基于GIS的九寨沟县域土壤养分空间变异特征

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　　（1.四川省农业科学院，a.农业信息与农村经济研究所；b.农村发展研究中心，成都 610066；
　　2.四川比尔投资咨询有限公司，成都 610066）
　　摘要：利用地统计学方法和GIS技术研究了四川省九寨沟县土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾和pH的空间异质性。结果表明，土壤有机质、全氮含量丰富，处于一级水平；碱解氮、速效磷、速效钾和pH的空间异质性相对较大，碱解氮含量均值为89.95 mg/kg，速效磷含量均值为36.83 mg/kg，速效钾含量均值为144.70 mg/kg，pH均值为7.91。提出应增施碱解氮肥、分类施用钾肥和磷肥，注意补充养分与调节相结合，并采取相应的措施调节土壤酸碱度。
　　关键词：耕地；土壤养分；空间变异特征；地统计学；GIS；九寨沟县
　　中图分类号：S153.6 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）21-5277-04
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.21.018
　　Spatial Variability Characteristics of Soil Nutrients in Jiuzhaigou County
　　Using GIS Technique
　　CHEN Chun-yan1a，1b， DU Xing-duan1a，1b， LI Xiao-li2， LI Xiao1a，1b
　　（1a.Agricultural Information and Rural Economy Institute； 1b.Center for Rural Development Research， Sichuan Academy of Agriculture Sciences， Chengdu 610066， China； 2.Sichuan Bier Investment Consulting Co.， Ltd.， Chengdu 610066， China）
　　Abstract： By the methods of geo-statistics and GIS， the spatial heterogeneity of soil organic matter， total nitrogen， available nitrogen， available phosphorus， available potassium， and pH in Jiuzhaigou County was studied. The results showed that the contents of organic matter and total nitrogen were at grade I level， and others such as available nitrogen， available phosphorus， available potassium， and pH had significant spatial heterogeneity， with mean content of 89.95 mg/kg， 36.83 mg/kg， 144.70 mg/kg and 7.91 respectively. According to the analysis above， these measures that adding available nitrogen， applying potash and phosphate fertilizer differently， and regulating soil pH were suggested.
　　Key words：arable land；soil nutrient； spatial variability characteristics； geo-statistics； GIS； Jiuzhaigou county
　　土壤肥力是土壤最重要的生态功能之一，缺乏对土壤养分状况的了解而盲目施肥和过量施肥在山区农业生产中普遍存在，结果不仅降低了肥料的利用效率，而且造成了较为严重的农业面源污染问题[1]。全面客观地评价土壤的养分水平不仅是科学施肥的依据，也是农业技术推广和指导农业生产的基础[2]。九寨沟是中国生态保护重点区域和西南生态安全屏障，对九寨沟县域耕地土壤养分空间特异性进行研究不仅成为九寨沟县推进现代农业实施的前提和基础，而且也是控制农业面源污染、实现农业效益综合提高和可持续发展的必然要求。
　　地统计学和GIS技术是研究土壤时空变异特征的较好方法，国内外学者结合地统计学和GIS技术对土壤有机质、全氮、硝态氮、全磷、速效磷、速效钾等的空间分布和评价已有不少研究。例如，Zhang等[3]结合GIS技术和地统计学对爱尔兰东南部草原地区土壤有机碳的空间分布特征进行了研究；王贵政[4]基于GIS技术研究了河北省唐山市丰南区耕层土壤养分空间分布；周云龙等[5]调查了四川阿坝土壤与空气中氡气浓度及分布。目前尚未有关于采取地统计学和GIS技术研究重点生态功能区耕地土壤养分的时空异质性的报道。本研究利用地统计学和GIS技术对九寨沟县域耕地土壤养分空间异质性进行分析研究，为当地配方施肥和土地可持续利用提供依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 研究区概况
　　四川省九寨沟县位于东经103°46′―104°04′，北纬32°54′―33°19′。属深切割高山，山地总面积占86%，兼有部分山原和零散平坝。山原多分布在塔藏夏日柯河以西海拔3 000 m以上地带，是县内主要牧区和中药材种植区。零散的平坝集中于县城一带的河谷和郭元、黑河、玉瓦、白河等处，占全县面积的0.2%，是主要的粮食产区。属高原湿润气候，气候垂直差异明显，干、雨季分明，年均气温12.7 ℃，年均日照时间1 636 h，年均降水量600 mm。九寨沟县以地带性土壤为主，从低海拔到高海拔，土壤呈现垂直分布规律（图1）。 　　1.2 土样采集与分析
