干旱地區(qū)耕地土壤養(yǎng)分空間變異性及其影響因素研究

賈志豪，朱 磊，努爾麥麥提·艾爾肯*

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830052; 2. 新疆土壤與植物生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆 烏魯木齊 830052)

【研究意義】植物所需的營養(yǎng)元素是植物生長過程中不可或缺的重要組成部分[1]，雖然元素含量較低，但相關(guān)元素對作物正常生長[2]、表征土壤質(zhì)量、土壤養(yǎng)分、土壤元素評價具有重要意義[3]。【前人研究進(jìn)展】已有學(xué)者利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS空間分析技術(shù)相結(jié)合研究土壤元素的空間變異性[4]，基于環(huán)境因子和相關(guān)元素的影響，結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)與相關(guān)性分析，可以更好的反映各元素的空間特征以及各元素與環(huán)境因素的相關(guān)性[5]，了解相關(guān)元素空間變異性以及影響因素[6]。【本研究切入點(diǎn)】本文對研究區(qū)土壤元素空間插值方法進(jìn)行選取，通過對比不同的插值方法，選取普通克里格法對喀什地區(qū)土壤中大量元素有效磷、中量元素有效硅、微量元素有效錳和有效鋅進(jìn)行空間插值，并確定研究區(qū)環(huán)境因素與各元素間相互影響情況，根據(jù)不同土壤類型進(jìn)行區(qū)域統(tǒng)計(jì)，并分析不同土壤類型對研究元素的影響，以及環(huán)境因素與研究元素間的相關(guān)性分析。對其它地區(qū)土壤元素監(jiān)測、評價、治理具有重要參考價值和意義。【擬解決的關(guān)鍵問題】運(yùn)用插值方法獲取喀什地區(qū)耕地土壤養(yǎng)分空間分布特征，了解環(huán)境因素對研究元素的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

喀什地區(qū)地處中亞腹部，屬暖溫帶大陸性干旱氣候帶，夏季炎熱，冬季嚴(yán)寒，四季分明，該地區(qū)多年平均氣溫11.7 ℃[7]，年均降水量65 mm左右，年蒸發(fā)量高達(dá)2100 mm，年日照2779 h，春季平均日照時數(shù)688.1 h、夏季平均日照時數(shù)918.6 h、秋季平均日照時數(shù)701.0 h、冬季平均日照時數(shù)471.3 h[8]。研究區(qū)位于73°20′～79°57′ E，35°20′～40°18′ N之間，地勢平坦[9]，全區(qū)土壤有15個土類，19個亞類，25個土屬，其中鹽土和草甸土所占比例較大，分別為總面積的28.6 %和27.3 %。

1.2 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)研究區(qū)采樣點(diǎn)布設(shè)圖，結(jié)合喀什噶爾河等河流與地形地貌，確定采樣地塊，利用GPS精準(zhǔn)定位每個采樣點(diǎn)的坐標(biāo)，并記錄所屬范圍、土壤類型以及作物類型。根據(jù)土壤類型、地形地貌、作物種類及點(diǎn)位在空間的均勻性，將采樣點(diǎn)平均分布于研究區(qū)各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)及街道辦事處。在相應(yīng)條田內(nèi)選2～10 hm2有代表性的地塊，采取15～20個點(diǎn)混合，利用GPS記錄采樣點(diǎn)坐標(biāo)，結(jié)合多點(diǎn)混合和四分法進(jìn)行采集，取樣深度為20 cm。調(diào)查方式采用實(shí)地測量、室內(nèi)資料調(diào)查和農(nóng)戶走訪等多種形式相結(jié)合，既可加快采樣速度，又可確保調(diào)查數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，最終選取418個土壤采樣點(diǎn)(圖1)。后期實(shí)驗(yàn)室樣品測定嚴(yán)格按照國家規(guī)定的土壤農(nóng)化分析方法進(jìn)行，有效磷采用鉬銻抗比色法，有效硅采用質(zhì)量法，有效鋅和有效錳采用火焰原子吸收分光光度法。

