基于GIS的塔额盆地农田土壤养分空间变异特征分析
时间：2023-01-18 15:55:13 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
信会男，赖 宁，耿庆龙，陈署晃，李 娜，李永福，赵海燕
(1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091；
2.新疆九圣禾种子标准研究院有限公司，新疆昌吉 831113)
【研究意义】土壤养分是表征土壤肥力的重要指标。长期耕作条件下土壤养分含量变化较快，利用GIS手段研究其时空变异规律，分析长期耕作条件下养分含量空间分异特征，准确掌握土壤养分丰缺水平及变化趋势，为合理制定农田管理措施、农业规划及土壤养分调控提供依据，对科学合理施肥、防止土壤肥力退化亦有重要意义。【前人研究进展】王珊等[2]对川南丘陵地带近30年来的土壤养分指标的时空变化分析得出，该地区土壤养分呈现出南低北高，而且近30年的利用下重视氮肥，轻视磷肥，基本忽略钾肥的现象。于洋等[3]对渭北台塬区耕地土壤速效养分指标分析得到该区域1980～2011年空间结构性特征弱化，呈现原有较低的养分指标在后期增长速率快，原有较高区域的增长慢甚至有降低趋势。王玉军等[4]对徐州农田土壤养分和重金属的含量与分布进行了研究分析，二者在空间上的分布存在较大的差异，不同土壤类型和农田利用类型二者也有较为明显含量差异。李娜等[5]运用GIS技术方法，研究伊犁州农田养分的空间分布特征及变异规律表明，AK、SOM、AP平均含量均处于较高水平；
TN、AN平均含量均处于较低水平。土壤养分含量空间分布呈现北低南高、西低东高的态势。利用GIS 手段对土壤养分分布的探析成为了热门之一[6-8]。【本研究切入点】利用GIS中的空间插值技术可以将适合的点数据转化为连续的面数据，从而达到研究区内空间全覆盖[9-12]。需利用GIS手段和地统计插值方法，分析塔额盆地农田土壤养分空间空变异特征。【拟解决的关键问题】选择塔额盆地耕层土壤(0～ 20 cm) 5种养分(全氮、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾)，分析空间变异特征，以2010和2018年的数据为参考，研究塔额盆地区域土壤养分的时空特征及变化特点，为该区域的土壤质量管理及农业布局提供参考。
1.1 材 料
塔城地区位于新疆西北部，地理位置处于82°16"～87°21"E、43°25"～47°15"N，地势南北高而中部低，地形大致呈喇叭状向西敞开。北部为准噶尔西部山区，包括塔尔巴哈台山地巴尔鲁克山地以及萨乌尔山地；
北天山中段的依连哈比尔尕山绵延于塔城的南部。属中温带干旱和半干旱气候区，春季升温快，冷暖波动大，夏季炎热，秋季降温迅速，冬季严寒且漫长，年极端最高气温40℃，极端最低气温-40℃。塔城盆地年降水量290 mm，蒸发量1 600 mm、日照2 800～3 000 h，无霜期130～190 d。
收集塔城地区2个时期的(2010年和2018年)的土壤理化性质数据。其中2010年数据为耕地地力调查与质量评价、测土配方施肥项目在2010年采样、分析获取的样点数据，按照2 km×2 km 1个点位，取样深度为0～20 cm，采用多点混合法(采用“S”法，“X”法或者棋盘法)进行取样，共计827个土壤样品。2018年数据为各塔城地区测土配方施肥项目数据，采样法与2010年相同，共计1 167个土壤样点数据。所有样品于实验室内测定土壤养分信息。测定方法均为常规方法。
1.2 方 法
1.2.1 样本处理
对2期数据进行随机抽取将样本中4/5的样本数据用于插值分析(即训练样本)，另外1/5的样本数据用于插值结果精度的验证(验证样本)。
对处理过的样本数据进行K-S验证，验证该数据是否符合正态分布，2期数据基本都符合正态分布可以进行插值分析。
1.2.2 空间自相关性及半方差函数
半方差函数是地统计学分析的特有的基本工具，当空间点x在一维x轴上变化时，区域化变量Z(x)在 点x和x+h处的值Z(x)与Z(x+h)差的方差的一半为区域化变量Z(x)在x轴方向上的变异函数。设区域化变量Z(x)满足二阶平稳，则半变异函数可以具体表示为：
(1)
式中，r(h)为半方差函数;h为样点空间距离；
N(h)为间隔距离为h的样点个数；
Z(xi)和Z(xi+h)分别为区域化变量Z(x)在空间位置xi和xi+h的实测值[13-14]。
