湖南省新化县土壤养分空间变异特征及影响因素

贾朋远 林治家 陈珍宝 宋江涛 贺晨骋

(湖南省地质调查所，湖南 长沙 410014)

土壤作为历史自然体，受气候、生物、母质、地形、成土时间等成土因素的影响，具有复杂性和时空变异性，其随空间位置发生的变化，被称为土壤的空间变异性。传统土壤空间变异的研究方法多是定性的描述，易受人为因素干扰，随着地统计学和GIS技术的出现，定量性的研究被广泛应用到土壤特性时空变化的研究中。国内外许多学者研究表明，地统计学法和多元统计分析法是目前研究土壤特性空间变异最为有效的方法之一，其在土壤物理性质和化学性质空间变异、土壤采样设计以及土壤质量管理等方面得到了广泛应用。在土壤物理性质方面，顾鑫研究了松嫩平原盐碱化土壤的电导率、容重、孔隙度、含水量等的空间变异特征；杨士凯以杉木林地为研究对象，分析了不同土壤深度土壤容重的空间变异特征。在土壤化学性质方面，贾鲁净分析了宝鸡市农耕区土壤有机质全氮、速效磷、速效钾的空间分布规律，通过冗余分析法，从土壤类型、地形、人为因素等3方面探讨了自然和人类活动对土壤养分空间变异的影响程度；赵明松运用地统计学法和GIS技术研究了徐淮黄泛平原区表层土壤有机质含量的空间变异特征，利用方差分析和回归分析定量研究了区域内土壤有机质空间变异的影响因素；肖凯琦以汨罗市1∶5万土地质量地球化学调查为基础，分析了土壤的pH值、有机质、全氮、全磷、全钾等养分要素，采用地统计学与GIS相结合的方法对土壤养分空间分布及变异规律进行了研究。在土壤采样设计方面，李俊颖研究了宜兴市土壤重金属的空间变异以及县域尺度的合理采样数。在土壤质量管理方面，刘文全研究了山东省莱州湾废弃盐田复垦区空间变异特征，探讨了田间管理分区的精准划分方法。

土壤养分是反映耕地生产力和土壤环境质量的重要指标，其丰缺程度直接决定农作物长势，进而影响粮食产量。新化县是湖南省重要的粮食产出地，在1∶5万土地质量调查之前，对于区内土地地球化学质量现状缺乏系统的了解。本次研究基于该项目成果，采用传统统计学、地统计学和GIS分析方法对土壤养分元素的空间分布规律及影响因素进行研究，以期为土壤养分分区管理及合理施肥提供科学依据。

1 研究区概况

新化县位于湖南省中部偏西，娄底市西部，在雪峰山南麓，跨资水中游两岸。地理坐标为N27°31′35″～28°14′04″，E110°45′58″～111°41′59″。新化县四周为低山、低中山，中部为资水及其支流河谷，靠近资水河谷海拔较低，地形相对平缓，远离资江河谷，地势逐渐抬升，地形高陡。新化县属于亚热带季风气候区，四季分明，春暖夏热，年平均气温16.8℃，年平均降水量1432.2mm·a-1。

根据新化县第二次国土调查成果，见图1，新化县现有水田590.50km2、旱地169.79km2、园地255.25km2、林地2036.63km2，其他地类567.84km2。其中，水田、旱地按照不少于9点·km-2进行网格化布样，由于地块较为分散，实际采样4776个，采样密度为6.28个·km-2。园地按照不少于4点·km-2进行布设，实际采样595个，采样密度2.33个·km-2。林地按照1点·4km-2的进行网格化布设，实际采样393个，采样密度0.19个·km-2。

图1 新化县土地利用现状及采样点位图

样品采集按照《土地质量地球化学评价规范(DZ/T 0295-2016)》执行，在布设采样点周围20m范围内采用梅花形布点法(平缓区)或蛇形布点法(低山丘陵区)等量采集5个子样组成1个样品，水田、旱地、林地采集地表至20cm深处的土柱，园地采集深度0～60cm，采集时去除杂草、草根、砾石、砖块、肥料团块等杂物。

