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摘 要：为了充分了解甘肃省庄浪县土壤表层pH值、全氮、速效钾、有效磷和有机质5种养分要素的空间变异规律，利用GIS与地统计的方法，对庄浪县的832个土壤样点数据进行描述性统计分析和克里格插值分析。结果表明，庄浪县土壤pH值、有机质、全氮、有效磷和速效钾5种养分的均值分别为8.58、14.13 g/kg、0.81 g/kg、24.20 mg/kg和180.55 mg/kg;土壤pH值、有机质、全氮、有效磷和速效钾的变异系数分别为1.40%、17.60%、20.60%、49.34%和27.40%，其中有机质、全氮、有效磷、速效钾为中等变异性，而土壤pH值为弱变异性。根据全国第二次土壤普查养分分级标准可知，庄浪县土壤有机质和全氮含量处于相对缺乏的水平，有效磷和速效钾含量处于丰富水平，土壤pH值属于碱性。各土壤养分含量均存在较低水平的区域，在土壤管理与施肥过程中应注意合理调控。
关键词：土壤学;土壤养分;空间变异
随着GIS技术的不断完善与飞速发展，对土壤养分空间变异性研究的关注度不断提高，并受到了许多学者的广泛重视。与此同时，地统计学也被认为是研究土壤空间变异特性及其规律较为主要且有用的方法之一。通过分析，其既能很好地解释自然与人为活动对空间变异的影响，又能揭示随机变量在空间上的分布与变异还有相关特征[1]。例如，孙祥斌等[2]主要是运用GPS进行定位并采取土样进行化验，然后通过GIS和克里格插值方法来分析城乡交错带土壤的空间分布情况和肥力水平的变化。李琳一等[3]主要是在经典统计与空间统计方法的基础上对菜棚内的土壤做出了采样与测验，并且对其空间变异特征进行了充分的分析，从而确定了取样数量。宋云等[4]在GIS和地统计学的基础上，通过测试崇明三岛土壤中的有机质和全氮含量，研究了土壤有机质和全氮的空间变异特征及其影响因素。基于此，笔者以甘肃省庄浪县为研究对象，采用GIS与地统计相结合的方法，拟用耕层土壤pH值、有机质、全氮、有效磷和速效钾5种养分数据，研究土壤养分空间变异情况。为庄浪县进一步提高粮食产量、减轻农民负担、减少生产成本、防止农田环境污染提供相应的数据支持，同时也为提高土壤利用率提供一定的理论依据。
一、材料与方法
（一）研究区概况
庄浪县地处甘肃省平凉市，东邻华亭县，西依静宁县，北与宁夏回族自治区隆德县、泾源县毗邻，南与张家川县、秦安县接壤。庄浪县东西长56.37 km，南北宽46.60 km，总面积1 553.14 km2，辖1街道5镇13乡。庄浪县属大陆性季风区温带半湿润气候，年均降雨量510 mm，年均气温8.1 ℃，无霜期159 d，年均日照时间为2 179 h。庄浪县主要土壤类型有黄绵土、黑垆土、红黏土、新积土和潮土等。
（二）土壤采样与测定
庄浪县共有耕地71 079.30 hm2，平均85.43 hm2耕地为一个采样单位，在全县范围内共采集混合土样832个，采用GPS定位技术，记录经纬度，精确度0.1″。每个土样由同一地块“S”形的5个样点的表层土壤（0～20 cm）经充分混合而成，四分法留取1 kg，所有样品经风干、剔除杂质、研磨，分别过0.90 mm和20.00 mm筛[5]。之后对土壤pH值、全氮、有机质、有效磷和速效钾进行检测。
（三）数据处理与分析
1.特异值处理
将样点的坐标投影与转换后的投影叠加到养分分布图中，仔细观察其是否都在分布图内，如果不在分布图内，则作为特异值，直接删去。
2.数据转换
利用ArcGIS中的有关空间插值的方法和地统计学模块进行半方差模型的拟合，绘制庄浪县土壤pH值、有机质、全氮、有效磷和速效钾含量空间分布图，之后将养分含量数据标准化，并将数据样点做投影和坐标转换。对于不符合检验的养分数据样点进行对数转换，让其服从正态分布。
3.描述性统计分析
利用SPSS统计分析软件，通过描述性统计分析得出5种土壤养分数据的平均值、最大值、最小值、标准差、峰度值、偏度值和变异系数等值，并且研究各个数据间的相关关系。
4.插值分析
在ArcGIS地统计学模块中对庄浪县土壤养分含量数据进行空间分析，再用克里格插值方法进行空间插值分析，并得到土壤养分空间分布图。
二、结果与分析
（一）土壤养分的描述性统计分析
