王 睿，杜曉玉，范珊珊，曲明山

(北京市土肥工作站，北京 100029)

土壤養(yǎng)分是土壤的基本屬性和本質(zhì)特征[1]。同一時刻，即使是在土壤類型和質(zhì)地相同的區(qū)域內(nèi)，其土壤養(yǎng)分特性在空間上也有很大的差異，這種屬性稱為土壤特性的空間變異性[2]。研究土壤養(yǎng)分時空變異性是科學(xué)施肥、合理種植和提高水土資源利用效率的有效依據(jù)[3]。是保護和改善土壤生態(tài)的前提及實現(xiàn)農(nóng)業(yè)精準化智慧化的基礎(chǔ)，對農(nóng)業(yè)綠色健康可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。地統(tǒng)計方法自20世紀70 年代開始應(yīng)用于土壤化學(xué)性質(zhì)空間相關(guān)性的分析。地統(tǒng)計學(xué)能明確隨機變量空間分布特征，解釋自然和人為過程對變量空間變異的影響，已經(jīng)成為土壤特性空間分布特征分析及其變異規(guī)律探求的有效手段[4]。近些年，基于不同的空間尺度，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的土壤養(yǎng)分空間變異研究，并取得很多成果[5-7]。

城市郊區(qū)是城鄉(xiāng)間的過渡帶，雖然數(shù)量有限，但對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)十分重要[8]。北京市房山區(qū)是北京西南重要的生態(tài)屏障，也是盛產(chǎn)果品、雜糧、食用菌等特色農(nóng)產(chǎn)品的重要產(chǎn)地之一。隨著農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，土壤健康狀況成為其可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。土壤養(yǎng)分是土壤健康狀況的重要標志之一，目前有關(guān)房山區(qū)土壤養(yǎng)分時空變異的研究相對缺乏。因此以北京市房山區(qū)為研究對象，基于2007年及2019年土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)，結(jié)合地統(tǒng)計學(xué)和GIS，探討該區(qū)土壤養(yǎng)分時空變異特征，為該區(qū)域科學(xué)施肥及改善土壤生態(tài)環(huán)境提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北京市房山位于39°30′～39°55′N，115°25′～116°15′E，處于華北平原與太行山交界地帶，是北京市的西南門戶，總面積2 019 km2。海拔高度為-8～2 014 m，平均海拔 381.92 m，其中66%為山地、丘陵，34%為平原。房山區(qū)屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為11.7 ℃，年平均降水量為582.8 mm。境內(nèi)水系包括大清河水系和永定河水系，有大小河流13條。土壤類型以褐土為主，分布于全區(qū)南部和西部等大部分地區(qū)，占全區(qū)土壤面積的51.91%；其次為棕壤，主要分布于中部和北部等地區(qū)，占土壤面積的28.99%；再次為潮土，主要分布于東部地區(qū)，占土壤面積的13.47%。土壤質(zhì)地以壤質(zhì)為主，輕壤質(zhì)、中壤質(zhì)和砂壤質(zhì)分別占全區(qū)總面積 76.80%、6.14%和9.42%。土地利用類型主要以農(nóng)用地為主，占全區(qū)總面積的58.49%；其中，農(nóng)用地中又以林地為主，占農(nóng)用地總面積的63.24%，主要分布在西部和北部山區(qū)；耕地面積占全區(qū)總面積的14.92%，占農(nóng)用地面積的25.50%，主要分布在東部地區(qū)的平原地帶；果園面積占全區(qū)總面積的5.38%，占農(nóng)用地總面積的9.20%。

1.2 樣品采集與分析

數(shù)據(jù)來源為2007年耕地質(zhì)量調(diào)查資料和2019年監(jiān)測數(shù)據(jù)。采樣時網(wǎng)格布設(shè)，將間距為400 m的方形格網(wǎng)與土地利用現(xiàn)狀圖疊加，同時參照第二次土壤普查樣點分布圖和剖面位置記載表，在地圖上確定調(diào)查點的GPS坐標，取樣深度0～20 cm，共取樣3 084個。實驗室內(nèi)進行土壤理化性質(zhì)檢測，其中，土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量參照參考文獻[9-13]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用SPSS17.0軟件進行常規(guī)統(tǒng)計分析，利用ArcGIS10.2軟件的地統(tǒng)計模塊進行半方差分析，及其Kringing插值方法進行空間分布特征及時間變化特點分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計

