基于GIS的鲁东南典型丘陵平原区农田土壤养分空间变异特征及影响因素研究

段友春

（山东省地质矿产勘查开发局第七地质大队，山东临沂 276006）

0 引言

成土母质、土地利用方式、地形地貌等多种因素影响和制约了土壤的形成和演化，使得土壤养分表现出一定的空间异质性[1]，其变异来源主要有结构性变异和随机性变异两方面[2]。自然环境因素是导致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要因素，而人为因素则具有很大的随机性和不确定性，可视为导致土壤养分空间分异的外部因素[3]。地统计学方法为土壤养分元素的主要研究方法，研究内容为土壤质量等级评价和土壤养分空间分布，并分析其影响因素[4]。利用地统计学的GS+软件进行土壤养分含量半变异函数分析，再结合GIS技术的克里格插值法进行空间分析，可以有效的对土壤养分空间变异特征及其影响因子进行研究[5]，并在一定程度上分析土壤养分的空间分异规律，对指导科学施肥、保障农业生产等具有十分重要的现实意义[6]。

钟文挺等[7]基于GS+7.0、ArcGIS10.2建立了蒲江县耕地的全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质等5种土壤养分含量的半方差函数模型，并进行了普通克里格空间插值分析。李娜等[8]基于GIS技术与地统计学，研究伊犁州耕地中土壤养分的空间分异规律。吕真真等[9]研对环渤海沿海区域土壤养分指标进行了统计分析，采用克里格插值以分析土壤养分空间分异特征。赵明松等[10]利用地统计法分析得出安徽省蒙城县土壤养分的变异函数符合指数模型，且具有中等强度的空间自相关性。安永龙等[11]结合地统计学和GIS技术对北京市大兴区礼贤镇的土壤养分的空间变异特征及分布规律进行了研究。

本研究采用地统计学和GIS方法，在研究区日照市巨峰镇采集表层土壤样品200件，对有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾等5种养分指标的质量等级、空间变异性特征进行了分析，并对影响养分空间分布格局的几种因素进行了研究，以期为该区的农业施肥管理及土地资源可持续利用提供理论依据[12]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区日照市巨峰镇位于鲁东南丘陵平原区，大地构造位于沂沭断裂带东侧，地理坐标为35°12′54″—35°20′45″N，119°8′6″—119°18′13″E，总面积160.95 km2。自东向西地貌类型依次为：剥蚀—海蚀平原区、剥蚀平原区、微切割—强剥蚀丘陵区及中度剥蚀低山区，海拔15～515 m。当地多年平均气温12.6℃，年均降水量784.1 mm，无霜期198天以上，年平均湿度64.7%，年日照时间平均2236 h。研究区境内土壤有酸性粗骨土、棕壤、棕壤性土、潮棕壤、白浆化棕壤和淹育水稻土6个土壤亚类。区内地层以第四系松散堆积为主，岩浆岩大面积出露，北部和南部主要为元古代侵入岩和变质岩，西部主要为印支期和燕山期的中酸性侵入岩。中东部主要以河流洪积、洪冲积物为主，多形成潮棕壤和淹育水稻土。本区内主要种植玉米、小麦、花生、特色农作物茶树，为当地典型农业生产区，农用地面积为130.07 km2，占全区总面积的83.3%。

1.2 样品采集与分析

本研究于2018年3—5月开展了样品采集及分析测试工作，在综合考虑土壤类型、土地利用类型与农田植被类型等因素的基础上进行布点采样，采样密度为1.2点/km2，主要布设在农用地，共计采集200个土壤样品（图1）采样过程中根据设计点位周边环境合理调整实际采样位置，采集3～5点分样点的0～20 cm深度的土壤，等量混合均匀后装入布袋，样品原始重量大于1kg，并用便携式GPS记录采样点实际坐标。土壤样品经过自然风干、去杂物、敲打破碎、过尼龙筛、研磨等步骤进行处理，对土壤有机质(SOM)、全氮(TN)、碱解氮(AN)、有效磷(AP)、速效钾(AK)等5种指标的含量进行分析测试：采用高温外热-重铬酸钾氧化容量法测定SOM；采用凯氏定氮法测定TN；采用碱解扩散法测定AN；采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法（分光光度法）测定AP；采用中性乙酸铵浸提-火焰光度法测定AK。

