浙江省瑞安市耕作层土壤养分元素有效态含量空间变异特征及其影响因素

王学寅，黄益灵，全斌斌，林道秀，韩振春

(1.浙江省第十一地质大队，浙江 温州 325006； 2.温州市地质资源与生态环境重点实验室，浙江 温州 325006)

0 引 言

土壤肥力(养分)是土壤科学研究的核心内容，但是不代表土壤有了养分就能转换为土地生产力[1]。随着农业产业科学的发展，人们对土壤利用和农田养分管理有了更多手段，不仅对于氮(N)、磷(P)和钾(K)等大量养分元素的施用越来越科学合理，而且越来越重视钴(Co)、 钒(V)和钼(Mo)等微量养分元素对作物生产和产量的影响[2]。但总体看对于土壤元素“生物有效性”这一概念还不够重视，导致部分地区土壤出现“肥而无力”这一现象。

由于成土母质、地形地貌、土壤类型、气候等自然环境因素和耕作制度、外源输入(如肥料施用)以及秸秆还田等人为因素的长期共同作用，土壤元素有效态含量具有高度的空间异质性和明显的区域分异特征[3-6]。单凭传统的统计学方法无法解决空间数据与属性数据关联的问题。因此，目前许多国内外学者都采用地统计学与GIS技术相结合的方法来研究土壤中元素有效态含量的空间变异特征[7]。

本次研究以瑞安市(以下称“研究区”)农田耕作层土壤为研究对象，根据实地调查采样和测试分析，运用地统计学、GIS和传统统计学方法对瑞安市耕作层土壤中土壤养分元素有效态含量的空间分布特征进行研究，采用相关分析、主成分因子分析和分类对比分析方法对元素有效态含量与影响因素之间的关系进行分析，了解研究区耕作层土壤主要养分元素有效态的特性，以期为研究区土壤养分平衡管理、农业精准布局以及土壤保护措施等提供理论参考和科学依据。

1 研究区概况

研究区地处浙江省东南沿海黄金海岸线的中段，温州市中部(图1)，面积1 350.01 km2，地理坐标：东经120°10′至121°15′，北纬27°40′至28°00′。全区地势西高东低，西北部为山区丘陵，中部为飞云江流域河谷平原，东部沿海为冲积平原和近海滩涂，地势平坦。研究区属中亚热带海洋性季风气候区，常年平均气温18.9 ℃，年平均降雨量为1 826.2 mm。

研究区土地资源肥沃，受地层岩性、地形地貌以及沉积古环境等因素影响，可以把研究区耕作层土壤成土母质划分为火成岩类风化物、沉积岩类风化物和第四纪沉积物3大类。第二次全国土壤普查显示，瑞安市共有红壤、黄壤、粗骨土、潮土、水稻土、盐土和新积土7大类和红壤、黄壤、黄红壤、侵蚀性红壤、酸性粗骨土、淹育型水稻土、潴育型水稻土、渗育型水稻土、潜育型水稻土、脱潜潴育型水稻土、灰潮土、钙质潮土、滨海盐土和水成新积土14亚类土壤(图1)。

图1 研究区地理位置、土壤类型及采样点位Fig.1 The geographic location，soil types and sampling site of the study area

2 材料与方法

2.1 样品采集与测试分析

以研究区内永久基本农田示范区为重点，综合考虑成土母质、土壤类型和土地利用类型等因素，随机从3 692件1:5万土壤地球化学调查采集的表层土壤(0～20 cm)样品中选取500件样品展开研究，表层土壤样品采集执行DB33/T 2224—2019土地质量地质调查规范。

样品测定了碱解氮、速效钾、有效磷、有效硼、有效锰、有效钼、有效铜、有效铁和有效锌9种养分元素有效态含量以及CEC(阳离子交换量)、有机质、全盐量和pH等指标。样品检测工作由河南省岩石矿物测试中心完成，检测过程执行《地质矿产实验室测试质量管理规范》(DZ/T 0130—2006)、《多目标区域地球化学调查规范(1:250 000)》及《生态地球化学评价分析技术要求(DD2005—03)》。

