海南儋州耕地土壤有機質空間變異

曾迪　漆智平　黃海杰　魏志遠　王登峰　高樂　劉磊

摘 要 以海南省儋州市作為研究區域，綜合運用地統計學和地理信息技術，對其耕地土壤的有機質空間變異進行分析。結果表明：儋州耕地土壤有機質平均含量為20.64 g/kg，總體水平為中等偏上；變異系數為48.05%，屬于中等變異；其空間變異變程約為16.50 km，C0/（C0+C1）值為37.34%，土壤有機質含量屬于中等程度的空間相關性；Kriging插值分析結果可反映土壤有機質含量在空間分布上呈大塊狀分布，有較強的連續性，其分布變異不顯著，以3級含量水平分布范圍最廣；北部最高，其余區域（南部、東部、中部、西部）逐漸降低。這種空間分布可能與當地的地表形態、地質狀況及土地經營利用方式等有關。

關鍵詞 儋州耕地；土壤有機質；空間變異

中圖分類號 Q938.13 文獻標識碼 A

Spatial Variability of Soil Organic Matter

Content in Danzhou City， Hainan Province

ZENG Di1， QI Zhiping2， HUANG Haijie2， WEI Zhiyuan2，

WANG Dengfeng2， GAO Le4， LIU Lei3*

1 College of Applied Science and Technology， Hainan University， Danzhou， Hainan 571737， China

2 Tropic Crops Genetic Resources Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Danzhou， Hainan 571737， China

3 Environment and Plant Protection Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， Hainan 571101， China

4 Rubber Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Danzhou， Hainan 571737， China

Abstract Understanding the spatial variation and distribution pattern of soil organic matter（SOM）content is needed for sustainable development in the region. The spatial variation of SOM content in Danzhou was determined using geostatistics and geographic information system（GIS）to provide information for preventing soil degradation. 2597 soil samples（0-20 cm）were collected from the study area. The geostatistical characteristics， spatial trend and range of SOM content were analyzed using the Geostatistical Analyst， ArcGIS 9.0. For all soil samples， the mean of SOM content were 20.64 g/kg， The distribution of SOM content was from the mid to upper level in Danzhou. Statistical analysis showed differences in SOM content among different stratum， landform and land-use type. The average coefficient of variation（CV）of SOM content was 48.05%. The spatial correlation distance（range）was 16.50 km， and the proportion of the semi-variogram model was 37.34%， showed a middle semi-variogram value. The Kriging spatial interpolation showed that SOM decreased gradually from the north to the south， east， west and west in the area. The three levels band of SOM content were distributed in the most widely field. The spatial distribution of SOM content was probably related to variation in stratum， land form and land-use type in Danzhou.

Key words The arable land of Danzhou；Soil organic matter；Spatial variability

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.01.033

土壤環境是人類賴以生存和發展最根本的時空連續體， 具有高度的空間異質性。20世紀70年代后期，人們開始進行土壤空間變異性的相關研究[1]，已有土壤學家率先對土壤物理性質空間變異性規律進行了大量研究[2-3]。1951年南非地質學家Krige提出地統計學的概念，隨后法國學者Matheron將其完善并發展形成理論[4]， 隨后美國科學家將該方法應用于土壤調查、 制圖及土壤變異性等研究[5-7]， 這一方法不僅能有效揭示屬性變量在空間上的分布、 變異和相關特征，而且可以有效地將空間格局與生態過程聯系，進而解釋空間格局對生態過程與功能的影響。目前， 將地統計學與空間內插技術和地理信息系統（GIS）技術結合應用于不同區域土壤養分空間變異性的研究正逐步得到深入[8-11]。

土壤有機質（Soil Organic Matter，SOM）是表征土壤質量的首要因子[12-13]，有機質主要由一系列組成和結構不均一，且存在于土壤中的有機化合物組成[14]，其成分中既有化學結構單一、存在時間較短的單糖或多糖，也有結構復雜、存在時間較長的腐殖質類物質，既包括主要成分為纖維素類的腐解植物殘體，也包括與土壤顆粒、團聚體結合的根系分泌物、植物殘體降解物、生物菌營養體等[15]。國外對土壤有機質空間異質性的研究開展較早，國內相關研究起步較晚。Mishra等[16]、Kuzel等[17]分別對紅壤地區農田尺度和一公頃區域內的土壤有機質空間變異情況進行了相應研究；高峻等[18]在農田土壤空間變異各向異性、趨勢效應等方面進行了研究；楊玉玲等[19]、王軍等[20]、郭旭東等[21]、蔣勇軍等[22]分別對干旱荒漠區、黃土高原、黃淮海平原、南方紅壤等不同區域、類型、尺度的土壤有機質時空變異情況進行了研究。1979年的第2次土壤普查[23]為中國農田的開發利用和產業結構調整提供了科學依據，但30多年來，隨著耕作條件、施肥方式、種植制度等均又發生了顯著改變，土壤養分狀況也隨之變化，且尚無結合空間內插技術和GIS技術分析儋州市土壤有機質分布狀況的報道，在課題組相關研究基礎上[24-25]，筆者根據近期土壤資料，對該區土壤有機質的空間變異進行分析，以期對當地農戶的施肥管理提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

