基于GIS和地统计的伊犁州农田土壤养分空间变异特征分析
2019-12-31陈署晃李永福耿庆龙
李 娜,陈署晃,赖 宁,李永福,耿庆龙
(新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091)
0 引 言
【研究意义】土壤养分含量是表征土壤肥力的重要指标，土壤肥力状况更是关乎绿洲农业可持续发展的关键因素。土壤养分的空间变异特征在一定程度上反映了土壤耕作层中土壤养分的丰缺程度，掌握其变异性及分布规律对提高农业土肥利用效率、土壤分区管理及保持土壤肥力等具有重要意义[1,2]。【前人研究进展】地统计学方法是研究土壤空间养分变异以及在不同尺度下的土壤养分分布特征最常用的统计分析方法[3]。赵明松等[4]采用地统计分析表明,蒙城县土壤养分的变异函数符合指数模型,具有中等强度的空间自相关性。在空间上呈块状分布。王雪梅等[5]基于GIS与地统计学方法，分析了新疆精河县耕层土壤养分空间变异特征及影响因素，结果表明：该地区有效磷的空间变异性较强，速效钾的空间变异性最弱。各土壤养分元素在绿洲内部具有较高含量的片状和斑块状分布,而在绿洲外缘,其含量相对较低,且呈大面积的片状分布。陈桂香等[6]采用GIS和地统计学相结合的方法，分析了福州市农田土壤养分的空间分布特征及与地形因子的相关关系，研究结果表明有机质、碱解氮与地形起伏度、高程及坡度等呈显著正相关，而有效磷和速效钾呈显著负相关。【本研究切入点】随着GIS技术的飞速发展，将GIS技术与地统计方法结合分析土壤养分空间特征已成为当前研究的热点之一。通过地统计学方法的引入，土壤养分空间变异性的研究由传统的定性研究逐步发展到定量的研究。研究基于GIS技术和地统计方法，分析伊犁州地区农田土壤养分空变异特征。【拟解决的关键问题】采用GIS技术和地统计学相结合的方法对伊犁州耕层土壤(0～ 20 cm)5种养分(全氮、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾)进行空间变异特征研究，掌握该地区农田土壤肥力的空间差异，为该地区土壤施肥与土壤养分管理及农业布局提供参考。
1 材料与方法
1.1 材 料
伊犁哈萨克自治州位于新疆西部天山北部的伊犁河谷内，辖2个地级行政区、11个县级行政区，地处80°9′42″～91°01′45″E，40°14′16″～49°10′45″N,土地总面积为2.69×105km2。地貌类型复杂多样，山地多分布在西南部、东北部和准噶尔盆地西部；丘陵分布在山麓缓坡地带；平原分布在天山谷地、乌伦古河河谷、额尔齐斯河河谷、准噶尔盆地及盆地西部山区；沙漠分布在布尔津、哈巴河、吉木乃、霍城等县(市)。属温带大陆性气候，山地多雨湿润，平原少雨干燥。平均年降水量为295.03 mm，年平均气温为8.3℃。伊犁州主要土壤类型有：潮土、灌耕土、草甸土、沼泽土、黑钙土、灌耕黑钙土、栗钙土等。有机质、速效钾含量较高，pH值为7.3～8.4，呈中性偏微碱。结合研究区土壤类型及分布及地形地貌，将土地利用现状图、2 km×2 km方格网进行叠加布设采样点。
1.2 方 法
利用GPS确定样点坐标，采集土壤表层(0～20 cm)土样。共计948个样点，将采集的948个土壤样品统一分析，测试有机质(SOM)及5大养分指标：全氮(TN)、碱解氮(AN)、有效磷(AP)、速效钾(AK)。土样经室内自然风干后，统一过网筛选后进行混匀。图1
图1 伊犁州采样点分布
Fig. 1 Distribution map of Yili Prefecture sampling n=948)
不同土壤养分的分析测试方法分别为：全氮含量采用凯氏定氮法(NY/T1121.24-2012);有机质含量采用重铬酸钾法(NY/T1121.6-2006);碱解氮含量采用碱解扩散法(LY/T1229-1999);有效磷含量采用碳酸氢钠溶液浸取—分光光度法测定(NY/T1121.7-2014)；速效钾含量测定采用1 mol/L乙酸铵浸提-火焰光度法(NY/T889-2004)。
1.3 数据处理
使用Statistics SPSS 16.0软件，对土壤元素含量特征进行描述性统计和正态分布检验，检验土壤样品各元素含量是否服从正态分布；对不服从正态分布的数据，进行对数转换，使其服从对数正态，再使用ArcGIS 10.2软件的Kriging(普通克里格)空间插值和地统计分析。土壤养分含量的分级参照《全国九大农区及省级耕地质量监测指标分级标准(试行)》和《土地质量地球化学评价规范(DZ/T 0295-2016)》[7]，划分为丰富、较丰富、中等、较缺乏、缺乏五个等级。
2 结果与分析
2.1 伊犁州土壤养分含量的描述性统计
土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量服从对数正态分布(K-S检验，P<0.05)，而土壤有机质含量服从对数二阶正态分布，表层土壤有机质受施肥的影响较大。研究区土壤中全氮、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的平均含量分别为1.36 g/kg、35.32 g/kg、88.38 mg/kg、28.72 mg/kg、235.40 mg/kg，其中，碱解氮和速效钾的变化范围较大。变异系数可以表征土壤特性的空间变异程度.一般来说，当变异系数CV≤0.1时为弱变异性；CV在0.1～1.0时为中等变异性；CV≥1.0时，为强变异性。该地区5种土壤养分含量变异系数最大为有效磷(0.82)，次之有机质(0.79)，两者变异强度较高，在该区域分异显著，可能受人为活动影响较大。其它肥力指标变异系数处于0.60～0.67，均属于中等变异强度，表明在该区域有一定差异，但变化不显著。依据新疆第二次土壤普查的养分含量分级标准[8-9]，研究区速效钾、有机质、有效磷平均含量均处于较高水平；全氮、碱解氮平均含量均处于较低水平。表 1
