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摘要：

基于GIS與地統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，使用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)分析模塊研究了長沙周邊地區(qū)農(nóng)田根層土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間變異情況。結(jié)果表明：參照土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)長沙農(nóng)田地區(qū)根層土壤中有機(jī)質(zhì)含量中等；以該研究區(qū)域山坡天然土壤為農(nóng)田土壤對比樣，比較各項(xiàng)養(yǎng)分值的高低及相關(guān)系數(shù)，方法可行，結(jié)果也有一定意義；有機(jī)質(zhì)的半變異函數(shù)最佳理論模型為球形模型，對半變異函數(shù)理論模型及參數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)空間相關(guān)性均較弱，說明其空間變異主要受施肥方式和施肥水平影響；使用普通克里格插值方法，繪制長沙市農(nóng)田地區(qū)根層土壤有機(jī)質(zhì)含量分布圖，直觀地顯示了長沙地區(qū)基本農(nóng)田根層土壤有機(jī)質(zhì)的豐缺狀況，可為科學(xué)施肥提供理論依據(jù)及指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：

地統(tǒng)計(jì)學(xué)；土壤有機(jī)質(zhì)；空間變異；長沙地區(qū)；克里格插值

近年來，隨著城市化進(jìn)程地不斷加速，城市周邊地區(qū)農(nóng)田土壤資源面臨的壓力日益嚴(yán)重，加之各地施肥結(jié)構(gòu)及施用量、耕作方式及制度的不同，土壤中的有效養(yǎng)分也隨之發(fā)生變化[1]。農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，也是評價(jià)土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[2]。農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量下降將直接導(dǎo)致土壤肥力降低，從而影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[3]。面對著農(nóng)田面積不斷減小以及農(nóng)田土壤養(yǎng)分狀況堪憂的現(xiàn)狀，加強(qiáng)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)實(shí)地監(jiān)測分析，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握土壤養(yǎng)分含量水平，揭示土壤有機(jī)質(zhì)空間變異性及空間分布，對農(nóng)田土壤養(yǎng)分的管理與合理施肥具有重要意義，也是實(shí)現(xiàn)土壤可持續(xù)利用和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的前提[4-5]。長沙市作為國家“兩型”社會(huì)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)的主體部分，應(yīng)當(dāng)在城市農(nóng)業(yè)方面發(fā)揮帶頭作用。因此，盡快弄清長沙地區(qū)基本農(nóng)田的土壤有機(jī)質(zhì)狀況，為長沙地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展乃至整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)，便顯得非常必要和迫切了。然而，目前對長沙地區(qū)農(nóng)田根層土壤養(yǎng)分進(jìn)行系統(tǒng)研究的報(bào)道很少，有關(guān)高密度采樣的研究還是未見報(bào)道，同時(shí)利用研究區(qū)域天然土壤作為基本農(nóng)田土壤的對比樣，具有較大的參考價(jià)值。研究通過布點(diǎn)采樣法采集了長沙市周邊農(nóng)業(yè)地區(qū)的根層土壤，對土壤有機(jī)質(zhì)這個(gè)對水稻生長影響極大的土壤理化指標(biāo)進(jìn)行分析，所得結(jié)果與全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)以及研究區(qū)域采樣點(diǎn)附近山丘天然土壤進(jìn)行對比，從整體上掌握了該區(qū)域基本農(nóng)田根層土壤養(yǎng)分豐缺狀況。運(yùn)用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)學(xué)模塊對該區(qū)域土壤養(yǎng)分進(jìn)行空間變異分析，并采用克里格插值法繪制了長沙地區(qū)基本農(nóng)田土壤養(yǎng)分分布圖，以便更直觀地了解該地區(qū)基本農(nóng)田的養(yǎng)分分布狀況，為長沙地區(qū)科學(xué)合理施肥以及主要農(nóng)作物的生產(chǎn)和管理、生態(tài)農(nóng)業(yè)和有機(jī)農(nóng)業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。

