董士偉, 李 紅, 孫丹峰, 張微微

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展研究所, 北京 100097; 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100193)

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北京市大興區(qū)土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)及影響因素分析

董士偉1,2, 李 紅1, 孫丹峰2, 張微微1

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展研究所, 北京 100097; 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100193)

為了揭示土壤養(yǎng)分的空間分布特征和指導(dǎo)土壤培肥管理，以北京市大興區(qū)為例，首先基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)對(duì)大興區(qū)土壤養(yǎng)分進(jìn)行空間克里格插值和模糊隸屬度函數(shù)模型標(biāo)準(zhǔn)化處理；其次利用主成分分析方法獲取了大興區(qū)土壤養(yǎng)分的空間結(jié)構(gòu)，即全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀所占空間比例分別為0.32，0.25，0.23，0.03，0.17；最后對(duì)土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)的影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析。研究表明：大興區(qū)土壤中氮含量最高，有機(jī)質(zhì)含量較高，鉀含量較低，磷含量極低，整體上大興區(qū)土壤養(yǎng)分高值區(qū)主要分布在東北部，低值區(qū)主要分布在西南部和中部區(qū)域；主要與大興區(qū)土壤類型、質(zhì)地、農(nóng)戶土地利用方式和施肥結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。

土壤養(yǎng)分; 空間結(jié)構(gòu); 主成分分析; GIS

在長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類活動(dòng)中，土壤作為可再生的資源，在維護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡中具有重要意義。從20世紀(jì)70年代開始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)土壤養(yǎng)分開展了大量的研究，總結(jié)起來(lái)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對(duì)土壤養(yǎng)分時(shí)空變異及其影響因素的研究，主要探討土壤養(yǎng)分時(shí)空變異性與農(nóng)戶土地利用及管理措施[1-2]、作物類型[3]、施肥結(jié)構(gòu)[4]、邊坡[5]等因素的關(guān)系；二是對(duì)土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究，主要對(duì)不同研究尺度[6]和研究類型[7]的土壤肥力進(jìn)行綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)；而目前對(duì)土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)的分析研究鮮有報(bào)道。GIS技術(shù)可以有效的解決土壤變量的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，與地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法相耦合可以揭示土壤養(yǎng)分的空間結(jié)構(gòu)。

城市郊區(qū)是城鄉(xiāng)間的過(guò)渡地帶，土壤養(yǎng)分的時(shí)空變異非常劇烈，郊區(qū)耕地?cái)?shù)量雖然不多，但是由于其得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢(shì)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的作用和意義十分重大[8]。大興區(qū)是北京市重要的蔬菜水果生產(chǎn)基地，近年來(lái)由于城市化發(fā)展的加劇，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)集約化程度和土地利用強(qiáng)度不斷提高，都會(huì)對(duì)土壤養(yǎng)分的空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響?；诖耍疚幕诘亟y(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)方法對(duì)大興區(qū)土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探討影響土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)變化的因素，以便用于指導(dǎo)土壤培肥管理，進(jìn)行科學(xué)施肥，同時(shí)也為大興區(qū)土壤資源的合理規(guī)劃、有效利用與開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

大興區(qū)是北京市南部郊區(qū)縣，地處116°13′—116°43′E，39°26′—39°51′N。地勢(shì)自西向東南緩傾，屬永定河沖積平原。該地區(qū)是暖溫帶半濕潤(rùn)大陸季風(fēng)氣候，年平均氣溫11.6℃、降水量556 mm。全區(qū)土壤分布與地貌類型一致，近河多砂壤土，向東沉積物質(zhì)由粗變細(xì)，砂壤土、輕壤土呈與地形坡向一致的帶狀交錯(cuò)分布，區(qū)域土壤熟化程度較高。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

土壤樣品的采集與分析。土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源于2007年大興區(qū)野外采樣，主要在農(nóng)田、園地和林地范圍內(nèi)均勻布設(shè)，采集過(guò)程中利用GPS進(jìn)行野外定位，共采集1 240個(gè)樣點(diǎn)，空間分布如圖1所示。對(duì)采集的土壤樣品進(jìn)行分析測(cè)試，主要項(xiàng)目包括全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀5項(xiàng)基本土壤養(yǎng)分。全氮使用半微量凱氏定氮法測(cè)定，堿解氮使用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)使用絡(luò)酸鉀氧化—外源熱法測(cè)定，有效磷使用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀使用乙酸銨浸提—火焰光度法測(cè)定。

