干旱地区耕地土壤养分空间变异性及其影响因素研究

贾志豪，朱 磊，努尔麦麦提·艾尔肯*

(1. 新疆农业大学草业与环境科学学院, 新疆 乌鲁木齐 830052; 2. 新疆土壤与植物生态过程重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830052)

【研究意义】植物所需的营养元素是植物生长过程中不可或缺的重要组成部分[1]，虽然元素含量较低，但相关元素对作物正常生长[2]、表征土壤质量、土壤养分、土壤元素评价具有重要意义[3]。【前人研究进展】已有学者利用地统计学与GIS空间分析技术相结合研究土壤元素的空间变异性[4]，基于环境因子和相关元素的影响，结合地统计学与相关性分析，可以更好的反映各元素的空间特征以及各元素与环境因素的相关性[5]，了解相关元素空间变异性以及影响因素[6]。【本研究切入点】本文对研究区土壤元素空间插值方法进行选取，通过对比不同的插值方法，选取普通克里格法对喀什地区土壤中大量元素有效磷、中量元素有效硅、微量元素有效锰和有效锌进行空间插值，并确定研究区环境因素与各元素间相互影响情况，根据不同土壤类型进行区域统计，并分析不同土壤类型对研究元素的影响，以及环境因素与研究元素间的相关性分析。对其它地区土壤元素监测、评价、治理具有重要参考价值和意义。【拟解决的关键问题】运用插值方法获取喀什地区耕地土壤养分空间分布特征，了解环境因素对研究元素的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

喀什地区地处中亚腹部，属暖温带大陆性干旱气候带，夏季炎热，冬季严寒，四季分明，该地区多年平均气温11.7 ℃[7]，年均降水量65 mm左右，年蒸发量高达2100 mm，年日照2779 h，春季平均日照时数688.1 h、夏季平均日照时数918.6 h、秋季平均日照时数701.0 h、冬季平均日照时数471.3 h[8]。研究区位于73°20′～79°57′ E，35°20′～40°18′ N之间，地势平坦[9]，全区土壤有15个土类，19个亚类，25个土属，其中盐土和草甸土所占比例较大，分别为总面积的28.6 %和27.3 %。

1.2 数据来源

根据研究区采样点布设图，结合喀什噶尔河等河流与地形地貌，确定采样地块，利用GPS精准定位每个采样点的坐标，并记录所属范围、土壤类型以及作物类型。根据土壤类型、地形地貌、作物种类及点位在空间的均匀性，将采样点平均分布于研究区各个乡镇及街道办事处。在相应条田内选2～10 hm2有代表性的地块，采取15～20个点混合，利用GPS记录采样点坐标，结合多点混合和四分法进行采集，取样深度为20 cm。调查方式采用实地测量、室内资料调查和农户走访等多种形式相结合，既可加快采样速度，又可确保调查数据真实可靠，最终选取418个土壤采样点(图1)。后期实验室样品测定严格按照国家规定的土壤农化分析方法进行，有效磷采用钼锑抗比色法，有效硅采用质量法，有效锌和有效锰采用火焰原子吸收分光光度法。

1.3 研究方法

空间插值用于对已知离散点数据转换为连续的数据曲面，从而较好得到区域尺度内的有关参数[10]，本研究对大量元素碱解氮、有效磷、速效钾，中量元素有效硅、有效钙，以及微量元素有效铁、有效锰、有效锌进行空间分析和相关分析，可以直观表现土壤中各元素含量空间分布变化情况，对比分布情况，以及受环境因素影响的强弱，最终选取大量元素有效磷、中量元素有效硅以及微量元素有效锰和有效锌作为研究对象[11]。为验证研究区土壤空间插值可靠性，选取普通克里格法和反距离权重法进行插值，随机选取355采样点作为建模插值点，其余63个点作为测试点，不参与建模，用于验证插值后模型的准确性，再根据原始的63个测试点提取插值后与原始点位相同的63个建模点，建立相关函数模型，将得到的插值结果与原采样点进行对比，普通克里格法对相关元素空间分布有较好的拟合性[12]。

2 结果与分析

2.1 研究元素空间分析

对离散点数据进行普通Kriging插值，获得各元素空间分布规律[13]，首先大量元素有效磷在中部区域含量较高，有效磷参与植物生命过程的光合作用，从而与相关农作物的生长密不可分，该元素能促进根系生长，提高植物适宜外界环境的能力，对保持农作物品质有重要的影响[14]；研究区内有效磷在中部区域疏勒县、疏附县以及伽师县含量较高，该区域以种植玉米为主(图2)。

