木合塔爾·艾買提 迪里木拉提·玉蘇甫

摘要：運用統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)方法對烏什縣植棉地表層土壤養(yǎng)分空間變異特征進行分析。研究表明，①土壤pH均值為7.8，顯示偏堿性;除緩效鉀含量平均值大于500 mg/kg，分級為極豐富之外，其余元素的含量以適宜或最適宜為主。②采樣點之間pH的差異最小，有效磷的含量差異較大;在各要素之間存在正相關(guān)及空間自相關(guān)，但關(guān)系不太密切。③在采樣區(qū)內(nèi)有機質(zhì)含量均勻，含量級別為適宜;全碳含量在北部較低，其余大部分區(qū)含量在0.750～1.000 g/kg、含量級別為適宜;堿解氮含量在北部缺乏，在南部適宜;有效磷含量在10.000～20.000 mg/kg，含量級別為最適宜;緩效鉀含量在東部較低，在北部豐富，在中部、西南部極豐富;采樣區(qū)西南和東北部速效鉀含量在74.441～100.000 mg/kg，是屬于含量級別適宜區(qū)，在北部、南部、東南部和中部含量級別為最適宜。

關(guān)鍵詞：土壤養(yǎng)分;地統(tǒng)計學(xué);空間自相關(guān);空間分異

中圖分類號：S136? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）02-0058-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.02.013? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

棉花是需養(yǎng)量較高的經(jīng)濟作物之一，對鉀元素的養(yǎng)分需求最為敏感、若不充分易出現(xiàn)缺鉀癥狀;實踐表明，主要生育階段的施肥能改善棉株體內(nèi)營養(yǎng)狀況、提高棉花產(chǎn)量、改善棉花品質(zhì)[1]。土壤是巖石圈表面能夠生長植物的疏松表層，是陸地植物生活的基質(zhì)，它提供植物生長所必需的礦物質(zhì)元素和水分，是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量交換的重要場所[2，3]。人類的耕作、開荒、施肥等活動具有隨機性與不確定性，會加速土壤特性發(fā)生變異[4]。

土壤是一個形態(tài)和過程都相當(dāng)復(fù)雜的自然綜合體，成土過程中受物理、化學(xué)、生物等因素的影響，使得土壤性質(zhì)具有高度的空間異質(zhì)性，人類活動進一步加劇了土壤屬性的變異性和不確定性[5]。土壤養(yǎng)分在生物小循環(huán)中扮演著庫容的角色，是植物生長必不可少的成分，生物生長發(fā)育的必要的營養(yǎng)元素有16種，其中，碳、氫、氧主要來自大氣和水，其余元素則主要來自土壤。了解土壤養(yǎng)分空間分布情況，對制定精確的施肥管理措施、頒布因地制宜的生態(tài)恢復(fù)政策等都具有重要作用，也是減少農(nóng)業(yè)面源污染、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本、提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、實現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的第一步[6，7]。國外學(xué)者Haefele等[8]運用空間變量概念，研究了西非水稻田養(yǎng)分分布情況，得到了與實際較接近的速效氮、磷、鉀的分布格局。李亮亮等[9]討論了地統(tǒng)計學(xué)方法在土壤空間變異研究中的應(yīng)用。雷詠雯等[10]、劉付程等[11]基于空間分區(qū)域化變量理論，運用半方差函數(shù)和克里格插值法，研究了土壤間養(yǎng)分空間變異問題。

棉花產(chǎn)業(yè)是新疆的支柱產(chǎn)業(yè)，2016年新疆棉花種植面積約為180.5萬hm2，總產(chǎn)量約359.4萬t[12]。土壤養(yǎng)分元素含量是提高棉花產(chǎn)量和質(zhì)量的決定性因素，以新疆阿克蘇地區(qū)烏什縣棉田表層土壤作為研究對象，運用統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)方法，對烏什縣連作棉花土壤有機機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、緩效鉀、速效鉀養(yǎng)分的空間特征進行分析。掌握土壤養(yǎng)分情況對研究區(qū)土壤資源的合理利用及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1? 材料與方法

