褚雅红 毕如田 刘秀珍 刘 庚

(1山西省潞城市水利局 2山西农业大学资源环境学院)

土壤是一个相当复杂的自然综合体，它的形成需要一个漫长的过程，是在各种复杂的成土因素的相互作用下形成的，而且各种成土因素具有同等重要性和不确定性。土壤的这种复杂的形成过程使得土壤性质具有高度的空间异质性。土壤养分的空间异质性是土壤的重要属性之一［1，2］。

土壤养分空间变异性研究现已逐步成为土壤科学研究领域的前沿热点之一［3］。Milne在1936年首先提出了土壤的系统性空间变异。20世纪70年代左右，许多国外土壤学家对土壤物理性质的空间变异性规律作了大量研究［4，5］。80 年代前，主要利用Fisher所创立的传统统计方法进行分析［6，7］。Campbell首先应用地统计学，研究了土壤砂粒含量和土壤pH的空间变异［8］。随后，土壤养分空间变异进入了较为集中的研究阶段。

坝地土壤养分空间变异性研究也随之取得了许多重要成果［9－11］。包耀贤等对土壤侵蚀严重的黄土高原地区坝地和梯田土壤氮素特征及演变与土壤理化性状进行了研究［12－14］。魏霞等对黄土高原典型淤地坝淤积机理进行了研究［15］。毕银丽等人研究了黄土丘陵区坝地系统土壤养分特征及其与侵蚀环境的关系，包括坝地土壤的理化性状及其数值分析，以及坝系土壤粒径分布与各粒径的养分状况［16，17］。王治国等通过对山西省隰县河沟流域坝地淤积土壤与流域内其他地类土壤对比，提出了坝地丰产的关键环节［18］。

淤地坝是水土流失严重的黄土高原地区的一种既能拦截泥沙、保持水土，又能淤地造田、增产粮食的重要水土保持工程措施。坝地农业，具有显著的生态效益、经济效益和社会效益。本文以山西省黄土丘陵沟壑区的中阳县洪水沟流域为例，研究坝地土壤的养分状况，以便于采取有效措施改善坝地的耕作条件，充分发挥坝地基本农田的增产潜力，提高粮食产量，保证粮食安全。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区域概况

选取中阳县洪水沟流域的独堆淤地坝坝地作为研究区域，地貌类型为黄土丘陵沟壑区，年土壤侵蚀模数8 000－15 000t/km2，属于极强烈侵蚀。年平均气温8℃，极端最高气温35.6℃，极端最低气温－24.3℃，年≥10℃的有效积温2 906.4℃;年降水量500 mm左右，主要集中在5－9月，约占年降水量的80%以上;年蒸发量1 990 mm，年日照时数2 715 h，无霜期145－170 d，年均风速3－4 m/s。

独堆淤地坝位于中阳县金罗镇沟底村，属于洪水沟流域10#、11#淤地坝。流域主沟道长11.0 km，面积23.87 km2。研究坝的坝高18 m，已淤地8.6 hm2，年均淤积厚度75 cm。坝地排水条件良好，种植利用年限已长达20 a，主要种植玉米、高粱等高秆作物，单产7 500－11 250 kg/hm2。施肥情况一般为年施碳酸氢氨 600 kg/hm2，尿素 270 kg/hm2。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤样品的采集

在研究区采用GPS定位，应用网格法采集样点，样点数和采样距离根据坝地的面积及长宽比例来确定。根据布设的取样点，选取沿中泓线从坝前到坝尾取样，以采样点为圆心、5 m为半径的范围内，分别采集5钻0－20 cm的土壤混合样本30个。土壤取样点分布见图1。

图1 坝地土壤取样点分布图

1.2.2 土壤养分室内分析

测定分析项目及方法:(1)有机质(OM)，重铬酸钾容量外加热法;(2)缓效钾(SK)，1M硝酸煮沸浸提火焰法;(3)全氮(TN)，半微量开氏法;(4)碱解氮(AN)，碱解扩散法;(5)速效磷(AP)，0.5M NaHCO3浸提钼锑比色法;(6)速效钾(AK)，1M NH4OAc浸提火焰法。

1.2.3 数据处理

经室内分析获得数据后，首先对数据进行预处理，排除特异值，并对数据进行正态分布检验。对坝地土壤有机质、全氮、缓效钾、碱解氮、有效磷、速效钾等养分的空间分布特征，采用经典统计学和地统计学相结合的方法进行分析。首先用经典统计方法，对土壤养分的均值、标准差、方差、变异系数等基本性质进行初步分析，然后利用ArcGIS9.0软件中的地统计学模块进行半方差模型的拟合和半方差参数的选择，最后用克里格(Kriging)插值分析与制图。根据养分的半方差函数、空间变异参数以及绘制出的土壤养分空间分布图，分析土壤养分的空间分布规律和变化特征，得出坝地农业的合理布局和农作物精确施肥方法。