图1 研究区位置和采样点分布图

1.3 数据处理

利用SPSS 25对土壤养分含量进行描述性数据统计、正态分布检验、数据转换，并进行方差分析。利用地统计软件GS+7.0的变异函数分析土壤养分空间变异结构特征，并通过比较不同模型类型，找出决定系数与残差表现较好的半方差拟合模型[13]，将得出的参数模型导入ArcGIS10.6，进行普通克里格(Kriging)空间插值分析，查看模型的交叉验证结果，并绘制5种土壤养分的空间分布图。

2 结果与讨论

2.1 土壤养分含量的统计特征

表1为土壤养分含量的统计特征值。研究区SOM、TN、AN、AP及AK的平均含量分别为13.52 g/kg、0.75 g/kg、87.27 mg/kg、50.55 mg/kg和103.20 mg/kg，养分含量总体属于稍缺水平。SOM含量在3.96～45.80 g/kg之间，TN含量介于0.12～2.34 g/kg，AN含量在8.36～334.32mg/kg之间，AP含量在4.74～253.80mg/kg之间，AK含量30.82～407.70 mg/kg，可以看出研究区土壤养分含量变化幅度较大。参照全国第二次土壤普查养分分级标准，本研究的土壤样品的养分含量分级比例情况统计如表2所示，农田土壤AP含量较高，较丰富以上(AP＞40 mg/kg)的样点比例达到50.5%，中等水平以上达94%；AN、AK含量一般，中等水平以上(AN＞90 mg/kg；AK＞100 mg/kg)的样点比例分别占到了总样品数的34%和39%；相比较而言，TN、SOM含量较低，稍缺及以下水平(TN＜1 g/kg，SOM＜20 g/kg)的样点数量分别占到了总样品数的91%和91.5%，其中TN的缺乏更严重，有58.5%的样品处于缺乏等级。由此可见研究区农田土壤养分不算优越，土壤养分缺乏的比例还不少。

表1 研究区土壤养分含量的统计特征值

表2 土壤养分等级划分标准与样品占比统计

变异系数(CV)可以反映土壤养分含量的离散程度，从而可以表示土壤养分分布的均匀程度。本次研究将变异程度分为3种类型：CV＜10%为弱变异性，10%≤CV＜100%为中等变异性，CV≥100%为强变异性[14]。根据这一划分标准显示5种土壤养分全部属于中等变异程度，依次按大小排序为AP＞AN＞AK＞TN＞SOM，其中变异性最大的养分为AP，变异系数为81.22%，其次是AN、AK，分别为61.67%、52.66%，SOM和TN的变异最弱，变异系数均小于45%，这与刘国顺等[15]得出的结果类似，土壤速效养分较之SOM和TN等的变异大，可能是由于磷肥和钾肥仅在局部地区施用，施用后在短期内农作物无法对土壤中的有效磷和速效钾进行充分吸收，致使土壤中残留有一部分磷和钾的养分，导致其有效成分空间变异性较强，SOM、TN的变异系数较小，说明在土壤中含量相比有效成分较稳定，受施肥、灌溉等随机性因素的影响相对较小[16]。

5种土壤养分的偏度系数均大于1，说明5种土壤养分数据显示出一定的偏态效应，将其进行对数转换后，对转换后的数据再分别对单样本进行K-S正态分布检验，结果显示，5种指标的显著性概率值P＞0.05，说明数据服从对数正态分布，满足地统计学分析的要求。

