董 悅,張永清,劉彩彩

山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,臨汾 041000

土壤養(yǎng)分指的是主要靠土壤提供的植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素,是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。氮、磷、鉀三種元素是植物需要量多而土壤中含量較少的元素,往往被認(rèn)為是土壤養(yǎng)分的三要素[2]。土壤屬性具有復(fù)雜的空間變異性和非平穩(wěn)性[3],土壤養(yǎng)分空間變異特性直接影響著土壤生產(chǎn)力的高低以及生態(tài)恢復(fù)的途徑和方向,充分了解土壤養(yǎng)分、尤其是三要素的空間變異規(guī)律是土壤養(yǎng)分管理、合理施肥乃至調(diào)整種植制度的基礎(chǔ)。眾多的研究表明,土壤在形成和演化過程中受多種時(shí)空尺度環(huán)境因素(氣候、土地利用、海拔、地貌地形等)的控制,因此土壤養(yǎng)分的空間變異特征十分復(fù)雜[4]。隨著GIS的發(fā)展,將其與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法已經(jīng)成為熱點(diǎn)[5]。郭旭東等[6]、謝花林等[7]、余新曉等[8]均對土壤養(yǎng)分空間變異進(jìn)行了相應(yīng)的研究,張偉等[9]、王宗明等[10]對土壤養(yǎng)分空間分布的影響因素進(jìn)行了分析。但是綜觀前人已有的研究,有關(guān)山西省土壤養(yǎng)分空間分布規(guī)律的研究尚不多見。山西省不僅農(nóng)耕歷史悠久,而且土壤所處的地形及其利用方式復(fù)雜多樣,研究土壤養(yǎng)分的時(shí)空分布更有利于揭示其影響因素。為此,以農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化居山西省領(lǐng)先位置的晉中市土壤為研究對象,運(yùn)用GIS技術(shù),探討晉中市表層土壤(0—20 cm)有機(jī)質(zhì)(Soil Organic Matter, SOM)、全氮(Total N,TN)、全磷(Total P,TP)和全鉀(Total K,TK)的空間分布特征及其影響因子,旨在進(jìn)一步充實(shí)晉中市土壤研究的相關(guān)內(nèi)容,并最終為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

晉中市地理坐標(biāo)為111°25′—114°05′E,36°40′—38°06′N[11],地處太行山脈中段與汾河之間,屬暖溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候,土壤類型主要有淋溶褐土、褐土性土、石灰性褐土、潮土、鹽化潮土、中性石質(zhì)土、鈣質(zhì)石質(zhì)土、中性粗骨土等[12]。晉中地區(qū)是山西省糧食、蔬萊、水果、畜牧品等的重要產(chǎn)區(qū)之一,農(nóng)業(yè)居山西省領(lǐng)先位置,生產(chǎn)條件十分優(yōu)越,農(nóng)業(yè)科技含量較高,農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力較強(qiáng),農(nóng)業(yè)優(yōu)勢突出[13]。

1.2 土壤養(yǎng)分的測試方法與研究數(shù)據(jù)的處理

為了更好地探討晉中市不同利用類型土壤SOM及主要營養(yǎng)元素的空間分布特征,應(yīng)用ArcGIS網(wǎng)格布點(diǎn)方法,在研究區(qū)1∶25萬電子地圖上統(tǒng)一劃分網(wǎng)格,不同土地利用類型采用不同的網(wǎng)格密度,每點(diǎn)以S型采取5個(gè)樣點(diǎn)0—20 cm的土壤樣品并進(jìn)行混合,土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干,棄除動(dòng)植物殘?bào)w、石塊等,風(fēng)干樣品磨細(xì)過100目篩裝入密封袋備用,最終得到土壤樣品149個(gè)(具體布點(diǎn)位置圖1)。SOM含量測定采用重鉻酸鉀容量法,TN含量測定采用凱氏定氮法,TP含量測定采用納氏比色分光光度法,TK含量測定采用NaOH熔融火焰光度法。土壤SOM、TN、TP、TK的空間分布圖通過GIS空間插值的反距離權(quán)重分析功能獲得。數(shù)據(jù)分析運(yùn)用IBM SPSS Statistics 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of sampling points

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤SOM及養(yǎng)分含量空間分布狀況

土壤SOM是土壤肥力的重要組成部分,如圖2所示,晉中市土壤SOM含量比較高(大于2%)的地方主要是東部的和順縣、昔陽縣,壽陽縣北部以及西南的祁縣,另外靈石縣也有少部分SOM高含量區(qū)。全市SOM含量大部分處于1%—2%之間,SOM含量大于2.5%的采樣點(diǎn)僅占全體的5.4%,而含量小于1.5%的占全部采樣點(diǎn)比例的63.5%?？梢钥闯鰰x中市土壤SOM的含量水平處于整體偏低的狀況。

