西安市粮食主产区耕层土壤速效养分空间特征

赵业婷，李志鹏，常庆瑞，齐雁冰，刘京

(西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100)

土壤速效养分是土壤所提供的易被作物吸收利用的营养元素，其含量对作物的供肥强度有重要意义［1］。土壤速效氮、磷、钾含量常作为土壤特性空间变异特征研究的对象，对其充分了解是土壤养分管理和合理施肥的基础［1-12］。作物在生长发育过程中，按照一定比例吸收土壤养分，土壤养分的比值研究可为平衡施肥提供有力借鉴。不同研究区、不同研究尺度下，引起土壤养分发生变异的因素存在较大差异［1-12］。已有区域研究多基于大、中采样尺度，小尺度下的结构特征易被掩盖，样本信息不充分，影响插值精度［13］。以往研究多侧重于地统计学方法及其参数的选取，而有关影响因子的系统定量分析较少，更缺乏土壤氮磷钾比值的研究。本文选取西安市粮食主产区—西南郊区为研究区，该区在上世纪80年代土壤氮、磷俱缺，且氮磷比值过大，氮磷比例失调［14］;30年来，农民对土壤的改造规模不断增大、强度不断增强，为追求高产，施肥量急剧增加，势必使得土壤养分比例发生较大变化，加剧了受纳地表水体的富营养化趋势，易产生环境压力［15-16］。准确了解土壤养分现状及其影响因子，对提高西安市粮食生产能力具有重要的现实意义。本文采用传统统计学、地统计学与地理信息系统(GIS)技术相结合的方法，基于西安市耕地地力调查与质量评价项目，进行高密度采样，同时结合测土配方施肥项目中的“3414”田间试验成果，对研究区耕层土壤速效养分的空间变异性、丰缺格局和影响因素进行定量研究与分析，以明确西安市土壤养分现状及其障碍因素，为保护土壤环境、平衡施肥和提高农业生产提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本项研究在中国陕西省西安市的粮食主产区进行，地理位置为东经 107°59' 109°13'，北纬 34°00'～34°18'，区域面积 2134.39 km2，范围包括长安区、户县和周至县的农业区，土地垦殖率高达72%，粮食播种面积184128 hm2，粮食产量874950 t，占西安市总粮食产量的50%，农用化肥施用折纯量达110379 t，农业机械化动力达1358612 kw。该区位于渭河平原中部，南靠秦岭山脉，北以渭河为界，是在地堑式构造盆地基础上，经渭河干、支流冲积、洪积而成。地势北低南高，海拔介于385 1160 m，平均473.68 m，自北向南依次分布着渭河河漫滩、渭河阶地、黄土台塬和山前洪积扇4种地貌类型。属暖温带半湿润大陆季风气候，冷暖干湿，四季分明，年均降水量为620～670 mm。由于人们长期耕作，堆起覆盖的影响，在原来的自然褐土上覆盖了数10 cm厚的熟化层，创造了新型的主要农业土壤— 土，此外有少量潮土、淤土和黄绵土，土壤质地以粘壤土为主，土壤pH值介于5.0～8.6。本区植被主要为大田农作物，以小麦—玉米种植模式为主导，水源充足，灌溉便利，多为水浇地［14］。

1.2 土壤样品采集与测定

遵照《中国耕地地力调查与质量评价技术规程》(NY/T 1634-2008)，在2009年和2010年作物收获后、施肥前，根据地形地貌、土壤性质和管理水平等因素特点，以全面性、均匀性和可比性(以上世纪80年代第二次土壤普查时期的土壤样点信息为参照)为原则，确定采样单元。在每一采样单元的0—20 cm土层上，根据单元形状和大小确定适当的布点方法，长方形地块采用“S”法，近似正方形地块采用“X”法或棋盘形布点。将采集的样点土壤充分混匀后，用四分法留取1 kg土样装袋以备分析。本次共选取2990个有效土样(图1)，遍及60个乡镇，50多个土种类型，平均样点间距约为500 m。测定项目包括土壤有机质，速效氮、磷、钾及pH等，均采用常规方法测定［17］。

