梁 斌，齊 實(shí)

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北京山區(qū)土壤養(yǎng)分空間變化特征研究①

梁 斌，齊 實(shí)*

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083)

為了揭示土壤養(yǎng)分空間變異分布特征并且指導(dǎo)土壤規(guī)劃管理，以北京市西部山區(qū)水源林和京津風(fēng)沙源地帶為研究對(duì)象，在野外大田采集樣本的基礎(chǔ)之上，運(yùn)用了地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS相結(jié)合的研究方法，探究了典型區(qū)域土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)和全氮的空間變化格局，同時(shí)采用模糊模式識(shí)別理論對(duì)土壤養(yǎng)分等級(jí)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，并結(jié)合地區(qū)的實(shí)際情況分析了其變異特性的影響因素。結(jié)果表明：土壤養(yǎng)分的空間分布整體上符合正態(tài)分布（<0.05），有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)的空間分布變異性較強(qiáng)，堿解氮和全氮的變異系數(shù)相對(duì)降低，并且隨著土層深度的增加，土壤的養(yǎng)分含量呈現(xiàn)逐漸縮小趨勢(shì)。土壤養(yǎng)分的各項(xiàng)指標(biāo)能夠較好地符合半方差函數(shù)模型，有機(jī)質(zhì)和全氮具有較好的空間自相關(guān)性，堿解氮、速效鉀和有效磷體現(xiàn)出中等自相關(guān)性，土壤養(yǎng)分整體分布格局的空間自相關(guān)性水平較強(qiáng)。土壤堿解氮含量等級(jí)為中等的比重最大，其面積占比為27.87%；有效磷、速效鉀含量整體處于缺乏狀態(tài)；而有機(jī)質(zhì)含量在很豐富等級(jí)比重較大，且區(qū)域73.77% 的土壤質(zhì)地類型屬于有機(jī)質(zhì)豐富；全氮含量變化程度較低，并且大部分地區(qū)處于豐富的水平；區(qū)域土壤肥力的綜合水平為IV。研究成果為區(qū)域土壤資源使用劃分、修復(fù)重建以及可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

土壤養(yǎng)分；空間變異；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；綜合評(píng)價(jià)

土壤是分布復(fù)雜、變異隨機(jī)的時(shí)空連續(xù)體，質(zhì)地、植被、環(huán)境以及地形地貌等因素影響了土壤的形成過程，同時(shí)也決定了土壤在空間變異上的普遍存在性和復(fù)雜性特征[1-2]。土壤作為植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)庫(kù)，其養(yǎng)分的空間變異情況必然會(huì)影響植物種類的分布[3]。土壤養(yǎng)分是土壤的重要屬性之一，頻繁人類活動(dòng)對(duì)自然的改造以及農(nóng)業(yè)資源的大力開發(fā)增強(qiáng)了土壤的空間異質(zhì)性[4-6]。土壤肥力修復(fù)過程中，往往會(huì)無針對(duì)性地對(duì)土壤大量施加肥料，對(duì)于改善土壤的養(yǎng)分結(jié)構(gòu)、提升肥料偏生產(chǎn)力以及有效地控制農(nóng)業(yè)面源污染具有一定的負(fù)面影響[7-9]。研究土壤養(yǎng)分空間變異的規(guī)律，是指導(dǎo)區(qū)域土壤規(guī)劃利用、提高產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益以及完善管理措施的基礎(chǔ)，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)性、數(shù)字化農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)所在[10]。

