李月梅

(1.青海大學農(nóng)林科學院土壤肥料研究所，青海 西寧 810016；2.青海省高原作物種質(zhì)資源創(chuàng)新與利用國家重點實驗室培育基地，青海 西寧 810016；3.農(nóng)業(yè)部西寧農(nóng)業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，青海 西寧 810016)

【研究意義】自20世紀70年代以來，土壤養(yǎng)分的空間變異已逐漸成為研究熱點[1-2]，其作為土壤的重要屬性之一，是由土壤類型、地形、母質(zhì)以及土地利用方式、人為耕作管理措施等各種因素在不同方向和尺度上共同作用的結(jié)果[3]。柴達木盆地是我國近年來發(fā)展起來的新興枸杞種植區(qū)，自本世紀初開始大規(guī)模引進枸杞以來，其種植面積逐漸擴大。當?shù)卣畬⑵淞腥爰哟筠r(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，加快農(nóng)牧民增收、推動防沙治沙及生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)的重點工程之一，目前枸杞已成為當?shù)貎?yōu)勢特色產(chǎn)業(yè)[4]。針對這種現(xiàn)狀，研究柴達木盆地枸杞種植區(qū)土壤養(yǎng)分狀況及其空間變異特征具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】部分學者對柴達木盆地土壤性質(zhì)開展了一些研究[5-6]。研究表明，青海柴達木盆地唐古特白刺分布區(qū)域土壤養(yǎng)分含量存在顯著空間變異性，土層深度對土壤養(yǎng)分含量有顯著影響，但各養(yǎng)分指標含量隨土層深度變化規(guī)律不明顯。陳輝[6]通過采集柴達木盆地東部青藏公路沿線典型植被類型的樣地土壤對柴達木盆地東部土壤有機質(zhì)分布規(guī)律開展了研究?！颈狙芯壳腥朦c】枸杞產(chǎn)量與品質(zhì)的高低與土壤養(yǎng)分關(guān)系密切，但目前關(guān)于整個柴達木盆地枸杞種植區(qū)域土壤養(yǎng)分及其空間變異研究尚未見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此，從改善柴達木盆地生態(tài)環(huán)境、提高經(jīng)濟林(枸杞)產(chǎn)量，以及保持農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，運用地理信息系統(tǒng)和地統(tǒng)計分析相結(jié)合的方法研究柴達木盆地枸杞種植區(qū)土壤主要養(yǎng)分的空間變異特征，對于該地區(qū)農(nóng)林業(yè)土壤合理利用和施肥管理決策提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)基本概況

柴達木盆地地跨北緯 35′00″～ 39′20″，東經(jīng)90′16″～99′16″，海拔 2675～ 3350 m，總面積約24.68×104km2，是我國著海拔最高的高原斷陷內(nèi)陸盆地。盆地氣候極度干燥少雨，冬季寒漫長，夏季涼爽短促，四季不分明，屬典型的大陸性氣候。四周高山環(huán)繞，氣溫垂直變化和水平分帶明顯。年平均氣溫在1.1～5.1 ℃，晝夜氣溫變化大，日較差最大值達30 ℃以上；≥0 ℃連續(xù)積溫 2000～2800 ℃，持續(xù)日數(shù) 190～218 d。全盆地年平均日照時數(shù)在3000 h以上，年蒸發(fā)量2200～3500 mm，且呈現(xiàn)出由東向西遞增的趨勢。

