蘇州市土壤養分及有機質含量變化的空間尺度效應

孫永泉，陳 吉，劉 旭，沈林林，陸幸鸚

(1.蘇州市耕地質量保護站，江蘇蘇州 215011；2.蘇州市農產品安全監測中心，江蘇蘇州 215011)

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蘇州市土壤養分及有機質含量變化的空間尺度效應

孫永泉1，陳 吉1，劉 旭1，沈林林2，陸幸鸚1

(1.蘇州市耕地質量保護站，江蘇蘇州 215011；2.蘇州市農產品安全監測中心，江蘇蘇州 215011)

[目的]明確蘇州市土壤養分及有機質含量在不同空間尺度下的變化規律。[方法]以2010年蘇州市耕地質量監測點數據為基礎，分析了土壤養分及有機質含量與空間尺度的關系。[結果]土壤養分及有機質含量的變異程度與空間尺度變化存在一定關系，其中土壤養分及有機質含量的組內變異程度隨著空間尺度的增大而增加，而其組間變異程度則表現出相反趨勢，土壤養分及有機質含量的組間變異程度普遍大于其組內變異程度。[結論]為準確確定土壤養分及有機質含量的空間區域劃分方法提供了科學依據。

土壤養分；土壤有機質；空間尺度；變異系數

土壤養分及有機質含量是常用的土壤肥力指標，其影響因素很多，主要包括氣候條件、地形狀況、植被類型、土壤性狀和利用管理狀況等[1]。不同區域尺度下對應著不同的影響因素，導致不同區域尺度下表現出不同土壤養分及有機質含量變異格局，這被稱為尺度效應。尺度效應是地理分異規律和地理綜合規律在時間和空間上的表現，隨著尺度變大，研究對象的綜合性、概括性增強，研究對象之間的主導分異因子級別提高；隨著尺度變小，研究對象的分異性、多樣性增強，研究對象之間的主導分異因子級別降低[2-3]。筆者通過分析蘇州市多種空間尺度的土壤養分及有機質含量的變異性，研究不同空間尺度區域劃分方式下土壤養分及有機質含量變異的規律，旨在為準確確定土壤養分及有機質含量的空間區域劃分方法提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況 蘇州處于長江下游太湖流域，全市總面積8 488.42 km2，其中平原占55%，水面占42%，丘陵占3%。境內河流縱橫，湖泊眾多，平均海拔4 m，年均氣溫16.9 ℃，年均無霜期230 d，年均日照時數77.31 h，年均降水量1 200 mm。蘇州市耕地質量監測工作始于2004年，全市共建立了108個監測點，其中1個國家級監測點，20個省級監測點。監測點分布在4個市(縣)4個區，覆蓋了黃泥土、沙夾垅、小粉土、沙夾土、高(低)位白土、烏柵土等15個主要土壤種類，涉及麥稻、林果、油稻、蔬菜、茶葉5個主要種植制度，代表耕地面積3 675萬hm2。其中，糧田監測點70個，占70%，體現了對糧食生產的高度重視。監測類別分為耕地肥力檢測和農田環境檢測兩大類。省級監測點設常規施肥、優化施肥、當年無肥和常年無肥4種施肥處理。

1.2 數據來源 數據來源于2010年蘇州市省級耕地質量監測點常規施肥區數據。

1.3 測定項目與方法 土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定；全氮含量采用半微量開氏法測定；堿解氮含量采用1.0 mol/L NaOH擴散法測定；有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定；緩效鉀采用1.0 mol/L HNO3浸提-火焰光度法測定[4]。

1.4 數據統計 數據采用Micsoft Excel 2003和SPSS 13.0軟件處理。

2 結果與分析

2.1 土壤養分及有機質含量描述性統計及相關性分析 通過對2010年蘇州市20個省級耕地質量監測點常規施肥區的耕作層土壤養分及有機質含量進行統計分析，結果顯示(表1)，蘇州市有機質含量平均值為26.4 mg/kg，全氮含量平均值為1.6 mg/kg，堿解氮含量平均值為175.2 mg/kg，有效磷含量平均值為26.6 mg/kg，速效鉀含量平均值為105.7 mg/kg，緩效鉀含量平均值為429.0 mg/kg。蘇州全市土壤養分及有機質含量均表現出不同程度的變異，各市區土壤養分及有機質含量的變異系數為1.9%～93.0%，平均為24.6%。其中，土壤有效磷的變化最明顯(變異系數為87.0%)，對外界環境條件變化的響應最直接，其次為速效鉀(變異系數為37.8%)、緩效鉀(變異系數為23.4%)、全氮(變異系數為19.6%)、有機質(變異系數為18.7%)、堿解氮(變異系數為13.8%)。

表1 2010年蘇州市省級耕地質量監測點土壤養分及有機質含量

前人研究表明，土壤養分及有機質含量之間存在一定的相關性[5]。筆者對20個蘇州市省級耕地質量監測點土壤性質(有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、緩效鉀)進行了相關性分析，結果顯示(表2)：土壤有機質含量與全氮含量呈極顯著正相關，與速效鉀、緩效鉀含量呈顯著正相關；有效磷含量與緩效鉀含量呈顯著正相關；速效鉀含量與緩效鉀含量呈極顯著正相關。

表2 土壤性質相關性分析

注：*表示在0.05水平呈顯著相關；**表示在0.01水平呈極顯著相關。

Note:* indicates a significant correlation at the 0.05 level；* * indicates a significant correlation at the 0.01 level.

