眉山市东坡区土壤有效磷空间变异特征及其影响因素分析

刘敏英，吕小娜，朱志国

(1.四川省眉山市东坡区土壤肥料与生态建设管理站，四川 眉山 620010；2.山西省运城学院生命科学系，山西 运城 044500)

眉山市东坡区土壤有效磷空间变异特征及其影响因素分析

刘敏英1，吕小娜2，朱志国1

(1.四川省眉山市东坡区土壤肥料与生态建设管理站，四川 眉山 620010；2.山西省运城学院生命科学系，山西 运城 044500)

采用地统计学与GIS相结合的方法，对眉山市东坡区耕层(0-20cm)土壤有效磷含量空间变异特征及其影响因素进行了分析。结果表明：(1)土壤有效磷含量平均值为13.92 mg/kg，变异系数为87.43%，属中等变异程度。(2)土壤有效磷含量成片状分布，从东北到西南方向，土壤有效磷含量呈升高趋势。土壤有效磷含量缺乏的区域面积占总面积的23.50%，土壤有效磷含量中等的区域面积占总面积的62.02%，土壤有效磷含量丰富及很丰富的区域面积占总面积的14.47%，东坡区土壤供磷能力处于中等偏下水平。(3)耕层土壤有效磷含量的半方差最佳理论模型为指数模型。在区域尺度下，土壤有效磷含量具有强烈的空间相关性(C0/( C0+C)值为50.0%)，受到结构性因子和随机性因子的共同影响，系自然和人为利用因素共同作用的结果。

耕层土壤；空间变异；影响因子

对土壤养分空间变异的充分了解是土壤养分管理和合理施肥的基础。磷作为植物生长必需的营养元素，也是土壤养分的重要组成部分。但耕地施入过量磷肥，不但造成磷肥资源浪费，而且会造成水体污染进而为害人体健康[ 1-6]。有效磷作为土壤磷贮库中对作物最为有效的部分，能直接供作物吸收利用，因而是评价土壤供磷能力的重要指标[7]。由于自然和人为因素的影响，农田土壤有效磷含量常具有空间变化特点，若缺乏对其背景值及空间变异情况的了解，不能根据其变化来确定施肥量和施肥方式，有可能导致农田磷素亏缺或盈余。土壤磷素亏缺影响作物生长，而农田土壤磷素长期处于盈余状态，则会加大土壤磷素向水体流失的风险，并产生潜在的生态环境问题。因此，推行合理施肥和有效控制农业面源磷污染，已成为人们越来越关心的问题[8]。

对农田土壤有效磷的空间变异特点及其影响因素的研究，可以为这一问题的解决提供重要的科学依据。早期对土壤养分空间变异性的研究不很成熟，如对K、P的研究侧重于其块金系数和空间自相关尺度的测定，而很少将其与精确农业结合起来进行土壤田间养分的精确管理，探究其含量变化与作物产量间的空间相关关系。近年来，学者们在这方面做了大量的工作，其中Simmelsgaard等研究了植被和土壤参数下的N、P、K的精确施肥，来判断施肥后一定精度下作物产量的反馈和变化。Ferguson等根据土壤间隔采样、土壤地形、玉米产量图和遥感技术4种方法结合而产生N素含量图来对玉米地进行特定N素管理。Shiel等通过密集土壤采样生成的土壤P、K含量图，利用作物产量和营养指数的光滑等值图，分析了P肥和K肥的含量与作物产量间的关系，并将其应用于施肥推荐中。国内杨俐苹等应用地理信息系统结合土壤状况探讨了一定农业生产条件下棉田土壤养分空间变异及其在推荐施肥中的应用。上世纪80 年代中期以来，我国一些学者将地统计学和地理信息系统结合起来，在土壤属性的空间变异性方面做出了有益的探索，但在土壤养分的空间变异研究方面尚处于起步阶段，尤其对于农田土壤速效养分空间变异的研究鲜有报道。近年来,随着地理信息系统的广泛应用和土壤科学的发展，利用地统计学,并结合GIS 技术来研究土壤性质的空间变异成为土壤学研究的热点，也取得了很好的成果[9-11]。