近些年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于土壤養(yǎng)分空間變異性特征做了大量的研究，分別從土壤養(yǎng)分時(shí)空變異與施肥[11]、地形地貌[12]、作物種類[13]等因素的關(guān)系進(jìn)行了闡述。Glendell等[14]采用了高分辨率的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了土壤性質(zhì)的空間變異規(guī)律，闡明了土壤性質(zhì)和相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)之間的協(xié)同效應(yīng)關(guān)系；Ozgoz等[15]對(duì)比分析了3種不同作物的輪作田和天然牧場(chǎng)的土壤物理和化學(xué)指標(biāo)的變異特性，并提出了多年的作物栽培并沒有導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降；Foroughifar等[16]基于規(guī)則格網(wǎng)獲取98個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)研究了土壤的微量元素的變異特征，結(jié)果表明地下水位、土壤成土過程是影響土壤微量元素空間變異的重要因素；寧?kù)o等[17]利用實(shí)測(cè)分析手段及GIS空間分析方法討論了農(nóng)林交錯(cuò)區(qū)土壤肥力空間分異特征，闡述了坡度梯度和高程梯度變化差異下土壤肥力值的空間分布規(guī)律；趙明松等[19]采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和GIS技術(shù)研究了土壤有機(jī)質(zhì)、全氮等養(yǎng)分含量的空間變異特征和影響因素，表明土壤養(yǎng)分空間分布主要受地形和土壤類型影響?？梢娡寥鲤B(yǎng)分空間異質(zhì)性的研究有助于加深對(duì)土壤發(fā)育格局及其環(huán)境因子和生態(tài)格局分布的研究。北京山區(qū)地帶是水源林主要的分布區(qū)，同時(shí)也是京津地帶的風(fēng)沙源頭區(qū)。探究山區(qū)土壤養(yǎng)分組成空間變異特征，對(duì)于加強(qiáng)北京市飲用水水源地森林植被保護(hù)、改善水源地水土流失現(xiàn)狀以及促進(jìn)建設(shè)區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

以往關(guān)于土壤養(yǎng)分空間分布的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)主要來源于傳統(tǒng)的土壤圖，而這些傳統(tǒng)土壤圖的精度較低，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和環(huán)境評(píng)估模型對(duì)于土壤詳細(xì)信息的需求。本文通過野外調(diào)研采集土樣，通過傳統(tǒng)地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論結(jié)合GIS克里格插值的方法，研究北京市山區(qū)地帶土壤養(yǎng)分空間分布格局，并且采用屬性識(shí)別理論方法對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)土壤養(yǎng)分空間識(shí)別與評(píng)價(jià)理論的不足。該研究可為區(qū)域土壤養(yǎng)分分區(qū)管理以及水土資源可持續(xù)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山區(qū)地帶主要分布在北京市的西部和北部，本文采樣區(qū)選擇在包括密云、懷柔、延慶、昌平、門頭溝和房山等6個(gè)區(qū)縣，地理位置位于115°36′ ~ 116°56′E，39°34′ ~ 40°48′N，東西長(zhǎng)100 km，南北寬150 km。該地區(qū)屬于典型的北溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，7月份溫度最高，平均氣溫為29 ℃，1月份溫度最低，平均溫度為6 ℃，全年平均降水量為585 mm，主要集中在夏季7、8月份，全年平均氣溫≥0 ℃累計(jì)積溫值為5 603.4 ℃，日照時(shí)數(shù)為2 600 ~ 2 800 h，全年的無霜期為180 ~ 200 d。采樣地的植被覆蓋類型主要包括天然林、灌木、草地以及農(nóng)業(yè)耕作區(qū)。