2 材料与方法

2.1 样品采集与测试

“湖南省新化县土地质量调查”项目共采集测试了5764个面积性土壤样品。样品加工按照《土地质量地球化学评价规范(DZ/T 0295-2016)》执行，样品检测由湖南省地质调查所测试中心完成，检测过程依据《区域地球化学样品分析方法(DZ/T 0279-2016)》执行。该项目测定了pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、B、Mn、Zn、Cu、Se、Mo、V、Ni、Cd、Hg、As、Pb、Cr等指标。

土壤中的有机质和有效态测定方法如下。有机质：称取0.20g样品，加重铬酸钾-硫酸溶液、油浴加热消煮，采用氧化还原容量法(VOL)测定有机质。碱解氮：称取1.00g样均匀地平铺于扩散外室，在土壤外室内加1g锌-硫酸亚铁还原剂平铺土样上，加3mL 20g·L-1硼酸指示剂溶液于扩散皿内室；在扩散皿外室边缘上方涂碱性胶液，盖好毛玻璃，慢慢转开毛玻璃一边，使扩散皿的一边露出一条狭缝，在此缺口加入10.0mL 1.8mol·L-1氢氧化钠溶液于皿的外室，立即把毛玻璃盖严；将扩散皿放在恒温箱中，于40℃保温24h；用0.01mol·L-1盐酸标准溶液滴定内室中吸收的氨量，颜色由蓝变紫红即达终点，计算碱解氮结果。速效钾：称取5.00g样品于浸提瓶中，加50mL 1mol·L-1乙酸铵溶液，加塞震荡30min，用干滤纸过滤，电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)测定滤液中钾。有效磷：酸性、中性土壤中，称取5.00g样品于浸提瓶中，加50mL氟化铵-盐酸浸提剂，震荡5min后过滤，电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)测定滤液中磷；碱性土壤中，称取5.00g样品于浸提瓶中，加100mL 0.5mol·L-1碳酸氢钠溶液，在25℃温度中震荡30min后过滤，电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)测定滤液中磷。

2.2 数据处理与分析方法

由于特异值的存在会对变异函数具有显著的影响，因此计算变异函数前需要剔除特异值。本研究采用拉依达准则识别特异值，即样本平均值±3倍标准差，在此区间以外的数据均定为特异值，分别用正常的最大和最小值代替特异值。

本次研究对处理后的数据进行描述性统计分析，以地统计学基本原理和方法为基础，运用GS+9.0软件进行半方差函数分析，以半方差分析结果中拟合决定系数R2最大、残差平方和RSS最小为原则，选取最优插值理论模型和参数，运用ArcGIS 10.3软件进行克里金插值，获得研究区耕作层土壤养分含量空间分布图。采用SPSS 28.0软件对数据进行统计分析和相关性分析，探讨研究区耕作层土壤养分含量的影响因素。

3 分析结果

3.1 土壤养分含量的统计特征

新化县4种土壤养分含量及评价结果见表1。有机质含量平均值为34.06g·kg-1，最大值72.85g·kg-1，最小值1.95g·kg-1，变异系数34.60%，有机质一、二级地块面积占了全区评价面积的72.76%。碱解氮含量平均值为154.96mg·kg-1，最大值296.24mg·kg-1，最小值15.26mg·kg-1，变异系数29.62%，碱解氮一、二级地块面积占了全区评价面积的92.32%。有效磷含量平均值21.02mg·kg-1，最大值73.77mg·kg-1，最小值0.13mg·kg-1，变异系数77.74%，有效磷含量中等及以上的地区占全区评价面积的92.88%。速效钾含量平均值为81.84mg·kg-1，最大值205.79mg·kg-1，最小值8.68mg·kg-1，变异系数48.83%，速效钾含量中等及以下的地区占全区评价面积的95.68%，新化县速效钾大部分地区都是中等或较缺乏，仅在南部的石冲口镇局地较为富集。新化县土壤钾素含量整体偏低，应通过平衡施肥、轮作和休耕等方式改良和培肥土壤。

