孙梨萍，常庆瑞，赵业婷，张 昳

(西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

陕南丘陵区县域农田土壤养分的空间分布格局

孙梨萍，常庆瑞，赵业婷，张 昳

(西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

【目的】 研究陕西南部丘陵区土壤养分的空间分布情况，为区域精准农业的发展提供科学依据和实践指导。【方法】 2010-2011年，以陕西省镇安县为研究区，在19个镇采集农田0～20 cm 土层土样2 283个，采用地统计学并结合“GIS”技术，构建不同土壤养分的最优半方差模型，进行普通Kriging插值分析，对该地区土壤养分的空间特征进行评析。【结果】 镇安县农田土壤有机质、全氮、速效氮、速效磷和速效钾，均呈中等变异强度。在空间结构上，土壤速效磷属于弱的空间相关性，有机质、速效氮和全氮表现为中等强度的空间相关性，速效钾具有强的空间相关性。总体来看，农田土壤养分空间呈中间低、四周高的分布格局。农田土壤有机质和全氮平均含量分别为18.27，1.09 g/kg，速效氮、速效磷、速效钾平均含量分别为97.47，16.27，122.09 mg/kg。与20世纪80年代相比，2011年镇安县土壤有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾的增幅分别为40.54%，17.20%，57.21%，125.97%和47.10%。镇安县土壤碳氮比平均为9.84，速效氮磷比平均为4.00。【结论】 镇安县农田土壤有机质、全氮和速效磷含量处于中等水平，速效氮和速效钾含量处于中等偏上水平。土壤碳氮比较全国农田偏低，速效氮磷比整体上偏高，比例严重失调。因此，镇安县的农田应科学、合理施肥，以提高肥料利用率。

地统计学；土壤养分；空间变异；碳氮比；氮磷比

土壤养分是衡量土壤肥力质量的一个综合指标[1]，了解其丰缺状况、变异情况及空间分布格局，是精确施肥和养分分区管理的基础[2-3]。开展土壤养分研究可为深入平衡施肥提供有力借鉴，对提升经济与生态效益有重要意义[4]。目前一些专家学者运用地统计学与GIS相结合的方法，在土壤养分空间变异方面已有大量研究报道。如唐群锋等[5]对海南省定安县土壤的有机质、全氮、速效磷、速效钾进行了空间变异特征研究，为保养耕地和区域农业生产提供了科学依据和实践指导；刘慧屿等[6]研究了黑龙江省双城市土壤有机质和速效养分的空间变异特征，对当地黑土肥力和养分管理具有重要的参考价值；史利江等[7]运用GIS和地统计学方法，研究宁波市农业示范区土壤养分的空间变异特征，得到了农田土壤养分的空间变异规律，并证明了土壤养分存在一定的空间相关性。上述结果表明，GIS技术是研究土壤养分空间分布格局的有效手段。但由于不同地区农业生产条件和耕作习惯等存在差异，不同研究者对同一养分的空间变异特征研究结果存在很大分歧，目前尚无一致结论。因此，本研究以陕西省镇安县为例，在陕西省耕地地力调查与质量评价项目的支持下，进行高密度采样，分析陕南丘陵土壤养分的空间变异及其分布特征，以期为提高当地的土壤养分管理水平和生态效益提供参考依据。

1 研究区概况

镇安县属陕西商洛市辖区，地处陕西省东南部，秦岭南麓。地理位置在东经108°34′15″～109°37′12″，北纬33°07′37″～33°42′03″，县境东西长175.5 km，南北宽72.5 km，总面积3 487 km2，共辖19个镇，6个社区，220个行政村。该县属秦岭深山区，地势呈西北高、东南低(图1)。

地貌分为3个类型区：1)河谷川塬区，海拔344～850 m；2)低山丘陵地貌，海拔850～1 200 m；3)中高山地貌，海拔1 200～2 600 m。境内河流密布，大小河流有5 801条，所有河流均属长江流域汉江中游的支流。主要河流有旬河、乾佑河、达仁河、滑水河、池河五大水系，其中旬河属于三级河。气候属北亚热带向暖温带过渡地带半湿润性气候，年平均降水量804.4 mm，年平均日照时数1 947.4 h。农田土壤可分为黄棕壤、石灰岩土、棕壤、粗骨土、黄褐土、新积土和水稻土7个土类。农作物以小麦和玉米为主，另种植有少量水稻。

