土壤养分空间变异研究的内容及方法

土壤养分空间变异研究的内容及方法

摘要：从研究方法和内容上对土壤养分空间变异性的研究做了阐述,对研究方法进行了分析，探讨了土壤养分空间变异性的发展及不足。通过对土壤养分空间变异研究方法的分析，认为结合GIS的地统计学方法是现在应用最多的方法。从近年来报道的文献可以知道现在土壤养分的空间变异研究主要分为：第一，对土壤中各养分的变异度的研究；第二，对土壤养分变异原因的研究。

关键词：土壤养分；空间变异；研究方法

The Content and Research Methods for Spatial Variability of Soil

Nutrient

Huang Hai-lv Teacher:Fan Yan-min

Abstract : This paper introduced the study in spatial variability of soil nutrient about study methods and content , Research methods for analysis, explore the development of inadequate from the spatial variability of soil nutrients. Think the combination that GIS and Geostatistics method is the most widely used method, through analysis for study methods from the spatial variability of soil nutrient. Know from reported in recent years,the study in spatial variability of soil nutrient main divided into: First,the study to variability for each nutrient in soil; Second, the study to the cause of variability for soil nutrient.

Key words : soil nutrient; Spatial variability; Research Methods

土壤学家将土壤特性在不同空间位置上存在明显差异的属性称为土壤特性的空间变

异性。土壤特性的变异性普遍存在，并且情况比较复杂。成土母质、地形、人类活动等对土壤养分空间变异均有较大影响，但在特定区域内，由于气候条件等比较一致，经过长期比较一致的种植和管理后，土壤特性空间变异将趋于缓和，即由于母质差异等引起的空间变异逐渐减小[1]。土壤特性的空间变异是指的在一定区域内，同一时间，不同点的土壤特性存在着的明显差异性。土壤是一个生命连续体，土壤特性在空间分布上既表现出地质结构特性又表现出统计学的随机特性，因此，土壤属性是区域化变量。土壤养分与作物生产力、粮食安全、生态环境密切相关，是土壤质量变化最基本的表征和核心研究内容。土壤养分质量分数对植物的生长起关键作用，是植物生长的基础，土壤肥力直接影响植被生长发育。空间变异是土壤本身存在的一种自然特性，认识土壤空间变异对于评价和有效地利用土壤，开展精准农业实践都是十分重要的。

1研究方法

1.1传统的统计分析方法

以往人们在做田间试验时，常常沿用Fisher 创立的古典统计方法，即研究人员先在田间选择一块具有代表性的试验地，将之划分成若干小区，然后随机地布置各种不同处理的试验，每个试验至少要有三个重复，以减少随机因素对试验处理的影响。由于气候因素影响，一个试验通常需几个周期或几年，以便从中找出代表性年分的典型数据，然后进行常规统计分析，计算试验数据的均值、方差，以及进行显著性检验，从而得出试验的最终结果。这种方法可以在样本少、材料多样和环境多变情况下获取最多的信息，因此我国的大多数土壤工作者至今仍沿用这种方法开展田间试验研究。但其严重缺陷就是，实际中土

壤特性并非象Fisher 所假设的那样彼此独立且均匀分布，而是在某一特定的时空中彼此相关的[2]。

1.2地统计学方法

地统计学首先是由法国学者Matheron 于20世纪60年代建立起来的，他在克立格于1951 年提出的矿产品位和储量估值方法基础上，提出了区域变量理论，使传统的地学方法与统计学方法相结合，形成了完整的公式系统，又称地质统计学。地统计学是以区域化变量、随机函数和平稳性假设等概念为基础，以变异函数为核心，以克立格插值法为手段，分析研究自然现象的空间变异问题[2]。

1.3 GIS 技术的应用

GIS(地理信息系统) 萌发于20 世纪60 年代初，但作为一个专门的科学术语最早出现于1968 年，在我国常把GIS 称为资源与环境信息系统。GIS 是为了解决各种复杂的规划与管理问题而设计的，用于支持对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示的计算机硬件、软件系统和处理过程，分为用户界面、系统/ 数据库管理、数据输入和数据库产生、空间操作和分析、产品输出和显示五大功能部分，它可以根据设计产生各种地图、图表、文字等信息，其最大特点是可以产生新信息。GIS 也被认为是一种处理空间数据的工具箱。GIS 的各个子系统或模块都提供某种工具，如空间数据查询、拓扑分析、布尔运算等。GIS 的特定性质属于空间型，有别于其它统计型信息系统[2]。

