渭-库绿洲耕层土壤养分空间变异及影响因素分析

边慧芹，王雪梅,2*，毛东雷,2

(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.新疆维吾尔自治区重点实验室“新疆干旱区湖泊环境与资源实验室”，新疆 乌鲁木齐 830054)

【研究意义】当前，地统计学中的变异函数及克里格插值法已被广泛应用于土壤特性的空间分异模型与图形制作中[1]。【前人研究进展】由于在应用地统计学过程中，通常要求采样点分布在中小尺度均匀采样。故我国学者多将此方法应用于对农田土壤养分的空间变异评价研究中[2]。范夫静等通过研究喀斯特坡地土壤养分的空间异质与分布格局，认为造成该坡地土壤养分空间分布差异的主要因素是植被、地形以及人为干扰下的微生境[3]。刘祖香对农田尺度下旱地红壤的养分空间变异进行分析并预测各养分的空间分布状况，为农业的精确与合理施肥提供了科学依据[4]。张娜等人以内蒙古河套灌区为研究对象，利用经典统计学与地统计学相结合的方法，对不同土层有机质含量的空间变异进行分析，研究结果表明，不同土层有机质含量具有强烈的空间自相关，且土壤类型为影响空间分布的主导因子[5]。张小桐等人以徐水县土壤有效态微量元素为研究对象，利用GIS与地统计学相结合的方法，分析了4种微量元素的空间变异特征及影响因素，认为土壤pH值对土壤有效态微量元素的含量分布具有显著影响[6]。【本研究切入点】以上研究结果表明，土壤养分的空间变异性是普遍存在的，其变异来源主要包括结构性变异和随机性变异[7]。自然因素是影响土壤养分发生空间分异的本质因素，也是形成结构性变异的主导因素；而人文因素则表现为较大的随机性，是土壤养分空间分异的外因，它将有利于使土壤养分的空间变异朝均一方向发展，尤其是在小尺度范围更为强烈[8]。【拟解决的关键问题】基于GIS和地统计学分析方法对耕层土壤养分空间分异进行研究，可在一定程度上揭示土壤养分的空间变异规律及其影响因素，对预测和提高耕地土壤肥力以及平衡施肥和防治土壤退化具有重要的现实意义。

1 研究区概况

渭干河-库车河三角洲绿洲(简称渭-库绿洲)位于新疆天山山脉南麓，塔里木盆地北缘，地理位置介于80°37′～83°59′ E，41°06′～42°40′ N。行政区域上主要包括新和县的全部和库车、沙雅县的大部分绿洲范围，为一典型而完整的扇形洪、冲积倾斜平原。该绿洲属温带大陆性干旱气候，主要表现夏季炎热，冬季干冷，气候干燥，降水稀少，光照充足，气温的年较差大，蒸降比高，属于干旱与极端干旱地区。该三角洲绿洲为典型的绿洲农业区，农作物主要以棉花、玉米为主，经济作物以苹果、红枣和核桃等为主。在强烈的蒸发作用以及人类对水土资源不合理的利用情况下，该绿洲内部与外围的土壤盐渍化现象非常严重，造成土壤肥力下降显著[9]。

2 材料与方法

2.1 调查取样

本研究于2013年10月中下旬在渭-库绿洲进行为期10 d 的GPS定位采样。根据不同的土地利用方式在绿洲内部确定样地的布局和采样点数。如图1 所示，采样点的分布涵盖了主要土地利用方式(耕地、林地、荒漠灌丛和盐碱草地)。依据典型性和代表性原则，每种土地利用方式下进行多次取样，每个样点重复 3 次在耕层(0～20 cm)土层进行取样，共取得耕层土样234个。同时，在野外对地表环境特征以及人为活动情况进行了详细调查，并进行实地记录。

2.2 室内处理与分析

对采集的土样在实验室经过自然风干，研磨过筛备用。根据中国科学院南京土壤研究所编写的《土壤理化性质分析》[10]，有机质采用油浴加热重铬酸钾氧化容量法进行测定，全氮采用凯氏定氮法，碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法，速效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度计法进行测定。土壤pH值使用pH计测定，电导率用电导仪测定。

2.3 统计分析

运用SPSS20.0统计分析软件，对研究区耕层土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾进行描述性统计；利用ArcGIS10.2软件对地理数据进行地统计模型参数的拟合，选取最优拟合模型，同时进行空间数据的普通克立格插值分析，并绘制土壤养分的空间分布图；对土壤各养分元素与土壤pH值和电导率进行相关分析，了解各养分元素之间的相互关系以及土壤环境对土壤养分的影响。