空间自相关根据要素位置和要素值来度量空间自相关。在给定一组要素及相关属性的情况下，评估所表达的模式是聚类模式、离散模式还是随机模式。计算 Moran"s I 指数值、Z得分，评估该指数显著性。
(2)
其中Z是要素i的属性与其平均值(Xi-X)的偏差，Wi,j是要素i和j之间的空间权重，n等于要素总数，So是所有空间权重的聚合。
(3)
全局Moran’s I指数计算的是协方差，半方差函数分析法计算的是方差，没有区分正负2种相关性，其能够为空间插值提供科学依据，全局Moran’s I指数为空间相关显著性以及正负性提供统计学检验。将二者相结合分析才更加有效[13-14]。
2.1 塔额盆地耕地土壤养分与含量变化
研究表明，从2010 ～2018年期间塔城盆地养分含量均有增加，其中有效磷、速效钾增加最为明显，增长率为101.77%、68.67%；
碱解氮增幅最小为17.24%。
土壤特性空间变异性的强弱可以用变异系数来表示，变异系数在10%以内为弱变异，在10%～100%以内的为中等变异，大于100%的为强变异。
变异系数全部在10%～100%，都属于中等强度变异，其中变异系数最高的为2018年的有效磷的为85.79%，其次为2018年全氮为50.76%，2018年其他养分变异也在50%上下没有明显的差异，其中最低的为速效钾但其增幅率大于其他养分指标。2010年的变异系数基本在30%～45%，其中有效磷变异系数仍为最高为42.31%。在2010和2018年的数据中变异系数最小为碱解氮为30.30%，最高为有效磷，这与两者的增幅率相对应。表1
表1 2010年和2018年塔额盆地耕地土壤养分含量统计特征
塔城盆地2010年和2018年各养分指标的最佳半方差函数与各参数，在拟合精度中，决定系数R2越接近于1结果越优，2010年的R2全部在0.5以上，最高为0.927，该半方差函数可以较好的表达出养分指标的空间特征。2018年各养分指标最差的为碱解氮以及有效磷，其余3项均在0.9以上。2期数据最佳模型都为指数模型。2期土壤指标的块金系数都在0.50以上，其中2010年和2018年的有机质全氮在0.75以下，具有中等程度的空间相关性。其余指标均大于0.75，空间相关性较弱。其中2010年的各项指标块金系数都小于2018年的，该数据表明该区域土壤养分空间结构性特征近10年在减弱，空间分布网破碎化方向发展。全局Morans’I 的标准化Z值除了2010年得有效磷其余均大于2.5，各养分指标都具有极显著(P<0.01)的空间自相关性，空间聚集特征明显，并且2018年各项指标的标准化Z值均低于2010年，说明近年来以下指标的空间自相关呈现减弱趋势。表2
2.2 2010-2018养分分布特征
研究表明，而2010年和2018年的2个时期的有机质分布有较大的差别，2010年有机质在塔城市的南边以及额敏县西南面含量较高最大值为17 g/kg，有机质最低处位于塔城市东面，整体呈现中间高两边低的状态；
2018年的有机质整体较2010年有所升高，有机质含量最高处主要在裕民县的中部以及托里县的西面，最低处在裕民县北面以及托里县的西北角处，4县市交界处低(相对于2018年)周围高的状态。全氮在2010年含量较高的分布在塔城市的南面以及额敏县的西面，塔城市的中部以及裕民县的北面全氮含量相对较低；
2018年的全氮含量较高的分布在塔城市南北面、额敏县的北面、裕民县的中部、托里县的西中面，全氮含量现对较低的主要分布在裕民县北边以及托里县与其它县市交界处。碱解氮含量最高为塔城市得西面、额敏县的西南面、裕民县的北边，托里县整体以及塔城市与额敏县交界处相对含量较低。2010年的速效钾含量较高区域主要集中在4县市交界周围含量相对较高，在塔城市于额敏县交界处含量相对较低；
2018年速效钾含量最高处位于裕民县的中部与额敏县的中部区域，在4县市交界处含量较低。2010年有效磷含量分布相对其它养分分布相对均匀，无过集中现象；
2018年托里县有效磷含量相对较高，额敏县有效磷含量分布不均呈现西高东低现象。表2
表2 土壤养分半方差模型类型及其参数值
2.3 塔额盆地土壤时空变异特征
研究表明，近10年来5种养分指标都有增加且增幅不一。降低区域基本集中在4县市交界周边，除此之外其他区域基本呈现增长趋势。变化量与2018年的养分含量分布基本一致。有机质主要增幅在0.1～5.9 g/kg，最大增幅为23.2 g/kg，最大减少量为3.2 g/kg。全氮最大增幅为1.10 mg/kg主要分布在裕民县中部以及托里县的西面。碱解氮降幅最大为19 mg/kg，主要分布在裕民县和额敏县交界处。速效钾降幅面积较小零星分布在塔城市、裕民县、额敏县，其中托里县无降幅。有效磷含量主要在额敏县和裕民县交界处周边存在下降，整体都为增长趋势，最高涨幅为12 mg/kg。图1
