劉敏英,呂小娜,朱志國(guó)
(1.四川省眉山市東坡區(qū)土壤肥料與生態(tài)建設(shè)管理站,四川 眉山 620010;2.山西省運(yùn)城學(xué)院生命科學(xué)系,山西 運(yùn)城 044500)
眉山市東坡區(qū)土壤有效磷空間變異特征及其影響因素分析
劉敏英1,呂小娜2,朱志國(guó)1
(1.四川省眉山市東坡區(qū)土壤肥料與生態(tài)建設(shè)管理站,四川 眉山 620010;2.山西省運(yùn)城學(xué)院生命科學(xué)系,山西 運(yùn)城 044500)
采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS相結(jié)合的方法,對(duì)眉山市東坡區(qū)耕層(0-20cm)土壤有效磷含量空間變異特征及其影響因素進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:(1)土壤有效磷含量平均值為13.92 mg/kg,變異系數(shù)為87.43%,屬中等變異程度。(2)土壤有效磷含量成片狀分布,從東北到西南方向,土壤有效磷含量呈升高趨勢(shì)。土壤有效磷含量缺乏的區(qū)域面積占總面積的23.50%,土壤有效磷含量中等的區(qū)域面積占總面積的62.02%,土壤有效磷含量豐富及很豐富的區(qū)域面積占總面積的14.47%,東坡區(qū)土壤供磷能力處于中等偏下水平。(3)耕層土壤有效磷含量的半方差最佳理論模型為指數(shù)模型。在區(qū)域尺度下,土壤有效磷含量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性(C0/( C0+C)值為50.0%),受到結(jié)構(gòu)性因子和隨機(jī)性因子的共同影響,系自然和人為利用因素共同作用的結(jié)果。
耕層土壤;空間變異;影響因子
對(duì)土壤養(yǎng)分空間變異的充分了解是土壤養(yǎng)分管理和合理施肥的基礎(chǔ)。磷作為植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素,也是土壤養(yǎng)分的重要組成部分。但耕地施入過(guò)量磷肥,不但造成磷肥資源浪費(fèi),而且會(huì)造成水體污染進(jìn)而為害人體健康[ 1-6]。有效磷作為土壤磷貯庫(kù)中對(duì)作物最為有效的部分,能直接供作物吸收利用,因而是評(píng)價(jià)土壤供磷能力的重要指標(biāo)[7]。由于自然和人為因素的影響,農(nóng)田土壤有效磷含量常具有空間變化特點(diǎn),若缺乏對(duì)其背景值及空間變異情況的了解,不能根據(jù)其變化來(lái)確定施肥量和施肥方式,有可能導(dǎo)致農(nóng)田磷素虧缺或盈余。土壤磷素虧缺影響作物生長(zhǎng),而農(nóng)田土壤磷素長(zhǎng)期處于盈余狀態(tài),則會(huì)加大土壤磷素向水體流失的風(fēng)險(xiǎn),并產(chǎn)生潛在的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。因此,推行合理施肥和有效控制農(nóng)業(yè)面源磷污染,已成為人們?cè)絹?lái)越關(guān)心的問(wèn)題[8]。
對(duì)農(nóng)田土壤有效磷的空間變異特點(diǎn)及其影響因素的研究,可以為這一問(wèn)題的解決提供重要的科學(xué)依據(jù)。早期對(duì)土壤養(yǎng)分空間變異性的研究不很成熟,如對(duì)K、P的研究側(cè)重于其塊金系數(shù)和空間自相關(guān)尺度的測(cè)定,而很少將其與精確農(nóng)業(yè)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行土壤田間養(yǎng)分的精確管理,探究其含量變化與作物產(chǎn)量間的空間相關(guān)關(guān)系。近年來(lái),學(xué)者們?cè)谶@方面做了大量的工作,其中Simmelsgaard等研究了植被和土壤參數(shù)下的N、P、K的精確施肥,來(lái)判斷施肥后一定精度下作物產(chǎn)量的反饋和變化。Ferguson等根據(jù)土壤間隔采樣、土壤地形、玉米產(chǎn)量圖和遙感技術(shù)4種方法結(jié)合而產(chǎn)生N素含量圖來(lái)對(duì)玉米地進(jìn)行特定N素管理。