張子璐,左昕弘,劉 峰?,石孝均
渝西丘陵區(qū)土壤速效鉀空間異質(zhì)性及影響因素*
張子璐,左昕弘,劉 峰?,石孝均
(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶 400715)
土壤養(yǎng)分空間分布規(guī)律的研究對于土壤養(yǎng)分分區(qū)管理、基本農(nóng)田建設(shè)等有重要意義。以渝西丘陵區(qū)的潼南國家農(nóng)業(yè)科技園核心區(qū)為研究對象,結(jié)合普通克里格法和聚類分析法對研究區(qū)土壤速效鉀(Readily available potassium,AK)的水平和垂直空間異質(zhì)性進(jìn)行研究。結(jié)果表明,(1)0~20、20~40和40~60 cm土層AK平均含量分別為111.6、96.1和90.2 mg·kg–1,為中等-缺乏水平;各土層變異系數(shù)均屬中等變異。(2)0~20和20~40 cm土層AK的全局莫蘭指數(shù)(Global Moran’s)均為負(fù)值,存在空間孤立;40~60 cm為正值,存在空間集聚。(3)0~20和20~40 cm土層最優(yōu)模型為高斯模型,40~60 cm土層為球形模型。0~20和40~60 cm土層AK空間變異以隨機因素變異為主,20~40 cm土層是結(jié)構(gòu)因素和隨機因素共同造成的。(4)0~20 cm土層AK高值區(qū)集中于研究區(qū)中部,低值區(qū)分布較為隨機。20~40和40~60 cm土層AK分布趨勢相似,高值區(qū)集中于東南部,低值區(qū)集中于東北部。AK垂直空間分布表現(xiàn)為三種類型,其面積由大到小依次為均勻型、低鉀遞減型、高鉀遞減型。土壤類型、地形地貌和土地利用類型對AK含量的空間分布存在一定影響,且在水平和垂直空間上影響程度不同。研究結(jié)果為研究區(qū)基本農(nóng)田建設(shè)的土地整治選址、方案優(yōu)化和整治后養(yǎng)分分區(qū)管理提供了科學(xué)依據(jù)。
土壤速效鉀;空間異質(zhì)性;空間插值;聚類分析
掌握土壤養(yǎng)分的空間變異性,是實現(xiàn)土壤養(yǎng)分分區(qū)管理、作物優(yōu)化施肥,指導(dǎo)基本農(nóng)田建設(shè),進(jìn)而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要基礎(chǔ)。在土壤養(yǎng)分空間變異研究方面,既有對區(qū)域大尺度的研究[1-2],如通過土壤有效磷時空變異研究進(jìn)行煙草施肥分區(qū)[3];也有小尺度的研究[4-6],如探討果園土壤肥力空間分布與作物產(chǎn)量的關(guān)系[7]。這種結(jié)合地統(tǒng)計學(xué)和GIS對土壤養(yǎng)分的空間變異特征進(jìn)行的研究已成為土壤科學(xué)研究的熱點。關(guān)于土壤養(yǎng)分空間變異的養(yǎng)分指標(biāo)以氮、磷、有機質(zhì)等居多[8-9],鉀被譽為植物的品質(zhì)元素與抗逆元素,且土壤速效鉀(AK)作為植物可以直接吸收利用的元素形態(tài),探究其在土壤中的空間變異對區(qū)域種植規(guī)劃、提高作物品質(zhì)等具有重要意義。目前專門對AK空間分布的研究主要有川西南山區(qū)[10]、新疆艾比湖濕地區(qū)[11]、鄱陽湖平原區(qū)[12]及秦巴中部山區(qū)[13]等區(qū)域,各研究表明耕作層速效鉀空間變異多受結(jié)構(gòu)性因素與隨機性因素共同影響,且其空間插值斑塊大小、形狀及分布等具有顯著的區(qū)域差異。然而,上述研究僅選取0~20 cm耕作層土壤進(jìn)行水平空間異質(zhì)性的研究,對垂直空間異質(zhì)性研究不足。
重慶潼南國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)地處以紫色土為主的典型渝西淺丘帶壩區(qū),其基本農(nóng)田建設(shè)規(guī)模大,農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)強度高,是以市場為導(dǎo)向、以科技為支撐、以企業(yè)為主導(dǎo)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)新模式。然而,基本農(nóng)田建設(shè)中表土剝離與回填、深松深翻等措施將改變原有土壤養(yǎng)分的空間分布格局。本文選取該園內(nèi)小嶺村2017年集中建設(shè)區(qū),結(jié)合普通克里格法和聚類分析法對其不同土層的AK空間分布及影響因素進(jìn)行研究,以期為園區(qū)種植規(guī)劃、基本農(nóng)田建設(shè)和農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)等提供參考。