柴達木盆地從四周高山至盆心，分為5個自然帶：即大斷裂高山碎石帶、山前戈壁沙礫帶、洪積傾斜細土平原帶、河湖上沿草甸鹽土帶、洪積扇下沿湖濱鹽沼帶[7]。其中細土平原帶是盆地發(fā)展農(nóng)牧業(yè)的精華地帶，分布高程在海拔2700～3200 m之間，為沖、洪積平原，地勢平坦，面積約47.18萬hm2，占盆地土地總面積的9.6 %，水土、氣候條件較好。20世紀80年代以來在細土平原帶上已開發(fā)耕地面積約為4.74萬hm2，主要分布在盆地東部和南部山前細土帶和北部祁連山麓的山間盆地細土帶，擁有德令哈、察汗烏蘇、香日德、諾木洪、格爾木等綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，在青海省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中具有重要的地位[8]。目前盆地內(nèi)約有45萬667m2枸杞園均建植在細土平原帶上。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤采集與分析 2015年選擇青海省海西蒙古族自治州的德令哈市、都蘭縣、格爾木市和烏蘭縣各枸杞主產(chǎn)區(qū)土壤類型和肥力具有代表性的種植園，采用GPS定位技術(shù)采集耕層混合土壤樣品，土壤樣品采集深度0～20 cm，每個樣品由 5 個采樣點的混合而成，用四分法保留 約1.5 kg，并記錄調(diào)查該樣點的枸杞苗齡、原土地利用方式、施肥情況、田間管理、灌溉制度等情況。共采集土壤樣品291個，土壤樣品采集后帶回實驗室，經(jīng)自然風干后，揀出礫石及植物根系等雜物，將土樣磨細后分別過1、0.25、0.149 mm篩后制成待測樣，用于土壤測定(圖1)。

土壤養(yǎng)分含量測定采用常規(guī)分析方法進行測定，測定指標主要包括：pH值、有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀。其中土壤 pH值 采用電位法(水土比為2.5∶1 )測定；有機質(zhì)采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；速效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用乙酸銨浸提火焰光度法測定。

圖1 柴達木盆地枸杞種植區(qū)土壤樣點分布Fig.1 Map of soil sampling sites in wolfberry planting area of Qaidam basin

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 本研究的數(shù)據(jù)分析采用Fisher統(tǒng)計學和地統(tǒng)計學相結(jié)合的方法，涉及地統(tǒng)計學的主要包括半方差函數(shù)和半方差函數(shù)模型[9]，地統(tǒng)計學方法是研究空間變異性的一種重要方法，是以區(qū)域化變量為核心和理論基礎(chǔ)，以空間相關(guān)和半方差函數(shù)為基本工具的一種數(shù)學地質(zhì)方法[10]。半方差函數(shù)和半方差函數(shù)模型的參照王政權(quán)[9]、王學鋒[10]的文獻。本文主要采用線性模型、指數(shù)模型、球形模型和高斯模型等半方差模型進行描述，綜合考慮決定系數(shù)R2最大、殘差最小以選出最優(yōu)半方差函數(shù)模型[12]。

本研究采用GS+7.0用于分析半方差函數(shù)選擇合適的半方差模型、輸出半方差函數(shù)圖；通過SPSS軟件檢驗；出各養(yǎng)分指標的分布是否符合正態(tài)分布，運用軟件ArcGIS10.3完成地統(tǒng)計學分析和Kriging插值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分的統(tǒng)計特征

由表1顯示，用Fisher經(jīng)典統(tǒng)計方法來判別樣本分布類型統(tǒng)計中數(shù)、均值、標準差、變異系數(shù)等，在一定程度上反映研究區(qū)域總體養(yǎng)分水平及變異狀況，柴達木盆地枸杞種植區(qū)土壤pH值中性偏堿，平均值為8.4。土壤有機質(zhì)的平均含量為11.18 g·kg-1，堿解氮為147.24 mg·kg-1，速效磷為23.38 mg·kg-1，速效鉀為189.3 mg·kg-1。依據(jù)全國第二次土壤普查時的青海省土壤養(yǎng)分分級標準及海西州養(yǎng)分分級標準，對各項土壤養(yǎng)分指標的平均含量進行分級，試驗區(qū)土壤有機質(zhì)屬中等水平，堿解氮屬高水平；土壤速效磷和速效鉀的平均含量屬于高水平范圍。從變異系數(shù)看，研究區(qū)域內(nèi)土壤各指標存在不同程度的變異，變異范圍在4.3 %～118.9 %。速效磷和堿解氮的變異系數(shù)處于最高，分別高達118.9 %和118.4 %，pH值變異系數(shù)最低，為4.3 %，有機質(zhì)和速效鉀的變異系數(shù)居于兩者之間，分別為67.4 %和65.2 %。

