王學寅，黃益靈，全斌斌，林道秀，韓振春

(1.浙江省第十一地質大隊，浙江 溫州 325006； 2.溫州市地質資源與生態(tài)環(huán)境重點實驗室，浙江 溫州 325006)

0 引 言

土壤肥力(養(yǎng)分)是土壤科學研究的核心內容，但是不代表土壤有了養(yǎng)分就能轉換為土地生產(chǎn)力[1]。隨著農業(yè)產(chǎn)業(yè)科學的發(fā)展，人們對土壤利用和農田養(yǎng)分管理有了更多手段，不僅對于氮(N)、磷(P)和鉀(K)等大量養(yǎng)分元素的施用越來越科學合理，而且越來越重視鈷(Co)、 釩(V)和鉬(Mo)等微量養(yǎng)分元素對作物生產(chǎn)和產(chǎn)量的影響[2]。但總體看對于土壤元素“生物有效性”這一概念還不夠重視，導致部分地區(qū)土壤出現(xiàn)“肥而無力”這一現(xiàn)象。

由于成土母質、地形地貌、土壤類型、氣候等自然環(huán)境因素和耕作制度、外源輸入(如肥料施用)以及秸稈還田等人為因素的長期共同作用，土壤元素有效態(tài)含量具有高度的空間異質性和明顯的區(qū)域分異特征[3-6]。單憑傳統(tǒng)的統(tǒng)計學方法無法解決空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)關聯(lián)的問題。因此，目前許多國內外學者都采用地統(tǒng)計學與GIS技術相結合的方法來研究土壤中元素有效態(tài)含量的空間變異特征[7]。

本次研究以瑞安市(以下稱“研究區(qū)”)農田耕作層土壤為研究對象，根據(jù)實地調查采樣和測試分析，運用地統(tǒng)計學、GIS和傳統(tǒng)統(tǒng)計學方法對瑞安市耕作層土壤中土壤養(yǎng)分元素有效態(tài)含量的空間分布特征進行研究，采用相關分析、主成分因子分析和分類對比分析方法對元素有效態(tài)含量與影響因素之間的關系進行分析，了解研究區(qū)耕作層土壤主要養(yǎng)分元素有效態(tài)的特性，以期為研究區(qū)土壤養(yǎng)分平衡管理、農業(yè)精準布局以及土壤保護措施等提供理論參考和科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處浙江省東南沿海黃金海岸線的中段，溫州市中部(圖1)，面積1 350.01 km2，地理坐標：東經(jīng)120°10′至121°15′，北緯27°40′至28°00′。全區(qū)地勢西高東低，西北部為山區(qū)丘陵，中部為飛云江流域河谷平原，東部沿海為沖積平原和近海灘涂，地勢平坦。研究區(qū)屬中亞熱帶海洋性季風氣候區(qū)，常年平均氣溫18.9 ℃，年平均降雨量為1 826.2 mm。

研究區(qū)土地資源肥沃，受地層巖性、地形地貌以及沉積古環(huán)境等因素影響，可以把研究區(qū)耕作層土壤成土母質劃分為火成巖類風化物、沉積巖類風化物和第四紀沉積物3大類。第二次全國土壤普查顯示，瑞安市共有紅壤、黃壤、粗骨土、潮土、水稻土、鹽土和新積土7大類和紅壤、黃壤、黃紅壤、侵蝕性紅壤、酸性粗骨土、淹育型水稻土、潴育型水稻土、滲育型水稻土、潛育型水稻土、脫潛潴育型水稻土、灰潮土、鈣質潮土、濱海鹽土和水成新積土14亞類土壤(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置、土壤類型及采樣點位Fig.1 The geographic location，soil types and sampling site of the study area

2 材料與方法

2.1 樣品采集與測試分析

以研究區(qū)內永久基本農田示范區(qū)為重點，綜合考慮成土母質、土壤類型和土地利用類型等因素，隨機從3 692件1:5萬土壤地球化學調查采集的表層土壤(0～20 cm)樣品中選取500件樣品展開研究，表層土壤樣品采集執(zhí)行DB33/T 2224—2019土地質量地質調查規(guī)范。

