运城市盐湖区耕地土壤有机质时空变异研究

吕小娜，靳 波，昝亚玲，王姗姗

(1.运城学院 生命科学系；2.运城市盐湖区农业委员会，山西 运城 044000)

引言

土壤有机质对土壤理化性质的改善和农村经济发展起着重要作用，是评价土壤肥力的重要指标之一[1,2]。地统计学和GIS技术是分析土壤有机质空间特征的有效方法[3]。目前国内学者对土壤有机质的研究主要集中在区域土壤有机质含量特征及差异性研究；区域农田土壤有机质含量空间变化规律特征；土壤有机质含量改良措施[4-8]。对于耕地土壤有机质含量时空变异的分布特征研究多为流域、省市级区域，且研究年限基本为两个时期整体变异研究，对中间过渡年份改进措施及影响的研究较少。

运城市盐湖区作为运城盆地重要的商品粮生产基地，农业对全市经济发展尤为重要。本研究以山西省运城市盐湖区为例，对1986、2006、2019年这三个时期耕地土壤有机质含量进行时空变异研究，以期为盐湖区粮食生产和平衡施肥提供科学依据和指导，同时也为合理发展农业产品，带动地方经济发展提供指导。

1. 材料与方法

1.1 研究区概况

运城市盐湖区位于山西省西南部，运城盆地的中心(北纬34°48′45″～35°22′30″，东经110°42′53″～111°11′15″)。全区土地面积12.03万hm2，耕地面积4.35万hm2。整个地势东北高、西南低，呈现高山、丘陵、平原、洼地多样地形。境内除南北两山及鸣条岗、四十里岗和七里岗为台地和一部分湖滩洼地之外，大部分地区地势平坦。盐湖区属暖温带大陆性季风气候。冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，年平均降雨量526.5 mm，年均蒸发量为2120.5 mm。耕作制度多为一年两熟，主产小麦、棉花、秋粮等，形成棉、粮、林、果和蔬菜为支撑的特色产业格局。

1.2 数据来源

本文主要对运城市盐湖区三个时期的耕地土壤(0～20 cm)有机质含量进行分析：第二次全国土壤普查(1982年)共613个样点的土壤数据，收集自《运城土壤》[9]；2006年533个样点的土壤数据，收集自山西省运城市盐湖区土壤肥料工作站采样数据；2019年310个样点数据，由野外采样所得。

1.3 样本的采集与处理

2019年在作物收获后、施肥前，根据地形地貌、土壤性质等因素特点，以全面性、均衡性、客观性和可比性为原则，确定2x2 km2为采样单元。每一采样单元选取有代表性的田块，用不锈钢土钻等工具，在0～20 cm土层采用五点法均匀布点取样，采样点遍布盐湖区的平原，盆地，采样土地包括农田、果园等。共采集土样310个。采集的土壤样本进行自然风干，剔除土样中的动植物残渣等，过0.25 mm孔径的尼龙筛[10]，室温避光保存。本实验采用重铬酸钾容量法对土壤有机质含量进行测定[11,12]。

1.4 数据处理方法

利用SPSS 22.0对数据进行常规统计分析，在GS+10.0中完成半方差函数分析，数据处理中采用域法识别特异值[13]。本文采用ArcGIS中的Geostistical Analyst模块功能下的直方图对数据及K-S检验法进行检验[14]，经对数变换后的土壤有机质含量数据都符合标准正态分布。利用ArcGIS 10.2对采样数据进行普通Kriging插值，绘制三个时期运城市盐湖区耕地土壤有机质的空间分布图，并对三个时期的空间分布图叠加相减，获得三个时期盐湖区耕地土壤有机质增量分布图。

2. 结果分析

2.1 运城市盐湖区耕地土壤有机质含量统计特征

表1 运城市盐湖区耕地土壤有机质含量描述性统计

由表1可知，1982年～2019年运城市盐湖区耕地土壤有机质含量呈整体上升趋势，2019年有机质含量平均值较2006年增长4.67 g/kg，增幅29.75%，较1982年增长11.06 g/kg，增幅118.79%。从变异系数看，1982年有机质含量的离散程度属于低等变异强度；2006年有机质含量的离散程度属中等变异程度。利用GS+软件对2019年的盐湖区耕地土壤有机质数据进行对数转换，结果符合正态分布。2019年变异系数为92.51%，变异程度高。土壤有机质含量极值差异明显，存在本底效应，需分区差异化管理与施肥。

2.2 运城市盐湖区耕地土壤有机质空间变异结构特征

运用ArcGIS 10.2软件对运城市盐湖区三个时期耕地土壤有机质含量进行各向同性变异函数拟合，同时，利用GS+10.0软件对数据进行方差分析(表2)，经检验1982年最佳理论模型为指数函数，2006年最佳理论模型为球面函数，2019年最佳理论模型为指数函数。

表2 运城市盐湖区耕地土壤有机质空间变异理论模型和相应参数

空间变异主要分为随机性和结构性两部分变异。块金值C0表示区域内变量的随机性可能程度，即有人为活动、测量误差、土壤管理等因素影响而产生的人为随机程度，比值越高表明研究区域数值受人为随机因素造成的有机质含量空间变异程度比较大。空间总变异程度受地块等因素影响的程度通过基台值来反映。

