阜康市耕层土壤速效钾空间变异及影响因素分析

高洁 武红旗 李新梅 范燕敏

摘 要：掌握土壤养分及其空间变异性和影响因素，对于评价土壤生产力、指导养分管理具有重要意义。以阜康市农区为研究区，基于1982年、2010年、2018年3个时期的土壤养分采样点，运用经典统计与地统计相结合的方法，揭示了速效钾在不同时期的空间变异及等级变化情况，并探讨了自然因素和人为因素等对其影响。结果表明：速效钾总体表现为增加趋势，呈中等强度空间变异，含量丰富。从影响因素来看，与海拔、坡度呈显著负相关;在不同地貌类型、土壤类型、质地间存在显著性差异;耕地面积对速效钾无显著影响，地区生产总值、农民人均纯收入与速效钾呈显著负相关。

关键词：养分;空间变异;影响因素

中图分类号 S158.9 文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）15-0143-05

Analysis of Spatial Variability and Influencing Factors of Available Potassium in Cultivated Soil in Fukang City

GAO Jie1，2 et al.

（1College of Grass and Environmental Sciences， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China; 2Xinjiang Academy of Environmental Protection Science， Urumqi 830011， China）

Abstract： Mastering soil nutrients and their spatial variability and influencing factors is of great significance for evaluating soil productivity and guiding nutrient management. Taking the agricultural area of Fukang City as the research area， based on the soil nutrient sampling points in the three periods of 1982， 2010， and 2018， Using the method of combining classic statistics and geostatistics， it reveals the spatial variability and grade changes of available potassium in different periods. And discuss the influence of natural factors and human factors on it. The results showed that the available potassium showed an overall increasing trend; it showed a moderate spatial variability; its content was abundant; from the perspective of influencing factors， it was significantly negatively correlated with altitude and slope.There are significant differences among different landform types， soil types， and textures. The area of arable land has no significant effect on available potassium， and there is a significant negative correlation between regional GDP and farmers′ per capita net income and available potassium.

Key words： Nutrient; Spatial variability; Influencing factors

土壤养分是农作物生长的必要条件[1]，是粮食生产的保障[2]。速效钾能够直接影响植物的生长发育，是限制农作物产量的主要因素之一，也是农田土壤最常监测的指标之一[3]。在过去的几十年里，随着粮食需求的增长，耕地不断扩张、化肥施用不合理等现象造成环境问题日益加剧，农民使用各种化肥对土壤养分进行补充，改变了土壤养分的空间变异性。近年来，学者们花费了大量精力来评估土壤养分的空间变异性及影响因素[4-5]。不同地区土壤养分的空间变异性不同，明确土壤养分变化的制约因素，对农田的有效管理具有重要意义[6]。

国内外诸多学者利用经典统计与地统计相结合的方法，对土壤养分空间变异性进行研究，发现其与自然因素和人为因素密切相关[7-9]。土壤母质对土壤形成过程具有非常重要的作用，对土壤的形成、性状和肥力也有显著的影响[10]。例如，任圆圆等[11]分析了成土母质与土壤养分间的关系，证明两者存在一点程度的相关。而地形直接影响土壤养分的空间变异状况，同地形部位的养分空间变异也会有所不同。王云强等[12]对黄土高原的研究表明，地形的复杂性是造成土壤氮空间变异的主要因素之一。此外，人为因素也起着较大的影响。杨阳[13]通过对秸秆还田下休耕轮作对土壤养分进行分析，结果表明，秸秆还田下休耕轮作土壤养分含量明显高于常规耕作模式。

目前，针对研究区土壤养分变化情况的研究早已存在[14-16]，但仍基于短時段内，且较多针对的是土壤有机质等，而鲜见有对速效钾的研究，且缺乏长期监测分析，对其影响因子的量化分析也较为缺乏。鉴于此，本研究以耕地土壤速效钾为变量，采用传统统计学、地统计、相关性分析、单因素方差等分析方法，对各因子进行量化，在分析空间变异性的同时，对自然因素、人为因素也进行了探讨，以期为该地区土壤速效钾调控、生态环境与农业可持续发展提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况 阜康市位于天山北麓，准噶尔盆地南缘，地处东经87°46′～88°44′，北纬43°45′～45°30′，为典型的干旱区绿洲荒漠带，温带大陆性干旱气候。地形南高北低，海拔450～5445m，昼夜温差大，年均气温8.2℃，年均降雨量205mm。研究区位于阜康市中部耕地，属平原地区，耕地总面积55253.24hm2[17]，粮食作物以小麦为主。

图1 农田采样点分布

1.2 数据来源 共获取1982年样点数据414个，主要来源于阜康市第二次土壤普查数据及土壤类型图，通过矢量化获得;2010年获得样点数据273个，来源于测土配方施肥数据;2018年样点数据共90个，数据来源于农业农村部阜康市耕地质量变更调查项目[18]。其他数据包括阜康市行政区划图、1949—2008年《昌吉六十年》、1989—2018年《新疆统计年鉴》[17]。

1.3 数据处理 以阜康市2018年土地利用现状图为基础，获取耕地边界。以3倍标准差原则对数据异常值进行剔除，利用SPSS 19软件对数据进行K-S检验、描述性统计、相关性分析等，对不符合正态分布的数据采用Minitab 17软件进行Box-Cox转换，GS+进行半方差函数分析，ArcGIS10.2对数据进行插值，采用交叉验证（Cross-Validation）的方法验证模型精度，根据分级标准对阜康市各时期养分进行分级。

