呂小娜，靳 波，昝亞玲，王姍姍

(1.運城學院 生命科學系；2.運城市鹽湖區(qū)農業(yè)委員會，山西 運城 044000)

引言

土壤有機質對土壤理化性質的改善和農村經濟發(fā)展起著重要作用，是評價土壤肥力的重要指標之一[1,2]。地統(tǒng)計學和GIS技術是分析土壤有機質空間特征的有效方法[3]。目前國內學者對土壤有機質的研究主要集中在區(qū)域土壤有機質含量特征及差異性研究；區(qū)域農田土壤有機質含量空間變化規(guī)律特征；土壤有機質含量改良措施[4-8]。對于耕地土壤有機質含量時空變異的分布特征研究多為流域、省市級區(qū)域，且研究年限基本為兩個時期整體變異研究，對中間過渡年份改進措施及影響的研究較少。

運城市鹽湖區(qū)作為運城盆地重要的商品糧生產基地，農業(yè)對全市經濟發(fā)展尤為重要。本研究以山西省運城市鹽湖區(qū)為例，對1986、2006、2019年這三個時期耕地土壤有機質含量進行時空變異研究，以期為鹽湖區(qū)糧食生產和平衡施肥提供科學依據(jù)和指導，同時也為合理發(fā)展農業(yè)產品，帶動地方經濟發(fā)展提供指導。

1. 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

運城市鹽湖區(qū)位于山西省西南部，運城盆地的中心(北緯34°48′45″～35°22′30″，東經110°42′53″～111°11′15″)。全區(qū)土地面積12.03萬hm2，耕地面積4.35萬hm2。整個地勢東北高、西南低，呈現(xiàn)高山、丘陵、平原、洼地多樣地形。境內除南北兩山及鳴條崗、四十里崗和七里崗為臺地和一部分湖灘洼地之外，大部分地區(qū)地勢平坦。鹽湖區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候。冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，年平均降雨量526.5 mm，年均蒸發(fā)量為2120.5 mm。耕作制度多為一年兩熟，主產小麥、棉花、秋糧等，形成棉、糧、林、果和蔬菜為支撐的特色產業(yè)格局。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文主要對運城市鹽湖區(qū)三個時期的耕地土壤(0～20 cm)有機質含量進行分析：第二次全國土壤普查(1982年)共613個樣點的土壤數(shù)據(jù)，收集自《運城土壤》[9]；2006年533個樣點的土壤數(shù)據(jù)，收集自山西省運城市鹽湖區(qū)土壤肥料工作站采樣數(shù)據(jù)；2019年310個樣點數(shù)據(jù)，由野外采樣所得。

1.3 樣本的采集與處理

2019年在作物收獲后、施肥前，根據(jù)地形地貌、土壤性質等因素特點，以全面性、均衡性、客觀性和可比性為原則，確定2x2 km2為采樣單元。每一采樣單元選取有代表性的田塊，用不銹鋼土鉆等工具，在0～20 cm土層采用五點法均勻布點取樣，采樣點遍布鹽湖區(qū)的平原，盆地，采樣土地包括農田、果園等。共采集土樣310個。采集的土壤樣本進行自然風干，剔除土樣中的動植物殘渣等，過0.25 mm孔徑的尼龍篩[10]，室溫避光保存。本實驗采用重鉻酸鉀容量法對土壤有機質含量進行測定[11,12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

利用SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進行常規(guī)統(tǒng)計分析，在GS+10.0中完成半方差函數(shù)分析，數(shù)據(jù)處理中采用域法識別特異值[13]。本文采用ArcGIS中的Geostistical Analyst模塊功能下的直方圖對數(shù)據(jù)及K-S檢驗法進行檢驗[14]，經對數(shù)變換后的土壤有機質含量數(shù)據(jù)都符合標準正態(tài)分布。利用ArcGIS 10.2對采樣數(shù)據(jù)進行普通Kriging插值，繪制三個時期運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質的空間分布圖，并對三個時期的空間分布圖疊加相減，獲得三個時期鹽湖區(qū)耕地土壤有機質增量分布圖。

