山西农谷土壤养分空间特征分布研究

刘立文，徐立帅，段永红，周淑琴，秦明星，王 帅

（山西农业大学资源环境学院，山西农业大学农业资源与环境国家级实验教学示范中心，山西太谷030801）

土壤是地球陆地生态系统中最为重要的组成部分，是影响深入推进农业供给侧结构性改革，打造山西“农谷”，建设现代农业创新新高地和功能农业示范区的重要影响因素[1]。土壤养分作为土壤的重要组成部分，是影响植物生长所必需的营养元素重要来源[2-3]。土壤中物质的转移、养分的积累以及水分的运输都受到地形因子较为明显的影响，不同研究区域内简单地形因子的变化，将会造成土壤养分的空间分布状况、物质移动堆积特点和水热分配条件产生差异[4-9]。因此，研究不同地形因子条件下土壤养分空间分布特征，能够为土壤养分综合管理以及进行合理的土地利用规划提供重要的理论依据，同时对土壤耕作和改良都具有十分重要的指导作用。

20世纪70年代后期，土壤养分的空间分布研究开始进入研究者的视线，TRANGMAR等[10-11]对土壤养分的空间变异性以及分布特征的空间相关性进行了研究。HAEFELE等[12]对大面积水稻田区域养分空间分布开展了研究。在我国，王淑英等[13]针对土壤养分有机质和全氮含量的空间变异特征，运用地统计学进行了分析研究。耿广坡等[14]利用ArcGIS克里格插值方法和“3S”技术，研究不同地形因子对小流域表层土壤养分有机质和全氮含量空间特征分布的影响。

本研究运用ArcGIS软件，结合经典地统计学以及传统数理统计方法，选取山西省太谷县为研究区域，分析了表层土壤有机质、全氮、全磷以及全钾空间分布特征，进一步分析了不同地形因子下的土壤养分含量特征，旨在为该地区的养分精准管理和平衡施肥提供科学依据，为农业生产提出指导性建议。

1 研究区概况

山西农谷地处山西省晋中盆地中部太谷县内，占地 1048km2，地理位置为东经 112°28′～113°02′，北纬 37°13′～37°33′。太谷县区域内地形特点为东南高、西北低，地处黄土高原，平均海拔为700～1 900 m[15]。从资源条件上看，太谷是农业大县，地处大太原都市区，位置优越，交通发达。从科技优势上看，其境内拥有山西农业大学、山西省农科院果树研究所2所科研院所，具有得天独厚的农业科技资源和一批素质较高的新型职业农民。从发展基础上看，太谷形成了设施蔬菜、规模养殖、苗木花卉、干鲜果业四大主导产业，拥有太谷饼、壶瓶枣、通宝醋、怡园干红等一批优势农产品品牌，农民年人均可支配收入连续多年位居全省前茅。从示范效果上看，太谷先后成为全国现代农业改革与建设试点县、全国农产品质量安全示范县、国家农村产业融合发展试点示范县，立足太谷、依托优势打造山西农谷具有较好的基础条件[16]。

2 数据源和数据处理

2.1 数据源和方法

本研究的土壤养分数据来源于山西省耕地质量及生产能力调查评价数据库，太谷县乡镇界限来源于2014年第二次土地调查变更数据库，高程数据为美国航天局（NASA）与日本经济产业省（METI）共同推出的最新的地球电子地形数据ASTER-GDEM（先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型），分辨率为30 m。

本研究以Kriging插值法为基础方法，Kriging插值法是地统计的经典统计预测法，以实测点的数据为基础，将待预测值无偏性和最优性作为预测的限制条件，利用距离权重对未知点赋予最优权重值来预测点的数据，相关原理和方法参照文献[17-18]。

2.2 数据处理

研究区域内采样点数据中过大或过小值被称作异常值，土壤养分的采样分析过程中人为失误或外部环境条件变化都是产生异常值的主要原因[19]。异常值的存在会造成Kriging插值在形成连续面时发生中止，还可能出现短距离空间变异和减小空间相关变程距离的可能，因此，异常值的剔除显得至关重要。本试验数据测量次数大于10次，选取拉依达准则法，以3倍的标准差限为依据，规定99.7%为标准，超过此标准将从测量数据中剔除。识别异常值，即样本平均值a加减3倍标准差s，在区间（a±3s）以外的数据均定为特异值，然后分别用正常最大和最小值代替特异值。

2.3 土壤养分的等级划分

本研究利用ArcGIS空间分析模块提取研究区土壤养分含量点数据，然后打开属性表运用传统数理统计方法，对太谷县采样点的4种土壤养分含量进行描述性统计分析（表1）。其中，平均值反映了数据的集中趋势；最大值、最小值和标准差可描述数据的异质性。

表1 太谷县表层土壤养分含量描述性统计特征

参照全国第2次土壤普查养分分级标准，根据太谷县的实际土壤养分含量的描述性统计特征（表1），采用统计分组法对太谷县土壤养分含量制定分级标准（表2）。

表2 太谷县土壤养分含量分级标准 g/kg

3 结果与分析

3.1 山西农谷土壤养分空间分布特征

利用ArcGIS 10.2软件地统计分析模块中的Kriging对4种土壤养分含量进行插值分析，再运用重分类功能根据土壤养分含量分级标准对4种土壤养分含量进行分级制图，得到太谷县土壤有机质、全氮、全磷和全钾的空间分布（图1），并根据分级结果，对各养分含量所占面积、比例进行统计分析（表 3）。