Shiel等通過(guò)密集土壤采樣生成的土壤P、K含量圖,利用作物產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)指數(shù)的光滑等值圖,分析了P肥和K肥的含量與作物產(chǎn)量間的關(guān)系,并將其應(yīng)用于施肥推薦中。國(guó)內(nèi)楊俐蘋(píng)等應(yīng)用地理信息系統(tǒng)結(jié)合土壤狀況探討了一定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下棉田土壤養(yǎng)分空間變異及其在推薦施肥中的應(yīng)用。上世紀(jì)80 年代中期以來(lái),我國(guó)一些學(xué)者將地統(tǒng)計(jì)學(xué)和地理信息系統(tǒng)結(jié)合起來(lái),在土壤屬性的空間變異性方面做出了有益的探索,但在土壤養(yǎng)分的空間變異研究方面尚處于起步階段,尤其對(duì)于農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分空間變異的研究鮮有報(bào)道。近年來(lái),隨著地理信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和土壤科學(xué)的發(fā)展,利用地統(tǒng)計(jì)學(xué),并結(jié)合GIS 技術(shù)來(lái)研究土壤性質(zhì)的空間變異成為土壤學(xué)研究的熱點(diǎn),也取得了很好的成果[9-11]。
本文運(yùn)用GIS 與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法,在高采樣密度下,探討眉山市東坡區(qū)耕層土壤有效磷空間變異特征,結(jié)合眉山市東坡區(qū)的具體情況,對(duì)土壤有效磷含量的影響因子作出分析,以期為提高區(qū)域農(nóng)田土壤質(zhì)量和農(nóng)作物的施肥提供一定的理論依據(jù)。
1.1 研究區(qū)概況
眉山市東坡區(qū)(103°30′-103°59′E,29°51′-30°16′N)位于四川成都平原西南邊緣,面積1331km2。該區(qū)地處岷江中上游,地形地貌以平壩、淺丘臺(tái)地為主,主要成土母質(zhì)為洪積物、坡積物和黃土母質(zhì),土壤以沖積土、紫色土、黃壤和水稻土為主,主產(chǎn)水稻、油菜、小麥和蔬菜,多為一年兩熟。該區(qū)具有亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候的特點(diǎn),年均氣溫17.2℃,年均日照1193 h,年均無(wú)霜期315d,年平均降雨量1057.5mm,降水一般集中在7~8月。
1.2 土樣采集
根據(jù)四川省《測(cè)土配方施肥技術(shù)規(guī)程》(DB51/T-2006))的規(guī)定確定采樣單元,在保證土壤樣品代表性的前提下,平均每35 hm2布設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn),在人為活動(dòng)強(qiáng)烈的平原地區(qū)加密布點(diǎn)。每個(gè)土樣以取土點(diǎn)為中心,在10 m半徑內(nèi)取5~10個(gè)耕層(0~20cm)土樣混合而成,同時(shí)用GPS (Garmin 72)記錄中心點(diǎn)的位置,全區(qū)域共采集土樣3859個(gè)(圖1),采樣時(shí)間為2007年,由4個(gè)小組在全區(qū)23個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))同時(shí)進(jìn)行。
圖1 土樣采集點(diǎn)分布圖 圖2 東坡區(qū)行政區(qū)劃圖
1.3 樣品處理
將采集的樣本進(jìn)行風(fēng)干處理后,研磨并全部通過(guò)2mm篩,備用。土樣中有效磷用0.5mol/L碳酸氫鈉浸提,采用鉬銻抗比色法測(cè)定[12]。
1.4 數(shù)據(jù)處理
1.4.1 地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 利用半方差函數(shù)的相關(guān)參數(shù)對(duì)土壤有效磷進(jìn)行空間分析[13]。其中,半方差函數(shù)的塊金值、基臺(tái)值和變程等參數(shù)可以表示區(qū)域化變量在一定范圍內(nèi)和尺度下的空間變異和相關(guān)程度,它既是研究土壤理化特性空間變異性的關(guān)鍵,同時(shí)也是進(jìn)行Kriging插值的基礎(chǔ)。半方差函數(shù)計(jì)算公式如下:
式中r(h)為間隔距離h的半方差,也是以h為間距所有觀測(cè)點(diǎn)的成對(duì)數(shù)目,N(h)是間距為h的計(jì)算對(duì)數(shù),z(xi)和z(xi+h)分別是區(qū)域化變量z(x)
和z(x+h)在空間位置xi和xi+h處的實(shí)測(cè)值。由此可以得到實(shí)驗(yàn)半方差函數(shù)散點(diǎn)圖,對(duì)實(shí)驗(yàn)半方差函數(shù)散點(diǎn)圖進(jìn)行擬合,得到半方差函數(shù)的最佳理論模型。
1.4.2 軟件平臺(tái)SPSS13.0——描述性統(tǒng)計(jì)分析、方差分析;GS+5.3——半方差函數(shù)分析;ArcGIS9.3——數(shù)字化地圖、普通克里格插值 。
2.1 耕層土壤有效磷統(tǒng)計(jì)特征分析
為了解土壤實(shí)測(cè)樣本的描述統(tǒng)計(jì)特征,計(jì)算了總體樣本的基本統(tǒng)計(jì)參數(shù)。由表 1 可知,土壤有效磷的變異系數(shù)為87.43%,屬于中等變異強(qiáng)度。 土壤實(shí)測(cè)樣本中最小值、最大值分別為0.10和80.60mg/kg,極差較大,表明該區(qū)域在施肥方面沒(méi)有根據(jù)土壤的肥力均衡施肥,而且可能存在盲目平均施肥,導(dǎo)致耕層土壤有效磷含量偏低或者過(guò)剩。
表1 東坡區(qū)土壤有效磷描述性統(tǒng)計(jì)
2.2 耕層土壤有效磷含量的空間結(jié)構(gòu)分析
土壤特性空間結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵是擬合出精度較高的半方差函數(shù)模型,在選擇模型時(shí),要根據(jù)模型的參數(shù)值,從中選出最優(yōu)模型(如表2)[14]。表2中的C0為塊金值,表示由隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性,C+C0為基臺(tái)值,表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異。在土壤有效磷進(jìn)行擬合時(shí),得到有效磷的塊金值與基臺(tái)值,保證其變量在采樣條件下的空間相關(guān)性。塊金值與基臺(tái)值之比可以揭示空間變量的相關(guān)程度,若比值<25%,表明變量空間相關(guān)性強(qiáng)烈,且主要受結(jié)構(gòu)性因子影響;若比值>75%,表明變量的空間相關(guān)性很弱,且主要受隨機(jī)性因子影響[14]。
如表2所示,得到3個(gè)模型的空間模擬相關(guān)參數(shù),可以看出有效磷在步長(zhǎng)為2778m范圍內(nèi),土壤有效磷的分布受到了結(jié)構(gòu)性因子和隨機(jī)性因子的共同影響。當(dāng)變程在930m時(shí),塊金值與基臺(tái)值之比為50%,則表明土壤有效磷的分布受到結(jié)構(gòu)性因子和隨機(jī)性因子的影響是均衡的;而當(dāng)變程在260m和2250m時(shí),塊金值與基臺(tái)值之比分別為93.9%和80.0%,說(shuō)明隨機(jī)性因子對(duì)土壤有效磷分布的影響比結(jié)構(gòu)性因子對(duì)其的影響大。在對(duì)比決定系數(shù)(R2)和殘差(RSS)中,決定系數(shù)趨近于1,并且在決定系數(shù)一定的情況下,殘差越小越好,由此,從表2中可以看出,指數(shù)模型是最優(yōu)的理論模型。因此,在指數(shù)模型中,土壤有效磷含量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性。
表2 土壤有效磷半方差函數(shù)理論模型及有關(guān)參數(shù)
2.3 耕層土壤有效磷的空間變異特征
土壤有效磷含量符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布,指數(shù)模型中進(jìn)行交互檢驗(yàn)結(jié)果表明,土壤有效磷含量半方差函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差為1.0487,說(shuō)明選用的模型預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性較高,這與空間相關(guān)性的強(qiáng)弱相吻合。根據(jù)全國(guó)第2次土壤詳查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),將土壤有效磷含量分為6個(gè)等級(jí)(表3)。
