高 潔，武紅旗*，李新梅，范燕敏，侯艷娜，楊強(qiáng)軍

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.阜康市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，新疆 阜康 831500)

【研究意義】土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要標(biāo)識[1]，是農(nóng)作物生長的必要條件，其含量直接影響農(nóng)作物生長和產(chǎn)量，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要意義[2-4]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】國內(nèi)外學(xué)者針對不同尺度[5-9]、不同地貌類型[10-12]、不同插值方法[13-16]相繼開展了大量研究，取得了豐碩的研究成果。其中，土壤養(yǎng)分的空間變異性已成為土壤科學(xué)研究的重要領(lǐng)域，諸多學(xué)者利用經(jīng)典統(tǒng)計與地統(tǒng)計相結(jié)合的方法，對土壤養(yǎng)分變化進(jìn)行研究，該方法彌補(bǔ)了經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)空間信息上的不足，具有較好的應(yīng)用前景[17-19]。同時，對阜康市土壤養(yǎng)分含量變化及空間變異性的研究已有學(xué)者進(jìn)行，馬木提阿吉·烏買爾等[20]對阜康市1982、2012年土壤養(yǎng)分含量變化進(jìn)行了分析。馬媛[21]等對阜康市土壤微量元素的空間變異性進(jìn)行了討論。喬娟峰等[22]對阜康荒地土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異性進(jìn)行了研究。但發(fā)現(xiàn)研究的時間均較早且跨度較小。隨著糧食需求的增長，耕地不斷擴(kuò)張、化肥施用不合理等現(xiàn)象造成環(huán)境問題日益加劇。土壤養(yǎng)分變化已成為研究的熱點(diǎn)之一。【本研究切入點(diǎn)】然而，現(xiàn)有土壤養(yǎng)分的研究方法多注重定量描述，通過表格進(jìn)行簡單描述性統(tǒng)計，不能很好的地對長時期土壤養(yǎng)分變化狀況進(jìn)行可視化表達(dá)。而地學(xué)信息圖譜，能夠?qū)?fù)雜的現(xiàn)象簡化為空間單元格局圖和時間序列變化過程譜[23]。因此，本文將地學(xué)信息圖譜與土壤養(yǎng)分變化研究相結(jié)合，對阜康市耕層土壤養(yǎng)分進(jìn)行整體系統(tǒng)的分析。結(jié)合經(jīng)典統(tǒng)計與地統(tǒng)計的方法，確定最優(yōu)半變異函數(shù)模型，最優(yōu)搜索方向，提高了插值精度，借鑒地學(xué)信息圖譜理論，基于時段首期、中期、末期構(gòu)建土壤養(yǎng)分變化圖譜，對阜康市近40年土壤養(yǎng)分主要等級變化進(jìn)行分析，豐富了土壤養(yǎng)分變化研究方法體系，深入挖掘土壤養(yǎng)分變化規(guī)律及轉(zhuǎn)換過程。該方法有助于及時掌握田間養(yǎng)分變化信息、降低生產(chǎn)成本，從而實現(xiàn)農(nóng)田養(yǎng)分精準(zhǔn)管理?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究旨在為阜康市農(nóng)田養(yǎng)分管理、科學(xué)施肥、耕地的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

阜康市位于天山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地處87°46′～88°44′E，43°45′～45°30′N，海拔450～5445 m，年均氣溫6.7 ℃，年均降雨量205 mm[24]。屬于典型的干旱區(qū)綠洲荒漠帶，溫帶大陸性干旱氣候，具有從山地到荒漠的完整垂直地帶性，地貌特征主要分為南部山區(qū)、中部平原、北部荒漠3個單元。土壤類型受地形影響也分為3大類型，即山地土壤、平原土壤、沙漠土壤。轄區(qū)內(nèi)共有7條河流，均發(fā)源于天山北麓，水資源較豐富。阜康市下轄3個街道，4個鄉(xiāng)。研究區(qū)位于阜康市中部耕地，屬平原地區(qū)，耕地總面積為55 253.24 hm2[25]，糧食作物以小麥為主，土壤類型以潮土、灰漠土、灌漠土為主。