2 研究方法

2.1 土样的采集与测定

按照《中国耕地地力调查与质量评价技术规程》(NY/T 1634-2008)的规范和要求，在2010年和2011年作物收获后、施肥前，根据地形地貌、土壤性质和管理水平等因素特点，遵循全面性、均衡性、客观性和可比性等原则[8]，并以20世纪80年代第2次土壤普查时期的土壤样点信息为参照，确定研究区采样单元。在每一采样单元的0～20 cm土层上，根据单元形状和大小确定适当的布点方法，长方形地块采用“S”形法，近似正方形地块采用“X”形法或棋盘形布点[9]。将采集的样点土壤充分混匀后，用四分法留取1 kg土样装袋以备分析。本次共选取 2 283 个有效土样(图1)，遍及19个镇，7个土种类型。测定项目包括土壤有机质、全氮及速效氮、磷、钾含量等。其中有机质含量测定采用油浴加热重铬酸钾容量法，全氮含量测定采用半微量凯氏定氮法，速效氮含量测定采用碱解扩散法，速效磷含量测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，速效钾含量测定采用乙酸铵浸提-火焰光度法[10]。

2.2 数据分析

2.2.1 特异值处理 由于特异值的存在会造成变量连续表面的中断，使得实验半方差函数发生畸变，甚至会掩盖变量固有的空间结构特征，本研究采用域法识别特异值，结合邻近点数据比较法，进行异常值的剔除，最终保留有效土样2 221个[11]。

2.2.2 正态分布性检验 检验数据的正态分布是使用空间统计学克里格插值方法进行土壤特性空间分析的前提。本研究通过SPSS 19.0软件进行正态分布性检验和柯尔莫哥洛夫-斯蜜诺夫检验(K-S检验)，发现镇安县各养分数据集的分布均存在一定偏态效应，通过Minitab 15软件选取各自最优正态拟合参数λ，对数据进行变换处理[12]。

2.2.3 半方差函数及其模型选取标准 地统计学理论在众多文献中已有详细的表述[13-15]。半方差函数是其最核心的工具之一，是进行克里格空间插值的基础，用于分析区域化变量的变异特征及结构性状[16-17]。本研究利用ArcGIS 9.3 构建最优半方差函数模型，采用的模型选取标准遵循以下原则：标准误差平均值(ME)最接近0，均方根预测误差(RMS)最小且与平均标准误差(ASE)最接近，标准均方根预测误差(RMSS)最接近于1[18]。

3 结果与分析

3.1 土壤养分的基本统计特征

由表1可知，2011年，镇安县土壤有机质平均含量为18.27 g/kg，全氮平均含量为1.09 g/kg，速效氮平均含量为97.47 mg/kg，速效磷平均含量为16.27 mg/kg，速效钾平均含量为122.09 mg/kg，分别处于陕西省土壤养分分级标准[19]的中等、中等、中等偏上、中等、中等偏上水平。从变异系数来看，5项土壤养分指标均呈中等变异强度，其中以土壤速效磷的变异系数最大，为37.25%；土壤速效钾次之，变异系数为32.18%，土壤有机质、速效氮、全氮变异系数相对较小，分别为28.24%，26.45%和22.02%。与20世纪80年代陕西省第2次土壤普查时期的养分数据[20]相比，2011年镇安县土壤有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾含量分别增加了40.54%，17.20%，57.21%，125.97%和47.10%；土壤碳氮比值由7.19增加至9.84，速效氮磷比值由8.69降低至4.00，这与镇安县农民近年普遍增加化肥投入的情况相符；各养分标准差和变异系数均有不同程度的下降，说明土壤各养分含量向区域均匀化方向发展。

3.2 土壤养分的空间变异特征

各土壤养分最优半方差理论模型及其参数如表2所示。

由表2可知，镇安县土壤有机质、全氮和速效氮的最优半方差模型分别为高斯模型、指数模型和高斯模型，块金系数(C0/(C0+C))分别为0.66，0.72和0.71，按区域化变量空间相关性程度分级标准[21]，均表现为中等的空间相关性，其空间变异由镇安县土壤的母质、地形、气候条件等结构性因素和施肥条件、耕作制度等随机性因素共同作用引起；土壤速效磷的最优半方差模型为高斯模型，块金系数为 0.81，表现为弱的空间相关性，其空间变异性主要受镇安县施肥不均和农作物种植类型等随机性因素影响较大；镇安县土壤速效钾的最优半方差模型为球状模型，块金系数为0.24，表现为强的空间相关性，说明土壤母质、地形地貌、气候等结构性因素对速效钾的空间分布起到了决定性作用，而随机性因素影响较小[22-24]。

