近40年阜康市耕层土壤养分变化特征

高 洁，武红旗*，李新梅，范燕敏，侯艳娜，杨强军

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.阜康市农业技术推广中心，新疆 阜康 831500)

【研究意义】土壤养分是土壤肥力的重要标识[1]，是农作物生长的必要条件，其含量直接影响农作物生长和产量，对农业可持续发展有重要意义[2-4]。【前人研究进展】国内外学者针对不同尺度[5-9]、不同地貌类型[10-12]、不同插值方法[13-16]相继开展了大量研究，取得了丰硕的研究成果。其中，土壤养分的空间变异性已成为土壤科学研究的重要领域，诸多学者利用经典统计与地统计相结合的方法，对土壤养分变化进行研究，该方法弥补了经典统计学空间信息上的不足，具有较好的应用前景[17-19]。同时，对阜康市土壤养分含量变化及空间变异性的研究已有学者进行，马木提阿吉·乌买尔等[20]对阜康市1982、2012年土壤养分含量变化进行了分析。马媛[21]等对阜康市土壤微量元素的空间变异性进行了讨论。乔娟峰等[22]对阜康荒地土壤有机质的空间变异性进行了研究。但发现研究的时间均较早且跨度较小。随着粮食需求的增长，耕地不断扩张、化肥施用不合理等现象造成环境问题日益加剧。土壤养分变化已成为研究的热点之一。【本研究切入点】然而，现有土壤养分的研究方法多注重定量描述，通过表格进行简单描述性统计，不能很好的地对长时期土壤养分变化状况进行可视化表达。而地学信息图谱，能够将复杂的现象简化为空间单元格局图和时间序列变化过程谱[23]。因此，本文将地学信息图谱与土壤养分变化研究相结合，对阜康市耕层土壤养分进行整体系统的分析。结合经典统计与地统计的方法，确定最优半变异函数模型，最优搜索方向，提高了插值精度，借鉴地学信息图谱理论，基于时段首期、中期、末期构建土壤养分变化图谱，对阜康市近40年土壤养分主要等级变化进行分析，丰富了土壤养分变化研究方法体系，深入挖掘土壤养分变化规律及转换过程。该方法有助于及时掌握田间养分变化信息、降低生产成本，从而实现农田养分精准管理。【拟解决的关键问题】本研究旨在为阜康市农田养分管理、科学施肥、耕地的可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

阜康市位于天山北麓，准噶尔盆地南缘，地处87°46′～88°44′E，43°45′～45°30′N，海拔450～5445 m，年均气温6.7 ℃，年均降雨量205 mm[24]。属于典型的干旱区绿洲荒漠带，温带大陆性干旱气候，具有从山地到荒漠的完整垂直地带性，地貌特征主要分为南部山区、中部平原、北部荒漠3个单元。土壤类型受地形影响也分为3大类型，即山地土壤、平原土壤、沙漠土壤。辖区内共有7条河流，均发源于天山北麓，水资源较丰富。阜康市下辖3个街道，4个乡。研究区位于阜康市中部耕地，属平原地区，耕地总面积为55 253.24 hm2[25]，粮食作物以小麦为主，土壤类型以潮土、灰漠土、灌漠土为主。

1.2 资料收集

本研究收集了阜康市3个时期(1982、2010、2018年)耕地土壤有机质、碱解氮、有效磷、有效钾养分数据。共获取1982年样点数据477个，主要来源于阜康市第二次土壤普查数据及土壤类型图，通过矢量化获得；2010年通过GPS定点获得样点数据275个，主要来源于阜康市测土配方施肥项目；2018年样点数据共90个，数据来源于农业农村部阜康市耕地质量变更调查项目，点位数据通过GPS定点获得。影像数据来源于美国地质调查局(United States Geological Survey，USGS)2018年的Landsat-8 OLI影像，时间为9月。其它数据包括阜康市行政区划图、1949-2008年《昌吉六十年》[26]、1989-2018年《新疆统计年鉴》[25]。

图1 农田采样点分布Fig.1 The farmland sampling point distribution

1.3 数据处理

以阜康市2018年土地利用现状图为基础，获取耕地边界。由于采样数据往往存在异常值，在对数据进行空间结构分析前需对异常值进行剔除，本研究采用经典统计与Voronoi图结合的方法，对异常值以3倍标准差原则进行剔除，利用SPSS 19软件对数据进行K-S检验、描述性统计、相关性分析等，对不符合正态分布的数据采用Minitab 17软件进行Box-Cox转换，获取最优拟合参数，GS+9.0软件对数据进行半方差函数分析，获取最优拟合模型，运用ArcGIS10.2对采样数据进行空间自相关分析及普通克里格插值，并采用交叉验证(Cross-Validation)的方法验证模型精度，依据“全国第二次土壤普查养分分级标准”对阜康市各时期土壤养分进行分级。

1.3.1 土壤养分变化模式图谱 借鉴鲍文东[27]、吕晓[28]等土地利用变化研究方法对土壤养分进行研究，探讨近40年阜康市不同等级土壤养分间相互转换，利用图谱融合代码对土壤养分进行图谱分析，公式如下：

