邊慧芹，王雪梅,2*，毛東雷,2

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室”，新疆 烏魯木齊 830054)

【研究意義】當(dāng)前，地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的變異函數(shù)及克里格插值法已被廣泛應(yīng)用于土壤特性的空間分異模型與圖形制作中[1]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】由于在應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)過(guò)程中，通常要求采樣點(diǎn)分布在中小尺度均勻采樣。故我國(guó)學(xué)者多將此方法應(yīng)用于對(duì)農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間變異評(píng)價(jià)研究中[2]。范夫靜等通過(guò)研究喀斯特坡地土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)與分布格局，認(rèn)為造成該坡地土壤養(yǎng)分空間分布差異的主要因素是植被、地形以及人為干擾下的微生境[3]。劉祖香對(duì)農(nóng)田尺度下旱地紅壤的養(yǎng)分空間變異進(jìn)行分析并預(yù)測(cè)各養(yǎng)分的空間分布狀況，為農(nóng)業(yè)的精確與合理施肥提供了科學(xué)依據(jù)[4]。張娜等人以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)為研究對(duì)象，利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，對(duì)不同土層有機(jī)質(zhì)含量的空間變異進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明，不同土層有機(jī)質(zhì)含量具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)，且土壤類型為影響空間分布的主導(dǎo)因子[5]。張小桐等人以徐水縣土壤有效態(tài)微量元素為研究對(duì)象，利用GIS與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，分析了4種微量元素的空間變異特征及影響因素，認(rèn)為土壤pH值對(duì)土壤有效態(tài)微量元素的含量分布具有顯著影響[6]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】以上研究結(jié)果表明，土壤養(yǎng)分的空間變異性是普遍存在的，其變異來(lái)源主要包括結(jié)構(gòu)性變異和隨機(jī)性變異[7]。自然因素是影響土壤養(yǎng)分發(fā)生空間分異的本質(zhì)因素，也是形成結(jié)構(gòu)性變異的主導(dǎo)因素；而人文因素則表現(xiàn)為較大的隨機(jī)性，是土壤養(yǎng)分空間分異的外因，它將有利于使土壤養(yǎng)分的空間變異朝均一方向發(fā)展，尤其是在小尺度范圍更為強(qiáng)烈[8]?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】基于GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法對(duì)耕層土壤養(yǎng)分空間分異進(jìn)行研究，可在一定程度上揭示土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律及其影響因素，對(duì)預(yù)測(cè)和提高耕地土壤肥力以及平衡施肥和防治土壤退化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

渭干河-庫(kù)車(chē)河三角洲綠洲(簡(jiǎn)稱渭-庫(kù)綠洲)位于新疆天山山脈南麓，塔里木盆地北緣，地理位置介于80°37′～83°59′ E，41°06′～42°40′ N。行政區(qū)域上主要包括新和縣的全部和庫(kù)車(chē)、沙雅縣的大部分綠洲范圍，為一典型而完整的扇形洪、沖積傾斜平原。該綠洲屬溫帶大陸性干旱氣候，主要表現(xiàn)夏季炎熱，冬季干冷，氣候干燥，降水稀少，光照充足，氣溫的年較差大，蒸降比高，屬于干旱與極端干旱地區(qū)。該三角洲綠洲為典型的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)作物主要以棉花、玉米為主，經(jīng)濟(jì)作物以蘋(píng)果、紅棗和核桃等為主。在強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用以及人類對(duì)水土資源不合理的利用情況下，該綠洲內(nèi)部與外圍的土壤鹽漬化現(xiàn)象非常嚴(yán)重，造成土壤肥力下降顯著[9]。

2 材料與方法

2.1 調(diào)查取樣

本研究于2013年10月中下旬在渭-庫(kù)綠洲進(jìn)行為期10 d 的GPS定位采樣。根據(jù)不同的土地利用方式在綠洲內(nèi)部確定樣地的布局和采樣點(diǎn)數(shù)。如圖1 所示，采樣點(diǎn)的分布涵蓋了主要土地利用方式(耕地、林地、荒漠灌叢和鹽堿草地)。依據(jù)典型性和代表性原則，每種土地利用方式下進(jìn)行多次取樣，每個(gè)樣點(diǎn)重復(fù) 3 次在耕層(0～20 cm)土層進(jìn)行取樣，共取得耕層土樣234個(gè)。同時(shí)，在野外對(duì)地表環(huán)境特征以及人為活動(dòng)情況進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，并進(jìn)行實(shí)地記錄。

