解文艷，周懷平 ，關(guān)春林 ，張建杰 ，楊振興 ，顏曉元 ，王書(shū)偉

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030006；2.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，南京210008）

耕地是土壤資源的精華，它是在自然土壤的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的人類(lèi)耕作、灌溉、施肥等措施逐步演化而成的。由于各地氣候、成土母質(zhì)、成土條件、耕作方式、栽培歷史等的不同，耕地的類(lèi)型、質(zhì)量、肥力狀況差異較大[1]。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮是評(píng)價(jià)土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，是全球碳循環(huán)的重要源和匯，目前，其已成為土壤科學(xué)、環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[2-3]。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮與其他土壤特性一樣，具有高度的空間變異性，即在相同的區(qū)域內(nèi)，同一時(shí)刻不同的空間位置，其含量存在明顯的差異。充分了解土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的空間分布特征，掌握其變異規(guī)律，對(duì)于土壤養(yǎng)分資源的科學(xué)管理和合理利用，有針對(duì)性地采取合理施肥技術(shù)，提高肥料養(yǎng)分資源的利用率和作物產(chǎn)量，保持和提高土壤肥力，促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面具有十分重要的理論和實(shí)踐意義[4-8]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的空間變異性進(jìn)行了廣泛研究，并取得了一些進(jìn)展[9-12]。

山西省是經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，是一個(gè)農(nóng)業(yè)省份，糧食收入是該省農(nóng)民收入的重要組成部分，是貧困地區(qū)農(nóng)民的主要經(jīng)濟(jì)來(lái)源。近年來(lái)，山西省農(nóng)村經(jīng)營(yíng)管理體制、耕作制度、有機(jī)肥和化肥施用總量與作物品種結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化[13-14]。

本試驗(yàn)通過(guò)研究山西省土壤有機(jī)質(zhì)和全氮空間分布特征和變異規(guī)律，旨在為山西省農(nóng)田的平衡施肥、作物產(chǎn)量的提高和土壤環(huán)境安全等提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

山西省位于我國(guó)中部、黃河中游，太行山以西，介于東經(jīng)110°15′～114°32′、北緯34°34′～40°44′之間，屬暖溫帶、溫帶大陸性氣候，年平均氣溫在3.7～13.8℃之間，氣溫地區(qū)分布總趨向是自南向北、自平川向山地遞減；無(wú)霜期一般為120～220 d，其分布特點(diǎn)是南長(zhǎng)北短，平川長(zhǎng)山地短；年均日照為2 000～3 000 h，年均降水量為380～650 mm。全省土地總面積15.66萬(wàn)km2，約占全國(guó)土地總面積的1.64%。1986年山西省土壤普查資源匯總耕地面積約373.2萬(wàn)hm2。山西地形較為復(fù)雜，境內(nèi)有山地、丘陵、盆地、臺(tái)地等各種地貌類(lèi)型，整個(gè)地貌是被黃土廣泛覆蓋的山地型高原，海拔為1 000～2 000 m。農(nóng)作物以小麥、玉米為主，農(nóng)田土壤類(lèi)型主要有棕壤、褐土、黃綿土、栗鈣土、草甸土等。按地貌、土壤、氣候等因素條件，山西省大致可分為5個(gè)農(nóng)業(yè)地理區(qū)域，分別為晉南（運(yùn)城市、臨汾市）、晉東南（晉城市、長(zhǎng)治市）、晉西北（呂梁市）、中部區(qū)（晉中市、太原市、陽(yáng)泉市）、晉北（忻州市、大同市、朔州市）。這5個(gè)區(qū)域的自然生態(tài)條件、土壤性質(zhì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平等方面存在較大差異。

1.2 研究方法

參照全國(guó)第二次土壤普查資料，根據(jù)耕地面積、土種類(lèi)型和肥料水平進(jìn)行布點(diǎn)采樣，共確定75個(gè)取樣點(diǎn)。利用GPS對(duì)采樣點(diǎn)定位，記錄經(jīng)度、緯度、海拔高度和土壤質(zhì)地狀況等，2007年秋收后，在距每一樣點(diǎn)10 m的范圍內(nèi)分別采集土壤剖面0～20，20～100 cm土層各5份土樣，混合均勻后用四分法取0.5 kg土樣備用。

