柴达木盆地枸杞种植区土壤养分空间变异特征

李月梅

(1.青海大学农林科学院土壤肥料研究所，青海 西宁 810016；2.青海省高原作物种质资源创新与利用国家重点实验室培育基地，青海 西宁 810016；3.农业部西宁农业环境科学观测实验站，青海 西宁 810016)

【研究意义】自20世纪70年代以来，土壤养分的空间变异已逐渐成为研究热点[1-2]，其作为土壤的重要属性之一，是由土壤类型、地形、母质以及土地利用方式、人为耕作管理措施等各种因素在不同方向和尺度上共同作用的结果[3]。柴达木盆地是我国近年来发展起来的新兴枸杞种植区，自本世纪初开始大规模引进枸杞以来，其种植面积逐渐扩大。当地政府将其列入加大农业结构调整，加快农牧民增收、推动防沙治沙及生态农业建设的重点工程之一，目前枸杞已成为当地优势特色产业[4]。针对这种现状，研究柴达木盆地枸杞种植区土壤养分状况及其空间变异特征具有重要意义。【前人研究进展】部分学者对柴达木盆地土壤性质开展了一些研究[5-6]。研究表明，青海柴达木盆地唐古特白刺分布区域土壤养分含量存在显著空间变异性，土层深度对土壤养分含量有显著影响，但各养分指标含量随土层深度变化规律不明显。陈辉[6]通过采集柴达木盆地东部青藏公路沿线典型植被类型的样地土壤对柴达木盆地东部土壤有机质分布规律开展了研究。【本研究切入点】枸杞产量与品质的高低与土壤养分关系密切，但目前关于整个柴达木盆地枸杞种植区域土壤养分及其空间变异研究尚未见报道。【拟解决的关键问题】因此，从改善柴达木盆地生态环境、提高经济林(枸杞)产量，以及保持农林业可持续发展的角度出发，运用地理信息系统和地统计分析相结合的方法研究柴达木盆地枸杞种植区土壤主要养分的空间变异特征，对于该地区农林业土壤合理利用和施肥管理决策提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区基本概况

柴达木盆地地跨北纬 35′00″～ 39′20″，东经90′16″～99′16″，海拔 2675～ 3350 m，总面积约24.68×104km2，是我国著海拔最高的高原断陷内陆盆地。盆地气候极度干燥少雨，冬季寒漫长，夏季凉爽短促，四季不分明，属典型的大陆性气候。四周高山环绕，气温垂直变化和水平分带明显。年平均气温在1.1～5.1 ℃，昼夜气温变化大，日较差最大值达30 ℃以上；≥0 ℃连续积温 2000～2800 ℃，持续日数 190～218 d。全盆地年平均日照时数在3000 h以上，年蒸发量2200～3500 mm，且呈现出由东向西递增的趋势。

柴达木盆地从四周高山至盆心，分为5个自然带：即大断裂高山碎石带、山前戈壁沙砾带、洪积倾斜细土平原带、河湖上沿草甸盐土带、洪积扇下沿湖滨盐沼带[7]。其中细土平原带是盆地发展农牧业的精华地带，分布高程在海拔2700～3200 m之间，为冲、洪积平原，地势平坦，面积约47.18万hm2，占盆地土地总面积的9.6 %，水土、气候条件较好。20世纪80年代以来在细土平原带上已开发耕地面积约为4.74万hm2，主要分布在盆地东部和南部山前细土带和北部祁连山麓的山间盆地细土带，拥有德令哈、察汗乌苏、香日德、诺木洪、格尔木等绿洲农业区，在青海省农业生产发展中具有重要的地位[8]。目前盆地内约有45万667m2枸杞园均建植在细土平原带上。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤采集与分析 2015年选择青海省海西蒙古族自治州的德令哈市、都兰县、格尔木市和乌兰县各枸杞主产区土壤类型和肥力具有代表性的种植园，采用GPS定位技术采集耕层混合土壤样品，土壤样品采集深度0～20 cm，每个样品由 5 个采样点的混合而成，用四分法保留 约1.5 kg，并记录调查该样点的枸杞苗龄、原土地利用方式、施肥情况、田间管理、灌溉制度等情况。共采集土壤样品291个，土壤样品采集后带回实验室，经自然风干后，拣出砾石及植物根系等杂物，将土样磨细后分别过1、0.25、0.149 mm筛后制成待测样，用于土壤测定(图1)。