图1 研究区采样点分布Fig.1 Distribution map of sampling points in study areas

3 结果与分析

3.1 土壤养分总体特征描述

从表1可以看出，研究区耕层土壤中，有机质(OM)和全氮(TN)的含量在3.73～24.07和0.13～1.43 g·kg-1之间发生变动，平均含量为10.99 和0.59 g·kg-1；碱解氮(AN)、有效磷(AP)和速效钾(AK)的平均含量分别为80.46、33.52和312.81 mg·kg-1，有效磷变幅相对较小，而速效钾具有较大的变动幅度。

在经典统计方法中，常用变异系数(c.v.)从整体上来衡量测定值的变异程度。从表1可知，研究区域内不同土壤养分变异情况不同，有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾均属中度变异，它们的变异系数分别为37.80 %、45.14 %、75.25 %、96.40 %和52.32 %，变异程度由大到小依次为：有效磷>碱解氮>速效钾>全氮>有机质。由偏度系数和峰度系数以及K-S检验结果分析可知，有机质和全氮为正态分布，碱解氮、有效磷和速效钾为对数正态分布。

3.2 土壤养分空间变异分析

3.2.1 半方差函数分析 通过对渭干河-库车河三角洲绿洲耕层土壤养分进行的半方差函数分析(表2)，结果显示：有机质、碱解氮和速效钾的最适模型为球状模型，全氮和有效磷以指数模型拟合效果最佳，模型决定系数均在0.6以上，残差均小于0.1，模型拟合效果较好。

从表2可以看出，研究区耕层土壤各养分的块金值(C0)均较小，表明在本研究尺度上由试验误差和小于试验取样尺度上由耕作、施肥、管理水平等随机因素所引起的随机误差较小。全氮的块金值最小，说明其受随机因素影响较小。基台值(C0+C)可以反应土壤养分在研究区域内的空间变异程度，本试验中5种养分含量的基台值在0.031～0.740，其中全氮的基台值最小，有效磷的基台值最大。块金效应(C0/C0+C)小于25 %表明系统具有强烈的相关性，在25 %～75 %之间指示具有中等空间相关性，大于75 %则指示其空间相关性很弱[11]。研究区内土壤养分速效钾含量的块金效应为74.9 %，表明速效钾具有中等空间相关性，其空间分异是由结构性因素(母质、地形、土壤类型等自然因素)和耕作、施肥、作物栽培管理等随机性因素共同作用的结果；而其它各项养分指标的块金效应都大于75 %，表现出在采样尺度内有较弱的空间相关性，且主要受随机性因素如耕作、施肥、点源污染等人为活动的影响。

表1 土壤养分描述性统计特征值

注：显著水平为0.05； LN表示对数正态分布型，N表示正态分布型。

Note: Significant level is 0.05. LN means logarithmic normal distribution, N means normal distribution.

表2 半方差函数模型参数

变程反映了土壤因子发生空间变异的尺度大小及空间自相关性的强弱。从表中数据显示：速效钾的变程最大，为14.043 km，说明它的空间变异尺度相对较大，在这个变程范围的空间相关性较强。碱解氮的变程最小，为0.125 km，说明在相同尺度下碱解氮具有明显的空间变异性，空间分布特征较为复杂。

3.2.2 土壤养分空间插值分析 Kriging插值方法利用区域变量的原始数据和变异函数的结构特点，对未采样点的区域化变量的取值进行线性无偏最优估计，其结果平滑了变量的原始数据，使得大值降低，小值增高，从而减少了变量的突然变化[12]。为了更直观地了解渭干河-库车河三角洲绿洲土壤养分元素的空间格局分布特征，在所得半方差函数理论模型的基础上，对土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾采用普通Kinging插值法进行空间插值，并绘制研究区土壤养分元素的空间插值图。

OM为有机质；TN为全氮；AN为碱解氮；AP为有效磷；AK为速效钾图2 土壤养分空间分布Fig.2 The spatial distribution of soil nutrients

指标海拔 AltitudepH电导率EC有机质OM全氮TN碱解氮AN有效磷AP速效钾AK海拔 Altitude1pH0.205*1电导率 EC-0.445**-0.635**1有机质 OM0.0590.013-0.1231全氮 TN0.252**0.082-0.294**0.704**1碱解氮 AN-0.022-0.168*0.1490.516**0.432**1有效磷 AP0.001-0.1540.1230.359**0.333**0.395**1速效钾 AK-0.203*-0.351**0.628**0.301**0.0480.313**0.219**1

注：*表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关；**表示在0.01 水平(双侧检验)上显著相关。

Note: * indicates significant correlation at the level of 0.05(bilateral test); **indicates significant correlation at the level of 0.01(bilateral test).

