盧召艷, 魏 曉, 李 紅, 龔長安

(湖南省經(jīng)濟(jì)地理研究所, 湖南 長沙 410004)

環(huán)洞庭湖區(qū)稻田土壤中硅分布特征及其影響因素

盧召艷, 魏 曉, 李 紅, 龔長安

(湖南省經(jīng)濟(jì)地理研究所,湖南長沙410004)

[目的] 研究環(huán)洞庭湖區(qū)稻田土壤中有效硅的空間分布特征及其變化規(guī)律，以期為環(huán)洞庭湖區(qū)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展、農(nóng)田的保養(yǎng)提供科學(xué)依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。 [方法] 運(yùn)用地統(tǒng)計學(xué)與GIS技術(shù)相結(jié)合的方法開展研究。 [結(jié)果] 環(huán)洞庭湖區(qū)土壤中有效硅的含量與水稻產(chǎn)量呈顯著的正相關(guān)，硅是水稻生長所需的重要營養(yǎng)元素。環(huán)洞庭稻田土壤有效硅平均含量為155.1 mg/kg，多集中于100～200 mg/kg。有效硅含量變幅大，最低與最高含量相差27倍，在研究區(qū)域空間上呈中間高四周低，西北最低的分布格局。土壤有效硅具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，其空間變異主要受土壤類型、土壤酸堿度、成土母質(zhì)等因素影響。 [結(jié)論] 硅在水稻生長發(fā)育中起著重要的作用。不同的土壤類型所處的自然地理環(huán)境不一樣，土壤有效硅含量各異，土壤有效硅的豐缺程度受土壤成土母質(zhì)的影響并與土壤pH值成顯著的正相關(guān)。

稻田; 土壤有效硅; GIS; 環(huán)洞庭湖區(qū); 地統(tǒng)計學(xué)方法

文獻(xiàn)參數(shù)： 盧召艷, 魏曉, 李紅, 等.環(huán)洞庭湖區(qū)稻田土壤中硅分布特征及其影響因素[J].水土保持通報，2017,37(4)：27-32.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.005； Lu Zhaoyan, Wei Xiao, Li Hong, et al. Distribution characteristics and influencing factors of silicon in paddy soil around Dongting Lake region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：27-32.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.005

硅是水稻和其他農(nóng)作物生長所需要的重要營養(yǎng)元素[1]。硅肥已被列為氮、磷、鉀后的第4大肥料品種。在土壤溶液中，硅主要以單硅酸即Si(OH)4的形態(tài)存在[2]。土壤的有效硅的含量通常被用來作為衡量硅容量的一種方法[3]。據(jù)臧惠林等研究，當(dāng)有效硅低于95 mg/kg時，屬于缺硅的土壤，施用硅肥可獲得5%以上的增產(chǎn)效果[4]。之前有許多學(xué)者對土壤中有效硅進(jìn)行過研究[5-9]，明確了我國土壤施用硅肥的前景，環(huán)洞庭湖區(qū)作為全國特大型商品糧基地，準(zhǔn)確有效的土壤中硅含量的空間分布及豐缺狀況評價，不但能使作物充分利用現(xiàn)有的資源，而且還能指導(dǎo)農(nóng)戶合理施肥，減少因土壤化肥使用過量而導(dǎo)致的環(huán)境問題。GIS是一種特定的地理空間信息系統(tǒng)，地統(tǒng)計學(xué)結(jié)合GIS技術(shù)已經(jīng)成為目前分析土壤空間分布特征及變異規(guī)律最為有效的方式之一[10]。綜合已有研究[11-16]，通過GIS技術(shù)對環(huán)洞庭湖區(qū)稻田土壤中硅的含量水平進(jìn)行全面調(diào)查，既能更科學(xué)地指導(dǎo)施肥，又可以監(jiān)測單硅酸濃度情況，控制重金屬污染，為相關(guān)部門合理調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和治理稻田土壤污染提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集與制備

