基于ArcGIS韶关市香芋土壤养分空间变异特征研究

2018-06-05陈晓远林昌华张宇鹏韶关学院英东农业科学与工程学院广东韶关512005

西南农业学报 2018年5期

高琳，陈晓远，林昌华，王卫，张宇鹏(韶关学院英东农业科学与工程学院，广东韶关 512005)

【研究意义】土壤肥力是影响农作物生长发育和产量最为重要的因素之一，而土壤养分的含量分布及形态特征是土壤肥力的重要标志[1]。土壤养分本身存在着复杂的空间变异特征，在同一时间不同点存在着明显的差异性，因此了解和掌握农田土壤养分的空间变异规律是提高农田土壤肥力的重要手段，也是科学施肥工作的重要依据[1]。随着地理信息系统的广泛应用和土壤科学的发展，运用地统计学对土壤养分的空间变异的影响层出不穷，而土壤理化性质的时空变异特征也成为土壤学的研究热点[2]。因此在保证稳产、高产、优质的前提下，将GIS与地统计学相结合起来研究农田土壤养分空间变异特性具有重要的意义。【前人研究进展】国内学者对作物的土壤养分的空间特征进行了诸多的研究与分析，张彬等研究得出陕西省礼泉县苹果主产区的土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的养分空间分布特征[3]，丛日环等研究了长江中游油菜种植区的土壤养分的等级水平和空间分布图[4]，王永豪等研究了川北烟区的土壤有效磷的空间变异特征及其主控因素，为烟区的平衡施肥和种植区划提供依据[2]，金明清等对四川省的植烟土壤养分指标的空间变异规律和地质影响因素进行了研究[5]。但香芋作为我国南方重要的经济作物之一，目前主要是在香芋的栽培技术、加工工艺和品种等方面进行研究，仅有杨飞等对韶关香芋产区的土壤条件进行了研究[6]，而对香芋作物产区的土壤空间变异性特征鲜有报道。韶关市位于广东省的粤北地区，而粤北地区具有优越的生态环境条件，这为韶关的农业发展提供了得天独厚的条件。近年来，韶关在稳定粮食生产的同时，大力发展特色经济作物。其中，香芋是韶关重要的经济作物之一，更成为出口创汇的支柱产业，在全国也有一定的知名度。随着近年来化肥生产和消费量持续增长，香芋的产量有所提升，但是根据田间试验的统计结果，目前化肥利用效率低，这既浪费资源，又增加生产成本，而且不可避免地导致土壤中某些区域肥料用量过高或过低，造成土壤养分供应与作物养分需求在空间上不同步，同时大部分未被利用的养分会通过渗漏和径流直接进入环境造成污染[8]。【本研究切入点】因此本文通过室外取样和室内试验，运用传统统计学SPSS软件、地统计学GS+软件的半方差函数和GIS中克里金插值的研究韶关香芋主产区土壤养分含量、空间变异特征和空间分布。【拟解决的关键问题】以期为韶关市香芋种植区划、科学施肥和产量品质的提升提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于韶关市乳源县的桂头乡、游溪镇、一六乡、乳城乡、大桥镇、大布乡，和乐昌市的乐城镇、北乡镇、长来镇、廊田镇，地处东经113°03′18″～113°04′27″ ，北纬24°56′24″～24°57′29″，面积约为 2600 km2(图1左)。研究区地势由西北向东南倾斜，西北部、西部峰峦环峙，属高山地带，溶蚀高原地貌显著，是韶关市主要石灰岩地区之一；东北部属丘陵地带，河流两岸地势平缓，海拔区间54～1833 m(图1右)。气候属中亚热带季风气候，区间气候悬殊，全年平均气温16～20 ℃。降雨量东南部及西部山区偏多，全年平均有2000 mm以上；南部和北部降雨量偏少，全年降雨量平均1400～1500 mm。研究区母质主要为含碳酸盐河流冲积物，土地利用方式以旱田和水田为主，主要是香芋-水稻-葱等轮作。