1.1? 研究區(qū)概況

烏什縣位于新疆阿克蘇地區(qū)，處于東經(jīng)

78°23′41″-80°01′09″，北緯40°43′08″-41°51′12″。烏什縣北部與吉爾吉斯斯坦共和國接壤，西部與阿合奇縣相接，南部與柯坪縣交界，東部與阿克蘇市和溫宿縣毗鄰，中部內(nèi)陸河托什干河自西向東流經(jīng)全境。全縣（不含兵團）總面積869 317.1 hm2，其中山區(qū)約占59.9%，戈壁沙漠約占27.6%，平原約占12.5%。烏什縣屬大陸性干旱氣候，全年干旱少雨，年均降水量約109.3 mm，蒸發(fā)強烈，達2 000 mm以上;全年日照時數(shù)約為2 828.4 h，平均日照時數(shù)約為7.7 h，年均氣溫約為9.5 ℃，氣溫日較差為12～16 ℃、年較差約為37.2 ℃，平均無霜期216 d。農(nóng)區(qū)土壤類型主要以灌淤土為主，溉宗模土、草甸土、沼澤土也有少量分布[13]。

1.2? 樣品采集與分析

烏什縣每個村內(nèi)的采樣點不小于3個且均勻分布，在植棉地土壤上共選取了89個采樣點。每個采樣點均采集0～20 cm土層樣品，一個土樣取500 g左右，將采集到的土壤樣品經(jīng)過一系列的相關(guān)處理，對土壤樣品中的有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、緩效鉀、速效鉀等養(yǎng)分進行分析。用重絡(luò)酸鉀氧化-外加熱法對有機質(zhì)進行測定，用半微量凱式法對全氮進行測定，用堿解擴散吸收法對堿解氮測定，用碳酸氫鈉浸提-鉬藍比色法對有效磷進行測定，用中性醋酸銨提取，再用火焰光度法對速效鉀進行測定，采用1 mol/L硝酸煮沸浸提-火焰光度法對緩效鉀進行測定。

2? 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

2.1? 統(tǒng)計學(xué)特征分析

2.1.1? 土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計分析? 根據(jù)研究區(qū)的土壤采樣點養(yǎng)分含量特征，參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[14，15]，制定烏什縣土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

運用SPSS 20.0軟件，對土壤養(yǎng)分屬性數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算，結(jié)果如表2所示。土壤pH的標(biāo)準(zhǔn)差和極差分別為0.16、1.00，土壤有機質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)差和極值較pH大，分別為1.93、9.71 g/kg，全氮的極差值為0.50 g/kg，堿解氮、有效磷、緩效鉀、速效鉀的極差值分別為45.61、21.51、665.80、92.17 mg/kg。以平均值為分級標(biāo)準(zhǔn)下的整采樣區(qū)土壤呈偏堿性。有機質(zhì)、全氮、堿解氮含量的均值分別為16.36、0.87、65.24 mg/kg，養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)為適宜;有效磷、速效鉀含量的均值分別是14.82、106.24 mg/kg，養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)為最適宜;緩效鉀含量的均值為511.98 mg/kg，養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)為極豐富。變異系數(shù)能反映隨機變量的離散程度，變異系數(shù)的分級標(biāo)準(zhǔn)一般為當(dāng)CV≤10%時為弱變異性;10%

由表2可知，全氮的標(biāo)準(zhǔn)差最小，表明各采樣點之間的土壤全氮含量差異最小;緩效鉀的標(biāo)準(zhǔn)差最大，為105.49 mg/kg，表明采樣點之間的緩效鉀含量差異較大;緩效鉀的最小值和最大值均較大，表明采樣點緩效鉀含量較豐富。有機質(zhì)、全氮的峰度分別為0.46、0.32 g/kg，堿解氮和速效鉀的峰度分別為0.41、0.03 mg/kg，均接近于0，這些養(yǎng)分元素數(shù)值分布較平坦，為平頂峰;pH、有效磷和緩效鉀的峰度值均大于0，數(shù)值分布陡峭，為尖頂峰。pH的變異系數(shù)最小，為1.98%，各采樣點之間的pH變異程度最小，為弱變異性;其余元素的變異系數(shù)處于10.47%～21.08%，變異程度均為中等變異。