潼南國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)位于渝西丘陵區(qū),核心區(qū)約10 km2,涉及罐壩、魚濺、郭坡、小嶺四個行政村。小嶺村2017年集中建設(shè)區(qū)內(nèi)兼有平壩(北部及中部)和丘陵(南部),面積97.55 hm2,海拔250~272 m。土壤以侏羅系遂寧組泥巖發(fā)育而成的紫色土和以沖洪積礫石及砂土母質(zhì)或遂寧組泥巖母質(zhì)發(fā)育的水稻土為主。潼南區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,年均溫17.9℃,年降水1 006 mm。區(qū)內(nèi)以水田、旱地為主,旱地多種玉米、花生。
采用S形取樣法于2017年春通過GPS定位,對41個采樣點分0~20、20~40和40~60 cm采集3層土樣,共獲得土樣104個(圖1)。由于部分采樣點土層較薄,三層土樣分別為41、34和29個。野外采回的土樣經(jīng)風(fēng)干、過篩、混勻后,采用乙酸銨浸提—火焰光度法[14]進(jìn)行AK含量的測定。
經(jīng)正態(tài)檢驗(K-S檢驗法)剔除異常值(3δ法、Grubbs檢驗法)后,比較不同土壤類型、地形、土地利用類型及土層間土壤AK分布(單因素ANOVA分析、皮爾森(Pearson)相關(guān)性分析)及Q型聚類分析均在SPSS 25.0中完成。常規(guī)統(tǒng)計分析均在Excel 2016中完成。
圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布
空間自相關(guān)分析中的全局莫蘭指數(shù)(Global Moran’s)是在定量基礎(chǔ)上對研究目標(biāo)空間自相關(guān)程度進(jìn)行衡量的一種方法,同時也可判別區(qū)域化變量在指定區(qū)域內(nèi)是否存在集聚區(qū)與孤立區(qū)[15]。雙變量空間自相關(guān)分析是利用定量指標(biāo)來描述統(tǒng)計關(guān)系間強弱的一種方法,其目的是分析兩變量之間有無空間相關(guān)性,進(jìn)而探究它們之間是否可以進(jìn)行相互預(yù)測或者解釋[16]。本文選取基于距離的空間權(quán)重,以最小距離閾值的空間自相關(guān)分析、地形因子與AK雙變量空間自相關(guān)分析,分析過程均在GeoDa 1.10完成。
半變異函數(shù)(Semi variation function)計算在GS+ 9.0完成,對應(yīng)最佳函數(shù)模型以決定系數(shù)(2)越大、殘差平方和(RSS)越小為原則確定[17]。結(jié)合GS+ 9.0半變異函數(shù)最優(yōu)模型參數(shù),采用ArcGIS 10.2普通克里格方法進(jìn)行空間插值分析與制圖。采用ArcGIS 10.2區(qū)域統(tǒng)計分析得到研究區(qū)各土地利用類型斑塊在不同土層深度的速效鉀均值,供后續(xù)進(jìn)行聚類分析和統(tǒng)計分析。
如表1所示,研究區(qū)0~20、20~40和40~60 cm土層AK平均值分別為111.6、96.1和90.2 mg·kg–1。0~20 cm土層AK含量顯著高于其他兩層(<0.05),AK隨土層深度的增加而降低。就變異系數(shù)而言,各土層AK均為中等變異。
表1 不同土層土壤速效鉀(AK)的描述性統(tǒng)計
與全國第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[18]進(jìn)行對比(圖2),0~20 cm土層AK含量大部分集中于中等水平(100~150 mg·kg–1),20~40 cm和40~60 cm土層AK含量大部分處于缺乏水平(50~100 mg·kg–1)。
2.2.1 全局空間自相關(guān)性 各土層AK的全局莫蘭指數(shù)依次為–0.184、–0.213、0.318,表明研究區(qū)AK具有顯著的空間自相關(guān)性(<0.05)。圖3表明,0~20和20~40 cm土層速效鉀主要分布在第2、4象限且對應(yīng)全局莫蘭指數(shù)均為負(fù)值,屬于中等偏低的“低-高”和“高-低”孤立類型,表明該兩層AK較高或較低的地區(qū)交錯隨機分布;40~60 cm主要分布于第1、3象限且全局莫蘭指數(shù)為正,屬于“高-高”和“低-低”集聚類型,表明該層AK較高的地區(qū)之間相鄰,含量較低地區(qū)之間相鄰。