樣品測定了堿解氮、速效鉀、有效磷、有效硼、有效錳、有效鉬、有效銅、有效鐵和有效鋅9種養(yǎng)分元素有效態(tài)含量以及CEC(陽離子交換量)、有機質、全鹽量和pH等指標。樣品檢測工作由河南省巖石礦物測試中心完成，檢測過程執(zhí)行《地質礦產(chǎn)實驗室測試質量管理規(guī)范》(DZ/T 0130—2006)、《多目標區(qū)域地球化學調查規(guī)范(1:250 000)》及《生態(tài)地球化學評價分析技術要求(DD2005—03)》。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析方法

首先采用地球化學勘查數(shù)據(jù)一體化處理系統(tǒng)(Geochem Studio 3.0)以3倍離差迭代至少7次剔除原始數(shù)據(jù)異常值，使數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布或是對數(shù)正態(tài)分布，并求取處理前后數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計參數(shù)特征。然后以地統(tǒng)計學基本原理和方法為基礎，分析元素有效態(tài)含量空間變異特征，運用GS+9.0軟件對處理后的數(shù)據(jù)進行半方差函數(shù)分析及模型擬合，以半方差分析結果中模型的擬合決定系數(shù)R2最大、殘差平方和RSS最小為最優(yōu)插值理論模型和參數(shù)[7-10]。然后運用ArcGIS 10.2軟件進行普通克里金插值法，以《土地質量地球化學評價規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)等級劃分為標準(表1)，求得研究區(qū)耕作層土壤元素有效態(tài)含量空間分布特征圖。最后采用SPSS 23.0軟件對數(shù)據(jù)進行相關性分析和主成分分析，探討研究區(qū)耕作層土壤9種養(yǎng)分元素有效態(tài)含量的主要影響因素和影響程度。

表1 土壤養(yǎng)分元素有效態(tài)含量評價標準

3 分析結果

3.1 有效態(tài)參數(shù)特征

通過對比原始數(shù)據(jù)剔除3倍離差前后描述性統(tǒng)計參數(shù)可以看出研究區(qū)耕作層土壤堿解氮、速效鉀、有效磷、有效硼、有效錳、有效鉬、有效銅、有效鐵和有效鋅9種養(yǎng)分元素有效態(tài)地球化學基本參數(shù)特征存在一定差別(表2)。

研究表明變異系數(shù)可以反映土壤元素的離散程度，進而表示土壤元素的分布均勻程度。變異系數(shù)越大，元素分布越不均勻，離散程度越大。一般認為當變異系數(shù)Cv<0.3為均勻分布，0.3≤Cv<0.6為弱分異，0.6≤Cv<1.0為較強分異，Cv≥1.0為強分異[7，11]。

統(tǒng)計結果顯示研究區(qū)耕作層土壤有效磷、有效銅和有效鋅在剔除3倍離差前變異系數(shù)都大于1.0，而剔除3倍離差后，變異系數(shù)分別降為0.82、0.44和0.59，且剔除前后這3種元素有效態(tài)含量的算術平均值相差較明顯，說明這3種有效態(tài)在耕作層土壤中分布較離散，可能受農業(yè)施肥和人類生產(chǎn)生活廢棄物等外界因素影響而在部分土壤中出現(xiàn)不同程度的富集，對這3種元素有效態(tài)平均含量產(chǎn)生了較大影響。

表2 研究區(qū)耕作層9種養(yǎng)分元素有效態(tài)含量統(tǒng)計參數(shù)

