北京市房山区土壤养分的时空变异

王 睿，杜晓玉，范珊珊，曲明山

(北京市土肥工作站，北京 100029)

土壤养分是土壤的基本属性和本质特征[1]。同一时刻，即使是在土壤类型和质地相同的区域内，其土壤养分特性在空间上也有很大的差异，这种属性称为土壤特性的空间变异性[2]。研究土壤养分时空变异性是科学施肥、合理种植和提高水土资源利用效率的有效依据[3]。是保护和改善土壤生态的前提及实现农业精准化智慧化的基础，对农业绿色健康可持续发展具有至关重要的意义。地统计方法自20世纪70 年代开始应用于土壤化学性质空间相关性的分析。地统计学能明确随机变量空间分布特征，解释自然和人为过程对变量空间变异的影响，已经成为土壤特性空间分布特征分析及其变异规律探求的有效手段[4]。近些年，基于不同的空间尺度，国内外学者进行了大量的土壤养分空间变异研究，并取得很多成果[5-7]。

城市郊区是城乡间的过渡带，虽然数量有限，但对农业生产十分重要[8]。北京市房山区是北京西南重要的生态屏障，也是盛产果品、杂粮、食用菌等特色农产品的重要产地之一。随着农业的快速发展，土壤健康状况成为其可持续发展的关键因素。土壤养分是土壤健康状况的重要标志之一，目前有关房山区土壤养分时空变异的研究相对缺乏。因此以北京市房山区为研究对象，基于2007年及2019年土壤养分数据，结合地统计学和GIS，探讨该区土壤养分时空变异特征，为该区域科学施肥及改善土壤生态环境提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

北京市房山位于39°30′～39°55′N，115°25′～116°15′E，处于华北平原与太行山交界地带，是北京市的西南门户，总面积2 019 km2。海拔高度为-8～2 014 m，平均海拔 381.92 m，其中66%为山地、丘陵，34%为平原。房山区属温带大陆性气候，年平均气温为11.7 ℃，年平均降水量为582.8 mm。境内水系包括大清河水系和永定河水系，有大小河流13条。土壤类型以褐土为主，分布于全区南部和西部等大部分地区，占全区土壤面积的51.91%；其次为棕壤，主要分布于中部和北部等地区，占土壤面积的28.99%；再次为潮土，主要分布于东部地区，占土壤面积的13.47%。土壤质地以壤质为主，轻壤质、中壤质和砂壤质分别占全区总面积 76.80%、6.14%和9.42%。土地利用类型主要以农用地为主，占全区总面积的58.49%；其中，农用地中又以林地为主，占农用地总面积的63.24%，主要分布在西部和北部山区；耕地面积占全区总面积的14.92%，占农用地面积的25.50%，主要分布在东部地区的平原地带；果园面积占全区总面积的5.38%，占农用地总面积的9.20%。

1.2 样品采集与分析

数据来源为2007年耕地质量调查资料和2019年监测数据。采样时网格布设，将间距为400 m的方形格网与土地利用现状图叠加，同时参照第二次土壤普查样点分布图和剖面位置记载表，在地图上确定调查点的GPS坐标，取样深度0～20 cm，共取样3 084个。实验室内进行土壤理化性质检测，其中，土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾的含量参照参考文献[9-13]。

1.3 数据处理与分析

利用SPSS17.0软件进行常规统计分析，利用ArcGIS10.2软件的地统计模块进行半方差分析，及其Kringing插值方法进行空间分布特征及时间变化特点分析。

2 结果与分析

2.1 土壤养分描述性统计

土壤养分的统计特征(表1)表明，房山区农用地土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量均呈现对数正态分布。其中有机质含量总体平均为23.87 g/kg，变异系数为0.54，属中等变异强度；全氮含量总体平均为1.29 g/kg，变异系数为0.45，也属中等变异强度；有效磷含量总体平均为76.79 mg/kg，变异系数为1.38，属高变异强度，这可能与田块间磷肥施用差异较大有关；速效钾含量总体平均为334.63 mg/kg，变异系数为0.91，也属中等变异强度。按照北京市耕地土壤养分分等定级标准划分，房山区土壤有机质和有效磷平均含量总体上处于高等含量水平，全氮和速效钾平均含量总体上处于极高含量水平。