2.2.2 空間自相關(guān)隨距離的變化 如圖4所示,0~20 cm土層AK的空間自相關(guān)隨距離增大起伏較明顯,全局莫蘭指數(shù)在500~650 m范圍內(nèi)為正值,表明在該范圍內(nèi)AK在結(jié)構(gòu)上呈正相關(guān),存在空間集聚。20~40 cm土層AK在小于850 m范圍內(nèi)全局莫蘭指數(shù)均為正值且隨距離增大出現(xiàn)明顯波動,具有一定空間集聚性;大于850 m范圍內(nèi)其指數(shù)均為負(fù)值且隨距離增大逐漸減小,空間孤立性顯現(xiàn)且逐漸明顯。40~60 cm土層AK的全局莫蘭指數(shù)變化表現(xiàn)為隨距離增加而減小的趨勢,小于750 m范圍內(nèi)莫蘭指數(shù)均為正值且隨距離增大逐漸減小,表明空間集聚性極弱;大于750 m范圍內(nèi)其指數(shù)轉(zhuǎn)為負(fù)值且隨距離增大而逐漸減小,表明空間孤立性顯現(xiàn)并趨于平穩(wěn)。該研究結(jié)果可對土壤野外采樣提供指導(dǎo)[19],表明較合理采樣點間距應(yīng)設(shè)置在500~750 m之間。
圖2 不同土層土壤速效鉀等級頻率分布
圖3 不同土層土壤速效鉀全局莫蘭指數(shù)散點圖
圖4 不同土層土壤速效鉀空間自相關(guān)關(guān)系
經(jīng)檢驗數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布,符合半方差函數(shù)分析要求,表2為最優(yōu)模型的塊金值、基臺值等相關(guān)參數(shù)。塊金值(0)是由實驗誤差和小于實際取樣尺度引起的變異,其大小直接限制了空間內(nèi)插的精度,基臺值(0)表示系統(tǒng)內(nèi)的總變異量,是區(qū)域化變量的最大變異。塊基比(0/(0+))用于判定區(qū)域化變量空間異質(zhì)性的程度[20]。0~20和20~40 cm土層最優(yōu)模型均為高斯模型,而40~60 cm土層為球型模型。其中,0~20和40~60 cm土層AK的塊基比均高于75%,表明AK的空間變異以隨機因素變異為主,且0~20 cm土層隨機性更強。而20~40 cm土層AK塊基比處于25%~75%之間,表明其空間變異是結(jié)構(gòu)因素(如土壤母質(zhì)、地形因子與水文等)和隨機因素(如耕作措施、施肥管理和土壤改良等人類活動[13])共同造成的。變程是指變異函數(shù)在有限步長上達(dá)到基臺值時對應(yīng)的步長,可反映出變量空間自相關(guān)范圍大小。從表2可知,各土層AK的變程介于74~452 m之間,對應(yīng)AK空間連續(xù)性由大到小依次為20~40、40~60、0~20 cm。0~20 cm變程僅為74 m,表明隨機因素占其空間變異主體。
表2 不同土層土壤速效鉀的半方差模型及其參數(shù)
2.4.1 水平空間分布特征 各土層AK水平空間分布主要呈現(xiàn)出條帶狀和斑塊狀格局(圖5)。0~20 cm土層屬于中等水平(100~150 mg·kg–1)的面積占絕大部分,高值集中于研究區(qū)中部,低值分布較少且位置隨機。20~40和40~60 cm的AK分布趨勢大致相同且缺乏水平(<100 mg·kg–1)面積均超過一半。20~40 cm土層AK高值集中于區(qū)域東南部,在區(qū)域西部邊緣僅有少量分布;低值集中于東北部。40~60 cm土層高值區(qū)僅表現(xiàn)為個別島嶼分布于中部且面積較小,低值集中于東北部且范圍更廣。0~20 cm土層AK高低分布更為隨機,這與空間自相關(guān)分析結(jié)果(圖3)一致。
2.4.2 垂直空間分布特征 整體上0~20 cm土層AK分布較其余兩層差異較大,且后兩層高低分布相對均勻(圖5)。Q型聚類分析(圖6)表明,由歐氏距離系數(shù)[21]可將研究區(qū)各斑塊土壤速效鉀剖面明顯分為3類,即均勻型、低鉀遞減型和高鉀遞減型(圖7),三者占斑塊總數(shù)的比例依次為58.7%、35.7%和5.6%,占總面積的比例依次為49.4%、47.9%和2.7%。
如圖7所示,均勻型剖面的主要特征是各土層AK含量差異較小,無明顯遞增、遞減趨勢。低鉀遞減型剖面的主要特征是整體偏低(70~110 mg·kg–1),且中下層較表層明顯降低,平均減幅達(dá)35.5%。高鉀遞減型剖面的主要特征是AK含量整體較高(120~150 mg·kg–1),并隨土層深度增加AK含量遞減,平均減幅達(dá)16.1%。
圖5 不同土層土壤速效鉀空間分布
圖6 土壤速效鉀斑塊垂直分布聚類分析
圖7 土壤速效鉀剖面類型
