王亞男，徐夢潔*，代圓鳳，符德龍，黃化剛，陳 雪，莊舜堯

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畢節(jié)市耕地土壤pH的空間變異特征與影響因素①

王亞男1，徐夢潔1*，代圓鳳2，符德龍2，黃化剛2，陳 雪2，莊舜堯3

(1南京農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院，南京 210095；2 貴州省煙草公司畢節(jié)市分公司，貴州畢節(jié) 551700；3 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008)

為了探討耕地土壤pH的空間變異及影響因素，以貴州省畢節(jié)市為研究區(qū)域，開展了耕地土壤pH的實地監(jiān)測調(diào)查，獲取了各監(jiān)測點的空間位置和屬性數(shù)據(jù)。結(jié)合地統(tǒng)計學(xué)和GIS方法，探討了耕地土壤pH的空間變異特征。結(jié)果表明：畢節(jié)市0 ~ 10 cm層耕地土壤pH分布于5.12 ~ 9.20，土壤pH最優(yōu)插值模型：趨勢指數(shù)為1，插值模型為有理二次方程式，塊金值與基臺值之比為65.10%，表現(xiàn)出中等的空間相關(guān)性，說明結(jié)構(gòu)性因素(自然因素)對0 ~ 10 cm層耕地土壤pH影響較大。在不同母質(zhì)中，耕地土壤pH從小到大為：基性巖類、砂頁巖類、河流沖積物、碳酸鹽巖類、紫色巖類、泥質(zhì)巖類、石英巖類。在不同土壤類型中，耕地土壤pH由小到大為：6.29、6.83、7.07、7.17、8.20，對應(yīng)土壤類型分別為：石灰土、黃壤、黃棕壤、紫色土、棕壤。與地形的相關(guān)分析表明，耕地土壤pH與高程、坡度、坡向分別為中等相關(guān)、弱相關(guān)、中等相關(guān)?？偟膩碚f，耕地土壤pH受結(jié)構(gòu)性因素(自然因素)和人為因素影響的共同作用。

變異系數(shù)；空間分布；克里格插值；土壤pH

土壤pH不僅能影響土壤養(yǎng)分的有效性、土壤肥力[1-5]、土壤的理化性質(zhì)和微生物活動，從而影響植物的生長發(fā)育[6-8]，還可以通過控制土壤中重金屬元素的存在形態(tài)、有效性及遷移轉(zhuǎn)化特性對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生重要影響[9-10]；與此同時，土壤pH作為區(qū)域化變量，受到自然因素和人為因素的雙重影響，其空間變異特征呈現(xiàn)出分異的特性，因此土壤pH及其相關(guān)研究長期以來一直受到國內(nèi)外研究人員的廣泛重視，研究領(lǐng)域包括土壤pH時空變化與變異[11-16]、土壤pH分布特點及與土壤養(yǎng)分的關(guān)系[17-18]、土壤pH變化對微量元素的影響[9-10]、土壤pH影響因素[19-21]等，均取得了豐富的成果。其中土壤pH的空間分布規(guī)律與變異特征及其影響因素，屬于土壤pH研究中的基礎(chǔ)性工作，其重要性毋庸置疑，不僅有利于揭示研究區(qū)域的重要土壤性質(zhì)，更便于研究人員從其影響因素著手，進行針對性的土壤改良，制定相應(yīng)的平衡施肥方案，對于促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高農(nóng)戶收入具有現(xiàn)實意義。

