新疆盐渍化区土壤养分的空间结构和分布特征

新疆盐渍化区土壤养分的空间结构和分布特征 新疆盐渍化区土壤养分的空间结构和分布 特征 第21卷第11期 2007年11月 干旱区资源与环境 JournalofAridLandResourcesandEnvironment V01.21No.11 NOV.2007 文章编号:1003—7578(2007)11—113—05 新疆盐渍化区土壤养分的空间结构和分布特征 蔺娟,地里拜尔苏力坦,艾尼瓦尔?买买提卫 (1.新疆大学化学化工学院,乌鲁木齐830046;2.新疆大学资源与环境科学学院,乌鲁木齐830046) 提要:结合地理信息系统(GIS),在面积约为2000km的新疆典型盐渍化区渭干河流域 布设了土壤取样点43个,测定了土壤表层(0,30cm)养分(全氮,全磷,全钾,碱解氮,速效磷, 速效钾)的空间变异规律.结果表明:七种养分元素中除了碱解氮,速效磷的含量服从对数正 态分布,其它养分元素均符合正态分布;半方差分析得出各项目都能很好的用模型来拟合,全 氮,全磷,速效钾符合指数模型,碱解氮,速效磷,全磷符合球状模型.只有有机质是符合高斯 模型;全氮和碱解氮的系统空间相关性很弱,而其余养分元素均表现出中等强度的空间相关 性,变程在14.3km,67.0kin之间,相差比较大;用Kriging插值法对未测点的养分元素进行最 优估计,绘制含量分布图,从而可以更直观的反映研究区土壤养分的空间结构和分布特征. 关键词:盐渍化土壤;土壤养分;地统计学;空间变异;Kriging插值 中图分类号:S156文献标识码:A 全世界约有1/3的盐渍化土壤,严重制约着农业生产,是影响生态环境的重要因素之一,我国约有 250多万hm的各种盐渍土壤,而且还有逐年上升的趋势.由于自然条件和人为因素的影响,新疆干旱 地区生态环境脆弱,土壤盐渍化现象普遍存在,并且伴随着养分流失严重等问题.随着精准农业的提出和 发展,土壤养分的空间变异性研究已成为现代土壤科学研究热点之一J.近二十年来,地统计学的方法 已发展成为一门新的空间分析方法,不少学者把它应用于土壤科学的研究领域…,国内外对平原地区 以及农田土壤养分空间变异性有较多研究;而以盐渍化区为对象的土壤养分空间变异性研究较少. 研究盐渍化区土壤养分空间变异性,对组织实施养分分区管理有可操作性和现实意义.本研究以新疆具 有代表性的渭干河流域的盐渍化区为研究对象,研究该地土壤中全量氮,磷,钾,速效氮,磷,钾,有机质变 异特征,其结果为指导该地区制定合理的盐渍化土壤改良与培肥措施提供理论依据. 1实验方法 1.1研究区概况 本研究区位于新疆典型的绿洲盐渍化区渭干河流域,地处天山中段南部,塔里木盆地的北缘.研究面 积约为2000km,属于干旱半干旱类型,为暖温带极干旱气候.海拔平均为963m,年 73.6ram,年均 降水量 蒸发量2339.2ram,年均气温10.8—11.3.C.土壤pH值平均为8.3,平均含盐量为 76.3g?kg-.,属于偏 碱性土壤,土壤主要为盐化草甸土,盐化潮土,典型盐土. 1.2采集土壤与室内分析 采用随机采样的方式,每个样品又取自50×50m正方形4个顶点和中心点5处的表土(0,30cm)混 合而成,总量大约1kg.采样点之间的间距最小为lOOm,共采样43个.同时采样点的坐标数据,用 GPS进行定位,生成研究区的样点分布图(图1). 9—24. 收稿日期:2006— 基金项目:国家自然科学基金项目(20267002)资助. 作者简介:蔺娟(1980一),女,硕士研究生,主要从事土壤环境化学研究.E—mail:linjuan9235@163.corn 责任作者:地里拜尔苏力坦,E—mail:dili7272@sohu.eom ? 114-干旱区资源与环境第21卷 对所采集的土样进行风干,全量氮,磷,钾和有机质过 0.149mm的筛,碱解氮,速效磷,速效钾过1mm的筛,然 后按文献u进行土壤养分的测定:1)全氮:半微量凯式定 氮法.2)全磷:NaOH熔融一钼锑抗比色法.3)全钾: NaOH熔融一火焰光度计法.4)有机质:油浴加热一重铬 酸钾容量法.5)碱解氮:碱解扩撒法.6)速效磷:0.5mol ? L,NaHCO浸提一钼锑抗比色法.7)速效钾:1mol- L,NHOAC浸提一火焰光度计法. 