环洞庭湖区稻田土壤中硅分布特征及其影响因素

卢召艳, 魏 晓, 李 红, 龚长安

(湖南省经济地理研究所, 湖南 长沙 410004)

环洞庭湖区稻田土壤中硅分布特征及其影响因素

卢召艳, 魏 晓, 李 红, 龚长安

(湖南省经济地理研究所,湖南长沙410004)

[目的] 研究环洞庭湖区稻田土壤中有效硅的空间分布特征及其变化规律，以期为环洞庭湖区精准农业的发展、农田的保养提供科学依据和实践指导。 [方法] 运用地统计学与GIS技术相结合的方法开展研究。 [结果] 环洞庭湖区土壤中有效硅的含量与水稻产量呈显著的正相关，硅是水稻生长所需的重要营养元素。环洞庭稻田土壤有效硅平均含量为155.1 mg/kg，多集中于100～200 mg/kg。有效硅含量变幅大，最低与最高含量相差27倍，在研究区域空间上呈中间高四周低，西北最低的分布格局。土壤有效硅具有较强的空间相关性，其空间变异主要受土壤类型、土壤酸碱度、成土母质等因素影响。 [结论] 硅在水稻生长发育中起着重要的作用。不同的土壤类型所处的自然地理环境不一样，土壤有效硅含量各异，土壤有效硅的丰缺程度受土壤成土母质的影响并与土壤pH值成显著的正相关。

稻田; 土壤有效硅; GIS; 环洞庭湖区; 地统计学方法

文献参数： 卢召艳, 魏晓, 李红, 等.环洞庭湖区稻田土壤中硅分布特征及其影响因素[J].水土保持通报，2017,37(4)：27-32.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.005； Lu Zhaoyan, Wei Xiao, Li Hong, et al. Distribution characteristics and influencing factors of silicon in paddy soil around Dongting Lake region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：27-32.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.005

硅是水稻和其他农作物生长所需要的重要营养元素[1]。硅肥已被列为氮、磷、钾后的第4大肥料品种。在土壤溶液中，硅主要以单硅酸即Si(OH)4的形态存在[2]。土壤的有效硅的含量通常被用来作为衡量硅容量的一种方法[3]。据臧惠林等研究，当有效硅低于95 mg/kg时，属于缺硅的土壤，施用硅肥可获得5%以上的增产效果[4]。之前有许多学者对土壤中有效硅进行过研究[5-9]，明确了我国土壤施用硅肥的前景，环洞庭湖区作为全国特大型商品粮基地，准确有效的土壤中硅含量的空间分布及丰缺状况评价，不但能使作物充分利用现有的资源，而且还能指导农户合理施肥，减少因土壤化肥使用过量而导致的环境问题。GIS是一种特定的地理空间信息系统，地统计学结合GIS技术已经成为目前分析土壤空间分布特征及变异规律最为有效的方式之一[10]。综合已有研究[11-16]，通过GIS技术对环洞庭湖区稻田土壤中硅的含量水平进行全面调查，既能更科学地指导施肥，又可以监测单硅酸浓度情况，控制重金属污染，为相关部门合理调整农业生产布局、产业结构和治理稻田土壤污染提供数据支持和理论依据。

1 材料与方法

1.1 土壤样品的采集与制备

按照中国地质调查局《多目标区域地球化学调查规范(DD2005-01)》的要求，设计环洞庭湖区稻田土壤试验方案，2014年晚稻收获后，选取环洞庭湖片区具有代表性的双季稻田田块挖掘土壤剖面，在每一耕地采样单元的0—20 cm 土层中，长方形地块采用“S”法，近似正方形地块采用X形法布点。用差分GPS确定样点空间地理位置及海拔高度，同时记录周围的景观信息、耕作制度和生产能力等情况。共采集146个有效土壤样品，包含环洞庭湖片区岳阳市、益阳市、常德市3个地级市及长沙市望城区，共26个区县，总面积约4.10×104km2，约占湖南省国土总面积的19.2%。

1.2 土壤样品的分析

土壤有效硅采用柠檬酸提取—硅钼蓝比色法(分光光度法)测定；土壤类型参照环洞庭湖片区1∶250万土壤类型图；土壤pH值采用土液比1∶2.5(电位法)测定；土壤成土母质参照环洞庭湖片区1∶250万土壤成土母质图。

1.3 数理统计分析方法

(1) 采用经典统计学参数如最小值、最大值、平均值、标准差和变异系数等描述环洞庭湖稻田土壤中有效硅的分布特征，其中变异系数采用Nielsen(1985)划分标准；采用偏度、峰度和柯尔莫诺夫—斯米尔诺夫(Kolmogorov-Smirnov， K-S)检验法检验原始数据的正态分布性，对于不符合正态分布的数据，采用Box-Cox数据变换使其符合或近似符合正态分布[10]。

