方睿紅，常慶瑞

（西北農林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100）

關中平原臺塬區(qū)土壤養(yǎng)分空間格局研究
——以西安市長安區(qū)為例

方睿紅，常慶瑞

（西北農林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100）

為研究關中平原臺塬區(qū)土壤養(yǎng)分的空間分布情況，加強精準農業(yè)施肥管理，針對陜西省西安市長安區(qū)836.69 km2范圍內的土壤養(yǎng)分元素進行空間格局研究。通過GPS定位選取研究區(qū)內3 231個土壤采樣點，測定了土壤樣品的有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀以及pH值，并利用地統(tǒng)計法對其空間變異結構及格局現狀進行研究。結果表明：土壤養(yǎng)分元素的變異系數范圍為0.09～0.84，其變異程度依次為有效磷＞速效鉀＞堿解氮＞有機質＞pH值；土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀及pH值的變異函數曲線均符合指數模型；在空間結構上，土壤有效磷和有機質屬于弱相關性，速效鉀和堿解氮為中等強度相關性，pH值具有強烈的空間相關性；采用Kriging插值方法，可直觀得到研究區(qū)域的土壤養(yǎng)分空間格局情況。

土壤養(yǎng)分；空間變異；地統(tǒng)計學；GIS

土壤養(yǎng)分是衡量土壤生產力的綜合指標，了解其豐缺狀況、變異情況、空間格局分布對提高土壤養(yǎng)分管理和推薦測土配方平衡施肥技術以及實施精準農業(yè)具有重要的指導意義。管理好土壤養(yǎng)分，合理科學施肥，是關系到我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大技術問題，其重要性和緊迫性隨著農業(yè)生產的發(fā)展和化肥施用量的增加而顯得越來越突出［1］。然而，從20世紀80年代全國第二次土壤普查以來，由于養(yǎng)分投入水平的不斷加大和不同養(yǎng)分收支平衡的差異使得我國土壤養(yǎng)分狀況和空間變異情況發(fā)生了很大的變化［2］。目前，為適應我國小規(guī)模分散經營體制下的測土推薦平衡施肥技術，急需對土壤養(yǎng)分狀況及其變異情況進行全面系統(tǒng)的研究，因此對土壤養(yǎng)分空間格局的研究已成為土壤養(yǎng)分管理研究的熱點之一［3－4］。

近年來一些專家學者在土壤養(yǎng)分空間變異方面做了不少研究，如劉欣等［5］對黑龍江省彥縣土壤的有機質、速效磷、速效鉀和pH值進行了空間變異特征的研究，并結合巴彥縣實際情況分析了這4種養(yǎng)分的影響因素；蘇永中等［6］研究了科爾沁沙地農田土壤理化性質的空間變異特征，認為半變異函數能夠分析和表征農田沙漠化發(fā)生發(fā)展的程度和空間尺度；史利江等［7］運用GIS和地統(tǒng)計學方法研究寧波市農業(yè)示范區(qū)的土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質和pH值的空間變異特征，得到了農田土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律，并證明了土壤養(yǎng)分存在一定的空間相關性。上述結果表明在較大范圍內利用GIS技術進行土壤養(yǎng)分空間分布格局研究具有較大優(yōu)勢，同時針對關中平原臺塬區(qū)的養(yǎng)分空間變異特性研究文獻報道較少，本文以關中平原臺塬區(qū)為研究區(qū)域，利用地統(tǒng)計法分析該區(qū)域的土壤養(yǎng)分空間變異特征，揭示土壤養(yǎng)分空間變異規(guī)律，為實現土壤養(yǎng)分的精確管理提供理論依據。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

陜西省西安市長安區(qū)地處關中平原中部，地理位置為北緯33°48′－34°18′，東經108°38′－109°14′，位于西安市南部秦嶺北麓。東臨藍田縣，南接寧陜縣、柞水縣，西與戶縣接壤，北和雁塔區(qū)、灞橋區(qū)為鄰。區(qū)內地勢東南高西北低，南北跨度約55km，東西跨度約52km，總土地面積約為1 583km2。長安區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，年降水量平均為664.3mm，平均氣溫為13.2℃，年太陽輻射總量平均為459.3kJ/cm2。地貌類型主要有：秦嶺山地、黃土臺塬、洪積平原以及沖積平原。本研究選取除秦嶺山地以外的地貌區(qū)作為研究區(qū)域，研究區(qū)域總面積為836.69km2，海拔385～879m，坡度為0～45°，屬關中平原臺塬區(qū)，主要土壤類型有：土、褐土、黃土性土、淤土、水稻土和潮土，研究區(qū)內以小麥和玉米為主要種植作物。