1.3半方差函数理论与模型 半方差函数是分析变量空间结构的主要工具,半方差 函数是方向和两点之间距离的函数,它可以反映变量的空 图1研究区的样点分布图 Fig.1Thesamplingsitesdistributioninstudyarea 间自相关性.用它可以描述土壤理化性质的空间变异结构,其定义为随机变量Z(x)增量的方差的一半, 其变异函数的计算式为: 1) . r(h)(z(xi)一z(xi+h))() 式中:h为土壤样本空间间隔距离,称为步长(1ag);N(h)是间距为h的样点配对数目;Z(xj)和Z(xj +h)分别为变量Z(x;)在空间位置xi和xi+h的实测值.在一定范围内,r(h)随h的增加而增大,反映不 同间距的观测值之间的变化.而当测点间距不小于最大相关距离时,该值趋于稳定.半方差函数图由一 系列离散点构成,可根据其形状采用线性,球形,高斯或指数等模型拟合,得到半方差函数理论模型.半方 差函数计算和半方差函数图拟合以及普通Kriging插值图应用地理信息系统软件ArcGIS8.3完成. 2结果与讨论 2.1分析项目的统计特征值 从表1对样本的养分数据进行统计分析结果中看出,通过K—s检验得出被测的七种养分元素中除 了碱解氮,速效磷的含量服从对数正态分布,其余的含量均服从正态分布.符合空间分析要求,保证了 Kriging插值法的结果准确.根据新疆农田土壤养分的分级指标?,该区除了速效钾为高级水平(速效钾 >210mg-kg),其余养分的平均水平均是低(有机质<12g?kg)或者极低水平(极低:全氮<0.75g - kg,,碱解氮<40mg?kg,,速效磷<7mg?kg_1).由于土壤中全钾及全磷含量仅能说明它们各自的 储量,并不能说明土壤可提供给作物的养分水平,故而不对这两项做养分等级评价.从变异系数来看,各 项均在10%,100%之间,属于中等变异性.其中全磷的变异系数最小为17.0%,速效磷的变异系数最大 93.9%,其主要是由于磷受成土母质的影响比较大. 表1土壤养分的统计特征值(N=43) Tab.1rI1hestatisticalfeaturevaluesofnutrients 注:}n=0.05的双测检验. 2.2土壤养分的空间结构特征分析 若是考虑不同方向,不同尺度条件下区域化变量表现出不同的空间结构时就称为各向异性.在本研 究中,为了比较不同盐分离子在不同方向上的变异程度,分别计算了盐分离子在四个方向(0.,45.,90., 135.)的半变异函数,讨论它们的各向异性特征.在选取土壤盐分离子的半方差模型时,首先按照(1)式 计算出r(h)的散点图,然后选择合适的步长,使得拟合半变异模型的规模与理论半变异模型的规模相当, 再用不同类型的模型进行拟合,计算得到模型参数值.图2是养分元素的半变异函数曲线图.然后选取 第11期蔺娟等新疆盐渍化区土壤养分的空间结构和分布特征?115. 图2养分元素的半方差函数图 Fig.2Semivariogramsofthenutrients 经过计算,养分元素在四个方向上拟合所得模型参数都一样,即不存在方向效应,这就说明养分元素 是各项同性的14j.由表2中的拟合度我们可以看出,各项目都能很好的用模型来拟合,全氮,全磷,速效 钾符合指数模型,碱解氮,速效磷,全钾符合球状模型.只有有机质是符合高斯模型.半变异函数曲线图 显示各养分元素的变化比较平稳,表明在各种生态过程同等重要?. 变程a(Range)是半方差达到基台值时的样本间距,代表了该参数的相关距离,当观测点之间的距离 大于该值时它们之间是相互独立的,小于该值时,说明观测点之间是存在一定的相关关系.可以看出养分 元素的变程在14.3km一67.0km之间,相差比较大,反映了各变量空间自相关范围具有很大的差异性. 块金值通常表示由实验误差和小于实验取样尺度引起的变异,较大的块金值表明较小尺度上的某种 过程不容忽视,总的来看,除速效钾外其它养分元素的块金值都比较小,表明它们在最小间距内的变异分 析过程引起的误差较小;也说明速效钾在选定的范围内其空间结构性相对较差. 基台值通常表示系统内总的变异,块金值与基台值之比表示空间变异性占系统总变异的比例,以及系 统变量的空间相关性程度.