土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計分析方法只能說明養(yǎng)分含量變化的全貌，不能反映土壤養(yǎng)分的結(jié)構(gòu)性、隨機性、相關(guān)性和獨立性，因此必須進一步采用地統(tǒng)計學分析進行土壤養(yǎng)分含量的空間變異結(jié)構(gòu)的分析和探討[13]。

2.2 土壤養(yǎng)分空間變異特征

如表2所示，在土壤養(yǎng)分空間變異研究中，準確估算土壤某一養(yǎng)分半方差函數(shù)模型是關(guān)鍵所在，因為半方差函數(shù)反映了土壤養(yǎng)分的空間變異結(jié)構(gòu)，直接影響土壤養(yǎng)分克立格插值計算[14]?；仔?yīng)[C0/(C+C0) ]一般用來表征空間變異性程度[9]。如果該比值較高，說明由隨機部分引起的空間變異程度較大；相反則由空間自相關(guān)部分引起的空間變異程度較大；如果該比值接近1，則說明該變量在整個尺度上具有恒定的變異[15]。按照區(qū)域化變量空間相關(guān)性程度的分級標準[16]，變量基底效應(yīng)< 25 %時，具有強烈的空間相關(guān)性，在25 %～75 %，變量具有中等的空間相關(guān)性，> 75 %時，變量的空間相關(guān)性較弱。本研究中，基底效應(yīng)大于70 %的養(yǎng)分指標為速效磷，表明空間相關(guān)性較弱，其變異也主要來自施肥、灌溉、取樣等隨機變異；基底效應(yīng)小于25 %的為pH、有機質(zhì)和速效鉀，表明這些變量具有強烈的空間相關(guān)性，其變異主要來自土壤母質(zhì)、氣候、地形等系統(tǒng)變異；比值在25 %～75 %之間為堿解氮，表明具有中等空間相關(guān)性，其變異來自于隨機變異和系統(tǒng)變異的雙重作用。

表1 土壤養(yǎng)分含量的描述性統(tǒng)計

表2 土壤各養(yǎng)分指標半方差參數(shù)及模型

圖2 土壤養(yǎng)分和pH的半方差函數(shù)圖Fig.2 Semivariograms of soil nutrients

柴達木盆地不同土壤養(yǎng)分及其它屬性的空間變異結(jié)構(gòu)存在差異。從基底效應(yīng)[C0/(C+C0) ]的大小比較來看，柴達木盆地枸杞種植區(qū)土壤中各養(yǎng)分指標及pH值的空間相關(guān)性大小順序為速效磷>堿解氮>有機質(zhì)>pH值>速效鉀，說明有機質(zhì)、pH值和速效鉀的空間結(jié)構(gòu)性要優(yōu)于堿解氮和速效磷。從變程大小可以看出，總體上柴達木盆地枸杞種植區(qū)土壤各養(yǎng)分指標的空間相關(guān)性范圍為2.56～210.23 km，速效鉀、有機質(zhì)和pH值較速效磷小得多，這說明速效鉀、有機質(zhì)和pH值在小范圍內(nèi)的空間相關(guān)性強。就擬合的模型類型而言，屬于指數(shù)模型的為堿解氮、速效鉀、有機質(zhì)和pH值，而速效磷屬于線性模型；從決定系數(shù)和養(yǎng)分的半方差圖2可見，除了速效磷和堿解氮外，有機質(zhì)、pH值和速效鉀半方差函數(shù)模型的擬合度均較高。表明有機質(zhì)、pH值和速效鉀這3個主要土壤指標具有一定的漸變性分布規(guī)律，這與柴達木盆地枸杞種植區(qū)的地形地貌、土壤類型等的地帶性分布規(guī)律相關(guān)。

