湖北省主要農區耕地土壤質量研究Ⅰ.耕地土壤養分的空間變異特征

楊利，夏賢格，范先鵬，吳家瓊，肖習明，陳波，丁亨虎，熊桂云

摘要：采用地統計學的方法，研究了湖北省主要農區耕地土壤養分狀況以及空間變異特征。結果表明，土壤基礎養分及主要微量元素指標均表現出明顯的空間變異，其中pH、OM、全K變異較小，速效N、P、K及微量元素變異較大。湖北省主要農區土壤OM、全N、有效Mn和有效Cu較為豐富，但堿解N、速效P、有效Fe、有效B較為缺乏。

關鍵詞：湖北省;農區;土壤養分;空間變異。

中圖分類號：S158.3 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）23-5683-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.017

土壤肥力作為土壤質量狀況的一個重要指征，是維持土壤生產力、保障動植物健康的重要因素。土壤肥力受母質[1，2]、地形[3]、氣候等自然因素和耕種、施肥、灌溉等人類活動[4，5]的影響，一直處于動態的變化之中，了解掌握土壤肥力及其演變規律，已成為農業可持續發展的研究熱點[6，7]。但在一定的區域范圍內，由于氣候、耕作管理等比較一致，土壤特性的空間變異將趨于緩和，由母質引起的空間變異會逐步減小[8]。

地統計學（Geostatistics）[9-11]是基于20世紀50年代礦藏勘察中使用的空間估值方法，由法國統計學家Matheron總結提出的區域化變量估算理論。20世紀80年代以來，利用地統計學方法來研究土壤特性及空間變異，已成為土壤科學研究的熱點[12，13]。本研究采用地統計學方法，研究湖北省主要農區耕地土壤養分狀況及空間變異特征。

1 ?材料與方法

1.1 ?調查地域的確定

湖北省的江漢平原、鄂中丘陵和鄂北地區等幾個區域為湖北省糧棉油重要產區，其面積占湖北省耕地總面積的70%左右，選擇上述3個區域作為全省主要農區開展調查研究，其中江漢平原以潛江市作為代表，鄂中丘陵以荊門市掇刀區和東寶區作為代表，鄂北地區以棗陽市和宜城市作為代表。

1.2 ?樣品取樣與測試

土壤樣品的采集依據國家測土配方施肥項目的要求進行。樣品的采集需考慮耕作特性、種植作物、輪作制度、施肥習慣、土壤類型、水分狀況等因素，力求具有代表性，每樣點代表面積平原為6.7～13.3 hm2，丘陵為2.0～5.3 hm2。

土壤樣品采用以下方法分析：pH測定采用水土比5∶1、pH計法，有機質測定用重鉻酸鉀容量法，全N測定采用凱式消煮法，全P測定采用堿溶-鉬銻抗比色法，全K測定采用堿溶-火焰光度計測定法，堿解N測定采用堿解擴散-半微量滴定法，速效P測定采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法，速效K測定采用乙酸銨提取-火焰光度計法，有效Fe、Mn、Cu、Zn、B測定采用DTPA混合提取劑提取-原子吸收分光光度法[14]。

1.3 ?數據處理

數據統計處理采用SPSS 13.0軟件和Excel 2003進行處理。

2 ?結果與分析

2.1 ?土壤常規養分的空間變異

對當前湖北省主要農區土壤養分狀況采用地統計學的方法進行描述性統計，統計分析結果見表1。統計中，為了解各土壤養分含量的偏移程度，引用了偏移度P的概念[15-17]，其是指中值偏斜程度，用百分數表示。即：

P=（V-M）/V×100%，式中，V為平均值，M為中值。

P值以5%為臨界值，大于5%為偏斜，小于5%為不偏斜。

統計結果（表1）表明，土壤pH、OM（有機質）、全N、全P、全K和堿解N為不偏斜養分，速效P、速效K為偏斜養分。但各區域的表現并不完全一致，江漢平原的pH、全N、全P、堿解N為不偏斜養分，OM、全K、速效P、速效K為偏斜養分。鄂中丘陵pH、有機質、全N、全K、堿解N為不偏斜養分，全P、速效P、速效K為偏斜養分。鄂北地區pH、有機質、全N、全K、堿解N、速效K為不偏斜養分，而全P、速效P為偏斜養分。

當某一土壤養分含量的分布服從正態分布時，中值即等于平均值。從偏移養分的矢量及絕對值上看，絕大部分偏移的養分均為負偏斜，即平均值大于中值，平均值是中值的1.1～1.5倍，表明絕大部分養分指標偏移并不十分明顯。但速效P的偏移較明顯，尤其是江漢平原和鄂北地區，偏移在15%以上。