土壤养分含量测定采用常规分析方法进行测定，测定指标主要包括：pH值、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾。其中土壤 pH值 采用电位法(水土比为2.5∶1 )测定；有机质采用油浴加热重铬酸钾氧化容量法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；速效磷采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定；速效钾采用乙酸铵浸提火焰光度法测定。

图1 柴达木盆地枸杞种植区土壤样点分布Fig.1 Map of soil sampling sites in wolfberry planting area of Qaidam basin

1.2.2 数据处理 本研究的数据分析采用Fisher统计学和地统计学相结合的方法，涉及地统计学的主要包括半方差函数和半方差函数模型[9]，地统计学方法是研究空间变异性的一种重要方法，是以区域化变量为核心和理论基础，以空间相关和半方差函数为基本工具的一种数学地质方法[10]。半方差函数和半方差函数模型的参照王政权[9]、王学锋[10]的文献。本文主要采用线性模型、指数模型、球形模型和高斯模型等半方差模型进行描述，综合考虑决定系数R2最大、残差最小以选出最优半方差函数模型[12]。

本研究采用GS+7.0用于分析半方差函数选择合适的半方差模型、输出半方差函数图；通过SPSS软件检验；出各养分指标的分布是否符合正态分布，运用软件ArcGIS10.3完成地统计学分析和Kriging插值。

2 结果与分析

2.1 土壤养分的统计特征

由表1显示，用Fisher经典统计方法来判别样本分布类型统计中数、均值、标准差、变异系数等，在一定程度上反映研究区域总体养分水平及变异状况，柴达木盆地枸杞种植区土壤pH值中性偏碱，平均值为8.4。土壤有机质的平均含量为11.18 g·kg-1，碱解氮为147.24 mg·kg-1，速效磷为23.38 mg·kg-1，速效钾为189.3 mg·kg-1。依据全国第二次土壤普查时的青海省土壤养分分级标准及海西州养分分级标准，对各项土壤养分指标的平均含量进行分级，试验区土壤有机质属中等水平，碱解氮属高水平；土壤速效磷和速效钾的平均含量属于高水平范围。从变异系数看，研究区域内土壤各指标存在不同程度的变异，变异范围在4.3 %～118.9 %。速效磷和碱解氮的变异系数处于最高，分别高达118.9 %和118.4 %，pH值变异系数最低，为4.3 %，有机质和速效钾的变异系数居于两者之间，分别为67.4 %和65.2 %。

土壤养分描述性统计分析方法只能说明养分含量变化的全貌，不能反映土壤养分的结构性、随机性、相关性和独立性，因此必须进一步采用地统计学分析进行土壤养分含量的空间变异结构的分析和探讨[13]。

2.2 土壤养分空间变异特征

如表2所示，在土壤养分空间变异研究中，准确估算土壤某一养分半方差函数模型是关键所在，因为半方差函数反映了土壤养分的空间变异结构，直接影响土壤养分克立格插值计算[14]。基底效应[C0/(C+C0) ]一般用来表征空间变异性程度[9]。如果该比值较高，说明由随机部分引起的空间变异程度较大；相反则由空间自相关部分引起的空间变异程度较大；如果该比值接近1，则说明该变量在整个尺度上具有恒定的变异[15]。按照区域化变量空间相关性程度的分级标准[16]，变量基底效应< 25 %时，具有强烈的空间相关性，在25 %～75 %，变量具有中等的空间相关性，> 75 %时，变量的空间相关性较弱。本研究中，基底效应大于70 %的养分指标为速效磷，表明空间相关性较弱，其变异也主要来自施肥、灌溉、取样等随机变异；基底效应小于25 %的为pH、有机质和速效钾，表明这些变量具有强烈的空间相关性，其变异主要来自土壤母质、气候、地形等系统变异；比值在25 %～75 %之间为碱解氮，表明具有中等空间相关性，其变异来自于随机变异和系统变异的双重作用。