貴州省畢節(jié)市處于低緯度、高海拔的偏南內(nèi)陸。2014年末畢節(jié)農(nóng)業(yè)人口815.21萬人，農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诘谋戎爻^90%，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和農(nóng)戶收入的提高對于畢節(jié)市的重要性不言而喻。隨著經(jīng)濟的發(fā)展與人口的增長，畢節(jié)市的人均耕地面積還在不斷下降，畢節(jié)市國土資源局的調(diào)查表明，農(nóng)業(yè)人口人均耕地已由2005年的0.19 hm2/人下降到2012年的0.12 hm2/人，以畢節(jié)市為研究區(qū)域開展耕地土壤理化性質(zhì)的研究兼具必要性和緊迫性。從已有文獻看，系統(tǒng)分析畢節(jié)市耕地土壤pH的空間變異及影響因素的研究極少。本文以畢節(jié)市為研究區(qū)域，在實地采樣的基礎(chǔ)上，結(jié)合地統(tǒng)計學(xué)和GIS方法，探討了耕地土壤pH的空間變異特征，并進一步分析了母質(zhì)、土壤類型、地形等因素對耕地土壤pH的影響，研究成果將為當?shù)氐母赝寥栏牧己推胶馐┓实却胧┨峁┲匾膮⒖肌?/p>

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

畢節(jié)市位于貴州省西北部，地處103°36′~ 106°43′E和26°21′ ~ 27°46′N，全市總面積近2 684 850 hm2，占貴州省總面積的15.25%。全年大部分時間受西北高空氣流的控制，屬季風(fēng)氣候類型，是典型的喀斯特地區(qū)。全市平均海拔1 400 m，海拔落差較大，地勢西高東低，大部分地方屬亞熱帶濕潤氣候，立體氣候明顯；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境惡劣，災(zāi)害性天氣多，以秋風(fēng)、干旱、冰雹為害較大。畢節(jié)市轄七星關(guān)區(qū)、大方縣、黔西縣、金沙縣、織金縣、納雍縣、威寧彝族回族苗族自治縣、赫章縣。畢節(jié)市2014年年末常住人口達654.12萬人，人均GDP為1.369萬元，全市耕地面積約996 456 hm2，占土地總面積的37.11%。

1.2 土壤樣品采集

本研究采用規(guī)則網(wǎng)格和隨機布點相結(jié)合的土壤采樣點布設(shè)方法進行土樣采集[22]。在ArcGIS軟件中，以畢節(jié)市行政圖為底圖，疊加1∶5萬土地利用現(xiàn)狀圖，通過創(chuàng)建15行× 20列的漁網(wǎng)，對規(guī)則網(wǎng)格中心樣點進行適當?shù)恼{(diào)整，盡量使調(diào)整后的樣點落在其原來對應(yīng)的網(wǎng)格內(nèi)的耕地上，以相對均勻地布設(shè)200個采樣點。

2006年研究區(qū)按照上述樣點布設(shè)方法進行了0 ~ 10 cm表層土壤采樣。2015年以原有200個采樣點的位置為基礎(chǔ)，在每個縣隨機選取3 ~ 4個樣點，總計35個采樣點。新增數(shù)據(jù)的土壤樣品采用土鉆鉆取，在邊長為1 m的正方形內(nèi)，取樣深度分別為10、20、30、40、50 cm，每個深度分別鉆取1個0.5 kg左右的土樣。采樣時間為2015年12月，為期一周。對這35個采樣點最新測得的0 ~ 10 cm表層土壤pH數(shù)據(jù)與2006年數(shù)據(jù)進行配對樣本t檢驗，結(jié)果表明新測數(shù)據(jù)(7.044 ± 1.110)與2006年數(shù)據(jù)(7.039 ± 1.108)無顯著差異(=0.381)，因此可以認為0 ~ 10 cm表層土壤pH在這一段時間內(nèi)沒有顯著變化。鑒于下層土壤pH較表層土壤的變化程度更小[18]，更趨于穩(wěn)定，本研究使用了2006年和2015年的數(shù)據(jù)進行分析。圖1是采樣點分布圖，其中小實心點為舊采樣點，大實心點為新采樣點。

圖1 畢節(jié)市土壤樣點分布圖

1.3 指標測定及方法

現(xiàn)采的土壤樣品自然風(fēng)干，過1.00 mm篩孔以供pH測定。實驗室測量土壤pH采用電位法[23]。每個土樣重復(fù)測3次，結(jié)果取平均值。

