土壤養分空間變異的影響因素研究

孟婷婷，魏 靜

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；3.國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075)

1 土壤養分空間變異

土壤有碳、氮是土壤重要的組成部分，在土壤化學和物理過程中有很重要的影響，并且能通過礦化作用釋放自身固有的可供植物利用的養分，它在自然生態系統和農業生態系統中占有很重要的地位[1]。近年來，土壤碳、氮庫受到越來越多的關注，是因為它在全球碳循環和緩解或加劇大氣中溫室氣體的濃度中占有重要作用。土壤養分儲量和分布在全球尺度、國家地域尺度上都有研究，但缺乏完整的數據庫以及對土壤養分空間異質性的研究。前人對中國大尺度有機碳，全氮等儲量的估計通常建立在中國第二次全國土地調查的土壤數據上。這些估計是基于十幾年前的就信息，后來可能發生了重大的變化，因此它不可能成為一個基準年。土壤養分含量每個地方各不相同，主要是在不同的空間尺度上受一系列環境因素的影響。目前土壤養分影響它含量的環境因素之間的關系在大尺上的研究還不充分。為了更好地了解土壤養分空間變異，用現代精密的測量方法和地統計學去更新區域尺度上有機碳、氮等養分的信息是有必要的。

空間變異一詞，多用在地統計學中，隨著20世紀一些專家把地統計學引用到土壤學中，越來越多的學者開始運用地統計學的手段來研究土壤的基本理化性質[2]。土壤養分空間變異的來源有地形因素如山地、丘陵、平原等，人為因素如耕作方式、施肥、田間管理，土壤自身母質因素等。此外，影響土壤養分空間插值準確性的因素還有采樣設計，采樣方式，采樣數目，這就需要在采取土樣時考慮到采樣尺度及樣點空間布局這兩個關鍵因素。在研究土壤養分空間變異時，主要運用地統計學和經典統計學進行分析。經典統計學主要用于描述性分析，主要計算地統計學中的塊金值、基臺值、塊金效應、變程、決定系數等值，來觀測土壤養分的空間變異程度。并用地統計學中的克里金插值法進行空間養分空間的分布直觀觀測。本文對以前文獻進行整理，形成直觀的因素分析，為后面的研究者提供直觀便捷的參考資料。

2 影響土壤養分空間變異的因素分析

2.1 地形

地形對土壤養分空間變異的影響多與自身土壤肥沃程度有關，可歸結于土壤固有性質。如土地利用的改變，以黃土丘陵區園則溝小流域為例[3]，該流域有30年撂荒草地，7年撂荒草地、農地和棗園4種不同的土地利用類型，對其土壤有機碳，全氮和全磷含量空間變異的研究發現，30年撂荒草地上土壤有機碳和全氮空間變異性較高，而全磷含量空間變異較小。此外，不同的土壤母質也有一定的影響，如山地和丘陵地，以湖南省仁縣的山地地形和丘陵區為例[4]，選取不同的采樣密度，研究了土壤有機質、有效磷、速效鉀和堿解氮含量的空間變異特征。同一采樣密度下，丘陵區有效磷、速效鉀和堿解氮含量的變異系數比山地區的小，有機質含量的變異系數比丘陵區的大。不同采樣密度下，山地地區堿解氮含量、速效鉀含量、有機質含量具有強烈的空間相關性；丘陵區有機質含量、堿解氮具有中等空間相關性，速效鉀具有強烈的空間相關性。

2.2 采樣尺度

采樣尺度的大小，對土壤養分空間變異的影響尤其顯著。小尺度下由于采樣面積較小，海拔、經度、緯度差異較小以及其他環境因素影響不是很強烈，一般土壤養分空間變異較小；而大尺度下由于采樣面積較大，一般涉及到的影響因素較為廣泛，此時土壤養分空間的變異程度就大。以新疆生產建設兵團農六師芳草湖農場五分場為例[5]，研究了不同取樣尺度下土壤有機質、全氮 和有效磷含量空間變異特征。結果表明，大比例尺下，土壤有機質含量、有效磷含量、全氮含量變異系數較小，在中小比例尺下變異系數較大。在大中小不同比例尺下，土壤有機質含量、有效磷含量、全氮含量都有較好的半方差結構，且在短距離內樣點具有明顯空間自相關性，隨著距離增加，空間自相關逐漸減弱。由此，可分析得出，在大面積上也即中小比例尺下采樣，土壤養分空間變異較大，具有強烈的空間自相關性，而在小面積上也即大比例尺上，土壤養分空間變異較小，具有明顯的空間自相關性。

