晋中市土壤养分空间分布与影响因子的相关性

董 悦,张永清,刘彩彩

山西师范大学地理科学学院,临汾 041000

土壤养分指的是主要靠土壤提供的植物生长发育所必需的营养元素,是土壤肥力的物质基础[1]。氮、磷、钾三种元素是植物需要量多而土壤中含量较少的元素,往往被认为是土壤养分的三要素[2]。土壤属性具有复杂的空间变异性和非平稳性[3],土壤养分空间变异特性直接影响着土壤生产力的高低以及生态恢复的途径和方向,充分了解土壤养分、尤其是三要素的空间变异规律是土壤养分管理、合理施肥乃至调整种植制度的基础。众多的研究表明,土壤在形成和演化过程中受多种时空尺度环境因素(气候、土地利用、海拔、地貌地形等)的控制,因此土壤养分的空间变异特征十分复杂[4]。随着GIS的发展,将其与地统计学相结合的方法已经成为热点[5]。郭旭东等[6]、谢花林等[7]、余新晓等[8]均对土壤养分空间变异进行了相应的研究,张伟等[9]、王宗明等[10]对土壤养分空间分布的影响因素进行了分析。但是综观前人已有的研究,有关山西省土壤养分空间分布规律的研究尚不多见。山西省不仅农耕历史悠久,而且土壤所处的地形及其利用方式复杂多样,研究土壤养分的时空分布更有利于揭示其影响因素。为此,以农业产业化居山西省领先位置的晋中市土壤为研究对象,运用GIS技术,探讨晋中市表层土壤(0—20 cm)有机质(Soil Organic Matter, SOM)、全氮(Total N,TN)、全磷(Total P,TP)和全钾(Total K,TK)的空间分布特征及其影响因子,旨在进一步充实晋中市土壤研究的相关内容,并最终为当地农业生产服务。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

晋中市地理坐标为111°25′—114°05′E,36°40′—38°06′N[11],地处太行山脉中段与汾河之间,属暖温带大陆性半干旱季风气候,土壤类型主要有淋溶褐土、褐土性土、石灰性褐土、潮土、盐化潮土、中性石质土、钙质石质土、中性粗骨土等[12]。晋中地区是山西省粮食、蔬莱、水果、畜牧品等的重要产区之一,农业居山西省领先位置,生产条件十分优越,农业科技含量较高,农业综合生产能力较强,农业优势突出[13]。

1.2 土壤养分的测试方法与研究数据的处理

为了更好地探讨晋中市不同利用类型土壤SOM及主要营养元素的空间分布特征,应用ArcGIS网格布点方法,在研究区1∶25万电子地图上统一划分网格,不同土地利用类型采用不同的网格密度,每点以S型采取5个样点0—20 cm的土壤样品并进行混合,土壤样品带回实验室自然风干,弃除动植物残体、石块等,风干样品磨细过100目筛装入密封袋备用,最终得到土壤样品149个(具体布点位置图1)。SOM含量测定采用重铬酸钾容量法,TN含量测定采用凯氏定氮法,TP含量测定采用纳氏比色分光光度法,TK含量测定采用NaOH熔融火焰光度法。土壤SOM、TN、TP、TK的空间分布图通过GIS空间插值的反距离权重分析功能获得。数据分析运用IBM SPSS Statistics 22.0统计分析软件。

图1 采样点分布图Fig.1 Distribution of sampling points

2 结果与分析

2.1 土壤SOM及养分含量空间分布状况

土壤SOM是土壤肥力的重要组成部分,如图2所示,晋中市土壤SOM含量比较高(大于2%)的地方主要是东部的和顺县、昔阳县,寿阳县北部以及西南的祁县,另外灵石县也有少部分SOM高含量区。全市SOM含量大部分处于1%—2%之间,SOM含量大于2.5%的采样点仅占全体的5.4%,而含量小于1.5%的占全部采样点比例的63.5%。可以看出晋中市土壤SOM的含量水平处于整体偏低的状况。

土壤中的氮绝大多数是以有机态的形式存在的,由图3可以看出,晋中市土壤TN含量在空间分布上基本与土壤SOM含量的分布吻合,TN含量高于0.12%的高值区多分布在东部的和顺县和西南的祁县；低值区主要在西北部连片分布,西部的TN分布也相对较低。

图2 晋中市土壤有机质分布Fig.2 Soil organic matter distribution in Jinzhong

图3 晋中市土壤全氮分布Fig.3 Total N distribution of soil in Jinzhong

作为农作物生长所必需的大量养分元素之一,土壤中磷的供给状况直接影响着农作物的生长[14]。有研究表明,土壤磷素才是黄土高原地区土壤肥力的起动因子[15],只有当土壤中磷素含量达到一定的水平时,施用其他肥料才能实现增产的作用。由图4可以看出,晋中市TP含量高于0.11%的地区集中出现在太谷县西部、祁县以及寿阳县西南部,其他约占全部采样点96.6%的地区TP含量均低于0.11%。前人的研究结果表明,土壤有效磷比全磷受人为影响更显著[16],全磷含量高的土壤,有效磷不一定高,但全磷含量低的土壤,一般有效磷含量也不高。