表1 土壤养分统计结果

变异系数可以反映土壤元素的离散程度，进而表示土壤元素分布的均匀程度。变异系数越大，元素的分布越不均匀，离散程度越大。本次研究将变异程度分为4种类型：CV<30%为均匀分布，30%≤CV<60%为弱分异(中等起伏)，60%≤CV<100%为较强分异(较大起伏)，CV≥100%为强分异(很大起伏)。参照这一分类标准显示碱解氮为均匀分布，有机质、速效钾为弱分异，有效磷为较强分异。

本研究采用偏度—峰度法检验数据是否服从正态分布。一般而言，偏度值越接近0，数据越服从正态分布；峰度值越接近于3，数据越服从正态分布。从表1可知，研究区耕作层土壤养分含量均服从正态分布(或近似服从正态分布)。

3.2 土壤养分含量的空间变异特征

对土壤养分状况的常规统计分析能够概括土壤养分的全貌和整体特征，但不能反映局部的变化特征，即只在一定程度上反映样本全体，而不能定量刻画土壤养分的结构性和随机性。半方差分析能较好地判定土壤元素的空间自相关性，并通过空间自相关性的强弱区分土壤元素结构性来源(如地质背景、地形地势等)和随机来源(各种人为活动)。

本文运用GS+9.0软件对4种养分元素进行半变异函数分析。要合理设置有效滞后距离(Active Lag Distance)和步长(Lag Class Distance Interval)。有效滞后距离是用来指定计算自相关范围的，一般设置为最大采样点间距的1/2～1/3。由于新化县地形地貌较为复杂，土地利用现状底图的图斑比较分散，有效滞后距离设置太小，会导致一小部分离得较远的图斑搜不到点，降低插值的准确度和可靠度。本次工作有效滞后距离设置为最大采样点间距的1/2，通过Arcgis点距离分析功能得知新化县最大采样点间距是86373.51m，故有效滞后距离设置为43186.75m。步长是用来定义将多少成对采样点分组的，本次分析拟设置15对采样点，故步长设置为有效滞后距离的1/15，即2879.12m。在设置好有效滞后距离和步长后，根据决定系数R2最大、残差平方和RSS最小的原则，选出最优模型，见表2、图2。分析结果表明，土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾的最佳拟合模型均为指数模型，有机质对应理论模型拟合度最高。

表2 土壤养分半方差函数模型

图2 新化县表层土壤养分半方差图

块金值用C0表示，反映的是最小抽样尺度以下变量的变异性及测量误差，表示随机部分的空间变异性。新化县土壤养分块金值均大于0，表明存在最小抽样尺度下土壤性质的变异或仪器测量误差引起的变异。块金系数是块金值与基台值的比值，表示由随机因素引起的空间变异占系统内总变异的比例，反映了空间自相关性的强弱。块基比越小，说明受结构性因子影响越显著，也就是空间自相关性越强。块基比小于0.25，说明系统具有强烈的空间自相关性；块基比大于0.75，说明系统空间自相关性很弱；块基比在0.25～0.75，说明系统具有中等的空间自相关性。土壤有机质、碱解氮、有效磷的块金系数分别是0.13、0.14、0.11，呈现极强的空间相关性，说明这3种养分元素主要受结构因素(如地形地貌、成土母质、土壤类型、气候等)影响。土壤速效钾的块金系数为0.50，呈现中等空间相关性，说明速效钾的空间变异受结构性和随机性因素共同作用。

