海南省乐东县橡胶园土壤养分的空间变异特征研究

2014-04-29高乐等

热带作物学报 2014年11期

高乐等

摘要通过GIS和地统计学相结合的方法研究海南省乐东县橡胶园土壤速效氮、磷和钾含量的空间变异特征。结果表明：（1）土壤速效氮、磷、钾具有强烈或中等程度的空间自相关性，相关距离变化范围为1 623～61 100 m，块金值/基台值变化范围为4.7%～49.97%；（2）0～20 cm和20～40 cm土层，速效氮、钾养分第四、第五等级分布面积较广，0～20 cm土层速效磷含量第四等级、20～40 cm土层速效磷含量第五等级分布较广；（3）不同土壤类型上，速效氮、磷和钾含量差异不显著，地形地貌和成土母质主要影响速效氮和速效钾含量，而速效磷含量主要受人为管理措施的影响；（4）乐东县胶园土壤速效氮、磷、钾养分含量缺乏，空间结构特征明显，在县级尺度进行养分的宏观分区管理切实可行。

关键词地统计学；GIS；速效氮；速效磷；速效钾；空间变异

中图分类号 S151.9 文献标识码 A

Abstract By the combinative method of GIS and geostatistics， the spatial variability characteristic and influencing factors of soil available nitrogen（AN）， available phosphorus（AP）and available potassium（AK）were studied in Ledong， Hainan. The result showed that：（1）AN， AP and AK contents had strong or moderate spatial dependence， the range of spatial dependence was between 1 623 m and 61 100 m， and the proportional range of C0/C0+C was between 4.7% and 49.97%；（2）The distribution area of AN and AK was wide in the 4th in and 5th grades， the 4th grade of AP in soil layer of 0-20 cm and the 5th grade in 20-40 cm soil layer were widely distributed；（3）The content of AN， AP and AK was not significantly different among different soil types； Landform and soil parent mainly influenced the content of AN and AK， but AP mainly being influenced by management measures；（4）The content of AN， AP and AK which had obvious spatial structure characteristics in rubber plantation in Ledong was lacking， so macro partition management of nutrient in county scale was practicable.

Key words Geostatistics； GIS； Soil available N； Soil available P； Soil available K； Spatial variability

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.11.003

了解土壤养分状况是土壤管理的基础。由于土壤是一个自然连续体，土壤属性具有空间连续性和变异性特征，随着20世纪60年代以区域化变量理论为基础的地统计分析方法和3S技术的发展，国内外众多学者应用GIS和地统计学相结合的方法对不同尺度或不同作物上土壤性质的空间差异性进行了大量研究[1-8]，但利用地统计学研究橡胶园土壤养分空间变异的报道较少，仅池富旺等[9]、王博等[10]和林清火等[11]研究了田块尺度或农场尺度土壤养分的空间变异，杨昭君等[12]研究了县域尺度的土壤钾素的空间变异状况。目前，海南省橡胶园土壤管理还是基于在20世纪90年代土壤肥力区化[13]，在大区域、大尺度上研究橡胶园土壤养分空间变异，从而进行橡胶园合理土壤管理对海南省天然橡胶生产有着重要的意义。为了解县域尺度的橡胶园土壤养分变异特征，本研究以海南省乐东县橡胶园为研究对象，在县域尺度加大采样密度，分析了海南省乐东县橡胶园土壤速效氮磷钾的空间变异特征，以期为县域尺度的胶园土壤养分管理奠定基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

乐东县地处东经108°39′～109°24′，北纬18°24′～18°58′，东西长72 km，南北宽58 km，总面积2 747 km2。其中，山地占全县面积的41%，丘陵盆地占36%，平原占23%，地势西北高和东北高。土壤成土母岩和母质有花岗岩（占59.50%）、砂页岩（占21.3%）、安山岩（占1.1%）、海相沉积物（占14.6%）和近代河流冲积物（占3.5%）。气候类型为热带季风气候，年平均温度23～25 ℃，年降水量1 400～1 800 mm。全县辖11个镇，境内有11个国有农场，其中，橡胶主要分布在抱由镇、万冲镇、大安镇、志仲镇、千家镇和九所镇等6个镇和其中的国有农场（图1）。

1.2 土壤样品采集与分析

土壤样品采集于2012年8～10月，用GPS与海南省乐东县行政矢量电子图结合指导定位，采用网格采样法进行采样，网格间距为800 m×800 m，每个网格内各采集15个点的胶园0～20 cm土层（Ⅰ）、20～40 cm土层（Ⅱ）土壤样品，各土层土壤样品充分混匀后作为1个混合样品，总共获取了2 637个网格的7 911个土壤样品，并详细记录每个网格内中心采样点的经纬度坐标。土样带回实验室后经风干、过筛后再进行分析化验。速效氮-碱解蒸馏法、速效磷-盐酸-氟化铵法、速效钾-乙酸铵提取-火焰光度计[14]。

1.3 数据处理

利用spss11.0对土壤养分指标进行常规统计，涉及地统计学的主要包括半方差函数和Kriging插值。其中，半方差函数分析采用GS+version 9，空间插值采用Arcmap 9.3的地统计学分析模块进行。