如果比值<25%,说明系统具有强烈的空间相关性;如果比例在25%75% 之间,表明系统有中等强度的空间相关性;如果比例>75%说明系统空间相关性很弱16].由表2看出.全 氮和碱解氮的系统空间相关性很弱,而其余养分元素均表现出中等强度的空间相关性.结构性因素(气 候,土壤母质,地形,土壤类型等)可以导致养分之间的强相关性,随机因素(耕作,管理措施,种植等) 会使得养分元素的空间相关性减弱.其中全氮和碱解氮的块金值与基台值之比>75%,说明影响它们含 量分布的随机性因素很强,即受人为因素影响大,使得其空间相关性减弱,朝均一化发展.其余土壤养分 元素的空间分布则是由结构性因素与随机性因素共同作用的结果. 表2盐分及其组成离子的变异函数理论模型及相关参数 Tab.2Best—fittedsemivariogrammodelsofsoilnutrientsandcorrespondingparameters 2.3土壤养分的空间结构分布特征 为进一步准确而直观的研究盐渍化区土壤养分的空间结构分布特征,利用拟合的 半变异函数模型进 行普通Kriging插值得到养分的含量分布图(图3),可以看出各养分的空间分布具 有良好的结构性. ? ll6?干旱区资源与环境第2l卷 . D371~彻糕D.,t211-O.ql8 O箱2卫2一D^?IO册 0~.36,1?D';19-0.1'111 i纛n36:O瑚?OJllJ2' 黼a洲柏B?a,"-l埘 . ?J3-TJO lJiO-1on1 _ mi:.13}-19朝.7o 10,01.1l?璩.70-~B.71 缀ll五,.12.17?蛰Jl如 徽U|,.1?舶一箱】36 一D3..~,.OAI$BO.311-O.T'JW一 一熬叠w 速效磷 O,Oo.1j9纛】jl朋 121~1JI4.?]1DO.42o I|4-2.12?~.,104136 g二I2.12-22(i?6.36.加瓣 2】蠡2j??10J~1-1934 速效钾 注:有机赝.氮,仝磷.全钾n勺竹g?kg 碱解氮,速效磷,速效钾的位:mg?kH 图3土壤养分元素的Kriging插值图 Fig.3Theinterpolationmapofsoilnutrients 由图3可以看出,养分元素的空间分布都有明显的方向性和连续性.总的来看,除全钾外其余的养分 含量均呈现西低东高的趋势.原因在于西边的土壤比东边的土壤盐渍化程度高,并且植被相对更少.全 氮和碱解氮的含量分布空间结构相似,都是两边的含量低而中间的含量逐步升高. 由图可知全氮含量>0.75g?kg只占很小的一部分,碱解氮在整个区域的含量均<40rag?kg,,研 究区大部分地方氮肥都是处于极低水平.主要原因在干旱条件下,植物生长量小,氮素难以积累,并且研 究区夏季温度较高有利于有机氮的分解从而导致土壤含氮量的缺乏.全磷和速效磷的含量则是在东北角 上的含量较高,西南处的含量低.速效磷的含量80%为极低水平,约20%属于低级水平(7mg?kg,一 20mg?kgI1),这可能是由于磷含量受土壤母质,成土作用和耕作施肥的影响很大的原因.研究区土壤有 机质含量不高也是氮,磷含量低的一个重要原因. 从全钾和速效钾的含量分布图可以看出,两者的分布趋势相反,其主要原因是土壤中钟主要成矿物的 结合形态,速效钾含量只占全钾的1%左右.速效钾是土壤钾素含量的主要指标,其含量在整个区域均> 210mg?kg,,属于高含量级别.由此可以得出研究区内钾素含量丰富.这主要是与该处的成土母质有 关,因为土壤中的钾素供应水平主要决定于土壤中含钾矿物的多少u. 研究区内有机质含量处于极低水平的约占50%(<8g?kg'.),主要在西北部.含量处于低到中级水 平的约占45%(8g?kg,,16g.kg),有机质含量为高级水平(16g?kg)的不足5%,只有零星分布. 这可能是由于该区盐渍化程度高(>6.0g.kg),植被稀少,常年干旱,不利于土壤有机质的积累. 3结论 (1)研究区表层土壤养分的含量统计特征值显示,七种养分元素均符合空间分析要求.养分含量的 平均水平较低.养分元素的变异强度均为中等变异性,变异系数在17.0—93.9%之间,反应出研究区养 分所受影响因素的复杂性. (2)从半方差函数模型拟合的结果可见,各项养分元素均能用不同的模型拟合.