Y(s)=〔Z(s)λ〕/λ(λ≠0)

(1)

式中：Y(s)——与正态分布一致的或符合正态分布的数据集的变换；Z(s)——有效样点数据集；λ——拟合参数。

(2) 半方差函数也称为半变异函数，是克里格插值的基础。半方差函数中有3个重要参数，即块金值(C0)、基台值(C0+C)和变程(Range)。根据块金系数即块基比〔C0/(C0+C)〕来衡量区域化变量的空间结构性。

应用目前发展较为成熟的球状、指数和高斯3种模型，通过预测精度评价，获取最优的半方差函数理论模型及其参数[17]。半方差函数计算公式为:

(2)

式中：r(h)——半方差函数；h——样本间距；N(h)——间距为h的区域化变量；Z(xi)，Z(xi+h)——随机变量在空间位置xi和xi+h上的取值，可以假设空间变异函数为区域变化量且满足平稳条件和本征假设的基本前提。因此，随着变异函数值的增加，其空间相关性则不断减弱。

(3) 预测精度评价选用绝对评价指标即平均预测偏差(ME) 反映预测值与平均值的偏差(公式3)；标准均方根预测误差(RMSE)(公式4)反映样点数据的估值和极值效应[15]。

(3)

(4)

2 结果与分析

2.1 土壤有效硅的描述性统计分析

有效硅是硅酸盐矿物在风化成土作用下所产生的，能溶于水并为植物吸收利用的单硅酸及其盐类。有效硅的含量决定土壤中硅的有效性，根据环洞庭湖片区146个土样分析结果，土壤中有效硅(SiO2)平均含量为155.1 mg/kg，最低只有21.2 mg/kg，最高有573.6 mg/kg。就变异系数来看，属中等变异强度。检验数据的正态分布是使用空间统计学Kriging方法进行土壤特性空间分析的前提。单一样本K-S检验发现，环洞庭湖稻田土壤有效硅数据存在正偏态效应，当数据进行箱式定向转换Box-Cox(p=0.35)变换后，符合正态分布，即PK-S=0.210，大于0.05，基本统计学特征详见表1。

表1 环洞庭湖区土壤有效硅含量数据基本统计学特征

2.2 土壤有效硅的空间变异特征

在ArcGIS 10.2地统计分析模块中，分析确定研究区土壤有效硅的最优半方差理论模型。模型选择的标准:平均预测偏差(ME)最接近0，标准均方根预测误差(RMSE)最接近于1[10]。通过多次参数设置比较，最终确定的半方差函数如表2所示。土壤有效硅的最优半方差模型为指数模型，块金系数为0.514 7。

表2 环洞庭湖稻田土壤有效硅半方差模型及其参数

注：ME是平均预测偏差； RMSE是标准均方根预测误差。

2.3 土壤有效硅的克里格空间插值

本文基于符合正态分布的有效硅含量数据，选用其最优半方差函数理论模型及参数，结合普通Kriging插值方法，生成20 m×20 m的县域土壤有效硅含量空间分布图(图1)。

图1 环洞庭湖区土壤有效硅空间分布

由图1可直观看出，在约400 m的采样尺度下，以10 mg/kg为间距划分等级，环洞庭湖片区土壤有效硅含量分数处于较丰富水平，变异系数为66.2%，但有效硅在整个洞庭湖区的空间分布不均衡，总体上呈湖区中间高、四周低、由中间向四周递减的分布格局。有效硅含量低于95 mg/kg占31.5%，主要分布在临湘市的中部、汨罗市的西北、平江县的北部及西部、安化县的北部及东部、石门县的西北部、津市市的中部等；68.5%的稻田土壤有效硅处于中等水平，主要分布在岳阳市西北部、益阳市北部、常德市西南部等洞庭湖周边市镇。越靠近中心市区，有效硅含量相对越高，分析认为城区农户注重肥料施用和田间耕作管理，对农田在技术和资金上投入相对较多，反映出人为活动对研究区有效硅含量变化的重要影响。

