黄河下游县域耕层土壤养分的空间变异分析——以山东省东阿县为例

卢向阳,张金萍,魏 帆,张保华(聊城大学 环境与规划学院,山东 聊城252059)

黄河下游县域耕层土壤养分的空间变异分析
——以山东省东阿县为例

卢向阳,张金萍,魏 帆,张保华*
(聊城大学 环境与规划学院,山东 聊城252059)

以山东省东阿县为研究区,运用全国第二次土壤普查养分分级标准及地统计分析方法探测土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾4种土壤养分的空间变异特征。结果表明,东阿县耕层土壤有机质含量介于9.50～29.80g/kg, 分布相对稳定，大部分区域介于15.00～20.00 g/kg，属于4级水平；仅高集镇东北部、顾官屯镇西部、刘集镇西南部、鱼山镇中西部及鱼山镇、刘集镇、姜楼镇三镇交界地区有机质含量较低；仅铜城街道办事处西北部、新城街道办事处东南部、陈集乡西南角、大桥镇西北部以及牛角店镇西南部有机质含量较高。全氮含量介于0.64～1.82 g/kg, 整体上分布较均匀，大部分区域介于1.00～1.50 g/kg,属于3级水平，仅刘集镇北部地区略低。有效磷含量介于2.50～78.20 mg/kg,具有较大的空间变异,但绝大部分介于20.00～40.00 mg/kg,属于2级水平;仅高集镇北部、牛角店镇东南部、鱼山镇南部和刘集镇南部地区处于3级水平。速效钾含量在空间上呈岛状和条带状相结合的分布特点，大部分地区在150.00 mg/kg以上,属于2级及其以上水平，含量总体上很丰富,其中东阿县中部和南部大片地区处于1级水平;仅高集镇中部、姚寨镇中部、牛角店镇东部、顾官屯镇中西部、鱼山镇北部及南部、姜楼镇西部和南部少量地区速效钾含量稍低,属于3级水平；4级区域非常稀少。

GIS; 土壤养分; 地统计分析; 空间相关性; 普通克里金

土壤养分是衡量土地生产力的指标,了解其丰缺状况、变异情况对测土配方施肥及实施精准农业具有重要指导意义[1]。因此,研究土壤养分的空间变异特征具有重要的现实意义。迄今,关于土壤养分空间变异的研究较多,主要集中于县域粮田土壤养分、稻麦两熟农田土壤速效钾、华北平原典型县域土壤养分等方面[2-12],但对黄河下游典型平原县域土壤养分的变异研究相对较少[13]。为此,对黄河下游典型平原县东阿县有机质、全氮、有效磷、速效钾4种土壤养分的空间变异特征进行分析,旨在为土地资源可持续利用及土壤养分精准管理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

东阿县位于山东省聊城市东南部,紧邻黄河,地处鲁西北平原(116°02′～116°33′E、36°07′～36°33′N)。县境沿黄河呈西南东北走向,南北长52 km,东西宽24.5 km。地势由西南向东北倾斜,海拔介于28～40 m,大部分为平原,山丘仅占0.03%,为典型的平原县域,主要有波状起伏的高岗、缓坡及洼地、缓坡平地、河间浅平洼地、决口扇形地等5种地形。全县土地总面积729 km2,耕地面积48 000 hm2[14]。土类主要以潮土为主,包括盐化潮土、褐土化潮土、潮土3个亚类。成土母质主要以黄河冲积物为主,东阿县农耕历史悠久,为传统农业区,主要农作物有小麦、玉米、大豆、棉花等。

1.2 土样采集与分析

按照农业部测土配方施肥的要求,在东阿县按照随机、等量和多点混合的原则,于2012年在研究区域选取采样点166个,每个样点设立12个取土点,然后混合成一个样品,以确保采集的样品能代表采样点的土壤特性。采用S形布点采集耕层0～20 cm土壤,采样位置集中于每个采样单元中心位置的典型地块,并用GPS标定中心点经纬度坐标,采样点地理位置见图1。

图1 采样点位置

把所采集的样品除去杂质,风干,过筛,对土壤养分进行化学分析。有机质含量用重铬酸钾外加热法测定,全氮含量用凯氏定氮法法测定,有效磷含量用0.5 mol /L NaHCO3提取—钼锑抗比色法测定,速效钾含量用1 mol/L中性醋酸铵提取—火焰光度计测定[15]。

1.3 土壤养分分级标准

参照全国第二次土壤普查养分分级标准[16],对土壤养分含量进行分级,具体分级标准见表1。

表1 全国第二次土壤普查养分分级标准

1.4 土壤养分空间变异分析方法

地统计学是分析土壤特性空间分布特征及其变异规律的有效方法。变异函数r(h)是地统计学的理论核心,它是区域化变量增量平方的数学期望,即区域化变量增量的方差,其计算公式如下。

式中,N(h)为样本对数,Z(x)是系统某属性在空间位置x处的区域化随机变量,并且满足二阶平稳假设,h为两样本点空间间隔距离,Z(xi)和Z(xi+h)分别是区域化变量Z(x)在空间位置xi和xi+h处的实测值[i=1,2,...,N(h)][17]。