表3 有效磷含量分類等級(jí)
為了更加直觀地反應(yīng)土壤有效磷的空間變異特征,根據(jù)所得到的半方差函數(shù)模型,利用Kriging最優(yōu)內(nèi)插法,繪制了養(yǎng)分空間插值圖。從空間插值圖看出,土壤有效磷含量分布上具有斑塊狀的分布格局,從東北地區(qū)到西南地區(qū),總體上趨勢(shì)是持續(xù)升高,其中東北部地區(qū)有2個(gè)斑塊有效磷含量較低,岷江河邊土壤有效磷含量較高,有效磷含量最高的部分是南部的松江鎮(zhèn)、中部的崇禮鎮(zhèn)、北部的太和鎮(zhèn)、西南部的修文鎮(zhèn)和三蘇鄉(xiāng)、西部的廣濟(jì)鄉(xiāng)。另外,按照表3的劃分標(biāo)準(zhǔn),眉山市東坡區(qū)土壤有效磷含量共有極缺、很缺、缺乏、中等、豐富、很豐富6個(gè)等級(jí),且從圖3中可以看出,東北部土壤有效磷含量主要是缺乏、很缺、極缺等3個(gè)等級(jí),占總面積的23.50%;中北部、中部和東部土壤有效磷含量中等,占總面積的62.02%,西部個(gè)別鄉(xiāng)鎮(zhèn)和岷江河邊土壤有效磷含量豐富,占總面積的14.47%。因此,眉山市東坡區(qū)耕層土壤供磷水平中等偏下,還需要繼續(xù)推廣測(cè)土配方施肥,引導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)施肥、均衡施肥。同時(shí),土壤普查資料顯示,土壤有效磷含量的主要變化方向也是區(qū)域內(nèi)土壤類型、地形地貌及成土母質(zhì)變化較為集中的幾個(gè)方向。
圖3 土壤有效磷含量空間分布圖
2.4 耕層土壤有效磷空間變異的影響因素分析
土壤有效磷空間結(jié)構(gòu)分析顯示,土壤有效磷的空間變異受到結(jié)構(gòu)性因子和隨機(jī)性因子的共同影響。調(diào)查資料顯示,區(qū)內(nèi)的成土母質(zhì)、地貌類型、有機(jī)肥施用量、種植制度及耕作方式都存在明顯差異。因此,本研究選擇成土母質(zhì)、地貌類型作為結(jié)構(gòu)性因子,選擇有機(jī)肥施用量、種植制度多個(gè)指標(biāo)作為隨機(jī)性因子,探討其對(duì)土壤耕層有效磷含量空間變異的影響。
2.4.1 成土母質(zhì)的影響 巖石礦物經(jīng)過(guò)風(fēng)化作用產(chǎn)生的土壤母質(zhì)是土壤形成的物質(zhì)基礎(chǔ),也是土壤肥力的最根本來(lái)源,其對(duì)于土壤肥力的形成具有舉足輕重的作用[15]。成土母質(zhì)既是土壤的骨架,又是植物礦質(zhì)養(yǎng)料元素的最初來(lái)源,因此直接影響著土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)組成和土壤成土過(guò)程的性質(zhì),影響著土壤中有效磷的積累和淋失。對(duì)研究區(qū)域中主要的6種成土母質(zhì)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析(表4),結(jié)果顯示:不同成土母質(zhì)土壤中有效磷的含量存在明顯差異;土壤有效磷的均值比較是:由沖積物所形成的母質(zhì)>由沉積物形成的母質(zhì)>由殘積物形成的母質(zhì)>由坡積物形成的母質(zhì)>由洪積物形成的母質(zhì)>由黃土母質(zhì)形成的母質(zhì)。圖3顯示,松江鎮(zhèn)、崇禮鎮(zhèn)、太和鎮(zhèn)土壤有效磷含量最高,其土壤是沖積物所形成的,根據(jù)全國(guó)第2次土壤普查的資料,沖積物為近代河流沖積與洪積層,具有二元結(jié)構(gòu),下部為河床相礫石層,物質(zhì)來(lái)源于石灰?guī)r和紫色鈣質(zhì)砂泥巖,質(zhì)地輕,肥沃,土壤中有效磷含量較高,供磷能力強(qiáng)。尚義鎮(zhèn)、悅興鎮(zhèn)和土地鄉(xiāng)部分地區(qū)土壤有效磷含量最低,其土壤是黃土母質(zhì)所形成的,由于黃土母質(zhì)易侵蝕,黃土地區(qū)容易發(fā)生水土流失,所以土壤中有效磷流失較為嚴(yán)重,含量低。上述分析可以表明,成土母質(zhì)是土壤有效磷空間變異的重要因素。
表4 不同母質(zhì)對(duì)土壤有效磷含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析
