褚雅紅 畢如田 劉秀珍 劉 庚

(1山西省潞城市水利局 2山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院)

土壤是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的自然綜合體，它的形成需要一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，是在各種復(fù)雜的成土因素的相互作用下形成的，而且各種成土因素具有同等重要性和不確定性。土壤的這種復(fù)雜的形成過程使得土壤性質(zhì)具有高度的空間異質(zhì)性。土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性是土壤的重要屬性之一［1，2］。

土壤養(yǎng)分空間變異性研究現(xiàn)已逐步成為土壤科學(xué)研究領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)之一［3］。Milne在1936年首先提出了土壤的系統(tǒng)性空間變異。20世紀(jì)70年代左右，許多國(guó)外土壤學(xué)家對(duì)土壤物理性質(zhì)的空間變異性規(guī)律作了大量研究［4，5］。80 年代前，主要利用Fisher所創(chuàng)立的傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析［6，7］。Campbell首先應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)，研究了土壤砂粒含量和土壤pH的空間變異［8］。隨后，土壤養(yǎng)分空間變異進(jìn)入了較為集中的研究階段。

壩地土壤養(yǎng)分空間變異性研究也隨之取得了許多重要成果［9－11］。包耀賢等對(duì)土壤侵蝕嚴(yán)重的黃土高原地區(qū)壩地和梯田土壤氮素特征及演變與土壤理化性狀進(jìn)行了研究［12－14］。魏霞等對(duì)黃土高原典型淤地壩淤積機(jī)理進(jìn)行了研究［15］。畢銀麗等人研究了黃土丘陵區(qū)壩地系統(tǒng)土壤養(yǎng)分特征及其與侵蝕環(huán)境的關(guān)系，包括壩地土壤的理化性狀及其數(shù)值分析，以及壩系土壤粒徑分布與各粒徑的養(yǎng)分狀況［16，17］。王治國(guó)等通過對(duì)山西省隰縣河溝流域壩地淤積土壤與流域內(nèi)其他地類土壤對(duì)比，提出了壩地豐產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［18］。

淤地壩是水土流失嚴(yán)重的黃土高原地區(qū)的一種既能攔截泥沙、保持水土，又能淤地造田、增產(chǎn)糧食的重要水土保持工程措施。壩地農(nóng)業(yè)，具有顯著的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文以山西省黃土丘陵溝壑區(qū)的中陽縣洪水溝流域?yàn)槔?，研究壩地土壤的養(yǎng)分狀況，以便于采取有效措施改善壩地的耕作條件，充分發(fā)揮壩地基本農(nóng)田的增產(chǎn)潛力，提高糧食產(chǎn)量，保證糧食安全。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

選取中陽縣洪水溝流域的獨(dú)堆淤地壩壩地作為研究區(qū)域，地貌類型為黃土丘陵溝壑區(qū)，年土壤侵蝕模數(shù)8 000－15 000t/km2，屬于極強(qiáng)烈侵蝕。年平均氣溫8℃，極端最高氣溫35.6℃，極端最低氣溫－24.3℃，年≥10℃的有效積溫2 906.4℃;年降水量500 mm左右，主要集中在5－9月，約占年降水量的80%以上;年蒸發(fā)量1 990 mm，年日照時(shí)數(shù)2 715 h，無霜期145－170 d，年均風(fēng)速3－4 m/s。

獨(dú)堆淤地壩位于中陽縣金羅鎮(zhèn)溝底村，屬于洪水溝流域10#、11#淤地壩。流域主溝道長(zhǎng)11.0 km，面積23.87 km2。研究壩的壩高18 m，已淤地8.6 hm2，年均淤積厚度75 cm。壩地排水條件良好，種植利用年限已長(zhǎng)達(dá)20 a，主要種植玉米、高粱等高稈作物，單產(chǎn)7 500－11 250 kg/hm2。施肥情況一般為年施碳酸氫氨 600 kg/hm2，尿素 270 kg/hm2。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品的采集