有效錳和有效硼的變異系數(shù)分別為0.82和0.61，屬于較強分異，剔除3倍離差后變異系數(shù)分別降為0.69和0.53，說明這2種養(yǎng)分元素有效態(tài)總體分布不均勻，少量極值存在給土壤平均含量造成了一定程度的影響；堿解氮、速效鉀和有效鉬變異系數(shù)>0.3，但都<0.6，屬于弱分異，剔除3倍離差前后總體相差不大，說明這3種有效態(tài)元素分布較均勻，受外界影響較小，雖然在個別樣點出現(xiàn)了極值，但對其平均值影響不大；有效鐵剔除前后各項參數(shù)保持一致，無極值點剔除，變異系數(shù)為0.24，屬于均勻分布范疇，說明外界影響因素未對耕作層土壤有效鐵含量造成較明顯的影響。

3.2 有效態(tài)半方差函數(shù)分析

半方差函數(shù)分析是研究元素空間變異特征的主要手段之一[12-14]。塊金值(Co)代表隨機變異的量，主要代表一些人為因素引起的土壤變異，如施肥、耕作等各種人類活動。而基臺值(Co+C)代表變量空間變異的結構性方差，主要代表自然因素引起的土壤變異，如母質、氣候、地形等，塊金系數(shù)(Co/(Co+C))代表空間異質性程度，該值<0.25、0.25～0.75、>0.75分別代表變量強、中等、弱空間相關性[15-18]。

半方差函數(shù)分析結果顯示研究區(qū)耕作層土壤堿解氮、速效鉀、有效鋅和有效錳的最佳擬合模型為指數(shù)模型，有效鉬、有效硼和有效銅的最佳擬合模型為高斯模型，而有效磷和有效鐵的最佳擬合模型為球狀模型(表3)。從表3還可以看出9種土壤養(yǎng)分元素有效態(tài)的決定系數(shù)(R2)都在0.68～0.90之間，說明上述半方差函數(shù)與理論上的模型擬合較好。其中有效鐵和有效錳的塊金系數(shù)小于0.25，堿解氮塊金系數(shù)為0.26(略大于0.25)，速效鉀、有效磷、有效鉬、有效銅和有效鋅的塊金系數(shù)大于0.25，但小于0.75，而有效硼的塊金系數(shù)達到了0.81。這說明有效鐵、有效錳和堿解氮的空間相關性較好，土壤母質、土壤類型以及地形地貌等結構性因素是影響其含量的主導因素；速效鉀、有效磷、有效鉬、有效銅和有效鋅為中等相關性，說明這幾種元素有效態(tài)含量受土壤母質、土壤類型以及地形地貌等結構性因素和人為活動等隨機性因素的雙重影響；有效硼空間相關性最弱，說明其受人為活動等隨機性因素影響較大。

表3 研究區(qū)耕作層9種養(yǎng)分元素有效態(tài)半方差函數(shù)模型及相關參數(shù)

3.3 有效態(tài)空間分布趨勢

變程(Ao)是擬合模型首次呈現(xiàn)水平狀態(tài)的距離，是反映變量空間自相關范圍大小的參數(shù)[19-22]。本次參與地統(tǒng)計的9種養(yǎng)分元素有效態(tài)半方差函數(shù)擬合模型變程在3.81～26.66 km之間(表3)，因此運用普通克里金插值法求得的養(yǎng)分元素有效態(tài)含量等值線圖能較客觀地反映其空間分布趨勢。

以表1所示有效態(tài)分級標準為依據(jù)，可以看出9種元素有效態(tài)含量在空間上呈現(xiàn)一定的分布規(guī)律。堿解氮主要呈現(xiàn)西高東低的分布趨勢，研究區(qū)中西部地區(qū)普遍達到豐富標準，東南部莘塍街道、東山街道和塘下鎮(zhèn)等靠近沿海一帶普遍為較缺乏；有效鐵分布特征與堿解氮相似，總體分布均勻，近100%面積土壤有效鐵含量達到豐富標準；速效鉀、有效硼、有效錳、有效鉬、有效銅和有效鋅空間分布特征基本相似，西低東高，高值主要集中在中部和東南部平原區(qū)，但從總體含量來看，研究區(qū)表層土壤有效硼含量普遍偏低，西部丘陵區(qū)絕大多數(shù)屬于缺乏和較缺乏狀態(tài)，其他幾種養(yǎng)分元素有效態(tài)含量較高，基本都屬于中等及以上范疇；有效磷含量總體較高，呈“東西高、中間低”的分布規(guī)律，低值主要分布在云周街道和陶山鎮(zhèn)等飛云江流域中部平原區(qū)(圖2)。