1.2 樣品采集與分析

樣品的采集時(shí)間為2015年7月，在綜合考慮當(dāng)?shù)氐耐寥李愋?、植被、地形地貌以及土地利用類型等影響因素的基礎(chǔ)之上布設(shè)了224個(gè)采樣點(diǎn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，區(qū)域主要地貌類型為水源林、風(fēng)沙源帶和耕地，根據(jù)不同地貌類型的面積比重，水源林區(qū)域設(shè)置80個(gè)采樣點(diǎn)，風(fēng)沙源帶和耕地采樣點(diǎn)分別為80和64個(gè)。樣點(diǎn)的選擇力圖反映區(qū)域土壤養(yǎng)分空間分布格局特征，并且距離控制在10 km范圍之內(nèi)(圖1)。用GPS定位每個(gè)采樣點(diǎn)的位置，土壤的取樣通過取土器人工采集。垂直剖面取樣分為4層，分別為0 ~ 15、15 ~ 30、30 ~ 45、45 ~ 60 cm，共收集896個(gè)土樣。以取樣點(diǎn)為圓心，30 m為半徑的范圍內(nèi)取5個(gè)重復(fù)，將土樣混合均勻，取1 kg作為試驗(yàn)樣土(在下述研究中，土壤養(yǎng)分垂直剖面統(tǒng)計(jì)分析分別以4個(gè)土層的測(cè)量數(shù)值進(jìn)行研究，而在土壤平面空間變異性分析、分布格局以及綜合評(píng)價(jià)研究則以4個(gè)土層的平均值作為每個(gè)采樣點(diǎn)的研究值來進(jìn)行探討)。采集的土壤在室內(nèi)自然風(fēng)干、磨碎、過篩處理，進(jìn)行堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮和有機(jī)質(zhì)5種養(yǎng)分成分的測(cè)定[19]。結(jié)合前人研究的經(jīng)驗(yàn)與成果，土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定方法為重鉻酸鉀外加熱法；堿解氮測(cè)定方法為堿解擴(kuò)散法；有效磷測(cè)定方法為恒溫水浴振蕩浸提法；速效鉀的測(cè)定方法為醋酸銨浸提火焰光度法；全氮的測(cè)定方法為凱氏法。

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)分布圖

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

本研究借助SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并采用K-S檢驗(yàn)方法結(jié)合相伴概率來分析土壤養(yǎng)分空間格局是否符合正態(tài)分布。利用GS+V9.0經(jīng)典地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行土壤半方差函數(shù)分析，并且驗(yàn)證其符合的模型種類，最終采用ArcGIS 10.2軟件中數(shù)據(jù)變異趨勢(shì)模擬以及Kriging空間插值繪制各養(yǎng)分的空間變異規(guī)律，展示各養(yǎng)分指標(biāo)的平面分布效果。

其中，半方差函數(shù)體現(xiàn)的是土壤養(yǎng)分的空間變異性特征。在土壤養(yǎng)分測(cè)量值滿足二階平穩(wěn)假設(shè)的前提下可以通過如下公式進(jìn)行計(jì)算[20-21]：

式中：() 表示經(jīng)驗(yàn)半方差函數(shù)，表示步長(zhǎng)，即相鄰兩個(gè)樣點(diǎn)之間的空間距離。() 表示步長(zhǎng)間包含的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)的個(gè)數(shù)。(x) 指變量函數(shù)() 在位置x處的具體實(shí)測(cè)函數(shù)值。(x+h) 指變量函數(shù)() 在位置x+h處的具體實(shí)測(cè)函數(shù)值。在研究過程中取每個(gè)測(cè)量樣點(diǎn)指標(biāo)的平均值代入公式中。

此外，在土壤養(yǎng)分狀況綜合評(píng)價(jià)過程中，參照全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以及結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H土壤質(zhì)地情況，對(duì)土壤養(yǎng)分含量的等級(jí)進(jìn)行分類，具體如表1所示。

表1 土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.4 評(píng)價(jià)方法

在研究過程中，運(yùn)用模糊模式識(shí)別理論建立土壤肥力的單指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣，確定各指標(biāo)的權(quán)重，然后通過最優(yōu)權(quán)法來確定土壤各指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)模糊識(shí)別模型綜合評(píng)價(jià)土壤養(yǎng)分狀況所屬級(jí)別，具體過程如下[22-25]：

1) 數(shù)據(jù)量綱化處理。設(shè)研究區(qū)域有個(gè)樣本，每個(gè)樣本有項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值，則土壤各項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)的實(shí)測(cè)值矩陣為=(x)。則x是樣本指標(biāo)的特征值，其中= 1,2,…,m；= 1,2,…,。土壤養(yǎng)分等級(jí)的分類為，評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值為，項(xiàng)指標(biāo)級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣為=(y)。y是級(jí)別指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)特征值；=1,2,…,。

