山地丘陵交錯地帶耕層土壤pH和養分空間變異特征及影響因素分析

木合塔爾·艾買提 肖鵬南 周勇 徐濤 徐杰

摘要：【目的】研究山地丘陵交錯地帶耕層土壤pH和養分空間變異特征及影響因素，為指導山地丘陵交錯地帶開展農業生產和科學定量施肥提供參考依據。【方法】以湖北省廣水市山地丘陵交錯地帶耕層土壤為研究對象，通過實地調查和室內檢測獲得200個土壤樣點的相關數據，采用統計學、地統計學和GIS相結合的方法，分析土壤pH和有機質等土壤養分元素的空間分布特征及其影響因素。【結果】湖北省廣水市山地丘陵交錯地帶耕層土壤pH和有機質、全氮、有效磷、速效鉀、緩效鉀含量變異程度均屬中等變異，土壤養分元素均有弱空間相關性特征。養分含量在空間上以集聚分布為主，相互關系較弱，養分元素的塊金效應值均處于25%～75%，養分元素的空間變異性受隨機性因素和結構性因素共同影響。耕層土壤的pH介于5.5～6.5，以弱酸性土壤為主;有機質含量級別為適宜，有效磷、速效鉀和緩效鉀含量較高;全氮含量較低，含量級別為缺乏。有機質含量與生物多樣性呈正相關，全氮含量與海拔和坡度呈負相關，速效鉀含量與海拔呈負相關、與有效土層厚度呈正相關，緩效鉀含量與有效土層厚度呈正相關，但相關性均較弱。【結論】湖北省廣水市山地丘陵交錯地帶耕地表層土壤養分中除全氮含量較低外，其余養分元素的含量均不缺乏。土壤pH及主要養分元素的空間變異受自然因素和人為因素的共同作用。對于山地丘陵交錯地帶的耕層土壤養分含量而言，灌溉能力、海拔、坡向、坡度、有效土層厚度和生物多樣性為主要影響因素。

關鍵詞： 山地丘陵交錯地帶;耕層土壤;pH;養分;半變異函數;空間相關指數;逐步回歸

0 引言

【研究意義】耕地質量是影響農作物產量的重要因素之一（朱紅波和張安錄，2006）。在耕地面積不斷減小的情況下（康蕾等，2017），研究耕地質量及其影響因素對保障糧食生產安全具有重要意義。耕地質量的研究主要集中在土壤養分元素含量及驅動分析等領域（王曉瑞等，2018），其中土壤養分對植物生長和糧食生產作用較大。因此，研究耕層土壤養分空間分布特征和影響因素，可為農業生產規劃、土壤有效利用及土壤培肥管理等工作提供科學依據。【前人研究進展】土壤養分元素的研究方法主要為統計學和地統計學方法，研究內容為耕地質量評價和土壤養分空間分布及其影響因子分析。其中，地統計學是以區域化變量理論為基礎、以變異函數為主要工具，研究空間要素分布情況的學科。通過地統計學與生態論相結合的方法，可研究土壤養分的空間異質性與格局，地統計學中的區域化變量理論、變異函數與生態學相結合能較好地反映土壤養分空間分布格局（王政權，1999）。地統計模型的參數計算和分析較復雜，隨著學科發展和應用方向的擴展，地統計學方法已成為研究土壤養分空間變異與空間結構特征的一個重要工具（李友宏等，2006;湯潔等，2014）。王國梁等（2002）運用系統論研究丘陵區紙坊溝流域植被恢復的土壤養分效應，得出土壤全氮含量與土壤有機質含量存在良好的線性相關，土壤全磷含量與土壤有機質含量也有一定的線性相關，土壤有機質的累積和分解對土壤全磷和全氮含量有重要影響。黃紹文等（2003）采用傳統統計與地統計學相結合的方法，研究縣級區域糧田土壤養分空間變異，結果表明不同土壤養分的變異情況各異，土壤主要養分的空間特征以大塊狀變異為主，此研究結果對土壤養分分區管理有一定借鑒意義。李亮亮等（2005）、史舟和李艷（2006）研究了地統計學在土壤空間變異及土壤學中的應用，結果表明地統計學為土壤性質空間變異的量化提供了強有力支持。近年來，地理信息系統（GIS）技術在處理土壤養分數據、分析土壤養分空間變異特征、研究土壤養分空間結構及其影響因子等方面發揮了重要作用（史原軻和李玲，2017;韓逸等，2018）。賈樹海等（2009）、安永龍等（2018）、楊之江等（2018）利用GIS技術與地統計學相結合的方法，研究不同地區、不同耕地土壤養分空間變異性和影響因素，為土壤施肥、分區管理等生產活動提供了理論指導。總之，研究土壤養分空間變異性和驅動力的方法不斷更新，研究內容逐漸豐富，研究視角逐漸擴大，GIS技術和地統計學相結合的方法已成為研究土壤養分空間變異特征和影響因素的有效手段。【本研究切入點】目前，耕地質量方面的研究主要集中在耕地土壤養分元素空間分析及其驅動分析等方面，研究區域主要為湖泊流域（呂真真等，2014）、河流流域（高鳳杰等，2016）或其他（高燈州等，2016），但針對地勢較復雜的山地丘陵交錯地帶耕地養分空間變異特征分析的研究還較缺乏。【擬解決的關鍵問題】在前人ArcGIS地統計分析模塊的土壤養分空間變異分析方法（劉曉林等，2012）和縣域尺度土壤合理采樣方法（于雷等，2016）的基礎上，以湖北省廣水市山地丘陵交錯地帶耕層土壤為研究對象，運用GIS技術和地統計學方法，研究耕層土壤養分元素空間變異特征并分析其影響因素，以期為指導山地和丘陵交錯地帶開展農業生產和科學定量施肥提供參考依據。