1研究區(qū)自然地理概況

長沙市位于東經(jīng)111°53′~114°15′，北緯27°51′~28°41′之間，總面積約為1.18萬km2，地處湖南省東部偏北的湘江下游，境內(nèi)丘陵低山遍布，河谷縱橫，地表水系發(fā)達(dá)；年平均氣溫17.2℃，年均降水量1361.6mm，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨量充沛，雨熱同期。整個(gè)區(qū)域大致坐落于長瀏構(gòu)造盆地西緣，出露的巖石以第四紀(jì)與現(xiàn)代沖積物、第四紀(jì)紅土風(fēng)化殼與網(wǎng)紋紅土、砂巖、泥巖、板巖為主，分布有少量的石灰?guī)r和花崗巖。土壤類型以紅壤、水稻土為主，分別占土壤總面積的70%與25%。其中水稻土母質(zhì)多樣，有紅壤性的、潛育性的，也有人工長期培育形成的肥沃水稻土。區(qū)域內(nèi)耕地面積約為240000hm2，農(nóng)業(yè)人口人均占有耕地580.29m2，是傳統(tǒng)的雙季稻種植區(qū)。農(nóng)田主要分布在西部的寧鄉(xiāng)縣、望城區(qū)、岳麓區(qū)西部，以及東部的長沙縣、瀏陽市一帶。

2材料與方法

2.1樣品與數(shù)據(jù)來源

2.1.1采樣區(qū)選擇原則為了全面、客觀地反映整個(gè)區(qū)域的土壤全貌，主要遵循以下原則選擇樣地：平整連片；種植制度、栽培技術(shù)與水稻品種基本一致；交通比較方便，鄰近村落、住宅；避開地勢過高與過低之處；連續(xù)多年種植水稻。

2.1.2采樣方案土壤樣品采集采用GPS定位，選擇長沙市周邊長沙縣、望城區(qū)、瀏陽市、寧鄉(xiāng)縣、岳麓區(qū)等主要農(nóng)業(yè)分布區(qū)具有代表性的地點(diǎn)作為樣本采集點(diǎn)，遵從“隨機(jī)”、“多點(diǎn)混合”的原則進(jìn)行采樣。選擇地塊中央部位，用鐵鏟去除枯落物、苔蘚層、雜草；每個(gè)樣品均為采樣點(diǎn)中心100m范圍內(nèi)10~15個(gè)土樣的混合物，最終得到53個(gè)農(nóng)田深度20~30cm的根系層（土壤剖面中以植物活根系為主的層，物質(zhì)和能量的遷移轉(zhuǎn)化在此層最為活躍）土壤樣品。采樣點(diǎn)具體位置見圖1。在同一個(gè)采樣區(qū)，于附近山坡土壤質(zhì)地均勻處，以相同方法采集對比樣，共采集19個(gè)山坡對比土壤樣品。

2.2樣品測試、數(shù)據(jù)處理及分析方法

2.2.1樣品測試采用室內(nèi)分析，根據(jù)不同測試內(nèi)容按照試驗(yàn)要求配制測試溶液。測試程序嚴(yán)格按照TPY-6型土壤測試儀（浙江托普儀器）依次開展。對土壤中有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行測試，為避免誤差，每個(gè)樣本測定3次，最終結(jié)果取其平均值。

2.2.2數(shù)據(jù)分析方法采用SPSS13.0、ArcGIS10.0等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析。其中，SPSS軟件主要進(jìn)行常規(guī)的基本統(tǒng)計(jì)量分析及正態(tài)分布檢驗(yàn)和相關(guān)性分析；ArcGIS主要用于空間分析，利用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)分析模塊工具擬合出土壤有機(jī)質(zhì)的最優(yōu)半變異函數(shù)模型，并采用普通克里格方法進(jìn)行空間插值，繪制土壤有機(jī)質(zhì)的空間插值圖。