為了解屬性數(shù)據(jù)分布情況，對土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進行單樣本K-S正態(tài)分布檢驗。K-S正態(tài)分布檢驗的顯著性概率值（P）可說明數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布的假設(shè)是否成立。若P>0.05，表明假設(shè)成立，數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布;P<0.05，表明假設(shè)不成立，數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布。

由表3可知，烏什縣土壤表層有機質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀的假設(shè)檢驗值（P）均大于0.05，數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布;pH、有效磷、緩效鉀的P小于0.05，不服從正態(tài)分布，因此在進行地統(tǒng)計插值時對有機質(zhì)等元素的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)變換，但有效磷等元素的數(shù)據(jù)未進行數(shù)據(jù)變換。

2.1.2? 土壤養(yǎng)分回歸分析? 對烏什縣植棉土壤養(yǎng)分元素進行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，pH與有效磷、速效鉀之間呈弱負相關(guān)，與其余元素之間呈弱正相關(guān);有機質(zhì)和全氮的相關(guān)系數(shù)為0.85，關(guān)系較為密切，與其余養(yǎng)分元素均存在弱正相關(guān)關(guān)系;微量元素之間均存在弱相關(guān)關(guān)系。相關(guān)系數(shù)分析可判斷元素之間的關(guān)系程度，通過回歸分析可得知元素之間的具體數(shù)量關(guān)系。利用屬性數(shù)據(jù)建立微量元素與pH和有機質(zhì)之間的一元線性回歸模型見表4。由表4可知，pH與養(yǎng)分元素之間的一元線性回歸模型決定系數(shù)（R2）均較小，模型顯著性均較低。土壤pH與全氮、堿解氮、緩效鉀的回歸系數(shù)均為正值，表明土壤pH增多，全氮、堿解氮、緩效鉀含量相應(yīng)增加;土壤pH與有效磷、速效鉀的模型系數(shù)均為負值，表明土壤pH增多，有效磷、速效鉀的含量反而減少。土壤有機質(zhì)與各養(yǎng)分之間的回歸系數(shù)均為正值，表明土壤有機質(zhì)增多，土壤養(yǎng)分相應(yīng)增多。

2.2? ?地統(tǒng)計學(xué)特征分析

2.2.1? 半變異模型分析? 地統(tǒng)計學(xué)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)、以變異函數(shù)為主要工具，研究空間要素的分布情況，地統(tǒng)計模型的參數(shù)計算和分析較為復(fù)雜，隨著學(xué)科發(fā)展和應(yīng)用方向的擴展，地統(tǒng)計學(xué)方法已經(jīng)成為土壤學(xué)研究的一個重要工具[18]。該方法在土壤物理化學(xué)性質(zhì)空間變異、土壤污染、土壤元素空間分布等領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛，效果明顯[19]。塊金值與基臺值之比[C0/（C0+C）]可以反映系統(tǒng)內(nèi)變量的空間相關(guān)性程度，若比值小于25%，表明系統(tǒng)內(nèi)有強烈的空間相關(guān)性;若比值大于75%，表明空間相關(guān)性較弱;若比值介于二者之間，表明具有中等的空間相關(guān)性[20，21]。利用GS+9.0軟件構(gòu)建烏什縣土壤養(yǎng)分元素含量半方差函數(shù)理論模型，半方差模型及其參數(shù)具體值見表5。由表5可知，pH、有機質(zhì)、速效鉀的擬合理論模型為球狀模型，全氮和堿解氮的理論模型為指數(shù)模型，有效磷和緩效鉀的最優(yōu)理論模型分別為線性模型和高斯模型。pH的塊金值最小，為0.000 19，表明采樣點間變化程度最小;有效磷的塊金值最大，為0.029，表明采樣點間變化程度最大。間距擴大到0.000 38時，pH趨于平穩(wěn)，緩效鉀和有效磷出現(xiàn)平穩(wěn)值的距離為0.049。有效磷的空間相關(guān)性界限最大，為0.434，速效鉀空間相關(guān)性界限最小，為0.050。各半方差模型擬合精度最高值為0.89，各模型的擬合精度均較高，可為所選模型進行克里金插值計算提供依據(jù)。