在研究區(qū)采用GPS定位，應(yīng)用網(wǎng)格法采集樣點(diǎn)，樣點(diǎn)數(shù)和采樣距離根據(jù)壩地的面積及長(zhǎng)寬比例來確定。根據(jù)布設(shè)的取樣點(diǎn)，選取沿中泓線從壩前到壩尾取樣，以采樣點(diǎn)為圓心、5 m為半徑的范圍內(nèi)，分別采集5鉆0－20 cm的土壤混合樣本30個(gè)。土壤取樣點(diǎn)分布見圖1。

圖1 壩地土壤取樣點(diǎn)分布圖

1.2.2 土壤養(yǎng)分室內(nèi)分析

測(cè)定分析項(xiàng)目及方法:(1)有機(jī)質(zhì)(OM)，重鉻酸鉀容量外加熱法;(2)緩效鉀(SK)，1M硝酸煮沸浸提火焰法;(3)全氮(TN)，半微量開氏法;(4)堿解氮(AN)，堿解擴(kuò)散法;(5)速效磷(AP)，0.5M NaHCO3浸提鉬銻比色法;(6)速效鉀(AK)，1M NH4OAc浸提火焰法。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

經(jīng)室內(nèi)分析獲得數(shù)據(jù)后，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，排除特異值，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)。對(duì)壩地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、緩效鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀等養(yǎng)分的空間分布特征，采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法進(jìn)行分析。首先用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)土壤養(yǎng)分的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、方差、變異系數(shù)等基本性質(zhì)進(jìn)行初步分析，然后利用ArcGIS9.0軟件中的地統(tǒng)計(jì)學(xué)模塊進(jìn)行半方差模型的擬合和半方差參數(shù)的選擇，最后用克里格(Kriging)插值分析與制圖。根據(jù)養(yǎng)分的半方差函數(shù)、空間變異參數(shù)以及繪制出的土壤養(yǎng)分空間分布圖，分析土壤養(yǎng)分的空間分布規(guī)律和變化特征，得出壩地農(nóng)業(yè)的合理布局和農(nóng)作物精確施肥方法。

2 結(jié)果分析

2.1 壩地土壤養(yǎng)分的初步分析

在分析土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)的空間變異分布前，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行包括樣本平均數(shù)、方差、變異系數(shù)及頻率分布直方圖的統(tǒng)計(jì)處理。表1是土壤養(yǎng)分的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)第二次土壤普查制定。采用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)比土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)壩地的土壤養(yǎng)分分布狀況進(jìn)行了初步分析和評(píng)價(jià)，得到相應(yīng)的土壤養(yǎng)分統(tǒng)計(jì)特征值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表1 土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 壩地土壤養(yǎng)分的統(tǒng)計(jì)特征

對(duì)照土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，土壤養(yǎng)分含量除鉀素外都處于極低水平，土壤比較貧瘠。壩地土壤養(yǎng)分唯獨(dú)鉀素富足，凸現(xiàn)了黃土母質(zhì)中鉀素含量在該區(qū)域土壤養(yǎng)分分布中的作用。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮都處于極低到低水平。由此可知，壩地屬于低肥力耕地。主要原因，一是由于黃土母質(zhì)整體有機(jī)質(zhì)含量較低，壩地種植多年后外界侵蝕物進(jìn)入逐漸減少;二是有機(jī)肥的施入量明顯下降。所以，隨著時(shí)間的推移和農(nóng)作物的逐年消耗，使得壩地土壤有機(jī)質(zhì)含量逐年降低。壩地土壤全氮含量很低，可能與黃土母質(zhì)本身全氮含量很低、壩地氮肥投入很少或氮素在土壤中的易移動(dòng)性所造成土壤氮的流失和淋溶等因素有關(guān)。堿解氮含量也很低，可能是因?yàn)槿藗儗?duì)壩地持續(xù)實(shí)行掠奪式經(jīng)營(yíng)，造成養(yǎng)分貧瘠化。土壤速效磷處于極低—稍低水平之間，主要原因:一方面可能是壩地作物對(duì)速效磷多年的消耗遠(yuǎn)大于從磷礦物中釋放的有效磷或者所施磷肥的礦化速度，另一方面也可能與掠奪式經(jīng)營(yíng)有關(guān)。