在研究過程中，采用指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值y隨級(jí)別的增大而增大的研究模式，按照式(2)計(jì)算樣本值x對(duì)模糊子集的相對(duì)隸屬度，按照式(3)計(jì)算指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值y對(duì)模糊子集的隸屬度。

式中：r為樣本指標(biāo)的特征值對(duì)模糊子集的相對(duì)隸屬度；y為指標(biāo)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值；s為級(jí)別指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)模糊子集的相對(duì)隸屬度。同時(shí)，利用公式(2)、(3)可將矩陣和變換為對(duì)應(yīng)的隸屬度矩陣和。

2) 權(quán)重確定。由于各個(gè)指標(biāo)高低有所不同，在總的評(píng)價(jià)中所起的作用也會(huì)有所差別，在本研究過程中，采用加權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，土壤樣本養(yǎng)分含量的高低在一定程度上決定著該指標(biāo)的權(quán)重?cái)?shù)值，其計(jì)算公式通常為

3) 模糊模式識(shí)別的模型。根據(jù)土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)模式的特點(diǎn)，建立模糊模式識(shí)別模型：

式中：u為樣本對(duì)模糊子集級(jí)別的相對(duì)隸屬度，= 1,2,…,；= 1,2,…,；a，b為樣本的項(xiàng)指標(biāo)的級(jí)別下限值和上限值；為距離參數(shù)，取= 2。

4) 土壤養(yǎng)分級(jí)別的判定。對(duì)于土壤養(yǎng)分模糊識(shí)別的最終判定結(jié)果由H來確定，級(jí)別變量H的計(jì)算公式為

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤養(yǎng)分統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

將該地區(qū)的土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和K-S檢驗(yàn)。分析表2結(jié)果可知，土壤養(yǎng)分在水源林、風(fēng)沙源帶和耕地采樣點(diǎn)呈顯著性差異，其中堿解氮的含量變化區(qū)間為12.16 ~ 150.71 mg/kg，變異系數(shù)為25.84%，屬于中等變異水平。對(duì)比5種養(yǎng)分指標(biāo)在空間分布的變異系數(shù)，其從大到小的順序依次為速效鉀>有效磷>有機(jī)質(zhì)>堿解氮>全氮，由此可知，堿解氮、速效鉀和有效磷含量的空間變異程度相對(duì)較大。

表2 土壤特性的統(tǒng)計(jì)特征值

在整體分析土壤養(yǎng)分空間分布特征的基礎(chǔ)上，分析各養(yǎng)分指標(biāo)含量在土壤垂直剖面上的變化過程。其中，在0 ~ 15 cm土層內(nèi)，土壤的堿解氮含量為106.12 mg/kg，而在15 ~ 30 cm土層處，其堿解氮含量降低到61.07 mg/kg，相對(duì)于表層有所降低，而隨著土層深度的增加，在30 ~ 45、45 ~ 60 cm處，土壤堿解氮含量分別相對(duì)淺層降低了70.63% 和75.91%，分別相對(duì)于表層土壤養(yǎng)分含量有了大幅度的降低。隨著土層深度的增加，土壤堿解氮含量呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)。同時(shí)，分析有效磷的含量變化趨勢(shì)，在0 ~ 15 cm土層內(nèi)，其土壤有效磷的含量為5.06 mg/kg，而在15 ~ 30、30 ~ 45、45 ~ 60 cm土層中，土壤有效磷的含量分別相對(duì)于表層0 ~ 15 cm土層減少了2.18、2.01、2.43 mg/kg，整體的變化趨勢(shì)與堿解氮保持相一致。此外，對(duì)比分析速效鉀、有機(jī)質(zhì)和全氮的變化趨勢(shì)可知，在0 ~ 45 cm土層之間，其養(yǎng)分含量均呈現(xiàn)出不同程度的降低，但是在45 ~ 60 cm土層處，養(yǎng)分含量出現(xiàn)了增加的現(xiàn)象，并且在不同的坐標(biāo)采樣點(diǎn)中，該土層深度處的土壤速效鉀、有機(jī)質(zhì)和全氮的含量均處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定并且含量較高的水平。