2.2.2? 空間相關(guān)性分析? 空間自相關(guān)是研究空間中某位置的觀察值與其相鄰位置的觀察值是否相關(guān)以及相關(guān)程度的一種空間數(shù)據(jù)分析方法，并通過Moran′s I 指數(shù)值評估所表達的模式是聚類模式、離散模式還是隨機模式，用z得分和P對該指數(shù)的顯著性進行檢驗[22]。空間自相關(guān)可以分為正相關(guān)和負相關(guān)，正相關(guān)表明某單元的屬性值變化與其鄰近空間單元具有相同變化趨勢，負相關(guān)則相反[23]。

利用GeoDa軟件，根據(jù)土壤采集點地理坐標(biāo)制作點元素圖，建立空間權(quán)重矩陣，計算各養(yǎng)分元素的Moran′s I指數(shù)，結(jié)果見表6。由表6可知，土壤養(yǎng)分元素Moran′s I值均為正值，是正相關(guān)，最大值為0.299，最小值為0.107，表明各元素空間鄰近屬性值差別不大。z得分值均為正值，表明相似的觀測值趨于集中分布。

自相關(guān)系數(shù)檢驗值（P）均接近0，在0.05水平均顯著。各土壤養(yǎng)分元素的空間分布形式均不相同，表現(xiàn)出大同小異的分布形式。觀測值的4種空間聯(lián)系形式[24]中第一象限和第三象限的采集點數(shù)量較多，以高值包圍高值，低值包圍低值形式為主;第二象限和第四象限分布的點數(shù)量較少，即低觀測值的區(qū)域單元被同是高值的區(qū)域所包圍的空間聯(lián)系形式或高觀測值的區(qū)域單元被同是低值的區(qū)域所包圍的空間聯(lián)系形式的觀測點數(shù)量較少。

2.3? 養(yǎng)分元素分布特征

運用ArcGIS軟件，使用點狀數(shù)據(jù)采用普通克里金法對土壤養(yǎng)分元素進行空間插值分析。制作插值圖時，對不服從正態(tài)分布的有效磷等元素的屬性數(shù)據(jù)進行對數(shù)變換，插值后各養(yǎng)分的統(tǒng)計指標(biāo)和樣本總數(shù)結(jié)果見表7。對比表2和表7可知，當(dāng)原來的89個有值點增加到61 914個有值點，各養(yǎng)分元素的統(tǒng)計值有所下降，其中全氮的極差、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差下降最小，分別下降0.221、0.024、0.039個單位，緩效鉀的統(tǒng)計值下降最大，極差、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別下降385.098、15.654、53.511個單位，表明原含量值差別較小的采樣點養(yǎng)分插值后下降較小，原含量值差別較大的采樣點養(yǎng)分插值后下降較大，插值后各有值點之間的差別越來越減小，趨于均衡。

