張毅,蔡艷,張世熔,楊喜珍
摘要:運用地理信息系統(GIS)和地統計學相結合的方法研究了彭州市新黃村震后土壤堿解氮(AN)、有效磷(AP)和速效鉀(AK)的空間分布特征。結果表明,該區土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的含量分別為(126.19±67.89) mg/kg、(37.18±17.18) mg/kg、(165.69±79.80) mg/kg;導致堿解氮空間變異的因素以隨機性因素為主,而有效磷和速效鉀為隨機性因素和結構性因素共同影響的結果,但影響程度有所差異。基于ArcGIS 9.2平臺的克里格插值分析結果顯示,該區堿解氮含量總體上呈現由北向南逐漸增加的趨勢,且呈條帶狀分布,高值區(>165 mg/kg)主要分布在該區的中部和南部,低值區(<90 mg/kg)零星分布在研究區域內;有效磷含量在總體上呈現以低值區為中心向四周環狀遞增趨勢,且呈兩端高中間低的斑塊狀分布,高值區(>44 mg/kg)主要分布在北部山坡林地的中部,低值區(<20 mg/kg)主要分布在低山丘陵與平壩的過渡地帶;速效鉀含量總體上呈斑塊狀分布,且呈現兩端高中間低,西面高東面低的分布特征,以北部山坡林地和西南平壩一角的高值區(>220 mg/kg)為中心,分別向南部和東部呈帶狀遞減,并在低山丘陵區東部的旱地以及丘陵向平壩過渡的東部邊緣區出現相對低值(<110 mg/kg)分布。顯著性檢驗結果表明,震后壓實對土壤速效養分有顯著或極顯著影響,且水田明顯于旱地;不同土地利用方式對土壤速效養分含量也有顯著影響。
關鍵詞:速效養分;土壤;空間分布;地震
中圖分類號:S152.4文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2012)14-2948-05
Spatial Distribution Characteristics of Soil Available Nitrogen, Available Phosphorus and Available Potassium after Earthquake:Taking New Huang Village of Pengzhou City as An Example
ZHANG Yi,CAI Yan,ZHANG Shi-rong,YANG Xi-zhen
(College of Resources and Environment,Sichuan Agricultural University, Chengdu 625014,China)
Abstract: The spatial variability characteristics of soil available nitrogen(AN), available phosphorus(AP) and available potassium(AK) in new huang village in Pengzhou after earthquake were analyzed using geostatistics and GIS. The results showed that the contents of AN, AP and AK were 126.19±67.89 mg/kg, 37.18±17.18 mg/kg and 165.69±79.80 mg/kg respectively. Factors causing spatial variability of AN were mainly random factors, which of AP and AK were random factors and structural factors jointly. Kriging analysis based on ArcGIS 9.2 showed that AN in the area generally showed a gradual increasing trend from north to south, and showed the strip distribution, and whose high-value areas (>165 mg/kg) distributed mainly in the central and southern, low-value areas (<90 mg/kg) scattered in the studied area; AP presented increasing trend with low value area centered in general, and end of the studied areas were high, and high-value areas (>44 mg/kg) were mainly distributed in the central part of the northern slopes of woodland, and low-value areas (<20 mg/kg) were mainly distributed in transitional zone from hilly to plaim; AK were generally patchy distribution, and presented high end and low intermediate or west high and east low, and reduced strip to the south and the east respectively with northern woodland and southwestern slopes as high value center(>220 mg/kg). Significance test results showed that the post-earthquake compaction had notable or significant influence on soil available nutrients, and the influence of paddy field was more obvious than that of dry land; and different land use patterns also had notable influence on soil available nutrients.
