三峡库区土壤养分空间分布状况研究①

樊燕

摘 要 采用地统计学及GIS技术对三峡库区土壤养分的空间变异性及空间分布状况进行研究，评价研究区土壤养分含量水平。结果表明，试验区土壤养分变异较大，但均为中等变异，其中氮的空间变异主要来自结构性因素，而有机质、磷、钾的空间变异性主要来自于随机因素的影响。另外，研究区各种土壤养分含量水平均不高，其中有机质、磷、钾非常缺乏，钾大部分区域含量中等，部分地区也比较缺乏。

关键词 三峡库区 ；土壤养分 ；空间分布

分类号 S159

由于在形成过程中受到成土母质、地形、人类活动等自然因素和人为因素的影响，土壤成为在时间和空间上不均一、变化的时空连续体，并表现出高度的变异性。20世纪80年代开始，土壤空间变异性研究在我国勃然兴起，并取得了丰硕的研究成果[1-4]。土壤的空间变异性对于评价和有效利用土壤具有十分重要的作用[5]。近年来，由于地统计学、GIS和GPS等研究方法广泛应用在土壤科学领域，并由此推进了我国对土壤养分空间特性的研究，并取得了一定成果[6-8]。然而，三峡库区作为全国农业生产的重要区域，在土壤空间变异性研究方面却相对较少。因此，本研究以三峡库区腹心地带重庆市忠县为例，应用地统计学并结合GIS技术，对土壤有机质、氮、磷、钾等养分的空间变异情况进行研究，从而为三峡库区农业生产规划、养分的管理及合理施肥等提供科学依据，以期为库区生态环境建设、耕地质量保护以及农业可持续发展等提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

忠县地处重庆市中部，是三峡库区腹心地带，面积2 187 km2，最高海拔1 680 m，最低117 m，典型的丘陵地貌，处于暖湿亚热带东南季风区，属亚热带东南季风区山地气候。年均温18.2℃，≥10℃年积温5 787℃，无霜期341 d，日照时数1 327.5 h，太阳总辐射能350.43 kj/cm2，年降雨量1 200 mm，相对湿度80%。

1.2 方法

本研究在忠县全县范围内采集土壤样品1 980个，随机采样，同时利用GPS确定样点经纬度，由此得到忠县土壤样点分布图（图1）。

采样方法：在随机选取的样点附近采用“S”法均匀采取0～20 cm深的耕层土壤，每一个样点采集10个点，然后将其进行充分混合后，用四分法留取1 kg作为样品。

样品分析方法：本研究采用土壤养分状况系统研究方法（ASI法）[9]分析土壤样品，分析土样的项目主要包括土壤有机质（OM）、碱解氮、有效磷和速效钾等大量养分元素。

数据分析方法：本研究利用SPSS对数据进行统计及相关性分析。数据统计包括平均值、标准差、方差、变异系数等的计算，数据分析利用ArcGIS采用地统计分析及kriging空间插值的方法进行半方差函数分析、函数模型拟合、土壤养分空间分布图及土壤养分分级分布图的绘制[10]。

2 结果与分析

2.1 土壤养分的基本统计值特征

首先用阈值识别法对所有1 980个土壤样本数据进行处理，然后再利用SPSS进行常规统计分析，其分析结果见表1。

从变异系数看，磷的变异系数最高为89.54%，其次是钾和有机质，变异系数分别为60.02%和38.50%，而变异最小的均为N（34.32%），这说明研究区的土壤养分含量差异很大。但由于研究区0.1

2.2 土壤养分空间变异特征

采用克里格（kring）空间插值法分析土壤养分的空间变异性。采用ArcGIS10.1软件中的空间分析模块来进行分析。首先要计算各土壤养分含量的半方差函数，并选择出最合适的半方差函数模型进行拟合，并用交叉验证法来修正模型的参数，得到研究区各土壤养分的半方差分析结果（表2）。

结果表明，忠县土壤有机质、氮、磷和钾的空间变异性都存在半方差结构，但半方差结构参数表现不一，其变程范围在10 118.4～57 252.5 m。由于C0表示由实验误差等随机因素引起的变异，从块金方差C0看，不同养分的差异较大，N的块金方差很小，接近于0，表明随机因素引起的变异小；而有机质、磷和钾则相对较大，表明随机因素引起的变异较大。半方差结构[C0/（C0+C）]比值表示养分的空间变异程度，从[C0/（C0+C）]比值看，N的比值为69.642%，在25%～75%，表明具有中等的空间相关性，其空间变异是由结构性和随机性因素共同作用的结果，而有机质、磷和钾的比值分别为89.988%、89.101%和79.403%，均大于75%，表明具有很弱的空间相关性，空间变异主要来自随机因素[11]。就决定系数R2看，由于决定系数越大，模型的拟合性越好，本研究中氮的决定系数最大，其拟合性最好；而P的决定系数最小，拟合性最差。

2.3 土壤养分的空间分布格局

根据表2所选择的半方差函数模型，采用克里格最优内插法，借助地理信息系统软件ArcGIS10.1的地统计分析模块，绘制出土壤各养分含量的等值线图，然后与忠县的行政区划图相叠加，得到忠县各土壤养分的空间分布图（图2）。