1.4 分析方法

傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)分析：使用SPSS10.0軟件進行描述性統(tǒng)計分析、單因素方差分析、相關(guān)性分析，分析畢節(jié)市耕地土壤pH的基本統(tǒng)計特征、不同成土母質(zhì)和不同土壤類型對土壤pH的影響、地形與土壤pH的相關(guān)性。

地統(tǒng)計分析：使用ArcGIS軟件提取采樣點的土地利用類型(來源于項目)、成土母質(zhì)(來源于第二次土壤普查)、土壤類型(來源于第二次土壤普查)和地形信息(畢節(jié)市DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，包括高程、坡度、坡向)，導(dǎo)出屬性數(shù)據(jù)便于后續(xù)統(tǒng)計分析。進行半變異函數(shù)分析、普通克里格(ordinary Kriging)插值，分析土壤pH的空間分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地土壤pH統(tǒng)計特征

耕地土壤pH統(tǒng)計特征如表1(35個新采樣品數(shù)據(jù))所示。畢節(jié)市耕地土壤pH的變幅為5.10 ~ 9.20，不同深度的土壤pH全距隨著土層深度增加，土壤pH的變幅變小。不同深度的土壤pH均值分別7.04、7.16、7.23、7.33、7.28，在6.5 ~ 7.5，由趙靜等[24]和陳嬋嬋等[25]的研究可知，這是適合植物生長的最佳pH范圍。同時可以看出隨著土層深度的增加，土壤pH通常也越大。各層土壤pH的變異系數(shù)[26]介于14% ~ 16%，屬于中等變異。土層深度增加，土壤pH的變異系數(shù)越小，土壤pH受到隨機因素影響越小[18]。

從表2可以看出，各地區(qū)0 ~ 10 cm土層土壤pH均值按從小到大排列為：6.56、6.68、6.82、6.89、6.91、7.12、7.16、7.16，對應(yīng)地區(qū)為：金沙縣、納雍縣、威寧彝族回族苗族自治縣、織金縣、七星關(guān)區(qū)、赫章縣、大方縣、黔西縣。各地區(qū)0 ~ 10 cm土層土壤pH變異系數(shù)介于14% ~ 34%，屬于中等變異，其中，金沙縣的土壤pH變異系數(shù)最大，大方縣的土壤pH變異系數(shù)最小。

2.2 0 ~ 10 cm層耕地土壤pH空間分布

在SPSS10.0軟件中對0 ~ 10 cm層耕地土壤pH進行K-S正態(tài)分布檢驗[27]。結(jié)果表明：土壤pH服從正態(tài)分布，滿足地統(tǒng)計分析要求。

表1 土壤pH描述性統(tǒng)計(新采集樣品)

2.2.1 0 ~ 10 cm層耕地土壤pH半方差分析 在內(nèi)插方法均為普通克里格法的情況下，不同半方差函數(shù)插值結(jié)果如表3所示。根據(jù)插值模型的優(yōu)劣評價判斷標準[14]，從中篩選出趨勢指數(shù)為1，插值模型為有理二次方程式的最優(yōu)半方差函數(shù)模型，來進行下一步無偏、最優(yōu)插值分析。

表4是0 ~ 10 cm層耕地土壤pH的最優(yōu)半方差函數(shù)模型相應(yīng)參數(shù)，其中塊金值與基臺值之比表示空間變異程度[12]。畢節(jié)市0 ~ 10 cm層耕地土壤pH的塊金值與基臺值之比為65.10%，表現(xiàn)出中等的空間相關(guān)性，說明結(jié)構(gòu)性因素(自然因素)對0 ~ 10 cm層耕地土壤pH影響較大，而隨機性因素如施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動使得各層耕地土壤pH的空間相關(guān)性減弱。0 ~ 10 cm層耕地土壤pH的變程為6.43 km，這即是0 ~ 10 cm層耕地土壤pH存在空間自相關(guān)的最大距離。

