皖东江淮丘陵县域农田土壤有机质空间变异特征

顾成军，高正宝，赵明伟

（1．滁州学院土木与建筑工程学院，安徽 滁州 239000；2．滁州市农业技术推广中心，安徽 滁州 239000；3．滁州学院地理信息与旅游学院，安徽 滁州 239000）

土壤是在成土因素长期作用下形成的复杂自然综合体，具有高度的空间变异性［1］。土壤有机质是土壤的重要组成部分，其含量大小和动态平衡能够反映出土壤质量的健康状况和土壤肥力水平的高低，是评价土壤质量和土壤肥力的重要指标［2-3］。揭示区域农田土壤有机质的空间变异特征能够为农田土壤肥力评价和土壤养分管理提供依据，是实现土壤资源可持续利用的前提。

土壤特性的变异性是尺度的函数，不同尺度下，同一变量的自相关程度相差很大［4］。自20世纪70年代以来国内外众多学者运用地统计学方法从不同尺度方面对土壤有机质的空间变异特征进行了研究［5-9］，其中县域尺度是土壤有机质空间变异研究的一个重要尺度［10-15］。但从已有县域土壤有机质空间变异特征研究来看，不同区域县域土壤有机质的空间变异特征仍存在较大差异。例如宋莎等对四川省双流县农田土壤有机质空间变异研究表明，双流县土壤有机质含量具有强烈的空间相关性，空间变异主要受结构性因子的影响［10］。赵业婷［11］等对渭北台塬区蒲城县耕地土壤有机质空间特征研究表明，蒲城县耕地土壤有机质表现为中等强度的空间变异性，其空间变异性是受自然因素和人为因素交互作用的结果。而唐杰等［12］对川中丘陵区大英县土壤有机质空间变异特征研究表明，大英县农田土壤有机质空间自相关性较弱，其空间变异主要受随机性因素影响。

皖东江淮丘陵位于长江和淮河两大流域之间，是江淮丘陵的主要分布区域，也是国家重要的商品粮基地。赵明松等［15］曾以定远县为例，对该区域县域农田土壤有机质的空间变异特征进行了研究。但考虑到该区域复杂的地形条件，选择单一的县域进行研究可能无法准确反映出该区域县域农田土壤有机质的空间变异特点。因此本文基于皖东江淮丘陵滁州市7个县域的农田土壤有机质数据，运用传统统计学和地统计学方法分析了皖东江淮丘陵县域农田土壤有机质的空间变异特征，以期为皖东江淮丘陵县域农业的发展和土壤资源的合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

滁州市又名皖东，地处安徽省东部，江淮之间（30°51′～ 33°13′N，117°10′～ 119°13′E），面积13 523.22 km2。下辖南谯区、琅琊区、全椒县、来安县、定远县、凤阳县、天长市和明光市8个区县市。属于北亚热带向暖温带过渡的湿润、半湿润季风气候，四季分明，气候温和，雨热同季，易旱易涝。地势西高东低，并以江淮分水岭为中脊逐渐向淮河、长江2个方向低倾，东南部属于长江流域，西北部属于淮河流域。地貌是以丘陵、岗地和平原相间的分布格局［16］。土壤类型主要有黄棕壤、黄褐土、紫色土、黑色石灰土、石质土、粗骨土、潮土、砂姜黑土和水稻土9个土类，其中以水稻土、黄棕壤、粗骨土和潮土分布面积较大，为主要土壤类型。滁州市耕地面积为703 773.34 hm2，约占滁州市总面积的52.04%，是全国重要的商品粮生产基地。

1.2 数据来源

由于滁州市琅琊区主要为市区，农田分布较少，所以本研究只选取了其它7个县域进行分析。土壤样点数据来自于2006～2010年滁州市测土配方施肥项目，由滁州市农业技术推广中心提供，共有有效样点14 203个。根据地貌、土壤类型和土地利用等选取典型田块进行采样，采集深度为0～20 cm的耕作层，通过GPS定位获取采样点的经纬度。依据各县域土种志中记录的每一个土种的质地类型，按照采集样品所属的土种可以确定每一个样点的土壤质地，质地分级采用卡庆斯基制。土壤有机质的测试方法为油浴加热重铬酸钾氧化容量法。所有样点的空间分布见图1。

