天山南坡農(nóng)區(qū)土壤養(yǎng)分空間分布特征

李永福，耿慶龍，陳署晃，賴 寧，李 娜，信會男，趙海燕

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆九圣禾種子標(biāo)準(zhǔn)研究院有限公司，新疆昌吉 831113)

0 引 言

【研究意義】耕地質(zhì)量對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)有著巨大的影響[1]。研究天山南坡農(nóng)區(qū)主要土壤養(yǎng)分空間分布特征，對該區(qū)域充分利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源、保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效有重要意義。【前人研究進(jìn)展】研究區(qū)域已報道的有基于第2次土壤普查數(shù)據(jù)[2]，對新疆巴音郭楞蒙古自治州土壤肥力與施肥措施進(jìn)行了研究，針對巴州農(nóng)田施肥水平與肥力現(xiàn)狀提出施肥改土措施，但均使用統(tǒng)計數(shù)據(jù)且年代較久。也有針對各類耕地問題如地膜污染[3]及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在的障礙因子[4]，對于巴州棉田不同產(chǎn)量條件下土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)推薦施肥體系[5]和巴州土壤有機(jī)質(zhì)提升[6]等方面也有一定的研究，還有個別對巴州土壤養(yǎng)分總體狀況和分級統(tǒng)計的描述[7]等。【本研究切入點】已有報道多是在統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上做一些對比分析，但是缺少對于農(nóng)區(qū)土壤養(yǎng)分空間相關(guān)性和其他因素的影響研究。目前通過空間插值法對天山南坡農(nóng)區(qū)土壤養(yǎng)分空間分布特征及土壤養(yǎng)分各指標(biāo)與地形因子相關(guān)關(guān)系分析更是少見。將GIS和地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合對天山南坡農(nóng)區(qū)土壤養(yǎng)分空間分布狀況進(jìn)行研究，【擬解決的關(guān)鍵問題】分析土壤養(yǎng)分與地形因子間的相關(guān)關(guān)系，研究天山南坡農(nóng)區(qū)耕地土壤肥力分布狀況，為合理利用耕地資源、保護(hù)耕地質(zhì)量和科學(xué)施肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究區(qū)在新疆巴音郭楞蒙古自治州，為天山南坡農(nóng)區(qū)，地理坐標(biāo)83.87°～87.51°E，40.81°～ 42.55°N。研究區(qū)屬天山山脈和塔里木盆地東部地貌區(qū)，屬大陸性氣候，是典型的綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)資源十分豐富，適宜小麥、玉米、棉花、甜菜、加工番茄、瓜果及多種經(jīng)濟(jì)作物的生長。

1.2 方 法

1.2.1 樣品采集

于2018年9～11月用土鉆共采集天山南坡農(nóng)區(qū)具有代表性耕層土壤樣品487個(采樣深度：果樹40～60 cm，其他20 cm)，其中庫爾勒市106個，焉耆回族自治縣57個，和靜縣60個，尉犁縣125個，和碩縣54個，博湖縣35個，輪臺縣50個。圖1

1.2.2 樣品

土壤分析有pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀。在實驗室對所采集的樣品進(jìn)行化驗分析，酸堿度采用pH計法(水土比為1∶1)；全氮含量采用凱氏定氮法(NY/T1121.24-2012)；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀法(NY/T1121.6-2006)；堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法(LY/T1229-1999)；有效磷含量采用碳酸氫鈉溶液浸取—分光光度法測定(NY/T1121.7-2014)；速效鉀含量測定采用1 mol/L乙酸銨浸提-火焰光度法(NY/T889-2004)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用域法識別特異值(即分布于平均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差之外的數(shù)值)[8]，剔除特異值后采用正常數(shù)據(jù)的最大值或最小值代替特異值。再利用SPSS 22.0軟件對樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性分析，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行Kolmogorov-Smirnov(K-S)檢驗，判斷其是否滿足正態(tài)分布。對于不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，采用對數(shù)轉(zhuǎn)換或Box-Cox數(shù)據(jù)變換(式(1))使其符合或近似符合正態(tài)分布。

Y(s) =(Z(s)λ-1)/λ.λ≠0.