3 影响土壤有效硅含量的因素

3.1 土壤类型

由于不同的土壤类型所处的自然地理环境、气候特点、成土条件及农业利用方式不同，土壤有效硅含量也有差异详见表3。从环洞庭湖片区土壤有效硅的统计结果看，该区石灰土、潮土的土壤有效硅平均含量最高，分别为315.5和256.5 mg/kg，主要分布于内环的滨湖平原；黄棕壤、紫色土、水稻土等土壤有效硅含量次之，分别为165.1，148.8和170.8 mg/kg，主要分布于环洞庭湖区外环丘岗地区；红壤、黄壤有效硅含量平均值均低于缺硅临界值，分别为90.4和43.3 mg/kg，主要分布于环洞庭湖区外围东西两侧的边缘山地。有效硅高低的重要原因是土壤全硅量的多寡和成土过程中淋溶淀积作用的影响。另外，山地草甸土有效硅含量也较高，如采自平江幕阜山花岗岩风化物发育的山地草甸土样本有机质含量达11.37%，有效硅高达215 mg/kg。这是由于山地草甸土有机质较多，有机质本身含有一定量的硅可以溶解，同时有机质分解时造成的还原条件和有机酸的络合作用，破坏铁—硅复合体，有助于硅的释放。

表3 环洞庭湖区不同土壤类型有效硅含量

3.2 土壤酸碱度

相关研究[4]表明，土壤有效硅含量与土壤pH值呈极显著正相关(y(有效硅含量)=71.63×(pH值)-286.54，γ=0.609 5**，n=297)。土壤中有效硅含量随pH值升高而增加。从表4中可看出，土壤有效硅含量的高低与其pH值关系密切，146个样本的统计发现pH值在4.3～8.0范围内，随pH值的升高，有效硅的含量也随之增加。pH值小于5.5的48个土样中，其有效硅为21～177 mg/kg，平均为73.4 mg/kg，低于缺硅临界值(95 mg/kg)的样点占总样点的71.2%，说明此土壤大部分缺硅；pH值为5.5～6.5的41个土样中有效硅为43～478 mg/kg，平均为137.2 mg/kg，低于缺硅临界值的样点占总样点的15.8%，只有少数样点缺硅；pH值为6.5～7.5的41个土样中有效硅为80～464 mg/kg，平均为203.1 mg/kg，低于缺硅临界值的样点占总样点的7.9%，只有少数样点缺硅；pH值大于7.5的16个土样中有效硅为150～573 mg/kg，平均为324.5 mg/kg，调查样点全部高于缺硅临界值，土壤有效硅含量较丰富。综上所述，土壤有效硅含量与pH值呈正相关，因此,酸性土壤有效硅低，偏碱性的土壤有效硅高。酸性土壤连续施用石灰，pH值提高，土壤硅的有效度也增加。

表4 环洞庭湖区不同土壤酸碱度有效硅含量

3.3 成土母质

环洞庭湖区成土母质母岩类型复杂，湖区主要为河湖沉积物，山丘区有砂岩、板页岩、石灰岩、花岗岩、紫色砂岩、第四纪红土等。环洞庭湖区各主要成土母质发育的稻田土壤有效硅含量详见表5，从各类土壤有效硅的平均含量来看，以湖积物、石灰岩、紫色砂页岩发育的3种土壤有效硅含量最为丰富，有效硅大于150 mg/kg，其平均含量均高于缺硅临界值；第四纪红土发育的水稻土有效硅的平均含量接近此临界值，而红砂岩、板页岩、花岗岩发育的土壤有效硅较低，其平均值均低于临界值。7种成土母质发育的水稻土其有效硅的平均含量顺序为:石灰岩风化物>河湖沉积物>紫色砂页岩风化物>第四纪红色黏土>砂、砾岩风化物>板页岩风化物>花岗岩风化物。研究结果还表明，土壤有效硅的含量极明显地受到风化成土过程的影响。发育在风化淋溶程度较弱的石灰岩、石灰性紫色砂页岩及河湖沉积物上的土壤，pH值呈碱性，脱硅作用较弱，土壤有效硅含量均较高。而风化淋溶程度较强的土壤则有效硅相对较低，例如同为石灰岩母质发育的水稻土，某些淋溶程度相对较强、呈微酸性的土壤，其有效硅可低至45～75 mg/kg。花岗岩风化物、第四纪红色黏土、砂页岩风化物发育的土壤，脱硅富铝化作用强烈，土壤呈强酸性，有效硅含量均较低。对于发育在紫色砂页岩的水稻土，则因母岩的酸碱性而异。发育在酸性紫色砂页岩上的水稻土，其有效硅变化在45～85 mg/kg，而发育在碱性紫色砂页岩的水稻土有效硅则高达170～301 mg/kg。

表5 环洞庭湖区不同成土母质土壤有效硅含量

4 环洞庭湖区土壤有效硅与水稻产量的关系

环洞庭湖区作为湖南省特大型商品粮基地。运用GIS技术，得出准确有效的土壤中硅含量的空间分布特征及丰缺状况，揭示土壤有效硅与水稻产量的关系，不但能使作物充分利用现有的资源，而且还能指导农户合理施肥，减少因土壤化肥使用过量而导致的环境问题。