图1 研究区域采样点分布Fig.1 Distribution of sampling points in study area

图2 有效磷空间分布Fig.2 Spatial distribution of available P

中量元素有效硅，对植物的形态结构、生长发育以及抗逆能力有一定影响，在研究区域西部含量较低，而中东部含量较高，其中疏勒县、岳普湖县以及伽师县，有效硅含量分布较为集中，而且含量较高(图3)。

微量元素有效锰含量较高的集中于伽师县，新疆土地偏碱性，所以二价锰离子无法进行过多累积；研究区微量元素有效锌含量低于国家标准，疏勒县有效锌含量高于其他区域(图4)。

2.2 环境影响因子

由于研究区地势较为平整，主要以种植农作物为主，其土壤受环境因子影响而发生相应的化学、生物变化[15]，研究区内使用微量元素肥料较少，且秸秆经过腐烂，产生相应的元素，是土壤中相应元素的主要来源；该研究区主要以种植棉花和玉米为主，不同农作物对研究元素有不同的影响；以不同土壤类型分布情况，结合研究元素的空间分布，从而判断对相关元素的影响。至此以自然因子土壤类型，人为因子秸秆还田、棉花产量、玉米产量作为外部变量[16](图5)。

图3 有效硅空间分布Fig.3 Spatial distribution of available Si

其中疏附县大部分、岳普湖县东侧以及伽师县东南方向上秸秆还田较高。该研究区土壤类型有14种，主要以灰漠土和风沙土为主。棉花在伽师县大面积种植，而疏附县、喀什市、疏勒县、岳普湖县以种植玉米为主。

2.3 统计分析

利用SPSS Statistics对数据进行相关性检验[17]，再利用ArcGIS软件进行拟合方法的选取，在地理统计分析中，进行普通克里格差值，生成各元素空间分布情况[18]。喀什地区土壤中各元素含量差异明显，418个采样点中，有效磷均值为12.750(mg/kg)、有效硅均值为93.932(mg/kg)、有效锰均值为7.760(mg/kg)、有效锌均值为0.884(mg/kg)；有效磷变异系数c.v.值为41.098、有效硅c.v.值为36.704、有效锰c.v.值为41.295、有效锌c.v.值为46.035。其变异程度(36 %～47 %)，均满足正态分布，而且满足统计分析的数据要求(表1)。

相关环境变量均值：秸秆还田量均值142.11kg、棉花产量均值44.06 kg/hm2、玉米产量均值280.22 kg/hm2。相关环境变量标准差：秸秆还田标准差115.863、棉花产量标准差57.664、玉米产量标准差218.773(表2)。

图4 有效锰、有效锌空间分布(A：有效锰，B：有效锌)Fig.4 Spatial distribution of available Mn and available Zn (A: Available Mn, B: Available Zn)

图5 相关环境因子空间分布(A：秸秆还田，B：土壤类型，C：棉花产量，D：玉米产量)Fig.5 Spatial distribution of correlated environmental factors (A: Straw returning, B: Soil type, C: Cotton production, D: Corn production)

表1 研究元素描述性统计

表2 相关环境变量描述性统计

表3 土壤类型与元素的平均值和标准差

3 讨 论

3.1 自然因子对土壤元素的影响分析

根据土壤类型，进行区域统计每个像元研究元素加和平均值，并进行相关分析(表3)，最大值和最小值之差，判断各个元素在不同土地利用类型中的差异程度，其中有效磷为2.731、有效硅为43.199、有效锰为4.689以及有效锌0.360，由此可得有效硅受土壤类型影响较强，而有效锌受土壤类型变化差异性较弱。有效硅在灌淤土含量较高，在栗钙土中含量较低；有效硅在风沙土中含量较高，在栗钙土中含量较低；有效锰在风沙土中含量较高，在灌漠土中含量较低；有效锌在灌淤土中含量较高，在灰棕漠土中含量较低。

从变异系数来看(表4)，不同土壤类型下讨论研究元素变异情况，其中有效磷变异在所有土类中变异程度均小于13 %，平均为6.726 %；有效硅在不同土壤类型中相关变异程度在0.8 %～23 %之间，平均为8.777 %；有效锰变异系数均小于26 %，平均为13.212 %；有效锌变异系数0.9 %～25 %之间，平均为14.187 %。通过研究元素在不同土壤类型中的变异系数，有效磷在不同土壤类型中变异幅度最小，其趋势相对稳定y= 0.3995x+ 3.7307，研究元素在栗钙土类型中变异系数相对较小。

