張 晗, 趙小敏, 朱美青, 歐陽真程, 郭 熙,, 匡麗花,葉英聰, 黃 聰, 汪曉燕, 李偉峰

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心, 南昌 330045;2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源與環(huán)境學(xué)院, 南昌 330045; 3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院, 南京 210095)

土壤是人類賴以生存的最基本的生產(chǎn)資料。土壤養(yǎng)分是土壤的重要屬性之一，也是衡量土壤綜合生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，影響土壤的因素主要有氣候、母質(zhì)、土壤理化性質(zhì)、土壤類型、地形地貌、土地利用類型、農(nóng)田水肥管理和土壤侵蝕等影響因素[1-4]，因而土壤養(yǎng)分是具有高度變異性的時(shí)空連續(xù)體[5]。近些年來，土壤養(yǎng)分流失、土壤環(huán)境惡化、土壤碳庫變化和土壤酸化等問題日趨嚴(yán)重，土壤養(yǎng)分空間變異性特征研究已成為國內(nèi)外土壤科學(xué)研究的熱點(diǎn)[6-7]。目前，針對(duì)土壤屬性空間變異特征分析主要采取經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法、GIS與地統(tǒng)計(jì)分析、分形維數(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(RBFNN，GRNN)等研究方法[8-10]。國內(nèi)外學(xué)者在耕地土壤養(yǎng)分空間變異的不同尺度研究上取得了一定的進(jìn)展，但主要集中在市級(jí)、縣級(jí)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)、村級(jí)、田塊以及流域等中、小及微尺度[11-16]，因土壤取樣方法和精度限制，在省級(jí)尺度的耕地土壤養(yǎng)分的空間變化特征的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。江西省是國家農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)作物以水稻等糧食作物為主，是全國重要的商品糧基地之一，但是近些年來，隨著施肥方式的不合理，大量施用氮磷鉀肥等化肥，導(dǎo)致江西省耕地化肥利用率不高，土壤板結(jié)、酸化嚴(yán)重和面源污染等問題日益突出?；诖?，本文嘗試將GIS與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，采取空間自相關(guān)和克里金插值等手段，以不同時(shí)空尺度下近30 a江西省耕地土壤全氮(TP)、全磷(TP)、全鉀(TK)、有機(jī)質(zhì)(SOM)和酸堿度(pH值)屬性變化為切入點(diǎn)，分析江西省耕地土壤養(yǎng)分的時(shí)空演變特征，以期為江西省土壤養(yǎng)分分區(qū)管理、精準(zhǔn)高效施肥、土壤養(yǎng)分可持續(xù)利用和提升耕地質(zhì)量等別提供基礎(chǔ)理論和科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

江西省簡稱“贛”，位于中國東南部，屬南方丘陵區(qū)，處于長江中下游交接處的南岸，地處北緯24°29′14″—30°04′41″，東經(jīng)113°34′36″—118°28′58″。2012年全省面積1.67×105km2，耕地4.1萬km2，總?cè)丝? 500余萬人，下轄11個(gè)設(shè)區(qū)市、100個(gè)縣(市、區(qū))。全省平均氣溫為16.4～19.4℃，降水量為1 751 mm，日照為1 679 h。全年氣候溫暖，光照充足，雨量充沛，無霜期長，是典型的亞熱帶濕潤氣候。江西省地形以丘陵山地為主，盆地、谷地廣布，省境東、西、南三面群山環(huán)繞，中部丘陵與平原交錯(cuò)分布，地勢(shì)呈現(xiàn)出由外及里，自南而北，漸次向鄱陽湖傾斜的趨勢(shì)。全境有大小河流2 400余條，河流總長18 400 km，主要河流有5條，即贛江、撫河、信江、修河、饒河，鄱陽湖是全國最大的淡水湖。紅壤和水稻土為江西省主要的土壤類型。糧食作物以水稻為主，小麥、玉米次之，還盛產(chǎn)油菜、花生、油茶、茶葉、黃麻、苧麻和柑橘等經(jīng)濟(jì)作物。