1 材料與方法

1. 1 研究區概況

湖北省廣水市位于桐柏山脈東南麓，大別山脈西端。東部與孝感市大悟縣毗連，南部與孝感市安陸市和孝昌縣相鄰，西部與隨州市交界，北部與河南省信陽市接壤，地跨東經113°31′～114°07′、北緯31°23′～32°05′。地勢北高南低，山地、丘陵、崗地、沿河小塊平原自北而南依次分布。全市面積2647 km2，山地占總面積的30.1%，丘陵占67.4%，平原占2.5%。農業用耕地面積7.465×104 ha，其中常用耕地面積3.956×104 ha，山地主要分布在西北和東北部，一般坡度為30°～45°，最高處大貴山海撥907.8 m，相對高差300～500 m，具體地勢情況見圖1。氣候類型屬北亞熱帶大陸性季風氣候，冷暖適中，冬干夏雨，雨熱同季，四季分明。年平均氣溫13～16 ℃，北部為13～14 ℃，中部為14～15 ℃，南部為15～16 ℃，南北溫差2 ℃。

1. 2 數據來源

結合研究區內各行政村耕地面積、地形地貌、土壤類型、土地利用方式等基礎數據，充分考慮代表性、均衡性和可達性后進行采樣點布設。從湖北省廣水市耕地圖斑上選擇200個代表性地塊，進行實地土樣采集，樣點分布詳見圖1。按照客觀公正、簡便實用、均衡性、定量定性相結合等原則，通過實地調查采樣及土壤樣品理化分析得到土壤養分數據。基于湖北省廣水市的數字地面高程模型（DEM，30 m×30 m），提取地形起伏度、地面粗糙度、坡度和坡向指標數據。通過實地調研記錄獲得海拔、灌溉條件、生物多樣性、有效土層厚度等相關數據。

選擇湖北省廣水市耕地土壤pH、有機質、全氮、有效磷、速效鉀和緩效鉀為耕層土壤養分的主要代表性屬性（鄭梓萱和曾辰，2017）。根據研究區土壤采樣點的pH和養分含量特征，參照全國第二次土壤普查養分分級標準（張敏等，2010;張志堅等，2018）和湖北省耕地質量與肥料工作總站發布的《湖北省耕地質量監測指標分級標準》制定廣水市土壤養分分級標準（表1）。

1. 3 研究方法及數據處理

先通過統計學方法分析廣水市耕地土壤表層養分元素的數據特征，再以地統計方法分析養分元素的空間分布特征（徐建華，2010;張嬋嬋等，2013）。利用簡單克里金法（楊子清等，2012）進行空間插值，再分析養分元素的空間分異情況。最后分析養分元素與其影響因素間的相關性及廣水市耕地質量等級。

采用SPSS 22.0的描述性統計功能研究土壤表層的養分含量及數據變化情況;利用GeoDa 0.9.5 進行空間相關性統計，并研究各養分要素的空間分布規律及相互空間分布關系;利用GS+9.0半變異模型找出各要素的空間分布變化規律并為空間插值選擇理論模型，利用ArcGIS的空間分析模塊進行插值并制作空間分異圖。