图4 晋中市土壤全磷分布Fig.4 Total P distribution of soil in Jinzhong

虽然在黄土高原地区土壤有“缺氮、少磷、钾充足”之说,但随着作物产量的提高及喜钾类作物种植面积的增大,尤其是近年来人们对农产品品质的重视,钾作为影响品质的重要因素而日益受到重视[17-18]。图5结果表明,晋中市TK含量高的地区较少且分布非常集中,TK含量大于2.6%的地区主要集中在左权县中部和太谷县东北部地区,仅占全部采样点的1.34%,其余地区的TK含量均低于2.6%。

图5 晋中市土壤全钾分布Fig.5 Total K distribution of soil in Jinzhong

2.2 不同县域土壤pH值及养分含量的描述性统计分析

晋中市土壤pH值在各区县的差异不大,表现为介休市<左权县<榆社县<和顺县<榆次县<祁县<太谷县<寿阳县<平遥县<昔阳县<灵石县(表1),土壤整体呈碱性,pH值平均为7.97,变化范围为7.22—8.69。进一步分析结果表明,同一行政区域内不同利用方式的土壤pH及养分也有差异。

表1结果显示,晋中市土壤SOM含量在各区县中表现为太谷县<榆社县<灵石县<平遥县<昔阳县=左权县<榆次县<寿阳县<祁县<介休市<和顺县,平均为1.42%,变化范围是0.19%—3.94%；各区县的TN含量表现为太谷县=灵石县<榆社县=左权县=昔阳县=平遥县<榆次县<寿阳县=祁县=介休市<和顺县,平均含量为1.42%,变化范围是0.01%—0.19%；土壤TP含量则是左权县=昔阳县=平遥县<榆社县=和顺县=灵石县<榆次县=寿阳县=介休市<太谷县<祁县,平均含量0.07%,测量范围0.03%—0.14%；土壤TK含量的变化趋势为介休市<灵石县<平遥县<昔阳县<寿阳县<榆次县<榆社县<和顺县<祁县<太谷县<左权县,平均含量为1.97%,变化范围是1.43%—3.44%。

表1 晋中市土壤性质描述性分析表

根据国家土壤第二次普查的养分分级标准(表2),晋中市的表层土壤SOM、TN、TP含量平均水平分别为四级、四级、五级,SOM含量变化跨度为2—6级,TN含量变化跨度为2—6级,TP含量变化跨度为3—6级。晋中市表层土壤SOM、TN和TP含量属于中等偏低水平。TK含量平均水平为三级,含量变化跨度为1—4级,因此,晋中市的表层土壤TK含量属于较高水平。

表2 土壤养分分级表

引自第二次全国土壤普查分级标准[19]

2.3 土壤养分含量与海拔、用地类型的相关性分析2.3.1 土壤养分含量与海拔相关分析

地形是影响土壤发育的重要因素之一,海拔的不同会引起气温、降雨量、湿度等不同,进而导致动植物种类和微生物活动状况存在差异,这些条件又会反过来影响表层土壤中各种化学元素的变化,使土壤养分含量出现差异性。本研究借助ArcGIS软件空间分析区域统计模块的重分类功能,将海拔因子进行分级,计算不同海拔高度等级条件下的3种土壤养分及SOM含量的平均值,并利用SPSS软件进行相关性分析,探究研究区内土壤养分与海拔的相关性。

由表3可以看出,研究区的海拔高度范围为733—1742 m,大部分的采样点集中在733—1500 m的高度内,海拔增高,SOM的平均含量呈现先增多后减少的趋势,TN平均含量明显增多,与SOM和TN的含量相比,随着海拔高度的增加,TP和TK的平均含量变化趋势不明显。

表3 不同海拔的土壤养分平均值

因为表3显示的是某一海拔范围土壤养分含量的平均值,对养分含量随海拔变化而变化的趋势有一定的掩蔽作用,为了进一步探明其变化趋势,将不同海拔范围内各样点的养分含量实测值与样点所处的海拔高程进行相关分析,结果表明(图6),在1300—1500 m范围内,海拔与SOM间呈很好的线性关系,相关系数为0.46(r0.05=0.404)；在733—900 m范围内海拔与TP间呈很好的二次曲线关系,相关系数为0.459(r0.01=0.372)；在733—900 m范围内海拔与TK间同样是呈明显的二次曲线关系,相关系数为0.4(r0.01=0.372),达到了极显著相关水平；900—1100 m范围内海拔与TK间呈较好的线性关系,相关系数为0.332(r0.05=0.325),达到了显著相关水平。其余海拔范围内养分与海拔间相关性未达显著水平。

图6 土壤养分与海拔的关系Fig.6 Relationship between soil nutrients and altitudes

运用SPSS的相关性分析结果可以看出,在采样点全部覆盖的海拔范围(733—1742 m)内,海拔与TN含量呈极显著正相关(表4),海拔越高,TN含量越高；而SOM、TP和TK与海拔的相关性不显著。