土壤樣品分析由中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)完成。重點(diǎn)分析了土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、pH值等土壤理化性質(zhì)[15]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及制圖采用SPSS 13.0及ArcInfo9.2軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 山西省主要農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的統(tǒng)計(jì)特征值情況

由表1的偏度和峰度系數(shù)可知，0～20，20～100 cm土層的有機(jī)質(zhì)和全氮既不服從正態(tài)分布，也不服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，呈偏態(tài)分布，二者的變異系數(shù)分別為 42.65%，46.82%和 25.88%，28.89%，均屬中等變異程度[16]，并且同一養(yǎng)分不同層次的變異系數(shù)差異很小，這與以往的一些研究結(jié)果一致[9-12]。有機(jī)質(zhì)和全氮的分布及變異程度比較一致，表明二者受研究區(qū)內(nèi)地形、水熱條件等相同條件所控制。

表1 山西省土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的描述性統(tǒng)計(jì)

由表1還可知，0～20 cm耕層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮平均含量分別為17.70，0.85 g/kg，按照全國(guó)第二次土壤普查山西省的養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[17]，二者均屬中等偏上水平。20～100 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮平均含量分別為8.50，0.45 g/kg，分別比耕層土壤含量低51.98%和47.06%。表明有機(jī)質(zhì)和全氮在土壤的剖面分布具有一定的表聚性。這是由于耕層土壤受人為活動(dòng)影響較強(qiáng)烈，作物根系又多密集于耕層內(nèi)。因此，耕層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量明顯高于下層土壤。

表1還表明，有機(jī)質(zhì)和全氮在0～20，20～100 cm土層中的含量不同，耕層有機(jī)質(zhì)含量范圍為5.2～44.8 g/kg，極差為 39.6 g/kg；20～100 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量范圍為3.1～23.0 g/kg，極差為19.9 g/kg。耕層土壤的全氮含量范圍為0.29～1.39 g/kg，極差為 1.10 g/kg；20～100 cm土層土壤全氮含量范圍為0.20～0.91g/kg，極差為0.71 g/kg。有機(jī)質(zhì)和全氮的含量在這2個(gè)土層變化幅度均較大，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)和全氮含量在不同土層土壤中存在明顯差異。

2.2 山西省土壤有機(jī)質(zhì)和全氮空間分布特征

以地區(qū)為最小單元，分析了山西省0～20 cm和20～100 cm有機(jī)質(zhì)和全氮的分布情況（圖1）。

表 2和表 3是對(duì) 5個(gè)研究區(qū)域的 0～20，20～100 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的基本統(tǒng)計(jì)分析。

表2 山西省不同地區(qū)0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的統(tǒng)計(jì)分析

表3 山西省不同地區(qū)20～100 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的統(tǒng)計(jì)分析

從全省來(lái)看，耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量總的趨勢(shì)是：由東南向西北方向含量逐漸降低，中部向晉南和晉北方向逐漸減少（圖1-a）。5個(gè)區(qū)域耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量的分布特點(diǎn)：晉東南最高，其次為中部區(qū)和晉西北，這3個(gè)地區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量大于全省的平均值（17.7 g/kg）；晉南和晉北的有機(jī)質(zhì)含量小于全省的平均值。

由于耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量（y）與土壤全氮含量（x）呈非常顯著的正相關(guān)（y＝30.21x－0.807，r＝0.840**），耕層土壤全氮含量的空間分布與有機(jī)質(zhì)總的趨勢(shì)基本一致，呈由東南向西北方向逐漸降低的趨勢(shì)（圖1-b）。5個(gè)區(qū)域耕層土壤全氮平均含量大小依次為晉東南＞中部＞晉南＞晉西北＞晉北（表2）。

山西省土壤20～100 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的空間分布與耕層基本一致，表現(xiàn)出一定的空間垂直分布特征（圖1-c，d）。晉東南和中部區(qū)域20～100 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮平均含量較高，分別為 11.10，10.12g/kg和 0.55，0.46g/kg；晉西北、晉南、晉北土壤有機(jī)質(zhì)和全氮平均含量相差不大，分別在7.5，0.43 g/kg左右（表3）。