研究區(qū)主要土壤類型包括由沖洪積礫石及砂土(Q2)發(fā)育的黃潮田(U34),由遂寧組泥巖(J3)發(fā)育的紅棕紫泥土(N32)和紫泥田(U42)。研究區(qū)北部主要為紫泥田,中部主要為黃潮田,南部主要為紅棕紫泥土。紫泥田三層AK含量較其他兩種土壤類型均較低(表3),該結(jié)果充分解釋了AK中下層水平空間分布主體南高北低的原因,而表層因受施肥等隨機因素影響,南高北低趨勢不明顯。
一般而言,黃潮田對應(yīng)母質(zhì)含鉀量較低[22],而本文研究中黃潮田AK在三層土層中均為最高(表3),高鉀遞減型剖面類型均對應(yīng)黃潮田。這可能與黃潮田對應(yīng)區(qū)域為平壩,土地利用類型變化較頻繁有關(guān)。紅棕紫泥土表層AK顯著高于中下層,這可能受作物耕作補充表層鉀素有關(guān)。均勻型剖面在三種土壤類型中均有分布,低鉀遞減型多對應(yīng)紫泥田。
研究區(qū)丘陵和平壩0~20 cm土層AK分別為117.0±38.3、108.8±31.9 mg·kg–1,該結(jié)果與楊柳等[23]對川中丘頂、丘坡及沖溝土壤養(yǎng)分研究結(jié)果相似,由于林地主要集中于丘陵,故其AK較高。有研究表明,在中小尺度區(qū)域內(nèi)地形因子如海拔、坡度、平面與剖面曲率等對土壤養(yǎng)分的空間變異影響顯著[19]。皮爾森(Pearson)相關(guān)性分析結(jié)果表明,研究區(qū)土壤AK與海拔、坡度、剖面曲率、平面曲率及坡向均無顯著性相關(guān)。為進(jìn)一步明確地形地貌因子在空間上與AK的相關(guān)性,本文采用雙變量空間自相關(guān)分析法進(jìn)一步分析(表4),其中坡向由于是環(huán)形變量,故進(jìn)行余弦轉(zhuǎn)化為–1~1新變量。結(jié)果表明,五種地形因子與各土層AK雙變量空間自相關(guān)系數(shù)絕對值范圍在0.002~0.336之間,海拔和坡度與各土層AK含量存在極顯著的雙變量空間自相關(guān)性(<0.01),即二者在局部空間上仍與AK含量的變化趨勢一致,坡向與底層土壤AK含量也存在上述現(xiàn)象(<0.05)。綜合皮爾森相關(guān)性及雙變量空間自相關(guān)分析,由于本研究區(qū)為淺丘帶壩地貌,海拔變化較?。?50~272 m),從而使得總體上各地形因子對AK空間變異影響均較弱,未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性,這解釋了0~20和40~60 cm土層AK空間變異主要是由隨機因素所導(dǎo)致;但在空間分布上,海拔、坡度和坡向地形因子與AK仍具有一定的顯著雙變量空間自相關(guān)性,該結(jié)果也解釋了20~40 cm土層AK空間變異是由結(jié)構(gòu)性變異和隨機性因素共同導(dǎo)致。
表3 土壤類型對不同土層土壤速效鉀的影響
注:不同大寫字母表示同土層下不同土壤類型間的差異顯著(<0.05);不同小寫字母表示相同土壤類型下不同土層間的差異顯著(<0.05)Note:Different uppercase letters indicate significant difference between soil types in the same soil layer(<0.05);and different lowercase letters indicate significant difference between soil layers of the same soil type(<0.05)
表4 土壤速效鉀與地形因子的雙變量空間自相關(guān)系數(shù)
*<0.05;**<0.01
本研究區(qū)內(nèi)除建設(shè)用地和水域外主要為草地、旱地、水田和林地4種土地利用類型,總體上各土地利用類型土壤AK均以0~20 cm土層最高,各土層中均以林地最高(圖8),這與林地土壤養(yǎng)分是以充足草木枯萎微生物分解得以補充有關(guān)[24]。林地主要集中于研究區(qū)中部及北部少數(shù)區(qū)域(圖1),對應(yīng)0~20 cm土層AK水平空間分布中高值斑塊區(qū)域。0~20 cm土層旱地AK顯著高于其他兩層,這主要是由于施肥與秸稈還田[25]等隨機因素造成的;水田由于長期處于淹水狀態(tài)AK淋溶損失較大,故其含量低于林地,這與張倩等[26]對重慶銅梁的研究結(jié)果相似。同土層旱地與水田對應(yīng)AK含量較為相近,且二者面積占研究區(qū)主體部分,使得各土層空間分布中出現(xiàn)較大的面狀斑塊。