綜上分析可知，從土壤整體平均變化趨勢(shì)分析，土壤的堿解氮、有效磷和速效鉀的含量相對(duì)較低，處于缺乏水平，而有機(jī)質(zhì)和全氮含量較為豐富，具體分析研究區(qū)的地形、地貌以及土壤的植被覆蓋狀況可知，該區(qū)域的植被覆蓋量相對(duì)較高，植物有機(jī)質(zhì)的腐殖程度較大，因此，其有機(jī)質(zhì)含量較為豐富。另外，從土壤空間垂直剖面分析各養(yǎng)分指標(biāo)的遷移規(guī)律可知，隨著土層深度的增加，土壤養(yǎng)分含量整體呈現(xiàn)出依次減少的趨勢(shì)，但是在45 ~ 60 cm土層處，由于該土層距離地表較遠(yuǎn)，其養(yǎng)分被植被的利用程度較低，并且受環(huán)境變化的影響程度較低，因此該土層的養(yǎng)分含量呈現(xiàn)小幅度的增加。

2.2 土壤養(yǎng)分要素空間變異性

在研究過程中，為了更好地分析土壤養(yǎng)分在空間變異過程的連續(xù)性以及其結(jié)構(gòu)特征，采用半方差分析的地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)土壤空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，具體結(jié)果見表3。

由土壤養(yǎng)分要素的半方差函數(shù)模型分析可知，土壤堿解氮含量空間變異的半方差函數(shù)符合球形模型，其決定系數(shù)為0.736；有機(jī)質(zhì)含量空間變異的半方差函數(shù)符合指數(shù)函數(shù)模型，而有效磷、速效鉀和全氮的半方差函數(shù)符合高斯函數(shù)模型，并且各個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)的決定系數(shù)均大于0.8，擬合效果較好。在參數(shù)分析過程中，塊金值0表示小于取樣尺度下的空間變異，而基臺(tái)值0+表示在變量范圍內(nèi)總的空間變異強(qiáng)度。對(duì)比可知，在各種養(yǎng)分空間變異過程中，堿解氮的基臺(tái)值為54.497，其空間變異程度相對(duì)較強(qiáng)，總體對(duì)比各種養(yǎng)分元素空間變異基臺(tái)值，其從大到小的變化順序依次是：速效鉀>堿解氮>有機(jī)質(zhì)>有效磷>全氮，也由此得出其空間變異程度依次減弱。

(圖中小寫字母不同表示土層間差異達(dá)到P<0.05 顯著水平)

表3 土壤半方差結(jié)構(gòu)參數(shù)

當(dāng)塊金系數(shù)0/0+<25% 時(shí)，表明變量的空間自相關(guān)性等級(jí)為強(qiáng)烈，當(dāng)塊金系數(shù)在25% ~ 75% 時(shí)，表明空間自相關(guān)性等級(jí)為中等，當(dāng)塊金系數(shù)>75% 時(shí)，表明空間自相關(guān)性較弱。分析各種養(yǎng)分指標(biāo)的塊金系數(shù)可知，堿解氮的塊金系數(shù)值為51.56%，其數(shù)值相對(duì)較大，屬于中等空間自相關(guān)性，同時(shí)，速效鉀和有效磷成分的塊金值均屬于中等空間自相關(guān)性水平，而有機(jī)質(zhì)和全氮的塊金系數(shù)均小于25%，表明這兩種養(yǎng)分元素的空間變化具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，而這種空間自相關(guān)性要受到土壤的母質(zhì)特征、農(nóng)業(yè)灌溉、氣候變異以及人類改造自然活動(dòng)的影響，而在空間自相關(guān)分析結(jié)果中，各種養(yǎng)分成分的空間自相關(guān)性水平相對(duì)較高，表明該地區(qū)的土壤養(yǎng)分空間變異特性能夠與地區(qū)的自然環(huán)境較好地匹配，適應(yīng)環(huán)境變化所帶來的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)。