从图2中可以看出，在整个研究区范围内，土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量在空间上的分布状况各不相同，然而部分区域也具有一定的相似性。首先，土壤有机质含量表现为西部及北部部分区域较高，而中部及东南部含量较低。而土壤碱解氮则表现为，北部及东部部分区域的含量较高，西部及南部含量较低。土壤有效磷含量表现为仅有西部及中部极少数区域含量较高，其分布特征总体上表现出比较高的均质性，这可能跟磷素在土壤中不太容易迁移有关。土壤速效钾的含量分布格局相对比较复杂，与其他养分相比，表现出相对较强的空间异质性，这说明土壤中钾素比较容易受到一些自然因素及人为因素的影响，其含量分布表现为中部地区含量较低，南部及北部含量较高，东部及西部含量较低。总体而言，土壤养分含量呈现北部高，中部低的趋势，这可能跟研究区内的地形、地貌特征等因素有关。

2.4 土壤养分含量评价

根据我国第二次土壤普查制定的土壤养分分级标准（表3），本研究还对忠县的土壤养分含量状况进行了分级评价，其评价结果如图3所示。

结果表明，整个研究区土壤的有机质含量水平大都处于4级以上，1级很少，5级最多，表明研究区土壤有机质含量很缺乏，仅南部极少数区域含量很丰富；研究区土壤碱解氮含量水平以4、5级为主，表明研究区土壤碱解氮含量非常缺乏，仅南部极少数区域为2级水平，含量丰富，没有含量很丰富的区域；研究区土壤有效磷含量为5、6级水平，表明整个研究区土壤有效磷含量极低，非常缺乏；研究区土壤速效钾含量主要处于3、4级水平，3级为主，表明总体上研究区速效钾含量中等，部分地区缺乏。

4 结语

研究区所有1 980个采样点的数据分析结果表明，其土壤有机质、碱解氮、有效磷及速效钾等土壤养分含量呈正态分布，但总体变异性较大，其变异系数为34.32%～89.54%，属中等变异。土壤有机质含量呈现西部、北部部分区域较高，而中部、东南部含量较低的趋势，但其总体含量水平低，处于很缺乏状态。土壤碱解氮则呈现北部、东部部分区域的含量较高，西部、南部含量较低的趋势，其总体含量水平很低，处于非常缺乏状态。土壤有效磷含量呈现出西部、中部极少数区域含量较高的趋势，在其总体分布特征总体上表现出相对较高的均质性，但同样其总体含量水平低，处于非常缺乏状态。而土壤速效钾的含量分布格局与其他土壤养分相比，相对比较复杂，总体表现出比较强的空间异质性特征，呈现出中部地区含量较低，南部、北部含量较高，东部、西部含量较低的趋势，总体含量中等，仍有相当部分区域处于缺乏状态。但就土壤养分整体而言，土壤养分含量表现为北部高，中部低。因此，在该研究区进行农业生产时，应加大有机肥、氮肥、磷肥的施用，适当施用钾肥，以更好的使用和培肥土壤，指导农业生产，科学施肥。

参考文献

[1] 程先富，史学正，于东升，等. 江西省兴国县土壤全氮和有机质的空间变异及其分布格局[J].应用与环境生物学报，2004，10（1）：64-67.

[2] 王宏庭，金继运，王 斌，等. 土壤速效养分空间变异研究[J]. 植物营养与肥料学报，2004，10（4）：349-354.

[3] 崔潇潇，高 原，吕贻忠. 北京市大兴区土壤肥力的空间变异[J]. 农业工程学报，2010，9（26）：327-333.

[4] 张 贞，高金权，陈 卫，等. 基于地统计学的土壤肥力空间变异分析[J]. 天津城市建设学院学报，2012，2（18）：134-139.

[5] 黄昌勇. 土壤学[M]. 北京： 中国农业出版社，2000.

[6] 邹 焱，苏以荣，路 鹏，等. 洞庭湖区不同耕种方式下水稻土壤有机碳、全氮和全磷含量状况[J]. 土壤通报，2006，37（4）： 671-674.

[7] 郭宗祥，左其东，李 梅，等. 江苏省太仓市耕地地力调查与质量评价-土壤pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾和CEC的变化[J]. 土壤，2007，39（2）：318-321.

[8] 王胜佳，陈 义，李实烨. 长期三熟制下谷物产量和土壤氮磷钾及有机质性状的演化[J]. 土壤通报，2003，34（3）：187-190.

[9] 加拿大磷钾研究所北京办事处. 土壤养分状况系统研究法[M]. 北京：中国农业科技出版社，1992.

[10] Cambardella C A， Moorman T B， Novak J M. Field-scale variability of soil properties in central low a soils J. Soil Sci. 1994， 58： 1 501-1 511.

[11] Alemi M H， Azari A B， Nielsen D R. Kriging and univariate modeling of a spatial correlated date[J]. Soil Technology， 1988， 1（2）： 117-132.