2. 結果分析

2.1 運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質含量統(tǒng)計特征

表1 運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質含量描述性統(tǒng)計

由表1可知，1982年～2019年運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質含量呈整體上升趨勢，2019年有機質含量平均值較2006年增長4.67 g/kg，增幅29.75%，較1982年增長11.06 g/kg，增幅118.79%。從變異系數(shù)看，1982年有機質含量的離散程度屬于低等變異強度；2006年有機質含量的離散程度屬中等變異程度。利用GS+軟件對2019年的鹽湖區(qū)耕地土壤有機質數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉換，結果符合正態(tài)分布。2019年變異系數(shù)為92.51%，變異程度高。土壤有機質含量極值差異明顯，存在本底效應，需分區(qū)差異化管理與施肥。

2.2 運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質空間變異結構特征

運用ArcGIS 10.2軟件對運城市鹽湖區(qū)三個時期耕地土壤有機質含量進行各向同性變異函數(shù)擬合，同時，利用GS+10.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析(表2)，經檢驗1982年最佳理論模型為指數(shù)函數(shù)，2006年最佳理論模型為球面函數(shù)，2019年最佳理論模型為指數(shù)函數(shù)。

表2 運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質空間變異理論模型和相應參數(shù)

空間變異主要分為隨機性和結構性兩部分變異。塊金值C0表示區(qū)域內變量的隨機性可能程度，即有人為活動、測量誤差、土壤管理等因素影響而產生的人為隨機程度，比值越高表明研究區(qū)域數(shù)值受人為隨機因素造成的有機質含量空間變異程度比較大?？臻g總變異程度受地塊等因素影響的程度通過基臺值來反映。

2006年鹽湖區(qū)耕地土壤有機質的塊金值為0.0400，較1982有所增加，表明隨機變量在增加，即受人為因素影響增大；基臺值為0.0806，較1982年有所增加，表明結構變異也在增加。2019年土壤有機質塊金值為0.2000，基臺值為1.357，相對于1982年和2006年增長幅度很大，表明在此期間隨機變量和系統(tǒng)的總體空間變異在增加。塊金系數(shù)由1982年的50.1%增加至50.4%，再到2019年的85.3%，表明隨機因素(人為活動、施肥等)在運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質含量空間變異中的主導作用明顯加強。

2.3 運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質空間分布特征

圖1 1982年、2006年和2019年鹽湖區(qū)耕地土壤有機質含量空間分布圖

由圖1可知，1982年運城市鹽湖區(qū)南部席張鄉(xiāng)、解州鎮(zhèn)和中部北相鎮(zhèn)耕地土壤有機質含量較高，北部上王鄉(xiāng)、三里路鎮(zhèn)和西南部金井鄉(xiāng)附近有機質含量較低，整體含量水平較低；2006年運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質含量具有明顯的空間分布格局，南部即鹽湖附近鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地土壤有機質含量明顯增大；2019年鹽湖區(qū)耕地土壤有機質含量較1982年和2006年變化顯著，整個區(qū)域內有機質含量分布比較均勻，除陶村鎮(zhèn)部分區(qū)域有機質含量偏低，其余地區(qū)有機質含量均較高，相對于1982年和2006年整體水平有了顯著提升，尤其中部鄉(xiāng)鎮(zhèn)和南部鹽湖附近區(qū)域增量顯著。

2.4 運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質時間分布特征

一定范圍內土壤有機質的平均增長速率通過土壤有機質增加量除以變異時間計算。結果表明，1982年到2006年運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質的平均增長速率為0.25 g·kg-1·a-1；2006年至2019年平均增長速率為0.23 g·kg-1·a-1；1982年至2019年整體平均增長速率為0.23 g·kg-1·a-1，三個時期結果均高于山西省近30年的平均增長速率(0.10 g·kg-1·a-1)[15]。