4 探 討

通過以上分析，對研究區(qū)耕作層土壤9種主要養(yǎng)分元素有效態(tài)含量的空間變異特征和分布規(guī)律有了一定了解，但是對其來源、影響因素及影響程度尚缺乏具體認識。

皮爾遜相關性統(tǒng)計分析結果顯示，研究區(qū)9種主要養(yǎng)分元素有效態(tài)之間存在一定的相關性(表4)。堿解氮與有效鐵之間呈正相關性，相關系數(shù)為0.561，速效鉀與有效硼之間相關系數(shù)為0.632，有效鉬與有效銅、有效鋅之間相關系數(shù)分別為0.426和0.447，有效銅和有效鋅之間相關系數(shù)達到0.825，且顯著系數(shù)P<0.01，說明這些元素有效態(tài)之間正相關性顯著，指示研究區(qū)耕作層中這些元素有效態(tài)含量控制因素相似。

表4 研究區(qū)耕作層9種養(yǎng)分元素有效態(tài)相關系數(shù)

圖2 研究區(qū)耕作層9種養(yǎng)分元素有效態(tài)含量空間分布趨勢Fig.2 Spatial distribution trend of available contents of 9 nutritive elements in tillage layer in the study area

圖3 研究區(qū)各種成土母質、土壤類型、利用現(xiàn)狀及海拔高度條件下9種養(yǎng)分元素有效態(tài)含量箱狀圖Fig.3 Box diagrams of available contents of 9 nutritive elements under the conditions of different soil parent materials，soil types，utilization status and altitude in the study area

土壤理化性質是影響土壤元素有效態(tài)含量的主要因素。如表3所示，土壤全鹽量與速效鉀、有效硼之間呈顯著正相關性，相關系數(shù)分別為0.466和0.314，CEC和速效鉀、有效硼之間相關系數(shù)達到0.476和0.694，pH和速效鉀、有效硼之間呈顯著正相關性，說明在研究區(qū)含鹽量較高、陽離子較活躍的中性或是弱堿性土壤環(huán)境有利于速效鉀和有效硼富集；pH與堿解氮、有效鐵之間呈顯著負相關性，相關系數(shù)分別為-0.483和-0.501，說明在特定條件下，相對酸性土壤環(huán)境有利于堿解氮和有效鐵的富集；而有機質往往相反，其與堿解氮和有效鐵之間呈明顯正相關性，相關系數(shù)達0.721和0.556，說明土壤有機質越豐富，越有利于堿解氮和有效鐵的富集，這一結果與已有研究結論基本吻合[23-24]。

通過主成分分析法可以最大可能保留原始數(shù)據(jù)信息，在復雜的變量中概括出變量之間的關系[25]。對研究區(qū)耕作層土壤9種養(yǎng)分元素有效態(tài)進行主成分分析，可以概括出4個主要成分(表5)，累積貢獻率達到75.18%，可以較好反映原始數(shù)據(jù)大部分信息。

表5 研究區(qū)耕作層9種養(yǎng)分元素有效態(tài)主成分分析結果

成分載荷矩陣可以更直觀地反映出研究區(qū)耕作層土壤9種養(yǎng)分元素有效態(tài)之間包含的信息。從4個主成分中可以提取出如下因子組合特征(表6)：F1(速效鉀-有效鉬-有效硼-有效銅-有效鋅)，F(xiàn)2(堿解氮-有效鐵)，F(xiàn)3(速效鉀-有效硼)，F(xiàn)4(有效磷-|有效錳|)，表明土壤中速效鉀、有效鉬、有效硼、有效銅和有效鋅部分同源，其中有效硼和速效鉀高度同源，堿解氮和有效鐵亦基本同源，這一分析結果基本上和相關性分析結果一致。

