基于GIS的魯東南典型丘陵平原區農田土壤養分空間變異特征及影響因素研究

段友春

（山東省地質礦產勘查開發局第七地質大隊，山東臨沂 276006）

0 引言

成土母質、土地利用方式、地形地貌等多種因素影響和制約了土壤的形成和演化，使得土壤養分表現出一定的空間異質性[1]，其變異來源主要有結構性變異和隨機性變異兩方面[2]。自然環境因素是導致土壤養分發生空間分異的本質因素，也是形成結構性變異的主要因素，而人為因素則具有很大的隨機性和不確定性，可視為導致土壤養分空間分異的外部因素[3]。地統計學方法為土壤養分元素的主要研究方法，研究內容為土壤質量等級評價和土壤養分空間分布，并分析其影響因素[4]。利用地統計學的GS+軟件進行土壤養分含量半變異函數分析，再結合GIS技術的克里格插值法進行空間分析，可以有效的對土壤養分空間變異特征及其影響因子進行研究[5]，并在一定程度上分析土壤養分的空間分異規律，對指導科學施肥、保障農業生產等具有十分重要的現實意義[6]。

鐘文挺等[7]基于GS+7.0、ArcGIS10.2建立了蒲江縣耕地的全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質等5種土壤養分含量的半方差函數模型，并進行了普通克里格空間插值分析。李娜等[8]基于GIS技術與地統計學，研究伊犁州耕地中土壤養分的空間分異規律。呂真真等[9]研對環渤海沿海區域土壤養分指標進行了統計分析，采用克里格插值以分析土壤養分空間分異特征。趙明松等[10]利用地統計法分析得出安徽省蒙城縣土壤養分的變異函數符合指數模型，且具有中等強度的空間自相關性。安永龍等[11]結合地統計學和GIS技術對北京市大興區禮賢鎮的土壤養分的空間變異特征及分布規律進行了研究。

本研究采用地統計學和GIS方法，在研究區日照市巨峰鎮采集表層土壤樣品200件，對有機質、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀等5種養分指標的質量等級、空間變異性特征進行了分析，并對影響養分空間分布格局的幾種因素進行了研究，以期為該區的農業施肥管理及土地資源可持續利用提供理論依據[12]。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區日照市巨峰鎮位于魯東南丘陵平原區，大地構造位于沂沭斷裂帶東側，地理坐標為35°12′54″—35°20′45″N，119°8′6″—119°18′13″E，總面積160.95 km2。自東向西地貌類型依次為：剝蝕—海蝕平原區、剝蝕平原區、微切割—強剝蝕丘陵區及中度剝蝕低山區，海拔15～515 m。當地多年平均氣溫12.6℃，年均降水量784.1 mm，無霜期198天以上，年平均濕度64.7%，年日照時間平均2236 h。研究區境內土壤有酸性粗骨土、棕壤、棕壤性土、潮棕壤、白漿化棕壤和淹育水稻土6個土壤亞類。區內地層以第四系松散堆積為主，巖漿巖大面積出露，北部和南部主要為元古代侵入巖和變質巖，西部主要為印支期和燕山期的中酸性侵入巖。中東部主要以河流洪積、洪沖積物為主，多形成潮棕壤和淹育水稻土。本區內主要種植玉米、小麥、花生、特色農作物茶樹，為當地典型農業生產區，農用地面積為130.07 km2，占全區總面積的83.3%。

1.2 樣品采集與分析

本研究于2018年3—5月開展了樣品采集及分析測試工作，在綜合考慮土壤類型、土地利用類型與農田植被類型等因素的基礎上進行布點采樣，采樣密度為1.2點/km2，主要布設在農用地，共計采集200個土壤樣品（圖1）采樣過程中根據設計點位周邊環境合理調整實際采樣位置，采集3～5點分樣點的0～20 cm深度的土壤，等量混合均勻后裝入布袋，樣品原始重量大于1kg，并用便攜式GPS記錄采樣點實際坐標。土壤樣品經過自然風干、去雜物、敲打破碎、過尼龍篩、研磨等步驟進行處理，對土壤有機質(SOM)、全氮(TN)、堿解氮(AN)、有效磷(AP)、速效鉀(AK)等5種指標的含量進行分析測試：采用高溫外熱-重鉻酸鉀氧化容量法測定SOM；采用凱氏定氮法測定TN；采用堿解擴散法測定AN；采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法（分光光度法）測定AP；采用中性乙酸銨浸提-火焰光度法測定AK。