2.2 室內(nèi)處理與分析

對(duì)采集的土樣在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干，研磨過(guò)篩備用。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所編寫(xiě)的《土壤理化性質(zhì)分析》[10]，有機(jī)質(zhì)采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法進(jìn)行測(cè)定，全氮采用凱氏定氮法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法，速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計(jì)法進(jìn)行測(cè)定。土壤pH值使用pH計(jì)測(cè)定，電導(dǎo)率用電導(dǎo)儀測(cè)定。

2.3 統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用SPSS20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)研究區(qū)耕層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)；利用ArcGIS10.2軟件對(duì)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)模型參數(shù)的擬合，選取最優(yōu)擬合模型，同時(shí)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的普通克立格插值分析，并繪制土壤養(yǎng)分的空間分布圖；對(duì)土壤各養(yǎng)分元素與土壤pH值和電導(dǎo)率進(jìn)行相關(guān)分析，了解各養(yǎng)分元素之間的相互關(guān)系以及土壤環(huán)境對(duì)土壤養(yǎng)分的影響。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution map of sampling points in study areas

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分總體特征描述

從表1可以看出，研究區(qū)耕層土壤中，有機(jī)質(zhì)(OM)和全氮(TN)的含量在3.73～24.07和0.13～1.43 g·kg-1之間發(fā)生變動(dòng)，平均含量為10.99 和0.59 g·kg-1；堿解氮(AN)、有效磷(AP)和速效鉀(AK)的平均含量分別為80.46、33.52和312.81 mg·kg-1，有效磷變幅相對(duì)較小，而速效鉀具有較大的變動(dòng)幅度。

在經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法中，常用變異系數(shù)(c.v.)從整體上來(lái)衡量測(cè)定值的變異程度。從表1可知，研究區(qū)域內(nèi)不同土壤養(yǎng)分變異情況不同，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀均屬中度變異，它們的變異系數(shù)分別為37.80 %、45.14 %、75.25 %、96.40 %和52.32 %，變異程度由大到小依次為：有效磷>堿解氮>速效鉀>全氮>有機(jī)質(zhì)。由偏度系數(shù)和峰度系數(shù)以及K-S檢驗(yàn)結(jié)果分析可知，有機(jī)質(zhì)和全氮為正態(tài)分布，堿解氮、有效磷和速效鉀為對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

3.2 土壤養(yǎng)分空間變異分析

3.2.1 半方差函數(shù)分析 通過(guò)對(duì)渭干河-庫(kù)車(chē)河三角洲綠洲耕層土壤養(yǎng)分進(jìn)行的半方差函數(shù)分析(表2)，結(jié)果顯示：有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀的最適模型為球狀模型，全氮和有效磷以指數(shù)模型擬合效果最佳，模型決定系數(shù)均在0.6以上，殘差均小于0.1，模型擬合效果較好。

從表2可以看出，研究區(qū)耕層土壤各養(yǎng)分的塊金值(C0)均較小，表明在本研究尺度上由試驗(yàn)誤差和小于試驗(yàn)取樣尺度上由耕作、施肥、管理水平等隨機(jī)因素所引起的隨機(jī)誤差較小。全氮的塊金值最小，說(shuō)明其受隨機(jī)因素影響較小?；_(tái)值(C0+C)可以反應(yīng)土壤養(yǎng)分在研究區(qū)域內(nèi)的空間變異程度，本試驗(yàn)中5種養(yǎng)分含量的基臺(tái)值在0.031～0.740，其中全氮的基臺(tái)值最小，有效磷的基臺(tái)值最大。塊金效應(yīng)(C0/C0+C)小于25 %表明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的相關(guān)性，在25 %～75 %之間指示具有中等空間相關(guān)性，大于75 %則指示其空間相關(guān)性很弱[11]。研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分速效鉀含量的塊金效應(yīng)為74.9 %，表明速效鉀具有中等空間相關(guān)性，其空間分異是由結(jié)構(gòu)性因素(母質(zhì)、地形、土壤類型等自然因素)和耕作、施肥、作物栽培管理等隨機(jī)性因素共同作用的結(jié)果；而其它各項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)的塊金效應(yīng)都大于75 %，表現(xiàn)出在采樣尺度內(nèi)有較弱的空間相關(guān)性，且主要受隨機(jī)性因素如耕作、施肥、點(diǎn)源污染等人為活動(dòng)的影響。

