新疆沙湾县农田土壤养分空间变异性研究

时利尚 ，吕新 ，王海江 ，罗志明 ，张泽 ，苏倩 ，朱齐超

（1石河子大学农学院资源与环境科学系，石河子 832003；2新疆沙湾县农业局，沙湾县 82000）

土壤作为地表植物生长的基质，有着极其重要的地理意义，其是植被生长中水、热、气、肥供给的重要媒介，是自然状态下植物生长和发育的重要保障[1]。但是由于受到自然因素（包括气候、生物、地理、土壤类型等）和人为因素（包括耕作、施肥、灌溉等管理因素）的影响，土壤特性具有明显的时空变异特点[2]。科学的土壤资源利用和管理是建立在对区域土壤属性空间变异性正确理解的基础上的[3]，土壤养分空间变异及准确预测有助于提高施肥的精度，从而调整田间不同施肥量，达到减少浪费、增加收入和保护农业资源和环境质量的效果，促进农业的可持续发展[4]。

近年来，利用地统计学和 GIS技术相结合的方法对土壤性质的空间变异性研究已成为土壤科学的研究热点之一[5-6]。对于土壤特性空间变异特征及变异规律的分析，地统计学被证明是最为有效的方法之一[7]。刘国顺等综合运用地统计学和 GIS相结合的方法，分析了缓坡地形下土壤养分的空间变异规律，并绘制养分空间分布图[8]；文波龙等[9]对滇池湖滨区土壤磷累积、空间变异特征及对地表径流水环境的影响进行了研究，表明农田排水的磷素污染负荷受农田土壤有效磷含量的影响较大。Tabor等[10]研究了土壤有效磷及硝酸盐的空间变异性，为农田合理施用氮磷肥提供了重要的依据。胡克林等[11]研究了农田土壤养分空间变异，指出底层土壤碱解氮和表层有机质变异服从正态分布，表层碱解氮、有效磷基本服从对数正态分布，碱解氮、有机质和有效磷之间存在相关性。

新疆属于典型的干旱区，绿洲区域农田土壤养分的空间变异性和分布特征，受自然成土母质和长期人为耕作的共同作用，有其特殊性。本研究以新疆沙湾县农田为研究区域，应用地理信息系统和地统计学分析相结合，研究干旱区农田土壤养分的空间变异性和分布特征，以期为保养耕地、平衡施肥、区域农业生产提供科学依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

沙湾县位于新疆维吾尔自治区西北部，准噶尔盆地南缘，天山北麓，地处 E 84°56'-86°08'、N 43°19'-45°55'，是塔城地区乃至北疆片区棉花、粮油、蔬菜、林果等生产供应基地。全县气候干燥，既有中温带大陆性干旱气候特征，又有垂直气候特点，昼夜温差大，夏季酷热，冬季严寒，四季冬夏长春秋短，气象要素随高度变化明显。年平均气温6.3-6.9℃，降水量140-250 mm，年蒸发量1500-2000 mm，年日照时数2800-2870 h，≥10℃的积温3400-3600℃，无霜期170-190 d。全县现有耕地面积78060 hm2，耕地土壤类型主要有潮土、灰漠土、棕钙土、草甸土、灌耕土、栗钙土和沼泽土7个土类，其中潮土面积最大，占全县总耕地的47.62%。

1.2 方法

1.2.1 土壤样品的采集

以1982年全国第二次土壤普查数据为基础[12]，选择沙湾县农田为土壤样品采集区，在2012-2013年10-11月进行土壤采样。由于研究区域面积较大，土壤采样采取随机采样，共采集土样1076个，采样范围和采样点见图1。土壤样品采集使用土钻法取农田0-30 cm耕层，分别在每块条田的中心和四周各采集1个初始土壤样品，然后将采集的5个初始土壤样品混合均匀得到1个混合样品，野外采样的同时，利用GPS对每个样点进行野外定位，记录其海拔高度、周围的环境特征，观察其土地利用类型特征及土壤理化一般特性，并且进行农田施肥、灌溉方式、灌溉制度、平均单产等数据资料的收集和调查。

图1 研究区土壤样品采集分布Fig.1 Distribution of soil samples in study area

1.2.2 土壤样品测试与处理

土壤样品首先在实验室经过 15 d的自然风干，通过研磨，辗碎，过筛（孔径为1.00和0.25 mm的土筛），制备成符合要求的实验样品。养分测试方法：有机质采用重铬酸钾容量法，碱解氮为碱解扩散法、有效磷为NaHCO3提取-钼锑抗比色法，速效钾为NH4OAc提取-火焰光度法[13]。在土壤离群样点确定方法上，本研究采用四分位数方法设定离群样点阈值，离群样点低值阈Olow和高值阈值Ohigh分别如下：

上式中，Q1表示第一四分位数所对应的实际观测值，Q3表示第三四分位数所对应的实际观测值[14]。

1.2.3 数据处理方法

常规数据统计分析采用SPSS软件完成，地统计分析采用GS+软件拟合半变异函数建立拟合模型及其参数。在ArcGIS中应用Geostatistical Analyst模