2006年盐湖区耕地土壤有机质的块金值为0.0400，较1982有所增加，表明随机变量在增加，即受人为因素影响增大；基台值为0.0806，较1982年有所增加，表明结构变异也在增加。2019年土壤有机质块金值为0.2000，基台值为1.357，相对于1982年和2006年增长幅度很大，表明在此期间随机变量和系统的总体空间变异在增加。块金系数由1982年的50.1%增加至50.4%，再到2019年的85.3%，表明随机因素(人为活动、施肥等)在运城市盐湖区耕地土壤有机质含量空间变异中的主导作用明显加强。

2.3 运城市盐湖区耕地土壤有机质空间分布特征

图1 1982年、2006年和2019年盐湖区耕地土壤有机质含量空间分布图

由图1可知，1982年运城市盐湖区南部席张乡、解州镇和中部北相镇耕地土壤有机质含量较高，北部上王乡、三里路镇和西南部金井乡附近有机质含量较低，整体含量水平较低；2006年运城市盐湖区耕地土壤有机质含量具有明显的空间分布格局，南部即盐湖附近乡镇耕地土壤有机质含量明显增大；2019年盐湖区耕地土壤有机质含量较1982年和2006年变化显著，整个区域内有机质含量分布比较均匀，除陶村镇部分区域有机质含量偏低，其余地区有机质含量均较高，相对于1982年和2006年整体水平有了显著提升，尤其中部乡镇和南部盐湖附近区域增量显著。

2.4 运城市盐湖区耕地土壤有机质时间分布特征

一定范围内土壤有机质的平均增长速率通过土壤有机质增加量除以变异时间计算。结果表明，1982年到2006年运城市盐湖区耕地土壤有机质的平均增长速率为0.25 g·kg-1·a-1；2006年至2019年平均增长速率为0.23 g·kg-1·a-1；1982年至2019年整体平均增长速率为0.23 g·kg-1·a-1，三个时期结果均高于山西省近30年的平均增长速率(0.10 g·kg-1·a-1)[15]。

图2 运城市盐湖区耕地土壤有机质增量图

从图2可以看出，1982～2006年运城盐湖区土壤有机质全部处于增加趋势，盐湖附近增加量明显高于其他地方，但整体增长量没有超过14 g/kg；2006～2019年盐湖区西部和东部土壤有机质含量有所下降，其他部分有机质含量处于增长趋势，增长量范围位于0～14 g/kg，少部分地区增长量>20 g/kg；1982～2019年运城市盐湖区土壤有机质含量呈整体增长趋势，且增量明显，50%以上区域有机质增量>14 g/kg。

2.5 运城市盐湖区耕地土壤有机质空间分布格局的影响因素

1982年、2006年和2019年三个时期运城市盐湖区耕地土壤有机质空间变异结构特征分析结果(表2)表明，随机因素和结构因素共同决定耕地土壤有机质的空间变异性。已有研究表明盐湖区土壤有机质空间分布主要受土壤类型、地形地貌和施肥等因素影响[16]，本文不再赘述。

2.6 运城市盐湖区耕地土壤有机质随时间变化影响因素

2.6.1 气候因素

气候土壤形成演变的重要条件，山西省运城市盐湖区全年受季风活动影响，属暖温带半干旱大陆性季风气候。春季温暖干旱，有利于土壤矿物质的氧化和积累，夏季高温多雨，土壤矿物质分解与合成旺盛，气温的适度提升有利于作物的生长发育，秸秆还田量和土壤中作物的残渣量也有所提升，对土壤有机质含量积累有利。研究表明，山西省近30年来气温呈上升趋势[15]，整体来看，研究区域气候有利于土壤有机质的积累，是土壤有机质发生变化的原因之一。

2.6.2 人为因素

人类的生产活动对土壤的形成与演变影响颇大，不自觉地决定着土壤发展的方向及演变程度。农业生产，对土壤影响较大的主要因素有耕作、施肥等。

(1)耕作：盐湖区农田耕作主要有深耕、浅耕、中耕等。随着科学技术的发展，人们逐渐摆脱了传统低效率、高耗时的人工耕地方式，转而开始利用机器进行田间操作。通过这些措施可以有效破除板结，疏松土壤，改善土壤水肥气热条件，提高土壤有机质含量。盐湖区中部地势平坦有利于田间管理操作，因此中部地区有机质含量水平高于其他地区。

(2)施肥：随着乡村振兴战略的提出，农业发展变化较大。教育的普及和文化水平的提高也使得农业从业人员对耕地管理利用效率提高，使土壤有机质含量不断提升。尤其2006年我国提出“测土配肥”之后，盐湖区耕地土壤有机质含量增幅明显，且增量也高于2006年之前，表明政府投入力度的提升对耕地土壤肥力水平影响重大。

3. 结论

1982年耕地土壤有机质含量平均值为9.31 g/kg；2006年土壤有机质含量平均值为15.70 g/kg；2019年的土壤有有机质平均含量为20.37 g/kg，整体呈上升趋势。

1982年耕地土壤有机质含量空间分布呈现南部中条山、盐湖附近和中部平原地区较高，但整体含量偏低；2006年盐湖区南部即盐湖附近乡镇耕地土壤有机质含量明显增大；2019年整个区域内耕地有机质含量分布比较均匀，除东郭镇部分区域有机质含量偏低，其余乡镇有机质含量均处于较高水平，且显著高于1982年和2006年。

运城市盐湖区土壤有机质含量时空变异受土壤类型、地形地貌及人为因素等不同程度影响。2006年之前耕地土壤有机质含量均处于较低水平，受地形地貌、土壤本身理化性质影响较大，2006年至今，国家各项政策的实施，使得盐湖区耕地土壤有机质含量显著提升。今后，仍需因地制宜对当地农业提供指导，提升土壤肥力水平，促进盐湖区农业农村经济的发展。