表1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)特征值

注：顯著水平為0.05； LN表示對(duì)數(shù)正態(tài)分布型，N表示正態(tài)分布型。

Note: Significant level is 0.05. LN means logarithmic normal distribution, N means normal distribution.

表2 半方差函數(shù)模型參數(shù)

變程反映了土壤因子發(fā)生空間變異的尺度大小及空間自相關(guān)性的強(qiáng)弱。從表中數(shù)據(jù)顯示：速效鉀的變程最大，為14.043 km，說(shuō)明它的空間變異尺度相對(duì)較大，在這個(gè)變程范圍的空間相關(guān)性較強(qiáng)。堿解氮的變程最小，為0.125 km，說(shuō)明在相同尺度下堿解氮具有明顯的空間變異性，空間分布特征較為復(fù)雜。

3.2.2 土壤養(yǎng)分空間插值分析 Kriging插值方法利用區(qū)域變量的原始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)未采樣點(diǎn)的區(qū)域化變量的取值進(jìn)行線性無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)，其結(jié)果平滑了變量的原始數(shù)據(jù)，使得大值降低，小值增高，從而減少了變量的突然變化[12]。為了更直觀地了解渭干河-庫(kù)車(chē)河三角洲綠洲土壤養(yǎng)分元素的空間格局分布特征，在所得半方差函數(shù)理論模型的基礎(chǔ)上，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀采用普通Kinging插值法進(jìn)行空間插值，并繪制研究區(qū)土壤養(yǎng)分元素的空間插值圖。

OM為有機(jī)質(zhì)；TN為全氮；AN為堿解氮；AP為有效磷；AK為速效鉀圖2 土壤養(yǎng)分空間分布Fig.2 The spatial distribution of soil nutrients

指標(biāo)海拔 AltitudepH電導(dǎo)率EC有機(jī)質(zhì)OM全氮TN堿解氮AN有效磷AP速效鉀AK海拔 Altitude1pH0.205*1電導(dǎo)率 EC-0.445**-0.635**1有機(jī)質(zhì) OM0.0590.013-0.1231全氮 TN0.252**0.082-0.294**0.704**1堿解氮 AN-0.022-0.168*0.1490.516**0.432**1有效磷 AP0.001-0.1540.1230.359**0.333**0.395**1速效鉀 AK-0.203*-0.351**0.628**0.301**0.0480.313**0.219**1

注：*表示在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**表示在0.01 水平(雙側(cè)檢驗(yàn))上顯著相關(guān)。

Note: * indicates significant correlation at the level of 0.05(bilateral test); **indicates significant correlation at the level of 0.01(bilateral test).

由圖2可以看出，渭干河-庫(kù)車(chē)河三角洲綠洲耕層土壤的有機(jī)質(zhì)在綠洲東南部區(qū)域有最高水平的分布，在綠洲西部區(qū)域含量相對(duì)較低，這主要與地勢(shì)有關(guān)，東南部海拔低，西部海拔高；總體上全區(qū)耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量在3.73～24.07g·kg-1之間發(fā)生變化。全氮在綠洲的中部有較高含量的分布，含量最低處分布在綠洲西部與東北部，與有機(jī)質(zhì)的分布有一定的相似性，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)的分解速率會(huì)影響土壤中氮素的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化。堿解氮的含量大致從南部向北部遞減，高值中心和低值中心呈斑塊狀分布；在研究區(qū)域內(nèi)有效磷上呈條帶狀由南向北遞減，分布較均勻；速效鉀的含量在東西方向上變化趨勢(shì)明顯、從東向西逐步降低，綠洲西北方向的含量顯著低于東南方向。從整個(gè)三角洲綠洲來(lái)看，各養(yǎng)分指標(biāo)東部和南部養(yǎng)分含量較高，而西部和北部較低，有較為明顯的空間分異特征。