按照中國地質(zhì)調(diào)查局《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(DD2005-01)》的要求，設(shè)計環(huán)洞庭湖區(qū)稻田土壤試驗(yàn)方案，2014年晚稻收獲后，選取環(huán)洞庭湖片區(qū)具有代表性的雙季稻田田塊挖掘土壤剖面，在每一耕地采樣單元的0—20 cm 土層中，長方形地塊采用“S”法，近似正方形地塊采用X形法布點(diǎn)。用差分GPS確定樣點(diǎn)空間地理位置及海拔高度，同時記錄周圍的景觀信息、耕作制度和生產(chǎn)能力等情況。共采集146個有效土壤樣品，包含環(huán)洞庭湖片區(qū)岳陽市、益陽市、常德市3個地級市及長沙市望城區(qū)，共26個區(qū)縣，總面積約4.10×104km2，約占湖南省國土總面積的19.2%。

1.2 土壤樣品的分析

土壤有效硅采用檸檬酸提取—硅鉬藍(lán)比色法(分光光度法)測定；土壤類型參照環(huán)洞庭湖片區(qū)1∶250萬土壤類型圖；土壤pH值采用土液比1∶2.5(電位法)測定；土壤成土母質(zhì)參照環(huán)洞庭湖片區(qū)1∶250萬土壤成土母質(zhì)圖。

1.3 數(shù)理統(tǒng)計分析方法

(1) 采用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)參數(shù)如最小值、最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)等描述環(huán)洞庭湖稻田土壤中有效硅的分布特征，其中變異系數(shù)采用Nielsen(1985)劃分標(biāo)準(zhǔn)；采用偏度、峰度和柯爾莫諾夫—斯米爾諾夫(Kolmogorov-Smirnov， K-S)檢驗(yàn)法檢驗(yàn)原始數(shù)據(jù)的正態(tài)分布性，對于不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，采用Box-Cox數(shù)據(jù)變換使其符合或近似符合正態(tài)分布[10]。

Y(s)=〔Z(s)λ〕/λ(λ≠0)

(1)

式中：Y(s)——與正態(tài)分布一致的或符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)集的變換；Z(s)——有效樣點(diǎn)數(shù)據(jù)集；λ——擬合參數(shù)。

(2) 半方差函數(shù)也稱為半變異函數(shù)，是克里格插值的基礎(chǔ)。半方差函數(shù)中有3個重要參數(shù)，即塊金值(C0)、基臺值(C0+C)和變程(Range)。根據(jù)塊金系數(shù)即塊基比〔C0/(C0+C)〕來衡量區(qū)域化變量的空間結(jié)構(gòu)性。

應(yīng)用目前發(fā)展較為成熟的球狀、指數(shù)和高斯3種模型，通過預(yù)測精度評價，獲取最優(yōu)的半方差函數(shù)理論模型及其參數(shù)[17]。半方差函數(shù)計算公式為:

(2)

式中：r(h)——半方差函數(shù)；h——樣本間距；N(h)——間距為h的區(qū)域化變量；Z(xi)，Z(xi+h)——隨機(jī)變量在空間位置xi和xi+h上的取值，可以假設(shè)空間變異函數(shù)為區(qū)域變化量且滿足平穩(wěn)條件和本征假設(shè)的基本前提。因此，隨著變異函數(shù)值的增加，其空間相關(guān)性則不斷減弱。

(3) 預(yù)測精度評價選用絕對評價指標(biāo)即平均預(yù)測偏差(ME) 反映預(yù)測值與平均值的偏差(公式3)；標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差(RMSE)(公式4)反映樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的估值和極值效應(yīng)[15]。

(3)