圖1 研究區位置和采樣點分布圖

1.3 數據處理

利用SPSS 25對土壤養分含量進行描述性數據統計、正態分布檢驗、數據轉換，并進行方差分析。利用地統計軟件GS+7.0的變異函數分析土壤養分空間變異結構特征，并通過比較不同模型類型，找出決定系數與殘差表現較好的半方差擬合模型[13]，將得出的參數模型導入ArcGIS10.6，進行普通克里格(Kriging)空間插值分析，查看模型的交叉驗證結果，并繪制5種土壤養分的空間分布圖。

2 結果與討論

2.1 土壤養分含量的統計特征

表1為土壤養分含量的統計特征值。研究區SOM、TN、AN、AP及AK的平均含量分別為13.52 g/kg、0.75 g/kg、87.27 mg/kg、50.55 mg/kg和103.20 mg/kg，養分含量總體屬于稍缺水平。SOM含量在3.96～45.80 g/kg之間，TN含量介于0.12～2.34 g/kg，AN含量在8.36～334.32mg/kg之間，AP含量在4.74～253.80mg/kg之間，AK含量30.82～407.70 mg/kg，可以看出研究區土壤養分含量變化幅度較大。參照全國第二次土壤普查養分分級標準，本研究的土壤樣品的養分含量分級比例情況統計如表2所示，農田土壤AP含量較高，較豐富以上(AP＞40 mg/kg)的樣點比例達到50.5%，中等水平以上達94%；AN、AK含量一般，中等水平以上(AN＞90 mg/kg；AK＞100 mg/kg)的樣點比例分別占到了總樣品數的34%和39%；相比較而言，TN、SOM含量較低，稍缺及以下水平(TN＜1 g/kg，SOM＜20 g/kg)的樣點數量分別占到了總樣品數的91%和91.5%，其中TN的缺乏更嚴重，有58.5%的樣品處于缺乏等級。由此可見研究區農田土壤養分不算優越，土壤養分缺乏的比例還不少。

表1 研究區土壤養分含量的統計特征值

表2 土壤養分等級劃分標準與樣品占比統計

變異系數(CV)可以反映土壤養分含量的離散程度，從而可以表示土壤養分分布的均勻程度。本次研究將變異程度分為3種類型：CV＜10%為弱變異性，10%≤CV＜100%為中等變異性，CV≥100%為強變異性[14]。根據這一劃分標準顯示5種土壤養分全部屬于中等變異程度，依次按大小排序為AP＞AN＞AK＞TN＞SOM，其中變異性最大的養分為AP，變異系數為81.22%，其次是AN、AK，分別為61.67%、52.66%，SOM和TN的變異最弱，變異系數均小于45%，這與劉國順等[15]得出的結果類似，土壤速效養分較之SOM和TN等的變異大，可能是由于磷肥和鉀肥僅在局部地區施用，施用后在短期內農作物無法對土壤中的有效磷和速效鉀進行充分吸收，致使土壤中殘留有一部分磷和鉀的養分，導致其有效成分空間變異性較強，SOM、TN的變異系數較小，說明在土壤中含量相比有效成分較穩定，受施肥、灌溉等隨機性因素的影響相對較小[16]。

5種土壤養分的偏度系數均大于1，說明5種土壤養分數據顯示出一定的偏態效應，將其進行對數轉換后，對轉換后的數據再分別對單樣本進行K-S正態分布檢驗，結果顯示，5種指標的顯著性概率值P＞0.05，說明數據服從對數正態分布，滿足地統計學分析的要求。