变程是由块金值到达基台值时的距离，表示在某种观测尺度下空间相关性的作用范围，在变程范围内，采样点的距离越近，其相似性越大，即空间相关性越大。当已知点与未知点间距大于最大变程时，该点数据不能用于内插或外推。土壤有机质、碱解氮、有效磷的变程分别为2850m、3540m、3450m，说明控制其空间变异的影响因素作用范围相近。速效钾的变程171810m，说明控制其空间变异的影响因素作用范围较大，可能是由于速效养分受施肥影响大、迁移性强的原因。

3.3 土壤养分含量的空间分布特征

根据半方差函数模型及参数，通过克里金插值对4种土壤养分进行拟合，获取研究区土壤养分空间分布图，见图3。结果显示，有机质变异性主要体现在南北方向上，呈南高北低的分布格局；碱解氮变异性主要体现在北东—南西方向上，呈现由南西向北东逐渐递减的趋势；有效磷变异性主要体现在东西方向上，呈西高东低的分布格局；速效钾呈中部低、东部高、西部稍高的分布格局。具体分布特征如下。

图3 新化县表层土壤养分空间分布图

有机质分布的总体特征见图3a。有机质含量的高值区主要分布于桑梓镇、曹家镇，主要位于车前江向斜核部，与二叠系龙潭组、大隆组等煤系地层关系密切，可以看出明显伴随着黑色岩系地层分布。有机质含量次高值区主要分布在海拔200～300m的低山、丘陵及山前阶地等部位，包括石冲口镇、维山乡、西河镇西部等地，与震旦系金家洞组、留茶坡组和寒武系牛蹄塘组等黑色岩系分布密切相关。另外，有机质含量次高值区在炉观镇、上梅镇、奉家镇(紫鹊界梯田)等地有分布，该区域多为水稻种植区域，有机肥投入较多，且当地多有秸秆回田的习惯，有助于土壤肥力的积累。有机质含量的低值区主要分布于水车、西河、吉庆、田坪镇一带，这些地区以山地为主，农田面积较少，出露岩性为花岗岩、碳酸盐岩，表层土壤养分水平较低。

碱解氮分布的总体特征见图3b。碱解氮含量高值区主要分布在奉家镇、西河镇、琅塘镇、金凤乡。碱解氮含量次高值区主要分布在石冲口镇、维山乡、科头乡等地。高值区、次高值区地势平坦，是主要的农作物产区。氮含量的低值区主要分布于水车、文田、吉庆、坐石一带，这些地区以山地为主，农田面积较少，水土流失严重，出露岩性为花岗岩、碳酸盐岩，土壤养分水平较低。值得一提的是，资水两岸普遍为低值区，可能跟河流冲刷侵蚀、养分流失有关。

有效磷分布的总体特征见图3c。有效磷含量高值区分布在白马山岩体周边以及大熊山林场北部、荣华乡西北部，可以看出明显伴随着震旦系地层分布。这是因为湖南省主要聚磷时期为震旦纪、寒武纪，以震旦纪陡山沱组、寒武纪牛蹄塘组为主要含矿层。在东部的泥盆纪—石炭纪碳酸盐岩分布区，有效磷含量明显低于其他地层出露区。

速效钾分布的总体特征见图3d。速效钾含量高值区主要分布在东部吉庆镇、坐石乡、温塘镇等，主要为泥盆纪—石炭纪碳酸盐岩区。速效钾含量次高值区主要分布在西部奉家镇、文田镇、水车镇等，为花岗岩出露区，主要岩体有水车、望云山岩体等。岩性以酸性二长花岗岩及中酸性闪长岩为主，成土母质钾元素含量较高。