2.3 土壤養(yǎng)分空間分布格局

通過分析可知，該區(qū)域中土壤的堿解氮、有效磷、速效鉀和全氮的含量整體符合正態(tài)分布，同時(shí)有機(jī)質(zhì)含量在空間的變化趨勢(shì)經(jīng)過對(duì)數(shù)形式轉(zhuǎn)化也滿足正態(tài)分布類型，符合進(jìn)行空間差值的要求。根據(jù)土壤養(yǎng)分變異函數(shù)所符合的理論模型以及其變化趨勢(shì)中提取的參數(shù)，通過ArcGIS 10.2地統(tǒng)計(jì)分析模塊中的克里格插值方法繪制土壤養(yǎng)分的空間平面變化趨勢(shì)圖(圖3)。

分析土壤養(yǎng)分分布情況可知，土壤的堿解氮、有效磷、速效鉀的空間格局主要受到地形、地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，由于研究區(qū)的東部分布著密云水庫(kù)、懷柔水庫(kù)以及河流水系，其地質(zhì)組成物質(zhì)主要是花崗巖、片麻巖和石灰?guī)r，區(qū)域的地下水位較低，湖泊河流水系的入侵導(dǎo)致土壤礦化度較高，土壤的鹽堿化增強(qiáng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平相對(duì)較低，肥料的投入量較低，不利于土壤養(yǎng)分的積累，因此東部地區(qū)的堿解氮、有效磷、速效鉀的含量相對(duì)較低。而在北部和中部地區(qū)，土壤植被覆蓋率相對(duì)較高，農(nóng)田土壤面積較大，對(duì)于土壤的養(yǎng)分成分具有一定的補(bǔ)給與穩(wěn)固作用，因此，該地區(qū)的土壤堿解氮、有效磷和速效鉀的含量相對(duì)較高。而對(duì)于土壤中的有機(jī)質(zhì)，其高值區(qū)主要分布在研究區(qū)的北部和西南部，結(jié)合地區(qū)實(shí)際情況可知，北部是水源林的主要分布區(qū)，土壤表面覆蓋落葉松林和云杉林等，植物的腐殖作用對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行了大量的補(bǔ)給，故此區(qū)域的有機(jī)質(zhì)含量較為豐富。

圖3 土壤養(yǎng)分含量空間分布圖

2.4 土壤養(yǎng)分的綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)上述表1土壤養(yǎng)分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)采樣點(diǎn)的土壤養(yǎng)分要素空間分布進(jìn)行分級(jí)，同時(shí)對(duì)研究尺度內(nèi)各養(yǎng)分等級(jí)所占的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體見圖4。以此來了解區(qū)域土壤各要素空間等級(jí)劃分及綜合水平。

由圖4A土壤堿解氮等級(jí)評(píng)價(jià)情況可知，區(qū)域內(nèi)土壤堿解氮含量超過150 mg/kg(很豐富)的面積占區(qū)域總面積的13.11%，堿解氮含量在120 ~ 150 mg/kg (豐富)之間的面積占區(qū)域總面積的26.73%，而中等、缺乏和很缺乏等級(jí)的土壤面積分別占總面積的27.87%、18.03% 和11.48%，由此表明，研究區(qū)的土壤堿解氮含量處于中等偏上的水平，很豐富和極缺乏的狀況占比較低。

由圖4B土壤有效磷的等級(jí)評(píng)價(jià)情況可知，區(qū)域土壤有效磷含量超過40 mg/kg(很豐富)的面積占區(qū)域總面積的3.27%，含量在20 ~ 40 mg/kg(豐富)之間的面積占區(qū)域面積的3.27%，而含量在5 ~ 10 mg/kg (缺乏)之間的面積比例最大，占總面積的44.26%，同時(shí)很缺乏和極缺乏所占比例分別為29.03% 和11.47%，土壤中有效磷的成分處于缺乏水平。