表1 土壤养分含量的描述性统计

表2 土壤各养分指标半方差参数及模型

图2 土壤养分和pH的半方差函数图Fig.2 Semivariograms of soil nutrients

柴达木盆地不同土壤养分及其它属性的空间变异结构存在差异。从基底效应[C0/(C+C0) ]的大小比较来看，柴达木盆地枸杞种植区土壤中各养分指标及pH值的空间相关性大小顺序为速效磷>碱解氮>有机质>pH值>速效钾，说明有机质、pH值和速效钾的空间结构性要优于碱解氮和速效磷。从变程大小可以看出，总体上柴达木盆地枸杞种植区土壤各养分指标的空间相关性范围为2.56～210.23 km，速效钾、有机质和pH值较速效磷小得多，这说明速效钾、有机质和pH值在小范围内的空间相关性强。就拟合的模型类型而言，属于指数模型的为碱解氮、速效钾、有机质和pH值，而速效磷属于线性模型；从决定系数和养分的半方差图2可见，除了速效磷和碱解氮外，有机质、pH值和速效钾半方差函数模型的拟合度均较高。表明有机质、pH值和速效钾这3个主要土壤指标具有一定的渐变性分布规律，这与柴达木盆地枸杞种植区的地形地貌、土壤类型等的地带性分布规律相关。

2.3 土壤养分空间分布

土壤养分空间分布图是反映土壤养分状况的应用图件，是测土配方平衡施肥及数字农业的基础。它能以定量指标和定位方式，直观地反映研究区域内土壤养分含量状况和分布规律。为了更准确的描述土壤各养分指标在空间上的分布状况以及在柴达木盆地地区等级上的差异，本研究根据以上半方差函数的拟合数据对其进行了Kriging插值，得到各养分指标含量的分布 (图3)。结果表明：有机质含量大部分都分布在2.64～17.1 g·kg-1范围内，占到了总面积的85.0 %；速效磷含量大部分集中在1.8～25.8 mg·kg-1范围内，占总面积的82.2 %；碱解氮含量分布在4～203 mg·kg-1范围内占据了相当大的面积，为86.7 %；速效钾含量则大部分集中在52～338 mg·kg-1范围内，占到了总面积的89.2 %。从图3可以看出，有机质的总体空间分布趋势表现为从东向西逐渐下降；pH值的空间分布趋势表现为从东向西逐渐增加；速效磷的分布呈现出格尔木市高于德令哈市、都兰县和乌兰县的趋势；速效钾的空间分布趋势表现为东、西两端高，中间低的趋势；与其它指标相比，可以直观看出碱解氮在格尔木市、德令哈市、都兰县和乌兰县 4 个种植区表现出明显的养分集聚现象。

3 讨 论

20世纪90年代以来，地统计学和GIS、GPS的结合在研究土壤养分空间变异研究方面得到了广泛应用，许多研究表明这种方法的应用与Fisher经典统计方法比较，可以更好地揭示土壤养分的空间变异规律[ 1-3，11，14-15，17]。不同的空间尺度，由于促成其空间变异的主导因素不同，形成了特定的空间分布格局。由于不同尺度土壤空间变异研究应用的目的不同，例如大尺度的土壤空间变异研究可以改进和创新土壤分类系统，提高土壤调查制图的质量[18]；中小尺度的土壤空间变异研究有利于合理布局种植结构和改善田间管理[19]，因此目前多数研究都明确指出其选择的空间尺度以确定其管理策略。

