山西農谷土壤養分空間特征分布研究

劉立文，徐立帥，段永紅，周淑琴，秦明星，王 帥

（山西農業大學資源環境學院，山西農業大學農業資源與環境國家級實驗教學示范中心，山西太谷030801）

土壤是地球陸地生態系統中最為重要的組成部分，是影響深入推進農業供給側結構性改革，打造山西“農谷”，建設現代農業創新新高地和功能農業示范區的重要影響因素[1]。土壤養分作為土壤的重要組成部分，是影響植物生長所必需的營養元素重要來源[2-3]。土壤中物質的轉移、養分的積累以及水分的運輸都受到地形因子較為明顯的影響，不同研究區域內簡單地形因子的變化，將會造成土壤養分的空間分布狀況、物質移動堆積特點和水熱分配條件產生差異[4-9]。因此，研究不同地形因子條件下土壤養分空間分布特征，能夠為土壤養分綜合管理以及進行合理的土地利用規劃提供重要的理論依據，同時對土壤耕作和改良都具有十分重要的指導作用。

20世紀70年代后期，土壤養分的空間分布研究開始進入研究者的視線，TRANGMAR等[10-11]對土壤養分的空間變異性以及分布特征的空間相關性進行了研究。HAEFELE等[12]對大面積水稻田區域養分空間分布開展了研究。在我國，王淑英等[13]針對土壤養分有機質和全氮含量的空間變異特征，運用地統計學進行了分析研究。耿廣坡等[14]利用ArcGIS克里格插值方法和“3S”技術，研究不同地形因子對小流域表層土壤養分有機質和全氮含量空間特征分布的影響。

本研究運用ArcGIS軟件，結合經典地統計學以及傳統數理統計方法，選取山西省太谷縣為研究區域，分析了表層土壤有機質、全氮、全磷以及全鉀空間分布特征，進一步分析了不同地形因子下的土壤養分含量特征，旨在為該地區的養分精準管理和平衡施肥提供科學依據，為農業生產提出指導性建議。

1 研究區概況

山西農谷地處山西省晉中盆地中部太谷縣內，占地 1048km2，地理位置為東經 112°28′～113°02′，北緯 37°13′～37°33′。太谷縣區域內地形特點為東南高、西北低，地處黃土高原，平均海拔為700～1 900 m[15]。從資源條件上看，太谷是農業大縣，地處大太原都市區，位置優越，交通發達。從科技優勢上看，其境內擁有山西農業大學、山西省農科院果樹研究所2所科研院所，具有得天獨厚的農業科技資源和一批素質較高的新型職業農民。從發展基礎上看，太谷形成了設施蔬菜、規模養殖、苗木花卉、干鮮果業四大主導產業，擁有太谷餅、壺瓶棗、通寶醋、怡園干紅等一批優勢農產品品牌，農民年人均可支配收入連續多年位居全省前茅。從示范效果上看，太谷先后成為全國現代農業改革與建設試點縣、全國農產品質量安全示范縣、國家農村產業融合發展試點示范縣，立足太谷、依托優勢打造山西農谷具有較好的基礎條件[16]。

2 數據源和數據處理

2.1 數據源和方法

本研究的土壤養分數據來源于山西省耕地質量及生產能力調查評價數據庫，太谷縣鄉鎮界限來源于2014年第二次土地調查變更數據庫，高程數據為美國航天局（NASA）與日本經濟產業省（METI）共同推出的最新的地球電子地形數據ASTER-GDEM（先進星載熱發射和反射輻射儀全球數字高程模型），分辨率為30 m。

本研究以Kriging插值法為基礎方法，Kriging插值法是地統計的經典統計預測法，以實測點的數據為基礎，將待預測值無偏性和最優性作為預測的限制條件，利用距離權重對未知點賦予最優權重值來預測點的數據，相關原理和方法參照文獻[17-18]。

2.2 數據處理

研究區域內采樣點數據中過大或過小值被稱作異常值，土壤養分的采樣分析過程中人為失誤或外部環境條件變化都是產生異常值的主要原因[19]。異常值的存在會造成Kriging插值在形成連續面時發生中止，還可能出現短距離空間變異和減小空間相關變程距離的可能，因此，異常值的剔除顯得至關重要。本試驗數據測量次數大于10次，選取拉依達準則法，以3倍的標準差限為依據，規定99.7%為標準，超過此標準將從測量數據中剔除。識別異常值，即樣本平均值a加減3倍標準差s，在區間（a±3s）以外的數據均定為特異值，然后分別用正常最大和最小值代替特異值。

2.3 土壤養分的等級劃分

本研究利用ArcGIS空間分析模塊提取研究區土壤養分含量點數據，然后打開屬性表運用傳統數理統計方法，對太谷縣采樣點的4種土壤養分含量進行描述性統計分析（表1）。其中，平均值反映了數據的集中趨勢；最大值、最小值和標準差可描述數據的異質性。

表1 太谷縣表層土壤養分含量描述性統計特征

參照全國第2次土壤普查養分分級標準，根據太谷縣的實際土壤養分含量的描述性統計特征（表1），采用統計分組法對太谷縣土壤養分含量制定分級標準（表2）。

表2 太谷縣土壤養分含量分級標準 g/kg

3 結果與分析

3.1 山西農谷土壤養分空間分布特征

利用ArcGIS 10.2軟件地統計分析模塊中的Kriging對4種土壤養分含量進行插值分析，再運用重分類功能根據土壤養分含量分級標準對4種土壤養分含量進行分級制圖，得到太谷縣土壤有機質、全氮、全磷和全鉀的空間分布（圖1），并根據分級結果，對各養分含量所占面積、比例進行統計分析（表 3）。