1.2 資料收集

本研究收集了阜康市3個時期(1982、2010、2018年)耕地土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、有效鉀養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)。共獲取1982年樣點(diǎn)數(shù)據(jù)477個，主要來源于阜康市第二次土壤普查數(shù)據(jù)及土壤類型圖，通過矢量化獲得；2010年通過GPS定點(diǎn)獲得樣點(diǎn)數(shù)據(jù)275個，主要來源于阜康市測土配方施肥項目；2018年樣點(diǎn)數(shù)據(jù)共90個，數(shù)據(jù)來源于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部阜康市耕地質(zhì)量變更調(diào)查項目，點(diǎn)位數(shù)據(jù)通過GPS定點(diǎn)獲得。影像數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey，USGS)2018年的Landsat-8 OLI影像，時間為9月。其它數(shù)據(jù)包括阜康市行政區(qū)劃圖、1949-2008年《昌吉六十年》[26]、1989-2018年《新疆統(tǒng)計年鑒》[25]。

圖1 農(nóng)田采樣點(diǎn)分布Fig.1 The farmland sampling point distribution

1.3 數(shù)據(jù)處理

以阜康市2018年土地利用現(xiàn)狀圖為基礎(chǔ)，獲取耕地邊界。由于采樣數(shù)據(jù)往往存在異常值，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)分析前需對異常值進(jìn)行剔除，本研究采用經(jīng)典統(tǒng)計與Voronoi圖結(jié)合的方法，對異常值以3倍標(biāo)準(zhǔn)差原則進(jìn)行剔除，利用SPSS 19軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行K-S檢驗、描述性統(tǒng)計、相關(guān)性分析等，對不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用Minitab 17軟件進(jìn)行Box-Cox轉(zhuǎn)換，獲取最優(yōu)擬合參數(shù)，GS+9.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差函數(shù)分析，獲取最優(yōu)擬合模型，運(yùn)用ArcGIS10.2對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行空間自相關(guān)分析及普通克里格插值，并采用交叉驗證(Cross-Validation)的方法驗證模型精度，依據(jù)“全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)”對阜康市各時期土壤養(yǎng)分進(jìn)行分級。

1.3.1 土壤養(yǎng)分變化模式圖譜 借鑒鮑文東[27]、呂曉[28]等土地利用變化研究方法對土壤養(yǎng)分進(jìn)行研究，探討近40年阜康市不同等級土壤養(yǎng)分間相互轉(zhuǎn)換，利用圖譜融合代碼對土壤養(yǎng)分進(jìn)行圖譜分析，公式如下：

D=100A+10B+C

式中：D代表新的圖譜單元代碼；A代表1982年阜康市土壤養(yǎng)分的圖譜單元代碼；B代表2010年阜康市土壤養(yǎng)分的圖譜單元代碼；C代表2018年阜康市土壤養(yǎng)分的圖譜單元代碼。

表2 土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)正態(tài)分布檢驗

1.3.2 圖譜單元取值、排序 本研究土壤養(yǎng)分等級跨度為6，故土壤養(yǎng)分圖譜單元取值為1～6。圖譜單元是地學(xué)信息圖譜的基本單位，記錄了該單元在某一時期的土壤養(yǎng)分等級，通過對各圖譜單元面積進(jìn)行排序，篩選出面積最大的前3種圖譜類型進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分基本統(tǒng)計特征

對剔除異常值后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(表1)，從均值上看，有機(jī)質(zhì)3個時期含量變化表現(xiàn)為先減少后增加；堿解氮先增加后減少，變化幅度較穩(wěn)定，在49～50 mg/kg之間上下浮動；有效磷和有效鉀均有不同程度的增加。1982-2018年養(yǎng)分增長率依次為9.33 %、1.43 %、2.40 %、12.71 %。變異系數(shù)(Coefficient of Variation，c.v.)用來描述數(shù)據(jù)的離散、變異等特點(diǎn)，c.v.<10 %變異性較弱，10 %100 %說明數(shù)據(jù)具有強(qiáng)變異性，本研究3個時期阜康市土壤養(yǎng)分均呈中等強(qiáng)度的空間變異。利用K-S檢驗法對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分析，選取符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，進(jìn)行地統(tǒng)計分析。