土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)是土壤內(nèi)在性質(zhì)的反映，能夠區(qū)別不同土壤養(yǎng)分對(duì)外界條件的敏感性。表2中顯示土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)Cv在12%－40%之間，都屬于中等變異，說明洪水溝壩地土壤養(yǎng)分分布比較均勻。其中鉀素變異系數(shù)小，這可能與研究區(qū)域施鉀肥量相對(duì)較少有關(guān)。此外，鉀主要受地形和土壤類型的影響，而且施入土壤中的鉀肥，因其移動(dòng)性相對(duì)較大、在土壤中殘留較少，致使土壤中速效鉀比較均勻些。土壤緩效鉀含量狀況同土壤速效鉀基本一致。土壤速效鉀含量是指導(dǎo)當(dāng)季施鉀的主要依據(jù)，容易受耕作、施肥、作物吸收等影響而變化，而土壤緩效鉀是不能被作物直接吸收利用的，它是土壤速效鉀的給源和后備。土壤速效磷的變異系數(shù)最大為40%，這是因?yàn)橹参锏纳顒?dòng)，如凋落物積累、根系分泌物、根際微生物活動(dòng)、根際磷酸酶、菌根等，土壤中的磷會(huì)在根際富集，同時(shí)由于磷肥往往是定點(diǎn)施用，因而造成土壤磷素的移動(dòng)性較差、當(dāng)季利用率低、受植物富集作用影響較大，某些區(qū)域磷素會(huì)有大量盈余，而大部分區(qū)域磷素會(huì)比較缺乏，導(dǎo)致土壤中速效磷分布不均。另一方面可能與農(nóng)戶小地塊磷肥用量差異較大有關(guān)。因此，土壤磷素明顯受到施肥活動(dòng)的影響。

壩地土壤養(yǎng)分的偏態(tài)系數(shù)和峰態(tài)系數(shù)均非常接近于0和3，服從正態(tài)分布或是經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后服從正態(tài)分布，可對(duì)其進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

2.2 壩地土壤養(yǎng)分的空間變異分析

由于傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析只能分析出土壤數(shù)據(jù)的整體分布特點(diǎn)，而不能定量地分析出土壤數(shù)據(jù)的隨機(jī)性、結(jié)構(gòu)性、獨(dú)立性和相關(guān)性，為了解決這些問題，需要進(jìn)一步采用地統(tǒng)計(jì)方法對(duì)研究區(qū)域壩地土壤養(yǎng)分進(jìn)行空間變異結(jié)構(gòu)的分析和探討。圖2為研究區(qū)域各種養(yǎng)分按照實(shí)際變異函數(shù)的計(jì)算結(jié)果，以半方差為縱坐標(biāo)，采樣距離為橫坐標(biāo)，取得的變異函數(shù)曲線圖。

圖2 壩地土壤養(yǎng)分的半方差圖

從土壤養(yǎng)分的半方差圖中可以看出，各養(yǎng)分的半方差值隨著距離的增大而增加，在達(dá)到一定的距離后趨于平穩(wěn)，這表明隨著距離的增加，養(yǎng)分的空間相關(guān)性逐漸減小，到達(dá)一定距離后不再具有相關(guān)性，也就是說到一定的距離后養(yǎng)分能夠保持空間上的相對(duì)獨(dú)立。各養(yǎng)分的變異函數(shù)曲線均較為平穩(wěn)，說明在整個(gè)尺度上各種生態(tài)過程同等重要，整個(gè)區(qū)域內(nèi)會(huì)有個(gè)別實(shí)測(cè)點(diǎn)與理論模型相差很遠(yuǎn)，可能與采樣的距離及較小范圍內(nèi)養(yǎng)分的分布有關(guān)。

