湖南省汨罗市耕地土壤养分空间变异特征研究

2021-02-23肖凯琦董好刚

华南地质 2021年4期

肖凯琦，董好刚，郭军，李毅，陈彪

（中国地质调查局长沙自然资源综合调查中心，长沙 410000）

土壤空间变异性特征对科学管理耕地土壤养分，促进农业可持续发展具有重要意义。自二十世纪八十年代开始，采用地统计学方法对土壤空间变异性特征研究成为现代土壤科学研究热点之一。随着GIS工具的成熟，我国部分学者结合GIS的空间分析功能，在这方面进行了相关研究，如姜丽娜等[1]对水网平原水稻进行空间变异研究，杨美玲等[2]对库车县耕层土壤进行养分空间变异研究，赵倩倩等[3]对高密市土壤养分元素空间变异特征进行了研究。然而以往各类县域土壤养分特征研究普遍存在采样间距大、采样数量少、分布不均匀，导致空间相关性不强，从而影响克里金估值的精度。适当加密采样密度，合理分配采样的点位空间，使得差值分析更精准，才能更合理地指导耕地土壤养分的科学管理。

汨罗市是全国重点的商品粮基地，该地区农业发达，是湖南省重要的粮食产出地。汨罗市耕地质量等别变化资料[4]表明，汨罗市耕地质量逐年上升，但目前对汨罗耕地土壤养分空间变异特征的研究还比较缺乏。因此，本文以1∶5万土地质量调查项目为依托，适当加大采样密度，合理分配采样点位空间，对汨罗市主要耕地区土壤养分特征进行丰缺分析，使用地统计学与GIS相结合的方法对土壤养分要素空间分布特征及其变化规律进行研究[5]，旨在探明该区主要耕地区土壤养分状况，指导合理平衡施肥及实现特色优质产业化，为科学管理耕地土壤养分提供理论依据[6]。

1 研究区概况

汨罗市简称罗城，隶属于岳阳市，地处湖南省东北部，紧靠洞庭湖东畔、汨罗江下游。汨罗市东部、东南部分别与长沙市长沙县、望城区接壤，西邻湘阴县和沅江市，北接岳阳县,东北与平江县交界。因境内有汨水、罗水会合，其下游名汨罗江，因以名市，是“中国龙舟名城”。研究区选取汨罗市的主要耕地区，包括白塘镇、桃林寺镇、汨罗镇、古培镇及隶属于岳阳市的屈原管理区中的营田镇、凤凰乡、河市镇。

研究区内主要成土母质类型有第四纪红色黏土、河湖沉积物、花岗岩及其风化物和紫色砂页岩及其风化物，以第四纪红色黏土和河湖沉积物为主。第四纪红色黏土主要分布于研究区的东部和南部，河湖沉积物主要分布于西部的大片平原区。区内主要土地利用类型有耕地、林地、园地、建筑用地和水系，区内有红壤，水稻土，河、湖潮土以及中性紫色土等土壤类型；其中以红壤和水稻土为主，红壤分布于研究区的东北部及南部，水稻土分布于西部平原区和北部的低岗区（图1）。

图1 研究区土壤类型及点位分布图Fig. 1 Distribution map of soil types and sampling points in the study area

2 样品采集与测试方法

2020年4 月-8月，使用经过校正的手持GPS，采用航迹监控在研究区内进行定点均匀采样，共取土壤样品5434件，平均采样密度为9点/km2，采样密度范围为4点/km2～16点/km2，设置500 m*500 m的网格，在采样格子中选择能够代表该采样单元格的主要土地利用类型区域采集样品，采样深度为0～20 cm，采用“X”型或“S”型采样法进行采样，由4个子样等量混合组成1件样品，保留大约2 kg土样。将土壤样品登记编号，经加工后进行土壤分析测定。

土壤样品由湖南省地质测试研究院进行分析测试，采用常规方法进行：全氮测定采用元素分析仪法；全磷测定采用电感耦合等离子体发射光谱法；全钾测定采用电感耦合等离子体发射光谱法；pH 值测定采用玻璃电极法；有机质测定采用容量法，分析质量控制通过送样单位插入5%的重复分析样品，以及密码插入外部监控样（基本样的5%）等方法来进行。按密码编入每批（约50个号码，每批插入1件）预先由采样单位留好的空号内与样品同时分析，对总体数据的分析质量进行全面评估。

3 图件、数据处理及统计分析方法

本文采用SPSS 19.0对各土壤点位数据进行正态分布验证、数据标准化，各元素空间分布图采用excel2006软件整理数据ArcGis 10.2克里金差值成图。

地统计学方法以区域化变量理论为基础，以半方差函数和Kriging差值为基本工具，分析研究空间分布上既有随机性又存在结构性的自然现象的科学，弥补了经典统计学忽略空间方位的缺陷。本次研究采用ArcGis10.2软件中Geostatistics analysis模块中地统计学方法内克里金方法中普通克里金插值法，输出表面类型为预测进行插值分析建模[7]，输出其半变异函数直方图、克里金差值成图。选取不同的半方差模型对pH值及土壤养分要素进行拟合比较，常用的理论模型有球状模型、指数模型、高斯模型，拟合模型的选择标准为：标准方根预测误差RMSS趋向于1，标准平均值MS趋向于0[8]。