1.2　數(shù)據(jù)來源

本文兩個(gè)時(shí)期數(shù)據(jù)分別來源于數(shù)字化后1985年的江西省第二次土壤普查土壤數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)圖件和2012年農(nóng)業(yè)部開展的江西省測(cè)土配方施肥大量土壤樣品數(shù)據(jù)?？臻g分辨率為30 m的江西省DEM(數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云提供的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，經(jīng)ArcGIS軟件處理提取出研究區(qū)的坡度、坡向、地形和高程等數(shù)據(jù)。土壤圖來源于全省1∶50萬土壤數(shù)據(jù)庫，土地利用現(xiàn)狀圖來源于江西省第二次土地資源調(diào)查數(shù)據(jù)，分別將江西省第二次普查的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)與1∶75萬土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，獲得1985年江西省耕地全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)和酸堿度養(yǎng)分等級(jí)圖(附圖1)。2012年測(cè)土配方施肥樣點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過ArcGIS 10.3進(jìn)行空間自相關(guān)分析，然后對(duì)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)采用地統(tǒng)計(jì)模塊的普通克里金插值法(ordinary Kriging)，利用GS+9.0進(jìn)行半方差函數(shù)模型擬合，對(duì)變異函數(shù)模型實(shí)施交叉驗(yàn)證(Cross-Validation)，利用自然斷點(diǎn)法對(duì)養(yǎng)分柵格重分類(Reclassify)，最后與2012年江西省土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行疊加分析，得到2012年江西省耕地土壤養(yǎng)分等級(jí)圖(附圖2)。

1.3　樣品采集與分析

結(jié)合研究區(qū)各地區(qū)的土地利用現(xiàn)狀圖、地形圖等，綜合考慮研究區(qū)各地區(qū)土壤的成土母質(zhì)，地形地貌、土壤質(zhì)地、土壤類型等自然條件，在耕地中應(yīng)用“S”形采樣法均勻隨機(jī)采取8個(gè)點(diǎn)，共采集2012年0—25 cm耕層土壤采樣點(diǎn)16 283個(gè)，土壤樣品采集后經(jīng)自然風(fēng)干、剔除異物，研磨和過篩(0.074 mm)等前期處理，制成待測(cè)土樣，將采集的樣點(diǎn)土壤充分混勻后，用四分法留取1 kg土樣裝袋以備分析，每個(gè)采樣點(diǎn)均以GPS記錄其經(jīng)緯度坐標(biāo)和海拔高度，將GPS測(cè)得的帶有坐標(biāo)記錄的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有空間坐標(biāo)的點(diǎn)。半微量凱氏定氮法用于測(cè)定土壤TN含量；NaOH熔融—鉬銻抗比色法用于測(cè)定土壤TP含量；NaOH熔融—火焰光度計(jì)法用于測(cè)定土壤TK含量；重鉻酸鉀容量法氧化外加熱法用于測(cè)定土壤SOM含量；采用玻璃電極法(水土比為2.5∶1)測(cè)定土壤pH值含量。

1.4　研究方法

采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)1985年和2012年的耕地土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用ArcGIS 10.3軟件對(duì)1985年土壤養(yǎng)分分布進(jìn)行數(shù)字化(附圖1)，采用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GS+9.0軟件分別對(duì)兩個(gè)時(shí)期土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行普通克里格插值和半方差分析以及全局空間自相關(guān)分析，最后按等級(jí)形成兩個(gè)時(shí)期的耕地土壤養(yǎng)分等級(jí)專題分布圖(附圖1—2)。

1.4.1空間自相關(guān)分析空間自相關(guān)是指同一個(gè)變量在不同空間位置上的相關(guān)性[17]，空間自相關(guān)分析是進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)和前提，Moran′sI指數(shù)反映了鄰近區(qū)域單元屬性的空間相似度和依賴度。全局Moran指數(shù)，取值范圍為[-1，1]，I>0表示空間正相關(guān)，研究對(duì)象趨于空間聚合特征；I<0表示空間負(fù)相關(guān)，研究對(duì)象趨于空間離散特征；I=0表示則表示研究對(duì)象隨機(jī)分布。Moran′sI指數(shù)的表達(dá)式為：

(1)

(2)

1.4.2半方差函數(shù)地統(tǒng)計(jì)分析的核心是根據(jù)樣點(diǎn)來確定研究對(duì)象隨空間位置而變化的規(guī)律，以此估測(cè)未知點(diǎn)的屬性值，這個(gè)規(guī)律也稱變異函數(shù)。研究對(duì)象的空間變異性可以通過半方差函數(shù)來描述，半變異函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)分析的核心工具，也是克里金插值的基礎(chǔ)。其計(jì)算模型如下：