图2 土壤养分的空间分布Fig.2 The spatial features of soil nutrients in study area

3 讨论

本研究采用地统计学半方差函数和克里格插值方法，分析了新疆干旱区沙湾县土壤碱解氮、速效磷、速效钾和有机质的空间变异特性。

（1）通过经典统计学分析，其土壤碱解氮、速效磷、速效钾和有机质的平均值分别为86.7 mg/kg、16.2 mg/kg、195.3 mg/kg和12.4 g/kg，与全国第二次土壤普查数据相比有机质、速效钾含量呈降低趋势，这主要是由于人类在长期耕作和种植结构调整过程中对有机肥、钾肥的投入较少，重视程度不够，多年的种植导致土壤中有机质和钾的含量降低[17]；碱解氮、速效磷含量较1985年有所增加，这同近20年沙湾县对农田（尤其是棉花）氮、磷肥的大量投入有直接的关系。

（2）土壤养分分布是由结构性因素和随机性因素共同作用的结果，结构性因素，如气候、母质、地形、土壤类型等可以导致养分强的空间相关性，而随机性因素，如施肥、耕作措施、种植制度等各种人为活动使土壤养分的空间相关性减弱，朝均一化方向发展[18-20]。本研究区土壤各养分的变异系数均表现为中等强度的变异，速效磷的CV值最大为83.33%，这主要与P在土壤中的移动性相对较小、当季作物对P的吸收少和土壤磷的收支平衡一般为盈余，使磷肥在土壤中残留较多，导致土壤中P分布不均，同时与耕作制度以及施肥方式也有一定的关系[21]。土壤养分数据均符合对数正态分布，块金值和基台值之比为0.25-0.75，属于中等空间自相关，一些随机因素如长期施肥、灌溉、耕作措施、种植制度等人为活动对其分布影响较大。

（3）从研究区养分的空间分布来看，碱解氮含量在60-90 mg/kg的占了研究区的67.93%，速效磷含量10-20 mg/kg的占了研究区的74.98%，速效钾的含量大于150 mg/kg的占了研究区的94.85%，有机质含量在10-20 g/kg的占了区域面积的71.21%，东部地区养分含量要高于西部地区，北部地区要优于南部。这说明土壤养分的空间分布有着明显的地形影响特征，海拔较高、坡度较大的区域土壤养分含量往往低于地势平缓、海拔较低的地区[22]。这也意味着在该区域的施肥管理中，应根据目标产量施肥量结合土壤养分特性的变异予以调整，合理施肥。

（4）与全国第二次土壤普查数据相比，沙湾县土壤有机质、速效钾含量呈消耗趋势，而碱解氮和速效磷呈累计趋势。土壤各养分的变异系数均表现为中等强度的变异，东北地区养分含量高于西南地区。研究区可根据本研究成果合理优化施肥方案，结合区域种植结构、养分特征和地形地貌条件构建土壤养分的分区管理，为该地区进一步提高土壤养分的利用效率，减少过量施肥带来的负面效应，为实现该地区农业的可持续发展提供科学依据。

[1] 张凯，冯起，吕永清，等.石羊河下游民勤湖区土壤特性的空间分异研究[J].土壤，2012，44(5):838-845.ZHANG Kai，FENG Qi，LV Yong-qing，et al.Study on spatial variations of soil properties in Minqin Lake Area of Shiyang River Lower Reaches[J].Soil，2012，44(5):838-845.

[2] 金继运，白由路.精准农业与土壤养分管理[M].北京:中国大地出版社，2001.

[3] 刘付程，史学正，于东升，等.基于地统计学和GIS的太湖典型地区土壤属性制图研究—以土壤全氮制图为例[J].土壤学报，2004，41(1):20-27.LIU Fucheng，SHI Xue-zheng，YU Dong-sheng，et al.Mapping soil properties of the typical area of taihu lake watershed by geostatistics and geographic information systems-A case study of total nitrogen in topsoil[J].Acta pedologica Sinica.2004，41(1):20-27.

[4] 张国平，郭澎涛，王正银，等.紫色土丘陵地区农田土壤养分空间分布预测[J].农业工程学报，2013，29(6):113-120.ZHANG Guo-ping，GUO Peng-tao，WANG Zheng-yin，et al.Prediction of spatial distribution of hilly farmland with purple soil nutrient[J].Transactions of Chinese Society of Agricultural Engineering，2013，29(6):113-120.

[5] 张贝尔，黄标，张晓光，等.近30年华北平原粮食主产区土壤肥力质量时空演变分析——以山东禹城市为例[J].土壤，2012，44(3):381-388.ZHANG Bei-er，HUANG Biao，ZHANG Xiao-guang，et al.Evaluation of soil fertility quality variation during past 30 years in a major grain-producing region of the North China Plain——a case study of Yucheng County[J].Soil，2012，44(3):381-388.