2 結果與分析

2. 1 土壤pH及主要養分元素的統計特征

結合表1和表2數據分析可知，采樣點土壤pH平均值為6.25，呈微酸性;有機質平均含量屬適宜級別，全氮平均含量屬缺乏級別，有效磷和速效鉀平均含量屬最適宜級別，緩效鉀平均含量屬豐富級別。由表2還可看出，土壤pH和全氮的標準差較小，分別為0.71和0.23，說明其離散程度較小;緩效鉀和速效鉀的標準差較大，分別為211.68和58.25，說明其離散程度較大;有機質和有效磷的離散程度居中。變異系數能反映隨機變量的相對波動程度，根據變異系數分級標準（CV≤10%為弱變異性，10%<CV<100%為中等變異性，CV≥100%為強變異性）（李友宏等，2006），各指標的變異系數均屬中等變異性，其中土壤pH的變異系數最小（11%），有效磷的變異系數最大（78%）。為了解各屬性數據分布情況，對土壤養分數據進行單樣本K-S正態分布檢驗，顯著性概率值P>0.05，保留原假設數據服從正態分布;P<0.05，表明假設不成立，數據不服從正態分布。由表2可知，除土壤pH和有機質數據服從正態分布外，其余養分數據均不服從正態分布;通過Box-Cox變換后，全氮等養分數據也服從正態分布。

2. 2 土壤pH及主要養分元素的地統計特征

2. 2. 1 半變異模型分析 半變異函數有3個特征參數：塊金值（C0）、基臺值（C0+C）和變程（A）。其中，塊金值反映隨機因素對區域化變量的影響，即隨機部分（人為因素）引起的變異;基臺值表示土壤養分元素在研究區域內的空間變異程度;變程反映土壤養分元素發生空間變異的尺度大小，即空間相關性的最大距離。塊金系數[C0 /（C0+C）]可反映樣本間的空間相關性特征（趙月玲等，2005;楊之江等，2018;張志堅等，2018），塊金系數大于75.00%表明空間異質性主要受隨機性因素影響，塊金系數小于25.00%表明空間異質性主要受結構性因素影響，塊金系數介于25.00%～75.00%表明區域化變量的空間異質性是隨機因素和結構性因素共同作用的結果。

利用GS+9.0對廣水市土壤pH及主要土壤養分元素進行半變異函數分析后得到的參數和決定系數（R2）如表3所示。由表3可知，土壤pH、全氮和速效鉀的最優半變異理論模型為指數模型，有機質的最優半變異理論模型為高斯模型，有效磷和緩效鉀的最優半變異理論模型為球狀模型。速效鉀的塊金系數接近25.00%，其余指標的塊金系數介于25.00%～75.00%，表明這些指標的空間變異特征受到人為因素和自然因素的共同影響。

2. 2. 2 空間相關性分析 利用GeoDa 0.9.5計算養分元素的空間自相關系數（Moran’s I），通過Moran’s I分析養分元素的空間相關性（陳安寧，2006）。空間自相關是研究空間中某位置的觀察值與其相鄰位置的觀察值是否相關及相關程度的一種空間數據分析方法，用z得分和p值對該指數進行顯著性檢驗。空間自相關可分為正相關和負相關，正相關表明某單元的屬性值變化與其鄰近空間單元具有相同變化趨勢，負相關則相反。

根據土壤采集點地理坐標制作點元素圖，建立空間權重矩陣，計算各養分元素的Moran’s I，結果如表4所示。由表4可知，全氮和全磷的Moran’s I為負值，表明空間鄰近采樣點全氮或全磷含量值之間存在負相關，其他土壤元素的Moran’s I均為正值，說明各采樣點同一屬性值之間存在正相關。Moran’s I=0的情況未出現，表明全要素具有空間自相關性，但空間自相關較弱。全氮的z得分為負值，表明觀測值趨于分散分布;其余要素的z得分均為正值，表明觀測值趨于集中分布。

由Moran’s I空間分布圖（圖2）可看出，各土壤養分元素的空間分布形式各不相同。其中，土壤pH和有機質在四個象限均等分布，未出現高低值集聚分布的情況;全氮和緩效鉀的分布情況近似，全氮的大部分采樣點分布在第二象限或第四象限，表明空間聯系形式為低觀測值樣點被高觀測值樣點包圍（LH）和高觀測值樣點被低觀測值樣點包圍（HL），緩效鉀的大部分采樣點分布在第一象限或第三象限，表明空間聯系形式為高值被高值包圍（HH）和低值被低值包圍（LL）;有效磷和速效鉀的分布情況相同，采樣點主要集中于坐標中心，表明有效磷和速效鉀觀測值標準化數據和“滯后”數據差別極小，且大部分采樣點分布在第一象限或第三象限，空間聯系形式為HH和LL。