由圖4C土壤速效鉀的等級(jí)評(píng)價(jià)情況可知，區(qū)域土壤的速效鉀含量超過200 mg/kg(很豐富)的面積占區(qū)域總面積的3.27%，含量在150 ~ 200 mg/kg(豐富)之間的面積占區(qū)域面積的4.92%，所占比例均相對(duì)較低，而區(qū)域內(nèi)速效鉀的缺乏面積占比為67.21%，由此可知，在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)補(bǔ)充鉀肥，同時(shí)采取一定的措施減緩鉀元素的流失，提高鉀肥的利用效率。

同時(shí)分析圖4D和圖4E可知，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量很豐富的區(qū)域占比分別為45.90% 和47.54%，所占比例較大，而其有機(jī)質(zhì)和全氮含量缺乏區(qū)域占比分別為8.19% 和3.27%，由此可知，整個(gè)研究區(qū)域的土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的含量處于較高的水平。

在上述分析的基礎(chǔ)之上，根據(jù)各個(gè)轄區(qū)采集土壤的各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果，采用模糊模式識(shí)別理論對(duì)研究區(qū)所屬的6個(gè)轄區(qū)以及其整體進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，參照表1的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將土壤的養(yǎng)分成分等級(jí)劃分為6個(gè)級(jí)別。經(jīng)分析可知(表4)，密云、延慶轄區(qū)的土壤養(yǎng)分級(jí)別為Ⅱ，土壤處于相對(duì)貧瘠的狀態(tài)；昌平地區(qū)土壤養(yǎng)分等級(jí)為Ⅲ，該區(qū)域土壤各項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)處于中等水平，在進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)充肥料，以保證土壤中堿解氮、有效磷、速效鉀的含量成分；懷柔、門頭溝地區(qū)林地覆蓋面積相對(duì)較高，土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮含量相對(duì)較高，并且有效磷和速效鉀的成分相對(duì)處于較高的水平，該區(qū)域的養(yǎng)分級(jí)別為IV；房山區(qū)的土壤相對(duì)肥沃，各項(xiàng)指標(biāo)均處于較高的水平，其綜合評(píng)價(jià)等級(jí)優(yōu)于其他區(qū)域。而在整個(gè)研究區(qū)的評(píng)價(jià)中，其整體水平處于IV，區(qū)域土壤的綜合水平處于中等偏上，因此，在今后的生產(chǎn)與資源開發(fā)利用中，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)貙?duì)土壤肥力的養(yǎng)分進(jìn)行補(bǔ)給和修復(fù)，以保證資源的可持續(xù)利用。

圖4 土壤養(yǎng)分等級(jí)統(tǒng)計(jì)圖

表4 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

綜上分析，受到區(qū)域地形、地貌以及人類農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響，在研究區(qū)內(nèi)，土壤的堿解氮和有效磷含量整體呈現(xiàn)出中等偏上的水平，速效鉀呈現(xiàn)缺乏的狀態(tài)，而土壤中有機(jī)質(zhì)和全氮的含量整體處于豐富的狀態(tài)。房山區(qū)、懷柔區(qū)和門頭溝管轄區(qū)的土壤養(yǎng)分等級(jí)相對(duì)較高，密云、延慶相對(duì)貧瘠。因此，在今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及土壤規(guī)劃利用中，應(yīng)該適當(dāng)?shù)卦黾油寥棱浄实氖┯昧?，同時(shí)采取一定的措施提升土壤吸附固定的能力，高效、可持續(xù)地利用土壤水土資源。

3 結(jié)論

通過對(duì)試驗(yàn)土壤中各種養(yǎng)分含量經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，除有機(jī)質(zhì)符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其余土壤養(yǎng)分分布類型均符合正態(tài)分布。在空間變異規(guī)律上，有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)的變異系數(shù)分別為37.08%、39.86% 和28.99%，分別相對(duì)于堿解氮和全氮的變化幅度有所增加。而在空間剖面上，由于植被覆蓋的影響以及環(huán)境驅(qū)動(dòng)效應(yīng)，隨著土層深度的增加，土壤養(yǎng)分含量逐漸降低。