本文运用GIS 与地统计学相结合的方法，在高采样密度下，探讨眉山市东坡区耕层土壤有效磷空间变异特征，结合眉山市东坡区的具体情况，对土壤有效磷含量的影响因子作出分析，以期为提高区域农田土壤质量和农作物的施肥提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

眉山市东坡区(103°30′-103°59′E，29°51′-30°16′N)位于四川成都平原西南边缘，面积1331km2。该区地处岷江中上游，地形地貌以平坝、浅丘台地为主，主要成土母质为洪积物、坡积物和黄土母质，土壤以冲积土、紫色土、黄壤和水稻土为主，主产水稻、油菜、小麦和蔬菜，多为一年两熟。该区具有亚热带湿润季风气候的特点，年均气温17.2℃，年均日照1193 h，年均无霜期315d，年平均降雨量1057.5mm，降水一般集中在7～8月。

1.2 土样采集

根据四川省《测土配方施肥技术规程》(DB51/T-2006))的规定确定采样单元，在保证土壤样品代表性的前提下，平均每35 hm2布设1个采样点，在人为活动强烈的平原地区加密布点。每个土样以取土点为中心，在10 m半径内取5～10个耕层(0～20cm)土样混合而成，同时用GPS (Garmin 72)记录中心点的位置，全区域共采集土样3859个(图1)，采样时间为2007年，由4个小组在全区23个乡(镇)同时进行。

图1 土样采集点分布图 图2 东坡区行政区划图

1.3 样品处理

将采集的样本进行风干处理后，研磨并全部通过2mm筛，备用。土样中有效磷用0.5mol/L碳酸氢钠浸提，采用钼锑抗比色法测定[12]。

1.4 数据处理

1.4.1 地统计学方法 利用半方差函数的相关参数对土壤有效磷进行空间分析[13]。其中，半方差函数的块金值、基台值和变程等参数可以表示区域化变量在一定范围内和尺度下的空间变异和相关程度，它既是研究土壤理化特性空间变异性的关键，同时也是进行Kriging插值的基础。半方差函数计算公式如下：

式中r(h)为间隔距离h的半方差，也是以h为间距所有观测点的成对数目，N(h)是间距为h的计算对数,z(xi)和z(xi+h)分别是区域化变量z(x)

和z(x+h)在空间位置xi和xi+h处的实测值。由此可以得到实验半方差函数散点图，对实验半方差函数散点图进行拟合，得到半方差函数的最佳理论模型。

1.4.2 软件平台SPSS13.0——描述性统计分析、方差分析；GS+5.3——半方差函数分析；ArcGIS9.3——数字化地图、普通克里格插值 。

2 结果与分析

2.1 耕层土壤有效磷统计特征分析

为了解土壤实测样本的描述统计特征，计算了总体样本的基本统计参数。由表 1 可知，土壤有效磷的变异系数为87.43%，属于中等变异强度。 土壤实测样本中最小值、最大值分别为0.10和80.60mg/kg，极差较大，表明该区域在施肥方面没有根据土壤的肥力均衡施肥，而且可能存在盲目平均施肥，导致耕层土壤有效磷含量偏低或者过剩。

表1 东坡区土壤有效磷描述性统计

2.2 耕层土壤有效磷含量的空间结构分析

土壤特性空间结构分析的关键是拟合出精度较高的半方差函数模型，在选择模型时，要根据模型的参数值，从中选出最优模型(如表2)[14]。表2中的C0为块金值，表示由随机部分引起的空间异质性，C+C0为基台值，表示系统内总的变异。在土壤有效磷进行拟合时，得到有效磷的块金值与基台值，保证其变量在采样条件下的空间相关性。块金值与基台值之比可以揭示空间变量的相关程度，若比值<25%，表明变量空间相关性强烈，且主要受结构性因子影响；若比值>75%，表明变量的空间相关性很弱，且主要受随机性因子影响[14]。