2 结果分析

2.1 坝地土壤养分的初步分析

在分析土壤养分数据的空间变异分布前，需要对数据进行包括样本平均数、方差、变异系数及频率分布直方图的统计处理。表1是土壤养分的分级标准，根据第二次土壤普查制定。采用传统统计方法，对比土壤养分分级标准，对坝地的土壤养分分布状况进行了初步分析和评价，得到相应的土壤养分统计特征值。统计结果见表2。

表1 土壤养分分级标准

表2 坝地土壤养分的统计特征

对照土壤养分分级标准，土壤养分含量除钾素外都处于极低水平，土壤比较贫瘠。坝地土壤养分唯独钾素富足，凸现了黄土母质中钾素含量在该区域土壤养分分布中的作用。土壤有机质、全氮、碱解氮都处于极低到低水平。由此可知，坝地属于低肥力耕地。主要原因，一是由于黄土母质整体有机质含量较低，坝地种植多年后外界侵蚀物进入逐渐减少;二是有机肥的施入量明显下降。所以，随着时间的推移和农作物的逐年消耗，使得坝地土壤有机质含量逐年降低。坝地土壤全氮含量很低，可能与黄土母质本身全氮含量很低、坝地氮肥投入很少或氮素在土壤中的易移动性所造成土壤氮的流失和淋溶等因素有关。碱解氮含量也很低，可能是因为人们对坝地持续实行掠夺式经营，造成养分贫瘠化。土壤速效磷处于极低—稍低水平之间，主要原因:一方面可能是坝地作物对速效磷多年的消耗远大于从磷矿物中释放的有效磷或者所施磷肥的矿化速度，另一方面也可能与掠夺式经营有关。

土壤养分的变异系数是土壤内在性质的反映，能够区别不同土壤养分对外界条件的敏感性。表2中显示土壤养分的变异系数Cv在12%－40%之间，都属于中等变异，说明洪水沟坝地土壤养分分布比较均匀。其中钾素变异系数小，这可能与研究区域施钾肥量相对较少有关。此外，钾主要受地形和土壤类型的影响，而且施入土壤中的钾肥，因其移动性相对较大、在土壤中残留较少，致使土壤中速效钾比较均匀些。土壤缓效钾含量状况同土壤速效钾基本一致。土壤速效钾含量是指导当季施钾的主要依据，容易受耕作、施肥、作物吸收等影响而变化，而土壤缓效钾是不能被作物直接吸收利用的，它是土壤速效钾的给源和后备。土壤速效磷的变异系数最大为40%，这是因为植物的生命活动，如凋落物积累、根系分泌物、根际微生物活动、根际磷酸酶、菌根等，土壤中的磷会在根际富集，同时由于磷肥往往是定点施用，因而造成土壤磷素的移动性较差、当季利用率低、受植物富集作用影响较大，某些区域磷素会有大量盈余，而大部分区域磷素会比较缺乏，导致土壤中速效磷分布不均。另一方面可能与农户小地块磷肥用量差异较大有关。因此，土壤磷素明显受到施肥活动的影响。

坝地土壤养分的偏态系数和峰态系数均非常接近于0和3，服从正态分布或是经对数转换后服从正态分布，可对其进行地统计学分析。

2.2 坝地土壤养分的空间变异分析

由于传统统计分析只能分析出土壤数据的整体分布特点，而不能定量地分析出土壤数据的随机性、结构性、独立性和相关性，为了解决这些问题，需要进一步采用地统计方法对研究区域坝地土壤养分进行空间变异结构的分析和探讨。图2为研究区域各种养分按照实际变异函数的计算结果，以半方差为纵坐标，采样距离为横坐标，取得的变异函数曲线图。

图2 坝地土壤养分的半方差图

从土壤养分的半方差图中可以看出，各养分的半方差值随着距离的增大而增加，在达到一定的距离后趋于平稳，这表明随着距离的增加，养分的空间相关性逐渐减小，到达一定距离后不再具有相关性，也就是说到一定的距离后养分能够保持空间上的相对独立。各养分的变异函数曲线均较为平稳，说明在整个尺度上各种生态过程同等重要，整个区域内会有个别实测点与理论模型相差很远，可能与采样的距离及较小范围内养分的分布有关。

表3是根据土壤养分的半方差拟合模型得出的相应的参数。块金值，表示实验误差和小于实验取样尺度等随机部分的空间变异性。基台值为半变异函数从初始的块金值达到一个相对稳定时的常数。当半变异函数值超过基台值时，即函数值不随采样点间隔距离而改变时，空间相关性不存在。从结构性因素的角度来看，基底效应的百分数可表示系统变量的空间相关性程度，如果百分数＜25%，说明变量具有强烈的空间相关性;在25% －75%之间，变量具有中等的空间相关性;＞75%时，变量空间相关性很弱。当半变异函数的取值由初始的块金值达到基台值时，采样点的间隔距离为变程。变程表示了在某种观测尺度下，空间相关性的作用范围，其大小受观测尺度限定。