3.3 影響因素分析

利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)渭干河-庫(kù)車(chē)河三角洲綠洲耕層土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀與地形因子中的海拔高度以及土壤pH與電導(dǎo)率進(jìn)行相關(guān)分析，考察它們之間的相互關(guān)系，以便確定影響土壤肥力的主要因素。各指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3，海拔與土壤pH、全氮之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系，而與電導(dǎo)率和速效鉀有較為顯著的負(fù)相關(guān)性，說(shuō)明隨著海拔高度的不同，土壤的酸堿性以及氮、鉀元素具有顯著的差異。土壤pH與電導(dǎo)率、堿解氮以及速效鉀之間均呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)性，說(shuō)明土壤酸性環(huán)境將更利于土壤鹽分和養(yǎng)分的蓄積。土壤中的電導(dǎo)率與全氮呈顯著的負(fù)相關(guān)，而與速效鉀之間具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮與有效磷兩兩之間具有極顯著的正相關(guān)性，速效鉀與全氮之間相關(guān)關(guān)系不顯著，而與有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效磷具有極顯著的正相關(guān)性。從上述相關(guān)分析結(jié)果可知，海拔、土壤pH值和電導(dǎo)率對(duì)土壤肥力具有顯著影響。

4 結(jié)論與討論

研究土壤養(yǎng)分的空間分異能更好地了解各種因素對(duì)土壤肥力的影響，預(yù)測(cè)土壤肥力的變化規(guī)律，從而為合理研究、平衡施肥和防治土壤退化提供理論依據(jù)。本文以渭干河-庫(kù)車(chē)河三角洲綠洲為例，基于野外調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)綠洲耕層土壤養(yǎng)分的空間分異特征進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下。

(1)研究區(qū)耕層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀為中等程度的空間變異，它們的變異程度也表現(xiàn)出較大差異，變異程度由大到小依次為：有效磷>堿解氮>速效鉀>全氮>有機(jī)質(zhì)。

(2)研究區(qū)內(nèi)耕層土壤養(yǎng)分除速效鉀具有中等空間相關(guān)性外，其它各項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)(有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和有效磷)的塊金效應(yīng)都大于75 %，在采樣尺度內(nèi)具有較弱的空間相關(guān)性，且受隨機(jī)性因素如耕作、施肥、點(diǎn)源污染等人為活動(dòng)的影響較大。

(3)有機(jī)質(zhì)在綠洲東南部區(qū)域有較高水平的分布，在綠洲西部區(qū)域含量相對(duì)較低；全氮在綠洲的中部有較高含量的分布；堿解氮的含量大致從南部向北部遞減，并呈斑塊狀分布；整體上，有效磷由南向北呈條帶狀遞減；速效鉀的含量在東西方向上變化趨勢(shì)明顯、從東向西逐步降低。各養(yǎng)分指標(biāo)均表現(xiàn)為東部和南部養(yǎng)分含量較高，而西部和北部較低，有較為明顯的空間分異特征。

(4)通過(guò)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，在不同的海拔高度和土壤酸堿環(huán)境下，土壤養(yǎng)分元素的含量呈現(xiàn)出顯著的差異，土壤中鹽基離子含量的高低對(duì)土壤養(yǎng)分的積累具有顯著的影響。可見(jiàn)，影響土壤肥力的結(jié)構(gòu)性因素主要是地形條件與土壤母質(zhì)中鹽基離子含量的多少，而隨機(jī)因素主要是人為活動(dòng)造成的土壤酸堿環(huán)境的改變。

由于受母質(zhì)、氣候、水文條件、地形以及土壤質(zhì)地等因素的影響，耕層土壤養(yǎng)分的區(qū)域特性和空間變異規(guī)律非常明顯。同時(shí)，耕作、施肥方式以及種植制度等人類活動(dòng)的影響也是土壤養(yǎng)分產(chǎn)生空間分異的重要原因[13-15]。

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