阜康市耕層土壤速效鉀空間變異及影響因素分析

高潔 武紅旗 李新梅 范燕敏

摘 要：掌握土壤養分及其空間變異性和影響因素，對于評價土壤生產力、指導養分管理具有重要意義。以阜康市農區為研究區，基于1982年、2010年、2018年3個時期的土壤養分采樣點，運用經典統計與地統計相結合的方法，揭示了速效鉀在不同時期的空間變異及等級變化情況，并探討了自然因素和人為因素等對其影響。結果表明：速效鉀總體表現為增加趨勢，呈中等強度空間變異，含量豐富。從影響因素來看，與海拔、坡度呈顯著負相關;在不同地貌類型、土壤類型、質地間存在顯著性差異;耕地面積對速效鉀無顯著影響，地區生產總值、農民人均純收入與速效鉀呈顯著負相關。

關鍵詞：養分;空間變異;影響因素

中圖分類號 S158.9 文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）15-0143-05

Analysis of Spatial Variability and Influencing Factors of Available Potassium in Cultivated Soil in Fukang City

GAO Jie1，2 et al.

（1College of Grass and Environmental Sciences， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China; 2Xinjiang Academy of Environmental Protection Science， Urumqi 830011， China）

Abstract： Mastering soil nutrients and their spatial variability and influencing factors is of great significance for evaluating soil productivity and guiding nutrient management. Taking the agricultural area of Fukang City as the research area， based on the soil nutrient sampling points in the three periods of 1982， 2010， and 2018， Using the method of combining classic statistics and geostatistics， it reveals the spatial variability and grade changes of available potassium in different periods. And discuss the influence of natural factors and human factors on it. The results showed that the available potassium showed an overall increasing trend; it showed a moderate spatial variability; its content was abundant; from the perspective of influencing factors， it was significantly negatively correlated with altitude and slope.There are significant differences among different landform types， soil types， and textures. The area of arable land has no significant effect on available potassium， and there is a significant negative correlation between regional GDP and farmers′ per capita net income and available potassium.

Key words： Nutrient; Spatial variability; Influencing factors

土壤養分是農作物生長的必要條件[1]，是糧食生產的保障[2]。速效鉀能夠直接影響植物的生長發育，是限制農作物產量的主要因素之一，也是農田土壤最常監測的指標之一[3]。在過去的幾十年里，隨著糧食需求的增長，耕地不斷擴張、化肥施用不合理等現象造成環境問題日益加劇，農民使用各種化肥對土壤養分進行補充，改變了土壤養分的空間變異性。近年來，學者們花費了大量精力來評估土壤養分的空間變異性及影響因素[4-5]。不同地區土壤養分的空間變異性不同，明確土壤養分變化的制約因素，對農田的有效管理具有重要意義[6]。

國內外諸多學者利用經典統計與地統計相結合的方法，對土壤養分空間變異性進行研究，發現其與自然因素和人為因素密切相關[7-9]。土壤母質對土壤形成過程具有非常重要的作用，對土壤的形成、性狀和肥力也有顯著的影響[10]。例如，任圓圓等[11]分析了成土母質與土壤養分間的關系，證明兩者存在一點程度的相關。而地形直接影響土壤養分的空間變異狀況，同地形部位的養分空間變異也會有所不同。王云強等[12]對黃土高原的研究表明，地形的復雜性是造成土壤氮空間變異的主要因素之一。此外，人為因素也起著較大的影響。楊陽[13]通過對秸稈還田下休耕輪作對土壤養分進行分析，結果表明，秸稈還田下休耕輪作土壤養分含量明顯高于常規耕作模式。