表3 坝地土壤养分空间变异参数

在对模型进行最优拟合时，选择不同的理论模型来拟合半方差图。通过比较，分别选出了最优的理论模型。土壤有机质用球状模型拟合较好，土壤全氮、碱解氮用指数模型拟合，土壤缓效钾、速效钾用高斯模型拟合，土壤速效磷用对数转换后的高斯模型拟合。经过模型拟合后得到的各养分变异函数理论模型的相应参数，其中土壤速效磷决定系数比较小，拟合程度不是很好。

洪水沟流域坝地土壤养分的空间自相关变化尺度范围均比较小，最大相关距离从0.001 km到0.005 km，在较小尺度范围内存在着空间相关性。各土壤养分的空间变异程度有一定的差异，其含量在研究区域上由随机因素引起的空间变异分别占其总空间变异的 8.3%、44.0%、23.6%、29.6%、20.2%、30.5%。其中，土壤有机质、碱解氮、速效钾基底效应都较小，分别为8.3%、23.6%、20.2%，具有强烈的空间相关性，由空间自相关性引起的变异分别为91.7%、76.4%、79.8%。由此说明，由空间自相关性引起的空间变异性是主要的，在小尺度上具有较强的渐变性分布规律。其空间变异主要来自于土壤母质、地形、气候等非人为的区域因素，在小尺度上其空间变异受施肥、作物种类、管理水平等人为因素的影响较小。土壤全氮、缓效钾、速效磷基底效应分别为44.0%、29.6%、30.5%，具有中等的空间相关性，在小尺度上由空间自相关性引起的变异要比由随机因素引起的变异大些，其空间变异受施肥、作物种类、管理水平等人为因素的影响较土壤有机质、碱解氮、速效钾大。

2.3 土壤养分的空间分布格局

空间分布格局是指土壤养分含量在空间上有规律的分布。克里格法制图是根据计算所得的最优无偏估计值，按照相应的空间位置点绘制形成的空间分布图。本研究中为了准确直观地描述坝地土壤养分在空间上的分布，利用ArcGIS软件的地统计分析模块Geostatistical Analyst，用克里格插值法来绘制所测土壤养分的空间分布图(见图3)。

图3 坝地土壤养分的空间分布图

从各个土壤养分的空间分布规律来看，土壤养分含量分布均具有较强的空间异质性，说明存在着空间格局。土壤养分空间分布总趋势大致相同，养分含量斑块的大小、形状及空间分布具有明显的差异。除土壤缓效钾外，其他养分都具有一定的渐变性分布规律，呈现出从东南到西北的条带状分布，这与当地农户的农田经营方向基本一致。说明，农户不同的经营方式与施肥习惯等人为因素对坝地土壤养分的变异起主导作用。土壤缓效钾含量的空间分布具有较高程度的异质性，但是呈现出的是明显的斑块镶嵌状的空间结构，而且斑块的大小、形状及空间分布等都存在着差异。土壤缓效钾的斑块状格局可能与当地钾肥的施用量、钾肥的当季利用率等有关。

3 结论与讨论

(1)中阳县洪水沟流域坝地土壤养分分布不平衡，土壤养分的变异系数在12% －40%之间，均属于中等变异。除钾素含量较高可满足作物生长外，其他肥力要素含量较低，特别是有机质、全磷和速效磷含量趋于贫瘠化。

(2)土壤养分的半方差随着距离的增大而增加，说明存在空间相关性。

(3)各土壤养分的空间自相关变化尺度范围都比较小，在较小范围内存在着空间相关性。各养分的空间变异程度有一定的差异，土壤有机质、碱解氮、速效钾在小尺度上具有较强的渐变性分布规律，其空间变异主要来自于土壤母质、地形、气候等非人为的区域因素。土壤全氮、缓效钾、速效磷在小尺度上由空间自相关性引起的变异要比由随机因素引起的变异大些。

(4)土壤养分空间分布总趋势大致相同，具有高度的空间相关性，存在空间格局。养分含量斑块的大小、形状及空间分布具有明显的差异。除土壤缓效钾外，其他养分都具有一定的渐变性分布规律，呈现出从东南到西北的条带状分布，这与当地农户的农田经营方向基本一致。

研究表明，研究区域内的坝地唯独钾素富足，土壤养分整体退化趋势严重。坝地种植利用多年后，动植物残体等外界养分的再次携入非常有限，同时农户的耕作活动又会导致耕种土壤肥力的消耗，坝地有机质的含量已处于低肥力地的下限。由于黄土高原地区畜牧业不发达制约了有机肥的生产与投入，经济水平低下又限制了化肥的投入，建议当地群众应转变以往认为坝地是上好农地而不施或少施肥料的错误观念，应将有机肥、氮肥和磷肥进行配合施用，只有这样才能持续发挥坝地的经济效益。

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