(3)

式中：γ(h)為半方差函數(shù)；h為樣點(diǎn)空間間隔；N(h)為間隔距離為h的樣點(diǎn)數(shù)；Z(xi)和Z(xi+h)分別為區(qū)域化變量Z(xi)在空間位置xi和xi+h的實(shí)測(cè)值。

半變異函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中分析土壤異質(zhì)性所特有的函數(shù)，變異函數(shù)的理論模型包括球狀模型、指數(shù)模型、高斯模型等。半變異函數(shù)有3個(gè)重要參數(shù)：塊金值(C0)、基臺(tái)值(C0+C)和變程α。塊金值C0+C代表變量的塊金效應(yīng)，反映了系統(tǒng)內(nèi)部研究變量隨機(jī)性的可能程度。C為結(jié)構(gòu)方差，又稱偏基臺(tái)值，C0+C為基臺(tái)值，表示由系統(tǒng)內(nèi)總的變異。變程α也稱為土壤養(yǎng)分空間最大自相關(guān)距離。塊金值/基臺(tái)值(C0/C0+C)又稱塊金基臺(tái)比，表示空間異質(zhì)性程度或土壤屬性的空間依賴性。研究表明[5]，塊金基臺(tái)比<25%時(shí)，表示變量具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性；塊金基臺(tái)比在[25%，75%]范圍內(nèi)，表示變量具有中等水平的空間自相關(guān)性；塊金系數(shù)>75%，表示變量具有較弱的空間自相關(guān)性，變異主要由隨機(jī)變異組成。

2　結(jié)果與分析

2.1　耕地土壤養(yǎng)分指標(biāo)描述性分析

根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各養(yǎng)分指標(biāo)統(tǒng)一進(jìn)行分級(jí)，土壤酸堿度分級(jí)方法將土壤pH值分為6級(jí)，1級(jí)：pH值>8.5(強(qiáng)堿性)，2級(jí)：pH值7.5～8.5(微堿性)，3級(jí)：pH值6.5～7.5(中性)，4級(jí)：pH值5.5～6.5(微酸性)，5級(jí)：pH值4.5～5.5(酸性)，6級(jí)：pH值<4.5(強(qiáng)酸性)。其余5項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)豐缺度分為6級(jí)水平，分別為1級(jí)(很豐富)，2級(jí)(豐富)，3級(jí)(中等)，4級(jí)(缺乏)，5級(jí)(很缺乏)，6級(jí)(極缺乏)，詳見表1。

表1　全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照

江西省1985年和2012年耕層土壤樣點(diǎn)養(yǎng)分統(tǒng)計(jì)特征見表2，通過采用SPSS 22.0對(duì)比分析1985年和2012年研究區(qū)耕層土壤養(yǎng)分含量均值和變異系數(shù)等數(shù)據(jù)，進(jìn)行K-S正態(tài)檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：1985年土壤養(yǎng)分和2012年土壤全氮、全鉀和有機(jī)質(zhì)均服從正態(tài)分布，而2012年土壤全磷和pH值則服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布；1985年土壤全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)和酸堿度平均養(yǎng)分級(jí)別分別為2.81，4.32，3.29，2.87，4.17，2012年土壤全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分等別平均值均有所下降，表明其養(yǎng)分含量在2012年有所上升，分別上升了0.41，0.39，0.44個(gè)級(jí)別，同時(shí)土壤全鉀和pH值養(yǎng)分級(jí)別分別上升了0.89，0.66個(gè)級(jí)別，表明研究區(qū)土壤全鉀含量有所下降，土壤呈現(xiàn)了較明顯的酸化現(xiàn)象；30年來，江西省耕地土壤養(yǎng)分變異系數(shù)為12.26%～43.00%，除全氮和有機(jī)質(zhì)的變異系數(shù)增大外，其他養(yǎng)分的變異系數(shù)都有所減小，說明江西省土壤養(yǎng)分總體上呈現(xiàn)中等強(qiáng)度的空間分異規(guī)律，且隨著耕作制度、施肥方式和田間管理措施等人為因素的影響，土壤養(yǎng)分的空間變異特征表現(xiàn)為逐漸減弱的趨勢(shì)。