1.3 半方差函数及其模型选取标准

地统计学理论在众多文献中已有详细的表述。半方差函数是其最核心的工具之一，是进行克里格空间插值的基础，用于分析区域化变量的变异特征及结构性状［18］。本研究应用目前较为成熟的球状、指数和高斯3种模型，以残差平方和(RSS)最小、决定系数(R2)最大为原则，对试验半方差函数进行拟合，获取最优的半方差函数理论模型及其具体参数。单一目标变量的半方差函数式如下:

式中:r(h)是半方差函数;h为两样本间的分离距离;z(xi)和z(xi+h)分别是随机变量在空间位置xi和xi+h上的取值;N(h)为在分离距离为h时的样本对总数。

图1 土壤采样点与数字高程模型分布图Fig.1 Distribution map of soil sampling sites and DEM

1.4 土壤速效养分丰缺指标

土壤养分丰缺指标是根据农作物对肥料的生物反应来确定。本研究在西安市耕地地力调查与质量评价与测土配方施肥项目的研究基础上，利用项目调查与分析成果，针对主导粮食作物小麦和玉米，采用“3414”最优回归设计方案［19］，确定出作物耕层土壤速效养分的丰缺指标(表1)。

表1 耕地土壤速效养分丰缺指标(mg/kg)Table 1 Abundant indexes of soil available nutrients contents in farmland

1.5 数据处理

采用SPSS19软件分析土壤养分基本统计学特征、正态分布检验，单因素方差分析和Pearson相关分析等。利用Minitab15软件选取最优的正态分布拟合参数p。在GS+9.0地统计软件中分析和建立各土壤养分最优半方差理论模型，输出半方差函数图。在 ArcGIS9.3软件中的“Geostatistical Analyst”模块进行空间克里格插值，实现养分值由点到面;进而在其“Spatial Analyst”模块中进行叠置操作，量化等级面积，统计各样点与其对应的居民点、主干道路、水系沟渠等环境因子的距离等;在“Layout View”下绘制各专题图件。

2 结果与分析

2.1 基本统计特征

检验数据的正态分布是使用空间统计学克里格方法进行土壤特性空间分析的前提。经单一样本K-S检验发现，原始数据集中土壤速效氮符合正态分布，速效钾经自然对数变换，土壤速效磷经Box-Cox变换(P=0.50)后均符合正态分布，即 PK-S均大于0.05。研究区耕层土壤速效养分统计特征如表2所示。

表2 土壤速效养分含量统计特征Table 2 Statistical characteristics of soil available nutrients in farmland

当前研究区耕层土壤速效氮、磷、钾平均含量依次为 59.06 mg/kg，21.26 mg/kg，127.66 mg/kg，分别处于陕西省土壤养分分级标准的第5、3、3级［14］。3项土壤速效养分均属中等变异强度，其以速效磷的变异强度最大，极差比近60倍，分析其原因不仅与该地区不同部位的土壤类型，地形地貌有关外，也与磷在土壤中的化学行为及施磷肥状况有关，因施入土壤中的磷移动较小、当季利用率低等原因，使土壤中磷的残留较多，导致土壤中磷分布不均匀［8］;土壤速效钾次之，速效氮变异系数最小。

上世纪80年代第二次土壤普查时期，研究区耕层土壤速效氮含量偏低，速效磷极缺，速效钾丰盈(表1)［14］。经30年的生产活动，研究区土壤速效氮、钾含量整体分别下降了9.70%、22.53%，子区降幅自东向西增大，远郊县周至县分别下降了18.27%、40.38%;土壤速效磷含量整体提升了172.17%，子区增幅自东向西明显增大，周至县增幅高达337.35%;可见，30年来研究区耕层土壤养分变化具有明显的城乡过渡特征。