3結(jié)果與分析

3.1土壤有機(jī)質(zhì)的統(tǒng)計(jì)特征分析全國第二次土壤養(yǎng)分普查所確定的有機(jī)質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)共分為6級：第1級，＞40g/kg；第2級，30~40g/kg；第3級，20~30g/kg；第4級，10~20g/kg；第5級，6~10g/kg；第6級，＜6g/kg。級數(shù)越大表示其含量越少，土壤質(zhì)量越差。測定結(jié)果顯示：53個(gè)樣本的土壤有機(jī)質(zhì)含量平均為23.5g/kg，最大值為36.0g/kg，最小值為11.1g/kg，極差值為24.9，標(biāo)準(zhǔn)差為0.56。按全國第二次土壤普查養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)，長沙地區(qū)基本農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量水平處于第4級。山坡對比樣（共計(jì)19個(gè)樣本）土壤有機(jī)質(zhì)統(tǒng)計(jì)特征結(jié)果如下：土壤有機(jī)質(zhì)含量平均為21.7g/kg，最大值為33.1g/kg，最小值為13.1g/kg，極差值為20.0，標(biāo)準(zhǔn)差為0.46。山坡對比樣的土壤有機(jī)質(zhì)含量略低于農(nóng)田土壤，但其波動(dòng)性小于農(nóng)田土壤。測定結(jié)果表明，長沙地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量屬于中等水平，相對于普遍認(rèn)為肥力水平較高的水稻土來說這一值明顯偏低，而農(nóng)田土壤中平均含量要略高于山坡自然土壤，這與實(shí)際情況是相符的。因?yàn)槿藶殚L期施用農(nóng)家肥培育地力，所以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)的稻田肥力普遍比山坡土壤高。此外，農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量的極差相對較大，也說明各地區(qū)土壤中的有機(jī)質(zhì)含量受到農(nóng)民施肥水平的影響，差異較明顯。

3.2土壤有機(jī)質(zhì)空間變異分析地統(tǒng)計(jì)學(xué)已經(jīng)被證明是分析土壤特性空間分布特征及其變異規(guī)律較為有效的方法之一，它能夠揭示隨機(jī)變量在空間上的分布特征，解釋自然和人為過程對變量空間變異的影響，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)的不足[6]。地統(tǒng)計(jì)學(xué)的前提是樣本必須服從正態(tài)分布，因此在對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行半變異分析前必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行分布類型檢驗(yàn)[7-8]。利用SPSS13.0軟件分別繪制正態(tài)Q-Q圖對數(shù)據(jù)分布進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，檢驗(yàn)后確定長沙地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量呈正態(tài)分布，可以進(jìn)行空間變異分析及插值。

3.2.1土壤養(yǎng)分含量的半變異函數(shù)分析在ArcGIS地統(tǒng)計(jì)分析模塊中對有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)分別使用圓形、球形、指數(shù)、高斯等4種常見的模型進(jìn)行擬合得到最優(yōu)半變異函數(shù)模型。擬合參數(shù)包括預(yù)測誤差的平均值、均方根、標(biāo)準(zhǔn)平均值、標(biāo)準(zhǔn)均方根、平均標(biāo)準(zhǔn)誤差。模型選擇的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測誤差越接近于1，預(yù)測誤差的平均值越接近于0，其他值越小時(shí)，其模型擬合狀況越好[9-11]。不同模型擬合參數(shù)結(jié)果見表1，比較后可知，長沙地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量半變異函數(shù)最佳理論模型為球形模型。塊金值通常表示由測量誤差和小于最小取樣尺度引起的隨機(jī)變異；基臺(tái)值表示系統(tǒng)內(nèi)的總變異，包括結(jié)構(gòu)性變異和隨機(jī)性變異；塊金系數(shù)表示隨機(jī)部分引起的空間變異占系統(tǒng)總變異的比例，若此值小于25%，則說明系統(tǒng)具有強(qiáng)空間相關(guān)性，變異受結(jié)構(gòu)性因素影響更大；大于75%則說明系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱，變異受隨機(jī)性因素影響更大[12]。而研究結(jié)果測算出長沙地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量的塊金系數(shù)為54.6%，屬中等空間相關(guān)性，這是由研究區(qū)域土壤母質(zhì)、地形、氣候條件等結(jié)構(gòu)性因素以及農(nóng)民的耕作制度、施肥狀況等隨機(jī)性因素共同作用導(dǎo)致的。此外，有機(jī)質(zhì)的塊金值比較小，表明在最小間距內(nèi)變異分析過程引起的誤差較小。