1.2 土样采集与测定

2016年5月-6月在韶关市乳源县的桂头乡、游溪镇、一六乡、乳城乡、大桥镇、大布乡，和乐昌市的乐城镇、北乡镇、长来镇、廊田镇选取具有代表性的采样点进行调查取样。结合实际情况，用GPS定位采集204份香芋土壤样品，保证每个土壤样品具体到村、组、户、地块。采样间距为1～2 km，深度为耕作(0～30 cm)，采用“S”型布点法，用四分法留取500 g左右装入贴好标签的塑料袋中用于室内指标的测定。在取样的同时采用实地测量和农户走访等多种形式，详细调查每个样点的坡度、坡向、土层厚度、土地利用方式、耕作制度、施肥等信息，填写土壤样本调查表[9]。

图1 研究区样点分布图(左)及地形图(右)Fig.1 Sample points distribution (left) and topographic map (right) of studied areas

样品在实验室自然风干后，研磨过1和0.25 mm的网筛，备用。根据《土壤农业化学分析方法》对样品进行常规测定，在测试方法上，土壤有机质采用重铬酸钾氧化-滴定法测定，土壤碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾采用乙酸铵-火焰光度计发进行测定。

1.3 数据处理

利用SPSS19.0对土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的养分含量进行经典统计学分析；地统计学分析采用GS+9.0软件对有机质、碱解氮、有效磷和速效钾进行半方差函数分析，获取其最优理论半方差模型和参数；利用ArcGIS10.2地统计学模块的正态检验、趋势分析和克里金插值绘制土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的养分空间分布图。

2 结果与分析

2.1 土壤养分含量的总体特征

从表1可以看出，韶关香芋土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量范围分别为0.89 %～6.65 %，27.79～257.25 mg/kg，5.79～108.44 mg/kg，15.03～270.18 mg/kg，变异系数为35.2 %，46 %，64.7 %，62.4 %，其中有效磷和速效钾的含量变化范围较大。有机质和碱解氮含量均值为2.98 %，109.79 mg/kg，均处于中等水平，有效磷均值为40.30 mg/kg，处于丰富水平，速效钾含量均值为81.60 mg/kg，处于缺乏水平。其中86.3 %的样点有机质处于中等以上等级，57.3 %的样点碱解氮处于中等以上，92.1 %的样点有效磷处于中等以上，但是76.7 %的样点速效钾处于中等以下。这与之前研究的乐昌张溪村土壤肥力情况相接近，张溪村土壤有机质处于中等水平，速效钾处于缺乏水平，碱解氮和有效磷处于丰富水平。

按不同乡镇区域(表2)来看，有机质含量依次乳城乡 (3.5 %)> 桂头乡(3.12 %) > 大桥镇(2.79 %) > 大布乡(2.69 %) > 一六乡(2.55 %) > 长来镇(2.15 %) >游溪镇(2.07 %) > 廊田镇(1.89 %) > 乐城镇 (1.79 %)> 北乡镇(1.59 %)，碱解氮含量依次游溪镇(134.75 mg/kg) > 一六乡 (129.2 mg/kg)> 大桥镇(121.89 mg/kg) > 长来镇(120.75 mg/kg) > 廊田镇(113.75 mg/kg) > 桂头乡(111.41 mg/kg) > 乐城镇(105 mg/kg) > 大布乡(88.97 mg/kg) > 北乡镇(85.75 mg/kg) > 乳城乡(79.19 mg/kg)，有效磷含量依次乐城镇(102 mg/kg) >北乡镇(82.3 mg/kg) > 游溪镇(81.92 mg/kg) > 大布乡(80.72 mg/kg) > 长来镇(62.09 mg/kg) > 一六乡(43.56 mg/kg) > 大桥镇(31.73 mg/kg) > 桂头乡(29.39 mg/kg) > 乳城乡(27.32 mg/kg) > 廊田镇(5.79 mg/kg)，速效钾的含量依次为游溪镇(270.18 mg/kg) > 北乡镇(250.48 mg/kg) > 乐城镇(148.52 mg/kg) > 大桥镇(112.14 mg/kg) > 桂头乡(74.09 mg/kg) > 一六乡(68.54 mg/kg) > 乳城乡(67.4 mg/kg) > 长来镇(65.63 mg/kg) > 廊田镇(63.81 mg/kg) > 大布乡(45.1 mg/kg)。

表2 不同区域香芋土壤养分含量及级别Table 2 Soil nutrient content and level of fragrant taro in different areas