1.2 材料與方法

1.2.1 資料收集與土壤樣品采集 根據調查工作需要，收集了長安區(qū)2005年1∶5萬的行政區(qū)劃圖和地貌類型圖等紙質圖件資料，并運用ArcGIS 9.3對紙質圖件進行了數字化，截取了長安區(qū)平原臺塬區(qū)作為研究區(qū)域。

利用GPS進行外業(yè)樣點的定位，同時結合研究區(qū)實際情況，將大田地采樣點的密度定為平均2個/hm2，并根據需要進行適當調整。為避免施肥的影響，取樣時期確定在作物收獲前后，用竹鏟和不銹鋼土鉆等工具采樣，每一土樣選取有代表性的田塊，采用“S”法均勻隨機采取8個點混勻后用四分法留取1kg土樣裝袋以備分析。土壤取樣深度為0－20cm，取樣時間為2007年5月和9月。按照上述布點原則和方法，在研究區(qū)耕地上共布設采樣點3 231個（取樣點分布如圖1所示）。

圖1 樣點分布圖

1.2.2 土壤樣品化學分析 獲取的土壤樣品經自然風干、過2mm篩后進行室內養(yǎng)分測定。化驗分析方法采用相關行業(yè)標準［8］，全程序空白值測定，以消除系統(tǒng)誤差，每批樣品作3個空白樣，從待測試樣的測定值中扣除空白值。每批樣品均做標準曲線，樣品分析時平行率達到100%。在準確度控制上使用標準樣品，進行內參樣摻插，也與其他化驗空白作對比。土壤樣品測定項目包括土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀以及pH值。有機質含量測定采用油浴加熱重鉻酸鉀容量法，堿解氮含量測定采用堿解擴散法，有效磷含量測定采用碳酸氫鈉浸提－鉬銻抗比色法，速效鉀含量測定采用乙酸銨浸提－火焰光度法，pH值測定采用電位法。

1.2.3 半方差函數介紹 半方差函數是描述土壤性質空間變異的一個函數，反映了不同距離的觀測值之間的變化，所謂半方差函數就是兩點間差值的方差的一半，即：

式中：N（h）——距離等于h的點對數；z（xi）——xi處變量的實測值；z（xi＋h）——與點xi偏離h處變量的實測值。r（h）在一定范圍內隨h的增加而增大，當測點間距大于最大相關距離時，該值趨于穩(wěn)定。半方差函數常見模型有球狀（Spherica1）、指數（Exponentia1）和高斯（Gaussian）模型。

1.3 數據處理

特異值對變異函數的影響很大，使得實驗半方差函數發(fā)生畸變，進而影響變異函數理論模型的精度。本文采用域值法來識別特異值，對數據進行預處理。

樣本數據的描述性分析在SPSS 19.0軟件下進行，統(tǒng)計樣本的最大值、最小值、平均值、方差、標準差、偏度、峰度和變異系數等。對于數據的正態(tài)性檢驗采用土壤養(yǎng)分分布的偏斜量，即中值偏離平均值的百分數來判斷［9］。對于不符合正態(tài)分布的樣本在進行地統(tǒng)計學分析時要對其先進行對數變換處理。

地統(tǒng)計學是以區(qū)域化變量理論為基礎，以變異函數為主要工具，研究在空間分布上既有隨機性又有結構性（或空間相關和依賴性）自然現象的科學［10－11］。本文將采用半方差函數和Kriging插值［12］為基本工具，可對既具有隨機性又具有結構性的各種變量在空間上的分布進行研究。地統(tǒng)計分析在ArcGIS 9.3的擴展模塊Geostatistical Analyst下進行處理。

2 結果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分的統(tǒng)計特征及分析

根據經典統(tǒng)計方法，運用SPSS 19.0軟件計算土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計特征值如表1所示。