如表2所示，得到3个模型的空间模拟相关参数，可以看出有效磷在步长为2778m范围内，土壤有效磷的分布受到了结构性因子和随机性因子的共同影响。当变程在930m时，块金值与基台值之比为50%，则表明土壤有效磷的分布受到结构性因子和随机性因子的影响是均衡的；而当变程在260m和2250m时，块金值与基台值之比分别为93.9%和80.0%，说明随机性因子对土壤有效磷分布的影响比结构性因子对其的影响大。在对比决定系数(R2)和残差(RSS)中，决定系数趋近于1，并且在决定系数一定的情况下，残差越小越好，由此，从表2中可以看出，指数模型是最优的理论模型。因此，在指数模型中，土壤有效磷含量具有强烈的空间相关性。

表2 土壤有效磷半方差函数理论模型及有关参数

2.3 耕层土壤有效磷的空间变异特征

土壤有效磷含量符合对数正态分布，指数模型中进行交互检验结果表明，土壤有效磷含量半方差函数的标准化均方根误差为1.0487，说明选用的模型预测结果准确性较高，这与空间相关性的强弱相吻合。根据全国第2次土壤详查分级标准，将土壤有效磷含量分为6个等级(表3)。

表3 有效磷含量分类等级

为了更加直观地反应土壤有效磷的空间变异特征，根据所得到的半方差函数模型，利用Kriging最优内插法，绘制了养分空间插值图。从空间插值图看出，土壤有效磷含量分布上具有斑块状的分布格局，从东北地区到西南地区，总体上趋势是持续升高，其中东北部地区有2个斑块有效磷含量较低，岷江河边土壤有效磷含量较高，有效磷含量最高的部分是南部的松江镇、中部的崇礼镇、北部的太和镇、西南部的修文镇和三苏乡、西部的广济乡。另外，按照表3的划分标准，眉山市东坡区土壤有效磷含量共有极缺、很缺、缺乏、中等、丰富、很丰富6个等级，且从图3中可以看出，东北部土壤有效磷含量主要是缺乏、很缺、极缺等3个等级，占总面积的23.50%；中北部、中部和东部土壤有效磷含量中等，占总面积的62.02%，西部个别乡镇和岷江河边土壤有效磷含量丰富，占总面积的14.47%。因此，眉山市东坡区耕层土壤供磷水平中等偏下，还需要继续推广测土配方施肥，引导农民科学施肥、均衡施肥。同时，土壤普查资料显示，土壤有效磷含量的主要变化方向也是区域内土壤类型、地形地貌及成土母质变化较为集中的几个方向。

图3 土壤有效磷含量空间分布图

2.4 耕层土壤有效磷空间变异的影响因素分析

土壤有效磷空间结构分析显示，土壤有效磷的空间变异受到结构性因子和随机性因子的共同影响。调查资料显示，区内的成土母质、地貌类型、有机肥施用量、种植制度及耕作方式都存在明显差异。因此，本研究选择成土母质、地貌类型作为结构性因子，选择有机肥施用量、种植制度多个指标作为随机性因子，探讨其对土壤耕层有效磷含量空间变异的影响。

2.4.1 成土母质的影响 岩石矿物经过风化作用产生的土壤母质是土壤形成的物质基础，也是土壤肥力的最根本来源,其对于土壤肥力的形成具有举足轻重的作用[15]。成土母质既是土壤的骨架，又是植物矿质养料元素的最初来源，因此直接影响着土壤的物理、化学性质组成和土壤成土过程的性质，影响着土壤中有效磷的积累和淋失。对研究区域中主要的6种成土母质进行描述性统计分析(表4),结果显示：不同成土母质土壤中有效磷的含量存在明显差异；土壤有效磷的均值比较是：由冲积物所形成的母质>由沉积物形成的母质>由残积物形成的母质>由坡积物形成的母质>由洪积物形成的母质>由黄土母质形成的母质。图3显示，松江镇、崇礼镇、太和镇土壤有效磷含量最高，其土壤是冲积物所形成的，根据全国第2次土壤普查的资料，冲积物为近代河流冲积与洪积层，具有二元结构，下部为河床相砾石层，物质来源于石灰岩和紫色钙质砂泥岩，质地轻，肥沃，土壤中有效磷含量较高，供磷能力强。尚义镇、悦兴镇和土地乡部分地区土壤有效磷含量最低，其土壤是黄土母质所形成的，由于黄土母质易侵蚀，黄土地区容易发生水土流失，所以土壤中有效磷流失较为严重，含量低。上述分析可以表明，成土母质是土壤有效磷空间变异的重要因素。

