续发展具有重要意义[7]。

由于土壤养分的常规统计分析只能概括土壤养分变化的全貌，不能反映其局部的变化特征，为此有必要进一步采用地统计学方法进行土壤养分空间变异结构的分析和探讨[8]。地统计学能够更好地定性地揭示各属性变量在空间上的分布、变异和相关特征。地统计方法已经被广泛用来研究土壤养分的空间变异特征，主要集中在土壤养分特征及状态参数、物理性质、化学性质的空间变异研究[9]。

浙江沿海地区受地理位置和海洋性季风气候的影响，台风、暴雨、洪涝等自然灾害频发，构建沿海防护林体系可有效减少海啸和风暴潮等自然灾害影响，是沿海地区社会可持续发展的一项重大任务[10]。对海岛土壤养分空间变异结构进行深入分析研究，对于建设布局合理、功能全面的沿海防护林体系具有重要的意义。

1 研究区概况

研究区为浙江省舟山市岱山县岱山本岛，舟山群岛中部，30° 14′ ～ 30° 21′ N，122° 02′ ～ 122° 11′ E。陆域面积104.97 km2，最高点磨心山海拔257.1 m，海岸线长96.31 km，气候属于亚热带南缘季风海洋型气候，年平均气温为16.2℃，年平均日照在2 257h。研究区属低山丘陵区，主要由低山丘陵和海湾小平原组成。区内有维管束植物160科550属913种，主要植被有马尾松（Pinus massoniana）、杉木（Cunninghamia lanceolata）、毛竹（Phyllostachys heterocycla cv.pubescens）等。研究区土壤类型有滨海盐土、潮土、水稻土、红壤、粗骨土5个土类。

2 材料与方法

2.1 样点布设及土壤剖面数据来源

本研究样点布设采取在土壤类型图上进行机械布点的方法。具体操作为利用ArcGIS软件对土壤类型分布图进行数字化，并建立土壤类型数据库。根据土壤类型分布图的精度选择1 000 m×1 000 m的网格进行机械布点，共布点98个。对每个样点进行编号，根据所属土壤类型建立属性表。土壤剖面数据引自岱山县第二次土壤普查成果和2011年土壤性质补充调查数据。

2.2 数据检验分析

用 SPSS软件对土壤数据进行经典描述性统计分析。并对数据进行频数统计分析，检验样点属性数据是否服从正态分布。

2.3 数字化图件和克立格插值

利用地理信息系统ArcGIS软件的数字化编辑分析功能，数字化图件，利用ArcGIS地统计分析模块对土壤属性数据及样点数据进行检验。

克立格插值是根据变异函数模型而发展起来的空间插值方法，在地质、土壤、农业、气象等领域应用广泛，主要用于研究空间分异和制图。克立格插值的最大优点是它能给出无偏估计，能够充分考虑到土壤特性的空间变异[11]。本文采用ArcGIS空间插值模块中的泛克立格方法进行空间插值，生成土壤表层pH、有机质含量和全氮含量空间分布图。

3 结果与分析

3.1 分段频次分析

对研究区所涉及到的9个土壤类型土壤表层pH、有机质含量、全氮含量3个指标进行统计（表1）。可以看出，土壤 pH值排序为泥涂＞淡涂泥＞涂泥田＞淡涂泥田＞棕红泥＞石砂土、黄泥沙田、滨海砂土＞酸性紫泥田，其中泥涂pH最高为8.7，呈重碱性。酸性紫泥田pH最小为5.6，呈中强度酸性。土壤有机质排序为黄泥沙田＞淡涂泥田＞石砂土＞涂泥田＞酸性紫泥田＞棕红泥、淡涂泥＞泥涂＞滨海砂土，其中黄泥沙田有机质含量最高为 31.8 g/kg，滨海沙土有机质含量最低为6.9 g/kg。土壤全氮含量排序为黄泥沙田＞淡涂泥田＞涂泥田＞淡涂泥＞石砂土＞酸性紫泥田＞棕红泥＞泥涂＞滨海砂土，其中黄泥沙田全氮含量最高为2.0g/kg，滨海砂土全氮含量最低，为0.5g/kg。

按照第二次土壤普查养分分级标准，运用SPSS17.0软件对所布点各样本土壤表层属性指标值进行分段频数分析。由表2可见，岱山本岛土壤表层pH、有机质含量、全氮含量3个指标集中等级分布并不一致，土壤表层pH值频数最高分布在第二级5.0 ～ 6.5范围内，占总样点数的37%。有机质含量频数最多分布在第三级20 ～ 30范围内，占总样点数的43%。全氮含量频数最大值为1.0 ～ 1.5范围，占总样点数的40%。由此可以看出研究区土壤总体情况为：土壤偏酸性，有机质含量中等，全氮含量中等。

表1 不同土壤类型表层土壤属性指标统计Table1 Attributes of different types of surface soil

表2 样点土壤属性指标分段频次分布统计表Table2 Frequency distribution of soil attributes in sampling points

3.2 经典统计特征分析

运用 SPSS17.0软件对数据进行频数统计分析（表3）。由表3可以看出，pH值和有机质变幅分别为 6.0 ～ 8.7和 6.9 ～ 31.8 g/kg，均值分别为7.0和16.3 g/kg，中值分别为6.9和17.0 g/kg，两个指标中值和均值比较接近，说明研究区内pH值和有机质分布比较均匀，未受到特异值影响，标准差分别为0.79和7.6，变异系数分别为0.11和0.47。研究区全氮变幅为0.3 ～ 2.0g/kg，均值为0.99 g/kg，中值为1.3 g/kg，标准差为0.53，变异系数为0.54。3个指标变异系数大小为pH值（0.11）＜有机质（0.47）＜全氮（0.54）。按照反映离散程度变异系数的大小，可粗略分为3级[12]：弱变异性＜0.1，中等变异性0.1～1.0，强变异性＞1.0。由此可以看出pH值、有机质、全氮含量存在中等程度的变异性。