表4 土壤养分与海拔相关系数

*:P﹤0.05,**:P﹤0.01

2.3.2 土壤养分含量与用地类型相关分析

在149个采样点中,耕地类型最多,有113个,林地15个,未利用地19个,自然保护区2个,如表5所示,在前4个等级的高程中,耕地的SOM、TN、TP平均含量均明显高于林地、未利用地和自然保护区,其中TN平均含量差距尤其明显,主要是由于在耕地中人们重视氮肥的施用,而林地、未利用地和自然保护区一般不施用氮肥,所以长期以来耕地的TN含量明显高于其他用地类型；而耕地中TK平均含量明显低于其他用地类型,则与土地的利用有关,山下的土地开发早,山上开发的比较迟,但当地对钾的施用重视不够,使得钾出现了短缺,再加上近年来当地农民信守“缺氮、少磷、钾充足”的观念,但随着产量水平的不断提高、秸秆还田数量的不断减少,以及喜钾类作物如果树类、块根类、叶菜类等作物的种植面积加大,土壤中的钾在不施钾肥的情况下已造成明显的亏缺,这不仅是晋中市的问题,也是全山西省乃至整个黄土高原地区土壤施肥过程中应该关注的问题。在1500—1742 m的海拔中耕地的SOM、TN、TP平均含量低于其他用地类型,TK平均含量则与其他用地类型相差不大。海拔高的地方耕地土壤养分含量较低与农民的施肥管理也有一定的相关性,人们对这部分土地可能重视程度不够,各种肥料的施用量均比较少,甚至还存在“只用不养”的现象。

3 讨论与结论

3.1 关于海拔高度与不同土壤养分含量间相关性研究

研究表明,土壤SOM与TN的含量变化会呈现相同的趋势[20-24],与海拔的关系中会随海拔升高而增多[20-23],在本研究中,随海拔高度的增加,不同海拔等级的土壤SOM平均含量呈先增多后减少的趋势,TN平均含量明显增多,这与前人研究有所不同,这可能与研究区本身所处的地理位置及海拔高度的变化范围有关,有待进一步研究。杨秋香等[25]研究了祁连山东段哈溪林区青海云杉林土壤,发现TP和TK含量均随海拔升高而降低,但本研究结果显示,不同海拔等级的土壤TP和TK的平均含量变化趋势不明显,与样点覆盖海拔范围内受人为干扰比较大,使土壤自然状态下营养元素含量发生变化有关。

表5 高程与土地利用方式影响下土壤养分分布情况

为了进一步探明土壤SOM、TN、TP和TK的变化趋势,将不同海拔范围内各样点的养分量实测值与样点所处的海拔高程进行相关分析,结果发现,在海拔1301—1500 m范围内,海拔与SOM间呈很好的线性关系,随海拔高度的增加SOM含量减少,后续可通过重新调整采样点分布来进一步研究；在733—900 m范围内海拔与TP、TK间均呈极显著的二次曲线关系,TP和TK含量随海拔高度的增高先增多,超过800 m开始慢慢减少,由于该海拔范围内耕地类型的采样点较多,所以受人为干扰较大,海拔较低时施肥量较多,而800 m之后人类活动逐渐减少；在其他海拔高度范围内海拔与土壤养分间相关性不大。通过相关性分析得出,海拔与TN含量成极显著正相关,与前人研究相吻合。

3.2 关于用地类型对土壤养分含量的影响

不同的土地利用方式决定了农业生产中有机物料和养分的投入不同[26]。徐鹏等[27]发现土地利用方式对土壤有机质的含量有明显的影响,王舒等[28]发现晋西黄土区不同土地利用方式下土壤SOM含量差异在0—32 cm土层显著,李新爱等[29]在研究喀斯特地区时发现不同土地利用类型对土壤TN含量造成显著差异,陈志超等[30]发现万安流域土地利用类型之间TP含量具有显著差异。本研究结果表明,在不同的海拔高程范围内,土地利用方式对土壤养分含量的影响有所不同,在样点高程的前四个等级中,耕地的SOM、TN、TP平均含量均明显高于林地、未利用地和自然保护区,其中TN平均含量差距尤其明显,在1500—1742 m的海拔中耕地的SOM、TN、TP平均含量低于其他用地类型,TK平均含量则与其他用地类型相差不大。

3.3 晋中市土壤养分含量空间分布情况

晋中市土壤pH值平均为7.97,整体呈碱性；SOM和TN含量较高的地区主要是东部的和顺县以及西南的祁县,SOM在寿阳县北部、昔阳县南部有少量富集,经调查发现,寿阳县是山西省唯一的奥运蔬菜和世博蔬菜生产基地[31],和顺县核桃产业发展迅速[32],所以在这两个地区可能是由于人为施肥量大,导致SOM和TN含量明显富集,而祁县南部山地大部分被灌木所覆盖[33],大量枯枝落叶被分解或许是该地SOM含量明显高于周边地区的原因；TP含量高的地区主要在太谷县西部、祁县以及寿阳县西南部；TK含量高的地区较少且分布非常集中,主要在左权县中部和太谷县东北部地区。另外,依据国家土壤第二次普查的养分分级标准,研究区表层土壤SOM、TN、TP含量偏低,平均水平分别为四级、四级、五级,而TK含量平均水平为三级。