喀斯特地區煙田土壤養分的空間變異特征

臘貴曉，顧懷勝，劉國順，李祖良，翟 欣

（1.河南農業大學 煙草學院 國家煙草栽培生理生化研究基地，鄭州450002；2.河南省農業科學院 經濟作物研究所，鄭州450002；3.貴州省煙草公司畢節地區公司，貴州 畢節551700）

土壤是一個不均一和變化的連續體［1］，受氣候、母質、植被覆蓋、地形等自然因素、人為作用和過程控制，具有高度的復雜性和空間變異性［2－3］。土壤肥力是土壤最重要的生態功能之一，對土壤肥力尤其是土壤養分空間變異的充分了解，是土壤精準施肥和養分分區管理的基礎［4－5］。喀斯特地貌是地球上最脆弱的生態系統之一，廣泛分布于我國西南部，該地區人地矛盾突出、生存環境惡劣，尤其是不合理的農業活動造成該地區水土流失嚴重，石漠化程度加劇［6－7］。對于喀斯特脆弱生態地區，土壤養分含量的高低和時空變分布狀態直接關系到該地區的農業生產和生態環境重建的途徑和方向。同時，因經濟社會發展條件限制，喀斯特地區也是我國重要的烤煙種植區，烤煙種植是當地農民重要的經濟收入來源［8］。因此，揭示喀斯特地區煙田土壤養分空間變異特征，成為影響喀斯特地區農業發展、農業面源污染控制、生態環境保護及恢復的關鍵［9］。

地統計學是定量分析土壤性質的空間分布、空間變異尺度等空間變異特性的有效方法；而地理信息系統（GIS）可以有效的解決土壤性質的空間數據與屬性數據關聯的問題，因此，兩者結合彌補了以概率論為基礎的經典統計分析方法在結構和過程分析方面的不足，能夠有效地解釋養分的空間分布格局對生態過程和功能的影響［10］。利用地統計學與GIS相結合的方法是當前揭示土壤屬性變量在空間的分布、變異的最有效的方法之一。近幾年，國內外學者采用這種方法對喀斯特地區的石漠化分布、土地利用方式、土壤礦物質、土壤水分等空間變異特征進行了大量的研究［11－14］，但是利用這種方法對喀斯特地區煙田土壤養分空間變異的研究還未見報道。為此，本文以我國典型的喀斯特地區—貴州省畢節地區為例，利用地統計學和GIS相結合的方法分析了煙田土壤養分的空間分布特征，揭示該地區土壤養分的空間變異規律，旨在幫助人們了解煙田土壤養分的含量狀況及人為活動對其空間變異的影響，為喀斯特地區煙田的科學施肥及生態環境保護提供科學依據，還可為其它類似地區提供一定的借鑒作用。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

畢節地區位于貴州省西北部，地處東經103°36′—106°43′、北緯26°21′—27°46′，屬低緯高海拔山區，是我國典型的喀斯特地區。境內土壤類型主要為黃壤、黃棕壤、石灰土和紫色土，分別占耕地面積的36.42%，26.78%，13.88%和12.39%。其它有棕壤、沼澤土、潮土、粗骨土等。境內海拔落差較大（457～2 500m），地勢西高東低；大部分地區屬亞熱帶濕潤氣候，立體氣候明顯。夏無酷暑，冬無嚴寒，各地多年平均日照時數1 101.8～1 780.2h，年平均氣溫10.5～15.0℃，有效積溫2 544.6～4 617.1℃；雨量充沛，年平均降水量848.6～1 394.4mm，月變率大，70%左右的降水量集中在5—9月；無霜期205～297 d。烤煙種植面積每年保持在30 000hm2，生產、加工煙葉9 000～10 000萬kg。所產煙葉顏色以正黃、金黃為主，光澤較強，葉片結構多稍疏，油分較多。煙葉香型較齊全，以中間香型為代表，有一定比例的中偏清、中偏濃、清香型和濃香型，香氣質好、量足，余味舒適干凈，勁頭適中，燃燒性良好。

1.2 土壤樣品采集

采樣在畢節地區的織金、黔西、納雍、金沙、赫章、大方、畢節市和威寧縣等8個烤煙種植縣（市）進行。為盡量避免施肥對土樣的影響，統一在烤煙收獲后進行取樣。原則上，每5km2采集1個混合土樣，根據采樣地塊的地勢、形狀與大小確定采樣路線，一般采用對角線與棋盤法，樣品采集深度為0—20cm，每個采樣地塊取8～10個樣點土壤混合為一個土樣，根據差分GPS定位后，采用人工土鉆鉆取，共采集298個土壤樣品。土壤樣品經風干、磨碎、過篩后待測定。