2.2 土壤养分含量空间变异结构特征分析

本研究采用GS+软件对经过对数变换的5种土壤养分含量进行半方差函数模型拟合，根据决定系数最大、残差最小的标准选择最优拟合函数，并通过交叉验证[17]，最终获得半方差函数相关参数，如表3、图3。结果显示，5种养分含量的变异函数曲线的理论模型均符合指数模型，模型决定系数均在0.2以上，残差均小于0.001。利用ArcGIS10.6对上述5种成分的拟合函数进行了交叉验证，结果显示：5种养分的最优模型的平均误差都小于0.01，标准化均方根误差均接近于1，表明模型拟合状况较好。

表3 研究区土壤养分的半方差函数理论模型和参数

块金值(Co)表示试验误差和小于取样尺度的变异[18]。研究区5种土壤养分的块金值都小于0.01，说明当前的采样尺度范围内的变异较小。块基比[Co/(Co+C)]可以用来表示空间异质性程度，比值越高则由非结构性因素引起的空间变异程度较大，而由空间自相关部分引起的空间变异程度较小[19]，5种成分的块基比在3.31%～8.02%之间，说明其由结构性因素如成土母质、地形地貌、土壤类型等引起的空间自相关程度较高，而由随机因素引起的空间变异较小，其中AP、PN、SOM的自相关程度极强，TN、AK的自相关程度相对稍弱一些。

变程(R)表示具有空间自相关性的最大距离，超过该距离则不存在空间自相关[20]。5种土壤养分的变程一般在990～3960 m之间，说明在此空间范围内分布连续，存在空间自相关性，其中SOM的变程最大，为3960 m，为AN和AP的变程的3～4倍，说明SOM的空间变异尺度较大，在这个较大的空间范围内的其空间自相关性较强。

图2 土壤养分半方差函数图

2.3 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[21]，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[22]。根据研究区5种土壤养分的最优半方差函数模型，运用ArcGIS的地统计功能，采用普通Kriging法对土壤养分元素进行空间插值，并按照土壤养分等级标准绘制各养分元素含量插值图（图3）。

图3 普通Kriging插值的土壤养分空间分布图

从养分等级空间分布图中可以看出，研究区的土壤有机质含量在大部分地区处于稍缺等级，在西南部和北部部分地区为缺乏等级，仅在东部和东南部平原区少量地区为适中等级；全氮含量在大部分地区处于缺乏等级，仅在东部平原区部分地区为适中等级，总体来说研究区土壤的有机质和全氮含量水平都较低，且空间分布大体一致，说明两者存在一定的空间相关性。碱解氮含量大部分地区处于稍缺及以下等级，其中缺乏等级在中北部和西南部呈条带状分布，适中及以上等级主要分布于东部平原区和西北部地区，其中西北部地区还分布少量很丰和丰等级；速效钾含量在研究区的分布同样以稍缺等级为主，不同的是无缺乏等级分布，东部分布少量很丰和丰等级；有效磷在全区以丰和很丰分布最广，仅在南部丘陵区少量分布适中等级，说明研究区有效磷肥力较富足。研究区养分有效成分在含量等级及分布范围方面相对于有机质和全氮的状况要稍好，尤其是有效磷含量较为富足。通过以上分析，大体确定了研究区农田土壤养分的空间分布特征，整体而言，研究区土壤处于适中-稍缺的养分肥力水平。