2. 3 土壤pH及主要養分元素的空間變異特征

運用ArcGIS的地統計功能，通過簡單克里金法對土壤養分元素進行空間插值，并按照湖北省廣水市耕地土壤養分級別標準繪制各養分元素含量插值圖（圖3）。對不服從正態分布的有效磷等元素的屬性數據先進行數據變換，然后選擇半變異函數進行插值。

由圖3可看出，簡單克里金插值后，根據土壤養分級別標準，湖北省廣水市耕地土壤pH介于5.5～6.5，土壤主要為弱酸性;有機質含量分級為適宜;全氮含量在西北、東北和中南部區含量分級為缺乏，在中部、東南和西南部極缺乏;西北、東北和中部等大部分區域的有效磷含量級別為最適宜，東南部區的級別為適宜;速效鉀含量分級為適宜、最適宜、豐富和極豐富，不存在缺乏區域，東南部的速效鉀含量低于西北部;緩效鉀含量分級為豐富，東北部和中部的含量較高，級別為豐富和極豐富，北部和南部的含量較低，含量分級為適宜和最適宜。

2. 4 影響因素分析

由表3可知，湖北省廣水市土壤養分元素的塊金系數在24.62%～58.48%，空間變異受隨機性因素和結構性因素的影響。影響土壤養分分布情況的隨機性因素有耕作制度、施肥、種植作物、管理水平、環境污染、生物多樣性和灌溉能力等;影響養分元素空間分布的結構性（自然因素）因素包括母質、地形、土壤類型、地質地貌、土壤質地、氣候和生物等。以研究區實際情況為依據，選取灌溉能力等10種因子，分析其對湖北省廣水市土壤養分元素空間分布的影響。這些影響因子中大部分是具有隨機性的定性因子，為了能定量表示影響因子與養分元素間的關系，對定性數據進行定量化變換。采用隸屬度函數法對數據進行定量化處理，再利用SPSS 22.0對原數據進行極大化標準化，計算皮爾遜相關系數，結果如表5所示。

由表5可知，土壤pH與灌溉能力、排水條件、坡向和有效土層厚度呈正相關，與海拔、坡度、地形起伏度、地面粗糙度、土壤容重和生物多樣性呈負相關，但相關性均未達顯著水平（P>0.05，下同）;土壤有機質含量與生物多樣性呈顯著正相關（P<0.05，下同），與其余因子的相關性均不顯著;全氮與海拔和坡度呈顯著負相關;有效磷與所有影響因子的相關性均不顯著;速效鉀與海拔呈顯著負相關，而與有效土層厚度呈極顯著正相關（P<0.01）;緩效鉀與有效土層厚度呈顯著正相關。

使用GeoDa 0.9.5計算土壤養分元素與影響因子的全局雙變量Moran’s I，用于分析影響因子和養分元素在全局尺度下的空間關聯性，結果（表6）表明，土壤pH與灌溉能力、海拔、土壤容重的空間相關性較大，與灌溉能力正相關，與海拔、土壤容重負相關;有機質與排水條件、海拔、坡度和土壤容重間具有較大的空間相關性，與灌溉能力和坡度間正相關，與海拔和土壤容重負相關;全氮與海拔間的雙變量Moran’s I為-0.837，兩者具有較強的負空間相關性。此外，全氮與地形起伏度和有效土層厚度間存在較高的空間正相關性;速效鉀與有效土層厚度間具有較高的空間正相關性，與其余因素的空間相關性較弱;有效磷和緩效鉀與各影響因素的空間相關系數均相對較低。

為比較各影響因子對養分元素空間分異的影響程度，以pH、有機質、全氮、有效磷、速效鉀和緩效鉀為因變量進行逐步回歸分析。通過逐步回歸可判定不同影響因子對養分元素空間變異的綜合解釋能力和相對重要性。表7為各影響因子對6種養分元素間的逐步回歸結果，回歸指標△R2是回歸模型判定系數，該系數是指在其他自變量不變的情況下，只增加某一自變量時，回歸方程判定系數的增量。該系數取值越大，說明自變量越重要（趙明松等，2016）。