表1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計特征

根據陜西省第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準［13］可以得到，土壤有機質、堿解氮和有效磷屬中等肥力水平，速效鉀屬中等偏上肥力水平。通常用變異系數來表達各養(yǎng)分的變異程度，一般分為弱變異性、中等變異性和強變異性［14］。通過表1各指標的變異系數值可以看出，研究區(qū)土壤pH值變異系數最小，僅為0.09，呈弱變異性，其余土壤養(yǎng)分的變系數均在0.1～1.0之間，屬中等變異。土壤有機質、速效鉀和pH值樣本偏斜量分別為：1.84，4.89，－3.13，認為其樣本分布屬于正態(tài)分布，而有效磷和速效鉀的偏斜量均大于5，則屬偏態(tài)分布。

研究區(qū)內土壤有效磷含量變化相對較大，從0.2～65.67mg/kg，這是由于在土壤中的化學行為及目前磷肥施用狀況有關，施入土壤中的磷，因其移動性小、當季利用率低，而使磷肥在土壤中殘留較多，導致土壤中有效磷分布不均［15］，從而造成差異較大。

2.2 土壤養(yǎng)分的空間結構變異與格局分析

運用半方差函數對區(qū)域化變量進行空間變異分析的前提是變量必須符合正態(tài)分布，對于不符合正態(tài)分布的樣本數據，首先要對其進行對數變化轉化為正態(tài)分布形式。本研究在ArcGIS地統(tǒng)計模塊中，選取球狀、指數和高斯3種半方差模型進行擬合處理，根據模型預測誤差的比較標準：平均標準誤差（MSE）的絕對值最接近于0，標準化均方根誤差（RMSSE）最接近于1［16］來進行對比。通過對表2擬合參數的綜合比較分析，指數模型的擬合效果最好，所以最后選擇指數模型進行普通Kriging插值，得到各土壤養(yǎng)分的空間分布圖，結果見圖2和表3。

表2 土壤養(yǎng)分不同模型擬合參數

塊金值是半方差函數在原點處的數值，表示由實驗誤差和小于最小取樣尺度引起的隨機變異；基臺值通常表示系統(tǒng)內的總變異，包括結構性變異和隨機性變異，基臺值越高，表示系統(tǒng)總的空間異質性越高。變程指影響的范圍，反映空間依賴的最大距離。塊金效應，也稱基底效應，是塊金值與基臺值之比，反映土壤養(yǎng)分的空間依賴性，可表明系統(tǒng)變量的空間相關性的程度。

根據基底效應由表2可以得出，研究區(qū)各土壤養(yǎng)分的空間相關性強弱趨勢表現為：有效磷＜有機質＜速效鉀＜堿解氮＜pH值。其中有效磷和有機質的基底效應大于0.75，屬于弱相關性，其變化主要受后期人為因素影響，如施肥、耕種措施的不同；速效鉀和堿解氮的基底效應在0.25～0.75之間，為中等強度相關性，這兩種養(yǎng)分的變化是結構性因素和隨機性因素共同影響的結果；pH值的基地效應值為0.113，小于0.25具有強烈的空間相關性，其變異性主要受如成土母質、土壤類型等結構性因素影響。

圖2 土壤養(yǎng)分空間分布圖

表3 土壤養(yǎng)分分布特征統(tǒng)計

由圖2和表3分析可得：土壤有機質是土壤的重要組成部分，是作物所需各種營養(yǎng)元素的重要來源，有機質含量的多少是衡量土壤肥力的主要指標。研究區(qū)東北部屬黃土臺塬區(qū)，地勢較平，但水源缺乏，復種指數低，有機質積累緩慢；西北部灌區(qū)，氣溫較高，降水較少，有利于土壤有機質分解，不利于積累；而西南部接近秦嶺山前洪積扇區(qū)，降水多，蒸發(fā)小，腐殖質積累較多，因而有機質含量高。

土壤堿解氮是有效態(tài)氮，能被作物直接利用，進而可反映近期內土壤氮素供應能力，研究區(qū)內呈現北低南高走勢，這是由于近山區(qū)的氣候有利于氮素的積累，平原區(qū)的氣候因素和作物消耗大而不利于積累。

土壤中的有效磷是易被作物吸收的磷酸鹽和磷酸根離子，其含量的高低能反映土壤的供磷能力。研究區(qū)內土壤有效磷的含量普遍比較低，小于15mg/kg的面積有343.98km2，占研究區(qū)面積的41.11%，這是由于施肥過程中，土糞中相對含磷量較少，對土壤磷素補充少，因而大面積土壤缺磷。