图1 滁州市县级行政区划和土壤采样点图

1.3 研究方法

运用传统统计学和地统计学方法分析滁州市县域农田土壤有机质的空间变异特征。其中传统统计学主要是应用SPSS 19.0软件对样本进行描述性统计、正态分布检验和方差分析，以反映土壤有机质的总体变异特征和影响因素。地统计学方法主要是应用地统计软件GS+7.0对样本进行半方差函数模型拟合，以反映土壤有机质的空间变异结构。由于地统计分析时，要求数据变量必须满足正态分布，因此在分析前首先运用SPSS软件中的频率分布直方图对滁州市各县域农田土壤有机质数据进行了正态分布检验，结果表明滁州市各县域农田土壤有机质数据基本符合正态分布，可以直接进行地统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤有机质描述性统计特征

滁州市各县域农田土壤有机质的描述性统计见表1，不同县域农田土壤有机质的平均含量存在差异。7个县域中天长市农田土壤有机质平均含量最高，为19.90 g·kg-1，其次为南谯、全椒、来安、凤阳和定远，明光市农田土壤有机质平均含量最低，仅为15.16 g·kg-1，天长市农田土壤有机质平均含量是明光市农田土壤有机质平均含量的1.31倍。按照全国耕地土壤养分等级划分标准［17］，滁州市各县域农田土壤有机质平均含量均属于第四等级，土壤有机质含量总体水平较低。

土壤特性空间变异性的大小一般用变异系数（CV）来表示。通常认为CV≤10%时为弱变异性，10%＜CV＜100%时为中等变异性，CV≥100%时为强变异性［13］。滁州市不同县域农田土壤有机质的变异系数也存在差异，但与土壤有机质平均含量差异不同。各县域农田土壤有机质的变异系数以明光市最大，为22.4%，其次为定远、南谯、全椒、来安和凤阳，而天长市农田土壤有机质变异系数最小，仅为11.0%，明光市农田土壤有机质的变异系数是天长市的2.04倍。按照变异系数的划分标准，滁州市7个县域农田土壤有机质的变异系数均属于中等变异强度，土壤有机质存在很大空间变异性。

表1 土壤有机质的描述性统计

2.2 土壤有机质空间变异结构特征

土壤有机质的空间变异主要由结构性因素和随机性因素引起。结构性因素会加强土壤有机质的空间自相关性，而随机性因素会减小土壤有机质的空间自相关性［18-19］。通过对地统计方法中拟合的土壤有机质半方差函数进行解析可以有效地揭示土壤有机质的空间变异结构。滁州市各县域农田土壤有机质半方差函数模型的拟合结果见表2。7个县域农田土壤有机质半方差函数模型拟合的决定系数为0.503～0.956，模型拟合总体效果较好。各县域农田土壤有机质半方差函数的最佳拟合模型均为指数模型，但不同县域农田土壤有机质半方差函数模型的块金效应和变程存在较大差异。

块金效应是块金值和基台值的比值，能够反映出系统变量的空间相关性程度［20］。块金效应小于25%表示变量具有强烈的空间自相关性；在25%～75%之间表示变量具有中等的空间自相关性；大于75%表示变量空间自相关性很弱。滁州市7个县域中，南谯、来安、明光、凤阳和全椒5个县域农田土壤有机质半方差函数模型的块金效应较小，为7.3%～13.1%，属于强烈空间自相关性，说明这5个县域农田土壤有机质的空间变异主要受结构性因素影响，随机性因素影响较小。而定远和天长两个县域农田土壤有机质半方差函数模型的块金效应相对较大，分别为50.0%和50.6%，属于中等空间自相关性，说明这两个县域农田土壤有机质的空间变异受结构性因素和随机性因素共同影响。