4 影响因素讨论

通过以上分析，对研究区表层土壤4种主要养分元素含量的空间变异特征和分布规律有了一定了解，但是对其来源影响因素尚缺乏具体认识。本文参考以往研究结果，结合新化县实际情况，从成土母质、土壤类型、海拔、坡度、pH值等方面分析其对土壤养分空间变异的影响。研究思路：根据插值结果，提取每一个农用地图斑(共30106个)的养分元素含量，与图4a(成土母质图)、图4b(土壤类型图)、图4c(海拔图)、图4d(坡度图)、图4e(pH值图)叠加，提取相应的属性值，在SPSS 28.0软件中进行统计分析。

图4 新化县土壤养分相关因子系列图

4.1 成土母质

成土母质是岩石经风化作用后物理性质改变，在地壳表面形成的疏松的风化物，是形成土壤的物质基础。因此，成土母质对土壤养分的含量有着或多或少的影响。研究区土地资源肥沃，受地层岩性、地形地貌以及沉积环境等因素影响，可以把研究区表层土壤成土母质划分为石灰岩风化物、砂岩风化物、板页岩风化物、花岗岩风化物、白垩纪红土、河流冲积物等6种类型，见图4a。

研究区不同成土母质的养分元素统计表明，板页岩风化物有机质、碱解氮、有效磷含量均高于其他成土母质类型；河流冲积物有机质、碱解氮含量均低于其他成土母质类型，河流冲积物中有效磷、速效钾含量也相对较低，见表3。

表3 不同成土母质养分元素含量平均值

对比图3和图4a也能得出相似规律，有机质在石灰岩类母质、花岗岩类母质上的含量较低，而在板页岩类母质(主体是早寒武世的黑色岩系、晚二叠世的煤系地层)上的含量较高。碱解氮分布规律与有机质相似。有效磷在碎屑岩(板页岩、花岗岩)母质上的含量较高，在石灰岩类母质上的含量较低。速效钾在河流冲积母质上的含量较低，在石灰岩类母质上的含量较高，在碎屑岩母质上的含量中等。

4.2 土壤类型

第二次全国土壤普查显示，新化县共有潮土、黑色石灰土、红壤、红色石灰土、黄壤、水稻土、紫色土等7大类，细分为潮土、黑色石灰土、红壤、红壤性土、黄红壤、红色石灰土、黄壤、漂白型水稻土、潜育型水稻土、淹育型水稻土、潴育型水稻土、石灰性紫色土、酸性紫色土等13个亚类。

研究区不同土壤类型的养分元素统计表明，黄壤有机质、有效磷、速效钾含量均高于其他土壤类型；黑色石灰土有机质、碱解氮、速效钾含量均低于其他土壤类型，有效磷含量也很低，见表4。

表4 不同土壤类型养分元素含量平均值

对比各元素的空间分布图和图4b，发现不同土壤类型对各养分元素的空间分布影响不同。在水稻土上，有机质、有效磷含量比较低，碱解氮、速效钾含量中等。在黄壤上，有机质、碱解氮、有效磷含量比较高。红壤分布在黄壤周围，对养分元素的影响规律不明显。其他土壤类型分布面积相对较小，对养分元素的空间分布影响较小。

4.3 海拔、坡度

本文使用的是ALOS DEM数据，是日本宇宙航空研究所使用ALOS(Advanced Land Observing Satellite)卫星相控阵型L波段合成孔径雷达生产的高程数据，水平及垂直精度可达12.5m。利用Arcgis 10.3软件的空间分析工具提取研究区的海拔分布图和坡度分布图，见图4c、图4d。

对海拔与养分含量做Spearman相关性分析可以发现，见表5，有机质、碱解氮与海拔高度呈负相关(R海拔-有机质=-0.194，R海拔-碱解氮=-0.158)，有效磷、速效钾与海拔高度呈正相关(R海拔-有效磷=0.168，R海拔-速效钾=0.271)。将图4c与图3做对比分析也可以看出，有机质、碱解氮的低值区位于海拔较高的水车、吉庆一带，而这些地区的有效磷、速效钾明显含量较高。4种养分中海拔对速效钾的影响最大。