2.2 半方差函数结构

土壤速效养分半方差函数具体参数(表3)和半方差拟合图(图2)可知，各养分指标在变程范围以内的点离理论模型曲线很近，且决定系数(R2)均达到0.90以上，表明本研究所选取的模型具有较高拟合精度。本采样尺度下，研究区3项土壤速效养分的最优半方差模型均为指数模型，块金系数C0/(C0+C)均介于0.25～ 0.75，即表现为中等强度的空间相关性，其空间变异性是自然因素和人为因素共同作用的结果［18］。

表3 土壤速效养分半方差函数及插值精度Table 3 Parameters fitted by semivariogram models for soil available nutrients and interpolation accuracy

图2 土壤速效养分半方差函数图Fig.2 Semi-variogram maps of soil available nutrients

2.3 空间丰缺格局

基于符合正态分布的各土壤养分数据，选用各自最优半方差函数理论模型及参数(表3)，运用普通克里格插值方法，绘制研究区耕层土壤速效养分空间分布图(15 m ×15 m，图3)，其插值精度见表3。继而以2009年耕地分布为本底，编制各行政单位的耕地土壤养分等级面积比例(表4)。

研究区耕层土壤速效养分空间差异显著，高、低值区域分异明了，整体呈东西向变化，县区间含量梯次变化明显，表现出明显的城乡过渡的分布特征;县区内则多呈纵向变化且多团状镶嵌结构(图3)。其中，土壤速效氮与速效钾空间含量达到极显著相关关系(r=0.474＊＊，P ＜0.01)，空间协同性强，含量大致呈西高东低态势;而土壤速效磷空间分布反向，即呈东高西低格局。从表4可以看出，整体上研究区土壤钾素丰富;磷素较丰富，但其含量地域差异大即长安区中等、户县与周至县含量丰富;氮素整体水平不高，50.78%耕地存在亏缺，需积极补氮。各养分指标具体空间分布特征如下:

土壤速效氮空间上整体呈以户县为中心的“几”字形分布格局，字内高外低，空间连续性较强，现含量基本处于40 ～80 mg/kg。40 60 mg/kg即“缺乏”水平的耕地面积比例达50.78%，集中分布于西部的周至县和东部的长安区的东、北部地区;余下地区含量多集中在60～80 mg/kg，其中中部的户县和长安区的马王—细柳—杜曲—鸣犊一线以南区域含量以60～70 mg/kg为本底，70～80 mg/kg区域呈五大团块状镶嵌于其中，主要分布在灵沼、五竹、东大—五星—滦镇以南、子午—太乙宫以南和杨庄。

土壤速效磷空间图层层次简单，呈明显的东高西低的梯次变化趋势，含量基本处于10 ～30 mg/kg。10～20 mg/kg即“中等”水平区集中在高桥—苍游—五竹—灵沼—滦镇一线以东的区域，其次位于户县的祖庵与甘河，耕地面积比例共计40.23%，其中10 15 mg/kg区域集中分布在长安区内的王寺—斗门—兴隆—黄良一线以东。20～30 mg/kg即“丰富”水平区，耕地面积比例达57.63%，分布在余下的户县与周至县内，其中20～25 mg/kg区域多分布在户县与周至县的二曲、马召及骆峪—翠峰—竹峪中部;25～30 mg/kg区域分布于周至县余下的各镇和户县的渭丰、涝店。＞30 mg/kg的“极丰富”区集中分布在河漫滩上四屯镇的上、下屯村北部，只分布了1%的耕地。此外，≤10 mg/kg的“缺乏”地块仅存在于长安区内，空间呈两大斑块即大兆的三益村、中兆村与新庄村以北地块和杜曲的冯家村、寺坡村和牛家湾村，需积极增补磷肥。

