山西省主要农田土壤有机质和全氮的空间变异分析

2012-10-22解文艳周怀平关春林张建杰杨振兴颜晓元王书伟

山西农业科学 2012年5期

解文艳，周怀平，关春林，张建杰，杨振兴，颜晓元，王书伟

（1.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030006；2.土壤与农业可持续发展国家重点实验室，中国科学院南京土壤研究所，南京210008）

耕地是土壤资源的精华，它是在自然土壤的基础上，经过长期的人类耕作、灌溉、施肥等措施逐步演化而成的。由于各地气候、成土母质、成土条件、耕作方式、栽培历史等的不同，耕地的类型、质量、肥力状况差异较大[1]。土壤有机质和全氮是评价土壤肥力和土壤质量的重要指标，是全球碳循环的重要源和汇，目前，其已成为土壤科学、环境科学研究的热点之一[2-3]。土壤有机质和全氮与其他土壤特性一样，具有高度的空间变异性，即在相同的区域内，同一时刻不同的空间位置，其含量存在明显的差异。充分了解土壤有机质和全氮的空间分布特征，掌握其变异规律，对于土壤养分资源的科学管理和合理利用，有针对性地采取合理施肥技术，提高肥料养分资源的利用率和作物产量，保持和提高土壤肥力，促进区域农业可持续发展等方面具有十分重要的理论和实践意义[4-8]。目前，国内外学者对土壤有机质和全氮的空间变异性进行了广泛研究，并取得了一些进展[9-12]。

山西省是经济欠发达地区，是一个农业省份，粮食收入是该省农民收入的重要组成部分，是贫困地区农民的主要经济来源。近年来，山西省农村经营管理体制、耕作制度、有机肥和化肥施用总量与作物品种结构发生了巨大变化[13-14]。

本试验通过研究山西省土壤有机质和全氮空间分布特征和变异规律，旨在为山西省农田的平衡施肥、作物产量的提高和土壤环境安全等提供理论依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

山西省位于我国中部、黄河中游，太行山以西，介于东经110°15′～114°32′、北纬34°34′～40°44′之间，属暖温带、温带大陆性气候，年平均气温在3.7～13.8℃之间，气温地区分布总趋向是自南向北、自平川向山地递减；无霜期一般为120～220 d，其分布特点是南长北短，平川长山地短；年均日照为2 000～3 000 h，年均降水量为380～650 mm。全省土地总面积15.66万km2，约占全国土地总面积的1.64%。1986年山西省土壤普查资源汇总耕地面积约373.2万hm2。山西地形较为复杂，境内有山地、丘陵、盆地、台地等各种地貌类型，整个地貌是被黄土广泛覆盖的山地型高原，海拔为1 000～2 000 m。农作物以小麦、玉米为主，农田土壤类型主要有棕壤、褐土、黄绵土、栗钙土、草甸土等。按地貌、土壤、气候等因素条件，山西省大致可分为5个农业地理区域，分别为晋南（运城市、临汾市）、晋东南（晋城市、长治市）、晋西北（吕梁市）、中部区（晋中市、太原市、阳泉市）、晋北（忻州市、大同市、朔州市）。这5个区域的自然生态条件、土壤性质和农业生产水平等方面存在较大差异。

1.2 研究方法

参照全国第二次土壤普查资料，根据耕地面积、土种类型和肥料水平进行布点采样，共确定75个取样点。利用GPS对采样点定位，记录经度、纬度、海拔高度和土壤质地状况等，2007年秋收后，在距每一样点10 m的范围内分别采集土壤剖面0～20，20～100 cm土层各5份土样，混合均匀后用四分法取0.5 kg土样备用。

土壤样品分析由中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室负责完成。重点分析了土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾、pH值等土壤理化性质[15]。数据统计分析及制图采用SPSS 13.0及ArcInfo9.2软件完成。

2 结果与分析

2.1 山西省主要农田土壤有机质和全氮含量的统计特征值情况

由表1的偏度和峰度系数可知，0～20，20～100 cm土层的有机质和全氮既不服从正态分布，也不服从对数正态分布，呈偏态分布，二者的变异系数分别为 42.65%，46.82%和 25.88%，28.89%，均属中等变异程度[16]，并且同一养分不同层次的变异系数差异很小，这与以往的一些研究结果一致[9-12]。有机质和全氮的分布及变异程度比较一致，表明二者受研究区内地形、水热条件等相同条件所控制。