(1)

式(1)中：Y(s)是變換后的符合或基本符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)集；Z(s)是有效樣點的數(shù)據(jù)集；λ是擬合參數(shù)。

利用GS+9.0分析、構(gòu)建最優(yōu)半方差函數(shù)理論模型及其參數(shù)；Kriging插值和圖形繪制采用ArcGIS 10.2軟件完成。半方差函數(shù)也就是地統(tǒng)計學(xué)中的二階矩變異函數(shù)，研究以殘差平方和(RSS)最小、決定系數(shù)(R2)最大為原則來獲取最優(yōu)半方差函數(shù)理論模型及其參數(shù)。半方差函數(shù)計算公式如下：

(2)

公式(2)中，r(h)是半方差函數(shù)，h為樣本間距，N(h)是間距為h的區(qū)域化變量Zi(x)和Zj(x)的樣點對數(shù)。Z(xi)和Z(xi+h)分別是隨機(jī)變量在空間位置xi和xi+h上的取值。半變異函數(shù)參數(shù)中塊金值和基臺值的比值(C0/(C0+C))為塊金效應(yīng)，反映系統(tǒng)變量的空間相關(guān)程度。當(dāng)C0/(C0+C)<25%時，變量有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；當(dāng)25%≤C0/(C0+C)≤75%時，變量具有中等程度的空間相關(guān)性；當(dāng)C0/(C0+C)>75%時，表明變量的空間相關(guān)性較弱。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分基本特征

研究表明，土壤pH值的變異性最低，而有效磷和速效鉀的變異系數(shù)最大，其受外界影響較大。是由于土壤中的有效磷和速效鉀是可以被植物根系直接吸收的形態(tài)，易受到植被生長狀況的影響導(dǎo)致二者的變異系數(shù)較大。有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮的變異系數(shù)較為接近，均屬于中等變異。表1

表1 土壤養(yǎng)分基本特征統(tǒng)計Table 1 Statistical Table of basic characteristics of soil nutrients

研究表明，土壤pH與有機(jī)質(zhì)、全氮呈極顯著正相關(guān)，與速效鉀呈極顯著負(fù)相關(guān)；有機(jī)質(zhì)與全氮、堿解氮呈極顯著正相關(guān)；全氮與堿解氮呈極顯著正相關(guān)；堿解氮與有效磷、速效鉀呈極顯著正相關(guān)。在各指標(biāo)相關(guān)關(guān)系中，全氮和有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性最強(qiáng)，全氮和速效鉀的相關(guān)性最弱。表2

2.2 土壤養(yǎng)分分級比例

依據(jù)《全國九大農(nóng)區(qū)及省級耕地質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)(試行)》表明，區(qū)域內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量較為欠缺，其4級和5級水平各占其總量的61.4%和67.56%，而土壤堿解氮含量相對匱乏，僅5級水平就占53.39%。另外，有效磷含量3級及以上水平達(dá)64.27%，速效鉀3級和4級共占54.62%。有機(jī)質(zhì)和全氮含量偏低，堿解氮含量極低，而有效磷含量中等偏高，速效鉀含量中等偏低。表3

表2 土壤指標(biāo)間相關(guān)性Table 2 Correlation analysis of soil indicators

表3 土壤養(yǎng)分含量分級與比例Table 3 Soil nutrient content classification and proportion statistics

2.3 空間分布特征

研究表明，有機(jī)質(zhì)和全氮對應(yīng)的最優(yōu)擬合理論模型為球形模型；堿解氮對應(yīng)的最優(yōu)擬合理論模型為高斯模型；有效磷和速效鉀對應(yīng)的最優(yōu)擬合理論模型為指數(shù)模型。有機(jī)質(zhì)與堿解氮的決定系數(shù)(R2)都接近于1，其與對應(yīng)的理論模型擬合較好。有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮的塊金效應(yīng)分別為44.99%、44.47%和49.83%，天山南坡農(nóng)區(qū)這3項土壤養(yǎng)分在區(qū)域內(nèi)存在中等空間相關(guān)性，這可能是受到結(jié)構(gòu)和隨機(jī)因素共同作用的影響；而有效磷和速效鉀的塊金效應(yīng)分別為12.39%和15.16%，有效磷和速效鉀在區(qū)域內(nèi)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，其變異性主要受結(jié)構(gòu)因素的影響。