表2 各地區(qū)0 ~ 10 cm土層土壤pH統(tǒng)計

表3 克里金模型的擬合檢驗參數(shù)

表4 0 ~ 10 cm層土壤pH的最優(yōu)半方差函數(shù)模型參數(shù)

2.2.2 0 ~ 10 cm層耕地土壤pH普通克里格插值 為了更準確地描述畢節(jié)市0 ~ 10 cm層耕地土壤pH在空間上的分布狀況，根據(jù)所得到的半方差函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)，對0 ~ 10 cm層土壤pH進行普通克里格插值，繪制0 ~ 10 cm層耕地土壤pH的空間分布圖(圖2)。從圖2可以看出，0 ~ 10 cm層耕地土壤pH在空間分布上呈現(xiàn)出一定規(guī)律性。威寧彝族回族苗族自治縣、赫章縣、黔西縣、納雍縣、大方縣、織金縣呈斑塊狀分布，且除織金縣土壤pH是從中心向四周逐漸增加，土壤pH都是從中心向四周逐漸減??；金沙縣、七星關(guān)區(qū)均為條帶狀分布，且金沙縣的土壤pH是從西南到東北逐漸減小，七星關(guān)區(qū)的土壤pH是從西北到東南逐漸增大。從圖2還可以看出畢節(jié)大部分地區(qū)土壤pH處于6.5 ~ 7.5，是適合植物生長的最佳pH范圍。

圖2 0 ~ 10 cm土層土壤pH克里格插值

2.3 0 ~ 10 cm層耕地土壤pH的影響因素

成土母質(zhì)、土壤類型和土地利用方式是影響土壤pH的重要因素[12]，有時人為活動甚至成為引起土壤pH變化的最主要因素，進而影響到土壤質(zhì)量[11]。如成都平原[18]的土壤pH變化明顯受成土母質(zhì)、土地利用方式、施肥措施和工業(yè)發(fā)展的影響。借鑒以往學(xué)者對土壤pH影響因素的研究[11-13]，結(jié)合研究區(qū)域的實際情況，本文選擇自然因素成土母質(zhì)、土壤類型、地形作為畢節(jié)市土壤pH的影響因素加以分析。

2.3.1 成土母質(zhì) 總體而言，成土母質(zhì)是影響畢節(jié)市土壤pH的主要因素。根據(jù)樣本點坐標，在第二次土壤普查成土母質(zhì)圖中提取出200個樣本點對應(yīng)的成土母質(zhì)信息，畢節(jié)市樣本點的成土母質(zhì)包括：基性巖類、泥質(zhì)巖類、石英巖類、碳酸鹽巖類、砂頁巖類、紫色巖類、河流沖積物7類，對應(yīng)的樣本點數(shù)分別為16、28、18、73、23、26、15，分別計算不同成土母質(zhì)的土壤pH均值。如表5所示，各主要成土母質(zhì)的土壤pH平均值在6.11 ~ 7.52，按從小到大為基性巖類、砂頁巖類、河流沖積物、碳酸鹽巖類、紫色巖類、泥質(zhì)巖類、石英巖類。單因素方差分析表明，母質(zhì)對土壤pH存在極其顯著影響(<0.01)。

2.3.2 土壤類型 土壤類型對土壤pH的影響也較為顯著[11-14]，根據(jù)樣本點坐標，在第二次土壤普查成土母質(zhì)圖中提取出200個樣本點對應(yīng)的土壤類型信息，本研究主要選擇黃壤、黃棕壤、棕壤、紫色土、石灰土等5種不同土壤類型，對應(yīng)的樣本點數(shù)分別為67、46、17、43、28。將不同土壤類型中pH平均值進行比較如表6。各主要土壤類型的土壤pH平均值在6.29 ~ 8.20，按從小到大排列為：6.29、6.83、7.07、7.17、8.20，對應(yīng)土壤類型為：石灰土、黃壤、黃棕壤、紫色土、棕壤。方差分析表明，土壤類型對土壤pH存在極其顯著影響(<0.01)[28]。