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有效硅的描述性統(tǒng)計分析

有效硅是硅酸鹽礦物在風(fēng)化成土作用下所產(chǎn)生的，能溶于水并為植物吸收利用的單硅酸及其鹽類。有效硅的含量決定土壤中硅的有效性，根據(jù)環(huán)洞庭湖片區(qū)146個土樣分析結(jié)果，土壤中有效硅(SiO2)平均含量為155.1 mg/kg，最低只有21.2 mg/kg，最高有573.6 mg/kg。就變異系數(shù)來看，屬中等變異強(qiáng)度。檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)分布是使用空間統(tǒng)計學(xué)Kriging方法進(jìn)行土壤特性空間分析的前提。單一樣本K-S檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，環(huán)洞庭湖稻田土壤有效硅數(shù)據(jù)存在正偏態(tài)效應(yīng)，當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)行箱式定向轉(zhuǎn)換Box-Cox(p=0.35)變換后，符合正態(tài)分布，即PK-S=0.210，大于0.05，基本統(tǒng)計學(xué)特征詳見表1。

表1 環(huán)洞庭湖區(qū)土壤有效硅含量數(shù)據(jù)基本統(tǒng)計學(xué)特征

2.2 土壤有效硅的空間變異特征

在ArcGIS 10.2地統(tǒng)計分析模塊中，分析確定研究區(qū)土壤有效硅的最優(yōu)半方差理論模型。模型選擇的標(biāo)準(zhǔn):平均預(yù)測偏差(ME)最接近0，標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差(RMSE)最接近于1[10]。通過多次參數(shù)設(shè)置比較，最終確定的半方差函數(shù)如表2所示。土壤有效硅的最優(yōu)半方差模型為指數(shù)模型，塊金系數(shù)為0.514 7。

表2 環(huán)洞庭湖稻田土壤有效硅半方差模型及其參數(shù)

注：ME是平均預(yù)測偏差； RMSE是標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差。

2.3 土壤有效硅的克里格空間插值

本文基于符合正態(tài)分布的有效硅含量數(shù)據(jù)，選用其最優(yōu)半方差函數(shù)理論模型及參數(shù)，結(jié)合普通Kriging插值方法，生成20 m×20 m的縣域土壤有效硅含量空間分布圖(圖1)。

圖1 環(huán)洞庭湖區(qū)土壤有效硅空間分布

由圖1可直觀看出，在約400 m的采樣尺度下，以10 mg/kg為間距劃分等級，環(huán)洞庭湖片區(qū)土壤有效硅含量分?jǐn)?shù)處于較豐富水平，變異系數(shù)為66.2%，但有效硅在整個洞庭湖區(qū)的空間分布不均衡，總體上呈湖區(qū)中間高、四周低、由中間向四周遞減的分布格局。有效硅含量低于95 mg/kg占31.5%，主要分布在臨湘市的中部、汨羅市的西北、平江縣的北部及西部、安化縣的北部及東部、石門縣的西北部、津市市的中部等；68.5%的稻田土壤有效硅處于中等水平，主要分布在岳陽市西北部、益陽市北部、常德市西南部等洞庭湖周邊市鎮(zhèn)。越靠近中心市區(qū)，有效硅含量相對越高，分析認(rèn)為城區(qū)農(nóng)戶注重肥料施用和田間耕作管理，對農(nóng)田在技術(shù)和資金上投入相對較多，反映出人為活動對研究區(qū)有效硅含量變化的重要影響。