2．研究进展

自20世纪70年代以来，人们越来越认识到揭示土壤的空间变异特征，对有效地进行耕作、施肥以及生态环境保护等都具有特殊重要的意义。Burgess 等将地统计学的方法引入土壤科学研究领域，克服了经典的fisher 统计理论在研究土壤性质空间变异性规律方面的不足[3]。20世纪90年代精准农业的兴起，更使得土壤养分的空间变异研究成为土壤科学研究的热点之一，如Morrison I K等(1994)报道了土壤有机质的积累主要受植物凋落物和细根的影响 [4]；Megraw (1995)研究了明尼苏达河谷流域农田土壤磷、钾、锌的空间变异特征，认为传统的测土施肥方法忽视土壤养分空间变异特征，因而不再是经济的和有利于环境保护的方法[5]； Tsegaye (1998)等研究发现，精耕细作可在一定程度上消除土壤养分的空间变异性，但植物生长对养分的不等量吸收可导致土壤养分空间变异的加剧[6]。

我国在这方面的研究起步较晚，20 世纪80 年代初开始从事土壤空间变异性研究，目前在土壤养分空间变异性方面的研究非常活跃，近年来相关的报道逐渐增多。土壤养分分布是由结构性因素和随机因素共同作用的结果。结构性因素如气候、地形、土壤类型等，随机因素如施肥、耕作措施、种植制度等各种人为活动。而对于当前的研究主要有两个方向：

2.1研究土壤中各养分的变异度

刘阳等（2006）利用地统计学原理与GIS 技术相结合，以新疆生产建设兵团农一师16 团为例，对4 种土壤养分的空间变异分布特征，做比较详尽的研究。通过养分分布图来看，有机质和速效氮的相关性较大，含量属于中等偏低；速效磷和速效钾含量则较高[7]。赵彦锋（2006）等利用地统计学和GIS相结合的方法，研究了土壤全量和速效氮、磷、钾的空间变异特征，并对其影响因素进行了探讨。并认为土壤养分空间变异程度从大到小依次为:土壤全氮>土壤全磷>土壤速效磷>土壤速效氮>土壤速效钾>土壤全钾[8]。王芳（2004）等采用Kriging 空间插值方法为代表的空间插值技术进行了土壤养分的空间预测和土壤养分

空间变异评价的初步研究[9]。王宗明（2007）等结合常规统计方法与GIS 空间分析方法，

定量研究了东北平原典型农业县——吉林省德惠市土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾空间分布的主要影响因素，结果表明以中部饮马河为分界线，饮马河以东土壤有机质、全氮、速效钾含量较西部为低，而速效磷空间分布的随机性较强[10]。杨玉玲（2002）等运用地统计学方法，初步研究了灌淤土壤0～ 20 cm 有机质和全量氮磷钾养分的空间变异特性及其与棉花生长关系[11]。李玉影（2004）等采用全球卫星定位系统，对黑龙江省双城市双城镇中兴村土壤进行网格取样，用土壤养分系统研究法对大、中、微量元素进行分析[12]。路鹏（2007）以红壤丘陵区桃源县的王家铛村为例，通过GIS定位共取得522个耕层土壤样品，运用地理信息系统和地统计学相结合的方法，分析了红壤丘陵区村级农田土壤养分的空间变异规律并进行了空间异质性的比较[13]。张玉铭（2004）等采用地统计方法，分别对栾城县和中国科学院栾城生态农业试验站示范区农田耕层土壤养分的空间变异特征进行了研究。结果表明，在2个不同采样间距下，各土壤养分含量均具有空间相关性，在同一采样间距下，土壤有机质、全氮、全磷、速效养分(N、P、K)含量的空间变异结构也各不相同，具有块金方差效应，半方差图分别遵从高斯和球函数模型[14]。