表3是根據(jù)土壤養(yǎng)分的半方差擬合模型得出的相應(yīng)的參數(shù)。塊金值，表示實(shí)驗(yàn)誤差和小于實(shí)驗(yàn)取樣尺度等隨機(jī)部分的空間變異性?；_(tái)值為半變異函數(shù)從初始的塊金值達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定時(shí)的常數(shù)。當(dāng)半變異函數(shù)值超過基臺(tái)值時(shí)，即函數(shù)值不隨采樣點(diǎn)間隔距離而改變時(shí)，空間相關(guān)性不存在。從結(jié)構(gòu)性因素的角度來看，基底效應(yīng)的百分?jǐn)?shù)可表示系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性程度，如果百分?jǐn)?shù)＜25%，說明變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性;在25% －75%之間，變量具有中等的空間相關(guān)性;＞75%時(shí)，變量空間相關(guān)性很弱。當(dāng)半變異函數(shù)的取值由初始的塊金值達(dá)到基臺(tái)值時(shí)，采樣點(diǎn)的間隔距離為變程。變程表示了在某種觀測(cè)尺度下，空間相關(guān)性的作用范圍，其大小受觀測(cè)尺度限定。

表3 壩地土壤養(yǎng)分空間變異參數(shù)

在對(duì)模型進(jìn)行最優(yōu)擬合時(shí)，選擇不同的理論模型來擬合半方差圖。通過比較，分別選出了最優(yōu)的理論模型。土壤有機(jī)質(zhì)用球狀模型擬合較好，土壤全氮、堿解氮用指數(shù)模型擬合，土壤緩效鉀、速效鉀用高斯模型擬合，土壤速效磷用對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后的高斯模型擬合。經(jīng)過模型擬合后得到的各養(yǎng)分變異函數(shù)理論模型的相應(yīng)參數(shù)，其中土壤速效磷決定系數(shù)比較小，擬合程度不是很好。

洪水溝流域壩地土壤養(yǎng)分的空間自相關(guān)變化尺度范圍均比較小，最大相關(guān)距離從0.001 km到0.005 km，在較小尺度范圍內(nèi)存在著空間相關(guān)性。各土壤養(yǎng)分的空間變異程度有一定的差異，其含量在研究區(qū)域上由隨機(jī)因素引起的空間變異分別占其總空間變異的 8.3%、44.0%、23.6%、29.6%、20.2%、30.5%。其中，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀基底效應(yīng)都較小，分別為8.3%、23.6%、20.2%，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，由空間自相關(guān)性引起的變異分別為91.7%、76.4%、79.8%。由此說明，由空間自相關(guān)性引起的空間變異性是主要的，在小尺度上具有較強(qiáng)的漸變性分布規(guī)律。其空間變異主要來自于土壤母質(zhì)、地形、氣候等非人為的區(qū)域因素，在小尺度上其空間變異受施肥、作物種類、管理水平等人為因素的影響較小。土壤全氮、緩效鉀、速效磷基底效應(yīng)分別為44.0%、29.6%、30.5%，具有中等的空間相關(guān)性，在小尺度上由空間自相關(guān)性引起的變異要比由隨機(jī)因素引起的變異大些，其空間變異受施肥、作物種類、管理水平等人為因素的影響較土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀大。

2.3 土壤養(yǎng)分的空間分布格局

空間分布格局是指土壤養(yǎng)分含量在空間上有規(guī)律的分布。克里格法制圖是根據(jù)計(jì)算所得的最優(yōu)無偏估計(jì)值，按照相應(yīng)的空間位置點(diǎn)繪制形成的空間分布圖。本研究中為了準(zhǔn)確直觀地描述壩地土壤養(yǎng)分在空間上的分布，利用ArcGIS軟件的地統(tǒng)計(jì)分析模塊Geostatistical Analyst，用克里格插值法來繪制所測(cè)土壤養(yǎng)分的空間分布圖(見圖3)。