表1 1982-2018年阜康市耕層土壤養(yǎng)分含量描述性統(tǒng)計特征

2.2 土壤養(yǎng)分空間變異性分析

采用半方差函數(shù)、Morans’I自相關(guān)指數(shù)對土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。由表3可知，3個時期土壤養(yǎng)分Z值均大于1.96，養(yǎng)分在全局具有空間相關(guān)性，Morans’I指數(shù)大于0，空間正相關(guān)。半方差函數(shù)主要擬合模型為指數(shù)模型和球狀模型，其中有效磷各時期模型擬合精度最高，R2均大于0.5。塊金系數(shù)2010年有機(jī)質(zhì)為9.13 %，屬于強(qiáng)空間變異，說明養(yǎng)分主要受地形、氣候、土壤性狀等結(jié)構(gòu)性因子影響，其余各時期養(yǎng)分塊金系數(shù)均在25 %～75 %之間，屬于中等強(qiáng)度的空間變異，表明結(jié)構(gòu)性因子對養(yǎng)分的影響減弱，隨機(jī)性因子如施肥、種植結(jié)構(gòu)、灌溉方式等影響增強(qiáng)，變程反映土壤養(yǎng)分空間相關(guān)性的范圍大小。

表3 土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)特征

堿解氮、有效磷3個時期塊金系數(shù)相差不大，說明各時期養(yǎng)分在一定范圍內(nèi)變異程度較小。各變量各時期半方差函數(shù)結(jié)果與Morans’I指數(shù)一致，有機(jī)質(zhì)空間相關(guān)性先增加后減弱，有效鉀先減弱后增加，堿解氮、有效磷各時期空間相關(guān)性逐漸減弱，隨著時間推移，地塊差異性逐漸增加。

2.3 土壤養(yǎng)分插值分析

確定最優(yōu)插值參數(shù)，即選擇最優(yōu)步長，最優(yōu)搜索鄰域進(jìn)行插值。采用交叉驗證方法檢驗精度，選取標(biāo)準(zhǔn)：平均誤差(Mean，ME)和標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測誤差(Mean Standardized，MSE)2個參數(shù)的絕對值越接近0，標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差(Root-Mean-Square Standardized，RMSSE)越接近1越好，均方根誤差(Root-Mean-Square，RMSE)和平均標(biāo)準(zhǔn)誤差(Average Standard Error，ASE)值越接近，差值越小，精度越高。通常以均方根誤差(RMSE)和平均標(biāo)準(zhǔn)誤差(ASE)的最小差值作為第一驗證精度，標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測誤差(MSE)作為第二驗證精度[29]。

插值中步長大小使用ArcGIS 10.2工具中平均最鄰近法求得，再根據(jù)實際變程對步長大小進(jìn)行調(diào)整。通過對比不同扇區(qū)類型的插值精度，確定最優(yōu)搜索鄰域。由表4可知，各時期變量最優(yōu)扇區(qū)類型以8扇區(qū)、4扇區(qū)為主，且交叉驗證精度符合插值要求：均方根誤差與平均標(biāo)準(zhǔn)誤差差值最小，平均誤差和標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測誤差接近0，標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差接近1。

表4 土壤養(yǎng)分插值參數(shù)及精度驗證

2.4 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤養(yǎng)分含量狀況分析

選擇最優(yōu)參數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行插值統(tǒng)計，獲取各時期各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地土壤養(yǎng)分平均值。由表5可知，3個時期有機(jī)質(zhì)含量最高的均為九運(yùn)街鎮(zhèn)，最低為1982年準(zhǔn)東辦事處，含量為15.53 g/kg，3個時期整體有機(jī)質(zhì)均含量大于10 g/kg，處于中等偏上水平。整體趨勢先減后增。堿解氮以滋泥泉子鎮(zhèn)2010年含量最高，為70.00 mg/kg，近40年堿解氮的最低含量變化不大，最高含量呈先增后減趨勢，根據(jù)全國第二次土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，堿解氮近40年土壤養(yǎng)分含量整體小于60 mg/kg，比較缺乏，應(yīng)在耕作過程中適量補(bǔ)充氮肥。