2 结果与分析

2.1 土壤速效氮、磷、钾含量的统计特征值

对乐东县胶园土壤0～20 cm土层、20～40 cm土层的土壤速效氮、磷、钾含量进行描述性统计分析，得到相应的统计特征值（表1）。从表1可见，在0～20 cm土层，土壤速效氮、磷、钾含量的分布范围分别为10.9～154.9、0.7～131.0、4.00～154.88 mg/kg，平均值分别为59.13、7.49、51.38 mg/kg；在20～40 cm土层，土壤速效氮、速效磷、速效钾含量的分布范围分别为1.5～150.5、0.1～110.3、8.00～110.84 mg/kg，平均值分别为50.78、5.31、46.67 mg/kg；速效磷含量在两土层均属强变异，变异系数分别为187%和181%，速效氮和速效钾含量在两土层均属中等程度变异，变异系数介于43%～49%；除20～40 cm土层的土壤速效氮含量分布类型为平方根正态外，其余指标均属对数正态分布。以上描述性统计指标值反映了乐东县胶园土壤速效养分含量的差异，其可能是各地区差别化施肥管理措施造成的结果，也可能是土壤养分本底值差异造成的结果，而各养分指标符合正态分布类型，则表明其可运用地统计学方法进行养分差异原因的进一步探索。

2.2 胶园土壤速效养分氮、磷、钾的空间结构分析

由图2和表2 可知，在0～20 cm土层，胶园土壤速效氮各向同性半方差函数理论模型为指数模型、速效磷和速效氮的各向同性半方差函数理论模型均为球状模型。在20～40 cm土层，速效氮的半方差函数理论模型为球状模型，而速效磷和速效钾的半方差函数理论模型为指数模型。

在0～20 cm土层，土壤速效氮、磷和钾含量的变程，也即最大相关距离分别为3 360、1 623、3 072 m；在20～40 cm土层，土壤速效氮、磷和钾含量的变程分别为61 100、57 230、2 223 m，即在两土层速效养分观测值对应的最大相关距离内，各观测值之间存在空间相关性，反之，各观测值之间相互独立。土壤养分指标半方差函数的块金值与基台值之比反映了养分指标的空间变异性程度和空间变异来源，土壤速效磷含量在0～20 cm土层、20～40 cm土层空间相关性均为中等，表明自然因素和人为因素共同影响其空间分布特征，而土壤速效氮在0～20 cm土层、土壤速效钾在两土层其块金值与基台值之比均小于25%，表明其空间相关性较强、空间分布主要受自然因素影响，受人为因素影响较小，人为因素对乐东县橡胶园速效养分空间变异的影响顺序为速效磷>速效氮>速效钾。另外，土壤速效氮、速效磷和速效钾在0～20 cm土层、20～40 cm土层的半变异函数的决定系数和残差也比较合理，说明实验模型和理论模型相关性好，可以作为空间内插值模型。

2.3 胶园土壤速效养分氮、磷、钾的空间分布特征

根据GS+version 9中各养分指标的半方差函数拟合参数，在ARCMAP 9.3的地统计学模块中进行Kriging插值、等级分类等，获得胶园速效氮、磷和钾含量在0～20 cm土层和20～40 cm土层的等级分布图（图3）。图3表明，在0～20 cm土层，乐东县胶园土壤速效氮基本上从东部向西部减小，东部主要为第四等级，而西部主要在第五等级，在南北方向，第五等级和第四等级交叉分布；在0～20 cm土层，胶园土壤速效磷基本上分布在第四等级，同时，各地区还零星分布有第五等级和第三等级；在0～20 cm土层，胶园土壤速效钾从东向西、从北向南减小，在东部、北部主要为第四等级，而西部和南部主要为第五等级。在20～40 cm土层，胶园土壤速效氮东部主要为第四等级，其余地区主要为第五等级，另外，还零星分布有第六等级；在20～40 cm土层，胶园土壤速效磷第五等级分布面积较广，另外，在东部和北部分布有第六等级，在西部分布有第四等级；在20～40 cm土层，胶园土壤速效钾从东向西、从北向南减小。通过与第二次土壤普查资料的对比，乐东县土壤速效氮、磷、钾养分含量的变化方向与区域内地形地貌和成土母质等自然因素变化方向较相似，因此，有必要深入探讨这些结构性因素对乐东县土壤速效氮、磷和钾养分含量的影响。

2.4 胶园土壤速效养分氮、磷、钾空间变异的影响因子分析

空间结构分析结果表明，0～20 cm土层土壤速效氮、钾含量和20～40 cm土层土壤速效钾含量的空间变异主要受结构性因子影响，而两土层速效磷和20～40 cm土层速效氮含量受结构性因子和随机性因子共同影响。土壤速效氮、速效磷和速效钾含量变化规律与区域内地形、成土母质等结构性因子的分布有一定联系，受人为因素影响较小，因此，本研究选择土壤类型、地形、成土母质等三因素，探讨其对土壤速效氮、磷和钾含量空间变异的影响。

