山東省鄉鎮尺度土壤肥力空間分布特征研究

刁興良，楊再潔，于景鑫，李奇峰，張 馨，鄭文剛，史磊剛

（1北京農業信息技術研究中心，北京100097；2山東農業大學信息科學與工程學院，山東泰安271018；3中化化肥有限公司，北京100031）

0 引言

作物賴以生存的基礎之一是土壤，土壤質量包括土壤肥力、土壤環境和土壤健康3個方面，其中，土壤肥力是土壤的本質屬性[1]，土壤肥力的高低決定著作物產量的高低和品質的優劣。因而通過研究土壤肥力指導農業生產是很有必要及現實意義的。

關于土壤肥力評價方法，灰色關聯法、模糊評判法、聚類分析法等是近年來土壤肥力質量定量評價中應用最廣泛的數理統計方法，能夠客觀、準確地篩選土壤屬性的變異性[2-4]。利用GIS技術和地統計學方法相結合的方式來研究土壤養分空間變異性是相關研究的熱點之一[5-7]。趙凱等[8]針對山東省泰安市桑園土壤肥力的研究，對桑園的土壤肥力的評價方法提出了理論依據；張連金等[9]利用因子分析法評價了土壤質量；趙業婷等[10]利用GIS與地統計學結合的方法評價了關中地區土壤養分肥力；張瑞等[11]運用地統計方法研究了北京近郊土壤肥力性質的空間結構，對土壤養分進行了豐缺評價；郭安廷等[12]利用GIS與地統計方法研究了河南滑縣土壤養分的空間變異；楊美玲等[13]分析了庫車縣耕層土壤養分的空間變異的主要影響因素是土壤類型、土壤質地以及施肥等人為因素；溫延臣等[14]在山東省禹城市開展了不同施肥制度對土壤肥力的研究，提出不同施肥制度對土壤肥力確有影響；還有其他學者對不同土壤類型展開土壤肥力研究[15]。利用地統計學，結合GIS技術來研究土壤性質的空間變異，不僅可以有效地揭示屬性變量的空間變異，而且可以更科學地解釋隨機因素和結構性因素對變量空間變異的影響[16-17]。

近年來，對區域尺度及市縣尺度上的有關土壤肥力質量的研究較多[18-19]，全省范圍內鄉鎮級的研究相對較少，并且鄉鎮級尺度的研究多針對某些特定作物[20-21]。此外前人研究多基于定點取樣數據，然后采用空間插值方法，用于評價土壤肥力空間分布[22-23]。由于土壤本身空間變異較大，基于樣點數據會干預宏觀尺度上土壤分布規律的總結，同時鄉鎮村小尺度上也難以形成統一的科學施肥方案。本研究選擇鄉鎮多地取樣值的平均值來代表該鄉鎮土壤肥力，可以有效減低組內變異，提高數據在空間上的連貫性，使分析結果更加的精確；進一步利用空間熱點分析方法，反映出山東省土壤肥力分布規律，明確土壤肥力豐缺敏感區域，提升山東省各區土壤改良和施肥的精裝性。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

山東省位于中國東部沿海、黃河下游，北緯34°25′—38°23′、東經 114°36′—122°42′之間。地處北溫帶，屬于暖溫帶季風氣候，雨熱同期，降水集中，春秋短，冬夏長。全境南北最長約437.28 km，東西最寬約721.03 km，總面積1571.26萬hm2，約占全國總面積的1.63%。其中，農用地1156.6萬hm2，占土地總面積的73.61%；建設用地251.1萬hm2，占土地總面積的15.98%。土壤類型多樣化，尤以潮土、棕壤和褐土的面積較大，分別占耕地的48%、24%和19%。

1.2 數據來源

（1）山東省底圖來自于中國科學院資源環境科學數據中心提供的2012年中國行政分布圖。

（2）土壤養分數據來自農業部測土配方施肥項目，個別鄉鎮缺失數據利用周邊鄉鎮相應指標平均值代替。在鄉鎮的基礎上，土壤養分理論上變化不大，因此使用平均值來帶代替采樣點代表該鄉鎮土壤養分是可行的。

1.3 研究方法

土壤質量評價方法如下：根據全國第二次土壤普查及有關標準，結合山東省養分數據，如表1所示，將土壤主要養分含量分為6個級別。

使用Excel 2016軟件對數據進行整理，使用SPSS 25軟件進行數據計算。利用ArcGIS10.2軟件對矢量數據與土壤數據進行校正匹配。首先對土壤養分進行分級，對單指標的豐缺狀況進行評價，利用ArcGIS軟件，生成山東省土壤肥力單指標豐缺分布圖，土壤肥力綜合評價采用主成分分析法，之后將各鄉鎮的綜合得分作為土壤肥力評價新指標進行系統聚類。最后，為了更好地反映土壤肥力的空間分布特點，利用ArcGIS軟件，生成山東省土壤肥力空間分布圖。