表5 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤養(yǎng)分含量

有效磷1982-2010年含量變化相差不大，都處于中等水平，2018年有效磷含量最高達(dá)到32.65 mg/kg，相比之前顯著增加，過多的磷素不僅浪費(fèi)肥料、對土壤產(chǎn)生有害影響，當(dāng)磷含量超過一定程度時還會對水體產(chǎn)生危害，應(yīng)注意磷的減施。有效鉀含量以2010年準(zhǔn)東辦事處最高，為315.23 mg/kg，總體呈增長趨勢，含量較豐富。

2.5 土壤養(yǎng)分變化

2.5.1 土壤養(yǎng)分含量分級 依據(jù)“全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)”對阜康市各時期養(yǎng)分含量進(jìn)行分級，從表6～9可知，3個時期有效鉀含量均集中在一、二、三、四級，含量豐富，能滿足作物生長的需要。堿解氮3個時期含量主要集中在四、五、六級，含量缺乏，應(yīng)采取相應(yīng)措施來提高氮肥含量，以確保耕地肥力。有效磷前2個時期含量主要集中在三、四、五級，到了2018年顯著增加，主要集中在二級，磷肥的投入顯著增大。有機(jī)質(zhì)含量變化主要集中在三、四級，總體含量較豐富。

表6 有機(jī)質(zhì)含量分級

2.5.2 養(yǎng)分等級變化 由表10可知，有機(jī)質(zhì)變化主要在三、四級之間轉(zhuǎn)換，面積最大為17 162.14 hm2，

表7 堿解氮含量分級

表8 有效磷含量分級

表9 有效鉀含量分級

表10 1982-2018年阜康市土壤養(yǎng)分等級変化圖譜特征

變化比率為42.77 %，總體處于中等偏上水平。堿解氮變換主要集中在四、五級之間，面積最大為15 296.38 hm2，變化率為53.54 %，由于阜康市本身堿解氮含量屬中等偏下水平，導(dǎo)致四、五級之間相互轉(zhuǎn)換較為集中。有效磷的變化1982-2010年間的變化主要集中在三與四級之間的相互轉(zhuǎn)換，2018年含量猛增至二級，這與描述性統(tǒng)計得出的結(jié)論相符。有效鉀在近40年變化主要集中在一、二級，總體來說含量豐富。

為了更好描述土壤養(yǎng)分變化模式，研究土壤養(yǎng)分等級變化轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出，將研究區(qū)時段劃分為前期變化型、后期變化型、反復(fù)變化型、持續(xù)變化型。前期變化型指1982-2010年養(yǎng)分等級發(fā)生變化，后期變化型指在2010-2018年養(yǎng)分等級發(fā)生變化，反復(fù)變化型指養(yǎng)分等級只在2010年發(fā)生變化，持續(xù)變化型指養(yǎng)分等級在1982-2018持續(xù)發(fā)生變化。

由圖2可知，有機(jī)質(zhì)以反復(fù)變化型為主，主要集中在中部地區(qū)，后期變化型次之，持續(xù)變化和前期變化所占比例較小，堿解氮同樣以反復(fù)變化型為主，主要集中在東部地區(qū)，其余所占比率較小，有效磷主要以持續(xù)變化和后期變化為主，有效鉀各變化類型相差不大。