氮和碱解氮的系统 空间相关性很弱,而其余养分元素均表现出中等强度的空间相关性,变程在14.3km,67.0km之间,相差 比较大,反映了各变量空间自相关范围具有很大的差异性,是结构因素和随机因素共同作用的结果. (3)从养分元素的Kriging含量插值图可以直观的看出:研究区内氮素,磷素,有机质的含量低,全区 氮素处于极低的水平;磷素和有机质含量为低到中级水平,分别占80%和50%;钾含量全区为高级水平. fI363?,, 佰站?B盟j点7?I,;5I3,_:J?6lDl盛B儿 ???? 肌舶剪 瑚惦锕姐撙 肚?婚 36IOj躲强伯蝴弱 ,一一一一 刀朋冀船船 :圣非 第11期蔺娟等新疆盐渍化区土壤养分的空间结构和分布特征?117? 含量分布趋势大致是西北含量低,东南含量高. 参考文献 『1]石玉林.西北地区土地荒漠化与水土资源利用研究[M].北京:科学出版 社,2004,335. 『2]金继运."精准农业"及其在我国的应用前[J].植物营养与肥料,1998,4(1):l一7. 【3]高义民,同延安,胡正义,等.黄土区村级农田土壤养分空间变异特征研究[J].土 壤通报,2006,37(1):1—5. [4]BurgessTM,WebsterR.Optimalinterpolationandisarithmicmappingofsoilproperties.I .ThesemivariogramandpunctualKriging[J].Soil Science,1980,31:333—341. 『5]张乃明,李保国,胡克林.污水灌区耕层土壤中铅,镉的空间变异特征[J].土 壤,2003,40(1):151—154. [6]朱益玲,刘洪斌,江希流.江津市紫色土中N,P养分元素区域空间变异性研究[J]. 环境科学,2004,25(1):138—143. 『7]ImperatoM,AdamoP,NaimoD,eta1.Spatialdistributionofheavymetalsinurbansoilso fNaplescity(Italy)[J].EnvironmentalPollution, 2003.124:247—256. [8]SyllaM,Stein,A,N.vanBreemen,eta1.Spatialvariabilityofsoilsalinityatdifferentscales inthemangrovericeagro—ecosysteminWestAfrica 【J].Aculture,EcosystemsandEnvironment,1995,54:1—15. [9]王学军,邓宝山,张泽蒲.北京东郊污灌区表层土壤微量元素的小尺度空间结构 特征[J].环境科学,1997,17(4):412—416. [10]Chang,YH,ScrimshawMD,EmmersonRHC,eta1.Geostatistiealanalysisofsampling uneertmntyattheToHesburyManagedRetreatsitein BlackwaterEstuary,Essex,UK:Krigingandcokrigingapproachtominimizesamplingdensi ty[J].111eScienceoftheTotalEnvironment, 1998,221:43—57. [11]鲍力旦主编.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,2000,178—200. [12]李玉芳,谭新霞,等.塔克拉玛干沙漠南缘典型绿洲之间农田土壤养分现状比较 分析[J].新疆农业大学,2003,26(2):25,28. [13]黄昌勇主编.土壤学[M].北京:中国农业出版社.2000,第一版:44. 【14]Ardahanlioglu,OzasOT,Evrens,eta1.spafialvariabilityofexchangeablesodium,dectriealconductNity,soilpHandboroncontentinsalt — andsodium— affectedareasoftheIgdirplain(Turkey)[J].JournalofAridEnvironments,2003,54:495— 503. fl5]CambardellaCA,MoormanTB,NovakJM,eta1.Field— scalevariabilityofsoilpropertiesincentralIowasoils[J].SoilSciSocAmJ,1994, 58:1501—1511. [16]雷志栋,杨诗秀,谢森传.