2.2　耕地土壤養(yǎng)分含量空間結(jié)構(gòu)變化

運(yùn)用GS+9.0對(duì)土壤樣點(diǎn)養(yǎng)分空間變異性進(jìn)行半方差分析，對(duì)比分析土壤各個(gè)養(yǎng)分模型的決定系數(shù)和殘差，1985年耕地土壤pH值和2012年全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)的最佳理論模型為球狀模型(Spherical)，而1985年土壤TN，TP，TK，SOM和2012年TK，pH值的最佳模型為指數(shù)模型(Exponential)。塊金值與基臺(tái)值之比表示由隨機(jī)因素引起的空間變異程度大小，是研究變量空間相關(guān)性程度的分類依據(jù)。根據(jù)兩個(gè)時(shí)期土壤養(yǎng)分變異函數(shù)及相關(guān)參數(shù)，1985年耕地土壤TN為較弱的空間自相關(guān)，主要由隨機(jī)性影響因素(如灌溉、施肥、耕作措施和土壤改良等各種人為活動(dòng))引起的。其余4種養(yǎng)分要素的空間自相關(guān)特性呈中等水平，主要受結(jié)構(gòu)因素(土壤、母質(zhì)、地形、氣候等非人為區(qū)域因素)和隨機(jī)因素兩者共同的影響；2012年土壤TN，TP，TK和SOM塊金系數(shù)均小于25%，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，表明土壤全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)的空間分異主要由結(jié)構(gòu)性因素引起的；土壤pH值塊金系數(shù)為56.79%，呈現(xiàn)中等強(qiáng)度的空間變異性，主要由結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同引起的。變程的大小反映區(qū)域變化量自相關(guān)范圍的大小，2012年土壤TN，TP，TK的變程與1985年相比明顯變大，表示其空間自相關(guān)范圍變大，而SOM和pH值變程則顯著變小，表示其空間自相關(guān)范圍減小。采用公式(1)對(duì)兩個(gè)時(shí)期5種土壤養(yǎng)分含量的空間自相關(guān)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其Moran′sI指數(shù)在0.22～0.75，30年來耕層土壤中的養(yǎng)分具有中等的空間自相關(guān)，土壤養(yǎng)分的分布具有良好的空間結(jié)構(gòu)，并且表現(xiàn)為空間聚合的分布特征。但從兩個(gè)時(shí)期Moran′sI數(shù)值來看，2012年5種土壤養(yǎng)分集聚程度較1985年更強(qiáng)。

表2　1985-2012年江西省耕地土壤養(yǎng)分含量描述性統(tǒng)計(jì)

表3　江西省兩個(gè)時(shí)期土壤養(yǎng)分半變異函數(shù)理論模型及相應(yīng)參數(shù)