变异函数的重要特征值为变程(a)、基台值(C0+C)和块金值(C0)。变程表示土壤要素的空间自相关范围,其变化反映引起土壤要素变异主要过程的变化。当变程a≤h时,区域化变量Z(x)的空间相关性消失。块金值表示由试验误差和小于最小取样尺度引起的随机变异,较大的块金值表明较小尺度上的某种变化过程不容忽视。基台值通常表示系统内的总变异,包括结构性变异和随机性变异,是系统或系统属性中最大的变异,基台值越高,表示系统总的空间异质性越高。块金值和基台值之比[C0/(C0+C)],即变异系数,反映块金值占总空间异质性变异的大小,比值较高说明由随机部分引起的空间异质性程度较大;相反,则由空间自相关部分引起的空间异质性程度较大;如果接近1,则说明该变量在整个尺度上具有恒定的变异。从结构性因素的角度来看,C0/(C0+C)可表示系统变量的空间相关性程度,如果比例大于25%,说明变量具有强烈的空间相关性;在25%～75%,说明变量具有中等的空间相关性;超过75%时,说明变量空间相关性很弱[18]。

本研究首先对土壤养分数据进行描述性统计分析,判断各养分数据的分布特征,然后进行趋势分析,最后采用普通克里金法进行土壤养分的空间插值。进行插值时,将方向参数设置为各向异性,分别用三角函数、球面函数、指数函数等模型进行模拟,根据标准平均值(ME)最接近于0、平均标准误差(ASE)最接近于均方根预测误差(RMS)、标准均方根预测误差(RMSS)最接近于1三个主要标准判断半方差函数模型及其参数是否合适,记录下最优模型的变程、基台值、块金值等重要参数,分析土壤养分变异函数的特征。

2 结果与分析

2.1 东阿县土壤养分数据的描述性统计分析

由表2可知, 黄河下游典型平原县东阿县土壤有机质含量数据经过对数变换,全氮、有效磷、速效钾含量数据经过Box-Cox变换之后均符合正态分布。东阿县土壤有机质含量介于9.50～29.80 g/kg,处于3～5级,平均处于4级;全氮含量介于0.64～1.82 g/kg,处于2～5级,平均处于3级;有效磷含量介于2.50～78.20 mg/kg,处于1～6级,含量分布较分散,平均处于2级;速效钾含量介于60.00～463.00 mg/kg,处于1～4级, 平均处于1级。

表2 东阿县土壤养分数据的描述性统计分析

2.2 东阿县土壤养分含量的空间趋势及变异函数分析

对东阿县土壤养分含量变化进行趋势分析发现,有机质、全氮、有效磷、速效钾4种土壤养分都呈倒U形,呈现一定的二阶趋势。因此,对各土壤养分含量数据进行插值时都选择二次趋势效应函数。通过检验,有机质选择指数函数模型、全氮选择三角函数模型、有效磷选择球面模型、速效钾选择球面模型进行空间分布插值模拟,参数如表3所示。由表3可见,东阿县土壤有机质、全氮的块金值和基台值都较小,表明随机部分的空间异质性和养分总变异相对较小;有效磷块金值和基台值相同,表明二者在整个尺度上都具有恒定的变异;速效钾块金值和基台值相对较大,表明随机部分的空间异质性和养分总变异相对较大。从变程看,土壤有机质、全氮、速效钾在空间上呈现出明显的各向异性,分别在1.82～3.98 km、2.34～6.15 km、2.56～6.32 km时存在空间相关性,其含量具有较强的空间渐变性特征。有效磷在空间上表现为各向同性,在0～59.65 km存在空间相关性,超过59.65 km空间相关性消失。土壤有机质、全氮、有效磷含量变异系数都大于75%,表明其空间相关性较弱,且养分分布情况主要由随机性因素引起。速效钾含量变异系数为48.27%,属于中等程度的空间相关性, 其分布情况主要由随机性因素如灌溉、施肥、耕作、土壤改良等人为活动,以及结构性因素如地形、气候、土壤类型等共同作用引起[19]。各养分指标空间相关范围均大于采样点平均间隔,可以进行空间插值、制图。