3 影響土壤有效硅含量的因素

3.1 土壤類型

由于不同的土壤類型所處的自然地理環(huán)境、氣候特點(diǎn)、成土條件及農(nóng)業(yè)利用方式不同，土壤有效硅含量也有差異詳見表3。從環(huán)洞庭湖片區(qū)土壤有效硅的統(tǒng)計結(jié)果看，該區(qū)石灰土、潮土的土壤有效硅平均含量最高，分別為315.5和256.5 mg/kg，主要分布于內(nèi)環(huán)的濱湖平原；黃棕壤、紫色土、水稻土等土壤有效硅含量次之，分別為165.1，148.8和170.8 mg/kg，主要分布于環(huán)洞庭湖區(qū)外環(huán)丘崗地區(qū)；紅壤、黃壤有效硅含量平均值均低于缺硅臨界值，分別為90.4和43.3 mg/kg，主要分布于環(huán)洞庭湖區(qū)外圍東西兩側(cè)的邊緣山地。有效硅高低的重要原因是土壤全硅量的多寡和成土過程中淋溶淀積作用的影響。另外，山地草甸土有效硅含量也較高，如采自平江幕阜山花崗巖風(fēng)化物發(fā)育的山地草甸土樣本有機(jī)質(zhì)含量達(dá)11.37%，有效硅高達(dá)215 mg/kg。這是由于山地草甸土有機(jī)質(zhì)較多，有機(jī)質(zhì)本身含有一定量的硅可以溶解，同時有機(jī)質(zhì)分解時造成的還原條件和有機(jī)酸的絡(luò)合作用，破壞鐵—硅復(fù)合體，有助于硅的釋放。

表3 環(huán)洞庭湖區(qū)不同土壤類型有效硅含量

3.2 土壤酸堿度

相關(guān)研究[4]表明，土壤有效硅含量與土壤pH值呈極顯著正相關(guān)(y(有效硅含量)=71.63×(pH值)-286.54，γ=0.609 5**，n=297)。土壤中有效硅含量隨pH值升高而增加。從表4中可看出，土壤有效硅含量的高低與其pH值關(guān)系密切，146個樣本的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)pH值在4.3～8.0范圍內(nèi)，隨pH值的升高，有效硅的含量也隨之增加。pH值小于5.5的48個土樣中，其有效硅為21～177 mg/kg，平均為73.4 mg/kg，低于缺硅臨界值(95 mg/kg)的樣點(diǎn)占總樣點(diǎn)的71.2%，說明此土壤大部分缺硅；pH值為5.5～6.5的41個土樣中有效硅為43～478 mg/kg，平均為137.2 mg/kg，低于缺硅臨界值的樣點(diǎn)占總樣點(diǎn)的15.8%，只有少數(shù)樣點(diǎn)缺硅；pH值為6.5～7.5的41個土樣中有效硅為80～464 mg/kg，平均為203.1 mg/kg，低于缺硅臨界值的樣點(diǎn)占總樣點(diǎn)的7.9%，只有少數(shù)樣點(diǎn)缺硅；pH值大于7.5的16個土樣中有效硅為150～573 mg/kg，平均為324.5 mg/kg，調(diào)查樣點(diǎn)全部高于缺硅臨界值，土壤有效硅含量較豐富。綜上所述，土壤有效硅含量與pH值呈正相關(guān)，因此,酸性土壤有效硅低，偏堿性的土壤有效硅高。酸性土壤連續(xù)施用石灰，pH值提高，土壤硅的有效度也增加。

表4 環(huán)洞庭湖區(qū)不同土壤酸堿度有效硅含量

3.3 成土母質(zhì)