儋州市位于海南島西北部，地處北緯19°11′～19°52′，東經108°56′～109°46′，全市土地總面積為3 343.2 km2，其中耕地面積為103 562.0 hm2，占全市土地總面積的31.0%。人口數為96.57萬人，分布于17個鎮。地勢由東南向西北傾斜，東南高西北低，南部屬山地和丘陵地帶，西南屬平原階地及火山熔巖臺地，東南部為沙壤土，海拔多在100～200 m，中部為河流沖擊平原，北部主要為玄武巖和第4紀的海相沉積平原，海拔在5～10 m，境內大部分都在海拔200 m以下。其中，丘陵占76.5%，濱海及沿江平坦地形占23.13%，山地占0.37%。全境位于熱帶北部邊緣，降水充足，年均氣溫為25.4 ℃，因此，全年均可達到喜溫作物生長要求，有利于發展農業及多種經營。根據儋州市2012年統計公報顯示，全市農業總產值達130.88億元。

1.2 樣品采集與理化分析

樣點采用GPS定位，其布局綜合考慮主要土壤類型（以磚紅壤、水稻土、紫色土為例）[26]（圖1）、地貌類型（以平原、丘陵、山地為例）及土地利用情況（以輪作地、菜地、果園為例），全市共布設2 597個樣點，每一樣點在直徑100 m×100 m范圍內選擇15～20個點，用木鏟采集0～20 cm耕層土樣混合，按四分法取分析樣品1 kg。將土樣風干后研磨，依次通過1.0、0.25 mm孔徑篩后，混勻裝袋，根據《耕地地力調查與質量評價》[27]及《耕地地力調查與質量評價技術規程》（NY/T1634-2008）采用油浴加熱重鉻酸鉀容量法分析化驗土壤樣品的有機質含量[28-29]。

1.3 地統計分析

Fisher傳統統計學理論以區域化變量理論為基礎，將研究的變量假設為純隨機變量，變異函數能夠描述區域化變量的隨機性及區域性，定義為區域化變量在抽樣間隔下樣本方差的數學期望[30-31]，且該函數在最大間隔的1/2內才具有意義[3，32]。當區域化變量與空間位置呈正相關，且滿足內蘊假設、平穩性假設時，所得變異函數是：

r（h）=[Z（xi）-Z（xi+h）]2

公式中，h為步長，N（h）為間隔在h的觀測樣點成對數，Z（xi）、 Z（xi+h）分別是區域變量在位置xi、 （xi+h）處的觀測值。

由于土壤特性在空間上并不是完全獨立的，在一定范圍內存在著空間自相關性[3，33-34]，補充克立格法Kriging插值估計實行局部加權平均，可以同時對隨機性和結構性變量在空間上的分布進行研究[28-29]。

Z（X0）=λiZ（Xi）

Z（X0）為未經觀測的點X0上的內插估計值，Z（Xi）是點X0附近的若干觀測點上的實測值，λi為函數半方差圖分析獲取的權重。

本研究在總體定性分析的基礎上，通過擬合指數模型，得到土壤有機質含量的半方差函數，分析區域變量在空間尺度上的結構性和相關性，檢驗擬合效果，得到土壤有機質的插值模型參數。

1.4 數據分析

利用Arcgis9.0、Raster2Vector5.5等軟件將相關圖層矢量化，用Excel2007對樣點養分屬性數據進行統計分析，錄入Access2003數據庫；經ArcGIS9.0轉換GPS定位的樣點坐標后，得到采樣點位圖，將空間數據與屬性數據通過標識碼進行鏈接；運用ArcGIS9.0地統計分析模塊提供的空間分析方法，結合半方差函數及其模型、Kriging差值等生成土壤有機質空間分布圖[29-30]。