表5 不同母質(zhì)土壤pH描述性統(tǒng)計

表6 不同土壤類型土壤pH描述性統(tǒng)計

2.3.3 地形 在<0.05顯著水平下，畢節(jié)市耕地土壤pH與高程、坡度、坡向分別有中等相關(guān)、弱相關(guān)、中等相關(guān)等相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為：0.42、0.24、0.56，表明土壤pH受高程和坡向變化的影響較大，且高程和坡向越大的地區(qū)，pH越小。

3 結(jié)論

研究表明，畢節(jié)市耕地土壤pH均值分布為7.04 ~ 7.33，基本呈中性。各層耕地土壤pH變異系數(shù)介于14% ~ 16%，屬于中等變異，且土壤深度越大，其變異系數(shù)越小。變異系數(shù)隨土層深度的增加而變小可能與人類的活動強度有關(guān)，通常土壤深度越大，人為活動的擾動較小。研究區(qū)0 ~ 10 cm層耕地土壤pH呈現(xiàn)出中等的空間相關(guān)性，說明樣本間的變異受到隨機性因素和結(jié)構(gòu)性因素的共同影響；其變程為6.43 km，這是研究區(qū)耕地土壤pH存在空間自相關(guān)的最大距離。

畢節(jié)市0 ~ 10 cm層耕地土壤pH值以呈斑塊狀或條帶狀分布為主，其中威寧彝族回族苗族自治縣、赫章縣、大方縣、黔西縣、納雍縣、織金縣主要呈斑塊狀分布；金沙縣和七星關(guān)區(qū)主要呈條帶狀分布。研究區(qū)的母質(zhì)與土壤類型對土壤pH有顯著影響，地形因子坡向、坡度、高程與土壤pH的存在弱相關(guān)或者中等相關(guān)性。

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Spatial Characteristics and Influential Factors of Arable Soil pH in Bijie, Guizhou

WANG Yanan1, XU Mengjie1*, DAI Yuanfeng2, FU Delong2, HUANG Huagang2, CHEN Xue2, ZHUANG Shunyao3

(1 College of Public Administration, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2 Bijie Brach of Guizhou Tobacco Company, Bijie, Guizhou 551700, China; 3 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

It is important to explore soil pH variation and its influential factors for better crop management. In this study, a survey was conducted to obtain soil pH and the spatial parameters in Beijie of Guizhou. The spatial characteristics of soil pH was analyzed by using the methods of geostatistics and GIS. Results showed that soil pH ranged from 5.12 to 9.20. Soil pH optimal interpolation model was selected. The trend index of the model was 1, proved the model was rational. The ratio between nugget value and base value was 65.10%, showed a medium spatial dependence and suggested structural factors (the natural factors) had a greater influence on soil pH. Soil pH value showed an order of basic rocks > sand shale > fluvial deposits > carbonate rocks > purple rocks > argillaceous rocks > quartzites. Soil pH values showed were 6.29, 6.83, 7.07, 7.17 and 8.20 for limestone soil, yellow soil, yellow soil, purple soil and brown soil, respectively. The correlation analyses of soil pH with the elevation, slope, and slope aspect showed a moderate correlation, weak correlation and medium correlation, respectively. Overall, pH of arable land in Bijie is affected by both structural factors (natural factors) and human factors.

Variation coefficient; Spatial distribution; Kriging method; Soil pH

10.13758/j.cnki.tr.2018.02.023

畢節(jié)市煙草公司科技項目(2015)資助。

(xmj@njau.edu.cn)

王亞男(1991—)，女，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)研究。E-mail：1292809592@qq.com

S152.2

A