2.3 土壤養(yǎng)分空間分布

土壤養(yǎng)分空間分布圖是反映土壤養(yǎng)分狀況的應(yīng)用圖件，是測土配方平衡施肥及數(shù)字農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。它能以定量指標和定位方式，直觀地反映研究區(qū)域內(nèi)土壤養(yǎng)分含量狀況和分布規(guī)律。為了更準確的描述土壤各養(yǎng)分指標在空間上的分布狀況以及在柴達木盆地地區(qū)等級上的差異，本研究根據(jù)以上半方差函數(shù)的擬合數(shù)據(jù)對其進行了Kriging插值，得到各養(yǎng)分指標含量的分布 (圖3)。結(jié)果表明：有機質(zhì)含量大部分都分布在2.64～17.1 g·kg-1范圍內(nèi)，占到了總面積的85.0 %；速效磷含量大部分集中在1.8～25.8 mg·kg-1范圍內(nèi)，占總面積的82.2 %；堿解氮含量分布在4～203 mg·kg-1范圍內(nèi)占據(jù)了相當大的面積，為86.7 %；速效鉀含量則大部分集中在52～338 mg·kg-1范圍內(nèi)，占到了總面積的89.2 %。從圖3可以看出，有機質(zhì)的總體空間分布趨勢表現(xiàn)為從東向西逐漸下降；pH值的空間分布趨勢表現(xiàn)為從東向西逐漸增加；速效磷的分布呈現(xiàn)出格爾木市高于德令哈市、都蘭縣和烏蘭縣的趨勢；速效鉀的空間分布趨勢表現(xiàn)為東、西兩端高，中間低的趨勢；與其它指標相比，可以直觀看出堿解氮在格爾木市、德令哈市、都蘭縣和烏蘭縣 4 個種植區(qū)表現(xiàn)出明顯的養(yǎng)分集聚現(xiàn)象。

3 討 論

20世紀90年代以來，地統(tǒng)計學和GIS、GPS的結(jié)合在研究土壤養(yǎng)分空間變異研究方面得到了廣泛應(yīng)用，許多研究表明這種方法的應(yīng)用與Fisher經(jīng)典統(tǒng)計方法比較，可以更好地揭示土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律[ 1-3，11，14-15，17]。不同的空間尺度，由于促成其空間變異的主導(dǎo)因素不同，形成了特定的空間分布格局。由于不同尺度土壤空間變異研究應(yīng)用的目的不同，例如大尺度的土壤空間變異研究可以改進和創(chuàng)新土壤分類系統(tǒng)，提高土壤調(diào)查制圖的質(zhì)量[18]；中小尺度的土壤空間變異研究有利于合理布局種植結(jié)構(gòu)和改善田間管理[19]，因此目前多數(shù)研究都明確指出其選擇的空間尺度以確定其管理策略。

圖3 養(yǎng)分空間插值分布圖Fig.3 Variational maps of nutrients

在本研究中，柴達木盆地東西兩端約跨十個經(jīng)度、800余km，屬于大尺度研究區(qū)域，土壤生物氣候帶的分布由東向西呈現(xiàn)地帶更替，即荒漠草原棕鈣土地帶、灰棕荒漠土地帶、石膏灰棕漠土地帶依次排列，這種分布格局與有機質(zhì)從東向西逐漸下降的空間分布特征相一致。pH值的空間分布表現(xiàn)為從東向西逐漸增加，這與盆地地形東高西低的分布相符合。金繼運等[20]指出在大尺度上影響土壤養(yǎng)分變異的因素主要是一些區(qū)域因素，如氣候條件、地形地貌、土壤類型等，本文研究結(jié)果與此論點相符。有機質(zhì)作為一個重要的土壤質(zhì)量指標，其變異主要來自土壤母質(zhì)、氣候、地形等系統(tǒng)變異，本研究中有機質(zhì)的基底效應(yīng)值為16.6 %，具有強烈的空間自相關(guān)性，這與趙之重[21]研究結(jié)果相一致。