2.4.1 土壤类型的影响统计分析结果表明（表3），在0～20 cm土层中，不同土壤类型之间速效氮、磷和钾含量差异不显著，而在20～40 cm土层中，不同土壤类型之间速效氮和钾含量差异显著，而速效磷含量差异不显著。土壤类型对20～40 cm土壤速效氮、磷和钾含量影响顺序为速效氮>速效钾>速效磷。

2.4.2 地形地貌的影响地形地貌通过改变水分在自然界的重新分配和分布，影响土壤速效氮、磷和钾含量。统计分析表明（表4），0～20 cm土层，土壤速效氮和速效磷含量在缓坡地、中坡度丘陵和陡坡山地中差异不显著，但速效钾含量则表现为陡坡山地显著高于缓坡地。在20～40 cm土层，陡坡山地速效氮含量极显著高于缓坡地，但中坡度丘陵速效氮含量与缓坡地、陡坡山地差异不显著；速效磷含量在缓坡地、中坡度丘陵和陡坡山地中差异不显著，但速效钾含量在缓坡地、中坡度丘陵和陡坡山地中差异极显著。以上分析表明，区域内地形地貌对胶园土壤速效氮、磷和钾含量空间变异的影响程度为速效钾>速效氮>速效磷。

2.4.3 成土母质的影响成土母质影响土壤的物质组成、风化及淋溶等，从而影响着土壤速效氮、磷和钾的积累与淋失。表5表明，乐东县胶园的两种主要成土母质花岗岩和砂页岩极显著影响0～20 cm土层和20～40 cm土层土壤速效钾含量的多少，且花岗岩发育土壤的速效钾含量极显著高于砂页岩发育土壤的速效钾含量。

另外，在20～40 cm土层，花岗岩发育土壤速效氮含量极显著高于砂页岩发育土壤速效氮含量，但各土层土壤速效磷含量在各成土母质间差异不显著。

以上分析表明，乐东县橡胶园的主要成土母质对胶园土壤速效氮、磷和钾含量空间变异的影响程度为速效钾>速效氮>速效磷。成土母质影响土壤速效氮、速效钾空间变异，尤其是影响速效钾空间变异的重要因子。

3 讨论与结论

史利江等[15]的研究结果表明，基于GIS和地统计学方法能够很好地研究和反映土壤养分的空间变异规律。本研究结果表明，土壤速效氮和钾含量中等程度变异，变异系数为43%～49%，但速效磷含量强变异，变异系数为181%～187%。3种养分要素在一定的范围内均存在空间相关性，速效磷和20～40 cm土层速效氮含量具有中等程度的空间自相关性，空间变异受结构性因素和人为因素共同影响；速效钾和0～20 cm土层速效氮含量具有强烈的空间自相关性，空间变异主要受结构性因素影响，受人为因素影响较小。3种养分的相关距离变化范围为1 623～61 100 m，块金值/基台值变化范围为4.7%～49.97%。

一般情况，土壤养分的空间变异特性主要受自然因素和人为因素驱动，其中，土壤养分含量的均衡化发展主要受人为因素影响[3]。吴敏等[16-17]的研究结果表明，不同地形和母质条件下，海南省胶园土壤速效氮、磷和钾含量有一定差异。本研究结果表明乐东县地形地貌和成土母质对胶园土壤速效氮、磷和钾含量空间变异的影响程度为速效钾>速效氮>速效磷，速效磷含量在不同土壤类型、地形地貌和成土母质上差异均不显著。速效磷、速效氮含量的空间变异是结构性因素和人为因素共同影响的结果，而速效钾含量的空间变异主要受结构性因素影响。因此，总体上看，乐东县橡胶园的人为因素对速效养分空间变异的影响顺序为速效磷>速效氮>速效钾。

根据各养分指标的半方差函数拟合参数，利用Kriging插值法进行内插，并结合养分的分级标准对内插结果进行分级，所得的空间变异图能很好地反映土壤养分的空间变异特征和丰缺状况[3]。本研究结果表明，乐东县胶园土壤速效氮、钾含量第四、第五等级分布面积较广，另外，速效氮含量第四等级多集中分布在东部地区，速效钾含量第四等级在东部、北部地区分布较广；0～20 cm土层速效磷含量第四等级、20～40 cm土层速效磷含量第五等级分布较广。何向东等[13]1991年把乐东县胶园土壤分为缺氮磷钾镁型、缺磷镁富钾型和缺磷型。而乐东县橡胶园当前土壤速效氮、速效磷和速效钾普遍缺乏，大多数地区均在第四等级和第五等级，仅极少地区速效氮含量在第三等级，速效磷含量在第四或第五等级。由此可见，经过多年植胶后，乐东县胶园土壤养分状况和20世纪90年代相比已经产生了相当的变化，多年施肥管理使乐东县胶园土壤速效磷缺乏状况仍然存在，且速效氮和速效钾缺乏状况有所加重，因此，有必要针对当前胶园土壤的养分状况制定新的施肥管理措施，从而达到培肥胶园土壤和增加天然橡胶产量的目的。

总之，乐东县胶园土壤速效氮、磷、钾养分含量缺乏，空间结构特征明显，在县级尺度进行养分的宏观分区管理切实可行。

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