1.3 研究方法

空間插值用于對已知離散點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面，從而較好得到區(qū)域尺度內(nèi)的有關(guān)參數(shù)[10]，本研究對大量元素堿解氮、有效磷、速效鉀，中量元素有效硅、有效鈣，以及微量元素有效鐵、有效錳、有效鋅進(jìn)行空間分析和相關(guān)分析，可以直觀表現(xiàn)土壤中各元素含量空間分布變化情況，對比分布情況，以及受環(huán)境因素影響的強(qiáng)弱，最終選取大量元素有效磷、中量元素有效硅以及微量元素有效錳和有效鋅作為研究對象[11]。為驗(yàn)證研究區(qū)土壤空間插值可靠性，選取普通克里格法和反距離權(quán)重法進(jìn)行插值，隨機(jī)選取355采樣點(diǎn)作為建模插值點(diǎn)，其余63個點(diǎn)作為測試點(diǎn)，不參與建模，用于驗(yàn)證插值后模型的準(zhǔn)確性，再根據(jù)原始的63個測試點(diǎn)提取插值后與原始點(diǎn)位相同的63個建模點(diǎn)，建立相關(guān)函數(shù)模型，將得到的插值結(jié)果與原采樣點(diǎn)進(jìn)行對比，普通克里格法對相關(guān)元素空間分布有較好的擬合性[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究元素空間分析

對離散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行普通Kriging插值，獲得各元素空間分布規(guī)律[13]，首先大量元素有效磷在中部區(qū)域含量較高，有效磷參與植物生命過程的光合作用，從而與相關(guān)農(nóng)作物的生長密不可分，該元素能促進(jìn)根系生長，提高植物適宜外界環(huán)境的能力，對保持農(nóng)作物品質(zhì)有重要的影響[14]；研究區(qū)內(nèi)有效磷在中部區(qū)域疏勒縣、疏附縣以及伽師縣含量較高，該區(qū)域以種植玉米為主(圖2)。

圖1 研究區(qū)域采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling points in study area

圖2 有效磷空間分布Fig.2 Spatial distribution of available P

中量元素有效硅，對植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生長發(fā)育以及抗逆能力有一定影響，在研究區(qū)域西部含量較低，而中東部含量較高，其中疏勒縣、岳普湖縣以及伽師縣，有效硅含量分布較為集中，而且含量較高(圖3)。

微量元素有效錳含量較高的集中于伽師縣，新疆土地偏堿性，所以二價錳離子無法進(jìn)行過多累積；研究區(qū)微量元素有效鋅含量低于國家標(biāo)準(zhǔn)，疏勒縣有效鋅含量高于其他區(qū)域(圖4)。

2.2 環(huán)境影響因子

由于研究區(qū)地勢較為平整，主要以種植農(nóng)作物為主，其土壤受環(huán)境因子影響而發(fā)生相應(yīng)的化學(xué)、生物變化[15]，研究區(qū)內(nèi)使用微量元素肥料較少，且秸稈經(jīng)過腐爛，產(chǎn)生相應(yīng)的元素，是土壤中相應(yīng)元素的主要來源；該研究區(qū)主要以種植棉花和玉米為主，不同農(nóng)作物對研究元素有不同的影響；以不同土壤類型分布情況，結(jié)合研究元素的空間分布，從而判斷對相關(guān)元素的影響。至此以自然因子土壤類型，人為因子秸稈還田、棉花產(chǎn)量、玉米產(chǎn)量作為外部變量[16](圖5)。

圖3 有效硅空間分布Fig.3 Spatial distribution of available Si

其中疏附縣大部分、岳普湖縣東側(cè)以及伽師縣東南方向上秸稈還田較高。該研究區(qū)土壤類型有14種，主要以灰漠土和風(fēng)沙土為主。棉花在伽師縣大面積種植，而疏附縣、喀什市、疏勒縣、岳普湖縣以種植玉米為主。

2.3 統(tǒng)計(jì)分析

利用SPSS Statistics對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)[17]，再利用ArcGIS軟件進(jìn)行擬合方法的選取，在地理統(tǒng)計(jì)分析中，進(jìn)行普通克里格差值，生成各元素空間分布情況[18]。喀什地區(qū)土壤中各元素含量差異明顯，418個采樣點(diǎn)中，有效磷均值為12.750(mg/kg)、有效硅均值為93.932(mg/kg)、有效錳均值為7.760(mg/kg)、有效鋅均值為0.884(mg/kg)；有效磷變異系數(shù)c.v.值為41.098、有效硅c.v.值為36.704、有效錳c.v.值為41.295、有效鋅c.v.值為46.035。其變異程度(36 %～47 %)，均滿足正態(tài)分布，而且滿足統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)要求(表1)。