環(huán)洞庭湖區(qū)成土母質(zhì)母巖類型復(fù)雜，湖區(qū)主要為河湖沉積物，山丘區(qū)有砂巖、板頁巖、石灰?guī)r、花崗巖、紫色砂巖、第四紀(jì)紅土等。環(huán)洞庭湖區(qū)各主要成土母質(zhì)發(fā)育的稻田土壤有效硅含量詳見表5，從各類土壤有效硅的平均含量來看，以湖積物、石灰?guī)r、紫色砂頁巖發(fā)育的3種土壤有效硅含量最為豐富，有效硅大于150 mg/kg，其平均含量均高于缺硅臨界值；第四紀(jì)紅土發(fā)育的水稻土有效硅的平均含量接近此臨界值，而紅砂巖、板頁巖、花崗巖發(fā)育的土壤有效硅較低，其平均值均低于臨界值。7種成土母質(zhì)發(fā)育的水稻土其有效硅的平均含量順序?yàn)?石灰?guī)r風(fēng)化物>河湖沉積物>紫色砂頁巖風(fēng)化物>第四紀(jì)紅色黏土>砂、礫巖風(fēng)化物>板頁巖風(fēng)化物>花崗巖風(fēng)化物。研究結(jié)果還表明，土壤有效硅的含量極明顯地受到風(fēng)化成土過程的影響。發(fā)育在風(fēng)化淋溶程度較弱的石灰?guī)r、石灰性紫色砂頁巖及河湖沉積物上的土壤，pH值呈堿性，脫硅作用較弱，土壤有效硅含量均較高。而風(fēng)化淋溶程度較強(qiáng)的土壤則有效硅相對較低，例如同為石灰?guī)r母質(zhì)發(fā)育的水稻土，某些淋溶程度相對較強(qiáng)、呈微酸性的土壤，其有效硅可低至45～75 mg/kg?；◢弾r風(fēng)化物、第四紀(jì)紅色黏土、砂頁巖風(fēng)化物發(fā)育的土壤，脫硅富鋁化作用強(qiáng)烈，土壤呈強(qiáng)酸性，有效硅含量均較低。對于發(fā)育在紫色砂頁巖的水稻土，則因母巖的酸堿性而異。發(fā)育在酸性紫色砂頁巖上的水稻土，其有效硅變化在45～85 mg/kg，而發(fā)育在堿性紫色砂頁巖的水稻土有效硅則高達(dá)170～301 mg/kg。

表5 環(huán)洞庭湖區(qū)不同成土母質(zhì)土壤有效硅含量

4 環(huán)洞庭湖區(qū)土壤有效硅與水稻產(chǎn)量的關(guān)系

環(huán)洞庭湖區(qū)作為湖南省特大型商品糧基地。運(yùn)用GIS技術(shù)，得出準(zhǔn)確有效的土壤中硅含量的空間分布特征及豐缺狀況，揭示土壤有效硅與水稻產(chǎn)量的關(guān)系，不但能使作物充分利用現(xiàn)有的資源，而且還能指導(dǎo)農(nóng)戶合理施肥，減少因土壤化肥使用過量而導(dǎo)致的環(huán)境問題。

表6 環(huán)洞庭湖區(qū)水稻產(chǎn)量與有效硅的關(guān)系

由環(huán)洞庭湖區(qū)稻谷產(chǎn)量分布圖(圖2)可以看出，稻谷產(chǎn)量最多的地區(qū)是益陽市赫山區(qū)、資陽區(qū)；常德市漢壽縣、安鄉(xiāng)縣；岳陽市湘陰縣；長沙市望城區(qū)，這些區(qū)域土壤有效硅含量豐富。而常德市石門縣、津市市以及益陽的安化縣，岳陽的臨湘市等有效硅含量低的地區(qū)稻谷產(chǎn)量也低。環(huán)洞庭湖稻田土壤有效硅與水稻產(chǎn)量存在極顯著的正相關(guān)性，顯著性檢驗(yàn)p=0.037(p<0.05)(表7)。揭示環(huán)洞庭湖稻田土壤的有效硅水平、分布特征及影響稻田土壤硅的有效性發(fā)揮的關(guān)鍵因素對硅肥科學(xué)施用，提高農(nóng)作物產(chǎn)量具有重大意義。

圖2 環(huán)洞庭湖區(qū)稻谷產(chǎn)量分布

指標(biāo)水稻產(chǎn)量有效硅Pearson相關(guān)性10.419顯著性(雙尾)—0.037樣本數(shù)N2525

注：*表示在置信度(雙測)為0.05時，相關(guān)性顯著。

5 結(jié) 論

(1) 由于不同土壤類型所處的自然地理環(huán)境不一樣，土壤有效硅含量各異。石灰土、灰潮土有效硅平均含量最高，紫色土、水稻土、潮土、黃棕壤等土壤有效硅平均含量次之，紅壤、黃壤有效硅平均含量低于缺硅臨界值95 mg/kg。