Key words: available nutrients; soil; spatial distribution; earthquake
土壤養分是土壤生產力的基礎,也是土壤重要的屬性之一。土壤養分的高低直接影響著農業生產和環境安全[1]。土壤速效養分是植物養分的直接來源,因此作物產量與土壤速效養分含量密切相關[2]。隨著人口壓力的增大和糧食危機的加劇,獲得更多的產量成為農業生產的主要目的,而施肥是調控作物產量及產量構成動態轉化的重要手段[3],土壤養分狀況又是合理施肥的直接依據[4]。
氮、磷、鉀有植物營養三要素之稱。氮和磷均為植物的生命元素[5,6],鉀為植物的品質元素和抗逆元素。在我國人口迅猛增長,耕地后備資源不足的現實下,只能依靠提高單產來滿足我國人口對糧食和其他農作物的需求,作為植物營養三要素的氮、磷、鉀必然成為眾多學者的研究對象[7-12]。
土壤具有高度的空間異質性[13]。20世紀70年代后,地統計學被引入土壤科學,加之地理信息系統的發展,許多土壤學家都采用地統計學和GIS相結合的方法研究土壤氮、磷、鉀的空間分布特征[14-16]。但對地震后土壤速效養分空間分布特征的研究還鮮見報道。因此,以“5.12”汶川大地震的典型地震災區為研究對象,運用地統計學和GIS相結合的方法,研究該區土壤有效氮、磷、鉀空間分布特征,旨在為該區的災后重建工作及農業生產提供參考。
1研究區域概況與研究方法
1.1研究區域概況
彭州市新黃村,距成都主城區55 km,彭州市城區23 km,交通方便,地處東經103°47′28.94″-103°48′46.39″,北緯31°9′57.43″-31°11′24.71″,土地面積2.735 km2,屬湔江流域,地下水位不穩定。受龍門山斷帶及湔江沖積平原影響而具有山、坡、壩復合地貌特征。同時該區也是“5.12”汶川大地震重災區,具有典型的地震災區代表性。
1.2研究方法
1.2.1土壤樣點設置根據研究區域的實際范圍大小,充分考慮不同土地利用方式,臨時安置點的位置,以及地震中倒塌房屋對農田土壤的影響,結合3S技術,在該區域內布設了26個采樣點。采樣點分布如圖1所示。
1.2.2土壤樣品采集與處理結合GPS技術在研究區域采樣后,帶回室內,自然風干后,除去非土壤物質,采用四分法取出大約200g風干樣品,磨細使其全部通過20目篩,裝袋并做好標記,備用。
1.2.3土壤有效氮、磷、鉀含量的測定均采用常規方法進行測定,即堿解氮采用堿解擴散法測定,有效磷采用0.5mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定,速效鉀采用1.0 mol/L 中性NH4OAc浸提-火焰光度計法測定[17]。
1.2.4數據處理方法采用SPSS和Excel對數據進行基礎處理,采用ArcGIS 9.2進行地統計學和插值分析。
2結果與分析
2.1常規統計分析
借助SPSS V13.0軟件平臺,對分析結果進行常規統計分析,分析結果見表1。表1結果表明,研究區域土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量均呈正態分布,堿解氮含量為(126.19±67.89) mg/kg,有效磷含量為(37.18±17.80) mg/kg,速效鉀含量為(165.69±79.80) mg/kg;從偏度上看,有效磷和速效鉀都呈左偏態分布,而堿解氮則呈右偏態分布;從峰度上看,3種有效養分都為負。
2.2地統計學分析
常規統計分析只能說明土壤速效養分的樣點情況,而對其空間分布特征卻難以反映。為更好地反映出該區土壤3種有效養分含量的空間變異特征,借助ArcGIS 9.2的地統計學相關組件對區域土壤有效氮、磷、鉀含量進行地統計學分析,結果見表2。從結構性因素的角度來看,模型塊金效應即C0/(C0+C)反映變量空間變異的來源,比值越大表明人為因素(灌溉、施肥、耕作等)的影響越明顯;反之,結構性因素(母質、氣候、生物、地形等)的影響占主要地位[18]。如果比值<25%,說明系統具有強的空間相關性;如果比值為25%~75%,表明系統具有中等的空間相關性;如果比值>75%,說明系統空間相關性很弱[1]。土壤養分分布是由結構性因素和隨機性因素共同作用的結果。一般研究認為,結構性因素,如氣候、母質、地形、土壤類型等自然因素可以導致土壤養分具有強的空間相關性,而隨機性因素,如施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動使得土壤養分的空間相關性減弱,朝均一化方向發展[19]。由表2可知,研究區域土壤堿解氮含量的變程為1 674.7 m,長軸方位角為289.2°,約為東南—西北方向,堿解氮空間變異中塊金值與基臺值之比為0.79(79%),表明其空間異質性主要由隨機性因素引起,其空間分布的相關性很弱。該區域土壤有效磷的變程為1 079.5 m,長軸方位角為76.3°,約為東北—西北方向,有效磷含量空間變異中塊金值與基臺值之比為0.39(39%),表明其空間異質性主要是隨機性因素和結構性因素共同引起的,其空間分布體現為中等空間相關性。與有效氮、磷比較,該區域土壤速效鉀的變程最小,為998.7 m,長軸方位角為283.5°,約為東南—西北方向,速效鉀的空間變異中塊金值與基臺值之比為0.36(36%),表明其空間異質性主要是隨機性因素和結構性因素共同作用的結果,其空間分布體現為中等空間相關性。