土壤養(yǎng)分的統(tǒng)計特征(表1)表明，房山區(qū)農(nóng)用地土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量均呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)分布。其中有機質(zhì)含量總體平均為23.87 g/kg，變異系數(shù)為0.54，屬中等變異強度；全氮含量總體平均為1.29 g/kg，變異系數(shù)為0.45，也屬中等變異強度；有效磷含量總體平均為76.79 mg/kg，變異系數(shù)為1.38，屬高變異強度，這可能與田塊間磷肥施用差異較大有關(guān)；速效鉀含量總體平均為334.63 mg/kg，變異系數(shù)為0.91，也屬中等變異強度。按照北京市耕地土壤養(yǎng)分分等定級標準劃分，房山區(qū)土壤有機質(zhì)和有效磷平均含量總體上處于高等含量水平，全氮和速效鉀平均含量總體上處于極高含量水平。

2.2 土壤養(yǎng)分空間變異結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)分隔距離h和計算出的半方差C(h)，并考慮各向異性和趨勢效應(yīng)，得到房山區(qū)內(nèi)各土壤養(yǎng)分含量的半方差函數(shù)模型(表2)?？梢钥闯?，房山區(qū)表層土壤的養(yǎng)分都有明顯的空間變異結(jié)構(gòu)，有機質(zhì)的擬合模型分別為高斯模型，其余養(yǎng)分項目均擬合為指數(shù)模型。

變程是指屬性變量在一定間隔內(nèi)空間自相關(guān)，也稱空間最大相關(guān)距離，長軸變程與短軸變程的比為各向異性比。房山區(qū)表層土壤的養(yǎng)分含量變程大小依次為：有機質(zhì)、速效鉀、有效磷全氮。其中有機質(zhì)、速效鉀變程都在9 km以上，以較大范圍的變異為主，說明它們受區(qū)域因素(土壤)的影響較大。而全氮的變程只有0.77 km，說明其受施肥等隨機因素的影響較大，因此它們只在一個較小的范圍內(nèi)存在相關(guān)關(guān)系。其中有機質(zhì)的各向異性比最大，達到2.98，其次為有效磷，達到2.55。有機質(zhì)、速效鉀的長軸方位呈西北—東南方向；全氮的長軸方位呈東北—西南向；有效磷的長軸方位近似東—西方向。

表1 北京市房山區(qū)土壤養(yǎng)分的統(tǒng)計特征(2019年)Tab.1 Statistical characteristics of soil nutrients in Fangshan District (2019)

表2 土壤養(yǎng)分的半方差函數(shù)模型Tab.2 The semi-variogram model and its parameters

塊基比C0/(C+C0) 是隨機部分引起的空間變異占系統(tǒng)總變異的比例。該比值大小反映由隨機部分引起的空間變異性程度大小。C0/(C0+C1)比值低于0.25，說明變量的空間相關(guān)性強烈；大于0.75，說明變量具有較弱的空間相關(guān)性[14]。研究區(qū)各項養(yǎng)分塊基比在0.63～0.73之間，說明各養(yǎng)分含量同時受到結(jié)構(gòu)性和隨機性因素的影響，但受區(qū)域條件氣候、母質(zhì)、地形等影響相對較小，而受施肥管理、種植制度、土地利用方式等人為因素影響較大。

2.3 土壤養(yǎng)分空間分布特征

根據(jù)半方差函數(shù)模型,綜合考慮各向異性和趨勢參數(shù),利用 Kriging最優(yōu)內(nèi)插法生成土壤養(yǎng)分空間分布圖(圖1)。