1.3.1 半方差函数 半方差函数值是由一系列不連续的点组成，可采用拟合函数对属性值进行拟合，拟合的曲线称半方差函数模型[19-20]，具体函数表达式如下：

r（h）=[12N（h）i=1N（h）[Z（Xi）-Z（xi+h）]2] （1）

式中，r（h）为拟合的半变异函数，h为采样点间隔，N（h）表示以h为间距的样点对数，Z（xi）和Z（xi+h）为随机变量xi、xi+h在空间位置上的取值。

1.3.2 普通克里格插值 普通克里格是克里格插值法中应用最广泛的方法之一[21-22]，以半变异函数理论为基础，进行无偏最优估计的一种方法，公式如下：

Z（X0）=[I=1hλZ（XI）] （1-2）

式中：Z（XI）是实测值，Z（X0）是未知点X0上的最优估计值。

2 结果与分析

2.1 土壤养分基本统计特征 从表1可以看出，速效钾含量各时期呈不同程度的增加，整体较丰富，1982—2010年速效钾含量增加13.37mg/kg，2010—2018年增加14.249mg/kg，增长率12.71%。变异系数在10%～100%，呈中等强度的空间变异。利用K-S检验法判断数据是否符合正态分布，对不符合正态分布的数据利用spss 19、Minitab 17等软件进行转换，使其符合正态分布。通过对比数据类型的正态分布情况，以提高p值的能力为参考，选取符合正态分布的数据进行统计分析（见表2）。

2.2 土壤养分空间结构特征 由表3可知，速效钾各时期Z值均大于1.96，具有空间相关性，Moran′I指数值都大于0，空间正相关，拟合最优模型为指数模型和高斯模型，1982年速效钾拟合精度最高，R2为0.8。块金系数值都在25%～75%，具有中等强度的相关性，表明结构性因子对养分的影响减弱，随机性因子如施肥、种植结构、灌溉方式等影响增强，各时期半方差函数结果与Morans′I指数一致，速效钾先减弱后增加。

2.3 土壤养分空间分布特征 依据“全国第二次土壤普查养分分级标准”对速效钾进行普通克里格插值，对各时期养分进行分级，结果见表4。由表4可知，速效钾各时期含量均集中在200mg/kg以上，占比大于79%。从图2也可以看出，各时期速效钾变化以一级变化为主，其余变化不大，含量丰富，能满足作物生长的需要。

2.4 不同影响因素对土壤养分的影响

2.4.1 地形与土壤养分的相关性 对地形因子进行相关性分析（表5）可得，速效钾与海拔、坡度呈显著负相关。阜康市整体地形南高北低，随海拔降低，牲畜数量、植物种群数量增多，灌溉方式由漫灌变为滴灌，农耕机械水平发达，水热充足，保肥能力强，导致海拔较低的平原地区土壤养分含量较高。坡度与速效钾呈显著负相关，坡度增大，土壤更容易受径流的影响，速效钾流失，此外，由于采样点集中在耕地平原区，地形较平缓，因此坡向、曲率变化对速效钾影响并不显著。

2.4.2 其他结构性因素对养分的影响 为充分掌握速效钾含量变化的影响因子，对地貌类型、土壤类型、耕层质地进行了单因素方差分析，其结果见表6。由表6可知，速效钾在不同地貌类型、不同土壤类型、不同质地间存在显著性差异。从地貌类型来看，养分含量在冲洪积扇中部含量最高，从土壤类型来看，速效钾在潮土中含量最高。

了地区生产总值、耕地面积、农民人均纯收入3个指标与养分进行相关性分析，其结果见表7。由表7可知，耕地面积对速效钾无显著影响，地区生产总值、农民人均纯收入与速效钾呈显著负相关。

2.4.4 经济发展与产业结构对养分影响 在相关性分析的基础上对阜康市近40年产业结构变化、人均收入进行统计调查，其结果见图3。由图3可知，自1982年以来，阜康市地区生产总值与各产业结构发展迅速，第二产业比重最大，发展最快。工业化和城镇化快速发展使第二产业高于其他产业，导致地多人少，荒地不断增加，土壤养分不断减少，耕地质量逐渐下降。同时，农民收入的不断增加，可能伴随着对耕地的过度消耗，由于农民对可持续耕地利用的观念淡薄，通常采取增施化肥的措施来维持高产，但仅在短期内产生影响，最终会导致土壤养分失衡。

3 结论

本研究运用传统统计学、地统计学等方法，依托ArcGIS、GS+、Minitab等软件平台，揭示了阜康市速效钾养分变化规律情况，得出以下结论：

（1）1982—2018年速效钾呈上升趋势。对土壤养分空间相关性进行分析，运用GS+拟合最优半方差函数，主要拟合模型为指数模型和球状模型。表现为中等强度的空间变异。各时期Z值均大于1.96，Morans′I指数大于0，空间正相关。

（2）对速效钾进行空间插值，数据进行分级统计，可知，速效钾变化以一级变化为主。含量在200mg/kg以上，占79%，含量丰富，能满足作物生长的需要。

（3）速效钾与坡度、海拔呈显著负相关。对土壤类型、地貌类型、耕层质地进行单因素方差分析，表现出显著性差异。从地貌类型来看，速效钾含量在冲洪积扇中部含量最高，从土壤类型来看，速效钾在潮土中含量最高，从耕层质地来看，速效钾在粘壤土中含量最高。对社会经济因素进行分析，耕地面积对速效钾无显著影响，地区生产总值、农民人均纯收入与速效钾呈显著负相关。

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（责编：张宏民）