2.3 影響山西省土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量空間分布的主要因素

山西省主要的土壤類(lèi)型有褐土、潮土、栗褐土、黃綿土等，不同土壤類(lèi)型理化性質(zhì)差異是造成土壤有機(jī)質(zhì)和全氮空間分布差異的自然因素。但研究區(qū)域又是人為影響比較明顯的地方，其輪作制度有一年一作、兩年三作、一年兩熟等，種植的作物有春玉米、春玉米—冬小麥—夏大豆、冬小麥—夏玉米、雜糧、果園等，不同的土地利用方式下，人為因素又會(huì)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮分布的差異造成影響。以耕層有機(jī)質(zhì)和全氮為例來(lái)分析其主要影響因素。

首先，地形和土壤類(lèi)型影響土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的空間分布。山西省地勢(shì)由北向南、由西向東逐漸降低；土壤類(lèi)型依次為栗褐土、黃綿土、褐土性土、褐土、潮土及石灰性褐土，與有機(jī)質(zhì)和全氮的空間分布趨勢(shì)一致，這反映了地形和土壤類(lèi)型是山西省土壤有機(jī)質(zhì)和全氮空間分布的主要影響因素之一。有機(jī)質(zhì)和全氮含量最高值區(qū)域位于東南部海拔800～1 500 m的太行山一線(xiàn)山間盆地，土壤類(lèi)型為石灰性褐土，土層深厚，氣溫相對(duì)較低，而降水量相對(duì)較多，土質(zhì)黏重，有機(jī)質(zhì)易積累。山西省中部為海拔700～800 m的盆地，土壤類(lèi)型為石灰性褐土、褐土性土，河流兩岸有潮土，土層深厚，土質(zhì)適中，通體暗灰色，保水保肥性能良好，有機(jī)質(zhì)和全氮含量較高。山西省西北部為海拔800～1 400 m的黃土高原，主要土壤類(lèi)型有褐土性土、栗褐土、黃綿土，種植小麥、谷子、馬鈴薯等，水蝕、風(fēng)蝕嚴(yán)重，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量較低。晉南為海拔600 m以下的盆地，土壤類(lèi)型主要有褐土、石灰性褐土和潮土，地勢(shì)較低，氣溫較高，有機(jī)質(zhì)礦化率高，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量較低。晉北土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量最低，主要是因?yàn)樵搮^(qū)為大同盆地和忻定盆地，地勢(shì)較高，氣溫較低，土壤類(lèi)型主要是栗鈣土、栗褐土，盆地內(nèi)有大片鹽化、堿化土，該區(qū)風(fēng)多干旱，植被多系旱生草本植物，生長(zhǎng)量較少，供給土壤的有機(jī)質(zhì)數(shù)量不多，而且少雨，礦質(zhì)化大于腐殖化。

其次，土地利用方式和施肥狀況影響土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的空間分布。從土地利用方式看（表4），山西省主要農(nóng)田耕層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量大小比較為：春玉米—冬小麥—夏大豆＞冬小麥—夏玉米＞春玉米＞果園＞雜糧。晉南主要種植冬小麥、夏玉米、豆類(lèi)、棉花、果園等，輪作制度為一年兩熟或兩年三熟，主要為水澆地；中部區(qū)、晉東南多數(shù)以種冬小麥、春玉米、谷子、豆類(lèi)為主，多數(shù)為一年一作或兩年三作，主要為旱地；晉西北作物有春玉米、谷子、果園、莜麥等，多數(shù)為一年一作。這些地區(qū)農(nóng)民從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的積極性較高，有機(jī)肥和化肥投入也相對(duì)較多，尤其是近年來(lái)秸稈大量還田，有機(jī)質(zhì)歸還率大大提高，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量水平較高。晉北主要種植莜麥、豆類(lèi)、馬鈴薯等雜糧及油料作物，由于受堿化為害，農(nóng)民管理相對(duì)困難，加之當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁剌^低，種植作物類(lèi)型僅限于一些雜糧和油料作物，且農(nóng)民對(duì)農(nóng)業(yè)投入很少，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量很低。

表4 山西省不同土地利用方式下耕層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量統(tǒng)計(jì)

影響土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的因素比較復(fù)雜，對(duì)各因素影響程度的分析以后將進(jìn)一步討論。