目前，針對研究區土壤養分變化情況的研究早已存在[14-16]，但仍基于短時段內，且較多針對的是土壤有機質等，而鮮見有對速效鉀的研究，且缺乏長期監測分析，對其影響因子的量化分析也較為缺乏。鑒于此，本研究以耕地土壤速效鉀為變量，采用傳統統計學、地統計、相關性分析、單因素方差等分析方法，對各因子進行量化，在分析空間變異性的同時，對自然因素、人為因素也進行了探討，以期為該地區土壤速效鉀調控、生態環境與農業可持續發展提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區概況 阜康市位于天山北麓，準噶爾盆地南緣，地處東經87°46′～88°44′，北緯43°45′～45°30′，為典型的干旱區綠洲荒漠帶，溫帶大陸性干旱氣候。地形南高北低，海拔450～5445m，晝夜溫差大，年均氣溫8.2℃，年均降雨量205mm。研究區位于阜康市中部耕地，屬平原地區，耕地總面積55253.24hm2[17]，糧食作物以小麥為主。

圖1 農田采樣點分布

1.2 數據來源 共獲取1982年樣點數據414個，主要來源于阜康市第二次土壤普查數據及土壤類型圖，通過矢量化獲得;2010年獲得樣點數據273個，來源于測土配方施肥數據;2018年樣點數據共90個，數據來源于農業農村部阜康市耕地質量變更調查項目[18]。其他數據包括阜康市行政區劃圖、1949—2008年《昌吉六十年》、1989—2018年《新疆統計年鑒》[17]。

1.3 數據處理 以阜康市2018年土地利用現狀圖為基礎，獲取耕地邊界。以3倍標準差原則對數據異常值進行剔除，利用SPSS 19軟件對數據進行K-S檢驗、描述性統計、相關性分析等，對不符合正態分布的數據采用Minitab 17軟件進行Box-Cox轉換，GS+進行半方差函數分析，ArcGIS10.2對數據進行插值，采用交叉驗證（Cross-Validation）的方法驗證模型精度，根據分級標準對阜康市各時期養分進行分級。

1.3.1 半方差函數 半方差函數值是由一系列不連續的點組成，可采用擬合函數對屬性值進行擬合，擬合的曲線稱半方差函數模型[19-20]，具體函數表達式如下：

r（h）=[12N（h）i=1N（h）[Z（Xi）-Z（xi+h）]2] （1）

式中，r（h）為擬合的半變異函數，h為采樣點間隔，N（h）表示以h為間距的樣點對數，Z（xi）和Z（xi+h）為隨機變量xi、xi+h在空間位置上的取值。

1.3.2 普通克里格插值 普通克里格是克里格插值法中應用最廣泛的方法之一[21-22]，以半變異函數理論為基礎，進行無偏最優估計的一種方法，公式如下：

Z（X0）=[I=1hλZ（XI）] （1-2）

式中：Z（XI）是實測值，Z（X0）是未知點X0上的最優估計值。

2 結果與分析

2.1 土壤養分基本統計特征 從表1可以看出，速效鉀含量各時期呈不同程度的增加，整體較豐富，1982—2010年速效鉀含量增加13.37mg/kg，2010—2018年增加14.249mg/kg，增長率12.71%。變異系數在10%～100%，呈中等強度的空間變異。利用K-S檢驗法判斷數據是否符合正態分布，對不符合正態分布的數據利用spss 19、Minitab 17等軟件進行轉換，使其符合正態分布。通過對比數據類型的正態分布情況，以提高p值的能力為參考，選取符合正態分布的數據進行統計分析（見表2）。

2.2 土壤養分空間結構特征 由表3可知，速效鉀各時期Z值均大于1.96，具有空間相關性，Moran′I指數值都大于0，空間正相關，擬合最優模型為指數模型和高斯模型，1982年速效鉀擬合精度最高，R2為0.8。塊金系數值都在25%～75%，具有中等強度的相關性，表明結構性因子對養分的影響減弱，隨機性因子如施肥、種植結構、灌溉方式等影響增強，各時期半方差函數結果與Morans′I指數一致，速效鉀先減弱后增加。