2.2 数据处理与分析方法

首先采用地球化学勘查数据一体化处理系统(Geochem Studio 3.0)以3倍离差迭代至少7次剔除原始数据异常值，使数据符合正态分布或是对数正态分布，并求取处理前后数据描述性统计参数特征。然后以地统计学基本原理和方法为基础，分析元素有效态含量空间变异特征，运用GS+9.0软件对处理后的数据进行半方差函数分析及模型拟合，以半方差分析结果中模型的拟合决定系数R2最大、残差平方和RSS最小为最优插值理论模型和参数[7-10]。然后运用ArcGIS 10.2软件进行普通克里金插值法，以《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)等级划分为标准(表1)，求得研究区耕作层土壤元素有效态含量空间分布特征图。最后采用SPSS 23.0软件对数据进行相关性分析和主成分分析，探讨研究区耕作层土壤9种养分元素有效态含量的主要影响因素和影响程度。

表1 土壤养分元素有效态含量评价标准

3 分析结果

3.1 有效态参数特征

通过对比原始数据剔除3倍离差前后描述性统计参数可以看出研究区耕作层土壤碱解氮、速效钾、有效磷、有效硼、有效锰、有效钼、有效铜、有效铁和有效锌9种养分元素有效态地球化学基本参数特征存在一定差别(表2)。

研究表明变异系数可以反映土壤元素的离散程度，进而表示土壤元素的分布均匀程度。变异系数越大，元素分布越不均匀，离散程度越大。一般认为当变异系数Cv<0.3为均匀分布，0.3≤Cv<0.6为弱分异，0.6≤Cv<1.0为较强分异，Cv≥1.0为强分异[7，11]。

统计结果显示研究区耕作层土壤有效磷、有效铜和有效锌在剔除3倍离差前变异系数都大于1.0，而剔除3倍离差后，变异系数分别降为0.82、0.44和0.59，且剔除前后这3种元素有效态含量的算术平均值相差较明显，说明这3种有效态在耕作层土壤中分布较离散，可能受农业施肥和人类生产生活废弃物等外界因素影响而在部分土壤中出现不同程度的富集，对这3种元素有效态平均含量产生了较大影响。

表2 研究区耕作层9种养分元素有效态含量统计参数

有效锰和有效硼的变异系数分别为0.82和0.61，属于较强分异，剔除3倍离差后变异系数分别降为0.69和0.53，说明这2种养分元素有效态总体分布不均匀，少量极值存在给土壤平均含量造成了一定程度的影响；碱解氮、速效钾和有效钼变异系数>0.3，但都<0.6，属于弱分异，剔除3倍离差前后总体相差不大，说明这3种有效态元素分布较均匀，受外界影响较小，虽然在个别样点出现了极值，但对其平均值影响不大；有效铁剔除前后各项参数保持一致，无极值点剔除，变异系数为0.24，属于均匀分布范畴，说明外界影响因素未对耕作层土壤有效铁含量造成较明显的影响。

3.2 有效态半方差函数分析

半方差函数分析是研究元素空间变异特征的主要手段之一[12-14]。块金值(Co)代表随机变异的量，主要代表一些人为因素引起的土壤变异，如施肥、耕作等各种人类活动。而基台值(Co+C)代表变量空间变异的结构性方差，主要代表自然因素引起的土壤变异，如母质、气候、地形等，块金系数(Co/(Co+C))代表空间异质性程度，该值<0.25、0.25～0.75、>0.75分别代表变量强、中等、弱空间相关性[15-18]。

半方差函数分析结果显示研究区耕作层土壤碱解氮、速效钾、有效锌和有效锰的最佳拟合模型为指数模型，有效钼、有效硼和有效铜的最佳拟合模型为高斯模型，而有效磷和有效铁的最佳拟合模型为球状模型(表3)。从表3还可以看出9种土壤养分元素有效态的决定系数(R2)都在0.68～0.90之间，说明上述半方差函数与理论上的模型拟合较好。其中有效铁和有效锰的块金系数小于0.25，碱解氮块金系数为0.26(略大于0.25)，速效钾、有效磷、有效钼、有效铜和有效锌的块金系数大于0.25，但小于0.75，而有效硼的块金系数达到了0.81。这说明有效铁、有效锰和碱解氮的空间相关性较好，土壤母质、土壤类型以及地形地貌等结构性因素是影响其含量的主导因素；速效钾、有效磷、有效钼、有效铜和有效锌为中等相关性，说明这几种元素有效态含量受土壤母质、土壤类型以及地形地貌等结构性因素和人为活动等随机性因素的双重影响；有效硼空间相关性最弱，说明其受人为活动等随机性因素影响较大。

