湖北省主要农区耕地土壤质量研究Ⅰ.耕地土壤养分的空间变异特征

杨利，夏贤格，范先鹏，吴家琼，肖习明，陈波，丁亨虎，熊桂云

摘要：采用地统计学的方法，研究了湖北省主要农区耕地土壤养分状况以及空间变异特征。结果表明，土壤基础养分及主要微量元素指标均表现出明显的空间变异，其中pH、OM、全K变异较小，速效N、P、K及微量元素变异较大。湖北省主要农区土壤OM、全N、有效Mn和有效Cu较为丰富，但碱解N、速效P、有效Fe、有效B较为缺乏。

关键词：湖北省;农区;土壤养分;空间变异。

中图分类号：S158.3        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2014）23-5683-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.017

土壤肥力作为土壤质量状况的一个重要指征，是维持土壤生产力、保障动植物健康的重要因素。土壤肥力受母质[1，2]、地形[3]、气候等自然因素和耕种、施肥、灌溉等人类活动[4，5]的影响，一直处于动态的变化之中，了解掌握土壤肥力及其演变规律，已成为农业可持续发展的研究热点[6，7]。但在一定的区域范围内，由于气候、耕作管理等比较一致，土壤特性的空间变异将趋于缓和，由母质引起的空间变异会逐步减小[8]。

地统计学（Geostatistics）[9-11]是基于20世纪50年代矿藏勘察中使用的空间估值方法，由法国统计学家Matheron总结提出的区域化变量估算理论。20世纪80年代以来，利用地统计学方法来研究土壤特性及空间变异，已成为土壤科学研究的热点[12，13]。本研究采用地统计学方法，研究湖北省主要农区耕地土壤养分状况及空间变异特征。

1  材料与方法

1.1  调查地域的确定

湖北省的江汉平原、鄂中丘陵和鄂北地区等几个区域为湖北省粮棉油重要产区，其面积占湖北省耕地总面积的70%左右，选择上述3个区域作为全省主要农区开展调查研究，其中江汉平原以潜江市作为代表，鄂中丘陵以荆门市掇刀区和东宝区作为代表，鄂北地区以枣阳市和宜城市作为代表。

1.2  样品取样与测试

土壤样品的采集依据国家测土配方施肥项目的要求进行。样品的采集需考虑耕作特性、种植作物、轮作制度、施肥习惯、土壤类型、水分状况等因素，力求具有代表性，每样点代表面积平原为6.7～13.3 hm2，丘陵为2.0～5.3 hm2。

土壤样品采用以下方法分析：pH测定采用水土比5∶1、pH计法，有机质测定用重铬酸钾容量法，全N测定采用凯式消煮法，全P测定采用碱溶-钼锑抗比色法，全K测定采用碱溶-火焰光度计测定法，碱解N测定采用碱解扩散-半微量滴定法，速效P测定采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法，速效K测定采用乙酸铵提取-火焰光度计法，有效Fe、Mn、Cu、Zn、B测定采用DTPA混合提取剂提取-原子吸收分光光度法[14]。

1.3  数据处理

数据统计处理采用SPSS 13.0软件和Excel 2003进行处理。

2  结果与分析

2.1  土壤常规养分的空间变异

对当前湖北省主要农区土壤养分状况采用地统计学的方法进行描述性统计，统计分析结果见表1。统计中，为了解各土壤养分含量的偏移程度，引用了偏移度P的概念[15-17]，其是指中值偏斜程度，用百分数表示。即：

P=（V-M）/V×100%，式中，V为平均值，M为中值。

P值以5%为临界值，大于5%为偏斜，小于5%为不偏斜。

统计结果（表1）表明，土壤pH、OM（有机质）、全N、全P、全K和碱解N为不偏斜养分，速效P、速效K为偏斜养分。但各区域的表现并不完全一致，江汉平原的pH、全N、全P、碱解N为不偏斜养分，OM、全K、速效P、速效K为偏斜养分。鄂中丘陵pH、有机质、全N、全K、碱解N为不偏斜养分，全P、速效P、速效K为偏斜养分。鄂北地区pH、有机质、全N、全K、碱解N、速效K为不偏斜养分，而全P、速效P为偏斜养分。

当某一土壤养分含量的分布服从正态分布时，中值即等于平均值。从偏移养分的矢量及绝对值上看，绝大部分偏移的养分均为负偏斜，即平均值大于中值，平均值是中值的1.1～1.5倍，表明绝大部分养分指标偏移并不十分明显。但速效P的偏移较明显，尤其是江汉平原和鄂北地区，偏移在15%以上。