成土母質、土壤類型、土地利用現(xiàn)狀以及海拔高度分別是影響研究區(qū)耕作層土壤養(yǎng)分元素有效態(tài)含量的重要因素(圖3)。其中堿解氮、有效鐵和有效磷在不同成土母質土壤中含量相差不大，值域變化范圍基本一致，均值相差不明顯；速效鉀、有效硼、有效鉬、有效銅和有效鋅含量相差較大，其中母質為第四紀沉積物土壤中的有效硼、速效鉀、有效銅和有效鋅均值明顯高于沉積巖風化物和火成巖風化物土壤，且極值多數(shù)出現(xiàn)在第四紀沉積物土壤中。從土壤類型看，堿解氮和有效磷在不同土壤類型中含量差別相對較小，水稻土和紅壤中堿解氮、有效鐵含量較高，潮土中有效銅和有效鋅含量遠高于其他土壤。不同土地利用方式更能客觀反映人類農業(yè)生產(chǎn)活動對土壤中元素有效態(tài)的影響，一般來說水田受人類活動影響要遠大于旱地，從圖2可以明顯看出，水田中堿解氮、速效鉀、有效硼、有效銅和有效鋅平均含量要高于旱地，而旱地中有效鉬含量均值高于水田，有效錳和有效磷則基本一致；對比不同海拔高度土壤中養(yǎng)分元素有效態(tài)含量可以發(fā)現(xiàn)地形地貌因素對于堿解氮、速效鉀影響較小，而其他幾種養(yǎng)分元素有效態(tài)含量基本上呈現(xiàn)隨著海拔增加而減少的規(guī)律。

表6 研究區(qū)耕作層9種元素有效態(tài)主成分分析旋轉后成分載荷矩陣

5 結 論

(1)研究區(qū)耕作層土壤有效磷、有效銅和有效鋅在剔除3倍離差前變異系數(shù)都大于1.0，屬于強分異，有效錳和有效硼屬于較強分異，堿解氮、速效鉀和有效鉬屬于弱分異，有效鐵屬于均勻分布。剔除3倍離差后變異系數(shù)從大到小排列依次為有效磷>有效錳>有效鋅>有效硼>速效鉀>有效銅>有效鉬>堿解氮>有效鐵。

(2)堿解氮、速效鉀、有效鋅和有效錳的最佳擬合模型為指數(shù)模型，有效鉬、有效硼和有效銅的最佳擬合模型為高斯模型，有效磷和有效鐵的最佳指數(shù)模型為球狀模型。對應空間相關性為強相關性：有效錳和有效鐵；中等相關性：堿解氮、速效鉀、有效磷、有效鉬、有效銅和有效鋅；弱相關性：有效硼。

(3)空間分布規(guī)律：堿解氮和有效鐵為西高東低；速效鉀、有效硼、有效鉬、有效銅和有效鋅為西低東高；有效磷為東西高、中間低，有效鐵分布均勻。豐缺狀況：中西部土壤有效硼含量較缺乏，東部堿解氮較缺乏，中部有效磷較缺乏，其他地區(qū)土壤9種養(yǎng)分元素有效態(tài)含量都達到中等標準以上。

(4)中性或是弱堿性、含鹽量較高且陽離子較活躍的土壤環(huán)境有利于速效鉀和有效硼富集，酸性或弱酸性和有機質含量較高的土壤有利于堿解氮和有效鐵富集。速效鉀、有效鉬、有效硼、有效銅和有效鋅主要受成土母質、土壤類型以及地形地貌等結構性因素和施肥、耕作等隨機性因素的雙重影響；堿解氮、有效鐵、有效磷和有效錳主要受成土母質、土壤類型以及地形地貌等結構性因素的影響。