圖2 土壤養(yǎng)分含量等級變化模式圖譜Fig.2 Map of soil nutrient content gradation pattern

3 討 論

由變異性、相關(guān)性分析可知，研究區(qū)養(yǎng)分變化主要受人為因素影響。描述性統(tǒng)計表明：有機(jī)質(zhì)先減后增，堿解氮先增后減，有效磷、有效鉀均增加。這與養(yǎng)分等級變化趨勢相符，和馬木提阿吉·烏買爾等[21]研究結(jié)論一致。

20世紀(jì)80年代初，改革開放拉開序幕，提出了家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制，農(nóng)民對于養(yǎng)地的觀念不強(qiáng)，結(jié)合1982-2018年阜康市化肥施用量統(tǒng)計(圖3)，在全國第二次土壤普查時期(1979-1992年)，灌溉方式主要是大水漫灌，施肥方式落后且施肥量較少，阜康市主要以種植油料作物為主，種植結(jié)構(gòu)單一，有機(jī)質(zhì)含量“減少”。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，棉花種植面積有所增加，2005年測土配方施肥政策推行、秸稈還田政策實施，化肥施用量不斷增加，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量“增加”。而氮肥是決定產(chǎn)量的重要元素，農(nóng)民廣施尿素，堿解氮“升高”。隨著測土配方施肥政策的推行，人們對土壤養(yǎng)分逐漸有了正確的認(rèn)識，氮含量“降低”。新疆測土配方施肥以后，發(fā)現(xiàn)磷含量較低，導(dǎo)致磷肥的施用量不斷增大，所以磷在2018年出現(xiàn)“猛增”。由圖3可知，測土配方施肥政策實施后，大大提高了化肥的生產(chǎn)效率，十一五期間，阜康市新開墾的荒地增多，需要投入更多肥料來提高地力，農(nóng)作物產(chǎn)量不斷提高，導(dǎo)致作物需肥量增加。新開墾的耕地主要在中下部地區(qū)，主要以灌漠土、潮土為主，土壤中黏粒含量較高，鉀更容易被吸附，同時，新開墾的耕地本身鉀含量就很高，導(dǎo)致整體鉀肥含量持續(xù)“增加”，除此之外，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平、灌溉方式、牲畜數(shù)量等都是影響土壤養(yǎng)分含量變化的重要因素。

圖3 1982-2018年阜康市化肥施用量Fig.3 Fertilizer use in Fukang form 1982 to 2018

地學(xué)信息圖譜與土壤養(yǎng)分變化研究相結(jié)合的方法，是在傳統(tǒng)土壤養(yǎng)分研究基礎(chǔ)上，將長時期復(fù)雜的土壤養(yǎng)分變化狀況，以圖譜形式直觀展現(xiàn)出來，可以掌握養(yǎng)分在一定時期內(nèi)的動態(tài)轉(zhuǎn)化過程，更加完整的表達(dá)土壤養(yǎng)分變化，有助于了解田間養(yǎng)分變化趨勢，為阜康市耕地土壤養(yǎng)分精準(zhǔn)管理提供依據(jù)。

4 結(jié) 論

本研究以阜康市為例，基于多時期土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，揭示了近40年阜康市土壤養(yǎng)分變化規(guī)律。

(1)1982-2018年阜康市養(yǎng)分含量總體表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)含量先減少后增加，堿解氮先增加后減少、有效磷、有效鉀含量均呈上升趨勢。

(2)從變異性分析和相關(guān)性分析來看，除有機(jī)質(zhì)2010年具有強(qiáng)相關(guān)性，其余堿解氮、有效磷、有效鉀各時期都表現(xiàn)為中等強(qiáng)度的相關(guān)性，主要受人為因素影響。

(3)經(jīng)近40年土地利用后，研究區(qū)除堿解氮含量較低，其余養(yǎng)分均處于中等或中上水平。養(yǎng)分等級變化：有機(jī)質(zhì)、堿解氮以反復(fù)型變化為主，有效磷以持續(xù)性變化為主，有效鉀各變化類型相差不大。

(4)研究區(qū)應(yīng)注意增氮，減磷，穩(wěn)鉀，提高土壤供氮能力；結(jié)合作物所需肥力，因地制宜，增加有機(jī)肥的投入。