由图2可以看出，渭干河-库车河三角洲绿洲耕层土壤的有机质在绿洲东南部区域有最高水平的分布，在绿洲西部区域含量相对较低，这主要与地势有关，东南部海拔低，西部海拔高；总体上全区耕层土壤有机质含量在3.73～24.07g·kg-1之间发生变化。全氮在绿洲的中部有较高含量的分布，含量最低处分布在绿洲西部与东北部，与有机质的分布有一定的相似性，说明有机质的分解速率会影响土壤中氮素的存储和转化。碱解氮的含量大致从南部向北部递减，高值中心和低值中心呈斑块状分布；在研究区域内有效磷上呈条带状由南向北递减，分布较均匀；速效钾的含量在东西方向上变化趋势明显、从东向西逐步降低，绿洲西北方向的含量显著低于东南方向。从整个三角洲绿洲来看，各养分指标东部和南部养分含量较高，而西部和北部较低，有较为明显的空间分异特征。

3.3 影响因素分析

利用SPSS统计分析软件，对渭干河-库车河三角洲绿洲耕层土壤的有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾与地形因子中的海拔高度以及土壤pH与电导率进行相关分析，考察它们之间的相互关系，以便确定影响土壤肥力的主要因素。各指标之间的相关系数见表3，海拔与土壤pH、全氮之间有显著的正相关关系，而与电导率和速效钾有较为显著的负相关性，说明随着海拔高度的不同，土壤的酸碱性以及氮、钾元素具有显著的差异。土壤pH与电导率、碱解氮以及速效钾之间均呈现显著的负相关性，说明土壤酸性环境将更利于土壤盐分和养分的蓄积。土壤中的电导率与全氮呈显著的负相关，而与速效钾之间具有显著的正相关关系。有机质、全氮、碱解氮与有效磷两两之间具有极显著的正相关性，速效钾与全氮之间相关关系不显著，而与有机质、碱解氮和有效磷具有极显著的正相关性。从上述相关分析结果可知，海拔、土壤pH值和电导率对土壤肥力具有显著影响。

4 结论与讨论

研究土壤养分的空间分异能更好地了解各种因素对土壤肥力的影响，预测土壤肥力的变化规律，从而为合理研究、平衡施肥和防治土壤退化提供理论依据。本文以渭干河-库车河三角洲绿洲为例，基于野外调查数据，对绿洲耕层土壤养分的空间分异特征进行研究，主要结论如下。

(1)研究区耕层土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾为中等程度的空间变异，它们的变异程度也表现出较大差异，变异程度由大到小依次为：有效磷>碱解氮>速效钾>全氮>有机质。

(2)研究区内耕层土壤养分除速效钾具有中等空间相关性外，其它各项养分指标(有机质、全氮、碱解氮和有效磷)的块金效应都大于75 %，在采样尺度内具有较弱的空间相关性，且受随机性因素如耕作、施肥、点源污染等人为活动的影响较大。

(3)有机质在绿洲东南部区域有较高水平的分布，在绿洲西部区域含量相对较低；全氮在绿洲的中部有较高含量的分布；碱解氮的含量大致从南部向北部递减，并呈斑块状分布；整体上，有效磷由南向北呈条带状递减；速效钾的含量在东西方向上变化趋势明显、从东向西逐步降低。各养分指标均表现为东部和南部养分含量较高，而西部和北部较低，有较为明显的空间分异特征。

(4)通过相关分析发现，在不同的海拔高度和土壤酸碱环境下，土壤养分元素的含量呈现出显著的差异，土壤中盐基离子含量的高低对土壤养分的积累具有显著的影响。可见，影响土壤肥力的结构性因素主要是地形条件与土壤母质中盐基离子含量的多少，而随机因素主要是人为活动造成的土壤酸碱环境的改变。

由于受母质、气候、水文条件、地形以及土壤质地等因素的影响，耕层土壤养分的区域特性和空间变异规律非常明显。同时，耕作、施肥方式以及种植制度等人类活动的影响也是土壤养分产生空间分异的重要原因[13-15]。

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