土壤速效钾空间分布呈明显的西高东低格局，研究区及辖内子区均以“丰富”水平即100～150 mg/kg为主体，其中周至县与户县北部滩地和长安区的斗门、王寺、五星—滦镇以南地块，含量以100～120 mg/kg为本底，120～50 mg/kg区域集中在余下的户县与长安区的冲积平原上。＞150 mg/kg“极丰富”水平区主要分布于长安区东部塬面上的炮里、鸣犊和魏寨及中南部的兴隆、郭杜、韦曲和王曲，其次存在于户县的五竹、余下、秦渡及涝店—玉蝉—渭丰围拱的区域，＞200 mg/kg的高值地块仅分布在长安区郭杜的张康村与杜回村。此外，≤100 mg/kg的“中等”水平区，耕地面积比例为17.50%，多集中在渭河滩地上的联二、三村和长安区的曹坊村。

图3 土壤速效养分含量的空间分布图Fig.3 Distribution maps of soil available nutrients contents

表4 耕地土壤速效养分丰缺面积比例统计(%)Table 4 Area ratios of farmland at different soil available nutrients plentiful-lack indexes

2.4 土壤速效氮磷钾比值分布

第二次土壤普查中发现研究区大部分耕地土壤速效氮磷比值过大，特别是周至县和户县的土壤氮磷比值高于4，严重失调，是限制作物产量的障碍因素之一［14］。本研究以耕层土壤速效氮磷比值为主考量，同时兼顾土壤钾素，通过对养分插值图进行栅格运算，绘制现今研究区土壤速效氮磷钾比值分布图(图4)。经过30年的耕作管理，土壤磷素得到有效补充，土壤氮磷钾比值呈东高西低格局，其中土壤速效氮磷比值空间格局与第二次土壤普查时期呈反向趋势，现今失调的高比值区(≥4)集中在长安区的东部和南部，其中比值约为5的极高值区域分布于鸣犊、杜曲、子午、细柳、太乙宫等镇，应着重按比例施磷肥，以期提升增产效果。≤2的低比值区主要集中在周至和户县的北、南部，施磷肥效果差，需增补氮肥，其中比值约为1的极低值区域集中于周至县内即东部的尚村、九寨、终南、集贤和西部的侯家村、四屯、哑柏和青化等地，需着力加大氮肥施用比重。本区适宜的氮磷比值约3∶1，集中分布在户县和周至的司竹、富仁、楼观、马召、骆峪等镇，这些区域施磷肥效果不稳定，需在土壤速效养分丰缺状况的基础上，参考地块作物产量等因素按比例进行合理培肥，提高经济和生态效益。

图4 土壤速效氮磷钾比值分布图Fig.4 Soil available nutrients radio distribution map

2.5 影响因子分析

土壤养分空间差异是在内外因子长期共同作用下形成的。30年来，因城镇建设等用途，研究区耕地面积下降了20%，而单位面积耕地化肥施用总量普遍提高了60% 70%，且以氮、磷肥投入为主，农业机械总动力提升了近一倍，高投入的耕作模式使得本区粮食产量普遍提高了30% 40%。本文在肯定培肥的重要影响下，以方差分析和Pearson相关分析相结合的方法定量分析该区土壤速效养分的主要影响因子(表5、表6)，有效指导农业生产。

研究区影响因子间相互关联着并表现出一定程度的一致性与继承性特征。河漫滩，地下水位高，土壤碱性强(pH＞8)，多淤土、潮土分布，土壤质地砂化;渭河阶地，地势平坦，水源充足，多 土分布，质地较好，复种指数高，作物争养矛盾大;黄土台塬，河流交错，地形起伏，坡向以阳坡和半阴坡为主，水源相对不足，多黄绵土分布;南部的山前洪积扇区，地势高，温度低，生物作用弱，土壤有机质积累多，多为粉砂质粘壤土，土体构型不良，产量低，经济回报率低［13-14］。