研究區(qū)各養(yǎng)分間的變程差異較大(0.042～0.936 km)，其中有機(jī)質(zhì)的變程最大，為0.936 km；其次是全氮、堿解氮，變程分別為0.873和0.582 km，控制這3種養(yǎng)分的生態(tài)過程在較大尺度上起作用；有效磷和速效鉀的變程最小分別為0.051和0.042 km，控制這2種養(yǎng)分的生態(tài)過程在較小尺度上起作用。表4

表4 土壤養(yǎng)分指標(biāo)半方差函數(shù)模型及參數(shù)Table 4 Semivariogram theoretical models and parameters for soil nutrients

天山南坡農(nóng)區(qū)土壤養(yǎng)分空間分布不均。其中，有機(jī)質(zhì)含量在研究區(qū)北部偏高，尤其是西北、東北有小面積的斑塊狀高值區(qū)，而南部則相對較低；全氮含量總體偏低，分布狀況與有機(jī)質(zhì)含量具有一定相似性；有機(jī)質(zhì)、堿解氮與全氮空間格局上有著一定的相似性，且在空間分布上較為均一，但是其含量總體很低；土壤有效磷和速效鉀的含量總體偏高。有效磷含量高值區(qū)相對集中在東部，低值區(qū)主要集中分布在西南，以斑塊狀分布；速效鉀在整個區(qū)域內(nèi)分布不均勻，高值區(qū)相對分散，主要以斑塊狀分布在東北、東南和北部的部分地區(qū)。圖2

2.4 土壤養(yǎng)分與地形因子相關(guān)關(guān)系

研究表明，海拔高度與有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮呈極顯著正相關(guān)，與速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)，但與有效磷的相關(guān)性不顯著；田面坡度與有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮呈極顯著負(fù)相關(guān)，與有效磷、速效鉀的相關(guān)性不顯著。表5

表5 土壤養(yǎng)分與地形因子相關(guān)關(guān)系Table 5 The relationship between soil nutrients and topographic factors

3 討 論

3.1 土壤養(yǎng)分總體特征

土壤有機(jī)質(zhì)含量對耕地質(zhì)量評價等方面起著十分重要的作用[9]，研究結(jié)果顯示，天山南坡農(nóng)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量總體較低，這可能是由于在研究區(qū)存在長期不合理施肥等致使耕地土壤肥力日益變差，最終導(dǎo)致農(nóng)田生態(tài)環(huán)境受到破壞[6]。要改善這一現(xiàn)狀，需在耕種時施用適量的生物有機(jī)肥來促進(jìn)土壤地力良性循環(huán)[2]，另外也要繼續(xù)研究推廣出秸稈粉碎還田或綠肥種植等多種促進(jìn)農(nóng)田健康發(fā)展的技術(shù)模式。現(xiàn)有研究已表明，堿解氮和有機(jī)質(zhì)含量之間存在極顯著相關(guān)關(guān)系[10-12]，這與研究中二者相關(guān)系數(shù)為0.588**是相符的，即天山南坡農(nóng)區(qū)土壤堿解氮與有機(jī)質(zhì)之間呈極顯著正相關(guān)。已有研究還表明，土壤有機(jī)質(zhì)會影響氮素的儲存和轉(zhuǎn)化[13]甚至釋放出堿解氮[14]，有機(jī)質(zhì)與堿解氮的關(guān)系密切，這可以解釋在空間尺度上研究區(qū)堿解氮含量的分布格局與有機(jī)質(zhì)較為相似。堿解氮含量與后作產(chǎn)量、吸氮量之間的相關(guān)關(guān)系較為顯著[15]，而經(jīng)調(diào)查天山南坡農(nóng)區(qū)種植區(qū)多為喜氮作物，土壤中的堿解氮多被作物所吸收和利用且采樣時間在多在作物收獲時期，因而在一定程度上會導(dǎo)致研究區(qū)域堿解氮總體水平較低[16]。堿解氮和有效磷含量在表征土壤肥力方面作用明顯[17]，天山南坡農(nóng)區(qū)土壤全氮含量總體偏低，堿解氮含量較為匱乏，采用化肥深施技術(shù)可改善這一狀況。從整個區(qū)域來看，有效磷處于較豐富水平，但空間分布不均，造成此差異的原因可能與種植過程中磷肥的施用量有關(guān)。研究區(qū)地處亞歐大陸腹地，是典型的綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)區(qū)，因降雨較少使得速效鉀不易流失，最終導(dǎo)致該區(qū)域速效鉀含量較高。pH值和有機(jī)質(zhì)、全氮呈正相關(guān)，表明隨著土壤堿性的增強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)和全氮在土壤中的有效性反而得以提高；而pH值與速效鉀呈負(fù)相關(guān)，表明堿性降低會提高土壤中速效鉀的活性[18]。