2.2 土壤养分空间变异结构分析

根据分隔距离h和计算出的半方差C(h)，并考虑各向异性和趋势效应，得到房山区内各土壤养分含量的半方差函数模型(表2)。可以看出，房山区表层土壤的养分都有明显的空间变异结构，有机质的拟合模型分别为高斯模型，其余养分项目均拟合为指数模型。

变程是指属性变量在一定间隔内空间自相关，也称空间最大相关距离，长轴变程与短轴变程的比为各向异性比。房山区表层土壤的养分含量变程大小依次为：有机质、速效钾、有效磷全氮。其中有机质、速效钾变程都在9 km以上，以较大范围的变异为主，说明它们受区域因素(土壤)的影响较大。而全氮的变程只有0.77 km，说明其受施肥等随机因素的影响较大，因此它们只在一个较小的范围内存在相关关系。其中有机质的各向异性比最大，达到2.98，其次为有效磷，达到2.55。有机质、速效钾的长轴方位呈西北—东南方向；全氮的长轴方位呈东北—西南向；有效磷的长轴方位近似东—西方向。

表1 北京市房山区土壤养分的统计特征(2019年)Tab.1 Statistical characteristics of soil nutrients in Fangshan District (2019)

表2 土壤养分的半方差函数模型Tab.2 The semi-variogram model and its parameters

块基比C0/(C+C0) 是随机部分引起的空间变异占系统总变异的比例。该比值大小反映由随机部分引起的空间变异性程度大小。C0/(C0+C1)比值低于0.25，说明变量的空间相关性强烈；大于0.75，说明变量具有较弱的空间相关性[14]。研究区各项养分块基比在0.63～0.73之间，说明各养分含量同时受到结构性和随机性因素的影响，但受区域条件气候、母质、地形等影响相对较小，而受施肥管理、种植制度、土地利用方式等人为因素影响较大。

2.3 土壤养分空间分布特征

根据半方差函数模型,综合考虑各向异性和趋势参数,利用 Kriging最优内插法生成土壤养分空间分布图(图1)。

可以看出，研究区内土壤有机质含量总体分布趋势表现为山区要明显高于平原区，西部比东部高,北部比南部高。按照北京市农田土壤养分分等定级标准，房山区大部分地区土壤有机质含量处于高等水平，面积达1 494 km2，约占总面积的74%，其中约51%的地区土壤有机质含量处于极高水平。有机质含量较低的面积仅占3%左右，主要分布在东部的长阳镇和琉璃河镇。全氮与有机质含量的空间分布趋势类似，全氮含量总体分布趋势也表现为山区土壤要明显高于平原区土壤，西部地区高于东部地区，北部地区高于南部地区。按照北京市农田土壤养分分等定级标准，房山区大部分地区土壤全氮含量处于高等水平，面积达910 km2，约占总面积的86%，其中约65%的地区土壤全氮含量处于极高水平。全氮含量较低的面积仅占2%左右，主要分布在长阳镇、琉璃河镇东部及城关镇、崇各庄乡和张坊镇的部分区域。有效磷全区绝大部分地区的有效磷含量处于60 mg/kg以下。按照北京市农田土壤养分分等定级标准，该区大部分土壤有效磷含量处于中等较低水平，面积达1 837 km2，约占总面积的91%。有效磷含量较高的面积不足9%，主要分布在东南部琉璃河镇、长阳镇、窦店镇、石楼镇、城关镇及韩村河镇的部分区域，此外大安山乡、崇各庄乡、大石窝镇、十渡镇及史家营乡也有零星分布。速效钾含量整个地区都较高。按照北京市农田土壤养分分等定级标准，房山区绝大部分地区土壤速效钾含量处于极高水平，面积达1 978 km2，约总面积的98%。速效钾含量中等的面积不足1%，零星分布在石楼镇的部分区域。