2.2研究土壤养分变异的原因

张伟（2006）等研究典型喀斯特峰丛洼地系统土壤养分的空间分异特征，并探讨了土地利用方式和地形因素对土壤养分的影响。得出的结论是土地利用方式是影响土壤有机碳、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷等养分含量的主要环境因子[15]。刘冬碧（2003）等对不同种植方式下土壤养分的特性及其变异性进行探讨，并得到土壤有效养分含量状况与其利用方式密切相关的结论[16]。秦松（2007）等主要探讨地形因子对土壤养分含量空间分布的影响。结果表明不同坡向、坡度及海拔高度具有不同的水热分配条件和物质移动堆积的特点，地貌差异对土壤养分元素的分布有明显的影响[17]。陈署晃（2006）等以乌鲁木齐县蔬菜主产区的三个乡为例，采用GIS与地统计学相结合的方法对其耕层土壤(0～20 cm) 的有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾等5 种养分要素的空间变异特征进行分析[18]。王小利（2006）等研究了土地利用变化对土壤有机碳（SOC）和微生物量碳（SMBC）含量的影响[19]。刘杏梅等( 2003)利用第二次土壤普查的617个样点，对浙江平湖市540 km2面积土壤养分空间变异特征的分析表明，土壤全氮和速效磷块金系数小于25% ，认为它们主要受到母质、土壤类型等自然因素的影响，而速效钾块金系数为50% ，认为它主要受施肥等随机因素影响[20]。张庆利等(2003)采集42个土样研究了江苏金坛市967 km2面积上土壤肥力指标的空间分布，根据空间变量块金系数大小，认为速效磷空间变异受随机因素影响最大，其次为全氮、有机质、速效钾和CEC[21]。郭熙等( 2004)以江西泰和县苏溪镇苏溪村120 hm2耕地为研究区域，按照网格法采集421个样，对土壤养分空间变异进行研究，结果表明钾、磷、锰、有机质、硫块金系数大，认为它们主要受随机因素影响；而钙、镁、铁、硼块金系数小，认为自然因素对它们空间变异的影响大。比较可知，这些研究的结论并不完全一致，说明不同的研究区、不同的研究尺度，土壤肥力要素发生变异的因素可能存在较大差异[22]。

3 研究方法评述

传统的统计分析方法是通过试验数据的均值，方差以及显著性检验来对土壤养分进行研究的，它所得出的是一个个独立的断开的且均匀分布的区块，而事实上，土壤养分的变化是连续的，渐变的，是朝着均一的方向发展的。地统计学方法是现今土壤养分研究使用较多的方法，它与GIS相结合，可以绘出某个区域各养分的空间分布图，可以使数据结果一目了然，便于研究分析，且对精准农业的开展有直观的效果。但它也有一定的缺点：

（1）取样点多，样本庞大

试验中，在调查区取样时，一般都要取上百个样，而每个土样都要在以样点为圆心或中心，数十米为边长或半径的范围内随机取几次一定深度的土壤混合而成，所以取样点非常多，取样次数较多。

（2）研究范围较小，效率低

由于各种原因，调查范围一般在上百平方千米左右，在这小范围的空间中，进行土壤养分空间分布的研究，花费较多的人力物力，得到的数据只能对这一范围内的精准施肥起到指导作用，而对其他地方的指导作用很小，从而使精准农业在单位面积上的成本增加。

（3）精确度低

虽然此方法相对于传统的统计分析方法有很大的优势，能够将土壤养分的空间分布情况较准确的表达出来，但由于土壤养分的变化并不是均匀的变化，而是有很大的随机性，即有的地块土壤养分的变异坡度较缓，有的地块的变异坡度较陡.所以在土壤取样时错过了一些土壤养分高峰值或低峰值，就会使计算机生成土壤养分分布图与实际情况有很大的差别，也会使精准施肥的精确度下降。

（4）破坏环境

由于在样地取样时，一般是用土钻取地表20厘米或以下的土壤，这样不可避免的要破坏土壤表面的植被，如果土壤表面的植被恢复能力较好，那这种破坏的影响并不大，但如果植被的恢复能力非常差，或这一地区的植物群落处于濒危状态，那么，这小范围内的几百个样点无异于草原上的鼠洞。

4结论与展望

土壤养分空间变异的研究方法是从最初的经典统计学方法发展到现在的基于GIS的地统计学方法，而基于GIS的地统计学方法是现在比较适用的方法，这种方法可以很好的反映土壤养分空间变异情况，指导精准农业的开展实施。土壤养分空间变异的原因主要有结构性因素和随机因素。现在，虽然关于土壤养分的研究较多，但却只能作为定性研究，对精准农业的指导作用也仅局限在小范围、小尺度内。对土壤养分空间变异的研究主要有两个方面：第一研究土壤中各养分的变异度，以次来分析了解土壤中各养分的含量情况和变异程度。第二研究土壤养分变异的原因，由此来分析土壤养分的变异受什么因素的影响，那些是主要的影响因素。

由于现在的遥感技术不断的普遍应用，有望于将遥感技术引入土壤空间分布的研究中，这样就会出现遥感技术和GIS相结合的局面，通过遥感技术取得土壤养分空间分布的数据直接传入GIS作出养分的空间分布图并对某些数据进行分析，整合。这将从很大程度上减少人的体力劳动，减少对环境的破坏。

参考文献：

[1] 赵良菊，肖洪浪，郭天文等.甘肃省灌漠土土壤养分空间变异特征[J].干旱地区农业研究，2005，23（1）：70-74.