3.2.2土壤養(yǎng)分的空間分布通過擬合土壤有機(jī)質(zhì)的最優(yōu)半變異函數(shù)，利用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)分析模塊中普通克里格空間插值生成土壤有機(jī)質(zhì)空間分布圖，具體見圖2。由圖2可知，長沙地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量大部分在25g/kg以下，相對于肥沃的水稻土而言，該值明顯偏低。空間分布上有較明顯的方向漸變趨勢，由北往南，有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少。長沙縣北部、瀏陽市西北部及望城區(qū)有機(jī)質(zhì)含量相對較高，寧鄉(xiāng)縣西南部和瀏陽市西南部及瀏陽盆地東部農(nóng)田地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量較低。有機(jī)質(zhì)豐富的地區(qū)主要集中在長沙縣、瀏陽、望城的傳統(tǒng)農(nóng)作區(qū)，多為沖積平原上培育多年的水田，有施用農(nóng)家肥的傳統(tǒng)，而且灌溉水充足。相反，長條狀山谷地帶，地處山區(qū)，墾殖歷史較短，母質(zhì)本身貧瘠，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量偏低，如瀏陽盆地東部。

4結(jié)論

研究通過野外系統(tǒng)考察、取樣，室內(nèi)測試分析，數(shù)據(jù)處理與分析，對長沙地區(qū)基本農(nóng)田根層土壤的有機(jī)質(zhì)含量水平進(jìn)行了深入研究。得出如下結(jié)論。（1）統(tǒng)計(jì)特征分析，與第二次全國土壤普查數(shù)據(jù)相比較發(fā)現(xiàn)長沙地區(qū)農(nóng)田根層土壤有機(jī)質(zhì)含量處于中等水平，這對于普遍認(rèn)為肥力水平較高的農(nóng)田水稻土而言含量明顯偏低。（2）山坡與河谷、平原區(qū)稻田有密切的成因聯(lián)系，坡地被流水侵蝕，物質(zhì)一般會(huì)堆積到河谷與平原上，因此在物質(zhì)組成上有內(nèi)在聯(lián)系。同時(shí)，許多水稻土是經(jīng)過土地平整而成，填方物質(zhì)多取自山坡土層，降水后雨水沿山坡進(jìn)入庫塘，后隨灌溉而進(jìn)入稻田。在考察與取樣過程中注意到，許多地方有春季挖取塘泥肥田的習(xí)慣。因此，以區(qū)域山坡自然土壤為農(nóng)田土壤對比樣，比較各項(xiàng)有機(jī)質(zhì)含量是可行的，結(jié)果也是有意義的。（3）利用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)分析模塊進(jìn)行空間變異分析，通過有機(jī)質(zhì)半變異函數(shù)的參數(shù)擬合，得出有機(jī)質(zhì)的最佳理論模型為球形模型，其塊金系數(shù)為54.6%，屬中等空間相關(guān)性。這表明長沙地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量現(xiàn)狀是由該地區(qū)土壤母質(zhì)、地形、氣候條件等結(jié)構(gòu)性因素以及農(nóng)民的耕作制度、施肥狀況等隨機(jī)性因素共同作用導(dǎo)致的。（4）通過擬合最優(yōu)半變異函數(shù)，使用普通克里格進(jìn)行插值分析并繪制長沙市農(nóng)田地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量分布圖，直觀地顯示了研究區(qū)域農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布狀況，反映出自然、人類和作物間的復(fù)雜相互作用，尤其對人工培育的水稻土而言，人為的影響更大。今后應(yīng)該在整個(gè)長沙地區(qū)農(nóng)田中增施有機(jī)肥，在一些養(yǎng)分缺乏地區(qū)重點(diǎn)施肥。

作者：譚慧婷 韓廣 單位：湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院