2 結果與分析

2.1 耕層土壤有機質特征

由表1可知，研究區域土壤有機質的平均值為20.64 g/kg，結合《海南省土壤養分分級標準》分析得土壤有機質總體水平中等偏上，大部分樣點土壤有機質屬3級水平；其變異系數為48.05%，屬中等程度變異。3種主要土壤類型中，水稻土有機質的變異系數最小，為20.13%；紫色土變異系數最大，為36.62%。3種主要地貌類型中，平原區有機質變異系數最小，為12.18%；山區變異系數最大，為50.12%。3種主要耕地利用方式中，輪作地有機質變異系數最大，為37.82%；菜地變異系數最小，為26.74%（表1）。

2.2 趨勢檢驗

使用空間統計學克立格Kriging方法進行土壤特性空間時要求數據服從正態分布，此時生成的表面效果最理想，數據正態QQPlot分布圖見圖2，樣品有機質數據服從正態分布。因此，在將數據進行對數轉換后，可以直接進行插值分析[28-29]。

2.3 變異函數分析

由表2可知，C0表示塊金方差，C0/（C0+C）表示空間變異性程度，可反映系統變量的空間自相關性程度。若比值<25%時，表示系統空間相關性較強，說明空間變異主要受結構性因子的影響；若其比值>75%時，系統空間相關性很弱，空間變異主要是隨機因子引起；若其比值為25%～75%時，表明系統空間相關性為中等強度，空間變異是結構性和隨機性因子共同作用的結果。本研究中塊金效應為37.34%，屬于中等空間相關性。變程為變異函數達到基臺值時所對應的距離，本研究最佳模型中變程約為16.50 km，結合變程數據可判斷取樣尺度下的有機質具有較好的空間自相關性，即結構變量是影響其空間變異的主因，而隨機性變量的影響次之。

2.4 Kriging插值分析

根據實測數據，在半方差結構分析和指數模型套合基礎上，考慮各向異性，選取一階趨勢參數，參考第2次土壤普查的有機質含量分級標準，建立比例尺為1：50 000的儋州耕地土壤有機質分布圖（圖3）。由圖3可知，土壤有機質分布格局為北部最高，南部、東部、中部、西部逐漸降低，呈大塊狀分布，連續性較強，其分布變異不大，以3級水平（20～30 mg/kg）分布范圍最廣，5級水平（低含量，6～10 mg/kg）呈零星分布。

表3根據模型選擇標準對研究樣本進行多次模擬比較，得到了土壤有機質最優模型。由交叉校驗可得，預測與實測結果平均標準誤差（MS）小于等于0.002 7，說明接近無偏估計；標準均方根預測誤差（RMSS）介于0.930 2～1.013，說明模型的擬合度較高。5項指標綜合反映預測表面的精度，表明模型可準確估計有機質的空間變異，適用性較強。因此，土壤有機質的Kriging插值結果可靠。

3 討論與結論

本研究結果表明，土壤類型、地貌類型或土地利用方式的不同均可能造成儋州耕地土壤有機質不同程度的空間變異，與趙明松等[35-36]、宋莎等[37]、林清火等[38]、武婕等[39]的相關研究結論趨勢一致。總體來看，全市土壤有機質變異系數為48.05%，屬于中等變異，與趙明松等[35-36]、宋莎等[37]各自研究區域的有機質變異一致；但空間相關性結論有所區別，本研究空間變異變程約為16.50 km，C0/（C0+C1）值為37.34%，空間相關性屬于中等程度，而前述研究報道中有機質具有強烈的空間相關性，這可能由于本研究區域的結構性因素對有機質空間變異造成的影響較小。

同時，本研究得出土壤有機質在空間分布上呈大塊狀分布，有較強連續性，北部最高，其余區域（南部、東部、中部、西部）逐漸降低，從地域特點角度可推測其原因為：儋州東南高、西北低，由東南到西北逐漸遞降，地形起伏不大，北部階地臺地區域土壤較為粘重，不利于耕作，但保水保肥效果較好；南部、東部低山丘陵區域雖有水土流失，但土壤資源尚未完全開發利用，土層較厚，有開墾價值；中部低丘臺地區域地勢平緩，長期作為主要的生產基地；西部階地平原區域也較平坦，且灌溉條件較好，但土壤砂性大，人口密集。

此外，研究得出儋州耕地土壤有機質平均含量中等偏上，以3級含量水平分布范圍最廣，與第2次土壤普查[23]結果對比，部分區域的有機質含量有一定改善，因此，應在耕作時因地制宜，堅持大力推廣種植綠肥、增施有機肥、稻桿回田、合理輪作、定期改良土壤等管理措施，以穩定、提高耕地土壤有機質含量。

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