2.3 土壤養分空間分布特征 依據“全國第二次土壤普查養分分級標準”對速效鉀進行普通克里格插值，對各時期養分進行分級，結果見表4。由表4可知，速效鉀各時期含量均集中在200mg/kg以上，占比大于79%。從圖2也可以看出，各時期速效鉀變化以一級變化為主，其余變化不大，含量豐富，能滿足作物生長的需要。

2.4 不同影響因素對土壤養分的影響

2.4.1 地形與土壤養分的相關性 對地形因子進行相關性分析（表5）可得，速效鉀與海拔、坡度呈顯著負相關。阜康市整體地形南高北低，隨海拔降低，牲畜數量、植物種群數量增多，灌溉方式由漫灌變為滴灌，農耕機械水平發達，水熱充足，保肥能力強，導致海拔較低的平原地區土壤養分含量較高。坡度與速效鉀呈顯著負相關，坡度增大，土壤更容易受徑流的影響，速效鉀流失，此外，由于采樣點集中在耕地平原區，地形較平緩，因此坡向、曲率變化對速效鉀影響并不顯著。

2.4.2 其他結構性因素對養分的影響 為充分掌握速效鉀含量變化的影響因子，對地貌類型、土壤類型、耕層質地進行了單因素方差分析，其結果見表6。由表6可知，速效鉀在不同地貌類型、不同土壤類型、不同質地間存在顯著性差異。從地貌類型來看，養分含量在沖洪積扇中部含量最高，從土壤類型來看，速效鉀在潮土中含量最高。

了地區生產總值、耕地面積、農民人均純收入3個指標與養分進行相關性分析，其結果見表7。由表7可知，耕地面積對速效鉀無顯著影響，地區生產總值、農民人均純收入與速效鉀呈顯著負相關。

2.4.4 經濟發展與產業結構對養分影響 在相關性分析的基礎上對阜康市近40年產業結構變化、人均收入進行統計調查，其結果見圖3。由圖3可知，自1982年以來，阜康市地區生產總值與各產業結構發展迅速，第二產業比重最大，發展最快。工業化和城鎮化快速發展使第二產業高于其他產業，導致地多人少，荒地不斷增加，土壤養分不斷減少，耕地質量逐漸下降。同時，農民收入的不斷增加，可能伴隨著對耕地的過度消耗，由于農民對可持續耕地利用的觀念淡薄，通常采取增施化肥的措施來維持高產，但僅在短期內產生影響，最終會導致土壤養分失衡。

3 結論

本研究運用傳統統計學、地統計學等方法，依托ArcGIS、GS+、Minitab等軟件平臺，揭示了阜康市速效鉀養分變化規律情況，得出以下結論：

（1）1982—2018年速效鉀呈上升趨勢。對土壤養分空間相關性進行分析，運用GS+擬合最優半方差函數，主要擬合模型為指數模型和球狀模型。表現為中等強度的空間變異。各時期Z值均大于1.96，Morans′I指數大于0，空間正相關。

（2）對速效鉀進行空間插值，數據進行分級統計，可知，速效鉀變化以一級變化為主。含量在200mg/kg以上，占79%，含量豐富，能滿足作物生長的需要。

（3）速效鉀與坡度、海拔呈顯著負相關。對土壤類型、地貌類型、耕層質地進行單因素方差分析，表現出顯著性差異。從地貌類型來看，速效鉀含量在沖洪積扇中部含量最高，從土壤類型來看，速效鉀在潮土中含量最高，從耕層質地來看，速效鉀在粘壤土中含量最高。對社會經濟因素進行分析，耕地面積對速效鉀無顯著影響，地區生產總值、農民人均純收入與速效鉀呈顯著負相關。

參考文獻

[1]張丹，羅格平，許文強，等.新疆耕地土壤養分時空變化[J].干旱區地理，2008，31（2）：254-263.

[2]趙明松，李德成，張甘霖，等.1980—2010 年安徽省耕地表層土壤養分變化特征[J].土壤，2018，50（1）：173-180.