表4 不同母质对土壤有效磷含量的描述性统计分析

2.4.2 地貌类型的影响 不同的地形条件影响着水分在自然界的重新分配及人类活动的频度，导致土壤养分含量因地形条件变化而产生差异[16]。同时，在成土过程中，地形是影响土壤和环境之间进行物质、能量交换的1个重要条件，它与母质、生物、气候等因素的作用不同，不提供任何新的物质，但影响着土壤的形成、发育和分化。统计分析表明(表5)，丘陵地区土壤耕层有效磷含量均值高于平原地区土壤有效磷含量，可能是由于平原地区1年内要种植两季以上的农作物，磷肥消耗较大，而丘陵地区较少开垦种植。因此原因，在东坡区的区域内，丘陵地区的供磷能力大于平原地区的供磷能力。

表5 不同地形地貌对土壤有效磷含量的统计分析(mg/kg)

2.4.3 施肥管理 目前，中国广大农村的畜禽养殖户，普遍以露天堆肥后作为有机肥使用的方式来处理畜禽粪便[17]。根据调查资料显示，东坡区的主要农作物是水稻、玉米、油菜，其施用肥料大多以有机肥为主，配合施用复合肥。在进行空间插值图上，选取土壤有效磷含量差异较大的区域进行对比发现：尚义镇的黄庙村、人民村、顺河村等地区，土壤有效磷的含量均在10mg/kg以下；而在太和镇新江村、仙桥村等地区土壤有效磷的含量在20mg/kg以上。据调查，产生这种差异的原因可能是施肥方式不同，尚义镇的几个村采取的是单一施用有机肥或者磷肥，且施肥量较小；而太和镇的几个村除了施用有机肥外，还常年进行秸秆还田，有效磷容易积累。因此，不同地区之间施肥管理上的不同，也会对土壤有效磷含量空间变异产生深远影响。

2.4.4 种植制度 种植制度也是影响土壤有效磷含量空间变异的主要因素之一[18]。在各项农业基础设施完善，灌溉条件、交通便利等相同的条件下，常年生与一年三熟的种植制度的耕层土壤有效磷的含量最高(如表6所示)，这主要得益于土壤的施肥次数，且玉米的根系相对其它作物而言比较庞大，还田后有机质增加，磷也会相应增加。在一年两熟或者一年一熟的种植制度下，耕层土壤有效磷含量值相对较低，其主要作物为水稻。虽然磷素是水稻生长中必不可少的元素，但由于稻田长期被水淹浸，会造成了水稻田土壤中有效磷的流失或者被转化利用[19]；同时，由于磷肥在土壤中有较大的累积效应，残留的磷肥终将被水稻、油菜等农作物利用，最终导致土壤的供磷水平处于中等水平。只有在连续足量施磷条件下，土壤有效磷含量才会基本保持稳定或不断提高。

表6 不同种植制度对土壤有效磷含量的描述性统计分析

3 结论

(1) 眉山市东坡区土壤有效磷含量具有强烈的空间相关性，属于中等变异强度，受到结构性因子和随机性因子的共同影响。由养分空间插值图可知，土壤有效磷含量具有条带状的分布格局，从东北地区到西南地区，总体上趋势是持续升高。

(2)成土母质、地貌类型、施肥管理和种植制度均会对土壤有效磷含量产生影响，土壤有效磷含量空间相关性受以上因素的共同影响。

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