2.3 采樣方式

采樣方式有隨機采樣法和網格采樣法，隨機采樣方法比較簡單靈活，一般要求不高時，選擇隨機采樣。網格法由于涉及網格密度和間距的合理確定以及研究區域的合理布置，一般很少采用。以新疆石河子國家科技園區棉花種基地研究區為例[6]，采用隨機采樣法和網格采樣法進行采樣，隨機采樣方式是根據研究區域的大小及地形情況，用GPS進行定位，人為隨機定點取樣；網格法采樣的網格密度定為20 m ×20 m的間距。對土壤全量養分氮磷和速效養分氮磷鉀進行插值分析。結果表明，與隨機采樣法相比，網格采樣法中的土壤養分的空間變異結果能更好的反應研究區域的空間變異特征。雖然本研究中得出網格法采樣的空間變異結果較好，這得益于研究區自身的優勢，所以在實際應用中，尤其是對大面積農田采樣時，隨機采樣法與網格采樣法的土壤特性的空間分析較一致，應選取隨機采樣法采樣，這樣可以使采樣的過程操作簡便易行，提高效率。

2.4 采樣間距

上述提到采樣方式有隨機采樣和網格采樣，當采用網格法取樣時，采樣間距的大小，也會對土壤養分變異程度有一定影響。以新疆石河子121團新蘭農場研究區為例[7]，該研究采用大間距(100 m×100 m)內套中間距(50 m×50 m)，中間距內套25 m ×25 m小間距布點，三種取樣間距進行網格取樣，對土壤全量養分全氮，全磷和有機質進行了變異研究。結果表明，土壤全氮，全磷和有機質變異系數范圍為10%～100%，屬于中等變異，且同一土壤養分特征在不同取樣間距下的平均值變化很小，說明不同取樣間距對土壤全量養分的變異性影響較小，因此，在進行農田土壤全量養分空間變異分析時，采取100 m×100 m的取樣間距即可滿足取樣數目精度要求，又可以科學地反映土壤的空間變異規律。

2.5 采樣密度

采樣密度也即采樣數目，合理的采樣數目對養分空間插值的準確性有著重要的意義。以中科院上海精準農業示范基地為例[8]，研究結果表明, 田間土壤養分合理取樣數取決于養分要素自身空間變異程度和人們對數據精度的要求。若空間變異大、精度要求高則需要較多采樣數,反之需較少樣點數。極大多數養分要素的合理取樣數較實際取樣數有較大幅度減少,意味著可大幅降低采樣及分析成本。

3 問題與展望

本文僅對現有的研究進行了梳理分析，地形因素只包含了山地與丘陵區的對比，其豐富度還不夠，采樣尺度僅僅分析了大中小比例尺下土壤養分空間插值結果的準確性，對于在大面積地塊，大比例尺采樣如何去設計，既能保證采樣間距的合適，又能保證變異程度，這些還需要進一步查證與研究。

4 結語

本文以前人的研究為例，羅列了影響土壤養分空間變異的一系列因素。通過分析發現地形因素對土壤養分空間變異的影響是由于自身植被或母質的不同而造成的，與采樣設計關系不是很密切。而土壤采樣方式，采樣間距，采樣密度，以及采樣尺度很大程度上是人為決定的，會有經驗值與理論值的差異，對養分空間插值的影響較大。因此，在實際采樣中，需要根據不同的實地條件來選擇不同的采樣方式、采樣間距、采樣密度，以及采樣尺度，以保證土壤養分空間插值的準確性。