土壤中的氮絕大多數(shù)是以有機(jī)態(tài)的形式存在的,由圖3可以看出,晉中市土壤TN含量在空間分布上基本與土壤SOM含量的分布吻合,TN含量高于0.12%的高值區(qū)多分布在東部的和順縣和西南的祁縣；低值區(qū)主要在西北部連片分布,西部的TN分布也相對較低。

圖2 晉中市土壤有機(jī)質(zhì)分布Fig.2 Soil organic matter distribution in Jinzhong

圖3 晉中市土壤全氮分布Fig.3 Total N distribution of soil in Jinzhong

作為農(nóng)作物生長所必需的大量養(yǎng)分元素之一,土壤中磷的供給狀況直接影響著農(nóng)作物的生長[14]。有研究表明,土壤磷素才是黃土高原地區(qū)土壤肥力的起動(dòng)因子[15],只有當(dāng)土壤中磷素含量達(dá)到一定的水平時(shí),施用其他肥料才能實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的作用。由圖4可以看出,晉中市TP含量高于0.11%的地區(qū)集中出現(xiàn)在太谷縣西部、祁縣以及壽陽縣西南部,其他約占全部采樣點(diǎn)96.6%的地區(qū)TP含量均低于0.11%。前人的研究結(jié)果表明,土壤有效磷比全磷受人為影響更顯著[16],全磷含量高的土壤,有效磷不一定高,但全磷含量低的土壤,一般有效磷含量也不高。

圖4 晉中市土壤全磷分布Fig.4 Total P distribution of soil in Jinzhong

雖然在黃土高原地區(qū)土壤有“缺氮、少磷、鉀充足”之說,但隨著作物產(chǎn)量的提高及喜鉀類作物種植面積的增大,尤其是近年來人們對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的重視,鉀作為影響品質(zhì)的重要因素而日益受到重視[17-18]。圖5結(jié)果表明,晉中市TK含量高的地區(qū)較少且分布非常集中,TK含量大于2.6%的地區(qū)主要集中在左權(quán)縣中部和太谷縣東北部地區(qū),僅占全部采樣點(diǎn)的1.34%,其余地區(qū)的TK含量均低于2.6%。

圖5 晉中市土壤全鉀分布Fig.5 Total K distribution of soil in Jinzhong

2.2 不同縣域土壤pH值及養(yǎng)分含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析

晉中市土壤pH值在各區(qū)縣的差異不大,表現(xiàn)為介休市<左權(quán)縣<榆社縣<和順縣<榆次縣<祁縣<太谷縣<壽陽縣<平遙縣<昔陽縣<靈石縣(表1),土壤整體呈堿性,pH值平均為7.97,變化范圍為7.22—8.69。進(jìn)一步分析結(jié)果表明,同一行政區(qū)域內(nèi)不同利用方式的土壤pH及養(yǎng)分也有差異。

表1結(jié)果顯示,晉中市土壤SOM含量在各區(qū)縣中表現(xiàn)為太谷縣<榆社縣<靈石縣<平遙縣<昔陽縣=左權(quán)縣<榆次縣<壽陽縣<祁縣<介休市<和順縣,平均為1.42%,變化范圍是0.19%—3.94%；各區(qū)縣的TN含量表現(xiàn)為太谷縣=靈石縣<榆社縣=左權(quán)縣=昔陽縣=平遙縣<榆次縣<壽陽縣=祁縣=介休市<和順縣,平均含量為1.42%,變化范圍是0.01%—0.19%；土壤TP含量則是左權(quán)縣=昔陽縣=平遙縣<榆社縣=和順縣=靈石縣<榆次縣=壽陽縣=介休市<太谷縣<祁縣,平均含量0.07%,測量范圍0.03%—0.14%；土壤TK含量的變化趨勢為介休市<靈石縣<平遙縣<昔陽縣<壽陽縣<榆次縣<榆社縣<和順縣<祁縣<太谷縣<左權(quán)縣,平均含量為1.97%,變化范圍是1.43%—3.44%。

表1 晉中市土壤性質(zhì)描述性分析表

根據(jù)國家土壤第二次普查的養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)(表2),晉中市的表層土壤SOM、TN、TP含量平均水平分別為四級、四級、五級,SOM含量變化跨度為2—6級,TN含量變化跨度為2—6級,TP含量變化跨度為3—6級。晉中市表層土壤SOM、TN和TP含量屬于中等偏低水平。TK含量平均水平為三級,含量變化跨度為1—4級,因此,晉中市的表層土壤TK含量屬于較高水平。

表2 土壤養(yǎng)分分級表

引自第二次全國土壤普查分級標(biāo)準(zhǔn)[19]