農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)。實(shí)際抽樣調(diào)查大興區(qū)6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)14個(gè)村274戶農(nóng)戶有關(guān)的土地利用方式與類型、耕作與種植制度、施肥狀況等情況。對(duì)野外農(nóng)戶調(diào)查表進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入、整理、匯總分析等。

1.3 研究方法

采用克里格方法進(jìn)行土壤養(yǎng)分空間插值，采用模糊隸屬度函數(shù)模型進(jìn)行土壤養(yǎng)分的標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用主成分分析方法確定其空間結(jié)構(gòu)。主成分分析法的工作目標(biāo)是要在力保數(shù)據(jù)信息丟失最小的原則下，對(duì)高維變量空間進(jìn)行降維處理[9]。土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)的具體計(jì)算方法為：首先計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化因子數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)矩陣，導(dǎo)出相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值和特征向量，以及特征值對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率；其次選取累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于85%的前t個(gè)主成分綜合原始數(shù)據(jù)信息，和對(duì)應(yīng)的t個(gè)特征向量；最后標(biāo)準(zhǔn)化特征向量，計(jì)算各因子對(duì)總體的貢獻(xiàn)率，再對(duì)因子貢獻(xiàn)率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到土壤養(yǎng)分的空間結(jié)構(gòu)。

圖1 2007年大興區(qū)土壤采樣點(diǎn)空間分布

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分空間插值和標(biāo)準(zhǔn)化處理

基于ArcGIS 9.3對(duì)土壤養(yǎng)分全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀進(jìn)行空間克里格插值。參考北京市土肥工作站2006年制定的《北京市土壤養(yǎng)分分等定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行分等定級(jí)，把空間插值結(jié)果分為3級(jí)如表1所示，優(yōu)質(zhì)、中等和較差等級(jí)分別對(duì)應(yīng)《北京市土壤養(yǎng)分分等定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中的極高—高、中—低、極低等級(jí)。

表1 大興區(qū)土壤養(yǎng)分分等定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

由于量綱和單位的差異，土壤中全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀因子缺乏可比性，可以基于模糊隸屬度函數(shù)模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。指標(biāo)越高表明該因子含量越高，但到一定臨界值后，因子的效用也趨于恒定，因此選定S型隸屬度函數(shù)，隸屬度值在0.1～1.0之間，具體計(jì)算公式為:

(1)

式中：F(x)——隸屬度；x——因子原始值；U——函數(shù)上界轉(zhuǎn)折點(diǎn)，取值為表1中優(yōu)質(zhì)和中等等級(jí)的分界點(diǎn)；L——函數(shù)下界轉(zhuǎn)折點(diǎn)，取值為表1中等和較差等級(jí)的分界點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)空間克里格插值和模糊隸屬度函數(shù)處理后大興區(qū)土壤養(yǎng)分的空間分布如圖2(a-e)所示。

圖2 大興區(qū)土壤養(yǎng)分的空間分布

2.2 土壤養(yǎng)分的空間結(jié)構(gòu)分析

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的大興區(qū)土壤養(yǎng)分進(jìn)行主成分分析，結(jié)果如表2所示。前2個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率已達(dá)到91.23%，選取前2個(gè)主成分按照前述研究方法進(jìn)行計(jì)算，得到大興區(qū)土壤養(yǎng)分的空間結(jié)構(gòu)為全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀所占空間比例分別為0.32，0.25，0.23，0.03和0.17。結(jié)果表明大興區(qū)土壤中氮含量最高，有機(jī)質(zhì)含量較高，鉀含量較低，磷含量極低。利用土壤中各養(yǎng)分及其所占的空間比例計(jì)算獲取大興區(qū)土壤養(yǎng)分的空間分布特征，如圖2f所示。從圖中可以看到，土壤養(yǎng)分的高值區(qū)主要分布在大興區(qū)東北部的采育鎮(zhèn)、長(zhǎng)子營(yíng)鎮(zhèn)、青云店鎮(zhèn)、瀛海鎮(zhèn)、亦莊鎮(zhèn)、舊宮鎮(zhèn)和西紅門鎮(zhèn)；土壤養(yǎng)分的低值區(qū)主要分布在大興區(qū)西南部的黃村鎮(zhèn)、北臧村鎮(zhèn)、龐各莊鎮(zhèn)和榆垡鎮(zhèn)，以及中部的魏善莊鎮(zhèn)、采育鎮(zhèn)和安定鎮(zhèn)的部分區(qū)域。