检验数据的正态分布性是使用空间统计学克立格方法进行土壤特性空间分析的前提，只有当数据服从正态分布时，克立格插值方法才能有效。本文利用ArcGIS软件空间分析模块中的正态QQPlot图方法进行了正态检验，结果表明土壤pH值、有机质含量、全氮含量的分布符合正态分布，可以采用克立格方法进行空间插值。

表3 样点土壤指标统计特征值Table3 Characteristic value of soil attributes in sampling points

3.3 空间变异特征分析

土壤 pH值是土壤重要的基本性质，它直接影响土壤中元素的存在状态、转化、迁移和有效性，也影响土壤中微生物的数量、组成和活性。土壤的pH值是由母质、生物气候以及农业措施等条件控制的[13]。由图1可以看出，研究区土壤 pH值总体趋势是从海岛中部到四周逐渐增大，条带和斑块分布明显，这与研究区的实际情况比较吻合。研究区为海岛地形，海岸边受海水影响，特别是西南部和北部有大面积盐田分布，土壤盐碱化程度比较高，pH值较高。中部平原区土壤类型主要为棕红泥属于红壤土类，pH值较小，土壤呈酸性。中南部和西北部山区由于森林覆盖率比较高，林下植被较好，土壤微生物活动频繁，有效改善土壤的盐碱化状况，使土壤接近中性。

图1 岱山本岛表层土壤pH值分布图Figure1 Distribution of soil pH in Daishan Island

图2 岱山本岛表层土壤有机质含量分布图 Figure2 Distribution of organic matter in Daishan Island

土壤有机质是重要的养分来源，对土壤理化性质、微生物活动和各种肥力因素都有深刻的影响，是决定土壤肥力的重要因子[14]。由图2可以看出，研究区土壤有机质成条带状和斑块状分布明显，大体呈现从中间到四周逐渐递减的趋势，最高值斑块出现在岛屿中南部。在北部出现比较明显的高值独立斑块，在西北部也出现比较突出的高值斑块。分析原因为这三个区域为山区，是沿海防护林建设的重点区域，植被覆盖度高，枯枝落叶积累多，有机质含量较高，由此可以看出建设沿海防护林，增加植被覆盖度可以提高土壤有机质含量，增加土壤肥力。

氮素是构成一切生命体的重要元素，是植物生长必需且是需求量很大的养分元素，凋落物的分解可使土壤氮素明显增加，而土壤含氮的多少，在一定程度上影响植物对磷和其他元素的吸收[15]。由图3可以看出，研究区土壤全氮成环状或条带状分布明显，从中南部到四周逐渐递减。全氮含量最高值斑块分布在岛屿中南部。分析原因此区域为丘陵区，植被较好，根系发达有利于氮素的积累。山间平原土壤类型主要为淡涂泥、涂泥田、棕红泥和黄沙泥田，大部分属于水稻土土类，是主要的耕作土壤类型，由于长期耕作施肥使该区块土壤全氮含量比较高。对样点土壤有机质含量和全氮含量进行相关分析表明两者相关系数为0.973（P＞0.01），达到极显著水平，从图上也可以看出，两者空间分布规律具有相似性。

图3 岱山本岛表层土壤全氮含量分布图Figure3 Distribution of total nitrogen in Daishan Island

4 结论

通过对岱山本岛土壤pH值、有机质和全氮统计特征值与空间变异特征的研究，可以得出以下结论：

（1）研究区9种土壤类型中pH值排序为泥涂＞淡涂泥＞涂泥田＞淡涂泥田＞棕红泥＞石砂土、黄泥沙田、滨海砂土＞酸性紫泥田；有机质排序为黄泥沙田＞淡涂泥田＞石砂土＞涂泥田＞酸性紫泥田＞棕红泥、淡涂泥＞泥涂＞滨海砂土；全氮含量排序为黄泥沙田＞淡涂泥田＞涂泥田＞淡涂泥＞石砂土＞酸性紫泥田＞棕红泥＞泥涂＞滨海砂土。

（2）按照第二次土壤普查养分分级标准，对所布点各样本土壤剖面表层土壤指标值进行分段频数分析，岱山本岛表层土壤总体评价为土壤偏酸性，有机质含量中等，全氮含量中等。

（3）对土壤表层 pH值、有机质、全氮含量进行经典统计分析可以看出，pH值和有机质分布比较均匀，未受到特异值影响。pH值、有机质、全氮含量变异系数分别为0.11、0.13和0.54，存在中等程度的变异性。

（4）土壤pH值总体趋势从海岛中部到四周逐渐增大，条带状和斑块状分布明显。土壤有机质和全氮含量相关系数性达到极显著水平（P＞0.01），两者空间分布格局具有相似性，成环状或条带状分布明显，有机质在北部和西部有明显的斑块状分布。

（5）研究区土壤表层pH值、有机质、全氮空间变异性主要受到植被分布、土壤类型、地形等因素的影响。土壤有机质含量空间变异性受植被因素影响明显。由此可见，开展沿海防护林建设对于改善海岛土壤养分条件，增加土壤肥力有重要作用。

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