D=100A+10B+C

式中：D代表新的图谱单元代码；A代表1982年阜康市土壤养分的图谱单元代码；B代表2010年阜康市土壤养分的图谱单元代码；C代表2018年阜康市土壤养分的图谱单元代码。

表2 土壤养分数据正态分布检验

1.3.2 图谱单元取值、排序 本研究土壤养分等级跨度为6，故土壤养分图谱单元取值为1～6。图谱单元是地学信息图谱的基本单位，记录了该单元在某一时期的土壤养分等级，通过对各图谱单元面积进行排序，筛选出面积最大的前3种图谱类型进行分析。

2 结果与分析

2.1 土壤养分基本统计特征

对剔除异常值后的数据进行统计(表1)，从均值上看，有机质3个时期含量变化表现为先减少后增加；碱解氮先增加后减少，变化幅度较稳定，在49～50 mg/kg之间上下浮动；有效磷和有效钾均有不同程度的增加。1982-2018年养分增长率依次为9.33 %、1.43 %、2.40 %、12.71 %。变异系数(Coefficient of Variation，c.v.)用来描述数据的离散、变异等特点，c.v.<10 %变异性较弱，10 %100 %说明数据具有强变异性，本研究3个时期阜康市土壤养分均呈中等强度的空间变异。利用K-S检验法对数据进行正态分析，选取符合正态分布的数据，进行地统计分析。

表1 1982-2018年阜康市耕层土壤养分含量描述性统计特征

2.2 土壤养分空间变异性分析

采用半方差函数、Morans’I自相关指数对土壤养分空间结构进行分析。由表3可知，3个时期土壤养分Z值均大于1.96，养分在全局具有空间相关性，Morans’I指数大于0，空间正相关。半方差函数主要拟合模型为指数模型和球状模型，其中有效磷各时期模型拟合精度最高，R2均大于0.5。块金系数2010年有机质为9.13 %，属于强空间变异，说明养分主要受地形、气候、土壤性状等结构性因子影响，其余各时期养分块金系数均在25 %～75 %之间，属于中等强度的空间变异，表明结构性因子对养分的影响减弱，随机性因子如施肥、种植结构、灌溉方式等影响增强，变程反映土壤养分空间相关性的范围大小。

表3 土壤养分空间结构特征

碱解氮、有效磷3个时期块金系数相差不大，说明各时期养分在一定范围内变异程度较小。各变量各时期半方差函数结果与Morans’I指数一致，有机质空间相关性先增加后减弱，有效钾先减弱后增加，碱解氮、有效磷各时期空间相关性逐渐减弱，随着时间推移，地块差异性逐渐增加。

2.3 土壤养分插值分析

确定最优插值参数，即选择最优步长，最优搜索邻域进行插值。采用交叉验证方法检验精度，选取标准：平均误差(Mean，ME)和标准预测误差(Mean Standardized，MSE)2个参数的绝对值越接近0，标准均方根误差(Root-Mean-Square Standardized，RMSSE)越接近1越好，均方根误差(Root-Mean-Square，RMSE)和平均标准误差(Average Standard Error，ASE)值越接近，差值越小，精度越高。通常以均方根误差(RMSE)和平均标准误差(ASE)的最小差值作为第一验证精度，标准预测误差(MSE)作为第二验证精度[29]。

插值中步长大小使用ArcGIS 10.2工具中平均最邻近法求得，再根据实际变程对步长大小进行调整。通过对比不同扇区类型的插值精度，确定最优搜索邻域。由表4可知，各时期变量最优扇区类型以8扇区、4扇区为主，且交叉验证精度符合插值要求：均方根误差与平均标准误差差值最小，平均误差和标准预测误差接近0，标准均方根误差接近1。

表4 土壤养分插值参数及精度验证

2.4 各乡镇土壤养分含量状况分析

选择最优参数对数据进行插值统计，获取各时期各乡镇耕地土壤养分平均值。由表5可知，3个时期有机质含量最高的均为九运街镇，最低为1982年准东办事处，含量为15.53 g/kg，3个时期整体有机质均含量大于10 g/kg，处于中等偏上水平。整体趋势先减后增。碱解氮以滋泥泉子镇2010年含量最高，为70.00 mg/kg，近40年碱解氮的最低含量变化不大，最高含量呈先增后减趋势，根据全国第二次土壤养分分级标准，碱解氮近40年土壤养分含量整体小于60 mg/kg，比较缺乏，应在耕作过程中适量补充氮肥。

表5 各乡镇土壤养分含量

有效磷1982-2010年含量变化相差不大，都处于中等水平，2018年有效磷含量最高达到32.65 mg/kg，相比之前显著增加，过多的磷素不仅浪费肥料、对土壤产生有害影响，当磷含量超过一定程度时还会对水体产生危害，应注意磷的减施。有效钾含量以2010年准东办事处最高，为315.23 mg/kg，总体呈增长趋势，含量较丰富。