3.3 土壤养分的空间分布特征

将插值后的土壤养分含量数据生成各土壤养分含量的空间分布图，结果见图2。由图2-A可知，镇安县土壤有机质含量空间上呈中间低、四周高、由中间向四周递增的分布格局。有机质含量 ≥17.5～<20.0 g/kg的区域占农田总面积的57.03%，呈片状遍布于各镇；有机质含量 ≥15.0～<17.5 g/kg的区域占农田面积的36.30%，集中分布在中部的永乐镇、柴坪镇和达仁镇；有机质含量≥20 g/kg的区域占农田面积的6.05%，呈斑块状分布于木王镇和西口回族镇；有机质含量<15 g/kg 的区域分布面积少，仅占农田总面积的 0.62%，呈点缀状镶嵌分布于月河镇北部和永乐镇东部。

由图2-B可知，镇安县全氮含量空间上呈中间低、四周高的分布格局。全氮含量≥1.0～<1.2 g/kg 的区域占农田总面积的85.50%，呈片状遍布于各镇；全氮含量<1.0 g/kg的区域占农田总面积的10.53%，呈块状分布于永乐镇、铁厂镇、庙沟镇和米粮镇；全氮含量≥1.2 g/kg的区域占农田总面积的3.97%，呈块状分布于回龙镇、张家镇和茅坪回族镇。

由图2-C可知，镇安县速效氮含量空间上呈东南高、中部低的分布格局。速效氮含量≥90～<100 mg/kg的区域占农田总面积的56. 81%，呈片状遍布于除茅坪回族镇以外的各镇；速效氮含量≥100 mg/kg的区域占农田总面积的29.74%，呈块状分布于东川镇、庙沟镇、永乐镇、云盖寺镇、柴坪镇、达仁镇、大坪镇、西口回族镇和茅坪回族镇；速效氮含量<90 mg/kg的区域占农田总面积的13.45%，呈块状分布于中部的永乐镇、高峰镇和青铜关镇。

由图2-D可知，镇安县速效磷含量空间上呈中间低、四周高的分布格局。速效磷含量≥15.0～<17.5 mg/kg的区域占农田总面积的42.81%，呈片状遍布于各镇；速效磷含量≥17.5～<20.0 mg/kg 的区域占农田总面积的37.02%，呈块状遍布于各镇；速效磷含量≥20.0 mg/kg的区域占农田总面积的12.07%，呈块状分布于永乐镇、木王镇、云盖寺镇和达仁镇；速效磷含量<15.0 mg/kg的区域占农田总面积的8.11%，主要分布于柴坪镇和高峰镇，在西口回族镇和米粮镇也有零星分布。

由图2-E可知，速效钾含量在镇安全县都较高，东南部含量最高，中部含量最低。速效钾含量 ≥120～<130 mg/kg的区域占农田总面积的 38.25%，呈片状遍布于庙沟镇、杨泗镇、柴坪镇、木王镇、东川镇、回龙镇、永乐镇、青铜关镇和大坪镇；速效钾含量≥130 mg/kg的区域占农田面积的比例为25.93%，呈块状分布于木王镇、杨泗镇、东川镇、西口回族镇和米粮镇；速效钾含量≥110～<120 mg/kg 的区域占农田总面积的25.22%，呈四大斑块状，分别分布于云盖寺镇、达仁镇、高峰镇和铁厂镇；含量<110 mg/kg的区域占农田总面积的 10.61%，集中分布在铁厂镇，永乐镇和云盖寺镇也有零星分布。

从前面的分析可知，镇安县土壤养分含量的空间分布与地貌类型的分布规律基本一致，整体上呈现中间低、四周高的分布格局。中部的河谷川塬区地形较为平坦，分布着新积土、黄褐土，颗粒粗细混杂，土壤母质多为河水与洪水冲积物，加之降水相对较少、气温高、植被条件较差，这些条件使土壤养分累积少；四周的山区则由于常年处在湿润的环境条件下，自然植被好且有多年生的特点，常年气温低，降水量丰沛，土体淋溶作用强烈，土壤类型大多为黄棕壤和棕壤，故而土壤养分含量相对较高。

3.4 土壤养分比值的变化特征

各种养分对植物的生长发育有着不同的作用，且在作物所需的各个养分之间总是保持着一定的比例关系。养分之间的比例恰当，能较好地发挥每种养分的营养功能，使作物产量高、品质好；反之，土壤养分比例失调，则不能保证作物的正常发育。

本研究对镇安县土壤养分比值(碳氮比(C/N)，即土壤有机碳含量(0.58×土壤有机质含量)与全氮含量的比值；速效氮磷比(N/P)，即土壤速效氮含量与速效磷含量的比值)的分布特征进行了分析，结果(图3、图4和表1、表3)显示，镇安县土壤碳氮比为6.58～13.66，平均值为9.84，较全国农田碳氮比值(10)[25]偏低。镇安县速效氮磷比为1.92～6.97，平均值为4.00，与农作物普遍适宜的速效氮磷比值(2～3)[26]存在较大差异，比例严重失调。