可以看出，研究區(qū)內(nèi)土壤有機質(zhì)含量總體分布趨勢表現(xiàn)為山區(qū)要明顯高于平原區(qū)，西部比東部高,北部比南部高。按照北京市農(nóng)田土壤養(yǎng)分分等定級標準，房山區(qū)大部分地區(qū)土壤有機質(zhì)含量處于高等水平，面積達1 494 km2，約占總面積的74%，其中約51%的地區(qū)土壤有機質(zhì)含量處于極高水平。有機質(zhì)含量較低的面積僅占3%左右，主要分布在東部的長陽鎮(zhèn)和琉璃河鎮(zhèn)。全氮與有機質(zhì)含量的空間分布趨勢類似，全氮含量總體分布趨勢也表現(xiàn)為山區(qū)土壤要明顯高于平原區(qū)土壤，西部地區(qū)高于東部地區(qū)，北部地區(qū)高于南部地區(qū)。按照北京市農(nóng)田土壤養(yǎng)分分等定級標準，房山區(qū)大部分地區(qū)土壤全氮含量處于高等水平，面積達910 km2，約占總面積的86%，其中約65%的地區(qū)土壤全氮含量處于極高水平。全氮含量較低的面積僅占2%左右，主要分布在長陽鎮(zhèn)、琉璃河鎮(zhèn)東部及城關(guān)鎮(zhèn)、崇各莊鄉(xiāng)和張坊鎮(zhèn)的部分區(qū)域。有效磷全區(qū)絕大部分地區(qū)的有效磷含量處于60 mg/kg以下。按照北京市農(nóng)田土壤養(yǎng)分分等定級標準，該區(qū)大部分土壤有效磷含量處于中等較低水平，面積達1 837 km2，約占總面積的91%。有效磷含量較高的面積不足9%，主要分布在東南部琉璃河鎮(zhèn)、長陽鎮(zhèn)、竇店鎮(zhèn)、石樓鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)及韓村河鎮(zhèn)的部分區(qū)域，此外大安山鄉(xiāng)、崇各莊鄉(xiāng)、大石窩鎮(zhèn)、十渡鎮(zhèn)及史家營鄉(xiāng)也有零星分布。速效鉀含量整個地區(qū)都較高。按照北京市農(nóng)田土壤養(yǎng)分分等定級標準，房山區(qū)絕大部分地區(qū)土壤速效鉀含量處于極高水平，面積達1 978 km2，約總面積的98%。速效鉀含量中等的面積不足1%，零星分布在石樓鎮(zhèn)的部分區(qū)域。

2.4 土壤養(yǎng)分時空變異狀況

將研究區(qū)內(nèi)2007年與2019年土壤養(yǎng)分情況進行比較，利用ArcGIS繪制差值圖(圖2)。可以看出，12年來土壤養(yǎng)分含量總體呈上升趨勢。有機質(zhì)含量上升大于或等于10 g/kg的面積約占7%，主要分布于西北部山區(qū)，上升0～10 g/kg的約占48%，在東南平原的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布，明顯下降的約占25%，主要分布在中北部和西南部的山區(qū)半山區(qū)；全氮含量上升大于或等于0.5 g/kg的面積約占10%，主要分布于東北山區(qū)，上升0～0.5 g/kg的約占57%，全區(qū)大部分地區(qū)均有分布，顯著下降的僅占3%，主要分布在中北部山區(qū)；有效磷含量上升大于或等于10 mg/kg及上升5～10 mg/kg的面積分別占35%和10%，主要分布于東部平原和西南山區(qū)，保持穩(wěn)定的約占23%，主要分布于中部平原和西部山區(qū)，下降的約占31%，主要分布在中部山區(qū)；速效鉀含量上升大于或等于50 mg/kg的面積約占89%，除最北部小部分山區(qū)外，其他地區(qū)均有分布，上升25～50 mg/kg的約占5%，下降的不足2%，主要分布于北端小部分山區(qū)。