表1 山西省土壤有机质和全氮含量的描述性统计

由表1还可知，0～20 cm耕层土壤有机质和全氮平均含量分别为17.70，0.85 g/kg，按照全国第二次土壤普查山西省的养分分级标准[17]，二者均属中等偏上水平。20～100 cm土层土壤有机质和全氮平均含量分别为8.50，0.45 g/kg，分别比耕层土壤含量低51.98%和47.06%。表明有机质和全氮在土壤的剖面分布具有一定的表聚性。这是由于耕层土壤受人为活动影响较强烈，作物根系又多密集于耕层内。因此，耕层土壤有机质和全氮含量明显高于下层土壤。

表1还表明，有机质和全氮在0～20，20～100 cm土层中的含量不同，耕层有机质含量范围为5.2～44.8 g/kg，极差为 39.6 g/kg；20～100 cm土层土壤有机质含量范围为3.1～23.0 g/kg，极差为19.9 g/kg。耕层土壤的全氮含量范围为0.29～1.39 g/kg，极差为 1.10 g/kg；20～100 cm土层土壤全氮含量范围为0.20～0.91g/kg，极差为0.71 g/kg。有机质和全氮的含量在这2个土层变化幅度均较大，说明有机质和全氮含量在不同土层土壤中存在明显差异。

2.2 山西省土壤有机质和全氮空间分布特征

以地区为最小单元，分析了山西省0～20 cm和20～100 cm有机质和全氮的分布情况（图1）。

表 2和表 3是对 5个研究区域的 0～20，20～100 cm土层土壤有机质和全氮的基本统计分析。

表2 山西省不同地区0～20 cm土层土壤有机质和全氮含量的统计分析

表3 山西省不同地区20～100 cm土层土壤有机质和全氮含量的统计分析

从全省来看，耕层土壤有机质含量总的趋势是：由东南向西北方向含量逐渐降低，中部向晋南和晋北方向逐渐减少（图1-a）。5个区域耕层土壤有机质含量的分布特点：晋东南最高，其次为中部区和晋西北，这3个地区的有机质含量大于全省的平均值（17.7 g/kg）；晋南和晋北的有机质含量小于全省的平均值。

由于耕层土壤有机质含量（y）与土壤全氮含量（x）呈非常显著的正相关（y＝30.21x－0.807，r＝0.840**），耕层土壤全氮含量的空间分布与有机质总的趋势基本一致，呈由东南向西北方向逐渐降低的趋势（图1-b）。5个区域耕层土壤全氮平均含量大小依次为晋东南＞中部＞晋南＞晋西北＞晋北（表2）。

山西省土壤20～100 cm土层土壤有机质和全氮含量的空间分布与耕层基本一致，表现出一定的空间垂直分布特征（图1-c，d）。晋东南和中部区域20～100 cm土层土壤有机质和全氮平均含量较高，分别为 11.10，10.12g/kg和 0.55，0.46g/kg；晋西北、晋南、晋北土壤有机质和全氮平均含量相差不大，分别在7.5，0.43 g/kg左右（表3）。

2.3 影响山西省土壤有机质和全氮含量空间分布的主要因素

山西省主要的土壤类型有褐土、潮土、栗褐土、黄绵土等，不同土壤类型理化性质差异是造成土壤有机质和全氮空间分布差异的自然因素。但研究区域又是人为影响比较明显的地方，其轮作制度有一年一作、两年三作、一年两熟等，种植的作物有春玉米、春玉米—冬小麦—夏大豆、冬小麦—夏玉米、杂粮、果园等，不同的土地利用方式下，人为因素又会对土壤有机质和全氮分布的差异造成影响。以耕层有机质和全氮为例来分析其主要影响因素。