表 1 土壤各肥力指标描述性统计特征
Table 1 The descriptive statistics of soil fertility factors contents in study area
肥力指标Fertility indices样点数Samples分布类型Distribution types极小值Min.极大值Max.均值Mean标准差St.d变异系数CV偏度Skewness峰度KurtosisTN948对数正态0.117.701.360.810.602.9112.74SOM948对数正态2.64145.5735.3227.770.791.641.91AN948对数正态4.80467.9088.3852.780.602.8212.28AP948对数正态 1.00164.0328.7223.530.821.582.70AK948对数正态30.002 056.00235.40156.920.674.0832.46
注：TN表示全氮，SOM表示土壤有机质，AN表示碱解氮，AP表示有效磷，AK表示速效钾.下同
Note:SOM represents soil organic matter, TN represents total nitrogen, AN represents available nitrogen, AP represents available phosphorus, AK represents available potassium. The same as below
2.2 伊犁州土壤养分指标分级比例
研究表明,SOM含量最高，丰富(SOM>25 g/kg)的样点比例为45.46%，其次为AK、AP，丰富(AK>250 mg/kg、AP>30 mg/kg)的样点比例分别为32.81%、31.65%；TN含量较高，较丰富(1～1.5 g/kg)的样点比例为41.98%；AN含量相对较低，缺乏和较缺乏(0～90 mg/kg)的样点比例超过65.72%。相比而言，TN、SOM含量总体较高，较丰富以上的样点比例分别占66.66%、61.07%，中等水平以上的样点比例分别占89.44%、87.02%；其次为AK、AP，较丰富以上的样点比例分别占50.85%、49.37%，中等水平以上的样点比例分别占71.21%、64.41%；AN含量相对较低，缺乏和较缺乏的样点比例超过65.72%。研究表明，伊犁州农田土壤TN、SOM、AK、AP含量总体较为丰富；AN含量总体处于缺乏水平。AK、AP含量较高可能是该地区过量施用钾肥、磷肥。表2
表2 伊犁州土壤养分含量分级与比例统计
Table 2 Soil nutrient content grading and proportion statistics in Yili Prefecture
肥力指标Fertility indices丰富Rich较丰富Less rich中等Moderate较缺乏Less deficient缺乏Deficient含量Content比例Ratio(%)含量Content比例Ratio(%)含量Content比例Ratio(%)含量Content比例Ratio(%)含量Content比例Ratio(%)TN>1.524.68>1.0-1.541.98>0.75～1.022.78>0.5～0.757.28≤0.53.27SOM>2545.46>20～2515.61>15-2025.95>10-1510.23≤102.74AN>1508.54>120～1507.07>90～12018.67>60～9040.19≤6025.53AP>3031.65>20～3017.72>15～2015.40>8-1524.26≤810.97AK>25032.81>200～25018.04>150～20020.36>100～15019.94≤1008.86
注：TN、SOM含量单位为g/kg，其他元素含量单位为mg/kg。下同
Note：The unit for TN and SOM is g/kg，and for all the others mg/kg. The same as below
2.3 伊犁州土壤养分空间变异特征
研究表明，全氮、碱解氮的变异函数曲线的理论模型能较好地符合高斯模型；有机质、有效磷的变异函数曲线符合球形模型；速效钾的变异函数曲线的理论模型则能较好的符线性模型。
块金值(C0)表示由随机性因素引起的变异，即由试验误差或小于试验取样尺度所引起的变异[12]。全氮、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾的C0分别为0.164、0.001、0.155、0.256、0.259。说明在采样尺度范围内存在采样的误差、短距离的变异、施肥耕作措施及种植制度等随机性因素引起的变异[10,12]。块基比C0/(C0+C)可用来表明土壤性质空间相关性的程度。当C0/(C0+C)<0.25时，说明其空间相关性极强，变异性主要受结构因素影响；0.25