土壤鉀素是作物生長所必須的大量營養(yǎng)元素之一，研究區(qū)內土壤母質多為黃土或黃土狀物質，整個土體的鉀素含量都比較豐富，因此土壤速效鉀的含量僅在西北區(qū)域相對較低。

土壤pH值也稱為土壤酸堿度。它的大小直接影響到植物的生長發(fā)育、土壤養(yǎng)分的存在形式以及土壤微生物的活動。研究區(qū)內的pH值在6.5～7.5之間的面積達到425.27km2，占到研究區(qū)總面積的一半以上，微堿性土壤（pH值為7.5～8.5）主要分布在西北部平原區(qū)。

3 結論與討論

本研究利用傳統(tǒng)統(tǒng)計學、地統(tǒng)計學方法結合地理信息系統(tǒng)軟件（ArcGIS 9.3）對關中平原臺塬區(qū)進行土壤養(yǎng)分空間格局進行研究，研究結果表明：（1）研究區(qū)土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀及土壤pH值的都具有空間變異性，他們的變異系數分別為：0.25，0.25，0.30，0.84，0.51，0.09，土壤pH 值屬弱變異性，而其他指標均屬中等變異。（2）通過對研究區(qū)土壤養(yǎng)分理論半方差模型的運算及最優(yōu)擬合參數比較，最終選取指數模型作為運算模型。由基底效應得出空間相關性表明：土壤養(yǎng)分中，pH值具有強烈的空間相關性，其變異性主要受如成土母質、土壤類型等結構性因素影響；速效鉀和堿解氮具有中等強度相關性，這兩種養(yǎng)分的變化是結構性因素和隨機性因素共同影響的結果；有效磷和有機質的空間相關性很弱，其變化主要受后期人為因素，如施肥、耕種措施的不同影響。

在本研究區(qū)中，由于成土母質多為黃土或黃土狀物質，因此土壤鉀素的含量較高，基本不存在缺乏問題，能夠滿足作物的生長需要，在今后的農業(yè)生產中，可以少施甚至在鉀素極豐富區(qū)不施鉀肥；但氮素和磷素含量水平相對較低，其中還有部分區(qū)域低于作物對磷素和氮素的需求水平。因此，對于研究區(qū)內應合理增施氮、磷肥，注意改善土壤結構，提高土壤抗旱保肥和供肥能力。在利用上建立合理的輪作套種制度等措施，進一步提高氮磷水平。

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Study on Spatial Distribution Pattern of Soil Nutrients in Guanzhong Plain－A Case Study in Chang'an District of Xi'an City

FANG Rui－h(huán)ong，CHANG Qing－rui
（College of Resources and Environment，Northwest A＆F University，Yangling，Shaanxi712100，China）

In order to increase the efficiency of applied fertilizers of precision agriculture and reveal spatial distribution characteristics of soil nutrients in Guanzhong Plain，a total of 3 231points for soil sampling were selected in the area of 836.69km2in Chang'an District of Xi'an，Shaanxi Province.The soil nutrient indices including available phosphorous（AP），available potassium（AK），available nitrogen（AN），soil pH and organic matter（SOM）were analyzed with classic statistics and geostatistics method.The results indicated that the variability coefficients of soil nutrients ranged from 0.09to 0.84and the order of the variation degree was AP＞AK＞AN＞SOM＞pH.The semi－variograms of SOM，AN，AP，AK and pH were best described by exponential model.Those soil properties had different spatial correlations respectively，pH had the significant spatial correlation，AK and AN had the moderate spatial correlation，and AP and SOM had the weak spatial correlation.Spatial distribution pattern of soil nutrients in the study area could be obtained by using Kriging interpolation.

soil nutrient；spatial variability；geostatistics；GIS

S158

A

1005－3409（2011）06－0141－05

2011－04－15

2011－06－09

國家重點基礎研究發(fā)展計劃“973”項目；“區(qū)域水土流失過程與趨勢分析”（2007CB407203）；國家自然科學基金（30872073）

方睿紅（1987－），女，陜西西安人，碩士研究生，研究方向為遙感與GIS技術應用。E－mail：fangrh23＠nwsuaf.edu.cn

常慶瑞（1959－），男，陜西子洲縣人，教授，博導，主要從事資源環(huán)境與3S技術應用研究。E－mail：changqr＠nwsuaf.edu.cn