2.2 土壤養分含量空間變異結構特征分析

本研究采用GS+軟件對經過對數變換的5種土壤養分含量進行半方差函數模型擬合，根據決定系數最大、殘差最小的標準選擇最優擬合函數，并通過交叉驗證[17]，最終獲得半方差函數相關參數，如表3、圖3。結果顯示，5種養分含量的變異函數曲線的理論模型均符合指數模型，模型決定系數均在0.2以上，殘差均小于0.001。利用ArcGIS10.6對上述5種成分的擬合函數進行了交叉驗證，結果顯示：5種養分的最優模型的平均誤差都小于0.01，標準化均方根誤差均接近于1，表明模型擬合狀況較好。

表3 研究區土壤養分的半方差函數理論模型和參數

塊金值(Co)表示試驗誤差和小于取樣尺度的變異[18]。研究區5種土壤養分的塊金值都小于0.01，說明當前的采樣尺度范圍內的變異較小。塊基比[Co/(Co+C)]可以用來表示空間異質性程度，比值越高則由非結構性因素引起的空間變異程度較大，而由空間自相關部分引起的空間變異程度較小[19]，5種成分的塊基比在3.31%～8.02%之間，說明其由結構性因素如成土母質、地形地貌、土壤類型等引起的空間自相關程度較高，而由隨機因素引起的空間變異較小，其中AP、PN、SOM的自相關程度極強，TN、AK的自相關程度相對稍弱一些。

變程(R)表示具有空間自相關性的最大距離，超過該距離則不存在空間自相關[20]。5種土壤養分的變程一般在990～3960 m之間，說明在此空間范圍內分布連續，存在空間自相關性，其中SOM的變程最大，為3960 m，為AN和AP的變程的3～4倍，說明SOM的空間變異尺度較大，在這個較大的空間范圍內的其空間自相關性較強。

圖2 土壤養分半方差函數圖

2.3 土壤養分空間插值分析

Kriging插值方法利用區域變量的原始數據和變異函數的結構特點，對未采樣點的區域化變量的取值進行線性無偏最優估計[21]，其結果平滑了變量的原始數據，使得大值降低，小值增高，從而減少了變量的突然變化[22]。根據研究區5種土壤養分的最優半方差函數模型，運用ArcGIS的地統計功能，采用普通Kriging法對土壤養分元素進行空間插值，并按照土壤養分等級標準繪制各養分元素含量插值圖（圖3）。

圖3 普通Kriging插值的土壤養分空間分布圖

從養分等級空間分布圖中可以看出，研究區的土壤有機質含量在大部分地區處于稍缺等級，在西南部和北部部分地區為缺乏等級，僅在東部和東南部平原區少量地區為適中等級；全氮含量在大部分地區處于缺乏等級，僅在東部平原區部分地區為適中等級，總體來說研究區土壤的有機質和全氮含量水平都較低，且空間分布大體一致，說明兩者存在一定的空間相關性。堿解氮含量大部分地區處于稍缺及以下等級，其中缺乏等級在中北部和西南部呈條帶狀分布，適中及以上等級主要分布于東部平原區和西北部地區，其中西北部地區還分布少量很豐和豐等級；速效鉀含量在研究區的分布同樣以稍缺等級為主，不同的是無缺乏等級分布，東部分布少量很豐和豐等級；有效磷在全區以豐和很豐分布最廣，僅在南部丘陵區少量分布適中等級，說明研究區有效磷肥力較富足。研究區養分有效成分在含量等級及分布范圍方面相對于有機質和全氮的狀況要稍好，尤其是有效磷含量較為富足。通過以上分析，大體確定了研究區農田土壤養分的空間分布特征，整體而言，研究區土壤處于適中-稍缺的養分肥力水平。