土壤水动力学[M].北京:清华大学出版社,1988:326. [17]于天仁,王振权主编.土壤分析化学[M].北京:科学出版社,1988:126. InvestigationoftheSpatialVariabilityof SoilNutrientsinSalineSoilinXinjiang LINJuan,DILBARSultan,ANWARMohammed' (1.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,XinjiangUniversity,Urumqi830046; 2.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China) Abstract GeostatisticscombinedwithGISwasappliedtocollectforty—— threesamplesandanalyzethespatialvariabili_. tyofsoilnutrients(totalnitrogen,totalphosphorus,totalkalium,availablenitrogen,available phosphorusand availablekalium)intopsoil(0, 30cm)fromabout2000kmoftypicalsalinesoilofWeigandrainageareain Xinjiang.Theresultsindicatedthatexceptforavailablenitrogenandavailablephosphorusshowinglognormaldis- tribution,theothersshownormaldistribution.Thechemicalanalysisofsemivariogramsindicatedthattotalnitro— gen,totalphosphorusandavailablekaliumarebestdescribedbyexponentialmodel,totalkalium,availablenitro— genandavailablephosphorusarebestdescribedbysphericalmodel,onlyorganicmatterisfittedwellusingthe Gaussmode1.Theresultsalsoindicatedthatthespatialcorrelationoftestedparameters,excepttotalnitrogenand availablenitrogenareweeklydependent,theothersaremoderatelydependent,buttheirspatialheterogeneityde— greewasdifferent.Therangesofsoilnutrientswere14.3km, 67.Okra.Thespatialvariabilityofallsoilnutri— entsaremainlyproducedbystructuralfactorsandrandomfactors.TheKrigingmethodwasappliedtoestimate theunobservedpointsandthentheprecisecontourmapswereobtained.Bythisway,thespatialvariabilityof soilnutrientscanbereflecteddirectly. Keywords:salinesoil;soilnutrients;geostatistics;spatialvariability;Krigingmethod