格爾木種植區(qū)的速效磷含量明顯高于其它3個種植區(qū)，其基底效應(yīng)值在84.3 %，空間相關(guān)性較弱，據(jù)課題組2012-2015年開展的盆地枸杞種植區(qū)肥料現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，格爾木市速效磷平均含量為28 mg·kg-1，高出其它3個地區(qū)，調(diào)查中出現(xiàn)的速效磷最大值126 mg·kg-1亦出現(xiàn)在格爾木種植區(qū)，與第二次土壤普查時[22]相比，柴達木盆地土壤速效磷含量由10 mg/kg增至20 mg·kg-1，說明土壤速效磷含量極易受到施肥水平影響而有所變化，而且格爾木枸杞種植區(qū)偏施磷肥現(xiàn)象嚴重，應(yīng)依據(jù)土壤測試結(jié)果開展科學施肥?？梢灾庇^看出堿解氮的空間格局分布亦明顯受到人類活動(例如施肥)影響，在格爾木市、德令哈市、都蘭縣和烏蘭縣 4 個種植區(qū)表現(xiàn)出明顯的養(yǎng)分集聚現(xiàn)象。本研究中pH值的基底效應(yīng)為8.4 %，空間相關(guān)性強烈，變異系數(shù)僅為4.3 %；史利江[23]的研究表明，堿解氮和有效磷的空間相關(guān)性較弱，施肥等隨機因素對其具有較為明顯的影響；有機質(zhì)和pH值表現(xiàn)出強烈的空間相關(guān)性，表明其空間變異主要受土壤類型、母質(zhì)、地形等結(jié)構(gòu)性因素的影響，王宏庭[15]等的研究表明：受農(nóng)業(yè)傳統(tǒng)施肥措施影響較大的N、P等變異相對較大；而傳統(tǒng)施肥投入較少的養(yǎng)分(K、Cu、Fe 等)土壤變異相對較小。

利用地統(tǒng)計學方法探討柴達木盆地枸杞種植區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異特征，對于該區(qū)域土壤肥力和養(yǎng)分管理工作具有重要的參考價值。由于柴達木盆地地域所屬的獨特性和范圍的廣闊性，本次研究在大尺度范圍開展了土壤養(yǎng)分空間變異研究，但未對中小尺度層面開展探索，有待下一步開展相關(guān)工作，并將研究成果與施肥管理結(jié)合，應(yīng)用于生產(chǎn)實際。

4 結(jié) 論

(1)在柴達木盆地枸杞種植區(qū)調(diào)查的5項土壤養(yǎng)分指標中，變異系數(shù)最小的是pH值，僅為4.3 %；其次是有機質(zhì)和速效鉀，變異系數(shù)分別為67.4 %和65.2 %；速效磷和堿解氮的變異系數(shù)最大，分別達到118.9 %和118.4 %，這主要與枸杞種植區(qū)農(nóng)戶大量偏施氮、磷肥有關(guān)。

(2)采用地統(tǒng)計學的半方差函數(shù)方法研究了土壤5項養(yǎng)分指標的空間變異結(jié)構(gòu)，速效磷空間相關(guān)性較弱，其基底效應(yīng)[C0/(C+C0)]為84.3 %，其變異主要來自施肥、灌溉、取樣等隨機變異；堿解氮具有中等的空間相關(guān)性，其基底效應(yīng)[C0/(C+C0)]為49.0 %，空間分布格局是由結(jié)構(gòu)性和隨機性變異共同作用的結(jié)果；pH值、有機質(zhì)和速效鉀這3個變量具有強烈的空間相關(guān)性，其基底效應(yīng)[C0/(C+C0)]分別為8.4 %、10.8 %和16.6 %；其變異主要來自土壤母質(zhì)、氣候、地形等結(jié)構(gòu)性系統(tǒng)變異。

(3)通過Kriging插值制作的土壤養(yǎng)分圖，直觀反映了柴達木盆地枸杞種植區(qū)土壤空間分布情況。有機質(zhì)表現(xiàn)為從東向西逐漸下降，pH值表現(xiàn)為從東向西逐漸增加，速效鉀表現(xiàn)為東、西兩端高，中間低的趨勢，這主要與土壤類型的空間分布和盆地地形有關(guān)；速效磷表現(xiàn)為格爾木市高于德令哈市、都蘭縣和烏蘭縣的趨勢，堿解氮在4大種植區(qū)呈現(xiàn)養(yǎng)分集聚現(xiàn)象，這主要受到施肥等因素的明顯影響。