表2 土壤有机质半方差函数模型及参数

变程也称为空间最大相关距离，反映了变量空间相关范围的大小［21-22］，变程以内的空间变量具有空间自相关性，变程以外则不存在空间自相关。与块金效应值差异相一致，滁州市各县域中南谯、来安、明光、凤阳和全椒5个县域农田土壤有机质的变程为3 060～4 290 m，空间相关距离相对较小，土壤有机质的空间连续性较差。而定远和天长两个县域农田土壤有机质的变程分别为17 460和29 910 m，空间相关距离相对较大，土壤有机质的空间连续性较好。

2.3 土壤有机质空间变异的影响因子

上面分析表明，结构性因素在滁州市各县域农田土壤有机质的空间变异中都起到重要作用，而随机性因素仅对定远和天长两个县域农田土壤有机质的空间变异有较大的影响，因此从总体上来看相对于随机性因素，结构性因素是滁州市县域农田土壤有机质空间变异的主要影响因素。结构性因素一般是指气候、母质、地形和土壤类型等非人为的区域因素，涉及的类别较多。为进一步反映出滁州市县域农田土壤有机质的空间变异特征，本文结合现有数据，运用方差分析方法选择并分析地貌、土壤类型和质地这3个结构性因子对滁州市县域农田土壤有机质空间变异的影响，以明确滁州市县域农田土壤有机质空间变异的影响因子。

滁州市各县域不同结构性因子的土壤有机质方差分析结果见表3，不同县域农田土壤有机质的结构性影响因子存在差异。7个县域中，南谯区和全椒县不同地貌类型和土壤质地的土壤有机质含量存在显著（P＜0.05）或极显著差异（P＜0.01），但不同土壤类型的土壤有机质含量差异不显著（P＞0.05），说明南谯区和全椒县农田土壤有机质的空间变异受地貌和土壤质地的影响，与土壤类型关系不大。凤阳、明光和天长3个县域内不同地貌的土壤有机质含量差异不显著（P＞0.05），但不同土壤类型和土壤质地的土壤有机质含量存在显著（P＜0.05）或极显著差异（P＜0.01），说明地貌对这3个县域农田土壤有机质空间变异没有显著影响，凤阳、明光和天长土壤有机质的空间变异受土壤类型和土壤质地这两个因子影响。而定远和来安两个县域不同地貌、土壤类型和土壤质地的土壤有机质含量均存在显著（P＜0.05）或极显著差异（P＜0.01），定远和来安县土壤有机质的空间变异受地貌、土壤类型和质地3个影响因子共同影响。

表3中F值为组间均方与组内均方的比值，表示不同分组间样本均数的差别，其值越大说明不同分组间的差异越明显。比较滁州市7个县域内不同结构性影响因子方差分析的F值，可以看出各县域内不同影响因子方差分析的F值差异较大。7个县域中，南谯、明光和全椒3个县域土壤质地方差分析的F值要大于地貌或土壤类型，说明这3个县域不同质地的土壤有机质含量差异较大，土壤有机质的空间变异主要受土壤质地影响。而定远、凤阳、来安和天长4个县域土壤有机质空间变异的各影响因子中以土壤类型方差分析的F值最大，说明这4个县域土壤有机质空间变异主要受土壤类型影响。

表3 不同结构性因子的土壤有机质方差分析结果

3 讨论

滁州市各县域农田土壤有机质的变异系数为11.0%～22.4%，平均变异系数为17.1%，总体上要小于高正宝等［16］研究的滁州市农田土壤有机质的变异系数（21%）。在空间变异结构方面，南谯、来安、明光、凤阳和全椒5个县域的土壤有机质为强烈空间自相关，与滁州市农田土壤有机质存在的中等空间自相关也有很大的不同［16］，反映了皖东江淮丘陵地区农田土壤有机质空间变异特征存在着空间尺度上的差异。因此有必要对皖东江淮丘陵县域农田土壤有机质的空间变异特征进行研究，以便为该地区县域农业发展和土壤养分管理提供依据。