表2 大興區(qū)土壤養(yǎng)分的主成分分析

2.3 土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)影響因素分析

2.3.1 自然因素 自然因素是影響大興區(qū)土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)的制約因素，主要包括大興區(qū)土壤類型、土壤質(zhì)地、區(qū)位條件等。土壤類型以潮土為主，占全區(qū)土壤面積的95%以上，潮土受黃土性母質(zhì)影響，礦物養(yǎng)分較豐富，但速效磷含量較低。土壤質(zhì)地主要以輕壤質(zhì)、砂質(zhì)和砂壤質(zhì)為主，分別分布在大興區(qū)的東北部、西南部、中部。輕壤質(zhì)土和砂壤質(zhì)土的土壤質(zhì)地適中，通透性好，春季升溫快，穩(wěn)溫性好，有利于氮的吸收和有機(jī)質(zhì)的積累。砂質(zhì)土的蓄水力弱，土溫變化較快，透水性和通氣性良好，但抗旱能力較差，本身所含養(yǎng)料比較貧乏，有機(jī)質(zhì)的保存積累比較困難，其土粒吸肥力和土體保肥性都較差，特別不利于鉀和磷的保肥。大興區(qū)靠近北京市區(qū)，消納了大量的城市糞便、垃圾和生活污水，增加了土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，這與前人的研究成果一致[10]。受自然因素的限制，大興區(qū)土壤養(yǎng)分在整體上東北部要優(yōu)于西南部。

2.3.2 人為因素 人為因素主要是指農(nóng)戶的土地利用方式、耕作與種植制度、施肥情況等。據(jù)農(nóng)戶實(shí)際抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)，大興區(qū)有48%的農(nóng)戶選擇一年一作，種植玉米、小麥、西瓜、西紅柿和油菜的農(nóng)戶分別占58%，26%，13%，15%，9%，52%的農(nóng)戶選擇一年兩作，冬小麥—夏玉米種植模式占到80%。玉米、西瓜和蔬菜生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)氮元素需求高，鉀的需求較高，磷的需求較低。在施肥過(guò)程中約占65%的農(nóng)戶選擇以氮肥作為底肥，26%的農(nóng)戶選擇磷肥，6%選擇鉀肥；約占81%的農(nóng)戶選擇氮肥作為追肥，其余少量的磷肥和鉀肥。大興區(qū)約有23%的農(nóng)戶在施肥過(guò)程中增加了有機(jī)肥的使用，這有利于有機(jī)質(zhì)的積累。45%的農(nóng)戶選擇大面積推廣秸桿還田，為微生物提供了大量的C源，增強(qiáng)了微生物活性，秸桿中大量的N被微生物吸收同化[11]，增加了土壤中氮元素的含量。大興區(qū)東北部是設(shè)施蔬菜的主產(chǎn)區(qū)，蔬菜產(chǎn)業(yè)帶內(nèi)的土壤養(yǎng)分屬于優(yōu)質(zhì)等級(jí)，與土壤養(yǎng)分的高值區(qū)相吻合。因此，農(nóng)戶行為是影響大興區(qū)土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)因素。