1.3 測定項目及方法［15］

土壤pH值采用pH計法測定（水土質量比為2.5∶1）；有機質含量采用重鉻酸鉀—外加熱法測定；全氮含量采用凱氏定氮法測定；全磷采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測定；全鉀含量采用NaOH熔融—火焰光度法測定；堿解氮含量采用堿解—擴散法測定；速效磷含量采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用NH4AC浸提—火焰光度法測定。

1.4 研究方法

式中：γ（h）——半方差函數值；h——樣本間距；N（h）——以h為間距的點對總數；Z（xi）——變量Z在xi處的實測值；Z（xi＋h）——與xi間距為h處樣點的值。本研究中半方差函數的擬合主要采用球狀模型、指數模型和線性模型，其公式如下：

（1）球狀模型 （Spherical model）

半方差函數，也稱半變異函數，能夠同時描述區域化變量的隨機性和結構性，是地統計學解釋土壤空間變異結構的基礎，它的精確估計是空間內插成功與否的關鍵，其公式為［10，16－17］：

（2）指數模型 （Exponential model）

（3）線性模型 （Liner model）

上述模型公式中，參數C0為塊金值（nugget），是由實驗誤差、施肥習慣、施肥種類、管理水平等隨機因素引起的變異；C為結構方差，是由土壤母質、地形地貌、氣候等非人為的區域因素（空間自相關部分）引起的變異；C0＋C為基臺值（still），是半方差函數達到的極限值，表示系統內總的變異；塊金值／基臺值表示隨機部分引起的空間變異占系統總變異的比例，該比值＜25%，表明結構性因素引起的空間變異起主要作用；該比值在25%～75%范圍內，表明結構性因素和隨機性因素共同起主要作用；該比值＞75%，則說明隨機部分在引起空間異質性中起主要作用。a為變程（range），表示采樣數據在空間上存在相關性的尺度；間距小于變程的樣點之間是存在空間相關性，而間距大于變程的樣點間則是相互獨立的。

1.5 數據處理

采用Excel 2003進行數據的異常值檢驗，采用樣本平均值加減3倍標準差來識別異常值，分別以樣品正常值的最大值、最小值對數據的異常值進行替換處理。采用統計軟件SPSS 16.0中K—S方法對土壤養分因子含量進行描述性統計分析及正態分布檢驗，得出平均值、標準差、變異系數、偏度、峰度等統計信息。利用GS＋5.1進行半方差函數最佳模型擬合。利用ArcGIS 9.1軟件的普通克里格法（Kriging）對土壤養分各指標進行最優、無偏Kriging插值，得到土壤養分各指標的空間變異圖。

2 結果與分析

2.1 畢節地區煙田土壤養分各指標描述性統計

由表1可以看出，研究區內煙田土壤養分各指標變異系數分布在11.55%～62.81%，其中土壤pH值的變異程度很小，變異系數僅為11.55%，全氮、全磷、全鉀、速效鉀和有機質的變異系數較接近，均為24%～45%，而堿解氮、速效磷的變異程度較大，變異系數分別為62.55%和62.81%。根據變異系數（CV）大小分級［18］，即CV＜10%時為弱變異性，10%＜CV＜100%時為中等變異性，CV＞100%時為強變異性，研究區煙田土壤養分各指標均屬于中等變異程度。峰度和偏度是描述數據正態分布程度的參數，兩者越接近0，表示數據越服從正態分布。由表1可知，除pH偏度和峰度值為負數外，其它養分指標的偏度和峰度都大于0，其中堿解氮的偏度和峰度值都大于1，速效磷的偏度值大于1，峰度接近1。根據SPSS 16.0的K—S檢驗可知，煙田土壤全氮、速效鉀和pH數據分布符合正態分布，其它養分指標數據分布符合對數分布。