2.2 土壤養分及有機質含量變異程度與空間尺度的關系 土壤性質的變異程度與空間尺度變化存在一定關系[6]。筆者以蘇州張家港市、常熟市、太倉市、昆山市、吳江市、吳中區等各市區作為小區域尺度；張家港和常熟市位于蘇州市區以北，兩者合并為“北部”，太倉和昆山市位于蘇州市區以東，兩者合并為“東部”，吳江市和吳中區位于蘇州市區以南，兩者合并為“南部”，以“東部”“南部”和“北部”作為大區域尺度；以包括張家港市、常熟市、太倉市、昆山市、吳江市、吳中區等各市區的蘇州全市作為全市尺度。對小區域尺度、大區域尺度和全市尺度3種空間尺度下的土壤養分及有機質含量變異程度分別進行以耕地質量監測點為統計單元的組內變異程度分析和以空間尺度為統計單元的組間變異程度分析，結果見圖1、2。

從圖1可見，以耕地質量監測點為統計單元，隨著空間尺度的增大，監測點數量增加，除了土壤堿解氮含量變化不大外，尺度單元內部土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀、緩效鉀含量的變異系數分別從小區域尺度的15.0%、10.3%、61.3%、28.4% 和18.3%增加到大區域尺度的18.3%、16.7%、69.4%、37.1%、21.6%及全市尺度的18.7%、19.6%、87.1%、37.8%、23.4%，即土壤養分及有機質含量組內變異程度隨著空間尺度的增大而增加。

圖1 不同空間尺度的土壤養分及有機質含量組內變異系數Fig.1 Coefficient of variation of soil nutrients and organic matter content at different spatial scales

從圖2可見，在確定的空間尺度單元下，單元內土壤養分及有機質含量的組間變異系數則隨著空間尺度的增大而減小，即表現為土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、緩效鉀含量的變異系數分別從小區域尺度的68.0%、80.6%、77.5%、47.5%、46.4%、32.6%下降到大區域尺度的17.5%、20.0%、18.3%、35.7%、4.8%、18.3% 。小區域和大區域尺度下的組間差異是全市尺度下的組內差異，表現出類似趨勢。由此可見，在尺度轉換過程中，對于低級尺度內最基本單元概括而形成最初的區域基礎后，以此空間區域為基礎向高級空間尺度遞進時，轉換層次的增加可導致其內部的差異性減少。

圖2 不同空間尺度的土壤養分及有機質含量組間變異系數Fig.2 Coefficient of variation of soil nutrients and organic matter content at different spatial scales

綜合圖1、2來看，土壤養分及有機質含量的組間變異程度普遍大于其組內變異程度，這在小區域尺度條件下表現得更為明顯。這可能與組內比較的是相對較近區域內土壤的變異程度，而組間比較的是相對較遠區域內土壤的變異程度有關。根據土壤發生學理論，氣候、生物、地形和母質等均是土壤主要成土因素[7]，而區域變化可以影響這些因素變化。另外，土壤養分及有機質含量的組內和組間變異程度均表現出一致的變化趨勢，這可能與各土壤養分及有機質含量存在一定程度的相關性有關。根據土壤養分及有機質含量在不同空間尺度內的變異情況可以看出，不同空間尺度擴展方式得到的結果存在差異。簡單來說，如果同樣的樣本數分布在大小不同的空間區域，那么大區域的變異程度就會超過小區域；而對于同一區域而言，樣本數的增多則會導致其變異性的增加。

3 小結

通過對小區域尺度、大區域尺度、全市尺度3種不同空間尺度的土壤養分及有機質含量的變異性進行分析，結果表明：蘇州市土壤養分及有機質含量的變異程度與空間尺度變化存在一定的關系，其中土壤養分及有機質含量的組內變異程度隨著空間尺度的增大而增加，而組間變異程度則表現出相反趨勢，土壤養分及有機質含量的組間變異程度普遍大于其組內變異程度。

[1] ESWARAN H，VANDEN BERG E，REICH P F.Organic carbon in soils of the world[J].Soil science society of america journal，1993，57(1)：192-194.

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[4] 鮑士旦.土壤農化分析[M].北京：中國農業出版社，2001.

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[7] 黃昌勇.土壤學[M].北京：中國農業出版社，2000.

Scaling Effect on Spatial Variability of Soil Nutrients and Organic Matter Content

SUN Yong-quan1, CHEN Ji1, Liu Xu1et al

(Suzhou Quality of Cultivated Land Protection Station, Suzhou, Jiangsu 215011)

[Objective]The study aimed to define the variation of soil nutrients and organic matter content in different spatial scales in Suzhou City. [Method] Based on the data from Suzhou cultivated land quality monitoring data in 2010, the relationship between the variation of soil properties(include soil nutrients and organic matter) and the spatial scales were analyzed.[Result] The results indicated that the variation coefficient of soil properties content increased with increasing the number of soil sample while individual soil sample was taken as a basic statistical unit, and decreased with spatial scale up while average of soil properties content in the defined scale was taken as a statistical unit. The variation coefficient of soil properties content within soil group less than among soil groups. [Conclusion] The result could prove data support for determination of soil nutrients and organic matter content in the space division method.

Soil nutrients; Soil organic matter; Spatial scales; Variation coefficient

孫永泉(1966-)，男，江蘇蘇州人，高級農藝師，從事耕地質量研究。

2016-09-05

S 153.6

A

0517-6611(2016)32-0114-03