2.3 土壤養(yǎng)分含量與海拔、用地類型的相關(guān)性分析2.3.1 土壤養(yǎng)分含量與海拔相關(guān)分析

地形是影響土壤發(fā)育的重要因素之一,海拔的不同會(huì)引起氣溫、降雨量、濕度等不同,進(jìn)而導(dǎo)致動(dòng)植物種類和微生物活動(dòng)狀況存在差異,這些條件又會(huì)反過來影響表層土壤中各種化學(xué)元素的變化,使土壤養(yǎng)分含量出現(xiàn)差異性。本研究借助ArcGIS軟件空間分析區(qū)域統(tǒng)計(jì)模塊的重分類功能,將海拔因子進(jìn)行分級,計(jì)算不同海拔高度等級條件下的3種土壤養(yǎng)分及SOM含量的平均值,并利用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析,探究研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分與海拔的相關(guān)性。

由表3可以看出,研究區(qū)的海拔高度范圍為733—1742 m,大部分的采樣點(diǎn)集中在733—1500 m的高度內(nèi),海拔增高,SOM的平均含量呈現(xiàn)先增多后減少的趨勢,TN平均含量明顯增多,與SOM和TN的含量相比,隨著海拔高度的增加,TP和TK的平均含量變化趨勢不明顯。

表3 不同海拔的土壤養(yǎng)分平均值

因?yàn)楸?顯示的是某一海拔范圍土壤養(yǎng)分含量的平均值,對養(yǎng)分含量隨海拔變化而變化的趨勢有一定的掩蔽作用,為了進(jìn)一步探明其變化趨勢,將不同海拔范圍內(nèi)各樣點(diǎn)的養(yǎng)分含量實(shí)測值與樣點(diǎn)所處的海拔高程進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果表明(圖6),在1300—1500 m范圍內(nèi),海拔與SOM間呈很好的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.46(r0.05=0.404)；在733—900 m范圍內(nèi)海拔與TP間呈很好的二次曲線關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.459(r0.01=0.372)；在733—900 m范圍內(nèi)海拔與TK間同樣是呈明顯的二次曲線關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.4(r0.01=0.372),達(dá)到了極顯著相關(guān)水平；900—1100 m范圍內(nèi)海拔與TK間呈較好的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.332(r0.05=0.325),達(dá)到了顯著相關(guān)水平。其余海拔范圍內(nèi)養(yǎng)分與海拔間相關(guān)性未達(dá)顯著水平。

圖6 土壤養(yǎng)分與海拔的關(guān)系Fig.6 Relationship between soil nutrients and altitudes

運(yùn)用SPSS的相關(guān)性分析結(jié)果可以看出,在采樣點(diǎn)全部覆蓋的海拔范圍(733—1742 m)內(nèi),海拔與TN含量呈極顯著正相關(guān)(表4),海拔越高,TN含量越高；而SOM、TP和TK與海拔的相關(guān)性不顯著。

表4 土壤養(yǎng)分與海拔相關(guān)系數(shù)

*:P﹤0.05,**:P﹤0.01

2.3.2 土壤養(yǎng)分含量與用地類型相關(guān)分析

在149個(gè)采樣點(diǎn)中,耕地類型最多,有113個(gè),林地15個(gè),未利用地19個(gè),自然保護(hù)區(qū)2個(gè),如表5所示,在前4個(gè)等級的高程中,耕地的SOM、TN、TP平均含量均明顯高于林地、未利用地和自然保護(hù)區(qū),其中TN平均含量差距尤其明顯,主要是由于在耕地中人們重視氮肥的施用,而林地、未利用地和自然保護(hù)區(qū)一般不施用氮肥,所以長期以來耕地的TN含量明顯高于其他用地類型；而耕地中TK平均含量明顯低于其他用地類型,則與土地的利用有關(guān),山下的土地開發(fā)早,山上開發(fā)的比較遲,但當(dāng)?shù)貙︹浀氖┯弥匾暡粔?使得鉀出現(xiàn)了短缺,再加上近年來當(dāng)?shù)剞r(nóng)民信守“缺氮、少磷、鉀充足”的觀念,但隨著產(chǎn)量水平的不斷提高、秸稈還田數(shù)量的不斷減少,以及喜鉀類作物如果樹類、塊根類、葉菜類等作物的種植面積加大,土壤中的鉀在不施鉀肥的情況下已造成明顯的虧缺,這不僅是晉中市的問題,也是全山西省乃至整個(gè)黃土高原地區(qū)土壤施肥過程中應(yīng)該關(guān)注的問題。在1500—1742 m的海拔中耕地的SOM、TN、TP平均含量低于其他用地類型,TK平均含量則與其他用地類型相差不大。海拔高的地方耕地土壤養(yǎng)分含量較低與農(nóng)民的施肥管理也有一定的相關(guān)性,人們對這部分土地可能重視程度不夠,各種肥料的施用量均比較少,甚至還存在“只用不養(yǎng)”的現(xiàn)象。