[2] 李毅，刘建军.土壤空间变异性研究方法[J].石河子大学学报( 自然科学版)，2000，4（4）：331-337.

[3] Burgess TM ，Webster R. Optimal interpolation and isarithmic mapping of soil properties L The semivariogram and punctual Kriging[J].Soil Sci.1980.31:315-341.

[4] Morrison I K,Foster N W.Fifteen-year change in forest floor organic and element content and cycling at the Turkey lakes watershed[J].Ecosystems,2001,4:545-554.

[5] Megraw T. Fertility variability in theMinnesota river valleywatershedin 1993, as determined from grid testing result on 52000 acres incommercial fields [J]. Site - Specific Management for Agricultural Systems.ASA-CSSA-SSSA,1995:167-174.

[6] Tsegaye T, Hill R L. Intensive tillage effects on spatial variability of soil test, p lant growth, and nutrient up take measurement[J].Soil Sci1,1998,163(2):155-165.

[7] 刘阳，盛建东，蒋平安. 区域土壤养分空间变异研究——以新疆生产建设兵团农一师16团为例[J].新疆农业大学学报，2006，29(2):65-70.

[8] 赵彦锋，史学正，于东升等. 小尺度土壤养分的空间变异及其影响因素探讨—以江苏省无锡市典型城乡交错区为例[J]. 土壤通报，2006，37（2）：214-219.

[9] 王芳，王逸飞，孟新伟等.新疆北疆土壤养分空间变异特性的初步研究[J]. 石河子大学学报(自然科学版)，2004，22（1）：39-42.

[10] 王宗明，张柏，宋开山等.东北平原典型农业县农田土壤养分空间分布影响因素分析[J]. 水土保持学报，2007，21（2）：73-77.

[11] 杨玉玲，田长彦，盛建东等.灌淤土壤有机质、全量氮磷钾空间变异性初探[J].干旱地区农业研究，2002，20（3）：26-30.

[12] 李玉影，刘双全，李桂仁等. 土壤养分变异与推荐施肥初探[J]. 黑龙江农业科学，2004，(2):5-7.

[13] 路鹏，苏以荣，牛铮等. 红壤丘陵区村级农田土壤养分的空间变异与制图[J]. 浙江大学学报(农业与生命科学版)，2007，33(1):89-95.

[14] 张玉铭，毛任钊，胡春胜等. 华北太行山前平原农田土壤养分的空间变异性研究[J]. 应用生态学报，2004，15（11）：2049-2054.

[15] 张伟，陈洪松，王克林等. 喀斯特峰丛洼地土壤养分空间分异特征及影响因子分析[J]. 中国农业科学，2006，39(9):1828-1835.

[16] 刘冬碧，熊桂云，胡时友等. 不同利用方式下土壤的养分特性及其变异性初探[J]. 湖北农业科学，2003，6：51-55.

[17] 秦松,樊燕,刘洪斌等.地形因子与土壤养分空间分布的相关性研究[J].水土保持研究，2007，14（4）：275-279.

[18] 陈署晃，马兴旺，许咏梅等. 乌鲁木齐县蔬菜地土壤养分空间变异研究[J]. 新疆农业科学，2006 ，43 (1) :50 -52.

[19] 王小利，苏以荣，黄道友等. 土地利用对亚热带红壤低山区土壤有机碳和微生物碳的影响[J]. 中国农业科学，2006，39(4):750-757.

[20] 刘杏梅,徐建民，章明奎等.太湖流域土壤养分空间变异特征分析——以浙江省平湖市为例[J].浙江大学学报(农业与生命科学版)，2003，29 (1):76-82.

[21] 张庆利，潘贤章，王洪杰等.中等尺度上土壤肥力质量的空间分布研究及定量评价[ J ]. 土壤通报，2003，34(6) : 493-497.

[22] 郭熙，郭晓敏，谭雪明等. 农田养分空间变异研究——以江西省泰和县苏溪镇为例[ J ]. 江西农业大学学报，2004，26(1) : 73-77.