由图3、图4和表3可知，镇安县大部分区域土壤碳氮比主要集中在8～10，占农田面积的比例为54.45%；土壤碳氮比偏低的区域分布在西口回族镇、米粮镇和永乐镇；土壤碳氮比偏高的区域占农田面积的比例为2.58%，主要分布在达仁镇、庙沟镇、青铜关镇东部和米粮镇西部。镇安县大部分区域土壤速效氮磷比为3～4，速效氮磷比失调(≥3)区域占农田面积的比例达到97.02%；速效氮磷比适中区域主要位于达仁镇中部、米粮镇东南部和永乐镇。因此，今后应根据土壤中养分丰缺的情况，重视不同种类化肥的配合施用，使土壤养分之间比例协调，做到科学施肥，提高肥效。

4 结论与建议

1)镇安县农田土壤有机质、全氮和速效磷含量处于中等水平，速效氮和速效钾含量处于中等偏上水平。总体来看，有机质、全氮和速效磷空间协同性强，均呈中间低、四周高的分布格局。速效氮、钾间空间协同性强，均呈东南高、中部低的分布格局。土壤有机质、速效氮、速效磷、速效钾及全氮均属中等强度的空间变异。

2)镇安土壤速效磷的空间相关性弱，主要受人为性因素的影响；土壤有机质、速效氮和全氮呈中等空间相关性，其空间变异性主要由自然因素和人为因素共同造成；而土壤速效钾呈强的空间相关性，主要受自然因素的影响。

3)镇安县土壤碳氮比的平均值为9.84，较全国农田碳氮比值偏低。速效氮磷比的平均值为4.00，适宜的速效氮磷比值面积仅占农田总面积的 2.98%。因此，对于失调区应平衡有机肥与化肥施用量，控制磷肥投入，提高氮肥利用率，使土壤氮磷平衡。这样既可以全面补充养分元素，又可以改善土壤结构，从而提高土壤保肥和供肥能力。另外，可建立合理的轮作套种制度，以进一步提高土壤氮磷钾平衡施肥水平，保证作物的良好生长量，提升镇安县的经济效益和生态效益。

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Spatial distribution of soil nutrients in hilly region of Southern Shaanxi

SUN Li-ping,CHANG Qing-rui,ZHAO Ye-ting,ZHANG Yi

(CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 The study explored the spatial variability of soil nutrients in farmlands in hilly region of Southern Shaanxi to provide scientific guidance for development of precision agriculture. 【Method】 This paper took Zhen’an County in Southern Shaanxi as the study area and collected 2 283 soil samples from 0-20 cm top soil of farmlands in 19 towns during 2010-2011.Combination of geostatistics with geographical information system (GIS) was applied to construct best semi-variance models and conduct ordinary Kriging interpolation analysis for spatial analysis of soil nutrients in this region.【Result】 The spatial variability of soil organic matter (SOM),total nitrogen (TN),available nitrogen (AN),available phosphorus (AP) and available potassium (AK) in farmlands of Zhen’an County was moderate.AP had weak spatial correlation,SOM,AN and TN had moderate spatial correlation,while AK had strong spatial correlation.Spatially,soil nutrients were lower in central while higher in surrounding.Average contents of SOM,TN,AN,AP,and AK were 18.27,1.09 g/kg,97.47,16.27,and 122.09 mg/kg,respectively.They increased by 40.54%,17.20%,57.21%,125.97%,and 47.10% from 1980s to 2011.The mean ratio of C to N was 9.84 and that of N to P was 4.00.【Conclusion】 The contents of SOM,TN and AK were in moderate level,while AN and AK were higher than middle level.The mean ratio of soil nutrients was imbalance.Therefore,it is necessary to guide farmers to fertilize rationally and improve fertilizer utilization.

geostatistics;soil nutrient;spatial variability;C/N;N/P

2013-11-13

国家“863”计划项目(2013AA102401)；高等学校博士学科点专项科研基金课题(20120204110013)

孙梨萍(1989-),女,吉林四平人,在读硕士,主要从事遥感与“GIS”应用研究。E-mail:sunliping198949@126.com

常庆瑞(1959-),男,陕西子洲人,教授,博士生导师,主要从事土地资源与空间信息技术研究。 E-mail:changqr@nwsuaf.edu.cn

时间:2015-01-19 09:19

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.03.015

S153.6

A

1671-9387(2015)03-0162-07

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150119.0919.015.html