3 討論與結(jié)論

3.1 關(guān)于海拔高度與不同土壤養(yǎng)分含量間相關(guān)性研究

研究表明,土壤SOM與TN的含量變化會(huì)呈現(xiàn)相同的趨勢[20-24],與海拔的關(guān)系中會(huì)隨海拔升高而增多[20-23],在本研究中,隨海拔高度的增加,不同海拔等級的土壤SOM平均含量呈先增多后減少的趨勢,TN平均含量明顯增多,這與前人研究有所不同,這可能與研究區(qū)本身所處的地理位置及海拔高度的變化范圍有關(guān),有待進(jìn)一步研究。楊秋香等[25]研究了祁連山東段哈溪林區(qū)青海云杉林土壤,發(fā)現(xiàn)TP和TK含量均隨海拔升高而降低,但本研究結(jié)果顯示,不同海拔等級的土壤TP和TK的平均含量變化趨勢不明顯,與樣點(diǎn)覆蓋海拔范圍內(nèi)受人為干擾比較大,使土壤自然狀態(tài)下營養(yǎng)元素含量發(fā)生變化有關(guān)。

表5 高程與土地利用方式影響下土壤養(yǎng)分分布情況

為了進(jìn)一步探明土壤SOM、TN、TP和TK的變化趨勢,將不同海拔范圍內(nèi)各樣點(diǎn)的養(yǎng)分量實(shí)測值與樣點(diǎn)所處的海拔高程進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在海拔1301—1500 m范圍內(nèi),海拔與SOM間呈很好的線性關(guān)系,隨海拔高度的增加SOM含量減少,后續(xù)可通過重新調(diào)整采樣點(diǎn)分布來進(jìn)一步研究；在733—900 m范圍內(nèi)海拔與TP、TK間均呈極顯著的二次曲線關(guān)系,TP和TK含量隨海拔高度的增高先增多,超過800 m開始慢慢減少,由于該海拔范圍內(nèi)耕地類型的采樣點(diǎn)較多,所以受人為干擾較大,海拔較低時(shí)施肥量較多,而800 m之后人類活動(dòng)逐漸減少；在其他海拔高度范圍內(nèi)海拔與土壤養(yǎng)分間相關(guān)性不大。通過相關(guān)性分析得出,海拔與TN含量成極顯著正相關(guān),與前人研究相吻合。

3.2 關(guān)于用地類型對土壤養(yǎng)分含量的影響

不同的土地利用方式?jīng)Q定了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有機(jī)物料和養(yǎng)分的投入不同[26]。徐鵬等[27]發(fā)現(xiàn)土地利用方式對土壤有機(jī)質(zhì)的含量有明顯的影響,王舒等[28]發(fā)現(xiàn)晉西黃土區(qū)不同土地利用方式下土壤SOM含量差異在0—32 cm土層顯著,李新愛等[29]在研究喀斯特地區(qū)時(shí)發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型對土壤TN含量造成顯著差異,陳志超等[30]發(fā)現(xiàn)萬安流域土地利用類型之間TP含量具有顯著差異。本研究結(jié)果表明,在不同的海拔高程范圍內(nèi),土地利用方式對土壤養(yǎng)分含量的影響有所不同,在樣點(diǎn)高程的前四個(gè)等級中,耕地的SOM、TN、TP平均含量均明顯高于林地、未利用地和自然保護(hù)區(qū),其中TN平均含量差距尤其明顯,在1500—1742 m的海拔中耕地的SOM、TN、TP平均含量低于其他用地類型,TK平均含量則與其他用地類型相差不大。

3.3 晉中市土壤養(yǎng)分含量空間分布情況

晉中市土壤pH值平均為7.97,整體呈堿性；SOM和TN含量較高的地區(qū)主要是東部的和順縣以及西南的祁縣,SOM在壽陽縣北部、昔陽縣南部有少量富集,經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),壽陽縣是山西省唯一的奧運(yùn)蔬菜和世博蔬菜生產(chǎn)基地[31],和順縣核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速[32],所以在這兩個(gè)地區(qū)可能是由于人為施肥量大,導(dǎo)致SOM和TN含量明顯富集,而祁縣南部山地大部分被灌木所覆蓋[33],大量枯枝落葉被分解或許是該地SOM含量明顯高于周邊地區(qū)的原因；TP含量高的地區(qū)主要在太谷縣西部、祁縣以及壽陽縣西南部；TK含量高的地區(qū)較少且分布非常集中,主要在左權(quán)縣中部和太谷縣東北部地區(qū)。另外,依據(jù)國家土壤第二次普查的養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn),研究區(qū)表層土壤SOM、TN、TP含量偏低,平均水平分別為四級、四級、五級,而TK含量平均水平為三級。