張 貞，高金權(quán)，陳 衛(wèi)，邵鳳成

(1. 天津城市建設(shè)學(xué)院，天津 300384；2. 天津市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，天津 300061；3. 天津市武清區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，天津 301700)

基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的土壤肥力空間變異分析
——以天津市武清區(qū)為例

張 貞1，高金權(quán)2，陳 衛(wèi)1，邵鳳成3

(1. 天津城市建設(shè)學(xué)院，天津 300384；2. 天津市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，天津 300061；3. 天津市武清區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，天津 301700)

以天津市武清區(qū)為例，通過選取土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀為土壤肥力指標(biāo)，運(yùn)用綜合指數(shù)法對土壤肥力狀況進(jìn)行評價；并將地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS相結(jié)合，進(jìn)一步分析土壤各肥力因子及總體肥力質(zhì)量的空間變異規(guī)律．結(jié)果表明：所選的5種肥力指標(biāo)中，pH值具有弱空間相關(guān)性，有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀均表現(xiàn)中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性；運(yùn)用Kriging空間插值發(fā)現(xiàn)pH值較高的部分處于研究區(qū)中部，而較低的部分處于北部，有機(jī)質(zhì)含量由北向南逐漸增大，全氮、速效鉀均呈同心圓模式由內(nèi)向外逐漸降低，其核心點(diǎn)為黃莊街道，速效磷含量由北向南逐漸降低；整個武清區(qū)土壤肥力質(zhì)量呈現(xiàn)北高南低的趨勢，以中等質(zhì)量土壤為主．該評價結(jié)果能有效為規(guī)范農(nóng)戶種植、施肥行為和制定相關(guān)農(nóng)業(yè)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)．

地統(tǒng)計(jì)學(xué)；土壤肥力；評價；空間變異

土壤是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分和環(huán)境因素，而土壤肥力則是土壤的本質(zhì)屬性，是土壤物理、化學(xué)、生物性質(zhì)綜合作用的結(jié)果，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土地利用變化對土壤肥力有直接的影響．隨著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，對土壤肥力的管理需要同信息技術(shù)有效地結(jié)合，才能全面了解土壤在空間上的變異規(guī)律，以便有效指導(dǎo)各地方合理施肥和合理布局，提高養(yǎng)分資源的利用率[1]．因此，從 1970年開始，大量學(xué)者開始嘗試?yán)玫亟y(tǒng)計(jì)學(xué)對土壤空間變異進(jìn)行定性的研究．在20世紀(jì) 70年代后期，地統(tǒng)計(jì)學(xué)逐漸由定性轉(zhuǎn)向定量，各種空間插值技術(shù)也被運(yùn)用于土壤制圖上[2]．地統(tǒng)計(jì)學(xué)發(fā)展至今，研究范圍不斷擴(kuò)大，許多學(xué)者從田塊尺度、縣域尺度、區(qū)域尺度對土壤肥力的空間變異及其模型模擬進(jìn)行了詳細(xì)研究．

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，城市郊區(qū)的土壤問題日益突出，土壤肥力退化嚴(yán)重．天津市武清區(qū)是“城鄉(xiāng)建設(shè)用地增減掛鉤試點(diǎn)”項(xiàng)目啟動的第一批項(xiàng)目區(qū)縣，其土地問題、耕地質(zhì)量已引起國內(nèi)相關(guān)部門的關(guān)注．因此本文以該區(qū)作為研究對象，以測土配方施肥的樣點(diǎn)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)對該區(qū)土壤肥力進(jìn)行空間變異特征研究，旨在全面掌握該區(qū)土壤肥力現(xiàn)狀，為規(guī)范農(nóng)戶種植行為、制定農(nóng)業(yè)規(guī)劃、改良土壤提供理論依據(jù)．

1 研究材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天津市的西北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°46′～117°19′，北緯 39°07′～39°42′．由于地處華北沖積平原下端，地勢平緩，成土母質(zhì)是永定河和北運(yùn)河的沖積物，土壤均為潮土．該區(qū)屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明．年平均氣溫為11.6,℃，年平均降水量為606,mm，無霜期為212,d．全部區(qū)域面積1,574,km2，2008年耕地面積90,025,hm2．土壤分為砂性土、壤質(zhì)土、黏性土三大類．

1.2 采樣及分析

圖1 天津市武清區(qū)樣點(diǎn)分布圖

考慮到反映土壤肥力質(zhì)量的主要指標(biāo)，本次測定項(xiàng)目主要包括土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀和pH值5項(xiàng)；其中有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法、全氮采用半微量開式蒸餾法、速效磷采用鉬藍(lán)比色法、速效鉀采用火焰光度計(jì)法、pH值采用電位法測定．

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 SPSS13.0進(jìn)行數(shù)據(jù)描述性分析，并進(jìn)行Kolmogorov-Smironov正態(tài)分布檢驗(yàn)；采用GS+7.0對所選變量進(jìn)行半方差函數(shù)分析，并進(jìn)行模型擬合．基于此，運(yùn)用 ArcGIS9.3地統(tǒng)計(jì)學(xué)模塊進(jìn)行Kriging插值分析，同時制作相應(yīng)圖件．