表3 东阿县土壤养分空间插值模型参数及检验指标

2.3 东阿县土壤养分含量的空间变异特征

由图2可以看出，东阿县耕层土壤有机质含量分布相对稳定、差异较小,大部分区域介于15.00～20.00 g/kg,属于4级水平;仅高集镇东北部、顾官屯镇西部、刘集镇西南部、鱼山镇中西部及鱼山镇、刘集镇、姜楼镇三镇交界地区有机质含量较低,介于9.50～15.00 g/kg，属于4～5级;仅铜城街道办事处西北部、新城街道办事处东南部、陈集乡西南角、大桥镇西北部以及牛角店镇西南部有机质含量较高,介于20.00～29.80 g/kg，属于3级水平。全氮含量整体上分布较均匀，大部分区域介于1.00～1.50 g/kg,属于3级水平；刘集镇北部地区全氮含量略低, 介于0.75～1.00 g/kg,属于4级水平;全氮含量在2级和5级的区域比较稀少。有效磷含量具有较大的空间变异,介于2.50～78.20 mg/kg,但绝大部分介于20.00～40.00 mg/kg,属于2级水平;仅高集镇北部、牛角店镇东南部、鱼山镇南部和刘集镇南部地区处于3级水平;其他等级区域比较稀少。速效钾含量在空间上呈岛状和条带状相结合的分布特点，大部分地区在150.00 mg/kg以上,属于2级以上，含量总体上很丰富,其中东阿县中部和南部大片地区处于1级水平;仅高集镇中部、姚寨镇中部、牛角店镇东部、顾官屯镇中西部、鱼山镇北部及南部、姜楼镇西部和南部少量地区速效钾含量稍低,属于3级水平；4级区域非常稀少。

图2 东阿县土壤养分空间分布情况

3 结论

在空间上,黄河下游典型平原县东阿县的土壤有机质、全氮和速效钾3种土壤养分为各向异性,在1.82～6.32 km时存在空间相关性;有效磷为各向同性,超过59.65 km之后空间相关性消失。土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾的变异系数介于48.27%～100.00%。速效钾表现出中等程度的变异,其空间变化是结构性因素和随机性因素共同作用的结果；有机质、全氮和有效磷空间变异性较弱,主要受随机性即人为因素的影响。对普通克里金插值法获得的各种养分的空间分布图进行分析发现，东阿县绝大部分地区的有机质含量处于4级水平,农田普遍施用化肥,有机肥和畜禽厩粪肥施用不足使得东阿县耕层土壤有机质含量偏低。由于存在挥发、淋失与反硝化损失,氮肥很难在土壤中储存,东阿县全氮养分含量绝大多数地区处于3级水平。磷肥相对易储存在土壤中,大部分地区有效磷含量处于2级水平，含量比较丰富。东阿县农田土壤速效钾含量丰富,大部分处于1、2级水平。综合而言,增施有机肥，小麦、玉米等作物秸秆还田,推广平衡配套施肥技术等是提高东阿县耕层土壤有机质和全氮含量的有效措施。

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Analysis of Spatial Variability of Topsoil Nutrients of County Area of the Lower Yellow River—A Case Study of Dong’e County

LU Xiangyang,ZHANG Jinping,WEI Fan,ZHANG Baohua*
(College of Environment and Planning, Liaocheng University,Liaocheng 252059,China)

The spatial variability of soil organic matter,total nitrogen,phosphorus and potassium in Dong’e county of Shandong province was studied by geostatistics and nutrition classification standard for the second national soil survey in this paper.The results showed that soil organic matter contents were 9.50—29.80 g/kg,relatively stable,with most of the area being 15.00—20.00 g/kg,belonged to level 4;only in northeastern Gaoji town,west Guguantun town,southwest Liuji town,midwestern Yushan town,and the junction of Yushan,Liuji and Jianglou towns,the organic matter contents were lower;only in northwest of Tongcheng subdistrict,southeast of Xincheng subdistrict,southwest corner of Chenji country,northwest of Daqiao town and southwest of Niujiaodian town,the organic matter contents were higher.Total nitrogen contents were 0.64—1.82 g/kg and the distribution was more uniform,with most of the area being 1.00—1.50 g/kg,belonged to level 3;only in northern Liuji town,total nitrogen content was lower.Available phosphorus contents were 2.50—78.20 mg/kg,and more dispersed distribution,with most of the area being 20.00—40.00 mg/kg,belonged to level 2;only in northern Gaoji town,southeastern Niujiaodian town,south Yushan town,and south Liuji town,available phosphorus content belonged to level 3.In space,available potassium content had the features of combination of island and strip,was overall abundant,with most of the area being 150.00 mg/kg or more,belonged to level 1 or 2,the large areas of central and southern Dong’e county belonged to level 1;only in a small amount of areas of the central Gaoji town,central Yaozhai town,eastern Niujiaodian town,central and western Guguantun town,northern and southern Yushan town,western and southern Jianglou town,available potassium contents were lower,belonged to level 3,with very scarce area belonged to level 4.

GIS; soil nutrient; geostatistics; spatial correlation; ordinary Kriging

2016-03-10

国家自然科学基金项目(41201602)；山东省高校科技计划资助经费项目(J14LH04)；全国统计科学研究计划项目(2014LY057)；国家级大学生创新训练项目(201410447011)

卢向阳(1990-)，男，山东德州人，在读硕士研究生，研究方向：3S技术应用与建模。E-mail:lcdx_lxy@163.com

*通讯作者：张保华(1971-)，男，山东莘县人，教授，博士，主要从事土壤地理学、土壤物理学方面的研究。 E-mail:zhangbaohua@lcu.edu.cn

S158

A

1004-3268(2016)08-0069-05