結(jié)合烏什縣土壤養(yǎng)分級別標(biāo)準(zhǔn)，運用ArcGIS軟件繪制采樣區(qū)各養(yǎng)分元素含量分布。普通克里金法插值后烏什縣土壤采樣區(qū)有機質(zhì)含量在13.451～20.000 g/kg，含量級別為適宜;全氮含量分兩個級別，含量處在0.720～0.750 g/kg的低值區(qū)面積較小，主要分布在采樣區(qū)北部，大部分采樣區(qū)含量在0.750～1.000 g/kg，含量級別為適宜;堿解氮含量在54.661～60.000 mg/kg，含量級別為缺乏，主要分布在北部，堿解氮含量在60.000～90.000 mg/kg的高值區(qū)分布在南部，是堿解氮含量適宜區(qū);絕大部分區(qū)域有效磷含量在10.000～20.000 mg/kg，含量級別為最適宜;緩效鉀含量分布差異較大，含量在347.304～400.000 mg/kg的最適宜區(qū)分布在東部，含量在400.000～500.000 mg/kg的豐富區(qū)分布在北部、中部、東北部，含量大于500.000 mg/kg的極豐富區(qū)分布在中北部和西南部。采樣區(qū)西南和東北部速效鉀含量在74.441～100.000 mg/kg，含量級別屬于適宜，北部、東南部和中部含量較高，含量級別為最適宜。

3? 小結(jié)與討論

1）烏什縣植棉土壤表層中全氮的標(biāo)準(zhǔn)差最小，緩效鉀的標(biāo)準(zhǔn)差最大，pH呈弱變異特征，其余元素呈中等變異特征，各養(yǎng)分元素之間存在弱相關(guān)關(guān)系，土壤pH和有機質(zhì)與微量元素的回歸關(guān)系不明顯。

2）烏什縣土壤pH、有機質(zhì)、速效鉀空間插值擬合模型均為球狀模型，全氮、堿解氮空間插值擬合模型均為指數(shù)模型，有效磷和緩效鉀空間插值擬合模型分別為線性模型和高斯模型，對每個元素進行空間插值時運用相應(yīng)模型可提高擬合精度。

3）各養(yǎng)分元素的空間分布類型均為聚集型分布。烏什縣土壤養(yǎng)分元素空間分布類型以高值包圍高值，低值包圍低值形式為主，低值被高值所包圍或高值被低值的區(qū)域所包圍的空間聯(lián)系形式的觀測點數(shù)量較少。

4）利用ArcGIS軟件的空間分析功能，對采集區(qū)點狀數(shù)據(jù)進行空間插值，判別養(yǎng)分元素的空間分布格局。各元素的分布情況：在整個采樣區(qū)有機質(zhì)含量相同，含量級別為適宜;全氮含量在北部較低，大部分區(qū)域含量在0.750～1.000 g/kg，含量級別為適宜;堿解氮含量在北部缺乏，在南部含量為適宜;有效磷含量在10.000～20.000 mg/kg，級別為最適宜;緩效鉀在東部較低，在北部豐富，在中部、西南部含量極豐富。采樣區(qū)西南和東北部速效鉀含量在74.441～100.000 mg/kg，含量級別屬于適宜，北部、南部、東南部和中部含量級別為最適宜。

研究烏什縣植棉地表（0～20 cm）土壤的養(yǎng)分元素屬性特征和空間分布情況，結(jié)果表明，烏什縣土壤養(yǎng)分元素中堿解氮含量除在北部缺乏之外，其余元素含量以適宜為主，甚至緩效鉀和速效鉀的含量為豐富及極豐富。研究結(jié)果對烏什縣棉花生產(chǎn)和農(nóng)田施肥等生產(chǎn)活動有一定的促進作用。在施肥方面應(yīng)注意有機肥和氮肥的配施，調(diào)節(jié)磷肥和鉀肥的用量，進行科學(xué)施肥，并因地制宜生產(chǎn)，進一步保證棉花產(chǎn)量和質(zhì)量的提高。土壤養(yǎng)分含量除受自然因素的影響之外，也受人文因素的影響，隨著科技和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的發(fā)展，人類活動對土壤的影響越來越大。本試驗對烏什縣土壤養(yǎng)分元素時空變化驅(qū)動因素分析欠缺，有待進一步研究。

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