2.2 土壤养分含量的空间变异性分析

半方差函数分析是地统计学分析的基础，运用地统计学探索性分析对香芋土壤养分指标进行预处理，有机质、碱解氮、有效磷和速效钾数据经过对数转换后均符合正态分布，均存在全局趋势采用一次剔除。半方差函数通过“变程”反映变量的影响范围，变程A的大小反映了区域化变量影响范围的大小，即区域化变量空间变异尺度或空间自相关尺度。从结构性因素角度看，C0/(C0+C)的比例可表示系统变量空间相关程度，如果比值<25 %，则说明系统具有强烈的空间相关性，如果比值在25 %～75 %之间表明系统具有中等的空间相关性；如果比值大于75 %说明系统在空间相关中占据的比值很小，而随机性在空间相关中比值较大。

从半方差函数拟合结果(表3、图2)来看，香芋主产区的土壤养分的空间相关性依次为速效钾 >有机质 > 碱解氮 > 有效磷。其中土壤有机质符合球状模型，变程28.3 km，说明有机质的空间变异尺度为28.3 km，块金系数47.8 %，比值在25 %～50 %，属于中等空间相关性；碱解氮符合指数模型，变程22.47 km，说明碱解氮的空间变异尺度为22.47 km，块金系数是 37.6 %，比值在25 %～50 %，属于中等空间相关性；有效磷符合高斯模型，变程是61.38 km，块金系数是32.5 %，属于中等空间相关性，空间变异尺度为61.38 km；速效钾符合高斯模型，变程是56.29 km，块金系数是49.98 %，属于中等空间相关性，空间变异尺度为56.29 km。

表3 土壤养分指标的变异函数理论模型及相关参数Table 3 Oretical isotropic semivariogram model and corresponding parameters of soil nutrient

图2 香芋土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的半方差函数Fig.2 Isotropic semivariogram of organic matter, available N, P and K contents of fragrant taro

表4 土壤养分分级标准Table 4 Grading standard of soil nutrients

2.3 土壤养分含量的空间分布特征

根据香芋土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量的空间变异性，利用ArcGIS采用普通克里金法插值形成土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的空间分布图(图3)。根据土壤养分分级标准可以看出(表4)，香芋主产区的有机质含量主要在2 %～4 %的范围内，处于养分级别的中等和丰富水平，其中乳源县的桂头乡、一六乡、大布乡和游溪镇，乐昌的北乡镇、乐城镇、廊田镇和长来镇的有机质含量处于中等水平，而乳源县的大桥镇、乳城镇有机质含量处于丰富水平。碱解氮的含量主要在60～150 mg/kg的范围内，其中乐昌的北乡镇、乐城镇、廊田镇和长来镇和乳源县的桂头乡、一六乡碱解氮含量处于中等水平，而乳源县的大桥镇、乳城镇碱解氮含量处于丰富水平，而乳源县的桂头乡、一六乡和大布乡的东南部碱解氮处于缺乏水平。有效磷的含量在20 mg/kg以上，其中乳源县的桂头乡、一六乡、大桥镇、乳城镇、游溪镇，和乐昌的北乡镇、乐城镇、廊田镇和长来镇的有效磷含量处于丰富水平，而乳源县的大布乡的有效磷的含量处于很丰富水平。香芋主产区的速效钾主要在50～100 mg/kg的范围内，主要处于缺乏的水平。

图3 香芋土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量空间分布Fig.3 Spatial distributions of organic matter, available N, P and K contents of fragrant taro

3 讨论

近些年随着地理信息系统的快速发展，许多学者运用GIS和地统计学对不同作物产区的土壤养分的空间变异特征进行研究，揭示了陕西省礼泉县苹果主产区[3]、长江中游油菜主产区[4]、川北和四川省植烟区[2,5]等不同背景下的土壤养分的空间变异特征。相关研究表明，不同作物产区土壤养分的空间变异性差异明显，分布特征即受到土壤类型、地形地貌、海拔等结构因素的影响，又会受到土地利用方式、耕作制度、施肥等随机因素的影响。这与王岩、张超和罗新宁等人的研究一致，土壤养分元素的含量和形态分布不仅与气候、母质、成土过程、地形有关，还受到耕作制度、施用肥料和作物类型等人为因素的影响[10-12]。但是目前对香芋产区的土壤养分空间变异特征方面研究甚少，因此，立足于广东韶关市典型香芋产区，在保证稳产、高产、优质的前提下，将GIS与地统计学相结合起来研究农田土壤养分空间变异特性具有重要的意义，也为进一步探讨韶关香芋产区水肥资源的利用效率、肥料的精准施用和种植规划打下基础。