表3 太谷县土壤养分的分级情况

结合图1和表2，3可以看出，太谷县表层土壤的有机质含量为中等偏低水平，其中，主要分布在3级水平以下，占了整个研究区面积的88.30%，其中，3级主要分布在太谷县西部和东北部平原丘陵区，4级和5级主要分布在东南部的丘陵山地区。

全氮含量分布均匀且处于较低水平，总体上集中分布在5级水平，面积占了整个研究区面积的99.30%。太谷县表层土壤养分中的全磷含量呈偏低水平，主要位于4级水平以下，面积占整个土壤总面积的71.90%，4级主要分布在太谷县的中部地区，而5级主要分布在研究区的东南部和北部山区。全钾含量为中等平均分布，主要分布在2～4级（135～180 g/kg），面积所占比例为78.6%，空间分布呈现西北部高、东南低的趋势。

3.2 地形因子与土壤养分空间分布

太谷县地形由东南向西北逐渐降低，地形因子条件的变化，使得不同地区表层土壤养分特征分布有着显著差异。以太谷县DEM数字高程数据作为本研究的基础数据库，运用ArcGIS自然间断点分裂法结合研究区的地形对研究区高程和坡度因子进行重分类，共设置5个等级，即高程为＜900，900～1 100，1 100～1 300，1 300～1 500，＞1 500 m，坡度为＜5°，5°～10°，10°～15°，15°～25°，＞25°（图 2）。借助ArcGIS表面分析功能，提取研究区的海拔等级并赋值给土壤采样点，然后利用数理统计的方法得到太谷县不同地形等级条件下的土壤养分含量特征（表 4）。

表4 不同地形等级条件下的土壤养分含量特征

从图2和表4可以看出，随着海拔高度的增加，土壤全钾的平均含量呈现出明显增加的趋势，土壤全氮的平均含量变化不明显，均处于1 g/kg。相比土壤全钾含量，土壤有机质和全磷的平均含量总体上呈下降趋势，但分别在4级和3级处出现小幅波动。随着坡度的增加，土壤全钾的含量变化不明显，土壤有机质、全氮、全磷的含量均随着海拔的增加而下降，其中，全磷在＞25°区域产生波动。

4 结论

以山西农谷为研究区，利用数理统计学和地统计学对太谷县土壤采样点养分含量数据进行归纳和整理，针对土壤有机质、全氮、全磷和全钾进行描述性统计特征分析。借助ArcGIS技术与地统计学相结合对研究区表层土壤养分含量以及地形因子等数据进行分析处理，进一步研究不同简单地形因子（海拔和坡度）下土壤养分特征含量分布的影响。主要研究结果表明，研究区内表层土壤全磷和全钾的含量较高，但空间分布状况恰好相反；土壤全磷元素在整体上表现为西北部含量高于东南部；而土壤全钾元素表现为东南部高于西北部。研究区内土壤全磷含量呈中等平均分布，基本上处于3级水平；土壤有机质含量整体呈块状分布，西北地区含量较高；全氮元素基本处于3级水平。研究区的简单地形因子（海拔和坡度）与土壤养分含量空间分布有着相关关系。全钾含量与地形因子呈正相关，随着海拔的升高和坡度的增大，含量呈显著增加趋势；而有机质、全氮和全磷则随之减少，其中，全氮的变化趋势不明显。

5 讨论

由于山西农谷位于黄土丘陵地区，区域内整体平均海拔较高。在高海拔地区，土壤微生物活动受气温低和雨量大等不利环境因素的影响[20]，使得相关活性受到抑制，大量枯枝落叶难以分解转化，因此，导致研究区土壤有机质含量较低，并在高海拔地区出现小幅波动。

土壤中氮元素对提高粮食产量具有十分积极作用，在实际耕种过程中起着决定性作用，其含量一般在0.02%～0.50%[21]，而除了人工施肥之外，植物和土地利用方式是影响氮含量的主要因素[22]。山西农谷地区全氮含量低并随海拔和坡度的变化不明显，这可能受该区整体植被覆盖度低和海拔高等因素影响。

土壤养分中磷元素含量的适度配置能够确保农作物的健康生长，过度提高土壤含磷量，不仅导致耕地经济效益生产下降，同时导致大幅度水体流失，产生较为严重的环境污染。山西农谷地区的全磷含量随着海拔和坡度的增加，磷元素不断降低，可能是由于土地利用类型逐渐从农田向荒草地转变[23-25]，而在＞25°出现了小幅度的变化，主要是受林地分布影响。

土壤养分中全钾含量是指钾元素的总量，包括代换性钾、矿物态钾和溶解态钾。其中，矿物态钾占90%以上，其他二者虽分布含量较少却对植物生长起着十分重要的作用[26-27]。太谷县的全钾含量分布较高，可能与人为耕种与施肥活动有关。