各土壤養分含量中，按變異強度劃分[18]，pH、OM、全N、全P，全K、堿解N、速效P、速效K均為低或中等變異養分，其中以速效P變異最大，最大值是最小值的417倍。同時三大農區差別也各不相同，江漢平原也是除pH為變異養分外，其他如OM、全N、全P，全K、堿解N、速效P、速效K均為低或中等變異養分，其中以速效P變異最大;鄂中丘陵pH、OM、全N、全P、全K、堿解N、速效P、速效K均為低或中等變異養分，其中以全P變異最大;鄂北地區則是pH為弱變異養分，OM、全N、全P、全K、堿解N、速效P、速效K均為低或中等變異養分，其中也是速效P變異最大。

綜合全省的結果來看，pH變異中等，變異最大的養分因子是速效P。說明土壤中磷肥易被土壤吸附固定，且不易淋失，具有殘存效應，在不同土壤環境中表現差異很大。這與池富旺等[19]、趙莉敏等[20]的觀點是一致的。

為了解湖北省主要農區土壤養分的豐缺狀況，參考魯劍巍[21]的標準，對能較好反映土壤肥力狀況的OM、全N、堿解N，速效P、速效K等5項指標進行了頻數統計（圖1）。從頻數分布圖上可以看出，pH、OM、全K基本呈正態分布，全N、全P以及速效養分（堿解N、速效P、速效K）都呈非正態分布。

總體上，全省主要農區土壤常規8項養分中，pH、OM為穩定性養分因子，而由于重要的三大肥料元素氮、磷、鉀的影響，土壤速效養分堿解N、速效P、速效K變異均較大，呈非正態分布，表現出明顯的負偏峰分布特征。尤其是速效P、速效K，區域內養分測定值相差很大，最大值是最小值的240～4 167倍，多數樣本的測定值處于平均水平以下。表明速效養分與地域特點、人為耕作活動相關，尤其是施肥習慣，但仍需進一步研究。

圖1結果還表明，有89.4%點位的土壤有機質處于中等或豐富狀況，97.3%的土壤全N處于中等或豐富狀況，但堿解N則僅48.9%處于中等或豐富狀況，缺乏的比例占51.1%;速效P有44.4%處于中等或豐富狀況，缺乏的比例占55.6%;速效鉀有64.4%處于中等或豐富狀況，缺乏的比例占35.6%。說明湖北省主要農區土壤有機質和全氮還是較為豐富的，但超過50%的田塊堿解N和速效P處于缺乏的狀態，速效鉀缺乏、中等和豐富的比例各約占1/3。

2.2 ?土壤微量元素的空間變異特征

采用地統計學的方法，對湖北省主要農區土壤中主要微量元素的含量進行描述性統計，統計分析結果見表2。

統計分析結果表明，有效Fe、Mn、Cu、Zn、B均為偏斜養分。但各區域的表現并不完全一致，江漢平原的有效Fe、Cu、Zn為不偏斜養分，有效Mn、B為偏斜養分，鄂中丘陵有效Fe、Mn、Cu、Zn、B均為偏斜養分。鄂北崗地有效Mn、B為不偏斜養分，而有效Fe、Cu、Zn為偏斜養分。

從偏移養分的矢量上看，絕大部分呈偏移的養分均為負偏斜，即平均值大于中值，江漢平原鄂北地區各養分偏移并不十分明顯，但鄂中丘陵的有效Fe、Mn、Zn偏移較明顯。

各土壤微量元素養分含量中，變異系數均較大，有效Fe、Mn、Cu、Zn、B均為中等變異養分，但三大農區間也有差異。江漢平原有效Fe、Mn、Cu、Zn、B為低等變異養分;鄂中丘陵和鄂北地區有效Fe、Mn、Cu、Zn、B均為低或中等變異養分。

從頻率（圖2）上看，有效Cu和有效硼B基本服從正態分布，偏移較小。有效Fe的含量比較集中，有63.3%的樣本含量集中在20～59.9 mg/kg之間;有效Mn和有效Cu的含量基本集中在中等及以上范圍;從變異情況看，有效Mn的變異很大，最大值是最小值的575倍。整體上，有效鐵、有效硼較為缺乏，有效錳和有效銅較為豐富，有效鋅為中等水平。

3 ?結論

1）當前湖北省主要農區耕地土壤養分狀況，存在較大的空間變異，常規8項養分指標中，pH、有機質、全N、全P、全K、堿解N、速效P、速效K都表明出明顯的空間變異性。整體上，全省土壤pH變異最小，變異最大的是速效P。

2）湖北省主要農區耕地土壤養分中，pH、有機質、全K服從正態分布，速效養分（堿解N、速效P、速效K）都呈非正態分布;土壤常規8項養分指標中，pH、有機質、全K為穩定性養分因子，而土壤速效養分堿解N、速效P、速效K均變異較大，最大值是最小值的240～4 167倍，呈非正態分布。湖北省主要農區土壤有機質和全氮較為豐富，但超過50%的農田堿解N和速效P處于缺乏的狀態。

3）主要微量元素方面，有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅、有效硼均為低、中等變異養分，但各區域的變異表現并不完全一致。全省整體上，有效鐵、有效硼較為缺乏，有效錳和有效銅較為豐富。

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