圖2 運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質增量圖

從圖2可以看出，1982～2006年運城鹽湖區(qū)土壤有機質全部處于增加趨勢，鹽湖附近增加量明顯高于其他地方，但整體增長量沒有超過14 g/kg；2006～2019年鹽湖區(qū)西部和東部土壤有機質含量有所下降，其他部分有機質含量處于增長趨勢，增長量范圍位于0～14 g/kg，少部分地區(qū)增長量>20 g/kg；1982～2019年運城市鹽湖區(qū)土壤有機質含量呈整體增長趨勢，且增量明顯，50%以上區(qū)域有機質增量>14 g/kg。

2.5 運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質空間分布格局的影響因素

1982年、2006年和2019年三個時期運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質空間變異結構特征分析結果(表2)表明，隨機因素和結構因素共同決定耕地土壤有機質的空間變異性。已有研究表明鹽湖區(qū)土壤有機質空間分布主要受土壤類型、地形地貌和施肥等因素影響[16]，本文不再贅述。

2.6 運城市鹽湖區(qū)耕地土壤有機質隨時間變化影響因素

2.6.1 氣候因素

氣候土壤形成演變的重要條件，山西省運城市鹽湖區(qū)全年受季風活動影響，屬暖溫帶半干旱大陸性季風氣候。春季溫暖干旱，有利于土壤礦物質的氧化和積累，夏季高溫多雨，土壤礦物質分解與合成旺盛，氣溫的適度提升有利于作物的生長發(fā)育，秸稈還田量和土壤中作物的殘渣量也有所提升，對土壤有機質含量積累有利。研究表明，山西省近30年來氣溫呈上升趨勢[15]，整體來看，研究區(qū)域氣候有利于土壤有機質的積累，是土壤有機質發(fā)生變化的原因之一。

2.6.2 人為因素

人類的生產活動對土壤的形成與演變影響頗大，不自覺地決定著土壤發(fā)展的方向及演變程度。農業(yè)生產，對土壤影響較大的主要因素有耕作、施肥等。

(1)耕作：鹽湖區(qū)農田耕作主要有深耕、淺耕、中耕等。隨著科學技術的發(fā)展，人們逐漸擺脫了傳統(tǒng)低效率、高耗時的人工耕地方式，轉而開始利用機器進行田間操作。通過這些措施可以有效破除板結，疏松土壤，改善土壤水肥氣熱條件，提高土壤有機質含量。鹽湖區(qū)中部地勢平坦有利于田間管理操作，因此中部地區(qū)有機質含量水平高于其他地區(qū)。

(2)施肥：隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的提出，農業(yè)發(fā)展變化較大。教育的普及和文化水平的提高也使得農業(yè)從業(yè)人員對耕地管理利用效率提高，使土壤有機質含量不斷提升。尤其2006年我國提出“測土配肥”之后，鹽湖區(qū)耕地土壤有機質含量增幅明顯，且增量也高于2006年之前，表明政府投入力度的提升對耕地土壤肥力水平影響重大。

3. 結論

1982年耕地土壤有機質含量平均值為9.31 g/kg；2006年土壤有機質含量平均值為15.70 g/kg；2019年的土壤有有機質平均含量為20.37 g/kg，整體呈上升趨勢。

1982年耕地土壤有機質含量空間分布呈現(xiàn)南部中條山、鹽湖附近和中部平原地區(qū)較高，但整體含量偏低；2006年鹽湖區(qū)南部即鹽湖附近鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地土壤有機質含量明顯增大；2019年整個區(qū)域內耕地有機質含量分布比較均勻，除東郭鎮(zhèn)部分區(qū)域有機質含量偏低，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)有機質含量均處于較高水平，且顯著高于1982年和2006年。

運城市鹽湖區(qū)土壤有機質含量時空變異受土壤類型、地形地貌及人為因素等不同程度影響。2006年之前耕地土壤有機質含量均處于較低水平，受地形地貌、土壤本身理化性質影響較大，2006年至今，國家各項政策的實施，使得鹽湖區(qū)耕地土壤有機質含量顯著提升。今后，仍需因地制宜對當?shù)剞r業(yè)提供指導，提升土壤肥力水平，促進鹽湖區(qū)農業(yè)農村經濟的發(fā)展。