表3 太谷縣土壤養分的分級情況

結合圖1和表2，3可以看出，太谷縣表層土壤的有機質含量為中等偏低水平，其中，主要分布在3級水平以下，占了整個研究區面積的88.30%，其中，3級主要分布在太谷縣西部和東北部平原丘陵區，4級和5級主要分布在東南部的丘陵山地區。

全氮含量分布均勻且處于較低水平，總體上集中分布在5級水平，面積占了整個研究區面積的99.30%。太谷縣表層土壤養分中的全磷含量呈偏低水平，主要位于4級水平以下，面積占整個土壤總面積的71.90%，4級主要分布在太谷縣的中部地區，而5級主要分布在研究區的東南部和北部山區。全鉀含量為中等平均分布，主要分布在2～4級（135～180 g/kg），面積所占比例為78.6%，空間分布呈現西北部高、東南低的趨勢。

3.2 地形因子與土壤養分空間分布

太谷縣地形由東南向西北逐漸降低，地形因子條件的變化，使得不同地區表層土壤養分特征分布有著顯著差異。以太谷縣DEM數字高程數據作為本研究的基礎數據庫，運用ArcGIS自然間斷點分裂法結合研究區的地形對研究區高程和坡度因子進行重分類，共設置5個等級，即高程為＜900，900～1 100，1 100～1 300，1 300～1 500，＞1 500 m，坡度為＜5°，5°～10°，10°～15°，15°～25°，＞25°（圖 2）。借助ArcGIS表面分析功能，提取研究區的海拔等級并賦值給土壤采樣點，然后利用數理統計的方法得到太谷縣不同地形等級條件下的土壤養分含量特征（表 4）。

表4 不同地形等級條件下的土壤養分含量特征

從圖2和表4可以看出，隨著海拔高度的增加，土壤全鉀的平均含量呈現出明顯增加的趨勢，土壤全氮的平均含量變化不明顯，均處于1 g/kg。相比土壤全鉀含量，土壤有機質和全磷的平均含量總體上呈下降趨勢，但分別在4級和3級處出現小幅波動。隨著坡度的增加，土壤全鉀的含量變化不明顯，土壤有機質、全氮、全磷的含量均隨著海拔的增加而下降，其中，全磷在＞25°區域產生波動。

4 結論

以山西農谷為研究區，利用數理統計學和地統計學對太谷縣土壤采樣點養分含量數據進行歸納和整理，針對土壤有機質、全氮、全磷和全鉀進行描述性統計特征分析。借助ArcGIS技術與地統計學相結合對研究區表層土壤養分含量以及地形因子等數據進行分析處理，進一步研究不同簡單地形因子（海拔和坡度）下土壤養分特征含量分布的影響。主要研究結果表明，研究區內表層土壤全磷和全鉀的含量較高，但空間分布狀況恰好相反；土壤全磷元素在整體上表現為西北部含量高于東南部；而土壤全鉀元素表現為東南部高于西北部。研究區內土壤全磷含量呈中等平均分布，基本上處于3級水平；土壤有機質含量整體呈塊狀分布，西北地區含量較高；全氮元素基本處于3級水平。研究區的簡單地形因子（海拔和坡度）與土壤養分含量空間分布有著相關關系。全鉀含量與地形因子呈正相關，隨著海拔的升高和坡度的增大，含量呈顯著增加趨勢；而有機質、全氮和全磷則隨之減少，其中，全氮的變化趨勢不明顯。

5 討論

由于山西農谷位于黃土丘陵地區，區域內整體平均海拔較高。在高海拔地區，土壤微生物活動受氣溫低和雨量大等不利環境因素的影響[20]，使得相關活性受到抑制，大量枯枝落葉難以分解轉化，因此，導致研究區土壤有機質含量較低，并在高海拔地區出現小幅波動。

土壤中氮元素對提高糧食產量具有十分積極作用，在實際耕種過程中起著決定性作用，其含量一般在0.02%～0.50%[21]，而除了人工施肥之外，植物和土地利用方式是影響氮含量的主要因素[22]。山西農谷地區全氮含量低并隨海拔和坡度的變化不明顯，這可能受該區整體植被覆蓋度低和海拔高等因素影響。

土壤養分中磷元素含量的適度配置能夠確保農作物的健康生長，過度提高土壤含磷量，不僅導致耕地經濟效益生產下降，同時導致大幅度水體流失，產生較為嚴重的環境污染。山西農谷地區的全磷含量隨著海拔和坡度的增加，磷元素不斷降低，可能是由于土地利用類型逐漸從農田向荒草地轉變[23-25]，而在＞25°出現了小幅度的變化，主要是受林地分布影響。

土壤養分中全鉀含量是指鉀元素的總量，包括代換性鉀、礦物態鉀和溶解態鉀。其中，礦物態鉀占90%以上，其他二者雖分布含量較少卻對植物生長起著十分重要的作用[26-27]。太谷縣的全鉀含量分布較高，可能與人為耕種與施肥活動有關。