由表1可知，所研究区域内土壤pH值的变化范围在8.13～8.89，有机质在3.91～26.56 g/kg，全氮在0.37～1.42 g/kg，有效磷在2.10～110.20 mg/kg，速效钾在75～454 mg/kg。由以上分析結果可以看出，速效钾的变化范围最大，其原因可能是因为在农业生产过程中灌溉不均匀所致[6]。根据国家土壤pH值等级划分标准和全国第二次土壤普查养分分级标准可知，庄浪县土壤养分整体表现出土壤碱性较大、有机质和氮素相对缺乏、有效磷速效钾含量丰富的特点。变异系数主要用来反映土壤养分的空间变异程度，普遍认为变异系数小于10%为弱变异性，10%～70%为中等变异性，大于70%则为强变异性[7]。从表1可以看出，研究区域土壤肥力各指标的变异情况各不相同，除土壤pH值为弱变异性外，其他4种养分都在中等变异的范围内。从分析结果中可以看出有效磷的变异系数最高，达到49.34%;土壤pH值的变异系数最低，为1.40%;有机质、全氮、速效钾的变异系数都处于17.60%～27.40%，说明这3种土壤养分含量比较稳定，具有相近的空间变异性。
（二）土壤数据的正态分布检验及转换
直方图是用于检查数据是否服从正态分布的一种方式（接近钟形曲线）。如果在汇总的数据中，数据偏度值接近0，峰度值接近3，并且中位数和平均值相接近，则说明数据服从正态分布。若数据不服从正态分布，则将不符合原始数据进行转换，然后再进行正态分布检验[8]。由表1和图1得出结论，土壤pH值、有机质、全氮的峰度都接近于0，偏度都接近于3，且土壤pH值、有机质、全氮样点数据的中位数与平均值都较为类似，可认定为正态分布;土壤有效磷和速效钾样点数据的偏度和峰度，中位数和平均值相差较大，所以认为不符合正态分布，将数据进行对数转换后其偏度和峰度，中位数和平均值均符合正态分布。
（三）空间插值分析
克里格插值模型相对而言是一种比较精确的插值方法，其主要是依赖于统计理论和大量的计算[9]。从图2可以看出，土壤pH值总体基本呈斑点状分布，呈西南和东北较高、西北和东南较低的趋势，总体来说庄浪县土壤pH值值较高且都呈碱性。有机质总体呈块状分布，从图2中可以看出西北方向含量明显高于西南方向，其最高含量出现在该研究区域中西部，达到26.56 g/kg，并由中西部向西北方向降低，最低含量为3.39 g/kg。从第二次全国土壤普查的数据结果来看，庄浪县有机质含量处于相对较低的水平。经过更深一步的研究得出，该研究区的有机质分布特征与该地土壤的气候条件、质地及其耕作方式有关[10]。全氮总体呈斑块状分布，其含量呈现出西南部、中部、东北部较高，西北、东南部较低的趋势。总体来说，全县全氮含量相对缺乏。所以，该县在施肥过程中应注意对氮肥较为缺乏的地区增加氮肥的使用。庄浪县有效磷含量分布趋势不明显，总体含量都在18.00～31.00 mg/kg，但中部东部及西南部有少量含量较高的区域。总体来说，有效磷的含量在全县处于较为丰富水平。速效钾在空间上基本成斑块状分布，且由研究区东部向西北西南方向递减。总体来看，速效钾的含量在全县也处于较为丰富的水平。
三、结论
土壤养分变异情况及其分布情况对土壤精准施肥是非常重要的，所以摸清土壤养分变异情况和分布情况势在必行。同样的土壤养分也决定着粮食产量的提高、生产成本的减少及其农田环境的防护[11]。综合之前对土壤样点数据的描述性统计分析结果显示出，土壤pH值、有机质、全氮、有效磷和速效钾的平均值依次为5.58、14.20 g/kg、0.81 g/kg、24.39 mg/kg和181.75 mg/kg，其变异系数依次为1.80%、22.90%、20.60%、52.40%和29.40%，除土壤pH值属于弱变异性外，其他均属于中等变异。从土壤养分空间分布图可以看出，庄浪县土壤有机质含量总体处于相对缺乏的水平，且庄浪县西南部区域有机质含量比其他区域更低，该区域在施肥时应增施有机肥;土壤中的全氮含量也处于相对缺乏水平，且全县的全氮含量都相对缺乏;土壤有效磷处于丰富水平，但也有较为零星的极小部分地区有效磷含量比较低，导致这个的原因可能与当地施肥习惯有关，所以在该区域的施肥过程中应注重加磷肥的投入;土壤速效钾含量处于丰富水平，并且空间分布呈现出东高西低的明显趋势。从总体上来看，庄浪县的土壤养分含量处于相对缺乏的水平，通过分析认为导致这一现象的原因可能与当地人们的施肥方式、种植制度、作物种类等有关。对于土壤养分含量较低的区域，可以在施肥过程中合理增施其相对应的肥料;同样的，对于含量较高的区域，在满足作物生长的基础上可适当减少相应肥料的投入，以免造成不必要的肥料浪费，导致农田环境受到污染。（基金项目：甘肃农业大学管理学院学生科研训练计划（SRTP）资助项目，项目编号：ZX2018042）
参考文献：
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[4]宋云，李德志，周燕，等.崇明三岛土壤主要养分的时空变异特征[J].华东师范大学学报（自然科学版），2009（5）：85-93.
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