注:圖中不同大寫字母表示相同土層下不同土地利用類型間有顯著性差異(P<0.05),不同小寫字母表示相同土地利用類型下不同土層間有顯著性差異(P<0.05)。Note:Different uppercase letters indicate significant difference between land uses in the same soil layer at 0.05 level;and the different lowercase letters in the figure indicate significant difference between soil layers under the same land use at 0.05 level
土壤AK三種剖面類型中,均勻型剖面斑塊總數(shù)最多,其中各土地利用類型斑塊占該剖面類型斑塊總數(shù)的比例由大到小依次為:旱地55.4%、水田16.4%、草地16.0%、林地12.2%。表明大部分旱地由于施肥補充土壤鉀素與作物吸收消耗鉀素相互作用導(dǎo)致表層土壤與中下層AK含量相近。低鉀遞減型速效鉀剖面主要包括旱地、草地及小部分水田,表明該部分由母質(zhì)風(fēng)化發(fā)育而來的土壤含鉀較低,故中下層AK含量較低,而表層AK由于施肥等隨機因素影響而明顯高于中下層。高鉀遞減型速效鉀剖面僅含6個水田斑塊與1個草地斑塊(水田撂荒地),這可能由于水田施鉀肥后鉀素溶于水中隨水下滲使得所在深層土壤含鉀量也較高,同時也解釋了20~40與40~60 cm空間分布中出現(xiàn)的少數(shù)高值島嶼。
渝西丘陵區(qū)潼南國家農(nóng)業(yè)科技園核心區(qū)在0~60 cm土層中AK平均含量均處于中等-缺乏水平且均為中等變異,AK含量具有顯著的空間自相關(guān)性,水平和垂直空間變異明顯。不同土層表現(xiàn)為不同的水平空間分布特征,中上層具有明顯的空間孤立性,尤以表層更為突出,而下層具有明顯的空間集聚性;上述特征受土壤類型、地形地貌和土地利用類型的綜合影響,其中,土地利用類型對中層影響顯著,土壤類型對底層影響顯著。垂直空間分布特征表現(xiàn)為均勻型、高鉀遞減型和低鉀遞減型三種剖面類型,以均勻型為主。土壤類型中紅棕紫泥土、土地利用類型中旱地和林地的各剖面AK含量均為顯著遞減。在基本農(nóng)田建設(shè)中,應(yīng)根據(jù)AK含量空間分布特征采取相應(yīng)的措施,研究區(qū)大部分區(qū)域需重視表土剝離和回填,東部和南部區(qū)域可適度進(jìn)行深松、深翻改土,并在整治后尤其重視低鉀遞減型剖面區(qū)域的鉀素施用。
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Spatial Heterogeneity of Soil Readily Available Potassium and Its Influencing Factors in Western Chongqing Hilly Area, China
ZHANG Zilu, ZUO Xinhong, LIU Feng?, SHI Xiaojun
(College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China)
The study on rules of spatial distribution of soil nutrients is of important significance to regionalized management of soil nutrients and construction of primary farmlands.Using the common ordinary Kriging method and cluster analysis method in combination, horizontal and vertical spatial distribution of soil readily available potassium (AK) in the farmlands was studied and characterized in the core region of the Tongnan National Agricultural Science and Technology Park in Western Chongqing.