4 结果

4.1汨罗市耕地土壤养分等级状况

参照《DZ/T0295-2016 土地质量地球化学评价规范》[9]对pH等要素的等级进行划分（表1），根据土壤养分等级划分标准对研究区内采集的样品各养分要素进行丰缺分析，结果列于表2。由表2可知： pH及各养分要素平均值与中位数较为接近，表明其数据异常值对数据的影响较小。对各要素特征分析如下：

表1 土壤pH值及养分等级划分标准Table 1 Classification Standard of soil based on pH and nutrient elements

表2 汨罗市主要耕地区的土壤pH值及养分要素基本理化性状统计Table 2 Statistics of basic physical and chemical properties of soil based on pH and nutrient elements in the cultivated area of Minuo City

（1）汨罗市主要耕地区的pH值范围为3.81-8.5，平均值为5.1678，变异系数为9.39%，呈弱变异性，土壤呈酸性。

（2）汨罗市主要耕地区的有机质平均含量为33.0674 g/kg，变异系数为34.25%，呈中等变异。由表1可知，有机质的适宜范围为20-30 g/kg，因此，汨罗市耕地区有机质含量相对偏高，等级为二级。

（3）汨罗市耕地区氮的平均值为1.9965 g/kg，变异系数为33.50%，呈中等变异。由表1可知，土壤适宜全氮值为1-1.5 g/kg，总体来看，汨罗市耕地区氮含量较高，等级为二级。

（4）汨罗市耕地区土壤中磷的平均含量为0.6644 g/kg，变异系数为39.51%，呈中等变异。由表1可知，土壤中磷含量最适宜的范围为0.6-0.8 g/kg，因此，汨罗市耕地区磷含量比较适宜，等级为三级。

（5）汨罗市主要耕地区钾平均含量为17.1391 g/kg，变异系数为29.87%，呈中等变异。由表1可知，钾含量的适宜范围为15-20 g/kg，因此，汨罗市耕地区钾含量较为适宜，等级为三级。

4.2 不同类别土壤养分特征

对研究区内不同成土母质、土地利用类型、土壤类型的土壤养分要素值进行加权平均值统计计算，分别列于表3、表4、表5。

（1）研究区不同成土母质类型的土壤养分要素值（表3）表明：河湖沉积物成土母质土壤的pH值相对较高，花岗岩及其风化产物成土母质土壤pH值相对较低；河湖沉积物成土母质土壤中有机质、全氮、全磷和全钾含量均高于其他成土母质类型；花岗岩及其风化产物成土母质土壤中有机质、全氮、全磷含量最低，第四纪红色黏土中钾含量最低

表3 研究区不同成土母质pH及养分要素统计Table 3 Statistical of pH and nutrient elements of different soil forming parent materials in the study area

（2）研究区不同土地利用类型土壤中养分要素统计值（表4）表明：研究区内耕地中有机质及N含量明显高于其余类型；水系中P、K富集，林地中P稀缺。

表4 研究区不同土地利用类型土壤中pH及养分要素统计Table 4 Statistical of pH and nutrient elements in soils of different land use types in the study area

（3）研究区不同类型土壤养分要素统计值（表5）表明：水稻土中的N和有机质相对富集，而湖、河潮土中P、K相对富集。

表5 研究区不同类型土壤pH及养分要素统计Table 5 Statistical of pH and nutrient elements of different types of soil in the study area

4.3 耕地土壤养分空间变异结构

土壤养分状况总体评价只能概括土壤特性的全貌，无法反应其局部的变化特征。由于各地区地形、气候、土壤类型、人类活动等的不同，土壤养分要素呈现空间变异性[10]，为定量刻画土壤养分的随机性、独立性、相关性和结构性，对土壤养分进行半方差分析，使用普通克里金探讨养分指标的空间变异结构[11]。各项参数见表6，其中pH、P、K最优半方差模型采用球状模型，OM和N最优半方差模型采用指数模型。

表6 研究区土壤pH值及养分要素理论半方差模型及其拟合参数Table 6 Theoretical semi variance model of soil pH and nutrient elements and its fitting parameters