[6] 赵业婷，常庆瑞，李志鹏，等.1983-2009年西安市郊区耕地土壤有机质空间特征与变化[J].农业工程学报，2013，29(2):132-140，296.ZHAO Ye-ting，CHANG Qing-rui，LI Zhi-peng，et al.Spatial characteristics and changes of soil organic matter for cultiavted land in subrban area of Xi’an from 1983 to 2009[J].Transactions of Chinese Society of Agricultural Engineering，2013，29(2):132-140，296.

[7] 宋莎，李廷轩，王永东，等.县域农田土壤有机质空间变异及其影响因素分析[J].土壤，2011，43(1):44-49 SONG Sha，LI Ting-xuan，WANG Yong-dong.et al.Spatial variability of soil organic matter and its influencing factors at county scales[J].Soil，2011，43(1):44-49.

[8] 刘国顺，常栋，叶协锋，等.基于GIS的缓坡烟田土壤养分空间变异研究[J].生态学报，2013，33(8):2586-2595.LIU Guo-shun，CHANG Dong，YE Xie-feng，et al.Spatial variability characteristics of soil nutrients in tobacco fields of gentle slope based on GIS[J].Acta Ecologica Sinica，2013，33(8):2586-2595.

[9] 文波龙，刘兴土，张乃明.滇池大清河流域农田土壤磷素空间变异特征及对地表径流的影响[J].土壤学报，2012，49(1):173-178.WEN Bo-long，LIU Xing-tu，ZHANG Nai-ming.Spatial variation of soil phosphorus in farm land and its effect on surface runoff pollution Load in the DAQINGHE Watershed of DIANCHI LAKE[J].Acta Pedologica Sinica，2012，49(1):173-178.

[10]Tabor J A，Warrick A W，Mayers D E，et a1.Spatial variability of nitrate in irrigated cotton:Soil nitrate and correlated variables[J].Soil Sic.Soc.Ami，1985，49(2):390-394.

[11]胡克林，李保国，林启美，等.农田土壤养分的空间变异性特征[J].农业工程学报，1999，15(3):33-38.HU Ke-lin，LI Bao-guo，LIN Qi-mei，et al.Spatial variability of soil nutrient in wheat field[J].Transactions of Chinese Society of Agricultural Engineering，1999，15(3):33-38.

[12]全国土壤普查办公室.中国土壤[M].北京:中国农业出版社，1998:901-918

[13]鲍士旦.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社，2000.

[14]潘瑜春，刘巧芹，阎波杰，等.采样尺度对土壤养分空间变异分析的影响[J].土壤通报，2010，41(2):257-262.PAN Yu-chun，LIU Qiao-qin，YAN Bo-jie，et al.Effect of sampling scale on soil nutrition spatial variability analysis[J].Chinese Journal of Soil Science，2010，41(2):257-262.

[15]新疆生产建设兵团土壤普查办公室.新疆生产建设兵团垦区土壤[M].乌鲁木齐:新疆科技卫生出版社，1993.

[16]王绍强，朱松丽，周成虎.中国土壤土层厚度的空间变异特征[J].地理研究，2001，20(2):161-169.WANG Shao-qiang，ZHU Song-li，ZHOU Cheng-hu.Characteristics of spatial variability of soil thickness in China[J].Geographical Research，2001，20(2):161-169.

[17]Sauer T J，Meek D W.Spatial variation of plant-available phosphorus in pastures with contrasting management[J].Soil Science Society of America Journal，2005，67:826-836

[18]甄兰，崔振岭，陈新平，等.25年来种植业结构调整驱动的县域养分平衡状况的变化-以山东惠民县为例[J].植物营养与肥料学报，2007，13(2):213-222.ZHEN Lan，CUI Zhen-ling，CHEN Xin-ping，et al.The change of nutrient balances driven by adjusting crop structure at country level during 25 years[J].Plant Nutrition and Fertilizer Science，2007，13(2):213-222.

[19]Cambardella C A，Moorman T B，Novak J M，et al.Field scale variability of soil properties in central Iowa soils[J].Soil Science Society of America Journal，1994，58(5):1501-1511．

[20]李建辉，李晓秀，张汪寿，等.基于地统计学的北运河下游土壤养分空间分布[J].地理科学，2011，31(8):1001-1006.LI Jian-hui，LI xiao-xiu，ZHANG Wang-shou，et al，Spatial variation of soil nutrients in downstream districts of beiyunhe River using geostatistical methods[J].Scientia Geographica Sinica.2011，31(8):1001-1006.

[21]郭旭东，傅伯杰，马克明，等.基于GIS和地统计学的土壤养分空间变异特征研究[J].应用生态学报，2000，11(4):557-563.GUO Xu-dong，FU Bo-jie，MA ke-ming，et al.Spatial variability of soil nutrients based on geostatistics combined with GISA case study in Zunghua City of Hebei Province[J].Chinese Journal of Applied Ecology，2000，11(4):557-563.

[22]吕贻忠，李保国，胡克林等.鄂尔多斯不同地形下土壤养分的空间变异[J].土壤与环境，2002，11(1):32-37.LV Yi-zhong，LI Bao-guo，HU Ke-lin，et al.Spatial variability of soil nutrients with different landforms on Erdos Plateau[J].Soil and Environmental Sciences，2002，11(1):32-37.