(1) Results show that the AK in the soil layers of 0~20, 20~40 and 40~60 cm averaged to be 111.6, 96.1 and 90.2 mg·kg–1, in content respectively, and varied in a moderate degree and in the range of medium~deficiency in grade; (2) The AKs in the 0~20 and 20~40 cm soil layers were both negative in global Moran'sand spatially isolated, while the AK in the 40~60 cm soil layer was positive and spatially agglomerated; (3) Distribution of the AKs in the 0~20 and 20~40 cm soil layer could be best described with the Gaussian model, and in the 40~60 cm soil layer with the spherical model. The AKs in the 0~20 and 40~60 cm soil layers varied spatially mainly with random factors, and in the 20~40 cm soil layer with structural factors and random factors jointly; (4) The 0~20 cm soil layer high in AK concentrated in the center of the study area, while the layer low in AK scattered quite randomly. The AK in the 20~40 and 40~60 cm soil layers followed a similar trend in distribution. The layers high in AK concentrated in the southeast part and the layers low in AK in the northeast part of the studied region. Vertical distribution of the AK appeared to be in three forms, i.e., uniform, low AK declining and high AK declining, which exhibited a decreasing order in area.Soil type, topography and land use are the important factors that have certain impacts that vary in degree either vertically or horizontally on the spatial distribution of AK contents. All the findings of the study may serve as a scientific basis for selection of land consolidation sites, program optimization and regionalized nutrient management of the consolidated land in the study area.
Soil readily available potassium; Spatial heterogeneity; Spatial interpolation analysis; Cluster analysis
S210.50
A
10.11766/trxb201902250030
張子璐,左昕弘,劉峰,石孝均. 渝西丘陵區(qū)土壤速效鉀空間異質(zhì)性及影響因素[J]. 土壤學(xué)報,2020,57(2):307–315.
ZHANG Zilu,ZUO Xinhong,LIU Feng,SHI Xiaojun. Spatial Heterogeneity of Soil Readily Available Potassium and Its Influencing Factors in Western Chongqing Hilly Area[J]. Acta Pedologica Sinica,2020,57(2):307–315.
* 國家科技支撐計劃項目課題(2015BAD06B04)資助 Supported by the National Key Technology R&D Program of China(No. 2015BAD06B04)
,E-mail:fengliu@swu.edu.cn
張子璐(1996—),女,陜西咸陽人,碩士研究生,主要從事農(nóng)業(yè)資源信息管理研究。E-mail:490801349@qq.com
2019–02–25;
2019–07–22;
優(yōu)先數(shù)字出版日期(www.cnki.net):2019–08–21
(責(zé)任編輯:陳榮府)