自然因素和人為因素共同驅(qū)動(dòng)，使得大興區(qū)土壤中氮含量最高，有機(jī)質(zhì)含量較高，鉀含量較低，磷含量極低，整體上大興區(qū)土壤養(yǎng)分高值區(qū)主要分布在東北部，低值區(qū)主要分布在西南部和中部區(qū)域。土壤改良提高途徑主要有工程、耕作和施肥土壤改良3種類型。工程土壤改良主要是運(yùn)用平整土地，興修梯田，建立農(nóng)田排灌工程，采用砂黏互摻的辦法進(jìn)行土壤改良等；耕作土壤改良主要是調(diào)整農(nóng)戶土地利用方式和種植結(jié)構(gòu)，改進(jìn)耕作方法等；施肥土壤改良主要是平衡施肥來(lái)盡快提高大興區(qū)土壤中磷和鉀的含量，施用有機(jī)肥、生物肥和各種土壤改良劑等。

3 結(jié) 論

1) 基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行空間克里格插值和模糊隸屬度函數(shù)模型標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用主成分分析方法獲取了大興區(qū)土壤養(yǎng)分的空間結(jié)構(gòu)，全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀所占空間比例分別為0.32，0.25，0.23，0.03，0.17。大興區(qū)土壤中氮含量最高，有機(jī)質(zhì)含量較高，鉀含量較低，磷含量極低，整體上大興區(qū)土壤養(yǎng)分高值區(qū)主要分布在東北部，低值區(qū)主要分布在西南部和中部。

2) 大興區(qū)土壤類型、質(zhì)地、區(qū)位條件等自然因素是影響土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)的制約因素，農(nóng)戶土地利用方式、種植制度和施肥結(jié)構(gòu)等行為是土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)變化的主導(dǎo)因素。大興區(qū)潮土中有機(jī)質(zhì)含量較高，速效磷含量較低。東北部的輕壤質(zhì)和中部的砂壤質(zhì)有利于氮的吸收和有機(jī)質(zhì)的積累，西南部的砂質(zhì)對(duì)有機(jī)質(zhì)的保存積累比較困難，土體保肥性差，特別不利于鉀和磷的保肥。大興區(qū)農(nóng)戶在施肥過(guò)程中非常注重氮肥、較多磷肥、忽視鉀肥、輕視優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，農(nóng)戶推廣秸稈還田可以增加土壤中氮元素的含量。自然因素和人為因素共同驅(qū)動(dòng)了大興區(qū)土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)變化。

3) 未來(lái)需要綜合運(yùn)用工程、耕作和施肥土壤改良方法，進(jìn)一步改善大興區(qū)土壤，提升土壤肥力，從而逐步提高土壤質(zhì)量。

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Analysis on Spatial Structure and Influence Factor of Soil Nutrients in Daxing District of Beijing

DONG Shiwei1,2, LI Hong1, SUN Danfeng2, ZHANG Weiwei1

(1.InstituteofAgriculturalIntegratedDevelopment,BeijingAcademyofAgricultureandForestryScience,Beijing100097,China; 2.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China)

In order to reveal the spatial distribution of soil nutrients and guide soil fertility management, Daxing District of Beijing was chosen as the case. Firstly, space Kriging interpolation and fuzzy membership function model standardization of soil nutrients were implemented based on geostatistics and GIS technology. Secondly, the spatial structure of soil nutrients in Daxing District was obtained by principal component analysis method, and the occupied space proportions of total nitrogen, alkali-hydrolyzable nitrogen, organic matter, available phosphorus and available potassium were 0.32, 0.25, 0.23, 0.03， 0.17, respectively. The influence factors of spatial structure of soil nutrients were systematically analyzed. The results showed that the contents of nitrogen, organic matter, potassium and phosphorus in the soils of Daxing District were highest, high, low and lowest levels, respectively. Overall, high values of soil nutrients mainly distributed in the northeast and low values mainly located in the southwestern and central region of Daxing District, and it was primarily related to soil types and textures, land uses, and farmers fertilize structures in Daxing District.

soil nutrients; spatial structure; principal component analysis; GIS

2014-05-12

2014-06-05

北京市科技計(jì)劃課題(D131100000613002)

董士偉(1984—),男,山東泰安人,博士研究生,助理研究員,主要從事遙感與GIS在土壤資源中的應(yīng)用研究。E-mail:dshiwei2006@163.com

李紅(1973—),女,山東海陽(yáng)人,博士,研究員,主要從事農(nóng)業(yè)資源利用與管理研究。E-mail:lihsdf@sina.com

S158

1005-3409(2015)02-0032-04