相關(guān)環(huán)境變量均值：秸稈還田量均值142.11kg、棉花產(chǎn)量均值44.06 kg/hm2、玉米產(chǎn)量均值280.22 kg/hm2。相關(guān)環(huán)境變量標(biāo)準(zhǔn)差：秸稈還田標(biāo)準(zhǔn)差115.863、棉花產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)差57.664、玉米產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)差218.773(表2)。

圖4 有效錳、有效鋅空間分布(A：有效錳，B：有效鋅)Fig.4 Spatial distribution of available Mn and available Zn (A: Available Mn, B: Available Zn)

圖5 相關(guān)環(huán)境因子空間分布(A：秸稈還田，B：土壤類型，C：棉花產(chǎn)量，D：玉米產(chǎn)量)Fig.5 Spatial distribution of correlated environmental factors (A: Straw returning, B: Soil type, C: Cotton production, D: Corn production)

表1 研究元素描述性統(tǒng)計(jì)

表2 相關(guān)環(huán)境變量描述性統(tǒng)計(jì)

表3 土壤類型與元素的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差

3 討 論

3.1 自然因子對土壤元素的影響分析

根據(jù)土壤類型，進(jìn)行區(qū)域統(tǒng)計(jì)每個像元研究元素加和平均值，并進(jìn)行相關(guān)分析(表3)，最大值和最小值之差，判斷各個元素在不同土地利用類型中的差異程度，其中有效磷為2.731、有效硅為43.199、有效錳為4.689以及有效鋅0.360，由此可得有效硅受土壤類型影響較強(qiáng)，而有效鋅受土壤類型變化差異性較弱。有效硅在灌淤土含量較高，在栗鈣土中含量較低；有效硅在風(fēng)沙土中含量較高，在栗鈣土中含量較低；有效錳在風(fēng)沙土中含量較高，在灌漠土中含量較低；有效鋅在灌淤土中含量較高，在灰棕漠土中含量較低。

從變異系數(shù)來看(表4)，不同土壤類型下討論研究元素變異情況，其中有效磷變異在所有土類中變異程度均小于13 %，平均為6.726 %；有效硅在不同土壤類型中相關(guān)變異程度在0.8 %～23 %之間，平均為8.777 %；有效錳變異系數(shù)均小于26 %，平均為13.212 %；有效鋅變異系數(shù)0.9 %～25 %之間，平均為14.187 %。通過研究元素在不同土壤類型中的變異系數(shù)，有效磷在不同土壤類型中變異幅度最小，其趨勢相對穩(wěn)定y= 0.3995x+ 3.7307，研究元素在栗鈣土類型中變異系數(shù)相對較小。

表4 土壤類型與元素變異系數(shù)

表5 秸稈還田與各研究元素相關(guān)性與回歸分析

表6 棉花產(chǎn)量與各研究元素相關(guān)性與回歸分析

圖6 棉花產(chǎn)量與相關(guān)元素(A：有效磷，B：有效硅，C：有效錳，D：有效鋅)Fig.6 Cotton production and related elements (A: Available P, B: Available Si, C: Available Mn, D: Available Zn)

3.2 人為因子對土壤元素的影響分析

秸稈富含充足的有機(jī)物和相關(guān)營養(yǎng)元素，是一種增強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)含量、調(diào)控土壤水分和溫度的農(nóng)藝措施，秸稈還田確保土壤全期肥力，從而影響相關(guān)元素的含量變化[19]。秸稈還田還提高了土壤中有機(jī)質(zhì)以及相關(guān)養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)[20]。棉花產(chǎn)量與玉米產(chǎn)量空間分布區(qū)域較為不同，其在不同區(qū)域內(nèi)分布較為集中，使之更好判斷不同研究元素對不同作物產(chǎn)量有不同的影響。

3.2.1 秸稈還田 通過表格數(shù)據(jù)(表5)秸稈還田對相關(guān)研究元素空間相關(guān)性均產(chǎn)生負(fù)相關(guān)影響，秸稈還田與有效錳、有效硅之間相關(guān)性較強(qiáng)，有效磷相關(guān)性小于0.1，其影響力不足，均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，秸稈還田對研究區(qū)有效硅、有效錳、有效鋅的空間變化有較強(qiáng)影響(P<0.05)，而秸稈還田對有效磷的作用不明顯。