2.3　江西省耕地土壤養(yǎng)分時(shí)空演變規(guī)律

2.3.11985年土壤養(yǎng)分空間分布特征分析根據(jù)江西省耕地土壤養(yǎng)分專題制圖結(jié)果，1985年江西省土壤養(yǎng)分含量整體處于中等水平，土壤pH呈現(xiàn)出微酸化趨勢(shì)。從江西省耕地土壤全氮含量等級(jí)劃分狀況可知(附圖1A)，全省全氮豐富級(jí)(1級(jí)和2級(jí)，下同)水平的耕地面積有1.52×106hm2，占全省耕地面積的43.43%，主要分布在萍鄉(xiāng)、宜春、南昌和景德鎮(zhèn)4個(gè)市。全氮中等(3級(jí)和4級(jí)，下同)水平的耕地面積有1.70×106hm2，占全省耕地面積的48.63%，在全省11個(gè)設(shè)區(qū)市均有分布。全氮低量級(jí)(5級(jí)和6級(jí)，下同)水平的耕地面積有2.77×105hm2，占全省耕地面積的7.93%，零星分布在全省各個(gè)市。全省全磷豐富級(jí)(1級(jí)和2級(jí)，下同)水平的耕地面積有9.09萬hm2，占全省耕地面積的2.6%，主要分布在上饒市、撫州市、和贛州市。全磷中等(3級(jí)和4級(jí)，下同)水平的耕地面積有1.30×106hm2，占全省耕地面積的37.22%，主要分布在宜春市、上饒市和贛州市。全磷低量級(jí)(5級(jí)和6級(jí)，下同)水平的耕地面積有2.11×106hm2，占全省耕地面積的60.18%，主要分布在宜春市、上饒市、吉安市和南昌市，其他市均有零星分布。全省全鉀豐富級(jí)(1級(jí)和2級(jí)，下同)水平的耕地面積有1.29×106hm2，占全省耕地面積的36.75%，主要分布在上饒市和贛州市。全鉀中等(3級(jí)和4級(jí)，下同)水平的耕地面積有1.55×106hm2，占全省耕地面積的44.15%，在全省11個(gè)設(shè)區(qū)市均有分布，主要分布在吉安市和宜春市。全鉀低量級(jí)(5級(jí)和6級(jí)，下同)水平的耕地面積有6.67×105hm2，占全省耕地面積的19.10%，全省11個(gè)設(shè)區(qū)市均有零星分布。全省有機(jī)質(zhì)處豐富級(jí)(1級(jí)和2級(jí)，下同)水平的耕地面積有1.0×106hm2，占全省耕地面積的28.65%，主要分布在萍鄉(xiāng)市、宜春市和撫州市。有機(jī)質(zhì)含量中等(3級(jí)和4級(jí)，下同)水平的耕地面積有2.40×106hm2，占全省耕地面積的68.64%，在全省各市均有分布。有機(jī)質(zhì)含量低量級(jí)(5級(jí)和6級(jí)，下同)水平的耕地面積有9.47萬hm2，占全省耕地面積的2.71%，零星分布在贛州市、吉安市和新余市等市。全省土壤強(qiáng)堿至微堿性水平的耕地面積為8.10萬hm2，占全省耕地面積的2.32%，零星分布在萍鄉(xiāng)市和九江市，中性土壤面積2.34×105hm2，占全省耕地的6.69%，主要分布在萍鄉(xiāng)市，全省耕地微酸至強(qiáng)酸性土壤面積為3.18×106hm2，占全省耕地面積的90.99%，其中又以微酸性和酸性為主，分別占全省耕地的46.29%和50.39%，在全省各市均有集中分布。

2.3.22012年土壤養(yǎng)分空間分布特征分析在ArcGIS 10.3中采用Ordinary Kriging 插值法對(duì)2012年江西省耕地土壤養(yǎng)分進(jìn)行空間插值。2012年江西省耕地土壤養(yǎng)分含量較為豐富，但是土壤pH值酸化較為嚴(yán)重。從江西省耕地土壤全氮含量等級(jí)劃分狀況可知(附圖2A)，全省全氮豐富級(jí)水平的耕地面積有2.48×106hm2，占全省耕地面積的60.46%，主要分布在鄱陽湖東北部(上饒市)、南部(南昌市)、西南部(宜春市和新余市)、沿浙贛線的平原與盆地區(qū)(萍鄉(xiāng)市、撫州市)及吉泰盆地(吉安市)及贛州盆地；全氮中等水平的耕地面積有1.55×106hm2，占全省耕地面積的37.83%，主要分布在鄱陽湖西北部的九江市、贛南的鷹潭市和贛州市；全氮低量級(jí)水平的耕地面積有6.98萬hm2，占全省耕地面積的1.70%，主要分布在九江市。全省全磷豐富級(jí)水平的耕地面積有1.86×105hm2，占全省耕地面積的4.53%，零星分布在全省各個(gè)市；全磷中等水平的耕地面積有3.02×106hm2，占全省耕地面積的73.63%，主要分布在環(huán)鄱陽湖周邊城市、沿贛江河谷沖擊平原地區(qū)(撫州市和贛州市)及浙贛線沿線地區(qū)；全磷低量級(jí)水平的耕地面積有8.95×105hm2，占全省耕地面積的21.84%，主要分布在九江市和景德鎮(zhèn)市。全省全鉀豐富級(jí)(只有第2級(jí))水平的耕地面積有5.96×103hm2，占全省耕地面積的0.15%，零星分布在全省各市；全鉀中等水平的耕地面積有2.46×106hm2，占全省耕地面積的60.08%，在全省各市均有較集中分布，中等水平的耕地在各市所占比例都超過50%；全鉀低量級(jí)水平的耕地面積有1.63×106hm2，占全省耕地面積的39.77%，主要分在鷹潭市和萍鄉(xiāng)市。全省有機(jī)質(zhì)含量豐富級(jí)水平的耕地面積有2.28×106hm2，占全省耕地面積的55.58%，主要分布在鄱陽湖南部的南昌市、東部的上饒市和浙贛線沿線的宜春市及新余市；有機(jī)質(zhì)含量中等水平的耕地面積有1.85×106hm2，占全省耕地面積的44.31%，主要分布在九江市、鷹潭市和贛州市；有機(jī)質(zhì)含量低量級(jí)(只有第5級(jí))水平的耕地面積有4.55×103hm2，占全省耕地面積的0.11%，主要分布在九江市和景德鎮(zhèn)市。全省土壤強(qiáng)堿至微堿性(只有第2級(jí))水平的耕地面積為4.96×103hm2，占全省耕地面積的0.12%，只分布在九江市；中性土壤面積6.73萬hm2，占全省耕地的1.64%，主要分布在萍鄉(xiāng)市，在吉安、宜春、新余和景德鎮(zhèn)市均有少量分布。全省耕地微酸至強(qiáng)酸性土壤面積為4.03×106hm2，占全省耕地面積的98.24%，其中又以酸性為主，占全省耕地面積的83.68%，除萍鄉(xiāng)市外，其他市均有大量分布。