2.5 土壤养分变化

2.5.1 土壤养分含量分级 依据“全国第二次土壤普查养分分级标准”对阜康市各时期养分含量进行分级，从表6～9可知，3个时期有效钾含量均集中在一、二、三、四级，含量丰富，能满足作物生长的需要。碱解氮3个时期含量主要集中在四、五、六级，含量缺乏，应采取相应措施来提高氮肥含量，以确保耕地肥力。有效磷前2个时期含量主要集中在三、四、五级，到了2018年显著增加，主要集中在二级，磷肥的投入显著增大。有机质含量变化主要集中在三、四级，总体含量较丰富。

表6 有机质含量分级

2.5.2 养分等级变化 由表10可知，有机质变化主要在三、四级之间转换，面积最大为17 162.14 hm2，

表7 碱解氮含量分级

表8 有效磷含量分级

表9 有效钾含量分级

表10 1982-2018年阜康市土壤养分等级変化图谱特征

变化比率为42.77 %，总体处于中等偏上水平。碱解氮变换主要集中在四、五级之间，面积最大为15 296.38 hm2，变化率为53.54 %，由于阜康市本身碱解氮含量属中等偏下水平，导致四、五级之间相互转换较为集中。有效磷的变化1982-2010年间的变化主要集中在三与四级之间的相互转换，2018年含量猛增至二级，这与描述性统计得出的结论相符。有效钾在近40年变化主要集中在一、二级，总体来说含量丰富。

为了更好描述土壤养分变化模式，研究土壤养分等级变化转入转出，将研究区时段划分为前期变化型、后期变化型、反复变化型、持续变化型。前期变化型指1982-2010年养分等级发生变化，后期变化型指在2010-2018年养分等级发生变化，反复变化型指养分等级只在2010年发生变化，持续变化型指养分等级在1982-2018持续发生变化。

由图2可知，有机质以反复变化型为主，主要集中在中部地区，后期变化型次之，持续变化和前期变化所占比例较小，碱解氮同样以反复变化型为主，主要集中在东部地区，其余所占比率较小，有效磷主要以持续变化和后期变化为主，有效钾各变化类型相差不大。

图2 土壤养分含量等级变化模式图谱Fig.2 Map of soil nutrient content gradation pattern

3 讨 论

由变异性、相关性分析可知，研究区养分变化主要受人为因素影响。描述性统计表明：有机质先减后增，碱解氮先增后减，有效磷、有效钾均增加。这与养分等级变化趋势相符，和马木提阿吉·乌买尔等[21]研究结论一致。

20世纪80年代初，改革开放拉开序幕，提出了家庭联产承包责任制，农民对于养地的观念不强，结合1982-2018年阜康市化肥施用量统计(图3)，在全国第二次土壤普查时期(1979-1992年)，灌溉方式主要是大水漫灌，施肥方式落后且施肥量较少，阜康市主要以种植油料作物为主，种植结构单一，有机质含量“减少”。经过几十年的发展，棉花种植面积有所增加，2005年测土配方施肥政策推行、秸秆还田政策实施，化肥施用量不断增加，导致有机质含量“增加”。而氮肥是决定产量的重要元素，农民广施尿素，碱解氮“升高”。随着测土配方施肥政策的推行，人们对土壤养分逐渐有了正确的认识，氮含量“降低”。新疆测土配方施肥以后，发现磷含量较低，导致磷肥的施用量不断增大，所以磷在2018年出现“猛增”。由图3可知，测土配方施肥政策实施后，大大提高了化肥的生产效率，十一五期间，阜康市新开垦的荒地增多，需要投入更多肥料来提高地力，农作物产量不断提高，导致作物需肥量增加。新开垦的耕地主要在中下部地区，主要以灌漠土、潮土为主，土壤中黏粒含量较高，钾更容易被吸附，同时，新开垦的耕地本身钾含量就很高，导致整体钾肥含量持续“增加”，除此之外，农业机械化水平、灌溉方式、牲畜数量等都是影响土壤养分含量变化的重要因素。

图3 1982-2018年阜康市化肥施用量Fig.3 Fertilizer use in Fukang form 1982 to 2018

地学信息图谱与土壤养分变化研究相结合的方法，是在传统土壤养分研究基础上，将长时期复杂的土壤养分变化状况，以图谱形式直观展现出来，可以掌握养分在一定时期内的动态转化过程，更加完整的表达土壤养分变化，有助于了解田间养分变化趋势，为阜康市耕地土壤养分精准管理提供依据。

4 结 论

本研究以阜康市为例，基于多时期土壤养分数据，揭示了近40年阜康市土壤养分变化规律。

(1)1982-2018年阜康市养分含量总体表现为有机质含量先减少后增加，碱解氮先增加后减少、有效磷、有效钾含量均呈上升趋势。

(2)从变异性分析和相关性分析来看，除有机质2010年具有强相关性，其余碱解氮、有效磷、有效钾各时期都表现为中等强度的相关性，主要受人为因素影响。

(3)经近40年土地利用后，研究区除碱解氮含量较低，其余养分均处于中等或中上水平。养分等级变化：有机质、碱解氮以反复型变化为主，有效磷以持续性变化为主，有效钾各变化类型相差不大。

(4)研究区应注意增氮，减磷，稳钾，提高土壤供氮能力；结合作物所需肥力，因地制宜，增加有机肥的投入。