表4 土壤養分半方差函數模型交叉驗證結果

表5 不同地形地貌土壤養分含量方差分析結果表

表6 不同土壤類型的土壤養分含量

2.4 土壤養分空間變異影響因素分析

2.4.1 地形因素 地形地貌對地表物質和能量的再分配影響著成土過程，土壤所處的環境條件也影響著其發育和演變[23]。研究區地形地貌總體分布為西北部、東北部、南部為低山，中部、西部大部為丘陵區，東部、東南部為平原區，地勢總體為南北高，中部稍低，東部最低。通過對土壤養分空間分布對比可知，AK、AN、SOM的分布總體與地形地勢特征一致，對不同地形地貌間的養分含量進行方差分析（表7），結果顯示SOM、AN和AK的F值分別為7.798(P＜0.001)、3.006(P＜0.05)和7.548(P＜0.01)，表明這3種養分在各土壤類型的養分含量具有顯著差異，其中土壤類型對SOM和AK含量的差異影響較大，對AN含量的差異影響較小。研究區中西部多為海拔200～500 m的低山丘陵區，坡度較陡，土壤養分因雨水沖刷搬運等容易淋濾流失，無法有效累積，而東部平原地區地勢較平坦，水流寬緩，各類養分易于低緩處集聚不易散失，從而導致SOM、AN和AK在東部平原區的分布差異相比西部低山丘陵地區要顯著。AP和TN的方差結果均大于0.5，說明這2種養分在不同土壤中的含量不存在顯著差異。

表7 不同土地利用類型的土壤養分含量

2.4.2 土壤類型 表4為不同土壤類型的養分含量統計結果表。從中可以知在淹育水稻土中SOM、TN、AK含量遠高于在其他5種土壤類型中的含量，說明淹育水稻土中養分含量較富足，這與水稻土長期的水耕熟化過程密不可分；而酸性粗骨土中TN、AP、AK含量低于其他5種土壤類型中的含量，這與酸性粗骨土成土母質多為花崗巖且顆粒較粗而少粘粒有很大關系。AP、AK含量在這6種土壤類型中存在顯著性差異(P＜0.05)，其中AP在棕壤中含量最高，而AK在淹育水稻土中含量最低；SOM、TN含量在6種土壤類型中差異相對較小。

2.4.3 土地利用類型 土地利用是自然條件和人為活動的綜合反映，土地利用與土壤養分有著密切的關系[24]。研究區內主要的土地利用類型為水澆地、旱地、園地和林地，從表8中可以看出5種土壤養分在不同的土地利用類型中含量分布不盡一致，其中園地中的養分含量低于其他土地利用類型中含量，這主要是因為同等條件下園地本身含有養分較林地為少，人類長期在園地中種植果樹茶葉導致土壤中養分含量消耗過多，而肥料施用方面卻不如旱地水澆地及時全面；AN、AP、AK在不同土地利用類型中的含量呈一定的差異，AN、AP在林地中含量最高，分別為97.06 mg/kg和60.43 mg/kg，AK含量均值最高出現于旱地，為108.04 mg/kg。總體而言，不同土地利用類型中的土壤養分含量存在一定差異主要是受自然條件等結構性因素和不同耕種制度、施肥方式等人為因素共同作用影響而形成的。

3 結論

（1）研究區SOM、TN、AN、AP和AK的平均含量分別為13.52 g/kg、0.75 g/kg、87.27 mg/kg、50.55 mg/kg和103.20 mg/kg，養分含量總體屬于稍缺水平。5種土壤養分全部屬于中等變異程度，按大小排序依次為AP＞AN＞AK＞TN＞SOM。經對數轉換后的土壤養分含量的變異函數均符合指數模型，5種土壤養分的塊基比在3.31%～8.02%之間，其自相關程度較高，AP、PN、SOM的自相關程度極強，TN、AK的自相關程度相對稍弱一些。

（2）研究區的土壤SOM、TN全區含量水平都較低，僅在東部部分地區為適中等級。有效磷含量較為富足，堿解氮、速效鉀含量大部分地區處于稍缺及以下等級，適中及以上等級主要分布于東部平原區和西北部地區。整體而言，研究區土壤處于適中-稍缺的養分肥力水平。

（3）AK、AN、SOM的分布總體與地形地勢特征一致，3種養分在不同土壤類型的養分含量具有顯著差異；AN、AP、AK在不同土地利用類型中的含量呈一定的差異。總體來說研究區土壤的SOM和TN含量水平都較低，且空間分布大體一致，其他有效組分在含量等級及分布范圍方面相對于SOM和TN含的狀況要稍好，尤其是AP含量較為富足。地形地貌、土壤類型和土地利用方式等因素對研究區土壤養分的空間變異程度有著顯著影響，其中地形地貌、土壤類型等結構性因素的影響程度較強。