统计分析表明，影响因素中概念型因子如地貌类型、土壤类型、质地和坡向对土壤速效养分含量均有显著的影响;数值型因子中距水系沟渠、主干道路及对应居民点的距离等人为利用因素，有机质含量和海拔高度等环境变量与养分含量间具有极显著或显著的相关关系。然而，不同养分在各影响因子内的差异程度及变化规律存在明显分异。土壤速效氮主要依次受地貌类型、土壤质地、有机质及居民点位置的影响;速效磷则多受地貌类型、坡向、土壤质地和居民点位置;速效钾主要受土壤质地、地貌类型、坡向、居民点位置与有机质的影响。变化规律上，土壤速效氮和速效钾含量大致随质地粘性的增加和由北向南的地形地貌变化而渐次增加，阴坡含量整体高于阳坡，且二者均与土壤有机质呈极显著正相关关系(P＜0.01)，即土壤有机质是土壤氮、钾素的重要来源之一，与人为利用因素的距离呈极显著负相关关系(P＜0.01)，即人为灌溉、施肥等管理模式精细化的地块土壤氮、钾素含量相对高(表6)。土壤速效磷的变化规律与上述反之，调查分析自第二次土壤普查以来，农民深刻认识到磷肥增产效果，尤其是远郊区普遍广施磷肥，现今土壤速效磷含量较高，土壤耕层的磷素有明显的下迁富集趋势［16］。30年来，农民的施肥侧重方向与地形地貌大致相同，使得土壤速效磷与海拔等地形因子具有相对较高的相关性;土壤磷素空间移动性虽小但因条件便利，人为活动频繁使得地块产量一般较高，速效磷消耗较多，进而使得其与人为利用因素呈极显著正相关关系(P＜0.01)。

表5 不同因素下土壤速效氮、磷、钾的方差分析Table 5 Variance analysis of soil available N，P and K for different factors

表6 土壤速效养分与环境变量间的相关分析Table 6 Correlations between soil available N，P and K contents and environment variables

3 结论与讨论

通过对西安市粮食主产区耕层土壤速效养分空间特征及其影响因素的分析，发现:1)当前研究区耕层土壤速效氮基本处于40 80 mg/kg，速效磷处于10 30 mg/kg，速效钾多处于100 150 mg/kg之间，土壤速效氮磷钾比值介于1∶1∶2 5∶1∶15。四者的高低值区域空间分布明显，基本呈东西向变化，县区内多呈纵向变化趋势。2)与上世纪80年代相比，土壤速效氮、磷、钾平均含量分别变化了-9.70%、172.17%和 -22.53%，变幅表现出城乡过渡特征;土壤速效氮磷比值高低分布呈反向，高比值失调区集中于长安区。3)在样点间距约500 m的采样尺度下，土壤速效氮、磷和钾、氮均表现为中等强度的空间相关性，空间变异受地形地貌、土壤性质等自然因素和施肥、灌溉质量等人为因素的共同作用，其中人为因素起相对更为重要的作用。4)按照“3414”田间试验确定的养分丰缺度指标，研究区耕地土壤速效钾基本丰富，速效磷较丰富但区域变异大，土壤速效氮普遍缺乏，50.78%的耕地土壤速效氮在缺乏水平，49.22%的为中等没有达到丰富的地块。5)今后的农业实践中，应密切关注土壤钾的消耗、氮的有效补充和磷肥的控制，平衡土壤养分，提升区域经济和生态效益。

本研究中土壤速效磷因人为施肥侧重方向与地形地貌格局大致相同，从而可能使得其空间结构性比重增加，块金系数明显低于土壤速效氮与钾。因此，单纯地从半方差结构中推算影响因素及其影响程度是不充分的，很有必要系统定量地分析影响因素。目前的区域土壤速效养分研究多是基于大中尺度的采样分析，样本信息不充分，易影响插值精度。本研究基于高密度采样，采样间距约为500 m，结果相对更真实可靠。鉴于本研究区土壤速效养分含量与有机质等属性间存在极显著相关性，可进一步尝试以有机质等相对易获取、稳定的属性为辅助变量在协同克里格法支持下提高土壤养分的估值精度及优化采样数量，服务于精准农业。

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