3.2.2 棉花產(chǎn)量 棉花產(chǎn)量與研究元素進(jìn)行相關(guān)性分析可得，棉花產(chǎn)量與有效鋅呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，其余的呈現(xiàn)正相關(guān)性，其中對有效錳的空間相關(guān)性最強(qiáng)為0.874，棉花產(chǎn)量對有效硅和有效錳有較強(qiáng)影響(P<0.05，表6)，對有效鋅影響較弱；隨著棉花產(chǎn)量的提高，有效錳、有效鋅相關(guān)趨勢性較若，研究元素均有正向趨勢(圖6)。

3.2.3 玉米產(chǎn)量 玉米產(chǎn)量對有效硅、有效錳有較強(qiáng)空間相關(guān)性，分別為-0.790與-0.883，對有效硅與有效錳有較強(qiáng)影響，其中有效硅、有效錳呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，對有效硅、有效錳、有效鋅的空間變化有較強(qiáng)影響(P<0.05)，而有效磷作用不明顯(表7)，隨著玉米產(chǎn)量增加有效硅和有效錳呈現(xiàn)遞減趨勢，有效磷和有效鋅呈現(xiàn)遞增的趨勢，有效錳和有效鋅趨勢性較為明顯(圖7)。

通過上述環(huán)境因素的相關(guān)分析，研究區(qū)主要以鹽土和草甸土為主，其水源有相應(yīng)保障，首先秸稈還田，農(nóng)作物秸稈本身含有相關(guān)植物所需的相應(yīng)元素，將秸稈耕翻入土，經(jīng)過一系列變化腐爛，增加土壤肥效，起到了決定性作用[21]，對有效錳、有效硅影響最為強(qiáng)烈；通過棉花產(chǎn)量與玉米產(chǎn)量空間分布情況，可以看出種植棉花對有效硅、有效錳有較強(qiáng)影響，使其呈現(xiàn)正相關(guān)性，各元素空間分布與棉花產(chǎn)量空間分布進(jìn)行對比，有效錳、有效硅空間分布隨棉花產(chǎn)量空間分布之間呈現(xiàn)區(qū)域相關(guān)性，均在伽師縣有較高含量，伽師縣大量種植棉花，隨著棉花的生長發(fā)育，將其較好的參與光合作用，從而需要大量有效錳、有效硅的參與；其次對于種植玉米而言，玉米種植也對有效鋅和有效錳有較高的相關(guān)性，玉米產(chǎn)量增加時，對有效鋅的需求也在增加，從而減少空稈率，增強(qiáng)抗病力；在土壤類型中，有效硅對不同土壤類型有明顯差異，在灌淤土中，有效磷、有效鋅平均含量較高，在風(fēng)沙土中，有效硅、有效錳平均含量較高，其中磷的線性趨勢較為平穩(wěn)，其波動性較弱，在栗鈣土中研究元素變異性較弱。

表7 玉米產(chǎn)量與各研究元素相關(guān)性和回歸分析

4 結(jié) 論

運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和空間插值方法，定量分析了喀什地區(qū)土壤微量元素空間分布特征及相關(guān)環(huán)境影響因素。

(1)總體來看，研究元素變異性總體呈現(xiàn)較低水平(<29 %)，相關(guān)元素呈現(xiàn)區(qū)域集中化分布特點(diǎn)，環(huán)境因素對有效硅、有效錳有較強(qiáng)影響，而對有效磷、有效鋅呈現(xiàn)區(qū)域性變化。

(2)研究區(qū)主要以鹽土和草甸土為主，在風(fēng)沙土中有效硅、有效錳平均含量較高，除了栗鈣土、棕鈣土、風(fēng)沙土、湖泊、水庫，其余土類中元素的變異情況較強(qiáng)。

(3)通過此次研究，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)、地統(tǒng)計(jì)學(xué)和空間分析方法，了解干旱區(qū)相關(guān)元素的空間特征，分析和統(tǒng)計(jì)各個元素所持的不同水平，得到符合干旱地區(qū)各元素的分布變化情況，結(jié)合環(huán)境因子，了解環(huán)境因素對營養(yǎng)元素的影響，維持土壤養(yǎng)分平衡，為確保農(nóng)作物更好的生長提供參考。