表1 土壤主要養分分級標準

聚類分析是按照一定標準，根據研究對象特征，使其組內的數據具有高相似性，組間具有高差異性的一類數據分類分析方法。聚類分析的方法有很多，包括K-均值聚類法、層次聚類法等，考慮到本研究的數據來源，因此采用的聚類方法為熱點分析(Getis-Ord Gi*)。通過此方法，希望要素能夠得出具有顯著聚集或離散的結論。為了熱點能夠具有顯著統計意義，首先因素要具有高值，其次要被其他同樣具有高值的因素所包圍。將某個因素及其相鄰因素的總和與所有因素的總和進行比較，如果結果與預期相比具有明顯差異，說明不隨機，就會產生一個具有顯著統計學意義的z值。p值表示概率，反映某一事件發生的可能性。通過得到的z值和p值，可以清楚地知道高值或低值因素的空間聚類位置。

Getis-Ord局部統計可表示成式(1)。其中xj是要素j的屬性值，wi,j是要素i和j之間的空間權重，n為要素總和，Xˉ和S的計算公式如(2)～(3)所示。統計的是z得分，所以不需要進一步計算。

在單指標層面上，主要分為2步：首先將數據根據有關分級標準分級，然后采用熱點分析(Getis-Ord Gi*)對數據進行空間聚類。在綜合評價方面，將數據進行標準化，經過主成分分析后，根據綜合得分分值，選擇聚類個數，采用熱點分析(Getis-Ord Gi*)對數據進行聚類。

本研究采用熱點分析方法，熱點代表土壤肥沃地區，冷點代表土壤貧瘠地區，更為直觀地在空間上反映出土壤養分單因素豐缺分布以及土壤肥力綜合分布。

2 結果與分析

2.1 山東省土壤養分單因素豐缺分析

作為評價土壤供肥的重要依據的土壤養分豐缺指標，具有鮮明的區域性[24]。為了對山東省的土壤肥力質量狀況有整體的認識了解，對各個土壤肥力指標進行了初步的描述性統計分析，結果如表2所示。

一般認為變量的變異系數在0～10%之間屬于具有強烈自相關性的弱變異；在10%～100%之間為具有中等自相關性的中等變異；100%以上的為自相關性微弱的強變異性[25]。由表2中各指標的變異系數來看，各個指標的變異系數均處于中等變異，其中土壤有效磷的變異系數最高，為61.91%，說明土壤有效磷的含量受外界影響顯著，全氮、有機質和速效鉀的變異系數分別為41.16%、30.33%和44.76%，說明這3個指標在土壤中相對穩定。

表2 土壤肥力指標描述性統計分析結果

2.2 山東省土壤養分單因素空間分布特征

山東省各因素豐缺分布圖如圖1所示。可以很明顯地看出，山東省速效鉀含量處于中等偏上水平，但有效磷的含量較低，有機質與全氮的含量大都屬于4級，處于中低水平。山東省境內全氮含量小于1 g/kg的地區約占73.05%，其中很缺乏地區為24.95%，缺乏地區為41.52%，含量處于中等水平的地區約為25.74%，豐富地區僅為1.2%。全氮空間分布由中部地區向四周發散，呈現先低后高再低的趨勢，山東半島大部分地區含量較低，但威海市西部與煙臺市中東部含量高；有效磷整體含量豐富，中等地區為23.32%，含量大于20 mg/kg的地區占75.68%，其中豐富地區為55.38%，極豐富地區為20.3%；速效鉀含量小于100 mg/kg的地區大約為28.31%，其中缺乏地區占27.39%，中等地區占47.73%，豐富地區大約為23.95%，豐富地區為17.05%，速效鉀豐富地多集中于北部及中東部地區；有機質整體含量亦較低，含量小于20 g/kg的地區占97.37%，缺乏地區為82.56%，有機質含量稍高零星分布在山東省中部和南部地區。

通過上面的分析，可以在總體上觀察土壤養分各指標的豐缺度，因此，接下來采用熱點分析(Getis-Ord Gi*)，使結果看起來更為簡潔明了，結果如圖2所示。

山東省全氮含量豐富地區主要分布在濟寧的西北及西南部、棗莊南部、臨沂中部、泰安東部、濟南東部、濱州南部、淄博北部、青島西北部、煙臺西部、中部及東南部；煙臺的北部以及東北部、濟寧東南部、棗莊西部、臨沂南部及東北部、日照西部、濰坊的西北部及中東部，有效磷含量豐富；速效鉀含量豐富地區多集中在濰坊市、東營市的南部、濱州市北部、濟寧市南部等地區；在臨沂市中部、棗莊南部、濟寧中部及南部、泰安中南部、萊蕪市、德州東南部地區，有機質含量豐富，同時在淄博、濱州及東營三市交界處，有機質的含量也較為豐富。

2.3 山東省土壤綜合肥力空間分布特征

土壤肥力各項指標具有不同的含義，同時在數量級和量綱上也都不同，為保證結果的客觀性和科學性，需對初始數據進行標準化處理[26]。對土壤養分進行主成分分析，結果如表3所示，公因子方差均大于0.5，表明這4個土壤肥力指標都能較好地反映原始變量的主要信息，可以綜合反映土壤肥力水平，同時各個指標之間也相互影響土壤質量。前2個成分的初始特征值大于1，因此選取前2個成分為特征值。其中有效磷和速效鉀為第一主成分信息；全氮和有機質為第二主成分信息。用F表示土壤肥力質量評價指標，用X1、X2、X3、X4分別表示全氮、有效磷、速效鉀和有機質初始值標準化后的值，則2個主成分表達式分別為式(4)、(5)。