2.3.31985—2012年土壤養(yǎng)分時(shí)空分布特征利用ArcGIS 10.3空間分析平臺(tái)，將1985年和2012年兩個(gè)時(shí)期的耕地土壤養(yǎng)分圖進(jìn)行空間疊加分析，得到兩個(gè)時(shí)期的耕地土壤養(yǎng)分等級(jí)時(shí)空演變特征(表4和附圖3)。30年來江西省土壤全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)總體含量都有較為顯著的提升，但是全鉀含量有所降低，且土壤pH值呈現(xiàn)出弱酸化的趨勢(shì)。

(1) 全氮時(shí)空變化。從1985—2012年江西省全氮含量有顯著的提高，平均等別從2.81級(jí)提高至2.4級(jí)，提高了0.41個(gè)級(jí)別，整體處于豐富級(jí)水平。1985年耕地TN含量1～6級(jí)水平均有分布，主要集中在2級(jí)(1.5～2.0 g/kg)和3級(jí)水平(1～1.5 g/kg)，占耕地總面積的68.96%，主要分布在贛州市、吉安市、宜春市和上饒市。2012年TN含量有較大提升，主要為豐富級(jí)水平，占耕地總面積的60.46%，大面積分布在江西省北部區(qū)域，豐富級(jí)水平基本覆蓋全省，而TN含量<0.5 g/kg的耕地僅占總面積的0.36%。由表3和附圖3A可知，TN含量等級(jí)提高的面積2.58×106hm2，占耕地總面積的62.87%，主要集中在吉安市、上饒市和宜春市；處于穩(wěn)定狀態(tài)的面積為6.64×105hm2，占比16.21%，主要分布在上饒市和宜春市；TN含量降低的等級(jí)面積為8.58×105hm2，占比20.92%，主要分布在南昌市和上饒市。

(2) 全磷時(shí)空變化。對(duì)比分析兩個(gè)時(shí)期的耕地全磷含量，全磷水平提升較為快速，平均等級(jí)從1985年的4.32級(jí)提高至2012年的3.93級(jí)，提高了0.39個(gè)級(jí)別，整體處于中等水平。1985年耕地TP含量主要集中分布在4級(jí)(0.4～0.6 g/kg)和5級(jí)水平(0.2～0.4 g/kg)，占耕地總面積的80.54%，主要分布在宜春市、上饒市、吉安市和南昌市；2012年TP含量等級(jí)未發(fā)現(xiàn)為1級(jí)(>1 g/kg)的耕地，大部分處于中等水平，占總面積的73.63%，在全省都有較大范圍的分布。從表3和附圖3B可以發(fā)現(xiàn)，TP含量上升的耕地面積為2.51×106hm2，占耕地總面積的61.29%，主要分布在南昌市、上饒市和吉安市；級(jí)別不變的面積為5.56×105hm2，占耕地總面積的13.57%，全省都有較大面積的分布；全磷等級(jí)下降的耕地面積為1.03×106hm2，占比為25.14%，主要分布在贛州市、宜春市和吉安市。