各土壤养分含量中，按变异强度划分[18]，pH、OM、全N、全P，全K、碱解N、速效P、速效K均为低或中等变异养分，其中以速效P变异最大，最大值是最小值的417倍。同时三大农区差别也各不相同，江汉平原也是除pH为变异养分外，其他如OM、全N、全P，全K、碱解N、速效P、速效K均为低或中等变异养分，其中以速效P变异最大;鄂中丘陵pH、OM、全N、全P、全K、碱解N、速效P、速效K均为低或中等变异养分，其中以全P变异最大;鄂北地区则是pH为弱变异养分，OM、全N、全P、全K、碱解N、速效P、速效K均为低或中等变异养分，其中也是速效P变异最大。

综合全省的结果来看，pH变异中等，变异最大的养分因子是速效P。说明土壤中磷肥易被土壤吸附固定，且不易淋失，具有残存效应，在不同土壤环境中表现差异很大。这与池富旺等[19]、赵莉敏等[20]的观点是一致的。

为了解湖北省主要农区土壤养分的丰缺状况，参考鲁剑巍[21]的标准，对能较好反映土壤肥力状况的OM、全N、碱解N，速效P、速效K等5项指标进行了频数统计（图1）。从频数分布图上可以看出，pH、OM、全K基本呈正态分布，全N、全P以及速效养分（碱解N、速效P、速效K）都呈非正态分布。

总体上，全省主要农区土壤常规8项养分中，pH、OM为稳定性养分因子，而由于重要的三大肥料元素氮、磷、钾的影响，土壤速效养分碱解N、速效P、速效K变异均较大，呈非正态分布，表现出明显的负偏峰分布特征。尤其是速效P、速效K，区域内养分测定值相差很大，最大值是最小值的240～4 167倍，多数样本的测定值处于平均水平以下。表明速效养分与地域特点、人为耕作活动相关，尤其是施肥习惯，但仍需进一步研究。

图1结果还表明，有89.4%点位的土壤有机质处于中等或丰富状况，97.3%的土壤全N处于中等或丰富状况，但碱解N则仅48.9%处于中等或丰富状况，缺乏的比例占51.1%;速效P有44.4%处于中等或丰富状况，缺乏的比例占55.6%;速效钾有64.4%处于中等或丰富状况，缺乏的比例占35.6%。说明湖北省主要农区土壤有机质和全氮还是较为丰富的，但超过50%的田块碱解N和速效P处于缺乏的状态，速效钾缺乏、中等和丰富的比例各约占1/3。

2.2  土壤微量元素的空间变异特征

采用地统计学的方法，对湖北省主要农区土壤中主要微量元素的含量进行描述性统计，统计分析结果见表2。

统计分析结果表明，有效Fe、Mn、Cu、Zn、B均为偏斜养分。但各区域的表现并不完全一致，江汉平原的有效Fe、Cu、Zn为不偏斜养分，有效Mn、B为偏斜养分，鄂中丘陵有效Fe、Mn、Cu、Zn、B均为偏斜养分。鄂北岗地有效Mn、B为不偏斜养分，而有效Fe、Cu、Zn为偏斜养分。

从偏移养分的矢量上看，绝大部分呈偏移的养分均为负偏斜，即平均值大于中值，江汉平原鄂北地区各养分偏移并不十分明显，但鄂中丘陵的有效Fe、Mn、Zn偏移较明显。

各土壤微量元素养分含量中，变异系数均较大，有效Fe、Mn、Cu、Zn、B均为中等变异养分，但三大农区间也有差异。江汉平原有效Fe、Mn、Cu、Zn、B为低等变异养分;鄂中丘陵和鄂北地区有效Fe、Mn、Cu、Zn、B均为低或中等变异养分。

从频率（图2）上看，有效Cu和有效硼B基本服从正态分布，偏移较小。有效Fe的含量比较集中，有63.3%的样本含量集中在20～59.9 mg/kg之间;有效Mn和有效Cu的含量基本集中在中等及以上范围;从变异情况看，有效Mn的变异很大，最大值是最小值的575倍。整体上，有效铁、有效硼较为缺乏，有效锰和有效铜较为丰富，有效锌为中等水平。

3  结论

1）当前湖北省主要农区耕地土壤养分状况，存在较大的空间变异，常规8项养分指标中，pH、有机质、全N、全P、全K、碱解N、速效P、速效K都表明出明显的空间变异性。整体上，全省土壤pH变异最小，变异最大的是速效P。

2）湖北省主要农区耕地土壤养分中，pH、有机质、全K服从正态分布，速效养分（碱解N、速效P、速效K）都呈非正态分布;土壤常规8项养分指标中，pH、有机质、全K为稳定性养分因子，而土壤速效养分碱解N、速效P、速效K均变异较大，最大值是最小值的240～4 167倍，呈非正态分布。湖北省主要农区土壤有机质和全氮较为丰富，但超过50%的农田碱解N和速效P处于缺乏的状态。

3）主要微量元素方面，有效铁、有效锰、有效铜、有效锌、有效硼均为低、中等变异养分，但各区域的变异表现并不完全一致。全省整体上，有效铁、有效硼较为缺乏，有效锰和有效铜较为丰富。

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