3 討論和結(jié)論

研究區(qū)有機質(zhì)和全氮總體上處于高等含量水平，速效鉀總體上處于極高含量水平，而有效磷則處于中等較低含量水平，各養(yǎng)分含量均呈現(xiàn)顯著的空間和時間變異。在空間上，土壤有機質(zhì)和全氮總體分布呈現(xiàn)山區(qū)高平原低的趨勢，主要由于耕地多處于平原區(qū)，對土壤養(yǎng)分的消耗多于山區(qū)；有效磷的空間分布總體呈平原耕地高于山區(qū)的趨勢，速效鉀的空間分布整個區(qū)域都處于較高水平，這與近些年農(nóng)民越來越重視磷鉀肥的施用有關(guān)。其中，有效磷的變異系數(shù)最大，屬于高變異強度，其余養(yǎng)分含量均屬于中等變異強度，這與磷在土壤中移動性差及磷肥施用不平衡有關(guān)。土壤特性空間變異程度不僅受到母質(zhì)、地形、氣候等結(jié)構(gòu)性因素的影響，同時也受到人類活動等隨機性因素的影響。然而在同一區(qū)域內(nèi)，氣候條件一致的情況下，生態(tài)系統(tǒng)歷經(jīng)長期自身演替和人為干擾，源于結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異逐漸變小，而人類活動的干擾對土壤性質(zhì)的變異影響深遠[15]。結(jié)果顯示區(qū)內(nèi)有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀的塊基比分別為0.73、0.69、0.68和0.63，說明其受結(jié)構(gòu)性因素及隨機性因素共同影響，其中施肥管理、種植制度、土地利用方式等人為因素占主導(dǎo)，而受氣候、地形、母質(zhì)等區(qū)域條件因素影響相對較小。在時間上，12年來，由于種植制度改變、農(nóng)民對肥料投入重視程度提升，以及測土配方施肥、增施有機肥、秸稈還田等措施的大力推廣，各養(yǎng)分含量總體呈上升趨勢，尤其有機質(zhì)和速效鉀含量均有顯著提升，土壤理化性質(zhì)有所改善，基礎(chǔ)地力有所提升。這說明農(nóng)民科學(xué)施肥意識明顯增強，以往“重化肥、輕有機肥，重氮肥、輕磷鉀”的傳統(tǒng)施肥觀念和習(xí)慣已經(jīng)有所轉(zhuǎn)變。但研究區(qū)內(nèi)仍存在施肥結(jié)構(gòu)不平衡、投入不合理的情況，可以看到，研究區(qū)內(nèi)有效磷含量仍處于中等較低水平，而大部分地區(qū)全氮和速效鉀含量已經(jīng)超過極高水平。

1)研究區(qū)有機質(zhì)和全氮總體上處于高等含量水平，速效鉀總體上處于極高含量水平，而有效磷則處于中等較低含量水平，各養(yǎng)分含量均呈現(xiàn)顯著的空間和時間變異。

2)在空間上，土壤有機質(zhì)和全氮總體分布呈現(xiàn)山區(qū)高平原低的趨勢，有效磷呈平原耕地高于山區(qū)的趨勢，速效鉀的空間分布整個區(qū)域都處于較高水平。有效磷的變異系數(shù)最大，屬于高變異強度，其余養(yǎng)分含量均屬于中等變異強度。研究區(qū)各項養(yǎng)分塊基比在0.63～0.73之間，空間變異情況受隨機性因素和結(jié)構(gòu)性因素共同影響，其中施肥管理、種植制度、土地利用方式等人為因素占主導(dǎo)。

3)在時間上，12年來，各養(yǎng)分含量總體呈上升趨勢，有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀的含量分別在55%、67%、45%、94%的耕地中有明顯升高，但研究區(qū)內(nèi)仍有31%的耕地出現(xiàn)了有效磷含量的下降。

4)研究區(qū)內(nèi)土壤要注意平衡施用有機肥和化肥，繼續(xù)增施有機肥，科學(xué)施用氮磷鉀肥，減少不合理的化肥投入，控氮、增磷、控鉀。其中，東部地區(qū)和南部地區(qū)要增加有機肥施用，土壤有效磷含量在全區(qū)大部分地區(qū)處于中等較低水平，除長陽鎮(zhèn)南部、琉璃河鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)和石樓鎮(zhèn)的部分區(qū)域外，均需增加磷肥的施用，此外，整個區(qū)域要注意控制氮肥和鉀肥的施用，從而提高肥料利用率，兼顧生產(chǎn)效益與生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。