块金值（C0）一般代表随机变异的量，表明的是随机部分的空间异质性，基台值（C+C0）则代表空间系统内的总变异，是空间变异的结构性方差。块金系数则代表随机部分的空间异质性与空间总变异的比值，是结构性因素和随机性因素共同作用于土壤养分要素空间变异的结果[12]。因此块金系数的大小反映元素空间相关性的程度，如果块金系数越大说明随机部分引起的空间变异程度越高。按照区域化空间相关性程度的划分标准[13]，块金系数＜25%，代表变量具有强烈的空间相关性，块金系数介于25%-75%则代表变量具有中等的空间相关性，块金系数＞75%则代表变量空间相关性较弱。变程是当半方差函数的取值由块金值达到基台值时，采样点间的距离，变程表示了在某种观测尺度下，空间相关性的作用范围[14]。

从图2和表6的分析结果可以看出，K的块金系数低于25%，属于极强的空间相关性，其空间变异主要受到地形、土壤类型、成土母质等结构性因素的影响，而pH、OM、N、P的块金系数均处于25%-75%之间，呈现中等的空间相关性，说明除结构性因素的影响外，随机因素（例如施肥、灌溉等）对元素空间变异有显著效果[15]。空间变异程度依次为：K＞pH＞N＞OM＞P。变程能反映空间自相关范围的大小，在各项要素分析中，变程相差较大，其中K的变程最大，达16.14 km，这除了与当地的地形、种植作物有关外，还和施肥情况有较大关系[16]。

图2 研究区土壤pH及养分要素的半方差图Fig. 2 Semivariogram of soil pH and nutrient elements

4.4 基于GIS的耕地土壤养分空间分布特征

根据土壤养分划分等级差值的分析得出研究区土壤养分要素的空间分布情况（图3），综合研究区内土壤类型、成土母质类型、土地利用类型等，总结如下：

图3 研究区土壤pH值及养分要素空间分布图Fig. 3 Spatial distribution map of soil pH value and nutrient elements

（1）汨罗市耕地区土壤整体呈酸性，东部和南部土壤部分呈强酸性，这与研究区的成土母质和土壤类型有关，东部和南部土壤类型主要为红壤，母质为第四纪红色黏土，其中富含丰富的Fe3+[17]，其土壤呈现酸性，而其余地区土壤类型大部分为水稻土，水稻土是后期人工种稻、淹稻形成的，为满足水稻的生长需要，土壤呈弱酸性。

（2）有机质、氮元素含量空间分布差异不大，在空间格局上具有很大的相似性，其原因为有机质的积累和分解直接影响氮在土壤中的贮藏，另外研究区以水田为主，其土壤受水耕影响，土壤中微生物较多，有利于土壤中氮和有机质的储存[18]。区域内有机质总体含量位于20-30 g/kg及30-40 g/kg的区间，处于含量较高的水平，全氮含量区间大部分为1.5-2 g/kg，含量较为丰富。西部屈原管理区为全国的重点商品粮基地，有机质和氮元素含量维持在较高水平。

（3）磷在研究区内整体分布较为均一，在东部的低岗地区以及南部的小块山地区域含量偏低，其余地区含量基本处于0.6～0.8 g/kg之间，较为稳定，在土壤中可利用率不高，使得其残留较多[19]。

（4）钾空间分布不均匀，在中部地区明显偏高，向东和向南逐级减少，有明显的差异性。这种呈现方式的原因在于东部及南部为岗地，耕地面积较少，主要为私人的小面积耕地，而西部及北部地区为大片机械化耕地区，尤其是西部屈原管理区属于高密度的农场，土地利用率较高，一年种植作物次数较多，施肥情况较好。

5 讨论

土壤养分的空间变异性受土壤类型、地貌类型、成土母质以及种植制度等各种因素影响[20]。汨罗市耕地区大部分为低岗平原，地势平坦，成土母质以第四纪红色黏土和河湖沉积物为主，类型相对单一，土壤养分空间变异性受地貌类型、成土母质等影响不大。研究区大部分为耕地，施肥可能是影响土壤养分空间变异性的主要因素，在西部大片的水田区域为集中化的粮食生产基地，各项元素均富集，与其余地区呈现空间差异性。土壤养分要素不仅在空间上呈现一定的变异性，随时间的变化也呈现相应的变异性，对土壤养分在时空上进行研究有助于进一步提高养分的利用水平，提高农作物的产量，但本次研究由于条件限制，尚未对土壤养分要素随时间变化规律进行研究，有待在后续调查中对土壤养分时空变异作进一步深入研究，为实现农业可持续发展提供科学依据。

土壤是农作物生长发育中营养元素的主要来源，土壤的供肥能力还与气候、水热状况、施肥和经营制度等因素密切相关[21]。仅从土壤养分全量这一指标来判断土壤的综合分析是不完善的，但从土壤养分丰缺及供求关系方面来看，本研究对指导该地区施肥建议方面有一定借鉴意义[22]。在生产措施上应该降低土壤中氮含量，控制磷含量，补充钾元素，控制有机质的含量，研究区有大半的土壤pH值处于酸性-弱酸性，不适宜农作物生长，因此应采取施用适量石灰或白云石粉等措施改良土壤。