表3 研究区耕作层9种养分元素有效态半方差函数模型及相关参数

3.3 有效态空间分布趋势

变程(Ao)是拟合模型首次呈现水平状态的距离，是反映变量空间自相关范围大小的参数[19-22]。本次参与地统计的9种养分元素有效态半方差函数拟合模型变程在3.81～26.66 km之间(表3)，因此运用普通克里金插值法求得的养分元素有效态含量等值线图能较客观地反映其空间分布趋势。

以表1所示有效态分级标准为依据，可以看出9种元素有效态含量在空间上呈现一定的分布规律。碱解氮主要呈现西高东低的分布趋势，研究区中西部地区普遍达到丰富标准，东南部莘塍街道、东山街道和塘下镇等靠近沿海一带普遍为较缺乏；有效铁分布特征与碱解氮相似，总体分布均匀，近100%面积土壤有效铁含量达到丰富标准；速效钾、有效硼、有效锰、有效钼、有效铜和有效锌空间分布特征基本相似，西低东高，高值主要集中在中部和东南部平原区，但从总体含量来看，研究区表层土壤有效硼含量普遍偏低，西部丘陵区绝大多数属于缺乏和较缺乏状态，其他几种养分元素有效态含量较高，基本都属于中等及以上范畴；有效磷含量总体较高，呈“东西高、中间低”的分布规律，低值主要分布在云周街道和陶山镇等飞云江流域中部平原区(图2)。

4 探 讨

通过以上分析，对研究区耕作层土壤9种主要养分元素有效态含量的空间变异特征和分布规律有了一定了解，但是对其来源、影响因素及影响程度尚缺乏具体认识。

皮尔逊相关性统计分析结果显示，研究区9种主要养分元素有效态之间存在一定的相关性(表4)。碱解氮与有效铁之间呈正相关性，相关系数为0.561，速效钾与有效硼之间相关系数为0.632，有效钼与有效铜、有效锌之间相关系数分别为0.426和0.447，有效铜和有效锌之间相关系数达到0.825，且显著系数P<0.01，说明这些元素有效态之间正相关性显著，指示研究区耕作层中这些元素有效态含量控制因素相似。

表4 研究区耕作层9种养分元素有效态相关系数

图2 研究区耕作层9种养分元素有效态含量空间分布趋势Fig.2 Spatial distribution trend of available contents of 9 nutritive elements in tillage layer in the study area

图3 研究区各种成土母质、土壤类型、利用现状及海拔高度条件下9种养分元素有效态含量箱状图Fig.3 Box diagrams of available contents of 9 nutritive elements under the conditions of different soil parent materials，soil types，utilization status and altitude in the study area

土壤理化性质是影响土壤元素有效态含量的主要因素。如表3所示，土壤全盐量与速效钾、有效硼之间呈显著正相关性，相关系数分别为0.466和0.314，CEC和速效钾、有效硼之间相关系数达到0.476和0.694，pH和速效钾、有效硼之间呈显著正相关性，说明在研究区含盐量较高、阳离子较活跃的中性或是弱碱性土壤环境有利于速效钾和有效硼富集；pH与碱解氮、有效铁之间呈显著负相关性，相关系数分别为-0.483和-0.501，说明在特定条件下，相对酸性土壤环境有利于碱解氮和有效铁的富集；而有机质往往相反，其与碱解氮和有效铁之间呈明显正相关性，相关系数达0.721和0.556，说明土壤有机质越丰富，越有利于碱解氮和有效铁的富集，这一结果与已有研究结论基本吻合[23-24]。