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，山西省耕層0～20 cm和20～100 cm土層的有機(jī)質(zhì)和全氮含量都具有空間變異性，其變異系數(shù)分別為42.65%，46.82%和25.88%，28.89%，均屬中等變異程度。耕層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量平均值分別為17.7，0.85 g/kg，均屬中等偏上水平。20～100 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量明顯低于耕層，且在土壤剖面分布具有一定的表聚性。山西省耕層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的空間分布趨勢(shì)受地形、土壤類(lèi)型、土地利用方式、施肥狀況等因素影響，呈現(xiàn)由東南向西北逐漸降低的趨勢(shì)。20～100 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的空間分布與耕層基本一致，表現(xiàn)出一定的垂直分布特征。

本研究?jī)H應(yīng)用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)較大空間尺度范圍進(jìn)行了土壤有機(jī)質(zhì)及全氮空間結(jié)構(gòu)分析，由于土壤屬性空間變異的普遍性和人力財(cái)力消耗大，代表范圍有限，只靠普查和樣地實(shí)測(cè)對(duì)土壤進(jìn)行監(jiān)測(cè)，很難保證高密度樣點(diǎn)分布。隨著空間科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，可以結(jié)合遙感在短時(shí)間內(nèi)對(duì)同一地區(qū)進(jìn)行重復(fù)探測(cè)，獲取大面積同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，而且還不受地形阻隔等限制。利用3S技術(shù)，進(jìn)行大尺度范圍的土壤屬性監(jiān)測(cè)研究，更新原有土壤數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)模型模擬土壤屬性空間變異將是今后研究的主要方向。

[1]鐘國(guó)輝，田發(fā)益，旺姆，等.西藏主要農(nóng)區(qū)農(nóng)田土壤肥力狀況研究[J].土壤，2005，37（5）：523-529.

[2]王淑英，路蘋(píng)，王建立，等.北京市平谷區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的空間變異分析[J].北京農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，22（4）：21-25.

[3]李文芳，楊世俊，文池夫.土壤有機(jī)質(zhì)的環(huán)境效應(yīng)[J].環(huán)境科學(xué)動(dòng)態(tài)，2004（4）：31-33.

[4]何文壽.寧夏不同農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)土壤養(yǎng)分時(shí)空變化特征[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2004，24（2）：25-30.

[5]何文壽.寧夏農(nóng)田土壤耕層養(yǎng)分含量的時(shí)空變化特征[J].土壤通報(bào)，2004，35（6）：710-714.

[6]胡克林，李保國(guó)，林啟美，等.農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異性特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1999，15（3）：33-38.

[7]黃紹文，金繼運(yùn)，楊俐蘋(píng)，等.縣級(jí)區(qū)域糧田土壤養(yǎng)分的空間變異性[J].土壤通報(bào)，2002，33（3）：188-193.

[8]白由路，金繼運(yùn)，楊俐蘋(píng).農(nóng)田土壤養(yǎng)分變異與施肥推薦[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2001，7（2）：129-133.

[9]路鵬，黃道友，宋變蘭，等.亞熱帶紅壤丘陵典型區(qū)土壤全氮的空間變異特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21（8）：181-183.

[10]盛建東.克拉瑪依干旱生態(tài)農(nóng)業(yè)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮空間變異特征研究[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，26（4）：32-36.

[11]程先富.江西省興國(guó)縣土壤全氮和有機(jī)質(zhì)的空間變異及其分布格局[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2004，10（1）：64-67.

[12]甘海華，彭凌云.江門(mén)市新會(huì)區(qū)耕地土壤養(yǎng)分空間變異特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，16（8）：1437-1442.

[13]于婧文，周懷平，解文艷，等.土壤養(yǎng)分變化及農(nóng)戶(hù)養(yǎng)分管理現(xiàn)狀研究[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（6）：33-36.

[14]金蕾，何騰兵.基于土壤肥力狀況的貴州省安順市西秀區(qū)耕地管理策略[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，17（2）：21-24.

[15]魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，2000.

[16]雷志棟.土壤水動(dòng)力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1988.

[17]山西省土壤普查辦公室.山西土壤[M].北京：科學(xué)出版社，1992：337.