目前较多的研究证明，农田土壤耕层有效磷含量水平大幅提高，这主要与磷肥的广泛施用有关[2]，本研究根据农户走访调查，农民在施肥方面，主要无机肥和有机肥联合施用，尤其重视磷肥施用，这可能是种植区土壤有效磷有机质含量丰富的原因之一，在对广东乐昌香芋产区的土壤养分特征与香芋品质的相关性研究中，也得到土壤有效磷含量与香芋总糖含量正相关，有机质和香芋Vc含量正相关，而速效钾和香芋香芋Vc含量负相关[13]，因此农户在保证产量和品质的前提下，不重视钾肥的施入，这可能也是种植区速效钾含量偏低的原因之一。研究区地势起伏度变化大，地势西高东低，种植区主要分布在东部河谷地带，母质以冲积物为主，土壤质地多为粘壤和粉壤为主，具有一定的保水保肥能力，相比其他作物，产区种植制度比较单一，主要是香芋-葱-水稻轮作，总体来看肥料补给有限而且人为影响较小。土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的块金系数主要在30 %～50 %之间，更多是受到地形和海拔等结构性因素的影响，因此，在后续研究中，要进一步研究香芋产区土壤养分空间变异特征与地形因素之前的关系。除此之外，通过对韶关香芋香芋主产区的土壤养分级别和空间变异特征研究，在此基础上可进一步研究空间和时间上的差异性信息，分析影响产量差异的原因，采取技术上可行、经济上有效的施肥调控措施[14]。

4 结论

(1) 韶关香芋土壤有机质和碱解氮含量均值为2.98 %，109.79 mg/kg，均处于中等水平，有效磷均值为40.30 mg/kg，处于丰富水平，速效钾含量均值为81.60 mg/kg，处于缺乏水平。其中不同乡镇区域有机质含量依次乳城乡 > 桂头乡 > 大桥镇 > 大布乡 > 一六乡 > 长来镇 >游溪镇 > 廊田镇 > 乐城镇 > 北乡镇，碱解氮含量依次游溪镇> 一六乡 > 大桥镇 > 长来镇> 廊田镇 > 桂头乡 > 乐城镇 > 大布乡 > 北乡镇> 乳城乡，有效磷含量依次乐城镇 >北乡镇 > 游溪镇 > 大布乡 > 长来镇 > 一六乡 > 大桥镇> 桂头乡 > 乳城乡 > 廊田镇，速效钾的含量依次为游溪镇 > 北乡镇> 乐城镇 > 大桥镇 > 桂头乡> 一六乡 > 乳城乡 > 长来镇> 廊田镇 > 大布乡。

(2) 香芋主产区的土壤养分的空间相关性程度依次为速效钾> 有机质 > 碱解氮 > 有效磷，均属于中等空间相关性，结构性变异为主，随机性变异次之。其中土壤有机质符合球状模型，在28.3 km内存在空间相关性；碱解氮符合指数模型，在22.47 km内存在空间相关性；有效磷符合高斯模型，在61.38 m内存在空间相关性；速效钾符合高斯模型，变56.29 km内存在空间相关性。

(3) 香芋主产区的土壤养分总体上呈现北低南高的趋势，其中有机质含量主要在2 %～4 %的范围内，处于养分级别的中等和丰富水平，碱解氮的含量主要在60～150 mg/kg的范围内，其中乐昌的北乡镇、乐城镇、廊田镇和长来镇和乳源县的桂头乡、一六乡碱解氮含量处于中等水平，而乳源县的大桥镇、乳城镇碱解氮含量处于丰富水平，而乳源县的桂头乡、一六乡和大布乡的东南部碱解氮处于缺乏水平。有效磷的含量在20 mg/kg以上，大部分地区处于丰富水平，而乳源县的大布乡的有效磷的含量处于很丰富水平。香芋主产区的速效钾主要在50～100 mg/kg的范围内，大部分地区处于缺乏的水平。

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