(3) 全鉀時(shí)空變化。全鉀含量總體水平呈顯著下降的態(tài)勢(shì)，平均等級(jí)從1985年的3.29級(jí)下降至2012年的4.18級(jí)，降低了0.89個(gè)級(jí)別，整體處于下降水平。1985年TK含量1—6級(jí)水平均有分布，2012年全省未發(fā)現(xiàn)TK含量處2級(jí)以上(>20～25 g/kg)水平的耕地。1985年耕地TK含量主要為中等水平，占耕地總面積的44.15%，主要分布在鄱陽湖北部的九江市和景德鎮(zhèn)市；2012年全鉀等級(jí)主要為4級(jí)和5級(jí)水平，占耕地總面積的73.22%，大面積分布在贛州市、吉安市和上饒市。從表3和附圖3C可以發(fā)現(xiàn)，TK含量上升的耕地面積為4.08×105hm2，僅占耕地總面積的9.95%，主要分布在宜春市、上饒市和吉安市；級(jí)別不變的面積為3.71×105hm2，占耕地總面積的9.06 %，主要分布在宜春市、上饒市；全鉀等級(jí)下降的耕地面積為3.32×106hm2，占比為80.99%，等級(jí)下降區(qū)域大幅度擴(kuò)大至全省范圍內(nèi)。

(4) 有機(jī)質(zhì)時(shí)空變化。30年來江西省有機(jī)質(zhì)含量有顯著的提高，平均等別從2.87級(jí)提高至2.43級(jí)，提高了0.44個(gè)級(jí)別，整體處于豐富級(jí)水平。1985年耕地SOM含量1—6級(jí)水平均有分布，而2012年未發(fā)現(xiàn)5級(jí)以下(<6～10 g/kg)的耕地，1985年主要集中在中等水平，占耕地總面積的68.64%，主要分布在鷹潭市、上饒市和南昌市。2012年有機(jī)質(zhì)含量有較大提升，主要為豐富級(jí)水平，占耕地總面積的55.58%，集中分布在上饒市、宜春市和南昌市。由表3和附圖3D可知，SOM含量上升的面積有2.51×106hm2，占耕地總面積的61.22%，主要集中在贛州市、上饒市和宜春市；級(jí)別不變的面積為6.14×105hm2，占耕地總面積的14.97%，主要分布在吉安市、上饒市和宜春市；SOM含量降低的等級(jí)面積為9.76×105hm2，占耕地總面積的20.92%，主要分布在宜春市、南昌市和吉安市。

(5) 酸堿度時(shí)空變化。30 年來江西省耕作土壤pH值整體呈降低的趨勢(shì)，酸化較為嚴(yán)重，平均等別從4.17級(jí)降低至4.83級(jí)，降低了0.66個(gè)級(jí)別，土壤酸化程度增加。1985年耕地土壤pH值處于2—5級(jí)水平，而2012年未發(fā)現(xiàn)2級(jí)以上(>7.5)的耕地。1985年土壤pH值主要處于4級(jí)(5.5～6.5)和5級(jí)水平(4.5～5.5)，占耕地總面積的85.89%，主要集中在宜春市、上饒市和吉安市；2012年土壤酸化現(xiàn)象不斷加劇，主要為5級(jí)水平，占耕地總面積的83.68%，集中分布在南昌市、撫州市和吉安市。由表3和附圖3E可知，pH值含量上升的面積為6.76萬hm2，占耕地總面積的1.65%，零星分布于全?。籶H值含量不變的面積為7.06×105hm2，占耕地總面積的17.23%，主要分布在上饒市和宜春市；pH值含量降低的等級(jí)面積為3.33×106hm2，占耕地總面積的81.12%，主要分布在宜春市、南昌市和吉安市。