通过主成分分析法可以最大可能保留原始数据信息，在复杂的变量中概括出变量之间的关系[25]。对研究区耕作层土壤9种养分元素有效态进行主成分分析，可以概括出4个主要成分(表5)，累积贡献率达到75.18%，可以较好反映原始数据大部分信息。

表5 研究区耕作层9种养分元素有效态主成分分析结果

成分载荷矩阵可以更直观地反映出研究区耕作层土壤9种养分元素有效态之间包含的信息。从4个主成分中可以提取出如下因子组合特征(表6)：F1(速效钾-有效钼-有效硼-有效铜-有效锌)，F2(碱解氮-有效铁)，F3(速效钾-有效硼)，F4(有效磷-|有效锰|)，表明土壤中速效钾、有效钼、有效硼、有效铜和有效锌部分同源，其中有效硼和速效钾高度同源，碱解氮和有效铁亦基本同源，这一分析结果基本上和相关性分析结果一致。

成土母质、土壤类型、土地利用现状以及海拔高度分别是影响研究区耕作层土壤养分元素有效态含量的重要因素(图3)。其中碱解氮、有效铁和有效磷在不同成土母质土壤中含量相差不大，值域变化范围基本一致，均值相差不明显；速效钾、有效硼、有效钼、有效铜和有效锌含量相差较大，其中母质为第四纪沉积物土壤中的有效硼、速效钾、有效铜和有效锌均值明显高于沉积岩风化物和火成岩风化物土壤，且极值多数出现在第四纪沉积物土壤中。从土壤类型看，碱解氮和有效磷在不同土壤类型中含量差别相对较小，水稻土和红壤中碱解氮、有效铁含量较高，潮土中有效铜和有效锌含量远高于其他土壤。不同土地利用方式更能客观反映人类农业生产活动对土壤中元素有效态的影响，一般来说水田受人类活动影响要远大于旱地，从图2可以明显看出，水田中碱解氮、速效钾、有效硼、有效铜和有效锌平均含量要高于旱地，而旱地中有效钼含量均值高于水田，有效锰和有效磷则基本一致；对比不同海拔高度土壤中养分元素有效态含量可以发现地形地貌因素对于碱解氮、速效钾影响较小，而其他几种养分元素有效态含量基本上呈现随着海拔增加而减少的规律。

表6 研究区耕作层9种元素有效态主成分分析旋转后成分载荷矩阵

5 结 论

(1)研究区耕作层土壤有效磷、有效铜和有效锌在剔除3倍离差前变异系数都大于1.0，属于强分异，有效锰和有效硼属于较强分异，碱解氮、速效钾和有效钼属于弱分异，有效铁属于均匀分布。剔除3倍离差后变异系数从大到小排列依次为有效磷>有效锰>有效锌>有效硼>速效钾>有效铜>有效钼>碱解氮>有效铁。

(2)碱解氮、速效钾、有效锌和有效锰的最佳拟合模型为指数模型，有效钼、有效硼和有效铜的最佳拟合模型为高斯模型，有效磷和有效铁的最佳指数模型为球状模型。对应空间相关性为强相关性：有效锰和有效铁；中等相关性：碱解氮、速效钾、有效磷、有效钼、有效铜和有效锌；弱相关性：有效硼。

(3)空间分布规律：碱解氮和有效铁为西高东低；速效钾、有效硼、有效钼、有效铜和有效锌为西低东高；有效磷为东西高、中间低，有效铁分布均匀。丰缺状况：中西部土壤有效硼含量较缺乏，东部碱解氮较缺乏，中部有效磷较缺乏，其他地区土壤9种养分元素有效态含量都达到中等标准以上。

(4)中性或是弱碱性、含盐量较高且阳离子较活跃的土壤环境有利于速效钾和有效硼富集，酸性或弱酸性和有机质含量较高的土壤有利于碱解氮和有效铁富集。速效钾、有效钼、有效硼、有效铜和有效锌主要受成土母质、土壤类型以及地形地貌等结构性因素和施肥、耕作等随机性因素的双重影响；碱解氮、有效铁、有效磷和有效锰主要受成土母质、土壤类型以及地形地貌等结构性因素的影响。