表1 畢節地區煙田土壤養分的描述統計分析

2.2 畢節地區煙田土壤養分的空間結構特性

半方差圖可以直觀的反映所關注變量空間自相關的尺度范圍。如果變量在采樣尺度內具有空間自相關性，半方差函數值會隨著滯后距的增加而增加，但當滯后距超過變程后，半方差函數值會逐漸趨近于基臺值或者在基臺值附近波動［19］。圖1為研究區煙田土壤養分的半方差圖。由圖1和表2可知，煙田土壤全氮、全鉀、速效磷的最適模型是球狀模型，全磷和速效鉀的最適模型是線性模型，堿解氮、pH和有機質的最適模型為指數模型；其中全氮、全磷、全鉀、速效鉀和pH的擬合效果最理想，擬合系數分別為0.954，0.815，0.842、0.934和0.833，有機質的擬合效果次之，為0.635，堿解氮和速效磷的擬合效果最差。研究區內煙田各土壤養分指標的塊金值（C0）均為正值，說明存在著一定的采樣、試驗誤差；其中速效鉀的塊金值最大，其它養分指標的塊金值都在一個數量級上。塊金值／基臺值，即C0／（C0＋C）表示隨機部分引起的空間變異占系統總變異的比例。由表2可知，煙田土壤速效磷的C0／（C0＋C）為23.733%，小于25%，表現為強烈的空間自相關性，表明隨機因素對速效磷的空間分布的貢獻率較小，其空間分布主要受結構性因素的影響，受人為活動等隨機因素的影響比較小；而全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效鉀、pH和有機質的C0／（C0＋C）為25%～75%，表現為中等空間相關性，說明研究區煙田上述土壤養分指標的空間分布受隨機性因素和結構性因素共同影響。結構性因素主要包括土壤類型、氣候、地形地貌、水文條件等可以導致土壤養分強的空間相關性的自然因素；隨機性因素主要包括施肥、耕作措施、工業污染等使土壤養分向均一化方向發展的因素。變程反映空間相關性的最大距離，在變程范圍內，變量之間具有空間相關性，當距離超過變量時，認為變量是相互獨立的。由表2可知，研究區煙田土壤全氮、全磷、全鉀和速效鉀的變程為98～156km，具有較好的空間相關連續性，而堿解氮、速效磷、pH和有機質的變程為11～60km，在中等范圍內具有空間相關性。

圖1 畢節地區煙田土壤養分的半方差

表2 畢節地區煙田土壤養分半方差函數的理論模型及參數

2.3 畢節地區煙田土壤養分的空間分布特征

為更深刻、全面和直觀地反映土壤養分在空間上的分布特征，在GS＋建立半方差函數的基礎上，應用ArcGIS 9.1軟件對土壤養分進行Kriging插值，繪制出畢節地區煙田土壤養分含量的空間分布圖，詳見圖2。

圖2 畢節地區煙田土壤養分的空間分布

由插值圖可知，研究區域內煙田土壤全氮、全鉀、速效磷和速效鉀含量呈現出連續分布的特點，全氮總體上呈現從中部向兩邊增加的趨勢，高值區分布在區域的東北角和東南角，最低值分布在東部；全鉀總體呈現從北部向南部增加的趨勢；速效磷總體呈現從東部向西部增加的趨勢，高值出現在西部；速效鉀總體呈現出從中部向東部減少和從南向北減少的趨勢；而土壤全磷、堿解氮、pH和有機質存在著明顯的方向不均勻性，有多個高值中心。喀斯特地區土壤造壤能力差，土層淺薄且不連續，巖石裸露率高，使區域內很小的范圍內就有可能形成大量不同的微環境［9，10－12］。全氮、堿解氮和pH高值地區都是經濟發展比較好的地區，在這些地區采礦業較發達，全氮、堿解氮和pH高可能與當地對土地的利用有關；全磷、速效磷、速效鉀的高值出現在立地因子（裸巖率、坡度和土層厚度）較高的位置，這和劉璐等［13］的研究結果一致；全鉀、有機質的高值出現在低海拔的地方，這可能與低海拔地區淋溶比高海拔嚴重有關。喀斯特地區土壤養分變異影響因子比較復雜，除受土地利用方式、立地因子影響外，當地社會經濟發展情況對土壤養分因子的影響也比較大，具體的影響機制需要進一步研究。

3 結論

研究表明，地統計學和GIS相結合的方法較好的反映了我國典型喀斯特地區——畢節地區煙田土壤養分的空間變異規律。半方差函數分析表明，畢節地區煙田土壤全氮、全鉀、速效磷的最適模型是球狀模型，全磷和速效鉀的最適模型是線性模型，堿解氮、pH和有機質的最適模型為指數模型；土壤速效磷表現為強烈的空間自相關性，主要受結構性因素（土壤類型、氣候、地形地貌、水文條件等）的影響，受人為活動等隨機因素的影響比較小；而土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效鉀、pH和有機質，表現為中等空間相關性，受結構性因素（土壤類型、氣候、地形地貌、水文條件等）和隨機性因素（施肥、耕作措施、工業污染等人為因素）共同影響。土壤養分空間分布圖表明，畢節地區煙田土壤全氮、全鉀、速效磷和速效鉀含量分布呈現空間連續分布的特點，而全磷、堿解氮、pH和有機質分布沒有明顯的空間分布規律。喀斯特地區生態系統脆弱，強烈的人為因素會導致土壤空間結構的顯著變化，進而加劇該地區的水土流失、石漠化等生態系統的退化，因此，在喀斯特地區從事農業生產時，應大力推廣保護性耕作和精準施肥等措施，建立農業生態補償機制，促進生態系統的保護和恢復。

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