2.3插值分析
為進一步反映出研究區域土壤有效養分的空間分布特征,基于ArcGIS 9.2軟件平臺對研究區域土壤有效氮、磷、鉀含量進行插值分析。
通過計算不同間距的半方差,得出該區域土壤堿解氮含量變異函數以高斯模型擬合效果最佳。趨勢分析表明區域內堿解氮含量在北—南方向上的變化趨勢不明顯,呈略微增長趨勢;在東南—西北方向上的變化趨勢同樣不明顯,為略微的遞增趨勢(圖2)。由以上所得半方差理論模型,在ArcGIS 9.2軟件平臺上采用普通克里格法(Ordinary Kriging)進行最優內插值獲得土壤堿解氮含量的空間分布圖(圖3)。空間分析結果表明,該區域土壤堿解氮含量呈條帶狀分布,高值區(>165 mg/kg)主要分布在該區的中部和南部,低值區(<90 mg/kg)零星分布在研究區域內。全區堿解氮以含量為110~145 mg/kg的區域為主,占全區總面積的41.53%;含量為90~110 mg/kg的區域次之,占全區總面積的31.38%;含量<90 mg/kg的區域最少,僅占全區總面積的10.50%。該區域堿解氮總體上的分布特征為由北向南逐漸增加。
通過計算不同間距的半方差,得出該區域土壤有效磷含量變異函數以指數模型擬合效果最佳。趨勢分析表明區域內有效磷含量分布在北—南方向上呈明顯正“U”型分布,在東—西方向上呈現明顯淺倒“U”型分布(圖4)。由以上所得半方差理論模型,在ArcGIS 9.2軟件平臺上采用普通克里格法(Ordinary kriging)進行最優內插值獲得土壤有效磷含量的空間分布圖(圖5)。圖5結果表明,該區域土壤有效磷含量呈大斑塊狀分布,高值區(>44 mg/kg)主要分布在北部山坡林地的中部和東南平壩一角,低值區(<20 mg/kg)主要分布在低山丘陵與平壩的過渡地帶。全區有效磷以含量35~44 mg/kg的區域為主,占全區總面積的47.29%,其次為含量25~35 mg/kg的區域,占全區總面積的31.46%;含量<20 mg/kg的區域最少,僅占全區總面積的3.91%。該區有效磷含量在總體上呈現以低值區為中心向四周遞增的趨勢,呈兩端高中間低的特點。
通過計算不同間距的半方差,得出該區土壤速效鉀含量變異函數以指數模型擬合效果最佳。趨勢分析表明區域內土壤速效鉀含量分布在南—北方向呈淺度正“U”型分布,在東—西方向呈現明顯遞增趨勢(圖6)。由以上所得半方差理論模型,在ArcGIS 9.2軟件平臺上采用普通克里格法(Ordinary Kriging)進行最優內插值獲得土壤速效鉀含量的空間分布圖(圖7)。結果表明,該區域土壤速效鉀含量以北部山坡林地和西南平壩一角為高值區(>220 mg/kg),分別向南部和東部呈條帶狀遞減,并在低山丘陵區東部的旱地以及丘陵向平壩過渡的東部邊緣區出現相對低值(<110 mg/kg)分布。全區速效鉀以含量140~190 mg/kg的區域為主,占總面積的41.07%;其次為含量>220 mg/kg的區域,占全區面積的20.94%;含量<110 mg/kg的區域最少,僅占全區總面積的約4.70%。研究區域速效鉀含量在總體上呈現兩端高中間低,西面高東面低的特點。
2.4影響因素分析
2.4.1地震壓實研究區域為“5.12”地震重災區,在災民安置的過程中造成了大面積的土壤壓實,利用顯著性測驗中的t測驗法[20],測驗該區壓實與未壓實區域的土壤養分狀況,結果見表3。由表3可知,水田在壓實后,土壤堿解氮和有效磷與未壓實比較存在極顯著差異,速效鉀呈顯著差異;旱地在壓實后,除速效鉀與未壓實存在極顯著差異外,堿解氮和有效磷都與未壓實差異不顯著。
2.4.2土地利用方式研究區域的土地利用方式主要有水田和旱地。利用顯著性測驗中的t測驗法對該區的旱地和水田進行顯著性測驗。結果表明,堿解氮、有效磷、速效鉀的t值分別為1.838、3.586**、7.610**,表明不同土地利用方式之間,有效磷和速效鉀存在極顯著差異,堿解氮的差異不顯著。
3結論
震后研究區域土壤堿解氮的空間分布特征主要受隨機性因素影響,有效磷和速效鉀是由隨機性因素和結構性因素共同作用的結果。堿解氮的塊金效應大于有效磷,有效磷與速效鉀相當,說明人為因素對堿解氮空間變異性的影響較有效磷與速效鉀強,堿解氮的變程大于速效磷,速效鉀最小。
該區域速效養分的低值區主要分布在中部地區即旱地利用區,其中,堿解氮和有效磷的高值區主要分布在南部即樣板房區,而速效鉀的高值區主要分布在北部即林地。堿解氮以條帶狀分布于研究區域內,由北向南呈增加趨勢;而有效磷和速效鉀則由區域中部的低值區向高值區逐漸過渡。
顯著性測驗顯示,地震壓實對土壤速效養分產生了一定的影響,且壓實對水田的影響較旱地明顯。壓實與未壓實比較,在水田中堿解氮和有效磷呈極顯著差異,速效鉀呈顯著差異,但旱地中除速效鉀呈極顯著差異外,堿解氮和有效磷差異不顯著。不同的土地利用方式對該區域有效磷和速效鉀的影響極顯著,但對堿解氮的影響不顯著。
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