[3]Khan A K，Lu G Y，Ayaz M.Phosphorus efficiency，soil phosphorus dynamics and critical phosphorus level under long-term fertilization for single and double cropping systems[J].Agriculture，Ecosystems And Environment.2018，256：1-11.

[4]Shukla A K.Spatial variability of soil micronutrients in the intensively cultivated Trans-Gangetic Plains of India[J].Soil and Tillage Research，2016，163：282-289.

[5]Li Q，Luo Y，Wang C.Spatiotemporal variations and factors affecting soil nitrogen in the purple hilly area of Southwest China during the 1980s and the 2010[J].Science of The Total Environment，2016，547：173-181.

[6]Liu R，Xu F，Yu W W，et al.Analysis of field-scale spatial correlations and variations of soil nutrients using geostatistics[J].Enviromental Monitoring And Assessment，2016，188（2）：126.

[7]余世鵬，楊勁松，劉廣明，等.我國不同水熱梯度帶農田土壤速效鉀含量的時刻變異特[J].灌溉排水學報，2011，30（2）：1-4，64.

[8]ZHANG Shaoliang，HUFFMAN T，ZHANG Xingyi，et al.Spatial distribution of soil nutrient at depth in black soil of Northeast China：a case study of soil available phosphorus and total phosphorus[J].Journal of Soils and Sediments，2014，14 （11）：1775-1789.

[9]李龍，姚云峰，秦富倉.黃花甸子流域土壤全氮，速效磷，速效鉀的空間變異[J].生態學雜志，2015，34（2）：373-379.

[10]姜悅.近30年銅川市土壤養分時空變異分析[D].西安：西北農林科技大學，2014：21-25.

[11]任圓圓，張學雷，李笑瑩，等.河南省成土母質與土壤空間分布多樣性的特征[J].土壤學報，2019，56（6）：1309-1320.

[12]王云強，張興昌，李順姬，等.小流域土壤礦質氮與地形因子的關系及其空間變異性研究[J].環境科學，2007，14：1567-1572.

[13]楊陽.秸稈還田條件下休耕輪作對玉米農田土壤團聚體及其養分的影響[D].吉林：中國科學院大學（中國科學院東北地理與農業生態研究所），2019：55-59.

[14]木提阿吉·烏買爾，范燕敏，武紅旗，等.基于GIS的土壤養分含量變化研究——以阜康市為例[J].農業網絡信息，2017，258（12）：27-32.

[15]馬媛，塔西甫拉提·特依拜，貢璐，等.新疆阜康土壤微量元素的空間變異分析[J].蘭州大學學報（自然科學版），2007，43（2）：15-19.

[16]喬娟峰，熊黑鋼，王小平，等.新疆阜康荒地土壤有機質高光譜特征及其反演模型研究[J].干旱地區農業研究，2018，36（5）：207-214.

[17]新疆區統計局.新疆統計年鑒[M].新疆：新疆統計出版社.1989-2018：61-69.

[18]高潔，武紅旗，李新梅，等.近40年阜康市耕層土壤養分變化特征[J].西南農業學報，2020，33（10）：2294-2302.

[19]賈振宇，張俊華，丁圣彥，等.基于GIS和地統計學的黃泛區土壤磷空間變異——以周口為例[J].應用生態學報，2016，27（4）：1211-1220.

[20]齊璐.陜西省商洛市耕地土壤養分空間變異及其地力評價[D].西安：西北農林科技大學，2018：30-35.

[21]DAI F Q，ZHOU Q G，L?Z Q，et al.Spatial prediction of soil organic matter content integrating artificial neural network and ordinary Kriging in Tibetan Plateau[J].Ecological Indicators，2014，45：184-194.

[22]高琳，陳曉遠，林昌華，等.基于ArcGIS韶關市香芋土壤養分空間變異特征研究[J].西南農業學報，2018，31（5）：1025-1031.

（責編：張宏民）