2.4 土壤养分时空变异状况

将研究区内2007年与2019年土壤养分情况进行比较，利用ArcGIS绘制差值图(图2)。可以看出，12年来土壤养分含量总体呈上升趋势。有机质含量上升大于或等于10 g/kg的面积约占7%，主要分布于西北部山区，上升0～10 g/kg的约占48%，在东南平原的各乡镇均有分布，明显下降的约占25%，主要分布在中北部和西南部的山区半山区；全氮含量上升大于或等于0.5 g/kg的面积约占10%，主要分布于东北山区，上升0～0.5 g/kg的约占57%，全区大部分地区均有分布，显著下降的仅占3%，主要分布在中北部山区；有效磷含量上升大于或等于10 mg/kg及上升5～10 mg/kg的面积分别占35%和10%，主要分布于东部平原和西南山区，保持稳定的约占23%，主要分布于中部平原和西部山区，下降的约占31%，主要分布在中部山区；速效钾含量上升大于或等于50 mg/kg的面积约占89%，除最北部小部分山区外，其他地区均有分布，上升25～50 mg/kg的约占5%，下降的不足2%，主要分布于北端小部分山区。

3 讨论和结论

研究区有机质和全氮总体上处于高等含量水平，速效钾总体上处于极高含量水平，而有效磷则处于中等较低含量水平，各养分含量均呈现显著的空间和时间变异。在空间上，土壤有机质和全氮总体分布呈现山区高平原低的趋势，主要由于耕地多处于平原区，对土壤养分的消耗多于山区；有效磷的空间分布总体呈平原耕地高于山区的趋势，速效钾的空间分布整个区域都处于较高水平，这与近些年农民越来越重视磷钾肥的施用有关。其中，有效磷的变异系数最大，属于高变异强度，其余养分含量均属于中等变异强度，这与磷在土壤中移动性差及磷肥施用不平衡有关。土壤特性空间变异程度不仅受到母质、地形、气候等结构性因素的影响，同时也受到人类活动等随机性因素的影响。然而在同一区域内，气候条件一致的情况下，生态系统历经长期自身演替和人为干扰，源于结构性因素引起的空间变异逐渐变小，而人类活动的干扰对土壤性质的变异影响深远[15]。结果显示区内有机质、全氮、有效磷、速效钾的块基比分别为0.73、0.69、0.68和0.63，说明其受结构性因素及随机性因素共同影响，其中施肥管理、种植制度、土地利用方式等人为因素占主导，而受气候、地形、母质等区域条件因素影响相对较小。在时间上，12年来，由于种植制度改变、农民对肥料投入重视程度提升，以及测土配方施肥、增施有机肥、秸秆还田等措施的大力推广，各养分含量总体呈上升趋势，尤其有机质和速效钾含量均有显著提升，土壤理化性质有所改善，基础地力有所提升。这说明农民科学施肥意识明显增强，以往“重化肥、轻有机肥，重氮肥、轻磷钾”的传统施肥观念和习惯已经有所转变。但研究区内仍存在施肥结构不平衡、投入不合理的情况，可以看到，研究区内有效磷含量仍处于中等较低水平，而大部分地区全氮和速效钾含量已经超过极高水平。

1)研究区有机质和全氮总体上处于高等含量水平，速效钾总体上处于极高含量水平，而有效磷则处于中等较低含量水平，各养分含量均呈现显著的空间和时间变异。

2)在空间上，土壤有机质和全氮总体分布呈现山区高平原低的趋势，有效磷呈平原耕地高于山区的趋势，速效钾的空间分布整个区域都处于较高水平。有效磷的变异系数最大，属于高变异强度，其余养分含量均属于中等变异强度。研究区各项养分块基比在0.63～0.73之间，空间变异情况受随机性因素和结构性因素共同影响，其中施肥管理、种植制度、土地利用方式等人为因素占主导。

3)在时间上，12年来，各养分含量总体呈上升趋势，有机质、全氮、有效磷、速效钾的含量分别在55%、67%、45%、94%的耕地中有明显升高，但研究区内仍有31%的耕地出现了有效磷含量的下降。

4)研究区内土壤要注意平衡施用有机肥和化肥，继续增施有机肥，科学施用氮磷钾肥，减少不合理的化肥投入，控氮、增磷、控钾。其中，东部地区和南部地区要增加有机肥施用，土壤有效磷含量在全区大部分地区处于中等较低水平，除长阳镇南部、琉璃河镇、城关镇和石楼镇的部分区域外，均需增加磷肥的施用，此外，整个区域要注意控制氮肥和钾肥的施用，从而提高肥料利用率，兼顾生产效益与生态环境，实现绿色可持续发展。