目前相关县域土壤有机质空间变异的研究很多，从已有研究来看，山地丘陵区县域土壤有机质往往存在着较大的空间变异［10，12-13］。例如唐杰等［12］对川中丘陵区大英县土壤有机质空间变异特征研究表明大英县土壤有机质的变异系数为44.68%。与之相比，滁州市各县域农田土壤有机质的空间变异系数（11.0%～22.4%）要明显偏小，说明皖东江淮丘陵县域农田土壤有机质具有空间变异较小的特点。这应该与皖东江淮丘陵位于长江和淮河流域之间，处于侵蚀剥蚀环境有关。长期的土壤侵蚀导致该地区土壤有机质流失严重，减少了不同环境因子之间土壤有机质的差异。但滁州市各县域农田土壤有机质仍为中等程度变异，县域内存在很大空间变异。而从土壤有机质的空间变异结构和影响因子来看，滁州市各县域农田土壤有机质的空间变异主要受地貌、土壤类型和质地等结构性因素影响，人为随机性因素影响相对较小。由于滁州市各县域农田土壤有机质含量水平较低（15.16～19.90 g·kg-1），因此皖东江淮丘陵在县域农田土地利用中，应该采用更多的人为措施如实施有机肥、改变耕作措施和灌溉水平等来提高土壤有机质含量，改善土壤质量。

滁州市不同县域农田土壤有机质的空间自相关程度和结构性影响因子存在差异，在土壤有机质含量水平和变异系数方面也有很大不同。结合图1滁州市高程对比不同县域农田土壤有机质空间变异特征差异可以发现，滁州市不同县域农田土壤有机质空间变异特征的差异与滁州市在地形上受江淮分水岭控制有很大关系。离江淮分水岭岭脊较近的县域如南谯区地形主要以丘陵和岗地为主，受土壤侵蚀影响较大。土壤有机质空间变异特征表现为土壤有机质的平均含量较小，变异系数较大。土壤有机质主要受土壤质地的影响，存在强烈的空间自相关性，且相关距离较小。而离江淮分水岭岭脊较远的县域如天长市，地形主要以岗地和平原为主，受土壤侵蚀影响较小。土壤有机质空间变异特征表现为土壤有机质平均含量较大，变异系数较小，受结构性因素影响相对较小而存在中等空间自相关性。在结构性影响因素中，由于主要受土壤类型影响，土壤有机质的空间相关距离较大，空间连续性较好。因此在对皖东江淮丘陵县域农田土地利用中，也应该考虑到不同县域土壤有机质空间变异特征的差异。位于皖东江淮分水岭岭脊附近的县域如南谯区更多地应该实行保护性耕作如免耕等以防止土壤侵蚀造成土壤有机质的进一步流失。而离江淮分水岭岭脊较远的县域如定远和天长，由于农业活动强度较大，应该及时增施有机肥，合理使用化肥，以维持农田土地利用中土壤有机质输入与输出的动态平衡，实现土壤资源的可持续利用。

4 结论

滁州市各县域农田土壤有机质含量较低，县域内土壤有机质均存在中等程度变异。地貌、土壤类型和质地等结构性因素对滁州市各县域农田土壤有机质的空间变异起到重要作用，而随机性因素影响相对较小。但不同县域农田土壤有机质在空间自相关程度和结构性影响因子方面也存在很大差异。空间自相关程度方面，南谯、来安、明光、凤阳和全椒5个县域为强烈空间自相关，而定远和天长两个县域为中等空间自相关。结构性影响因子方面，南谯、全椒和明光3个县域主要受土壤质地影响，而定远、凤阳、来安和天长4个县域主要受土壤类型影响。因此皖东江淮丘陵各县域应在结合其土壤有机质空间变异特点的基础上对农田土壤资源进行合理利用与保护，以提高土壤有机质含量，改善土壤质量。