首先，地形和土壤类型影响土壤有机质和全氮的空间分布。山西省地势由北向南、由西向东逐渐降低；土壤类型依次为栗褐土、黄绵土、褐土性土、褐土、潮土及石灰性褐土，与有机质和全氮的空间分布趋势一致，这反映了地形和土壤类型是山西省土壤有机质和全氮空间分布的主要影响因素之一。有机质和全氮含量最高值区域位于东南部海拔800～1 500 m的太行山一线山间盆地，土壤类型为石灰性褐土，土层深厚，气温相对较低，而降水量相对较多，土质黏重，有机质易积累。山西省中部为海拔700～800 m的盆地，土壤类型为石灰性褐土、褐土性土，河流两岸有潮土，土层深厚，土质适中，通体暗灰色，保水保肥性能良好，有机质和全氮含量较高。山西省西北部为海拔800～1 400 m的黄土高原，主要土壤类型有褐土性土、栗褐土、黄绵土，种植小麦、谷子、马铃薯等，水蚀、风蚀严重，土壤有机质和全氮含量较低。晋南为海拔600 m以下的盆地，土壤类型主要有褐土、石灰性褐土和潮土，地势较低，气温较高，有机质矿化率高，土壤有机质和全氮含量较低。晋北土壤有机质和全氮含量最低，主要是因为该区为大同盆地和忻定盆地，地势较高，气温较低，土壤类型主要是栗钙土、栗褐土，盆地内有大片盐化、碱化土，该区风多干旱，植被多系旱生草本植物，生长量较少，供给土壤的有机质数量不多，而且少雨，矿质化大于腐殖化。

其次，土地利用方式和施肥状况影响土壤有机质和全氮的空间分布。从土地利用方式看（表4），山西省主要农田耕层土壤有机质和全氮含量大小比较为：春玉米—冬小麦—夏大豆＞冬小麦—夏玉米＞春玉米＞果园＞杂粮。晋南主要种植冬小麦、夏玉米、豆类、棉花、果园等，轮作制度为一年两熟或两年三熟，主要为水浇地；中部区、晋东南多数以种冬小麦、春玉米、谷子、豆类为主，多数为一年一作或两年三作，主要为旱地；晋西北作物有春玉米、谷子、果园、莜麦等，多数为一年一作。这些地区农民从事农业生产的积极性较高，有机肥和化肥投入也相对较多，尤其是近年来秸秆大量还田，有机质归还率大大提高，土壤有机质和全氮含量水平较高。晋北主要种植莜麦、豆类、马铃薯等杂粮及油料作物，由于受碱化为害，农民管理相对困难，加之当地平均气温较低，种植作物类型仅限于一些杂粮和油料作物，且农民对农业投入很少，土壤有机质和全氮含量很低。

表4 山西省不同土地利用方式下耕层土壤有机质和全氮含量统计

影响土壤有机质和全氮含量的因素比较复杂，对各因素影响程度的分析以后将进一步讨论。

3 结论与讨论

本研究结果表明，山西省耕层0～20 cm和20～100 cm土层的有机质和全氮含量都具有空间变异性，其变异系数分别为42.65%，46.82%和25.88%，28.89%，均属中等变异程度。耕层土壤有机质和全氮含量平均值分别为17.7，0.85 g/kg，均属中等偏上水平。20～100 cm土层土壤有机质和全氮含量明显低于耕层，且在土壤剖面分布具有一定的表聚性。山西省耕层土壤有机质和全氮含量的空间分布趋势受地形、土壤类型、土地利用方式、施肥状况等因素影响，呈现由东南向西北逐渐降低的趋势。20～100 cm土层土壤有机质和全氮的空间分布与耕层基本一致，表现出一定的垂直分布特征。

本研究仅应用GIS和地统计学方法，对较大空间尺度范围进行了土壤有机质及全氮空间结构分析，由于土壤属性空间变异的普遍性和人力财力消耗大，代表范围有限，只靠普查和样地实测对土壤进行监测，很难保证高密度样点分布。随着空间科学技术的不断发展，可以结合遥感在短时间内对同一地区进行重复探测，获取大面积同步观测数据，而且还不受地形阻隔等限制。利用3S技术，进行大尺度范围的土壤属性监测研究，更新原有土壤数据，结合相关模型模拟土壤属性空间变异将是今后研究的主要方向。

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