圖1 山東省單因素豐缺分布圖

圖2 熱點分析-單指標豐缺分布圖

土壤有效磷和速效鉀在第一主成分上的得分系數絕對值較大，且均為正值，這表明土壤有效磷和速效鉀的含量顯著影響土壤肥力水平，在一定范圍內，土壤有效磷和速效鉀含量越高，土壤肥力質量越好。在第二主成分表達式中，全氮和有機質的得分系數絕對值大，因此在一定范圍內，土壤全氮和有機質的含量越高，土壤肥力質量越好。

表3 土壤肥力指標的主成分因子載荷矩陣、特征值和方差貢獻率

利用上述2個表達式求出主成分得分，然后對其進行加權求和，其權重為主成分的公因子方差，得出綜合得分，隨后利用ArcGIS軟件，得到如圖3所示的山東省土壤養分綜合得分分布圖。

鑒于只通過簡單的聚類并不能很好的反應山東省土壤狀況，因此對綜合系數分布圖進行熱點分析，如圖4所示。山東半島東南部地區綜合系數較低，有機質和速效鉀為限制因子，全氮也在一定程度上限制了其綜合系數。山東省中南部、西南部及東南部地區，有效磷和速效鉀的含量較低，導致土壤肥力處于較低水平，東南部地區的土壤肥力水平在一定程度上還受有機質和全氮含量的影響。山東省西北及北部地區，土壤肥力主要限制因子為全氮和有效磷。雖然有效磷整體比較豐富，但也存在含量低的地區，因此這部分地區為提升土壤肥力，還是需要重點提升有效磷的含量。養分良好的地區，各項指標均處于中等及良好的水平，共同作用提升土壤肥力水平。

3 討論與結論

圖3 山東省土壤養分綜合評價

圖4 熱點分析-山東省土壤養分綜合評價

總體上，山東省土壤肥力質量處于中等偏下水平，土壤肥力空間分布呈現北低南高的趨勢，自西向東呈現先升高后下降的趨勢。本研究從鄉鎮尺度上總結了山東省土壤肥力空間分布特征，明確了有機質、全氮、有效磷和速效鉀在空間的豐缺程度，對指導山東省科學施肥和土壤地力提升具有重要意義。本研究發現山東省全氮、有效磷、速效鉀和有機質在空間上表現出一定的集聚效應，土壤肥力質量呈現出北部低南部高的趨勢，自西向東，土壤肥力先升高后下降在升高；魯中地區土壤肥力較差，以中部為中心，土壤肥力高的地區成發散式、環形分布，魯西、魯西北大部分地區、東部沿海及東南部沿海地區，土壤肥力差，但煙臺市東北部地區，土壤肥力良好，這與亢寧等[27]對于構建山東省縣級土壤養分數據庫中的描述是一致的，在屬性值含量方面，與其略微有所出入，但與王立華等[28]對山東省耕地土壤養分調查結果相一致。因此考慮原因是全氮、有效磷、速效鉀和有機質屬于變異系數較高的中等變異，受人為影響明顯，經過長時間累積后，導致土壤養分含量的變化[29-30]。全氮、有效磷、速效鉀和有機質均是土壤肥力的限制因子，這與前人的研究結果也是一致的[31]。同時可以明顯看出，山東省土壤肥力良好地區，途徑濰坊市中部—淄博市—臨沂市東北及東南部—棗莊西部—濟寧東部，構成一個S型。對土壤養分進行主成分分析后，根據第一主成分表達式，土壤速效鉀和有效磷的含量顯著影響土壤肥力質量，且正向影響。在第二個表達式中，全氮和有機質的含量越高，土壤肥力質量越好。山東省存在有效磷養分盈余的問題，有效磷的變異系數達到61.91%，受人為影響高，因此適當降低磷肥的釋放量，可以避免養分過剩。全氮與有機質含量在全省范圍內含量低，為土壤肥力低的主要限制因素，建議適當增加肥料施放量，來補充全氮和有機質不足的問題。

在分析結論的過程中，發現采用專家打分的方法，雖然可以準確地算出土壤的綜合得分，但是放在全省范圍內，這種方法并不能很好的聚類，因此選擇舍棄，選用主成分分析法進行綜合評價。在鄉鎮尺度上對山東省的研究，由于空間數據本身缺失和獲取途徑的局限性，沒有考慮土壤容重以及微生物等指標對土壤肥力質量的影響，筆者僅選擇了土壤全氮、有效磷、速效鉀和有機質4個主要養分指標對土壤肥力進行綜合評價，導致累計貢獻率只有66.2%，但是研究結果能夠較清晰地反映出土壤養分空間分布規律，在后續的研究工作中將進一步獲取更多影響因子數據，以使研究結果更加精準有效地指導農業生產。