图1 塔额盆地土壤养分时空变化分布
潮土的土壤有机质含量增幅不大，但其基底值相对其他土类相对较高，在栗钙土和棕钙土中有机质增幅较大。全氮与有机质相似，潮土的全氮含量增幅不高，但棕钙土的全氮增幅高于其它两种土类。潮土的碱解氮含量有所下降，而其它两种土类碱解氮含量有不同程度的增加。棕钙土的有效磷含量增幅最为明显，远超其它两种土类。速效钾在潮土中基本持平，在栗钙土和棕钙土中都有较大的增幅。潮土的五种养分含量增幅较小，而栗钙土和棕钙土养分含量都有较大幅度的提升，与潮土土壤养分基底值较高有一定关系。图2
图2 不同土类下养分含量变化
在不同灌溉方式下养分也存在一定差异，有机质在滴灌和漫灌的方式下含量有所提升，在畦灌下有所下降，漫灌的基底值最高其增长幅度最大。全氮和碱解氮与有机质相同在滴灌和漫灌的方式下含量有所提升，在畦灌下有所下降，碱解氮在畦灌方式下的含量下降较大。有效磷在畦灌中无明显变化，其它2种灌溉方式有不同程度的增长。在5种养分中只有速效钾在3种方式中都有增长。滴灌和漫灌方式下5种养分都有增长，畦灌方式下只有速效钾含量增加。图3
图3 不同灌溉方式下养分含量变化
2.4 土壤养分指标分级比例
研究表明，依据新疆耕地质量监测指标分级标准进行土壤养分指标分级，2010年有63.72%耕地土壤有机质处于较缺乏状况，2018年土壤有机质含量处于中等和较缺乏水平的占比达67.46%，其中较缺乏和缺乏都有所下降，分别下降了31.65%和3.38%，中等水平以上占比都有不同程度上升。全氮较丰富水平占比提高了35.41%，丰富水平占比提高了16.17%。碱解氮和有效磷整体提升不明显，依旧集中在较缺乏和缺乏区间内。速效钾较缺乏占比下降了37.73%，速效钾在丰富和较丰富水平之间占比增加了26.10%。2018年土壤肥力水平较2010年有所提升，但土壤肥力总体依旧处于中等偏低水平。表3
表3 土壤养分含量分级与比例
施用化肥成为提高耕地生产力的主要方式之一[13]。研究区中有效磷的增长幅度最高，土壤氮素也略有提升，与王安意[14]等在新疆棉田土壤研究结果一致。钾素含量增长与近十年来随着测土配方施肥的不断深入及节水农业的推进有关[15-16]，增施钾肥使得土壤钾素含量进一步提高，与汤明尧和赖波[17-18]等对新疆农业施肥现状的调查结果一致。王安意等[14,19]对绿洲农田的研究中发现钾元素的存在下降情况，造成这一结果的可能由于该地区种植方式以及主要种植作物有关，也与自然环境存在一定关联，还需进一步深入研究。研究区土壤状况总体处于缺氮少磷的状态，在今后应该加强测土配方施肥的建设普及进行合理的施肥配比。各指标块基比都在50%以上最高达到了99%以上，人为作用是该地区影响土壤养分变化的主要因素之一，与王珊[2]等应结论一致。研究通过半变异函数的参数拟合发现各指标最佳拟合模型为指数模型。在空间自相关性上只有有机质和全氮呈现出中等程度相关，而其余指标都呈现弱相关性，有机质和全氮空间自相关性受到结构因素和随机因素共同影响，其余指标受随机影响程度较大，也与变异程度相吻合。而李娜[5]等在伊犁地区研究表明，有机质和全氮的空间自相关性呈现出极强的空间自相关性，这种差异可能是与两地区施肥和农业种植结构有关。Moran"s I 指数中2010和2018年的土壤有机质和全氮的数值较大，说明两者的空间分布相关性较其他指标空间聚集相对明显，但依然处于较弱水平。
4.15种养分指标中有效磷变异系数最高为85.8%，其它指标在30%～51%，都为中等变异，人为活动对土壤的养分的含量的影响不断在增加，研究区内养分呈现四周低中间高(耕地主要在中间区域)。
4.22010～2018年期间，研究区内各项土壤养分指标都有所上升，其中有效磷与速效钾上升最为明显增加值为101.8%和68.7%，有机质紧随其后为24.3%，最低为碱解氮17.3%，全氮为21.9%。
4.33种土类中潮土的增幅最小，棕钙土的增幅最大，栗钙土其次，潮土还存在不增长以及减少状态。在灌溉方式中畦灌方式下养分有所下降，滴灌和漫灌下养分含量都有所增长。
4.4各养分含量都有所提升，但耕地土壤肥力总体处于中等及中等偏下水平，土壤肥力有待进一步提升。
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