　　考虑九寨沟县土壤、植被、土地利用和地形等因素的影响，对各乡镇的土壤进行采样，共采集样点299个（图2），每个采样点采集0～20 cm土样。采样点基于农业实际应用，大部分位于农田，部分采样点位于林地、菜地和草地等。野外采集的土样在实验室自然风干，用木棍磨碎后剔除植物残根、侵入体和新生体等，过2 mm孔径的筛子后待用。有机质含量采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法测定；全氮含量采用凯氏定氮法测定；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；速效磷含量采用钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用火焰光度法测定[6]。
　　1.3 数据处理
　　采用IBM SPSS Statistics 21进行土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量和pH的描述性统计分析，运用ArcGIS 9.3的地统计分析模块中Kriging插值法绘制了0～20 cm表层土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量和pH的空间分布图。
　　2 结果与分析
　　2.1 土壤养分的描述性统计分析结果
　　对299个样点0～20 cm土壤层养分进行描述性统计分析，结果见表1。由表1可知，九寨沟县土壤有机质含量均值为40.62 g/kg，变幅为9.30～98.70 g/kg；全氮含量均值为2.22 g/kg，变幅为0.23～5.70 g/kg；碱解氮含量均值为89.95 mg/kg，变幅为23.00～135.00 mg/kg；速效磷含量均值为36.83 mg/kg，变幅为1.40～131.10 mg/kg；速效钾含量均值为144.70 mg/kg，变幅为29.00～452.00 mg/kg；pH均值为7.91，变幅为5.01～9.03。
　　除pH变异较小外，有机质和土壤养分均表现为中等程度变异。速效磷变异程度最大，其变异系数达83%，随后依次为速效钾、全氮、有机质、碱解氮、pH。单样本K-S检验表明全氮和碱解氮呈正态分布，而其他养分和pH均不能通过5%水平检验。对不符合正态分布的变量进行了转换，转换后有机质、速效磷、速效钾和pH均服从对数正态分布。
　　由描述性统计与正态分布检验的结果可知，本研究数据满足地统计学分析和空间插值要求，可以直接用于变异函数分析。
　　2.2 土壤养分空间分布特征
　　2.2.1 土壤有机质空间分布特征 土壤有机质是土壤系统的基础物质，是土壤中各种营养元素特别是氮、磷的重要来源，是评价土壤质量的一个重要指标，它反映了土壤的熟化程度和肥力状况。在一定范围内，有机质含量越高，土壤肥力越高，一般土壤的全氮量占有机质含量的5%左右[7]。在研究范围内，2/3以上地区的有机质含量多在40 g/kg以上，以九寨沟县西部最为集中，中东部高海拔区域也比较突出，其中玉瓦乡玉瓦桥村坎坡下地有机质含量最高为98.70 g/kg；有机质含量在30～40 g/kg的点也分布较多，占样本数的22.74%，主要集中在九环线和玉瓦乡；有机质含量在30 g/kg以下的较少，主要分布在大录乡，含量最低的是罗依乡顺和村门底里地，有机质为9.30 g/kg。有机质空间分布见图3。
　　2.2.2 土壤N、P、K空间分布特征 土壤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，目前已成为土壤科学、环境科学研究的热点之一[8]。碱解氮含量反映了土壤氮素的供应情况，与作物生长密切相关。土壤速效磷、速效钾含量是衡量土壤磷素、钾素养分供应能力的指标，其分布反映了土壤中可供植物吸收利用的磷、钾含量情况。
　　九寨沟县的全氮含量十分丰富，52.84%的研究区域全氮含量在2 g/kg水平以上，草地乡上草地村杨家湾地全氮含量最高，为5.70 g/kg，最低为保华乡土门村，全氮含量为0.23 g/kg。75.92%的研究区域碱解氮含量处于60～120 mg/kg的水平，碱解氮含量最高的为草地乡上草地村树下子、草地乡上草地房坎下、郭元乡水沟村桥头上、罗依乡大寨子边石浪地，均达到135.00 mg/kg。速效磷含量差异性较大，速效磷含量在40 mg/kg以上的样点数占样本总数的34.11%，尤以勿角乡、黑河乡、大录乡区域水平较高，其中草地乡上草地村树下子最高，为131.10 mg/kg；26.09%的研究区域速效磷含量在20～40 mg/kg，最低为白河乡太平村，速效磷含量仅为1.40 mg/kg。速效钾含量差异性亦较大，速效钾含量在200 mg/kg以上的样点数占样本总数的23.08%，双河乡下甘座村速效钾含量最高，为452.00 mg/kg，速效钾含量在150～200 mg/kg的样本占样本总数的16.39%，速效钾含量在100～150 mg/kg的样本占样本总数的33.78%，保华乡灵宝村速效钾含量最低，仅为29.00 mg/kg。N、P、K空间分布见图4、图5、图6、图7。
　　2.2.3 土壤pH空间分布特征 土壤酸碱性是土壤属性的重要指标，不仅直接影响土壤肥力和植物生长，还会影响养分的有效性。由表1可知，九寨沟县土壤多呈碱性，全县土壤pH平均为7.91，变幅为5.01～9.03。从乡镇分布看，九寨沟县陵江乡、大录乡、勿角乡以中性土壤为主，陵江乡、双河乡还存在少量微酸性土壤，其余乡镇的土壤多呈碱性（图8）。
　　3 结论
　　九寨沟县属于重点生态功能区，生态环境优良、地形地貌复杂、人为干扰较少。九寨沟县具备发展优质农产品的基础条件，土壤有机质、全氮含量丰富，且其空间异质性不明显，均值分别为40.62、2.22 g/kg，均达到一级水平；但碱解氮含量较低，均值为89.95 mg/kg，处于四级水平。因此应增加有效氮肥施用量，有机肥与无机肥相结合，同类作物在施肥方案中氮可采用同一标准，均量管理。速效磷、速效钾的空间异质性相对明显，速效磷含量均值为36.83 mg/kg，处于二级水平；速效钾含量较低，均值为144.70 mg/kg，处于三级水平。因此，应分类施用钾肥和磷肥，注意补钾、磷与调钾、磷相结合，在制定配方施肥时要重点考虑钾、磷的精准养分管理。九寨沟县土壤多呈碱性，碱性土壤中微量元素（ 尤其是锰、铜、锌等）有效性差，因此在农业生产中要注意采取措施调节土壤的酸碱度。
　　受历史资料的限制，本研究只分析了九寨沟县土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾等养分的空间分布，但土壤速效磷和速效钾的含量受季节变化影响也较大，因此，还需对土壤养分的时空变异性做进一步深入研究，尤其要加强对九寨沟县主导农产品生长的不同时期及不同年份土壤养分变异的研究，估算土壤养分限制其生产的阈值水平，以更好地指导当地农业。
　　参考文献：
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