3.2 土壤養(yǎng)分空間分布特征及影響因素

土壤養(yǎng)分元素的含量、形態(tài)分布和遷移轉(zhuǎn)化與自然、人為等多種因素有關(guān)[19]。研究區(qū)地勢總體北高南低，耕地主要分布于河流流域和山前洪積—沖積平原區(qū)，從空間分布格局來看，各土壤養(yǎng)分元素呈現(xiàn)出明顯的片狀和斑塊狀分布格局。結(jié)合研究區(qū)的地形特點進(jìn)行分析，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮集中分布的高值都出現(xiàn)在研究區(qū)的北部，且西北和東北方向的含量要明顯高于南部和正北方向，這與研究區(qū)中部分天山山脈有關(guān)；有效磷和速效鉀的分布也受到了卻勒庫木盆地和天山山脈的影響。研究區(qū)堿解氮含量隨著海拔升高、緯度增加而增大，這與施春健等[13]在東北玉米帶得出的研究結(jié)果類似。隨著海拔的升高，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮的含量也越高，而物質(zhì)的分解率減小則更有利于堿解氮的積累，秦松、德科加等[20,21]的研究結(jié)果與研究區(qū)一致。田面坡度與有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮呈顯著負(fù)相關(guān)，田面坡度越陡，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮越小，原因可能是坡度增加導(dǎo)致土壤養(yǎng)分更易流失[20]。

4 結(jié) 論

4.1 天山南坡農(nóng)區(qū)土壤養(yǎng)分變異系數(shù)均在0.1～1.0屬于中等程度變異，但土壤養(yǎng)分空間分布不均。區(qū)域內(nèi)土壤養(yǎng)分存在的空間豐缺差異明顯，大部分地區(qū)有效磷和速效鉀含量較為豐富，其三級及以上水平占比分別達(dá)64.27%和55.04%；有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量處于較低水平，其四級和五級水平占比分別達(dá)61.4%、67.56%和85.22%。需對區(qū)域內(nèi)耕地進(jìn)行有針對性地施肥指導(dǎo)和管理，合理增施氮肥和有機(jī)肥，適當(dāng)施用磷肥和鉀肥。

4.2 有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮的塊金效應(yīng)分別為44.99%、44.47%和49.83%，其主要受結(jié)構(gòu)和隨機(jī)因素共同作用，在天山南坡農(nóng)區(qū)表現(xiàn)為中等空間相關(guān)性；而有效磷和速效鉀的塊金效應(yīng)分別為12.39%和15.16%，表明其主要受結(jié)構(gòu)因素影響，在天山南坡農(nóng)區(qū)表現(xiàn)為強(qiáng)烈的空間相關(guān)性。

4.3 有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮與海拔高度呈極顯著正相關(guān)，其Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.28**、0.283**、0.277**；有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮與田面坡度呈極顯著負(fù)相關(guān)，其Pearson相關(guān)數(shù)分別為-0.344**、-0.360**、-0.217**；速效鉀與海拔高度呈顯著負(fù)相關(guān)，其Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.089*。地形因子對土壤養(yǎng)分含量的影響較大。