圖3 壩地土壤養(yǎng)分的空間分布圖

從各個(gè)土壤養(yǎng)分的空間分布規(guī)律來看，土壤養(yǎng)分含量分布均具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，說明存在著空間格局。土壤養(yǎng)分空間分布總趨勢(shì)大致相同，養(yǎng)分含量斑塊的大小、形狀及空間分布具有明顯的差異。除土壤緩效鉀外，其他養(yǎng)分都具有一定的漸變性分布規(guī)律，呈現(xiàn)出從東南到西北的條帶狀分布，這與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的農(nóng)田經(jīng)營(yíng)方向基本一致。說明，農(nóng)戶不同的經(jīng)營(yíng)方式與施肥習(xí)慣等人為因素對(duì)壩地土壤養(yǎng)分的變異起主導(dǎo)作用。土壤緩效鉀含量的空間分布具有較高程度的異質(zhì)性，但是呈現(xiàn)出的是明顯的斑塊鑲嵌狀的空間結(jié)構(gòu)，而且斑塊的大小、形狀及空間分布等都存在著差異。土壤緩效鉀的斑塊狀格局可能與當(dāng)?shù)剽浄实氖┯昧?、鉀肥的?dāng)季利用率等有關(guān)。

3 結(jié)論與討論

(1)中陽縣洪水溝流域壩地土壤養(yǎng)分分布不平衡，土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)在12% －40%之間，均屬于中等變異。除鉀素含量較高可滿足作物生長(zhǎng)外，其他肥力要素含量較低，特別是有機(jī)質(zhì)、全磷和速效磷含量趨于貧瘠化。

(2)土壤養(yǎng)分的半方差隨著距離的增大而增加，說明存在空間相關(guān)性。

(3)各土壤養(yǎng)分的空間自相關(guān)變化尺度范圍都比較小，在較小范圍內(nèi)存在著空間相關(guān)性。各養(yǎng)分的空間變異程度有一定的差異，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀在小尺度上具有較強(qiáng)的漸變性分布規(guī)律，其空間變異主要來自于土壤母質(zhì)、地形、氣候等非人為的區(qū)域因素。土壤全氮、緩效鉀、速效磷在小尺度上由空間自相關(guān)性引起的變異要比由隨機(jī)因素引起的變異大些。

(4)土壤養(yǎng)分空間分布總趨勢(shì)大致相同，具有高度的空間相關(guān)性，存在空間格局。養(yǎng)分含量斑塊的大小、形狀及空間分布具有明顯的差異。除土壤緩效鉀外，其他養(yǎng)分都具有一定的漸變性分布規(guī)律，呈現(xiàn)出從東南到西北的條帶狀分布，這與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的農(nóng)田經(jīng)營(yíng)方向基本一致。

研究表明，研究區(qū)域內(nèi)的壩地唯獨(dú)鉀素富足，土壤養(yǎng)分整體退化趨勢(shì)嚴(yán)重。壩地種植利用多年后，動(dòng)植物殘?bào)w等外界養(yǎng)分的再次攜入非常有限，同時(shí)農(nóng)戶的耕作活動(dòng)又會(huì)導(dǎo)致耕種土壤肥力的消耗，壩地有機(jī)質(zhì)的含量已處于低肥力地的下限。由于黃土高原地區(qū)畜牧業(yè)不發(fā)達(dá)制約了有機(jī)肥的生產(chǎn)與投入，經(jīng)濟(jì)水平低下又限制了化肥的投入，建議當(dāng)?shù)厝罕姂?yīng)轉(zhuǎn)變以往認(rèn)為壩地是上好農(nóng)地而不施或少施肥料的錯(cuò)誤觀念，應(yīng)將有機(jī)肥、氮肥和磷肥進(jìn)行配合施用，只有這樣才能持續(xù)發(fā)揮壩地的經(jīng)濟(jì)效益。

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