表3 伊犁州土壤养分的半方差模型类型及其参数值
Table 3 Types of semivariogram models of soil nutrients in Yili Prefecture and their parameter values
肥力指标Fertility indices理论模型Theoretical model块金值C0基台值C0+C块基比C0/(C0+C)变程A0(km)决定系数R2残差RSSTN高斯0.1641.5280.107 5.070.9736.36E-03SOM球形0.0010.4610.002 1.250.7640.082 7AN高斯0.1552 0770.000 07 5.780.9570.012 7AP球形0.2560.6360.403 1.210.5370.125AK线性0.2590.3430.755 2.890.8791.277E-0.3
2.4 伊犁州土壤各指标的空间分布
研究表明,伊犁州5个土壤养分含量在空间分布上多呈斑块状格局。5个养分指标中，TN、AN含量的空间分布大体相似，含量较高的区域主要分布在尼勒克县和新源县；含量较低的区域主要分布在霍城县、伊宁市、察布查尔锡伯自治县、昭苏县。SOM、AP含量的空间分布大体相似，含量较高的区域主要分布在昭苏县；含量较低的区域主要分布在霍城县、伊宁市、伊宁县、巩留县。AK含量的空间分布相对均衡，含量较高的区域在霍城县、察布查尔锡伯自治县、昭苏县、特克斯县、新源县、尼勒克县、奎屯市均有分布。总体而言，伊犁州土壤养分含量空间分布总体呈现南高北低、东高西低的格局。图2
注：a、b、c、d、e分别表示全氮、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾的空间分布
Note:a,b,c,d,and e represent the spatial distribution of total nitrogen, organic matter, alkali nitrogen,available phosphorus,and available potassium,respectively
图2 伊犁州土壤养分含量空间分布
Fig. 2 Spatial distribution of soil nutrient content in Yili Prefecture
3 讨 论
目前，研究分析土壤养分空间变异特征，采用 GIS 和地统计学相结合的方法较为普遍。通过土壤样本采样与分析，测定不同成分的含量，利用地统计分析模块进行空间变异分析。研究以伊犁州为例，利用ArcGIS10.2地统计分析功能研究伊犁州土壤全氮含量、有机质含量、碱解氮含量、有效磷含量和速效钾含量的空间变异特征，5 种养分值均为中等变异，有效磷的变异系数最大，全氮变异系数最小，所有变量均符合对数正态分布。伊犁州农田土壤TN、SOM、AK、AP含量总体较为丰富；AN含量总体处于缺乏水平。通过实地采样点调查可知，结果与近年来该区域大力推广实施“2+x”田间肥料试验(包括常规施肥、优化施肥和小区施肥等多种方式)有关，在一定范围内提高了速效养分的含量。数据经过半变异函数的参数拟合发现，全氮、碱解氮为高斯模型；有机质、有效磷为球形模型；速效钾的变异函数曲线的理论模型则能较好的符线性模型。全氮、有机质、碱解氮为极强的空间相关性，主要受结构因素的影响；有效磷为中等强度的空间自相关性，主要是受结构性因素和人为影响造成的。速效钾为较弱的空间自相关性，受随机因素影响较大。在土地利用中要加强用养结合，科学施用化肥。土壤养分含量在空间分布上多呈斑块状格局，全氮、碱解氮在东部相对含量较高；有机质、有效磷在南部含量相对较高；速效钾的含量分布较均匀。因此，在今后的农业施肥过程中，在西部适当增加氮素的输入，可以适当增加东部有机肥的投入。
4 结 论
4.1 伊犁州土壤中有效磷、有机质属于强变异强度，变异系数分别为0.82、0.79；其它肥力指标变异系数处于0.60～0.67，均属于中等变异强度，表明在该区域有一定差异，但变化不显著。研究区速效钾、有机质、有效磷平均含量均处于较高水平；全氮、碱解氮平均含量均处于较低水平。
4.2 伊犁州土壤TN、SOM含量总体较高，较丰富以上的样点比例分别占66.66%、61.07%；中等水平以上的样点比例分别占89.44%、87.02%；其次为AK、AP，较丰富以上的样点比例分别占50.85%、49.37%，中等水平以上的样点比例分别占71.21%、64.41%；AN含量相对较低，缺乏和较缺乏的样点比例超过65.72%。
4.3 伊犁州全氮、有机质、碱解氮表现为极强的空间相关性，其块基比分别为0.107、0.002、0.000 07，其空间变异性主要受结构因素的影响；有效磷的块基比为0.403，在区域内表现为中等强度的空间自相关性，其空间分布主要受结构因素和随机因素的共同作用。速效钾的块基比为0.755，在区域内表现为较弱的空间自相关性，其空间分布受随机性因素影响较大。
4.4 伊犁州5个土壤养分含量在空间分布上多呈斑块状格局。5个养分指标中，TN、AN含量的空间分布大体相似，含量较高的区域主要分布伊犁州的东部；SOM、AP含量的空间分布大体相似，含量较高的区域主要分布伊犁州的南部；AK含量的空间分布相对均衡。伊犁州土壤养分含量空间分布总体呈现南高北低、东高西低的格局。