表4　江西省兩個(gè)時(shí)期耕地土壤養(yǎng)分級(jí)別變化情況

3　討 論

4　結(jié) 論

(1) 第二次土壤普查以來，研究區(qū)耕地土壤養(yǎng)分含量有了一定的提高，但是土壤養(yǎng)分的總體水平有待進(jìn)一步提升。其養(yǎng)分含量總體上表現(xiàn)為土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量顯著上升，全磷水平提高較為顯著，但全鉀含量急劇下降，土壤pH值酸化較為嚴(yán)重。從1985—2012年，土壤全氮提升了0.41個(gè)級(jí)別，耕地土壤全氮級(jí)別上升的面積占耕地總面積的62.87%；有機(jī)質(zhì)含量提高了0.44個(gè)級(jí)別，耕地有機(jī)質(zhì)級(jí)別上升的面積占耕地總面積的61.22%；全磷含量提升了0.39個(gè)級(jí)別，耕地土壤全磷級(jí)別上升的面積占耕地總面積的61.29%；全鉀降低了0.89個(gè)級(jí)別，耕地土壤全鉀級(jí)別下降的面積占耕地總面積的80.99%；pH值降低了0.66個(gè)級(jí)別，耕地土壤pH值級(jí)別下降的面積占耕地總面積的81.12%。

(2) 江西省耕作土壤養(yǎng)分含量有較強(qiáng)的時(shí)空變異規(guī)律，對(duì)比兩個(gè)時(shí)期土壤養(yǎng)分水平，30年來，土壤TN和SOM處于豐富級(jí)水平，TP處于中等水平，TK處于低量級(jí)水平，pH值處于酸性和微酸性水平。1985年江西耕地TN和SOM豐富級(jí)主要分布在鄱陽湖、贛西平原及贛南平原與盆地，2012年TN和SOM豐富級(jí)水平分布范圍有所擴(kuò)展，在整個(gè)鄱陽湖平原、沿浙贛線及贛南平原與盆地均有大范圍分布。1985年耕地全磷含量中等水平主要分布在宜春市、上饒市、吉安市和南昌市，到2012年全磷含量中等水平在全省都有較大范圍的分布。1985年耕地全鉀含量為中等水平，主要分布在吉安市、宜春市和上饒市，到2012年全鉀等級(jí)中等偏低水平，大面積分布在贛州、吉安、上饒、宜春和九江5個(gè)市。1985年土壤pH值處于酸性水平主要集中在宜春市、上饒市和吉安市，到2012年酸性水平主要分布在贛中和贛西南等市，以南昌市、撫州市、贛州市和吉安市最為集中。

(3) 30 年來江西省耕地土壤養(yǎng)分含量時(shí)空變化主要受人為因素和自然條件的綜合影響，但是人為因素對(duì)研究區(qū)養(yǎng)分的變化具有主導(dǎo)作用。1985年5種土壤養(yǎng)分表現(xiàn)為中等的空間自相關(guān)特性，2012年土壤TN和pH值表現(xiàn)為較強(qiáng)的空間自相關(guān)特性，其余為中等的空間自相關(guān)特性。1985—2012年，耕作土壤養(yǎng)分空間變異的最大值由TK轉(zhuǎn)變?yōu)門N，pH值兩個(gè)時(shí)期的空間變異最小，除全氮和有機(jī)質(zhì)的變異系數(shù)增大外，其他養(yǎng)分的變異系數(shù)都有所減小，說明隨著耕作制度、施肥方式和田間管理措施等人為因素的影響，土壤養(yǎng)分的空間變異特征表現(xiàn)為逐漸減弱的趨勢(shì)。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局調(diào)查顯示，1985—2012年以來，江西省開展了測(cè)土配方施肥，農(nóng)用氮肥施用折純量由1985年的38.90萬t提高至2012年的42.88萬t，磷肥施用折純量由1985年的14.40萬t提升到2012年的22.67萬t，鉀肥施用折純量由1985年的8.80萬t提升到2012年的21.14萬t。由此可知，江西省耕作土壤偏施氮肥和氮磷肥，施鉀肥不足，而作物需肥特性要求鉀肥施用量大于磷肥，導(dǎo)致土壤全氮、全磷含量提高，全鉀含量下降的主要因素。同時(shí)，有機(jī)肥、冬季綠肥的施用及水稻秸稈還田的推廣，使得全省有機(jī)質(zhì)含量大幅度增加，但過量施用氮磷鉀肥、大量燃耗化石燃料、工業(yè)污染及酸性沉降物等也加劇了土壤的酸化。

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