在對(duì)土壤養(yǎng)分空間變異過程進(jìn)行半方差分析中，各養(yǎng)分?jǐn)M合模型的絕對(duì)系數(shù)均達(dá)到了0.7以上，受到人類活動(dòng)、氣候變化、地形地貌的影響，各養(yǎng)分指標(biāo)均具有良好的空間結(jié)構(gòu)，其中有機(jī)質(zhì)和全氮的空間相關(guān)性較強(qiáng)，而堿解氮、有效磷、速效鉀的空間相關(guān)性有所減弱。另外，土壤各個(gè)養(yǎng)分的空間變程在2.68 ~ 7.74 km，體現(xiàn)出隨著養(yǎng)分空間相關(guān)性的增強(qiáng)，其變程逐漸縮小的趨勢(shì)。

研究區(qū)內(nèi)堿解氮的指標(biāo)含量屬于中等偏上水平，而速效鉀、有效磷在空間分布中體現(xiàn)出普遍缺乏，有機(jī)質(zhì)很豐富區(qū)域的面積占比分別相對(duì)于堿解氮、有效磷和速效鉀很豐富區(qū)域的占比增加了32.79%、42.63% 和42.63%，有機(jī)質(zhì)含量水平較高，同時(shí)全氮的含量水平也較為豐富。研究區(qū)整體綜合肥力水平為IV，該地區(qū)在生產(chǎn)過程中，應(yīng)當(dāng)采取一定的措施改良耕作土壤，避免其鹽堿化和沙化，并且在施肥過程中應(yīng)適當(dāng)?shù)卦黾逾浄?、氮肥和磷肥的施用量，使各?xiàng)養(yǎng)分含量均衡，從而提高土壤養(yǎng)分的利用效率和植被生長(zhǎng)狀況。

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Spatial Distributions of Soil Nutrients in Beijing Mountainous Area

LIANG Bin, QI Shi*

(School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

In order to reveal the spatial variations of soil nutrients and to guide the reasonable management of soil resources, the water-source forest in the mountainous areas and Beijing-Tianjin sandstorm source area in western Beijing were taken as the study object, on the basis of field sampling and by using the method of combining geostatistics and GIS, the spatial distributions of soil available nitrogen, available phosphorus, available potassium, organic matter and total nitrogen were studied. Fuzzy pattern recognition theory was used to evaluate soil nutrient levels analyzed the influential factors of the spatial variation characteristics combined with the actual regional situation. The results showed that the spatial distribution of soil nutrients were in the normal distribution (<0.05), the spatial variabilities of available phosphorus, available potassium and organic matter were stronger, the variation coefficients of available nitrogen and total nitrogen were lower, and soil nutrient gradually reduced with the increase of soil depth. The indexes of soil nutrients well fitted to the semivariogram model, organic matter and total nitrogen had good spatial autocorrelation, available nitrogen, available potassium and available phosphorus showed moderate autocorrelation, the spatial autocorrelation level of soil nutrient distribution pattern was strong. Available nitrogen was the highest in medium proportion, its area accounted for 27.87%, available potassium and available phosphorus were in lack states, but organic matter was very rich, and 73.77% of the soil texture types were rich in organic matter, total nitrogen was in abundance state with a low variation, the regional soil fertility was in comprehensive IV level. The research results can provide scientific basis for the reasonable division, rehabilitation and sustainable utilization of the regional soil resources.

Soil nutrients; Spatial variability; Geostatistics; Comprehensive evaluation

北京市科委項(xiàng)目(Z151100002115006)和北京市園林綠化局項(xiàng)目(2016HFWSBXY020、2016HXFWSBXY012)資助。

(qishi@bjfu.edu.cn)

梁斌(1992—)，男，河北衡水人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樗帘３峙c荒漠化防治。E-mail: 1509030398@qq.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.04.017

S158.3

A