表6 环洞庭湖区水稻产量与有效硅的关系

由环洞庭湖区稻谷产量分布图(图2)可以看出，稻谷产量最多的地区是益阳市赫山区、资阳区；常德市汉寿县、安乡县；岳阳市湘阴县；长沙市望城区，这些区域土壤有效硅含量丰富。而常德市石门县、津市市以及益阳的安化县，岳阳的临湘市等有效硅含量低的地区稻谷产量也低。环洞庭湖稻田土壤有效硅与水稻产量存在极显著的正相关性，显著性检验p=0.037(p<0.05)(表7)。揭示环洞庭湖稻田土壤的有效硅水平、分布特征及影响稻田土壤硅的有效性发挥的关键因素对硅肥科学施用，提高农作物产量具有重大意义。

图2 环洞庭湖区稻谷产量分布

指标水稻产量有效硅Pearson相关性10.419显著性(双尾)—0.037样本数N2525

注：*表示在置信度(双测)为0.05时，相关性显著。

5 结 论

(1) 由于不同土壤类型所处的自然地理环境不一样，土壤有效硅含量各异。石灰土、灰潮土有效硅平均含量最高，紫色土、水稻土、潮土、黄棕壤等土壤有效硅平均含量次之，红壤、黄壤有效硅平均含量低于缺硅临界值95 mg/kg。

(2) 土壤有效硅的丰缺程度受土壤成土母质影响，从各类土壤有效硅的平均含量来看，以河湖沉积物、石灰岩、紫色砂页岩发育的3种土壤有效硅含量最为丰富，有效硅大于150 mg/kg，其平均含量均高于缺硅临界值95 mg/kg；第四纪红色黏土发育的水稻土有效硅的平均含量接近此临界值，而砂、砾岩风化物、板页岩风化物、花岗岩风化物发育的土壤有效硅较低，其平均值均低于临界值。

(3) 土壤有效硅含量与土壤pH值成极显著正相关(r=0.609 5**)，当土壤pH值<5.5,5.5～6.5,6.5～7.5,>7.5时，土壤有效硅平均含量分别为73.4，137.2，203.1，324.5 mg/kg。

(4) 土壤中有效硅的含量与水稻产量具有显著的正相关，硅是水稻生长所需的重要营养元素。

(5) 近年来，环洞庭湖片区普遍存在农户硅肥表施、施肥盲目等问题。环洞庭湖区应根据有效硅的丰缺程度，积极制定作物补硅措施，引导农户树立科学的施肥观念。防止土壤有效硅的进一步流失，提升环洞庭湖区经济效益和生态效益。本研究尚未提出影响硅素含量下降的具体障碍因素及应对策略，是下一步亟需实地考察、补充和探讨的方向。

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Distribution Characteristics and Influencing Factors of Silicon in Paddy Soil Around Dongting Lake Region

LU Zhaoyan, WEI Xiao, LI Hong, GONG Chang’an

(Hu’nan Institute of Economic Geography, Changsha, Hu’nan 410004, China)

[Objective] The aim of this study was to explore the spatial distribution characteristics and the regularity of available silicon in the soil of Dongting Lake, and to provide scientific basis and practical guidance for the development of precision agriculture in the Dongting Lake area and the maintenance of farmland. [Methods] The geo-statistics and GIS technology were both used. [Results] There was a significantly positive correlation between the content of available silicon in the Dongting Lake area and the yield of rice. Silicon is an important nutrient element for rice growth. The average available silicon content in the paddy field around Dongting Lake was 155.1 mg/kg. Though in most cases, it varied from 100 to 200 mg/kg, the margin difference was so great as to the highest content was 27 times of the lowest. Spatially, the content of the part was found higher than the values of periphery, and in the northwest part it had the lowest silicon. Soil available silicon has a strong spatial correlation, and its spatial variation is mainly affected by soil type, soil pH value, soil parent material and other factors. [Conclusion] Silicon plays an important role in rice growth and development. Because soil types in natural geographical environment is not the same, so soil available silicon content normally varies. The abundance of soil available silicon is affected mainly by soil parent material and has significant positive correlation with soil pH value.

paddysoil;soilavailableSi;GIS;aroundDongtingLake;geostatisticalmethods

A

： 1000-288X(2017)04-0027-06

： S151.9

2016-11-21

：2016-12-21

湖南省科技重点项目“基于GIS环洞庭湖区稻田土壤中硅的动态变化及分布特征研究”(2014WK2031)

卢召艳(1988—),女(汉族),山东省临沂市人,硕士研究生,研究方向为土地资源与空间信息技术。E-mail:553078611@qq.com。

魏晓(1961—),女(汉族),湖南省长沙市人,研究员,硕士生导师，主要研究方向为经济地理和产业经济方面的研究。E-mail:xwei_193@163.com。