表4 土壤养分半方差函数模型交叉验证结果

表5 不同地形地貌土壤养分含量方差分析结果表

表6 不同土壤类型的土壤养分含量

2.4 土壤养分空间变异影响因素分析

2.4.1 地形因素 地形地貌对地表物质和能量的再分配影响着成土过程，土壤所处的环境条件也影响着其发育和演变[23]。研究区地形地貌总体分布为西北部、东北部、南部为低山，中部、西部大部为丘陵区，东部、东南部为平原区，地势总体为南北高，中部稍低，东部最低。通过对土壤养分空间分布对比可知，AK、AN、SOM的分布总体与地形地势特征一致，对不同地形地貌间的养分含量进行方差分析（表7），结果显示SOM、AN和AK的F值分别为7.798(P＜0.001)、3.006(P＜0.05)和7.548(P＜0.01)，表明这3种养分在各土壤类型的养分含量具有显著差异，其中土壤类型对SOM和AK含量的差异影响较大，对AN含量的差异影响较小。研究区中西部多为海拔200～500 m的低山丘陵区，坡度较陡，土壤养分因雨水冲刷搬运等容易淋滤流失，无法有效累积，而东部平原地区地势较平坦，水流宽缓，各类养分易于低缓处集聚不易散失，从而导致SOM、AN和AK在东部平原区的分布差异相比西部低山丘陵地区要显著。AP和TN的方差结果均大于0.5，说明这2种养分在不同土壤中的含量不存在显著差异。

表7 不同土地利用类型的土壤养分含量

2.4.2 土壤类型 表4为不同土壤类型的养分含量统计结果表。从中可以知在淹育水稻土中SOM、TN、AK含量远高于在其他5种土壤类型中的含量，说明淹育水稻土中养分含量较富足，这与水稻土长期的水耕熟化过程密不可分；而酸性粗骨土中TN、AP、AK含量低于其他5种土壤类型中的含量，这与酸性粗骨土成土母质多为花岗岩且颗粒较粗而少粘粒有很大关系。AP、AK含量在这6种土壤类型中存在显著性差异(P＜0.05)，其中AP在棕壤中含量最高，而AK在淹育水稻土中含量最低；SOM、TN含量在6种土壤类型中差异相对较小。

2.4.3 土地利用类型 土地利用是自然条件和人为活动的综合反映，土地利用与土壤养分有着密切的关系[24]。研究区内主要的土地利用类型为水浇地、旱地、园地和林地，从表8中可以看出5种土壤养分在不同的土地利用类型中含量分布不尽一致，其中园地中的养分含量低于其他土地利用类型中含量，这主要是因为同等条件下园地本身含有养分较林地为少，人类长期在园地中种植果树茶叶导致土壤中养分含量消耗过多，而肥料施用方面却不如旱地水浇地及时全面；AN、AP、AK在不同土地利用类型中的含量呈一定的差异，AN、AP在林地中含量最高，分别为97.06 mg/kg和60.43 mg/kg，AK含量均值最高出现于旱地，为108.04 mg/kg。总体而言，不同土地利用类型中的土壤养分含量存在一定差异主要是受自然条件等结构性因素和不同耕种制度、施肥方式等人为因素共同作用影响而形成的。

3 结论

（1）研究区SOM、TN、AN、AP和AK的平均含量分别为13.52 g/kg、0.75 g/kg、87.27 mg/kg、50.55 mg/kg和103.20 mg/kg，养分含量总体属于稍缺水平。5种土壤养分全部属于中等变异程度，按大小排序依次为AP＞AN＞AK＞TN＞SOM。经对数转换后的土壤养分含量的变异函数均符合指数模型，5种土壤养分的块基比在3.31%～8.02%之间，其自相关程度较高，AP、PN、SOM的自相关程度极强，TN、AK的自相关程度相对稍弱一些。

（2）研究区的土壤SOM、TN全区含量水平都较低，仅在东部部分地区为适中等级。有效磷含量较为富足，碱解氮、速效钾含量大部分地区处于稍缺及以下等级，适中及以上等级主要分布于东部平原区和西北部地区。整体而言，研究区土壤处于适中-稍缺的养分肥力水平。

（3）AK、AN、SOM的分布总体与地形地势特征一致，3种养分在不同土壤类型的养分含量具有显著差异；AN、AP、AK在不同土地利用类型中的含量呈一定的差异。总体来说研究区土壤的SOM和TN含量水平都较低，且空间分布大体一致，其他有效组分在含量等级及分布范围方面相对于SOM和TN含的状况要稍好，尤其是AP含量较为富足。地形地貌、土壤类型和土地利用方式等因素对研究区土壤养分的空间变异程度有着显著影响，其中地形地貌、土壤类型等结构性因素的影响程度较强。