2.4.2 地貌類型的影響 不同的地形條件影響著水分在自然界的重新分配及人類活動(dòng)的頻度,導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量因地形條件變化而產(chǎn)生差異[16]。同時(shí),在成土過(guò)程中,地形是影響土壤和環(huán)境之間進(jìn)行物質(zhì)、能量交換的1個(gè)重要條件,它與母質(zhì)、生物、氣候等因素的作用不同,不提供任何新的物質(zhì),但影響著土壤的形成、發(fā)育和分化。統(tǒng)計(jì)分析表明(表5),丘陵地區(qū)土壤耕層有效磷含量均值高于平原地區(qū)土壤有效磷含量,可能是由于平原地區(qū)1年內(nèi)要種植兩季以上的農(nóng)作物,磷肥消耗較大,而丘陵地區(qū)較少開(kāi)墾種植。因此原因,在東坡區(qū)的區(qū)域內(nèi),丘陵地區(qū)的供磷能力大于平原地區(qū)的供磷能力。
表5 不同地形地貌對(duì)土壤有效磷含量的統(tǒng)計(jì)分析(mg/kg)
2.4.3 施肥管理 目前,中國(guó)廣大農(nóng)村的畜禽養(yǎng)殖戶,普遍以露天堆肥后作為有機(jī)肥使用的方式來(lái)處理畜禽糞便[17]。根據(jù)調(diào)查資料顯示,東坡區(qū)的主要農(nóng)作物是水稻、玉米、油菜,其施用肥料大多以有機(jī)肥為主,配合施用復(fù)合肥。在進(jìn)行空間插值圖上,選取土壤有效磷含量差異較大的區(qū)域進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn):尚義鎮(zhèn)的黃廟村、人民村、順河村等地區(qū),土壤有效磷的含量均在10mg/kg以下;而在太和鎮(zhèn)新江村、仙橋村等地區(qū)土壤有效磷的含量在20mg/kg以上。據(jù)調(diào)查,產(chǎn)生這種差異的原因可能是施肥方式不同,尚義鎮(zhèn)的幾個(gè)村采取的是單一施用有機(jī)肥或者磷肥,且施肥量較?。欢玩?zhèn)的幾個(gè)村除了施用有機(jī)肥外,還常年進(jìn)行秸稈還田,有效磷容易積累。因此,不同地區(qū)之間施肥管理上的不同,也會(huì)對(duì)土壤有效磷含量空間變異產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
2.4.4 種植制度 種植制度也是影響土壤有效磷含量空間變異的主要因素之一[18]。在各項(xiàng)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施完善,灌溉條件、交通便利等相同的條件下,常年生與一年三熟的種植制度的耕層土壤有效磷的含量最高(如表6所示),這主要得益于土壤的施肥次數(shù),且玉米的根系相對(duì)其它作物而言比較龐大,還田后有機(jī)質(zhì)增加,磷也會(huì)相應(yīng)增加。在一年兩熟或者一年一熟的種植制度下,耕層土壤有效磷含量值相對(duì)較低,其主要作物為水稻。雖然磷素是水稻生長(zhǎng)中必不可少的元素,但由于稻田長(zhǎng)期被水淹浸,會(huì)造成了水稻田土壤中有效磷的流失或者被轉(zhuǎn)化利用[19];同時(shí),由于磷肥在土壤中有較大的累積效應(yīng),殘留的磷肥終將被水稻、油菜等農(nóng)作物利用,最終導(dǎo)致土壤的供磷水平處于中等水平。只有在連續(xù)足量施磷條件下,土壤有效磷含量才會(huì)基本保持穩(wěn)定或不斷提高。
表6 不同種植制度對(duì)土壤有效磷含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析
(1) 眉山市東坡區(qū)土壤有效磷含量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性,屬于中等變異強(qiáng)度,受到結(jié)構(gòu)性因子和隨機(jī)性因子的共同影響。由養(yǎng)分空間插值圖可知,土壤有效磷含量具有條帶狀的分布格局,從東北地區(qū)到西南地區(qū),總體上趨勢(shì)是持續(xù)升高。
(2)成土母質(zhì)、地貌類型、施肥管理和種植制度均會(huì)對(duì)土壤有效磷含量產(chǎn)生影響,土壤有效磷含量空間相關(guān)性受以上因素的共同影響。
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