由表7可知，10個影響因子中有7個對土壤pH的空間變異影響顯著（P<0.1），能獨立解釋土壤pH空間變異的1.7%～7.5%，灌溉能力、土壤容重和海拔對土壤pH的空間分異影響較大，排水條件的影響程度較小;對有機質來說，坡度能解釋4.5%的空間變異，其次為灌溉能力和生物多樣性，地形起伏度對有機質的空間變異解釋量不顯著（P>0.1）。海拔等6個影響因子對全氮的影響顯著（P<0.1），其中有效土層厚度單獨解釋5.8%的變異，灌溉能力等6個影響因子的作用不顯著（P>0.1）;灌溉能力、海拔和土壤容重對有效磷的空間變異的影響顯著，但影響程度較低，在1.5%～2.7%;灌溉能力、排水條件、坡度等因素對速效鉀的空間變異影響程度較高，地形起伏度和地面粗糙度對速效鉀影響不顯著;灌溉能力、有效土層厚度、土壤容重和生物多樣性4個影響因子對緩效鉀的空間變異影響顯著，其中灌溉能力的影響程度最高。綜合來看，灌溉能力、海拔、坡向、坡度、有效土層厚度及生物多樣性對3個或3個以上養分元素的解釋能力較強，可視為主要影響因子。

3 討論

本研究以湖北省廣水市山地和丘陵交錯帶耕地200個土壤樣點的調查和檢測數據為基礎，運用GIS技術和地統計學方法，研究耕層土壤養分元素空間變異特征并分析其影響因素，結果表明，200個土壤表層樣點的pH平均值為6.25，呈微酸性特征，有機質、有效磷、速效鉀和緩效鉀的平均含量較高，全氮平均含量較低;土壤pH和土壤養分元素呈中等變異特征。

土壤養分元素的地統計分析結果表明，湖北省廣水市土壤養分元素的塊金系數在25.00%～75.00%，養分元素的空間分布由結構性因素和人為因素共同作用，與楊艷麗等（2008）、趙明松等（2016）的研究結果基本一致，即不管是山地丘陵帶或平原區，土壤養分元素的空間變異均受自然因素和人為因素的作用，但影響程度不同。土壤養分元素空間分布類型主要以高值包圍高值、低值包圍低值為主，低值被高值所包圍或高值被低值所包圍的空間聯系形式的觀測點數量較少，養分元素的空間分布格局總體上呈斑塊狀特點。全局單變量Moran’s I和各影響因子間的全局雙變量Moran’s I 均較小，呈空間弱相關特征。說明土壤養分元素分布受到地形、土壤類型等自然因素的影響之外，還受灌溉能力和施肥方式等人為因素的影響，且人為因素的作用越來越強。

本研究結果表明，湖北省廣水市土壤pH和主要養分元素中，僅全氮含量缺乏，其中中部、東南和西南部的全氮極缺乏;其余指標的含量分級均為適宜、最適宜、豐富或極豐富。究其原因可能是湖北省廣水市耕層土壤全氮含量主要受地形影響，東北和東部為山地，中部和西南等為河谷和平原地帶;此外，土壤氮素含量較低還可能與施肥、耕作方式等人為因素有關。因此，在農業生產或耕地施肥時，東南部和西南部的耕地應適當增加氮肥的施用量。各影響因子對土壤養分元素的空間變異性影響較弱且影響程度各異，各養分元素間存在較復雜的關聯。灌溉能力對土壤pH、有機質和速效鉀的空間變異影響較大，海拔對土壤pH、有機質、全氮和緩效鉀的空間變異影響較大，生物多樣性對有機質、全氮和速效鉀的影響程度較大，與吳崇書和章明奎（2015）提出的不同高程地貌區耕地土壤肥力差異明顯的研究結果一致。在農業生產實踐中，河谷地帶、坡度較大區域應采用提高灌溉能力、秸稈還田等方式增加土壤有機質含量，還要保護生物多樣性，從而提高耕地質量，以保證農作物對土壤養分的需求。但本研究中僅從影響強度方面分析土壤養分與影響因子間的關系，而土壤養分與各影響因子間的數量關系和影響機制還需進一步探討。

4 結論

湖北省廣水市山地丘陵交錯地帶耕地表層土壤養分中除全氮含量較低外，其余養分元素的含量均不缺乏。土壤pH及主要養分元素在空間上存在一定的分布差異，各養分的空間變異受自然因素和人為因素的共同作用。對于山地丘陵交錯地帶的耕地土壤養分含量而言，灌溉能力、海拔、坡向、坡度、有效土層厚度和生物多樣性為主要影響因素。

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（責任編輯 王 暉）