(2) 土壤有效硅的豐缺程度受土壤成土母質(zhì)影響，從各類土壤有效硅的平均含量來看，以河湖沉積物、石灰?guī)r、紫色砂頁巖發(fā)育的3種土壤有效硅含量最為豐富，有效硅大于150 mg/kg，其平均含量均高于缺硅臨界值95 mg/kg；第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的水稻土有效硅的平均含量接近此臨界值，而砂、礫巖風(fēng)化物、板頁巖風(fēng)化物、花崗巖風(fēng)化物發(fā)育的土壤有效硅較低，其平均值均低于臨界值。

(3) 土壤有效硅含量與土壤pH值成極顯著正相關(guān)(r=0.609 5**)，當(dāng)土壤pH值<5.5,5.5～6.5,6.5～7.5,>7.5時，土壤有效硅平均含量分別為73.4，137.2，203.1，324.5 mg/kg。

(4) 土壤中有效硅的含量與水稻產(chǎn)量具有顯著的正相關(guān)，硅是水稻生長所需的重要營養(yǎng)元素。

(5) 近年來，環(huán)洞庭湖片區(qū)普遍存在農(nóng)戶硅肥表施、施肥盲目等問題。環(huán)洞庭湖區(qū)應(yīng)根據(jù)有效硅的豐缺程度，積極制定作物補(bǔ)硅措施，引導(dǎo)農(nóng)戶樹立科學(xué)的施肥觀念。防止土壤有效硅的進(jìn)一步流失，提升環(huán)洞庭湖區(qū)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。本研究尚未提出影響硅素含量下降的具體障礙因素及應(yīng)對策略，是下一步亟需實(shí)地考察、補(bǔ)充和探討的方向。

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Distribution Characteristics and Influencing Factors of Silicon in Paddy Soil Around Dongting Lake Region

LU Zhaoyan, WEI Xiao, LI Hong, GONG Chang’an

(Hu’nan Institute of Economic Geography, Changsha, Hu’nan 410004, China)

[Objective] The aim of this study was to explore the spatial distribution characteristics and the regularity of available silicon in the soil of Dongting Lake, and to provide scientific basis and practical guidance for the development of precision agriculture in the Dongting Lake area and the maintenance of farmland. [Methods] The geo-statistics and GIS technology were both used. [Results] There was a significantly positive correlation between the content of available silicon in the Dongting Lake area and the yield of rice. Silicon is an important nutrient element for rice growth. The average available silicon content in the paddy field around Dongting Lake was 155.1 mg/kg. Though in most cases, it varied from 100 to 200 mg/kg, the margin difference was so great as to the highest content was 27 times of the lowest. Spatially, the content of the part was found higher than the values of periphery, and in the northwest part it had the lowest silicon. Soil available silicon has a strong spatial correlation, and its spatial variation is mainly affected by soil type, soil pH value, soil parent material and other factors. [Conclusion] Silicon plays an important role in rice growth and development. Because soil types in natural geographical environment is not the same, so soil available silicon content normally varies. The abundance of soil available silicon is affected mainly by soil parent material and has significant positive correlation with soil pH value.

paddysoil;soilavailableSi;GIS;aroundDongtingLake;geostatisticalmethods

A

： 1000-288X(2017)04-0027-06

： S151.9

2016-11-21

：2016-12-21

湖南省科技重點(diǎn)項目“基于GIS環(huán)洞庭湖區(qū)稻田土壤中硅的動態(tài)變化及分布特征研究”(2014WK2031)

盧召艷(1988—),女(漢族),山東省臨沂市人,碩士研究生,研究方向?yàn)橥恋刭Y源與空間信息技術(shù)。E-mail:553078611@qq.com。

魏曉(1961—),女(漢族),湖南省長沙市人,研究員,碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榻?jīng)濟(jì)地理和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)方面的研究。E-mail:xwei_193@163.com。