表5 土壤养分含量与海拔、坡度、pH值的相关性

对坡度与养分含量做Spearman相关性分析可以发现，见表5，有机质、碱解氮与坡度呈负相关(R坡度-有机质=-0.289，R坡度-碱解氮=-0.240)，有效磷、速效钾与坡度呈正相关(R坡度-有效磷=0.112，R坡度-速效钾=0.098)。将图4d与图3做对比分析可以看出，有机质、碱解氮的低值区位于坡度较高的天门、大熊山林场一带，而这些地区的有效磷、速效钾含量较高。4种养分中坡度对有机质的影响最大。

4.4 土壤pH

新化县土壤pH值分布的总体特征见图4e。以圳上镇—白溪镇—孟公镇—炉观镇—石冲口镇形成的弧形为界，弧西为强酸性环境，弧东主要为酸性—微酸性环境，局部有弱碱性环境。弧西以早古生代碎屑岩、花岗岩为主，弧东以晚古生代碳酸盐岩夹碎屑岩为主，说明pH值分布与岩性组合密切相关。这是因为早古生代地层伴随酸性岩浆活动，土壤多呈强酸性。而晚古生代大面积出露的是灰岩、白云岩等碳酸盐岩，表层土壤常伴有石灰反应，多呈中性甚至弱碱性反应。

对pH值与养分含量做Spearman相关性分析可以发现，见表5，有机质、碱解氮、速效钾与pH值呈正相关(RpH-有机质=0.223，RpH-碱解氮=0.017，RpH-速效钾=0.204)，有效磷与pH值呈负相关(RpH-有效磷=-0.379)。将pH值分布图与4种养分元素含量的空间分布图做对比分析可以看出，孟公、游家、田坪等pH值较高的地方，有机质、碱解氮、速效钾含量也较高。而有效磷在强酸性环境区值普遍较高，在酸性—微酸性环境区值普遍较低，有效磷与pH值呈明显负相关性。

5 结论

综合采用传统统计学、地统计学和GIS分析方法，研究了新化县表层土壤中有机质、碱解氮、有效磷、速效钾等养分指标含量空间变异特征及影响因素。结果如下。

新化县土壤有机质、碱解氮、有效磷一级、二级地块占比较高，速效钾中等及以下的地块占全区评价面积的95.68%，速效钾大部分地区是中等或较缺乏。碱解氮变异系数29.62%，为均匀分布；有机质变异系数34.60%、速效钾变异系数48.83%，为弱分异；有效磷变异系数77.74%，为较强分异。

4种养分的最佳拟合模型均为指数模型，速效钾对应理论模型拟合度最高。有机质、碱解氮、有效磷块金系数分别为0.13、0.14、0.11，呈极强的空间相关性，速效钾块金系数0.5，呈中等空间相关性。有机质、碱解氮、有效磷的变程分别为2850m、3540m、3450m，控制其空间变异的影响因素作用范围较小，速效钾的变程171810m，控制其空间变异的影响因素范围较大。

有机质变异性主要体现在南北方向上，呈南高北低的分布格局；碱解氮变异性主要体现在北东—南西方向上，呈现由南西向北东逐渐递减的趋势；有效磷变异性主要体现在东西方向上，呈西高东低的分布格局；速效钾呈中部低、东部高、西部稍高的分布格局。

板页岩风化物有机质、碱解氮、有效磷含量均高于其他成土母质类型；河流冲积物有机质、碱解氮含量均低于其他成土母质类型，有效磷、速效钾含量也相对较低。黄壤的有机质、有效磷、速效钾含量均高于其他土壤类型；黑色石灰土有机质、碱解氮、速效钾含量均低于其他土壤类型，有效磷含量也很低。有机质、碱解氮与海拔高度、坡度呈负相关，有效磷、速效钾与海拔高度、坡度呈正相关。有机质、碱解氮、速效钾与pH值呈正相关，有效磷与pH值呈明显负相关性。