图3 养分空间插值分布图Fig.3 Variational maps of nutrients

在本研究中，柴达木盆地东西两端约跨十个经度、800余km，属于大尺度研究区域，土壤生物气候带的分布由东向西呈现地带更替，即荒漠草原棕钙土地带、灰棕荒漠土地带、石膏灰棕漠土地带依次排列，这种分布格局与有机质从东向西逐渐下降的空间分布特征相一致。pH值的空间分布表现为从东向西逐渐增加，这与盆地地形东高西低的分布相符合。金继运等[20]指出在大尺度上影响土壤养分变异的因素主要是一些区域因素，如气候条件、地形地貌、土壤类型等，本文研究结果与此论点相符。有机质作为一个重要的土壤质量指标，其变异主要来自土壤母质、气候、地形等系统变异，本研究中有机质的基底效应值为16.6 %，具有强烈的空间自相关性，这与赵之重[21]研究结果相一致。

格尔木种植区的速效磷含量明显高于其它3个种植区，其基底效应值在84.3 %，空间相关性较弱，据课题组2012-2015年开展的盆地枸杞种植区肥料现状调查结果，格尔木市速效磷平均含量为28 mg·kg-1，高出其它3个地区，调查中出现的速效磷最大值126 mg·kg-1亦出现在格尔木种植区，与第二次土壤普查时[22]相比，柴达木盆地土壤速效磷含量由10 mg/kg增至20 mg·kg-1，说明土壤速效磷含量极易受到施肥水平影响而有所变化，而且格尔木枸杞种植区偏施磷肥现象严重，应依据土壤测试结果开展科学施肥。可以直观看出碱解氮的空间格局分布亦明显受到人类活动(例如施肥)影响，在格尔木市、德令哈市、都兰县和乌兰县 4 个种植区表现出明显的养分集聚现象。本研究中pH值的基底效应为8.4 %，空间相关性强烈，变异系数仅为4.3 %；史利江[23]的研究表明，碱解氮和有效磷的空间相关性较弱，施肥等随机因素对其具有较为明显的影响；有机质和pH值表现出强烈的空间相关性，表明其空间变异主要受土壤类型、母质、地形等结构性因素的影响，王宏庭[15]等的研究表明：受农业传统施肥措施影响较大的N、P等变异相对较大；而传统施肥投入较少的养分(K、Cu、Fe 等)土壤变异相对较小。

利用地统计学方法探讨柴达木盆地枸杞种植区土壤养分空间变异特征，对于该区域土壤肥力和养分管理工作具有重要的参考价值。由于柴达木盆地地域所属的独特性和范围的广阔性，本次研究在大尺度范围开展了土壤养分空间变异研究，但未对中小尺度层面开展探索，有待下一步开展相关工作，并将研究成果与施肥管理结合，应用于生产实际。

4 结 论

(1)在柴达木盆地枸杞种植区调查的5项土壤养分指标中，变异系数最小的是pH值，仅为4.3 %；其次是有机质和速效钾，变异系数分别为67.4 %和65.2 %；速效磷和碱解氮的变异系数最大，分别达到118.9 %和118.4 %，这主要与枸杞种植区农户大量偏施氮、磷肥有关。

(2)采用地统计学的半方差函数方法研究了土壤5项养分指标的空间变异结构，速效磷空间相关性较弱，其基底效应[C0/(C+C0)]为84.3 %，其变异主要来自施肥、灌溉、取样等随机变异；碱解氮具有中等的空间相关性，其基底效应[C0/(C+C0)]为49.0 %，空间分布格局是由结构性和随机性变异共同作用的结果；pH值、有机质和速效钾这3个变量具有强烈的空间相关性，其基底效应[C0/(C+C0)]分别为8.4 %、10.8 %和16.6 %；其变异主要来自土壤母质、气候、地形等结构性系统变异。

(3)通过Kriging插值制作的土壤养分图，直观反映了柴达木盆地枸杞种植区土壤空间分布情况。有机质表现为从东向西逐渐下降，pH值表现为从东向西逐渐增加，速效钾表现为东、西两端高，中间低的趋势，这主要与土壤类型的空间分布和盆地地形有关；速效磷表现为格尔木市高于德令哈市、都兰县和乌兰县的趋势，碱解氮在4大种植区呈现养分集聚现象，这主要受到施肥等因素的明显影响。