表4 土壤类型与元素变异系数

表5 秸秆还田与各研究元素相关性与回归分析

表6 棉花产量与各研究元素相关性与回归分析

图6 棉花产量与相关元素(A：有效磷，B：有效硅，C：有效锰，D：有效锌)Fig.6 Cotton production and related elements (A: Available P, B: Available Si, C: Available Mn, D: Available Zn)

3.2 人为因子对土壤元素的影响分析

秸秆富含充足的有机物和相关营养元素，是一种增强土壤有机质含量、调控土壤水分和温度的农艺措施，秸秆还田确保土壤全期肥力，从而影响相关元素的含量变化[19]。秸秆还田还提高了土壤中有机质以及相关养分质量分数[20]。棉花产量与玉米产量空间分布区域较为不同，其在不同区域内分布较为集中，使之更好判断不同研究元素对不同作物产量有不同的影响。

3.2.1 秸秆还田 通过表格数据(表5)秸秆还田对相关研究元素空间相关性均产生负相关影响，秸秆还田与有效锰、有效硅之间相关性较强，有效磷相关性小于0.1，其影响力不足，均呈现负相关性，秸秆还田对研究区有效硅、有效锰、有效锌的空间变化有较强影响(P<0.05)，而秸秆还田对有效磷的作用不明显。

3.2.2 棉花产量 棉花产量与研究元素进行相关性分析可得，棉花产量与有效锌呈现负相关性，其余的呈现正相关性，其中对有效锰的空间相关性最强为0.874，棉花产量对有效硅和有效锰有较强影响(P<0.05，表6)，对有效锌影响较弱；随着棉花产量的提高，有效锰、有效锌相关趋势性较若，研究元素均有正向趋势(图6)。

3.2.3 玉米产量 玉米产量对有效硅、有效锰有较强空间相关性，分别为-0.790与-0.883，对有效硅与有效锰有较强影响，其中有效硅、有效锰呈现负相关性，对有效硅、有效锰、有效锌的空间变化有较强影响(P<0.05)，而有效磷作用不明显(表7)，随着玉米产量增加有效硅和有效锰呈现递减趋势，有效磷和有效锌呈现递增的趋势，有效锰和有效锌趋势性较为明显(图7)。

通过上述环境因素的相关分析，研究区主要以盐土和草甸土为主，其水源有相应保障，首先秸秆还田，农作物秸秆本身含有相关植物所需的相应元素，将秸秆耕翻入土，经过一系列变化腐烂，增加土壤肥效，起到了决定性作用[21]，对有效锰、有效硅影响最为强烈；通过棉花产量与玉米产量空间分布情况，可以看出种植棉花对有效硅、有效锰有较强影响，使其呈现正相关性，各元素空间分布与棉花产量空间分布进行对比，有效锰、有效硅空间分布随棉花产量空间分布之间呈现区域相关性，均在伽师县有较高含量，伽师县大量种植棉花，随着棉花的生长发育，将其较好的参与光合作用，从而需要大量有效锰、有效硅的参与；其次对于种植玉米而言，玉米种植也对有效锌和有效锰有较高的相关性，玉米产量增加时，对有效锌的需求也在增加，从而减少空秆率，增强抗病力；在土壤类型中，有效硅对不同土壤类型有明显差异，在灌淤土中，有效磷、有效锌平均含量较高，在风沙土中，有效硅、有效锰平均含量较高，其中磷的线性趋势较为平稳，其波动性较弱，在栗钙土中研究元素变异性较弱。

表7 玉米产量与各研究元素相关性和回归分析

4 结 论

运用地统计学和空间插值方法，定量分析了喀什地区土壤微量元素空间分布特征及相关环境影响因素。

(1)总体来看，研究元素变异性总体呈现较低水平(<29 %)，相关元素呈现区域集中化分布特点，环境因素对有效硅、有效锰有较强影响，而对有效磷、有效锌呈现区域性变化。

(2)研究区主要以盐土和草甸土为主，在风沙土中有效硅、有效锰平均含量较高，除了栗钙土、棕钙土、风沙土、湖泊、水库，其余土类中元素的变异情况较强。

(3)通过此次研究，结合统计学、地统计学和空间分析方法，了解干旱区相关元素的空间特征，分析和统计各个元素所持的不同水平，得到符合干旱地区各元素的分布变化情况，结合环境因子，了解环境因素对营养元素的影响，维持土壤养分平衡，为确保农作物更好的生长提供参考。