2 土壤肥力因子特征分析

2.1 土壤肥力指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)分析

研究區(qū)土壤各肥力因子的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)特征如表1所示，其中平均數(shù)能夠反映所有樣點(diǎn)觀測值的中心位置，而標(biāo)準(zhǔn)差、方差、變異系數(shù)、偏度和峰度均能反映出數(shù)據(jù)的變異程度．同時，為了便于后文進(jìn)行空間變異分析，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否擁有符合半方差函數(shù)分析的條件，采用Kolmogorov-Smironov(K-S)正態(tài)分布進(jìn)行檢驗(yàn)．結(jié)果表明：pH值、有機(jī)質(zhì)和全氮均呈現(xiàn)正態(tài)分布，而速效磷和速效鉀呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)分布．變異系數(shù)反映隨機(jī)變量的離散程度，一般認(rèn)為變異系數(shù)≤10%為弱變異性，10%＜變異系數(shù)＜30%為中等變異性，變異系數(shù)≥30%為強(qiáng)變異性[3-4]．pH值表現(xiàn)出弱空間變異性；有機(jī)質(zhì)屬于中等變異性；全氮、速效磷、速效鉀這三種養(yǎng)分元素屬于強(qiáng)變異性，其中以速效磷變異最強(qiáng)．這可能與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的種植結(jié)構(gòu)和平時施肥習(xí)慣相關(guān)，單個農(nóng)戶根據(jù)種植作物不同，或憑個人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行作物施肥．磷在土壤中移動較小，利用率低，使得速效磷和速效鉀的最大值與最小值都差異較大．

表1 土壤肥力因子描述性統(tǒng)計(jì)

2.2 土壤肥力因子半方差函數(shù)分析

采用 GS+7.0對研究區(qū)域肥力指標(biāo)的半方差模型進(jìn)行擬合．半方差函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中研究空間變異的關(guān)鍵函數(shù)，可以差別分析變量的空間相關(guān)性、程度和距離范圍，也是進(jìn)行精確 Kriging插值的基礎(chǔ)[5]．塊金值(C0)與基臺值(C+C0)的比值可表示空間變異程度：該值越高，說明由隨機(jī)部分引起的空間變異程度越大；反之，則由空間自相關(guān)部分引起的空間變異程度較大．該值＜25%說明變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，處于25%～75%間具有中等的空間變異性，若＞75%則具有弱空間變異性[3]．土壤肥力因子的變異 函數(shù)理論模型及相關(guān)參數(shù)見表2．

表2 土壤肥力因子的變異函數(shù)理論模型及參數(shù)

從表2可以看出：所選的五種土壤肥力因子中，只有pH值具有弱空間相關(guān)性，其變異主要受隨機(jī)性因素的影響；其余肥力因子均表現(xiàn)中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性，其空間變異受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同影響．通過半方差函數(shù)模擬發(fā)現(xiàn)，pH值、速效磷、速效鉀的最佳擬合模型為指數(shù)模型，而有機(jī)質(zhì)和全氮以球狀模型為最佳，決定系數(shù)介于0.410～0.970，說明擬合模型能有效反映出各肥力因素在空間上的分布特征．

2.3 土壤肥力因子的空間分布特征

鑒于所選土壤肥力因子均符合正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，運(yùn)用所得到的半方差函數(shù)模型，采用普通克里格法對土壤各肥力因子進(jìn)行空間插值，分析其空間分布特征(見圖2)．

圖2 土壤各肥力因子的空間分布

從圖2a可以看出，研究區(qū)土壤的pH值處于7～9之間，土壤偏堿性，其中pH值相對較高的部分主要處于研究區(qū)中部，而較低的部分在北部的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和下朱莊村；由圖2b可知，全區(qū)范圍內(nèi)大部分村莊有機(jī)質(zhì)的含量處于15～20,g/kg之間，中部和東南部部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)有機(jī)質(zhì)含量相對偏高，總體趨勢由北向南逐漸增大，最大值出現(xiàn)在黃莊街道；從圖2c中看全氮的變化特征和有機(jī)質(zhì)相似，在有機(jī)質(zhì)偏高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，氮的含量也相對較高，分別形成了以東蒲洼街道、黃莊街道、黃花店鎮(zhèn)為核心的同心圓模式，由內(nèi)向外全氮含量逐漸降低；從圖2d知，速效磷空間分布以北部下伍旗鎮(zhèn)含量最高，總體表現(xiàn)出由北向南逐漸降低的趨勢，西部和南部村鎮(zhèn)總體磷含量偏低；圖2e中速效鉀空間分布在中部呈現(xiàn)出以黃莊街道為核心、由內(nèi)向外逐漸降低的同心圓模式，大部分區(qū)域速效鉀含量處于中等水平．

由此可見，整個武清區(qū)養(yǎng)分含量的最高點(diǎn)都處于黃莊街道，且各元素之間的相關(guān)性較高．分析其原因主要是由于采集表層土樣受人為干擾較為嚴(yán)重，同時黃莊街北與武清城區(qū)直接相連，城鎮(zhèn)化水平較高，該地區(qū)主要為周邊提供基本蔬菜保障，因此種植模式以菜地為主，在農(nóng)戶的施肥水平和管理方式的直接影響下，導(dǎo)致整個區(qū)域養(yǎng)分含量明顯高于周圍的旱地、果園．

Heinrich多米諾模型是典型的事故致因模型，該模型通過對大量安全生產(chǎn)事故發(fā)生的本質(zhì)原因進(jìn)行分析，提煉出了事故預(yù)測模型，在理論上為事故的預(yù)防和安全生產(chǎn)管理提供了科學(xué)依據(jù)[4]，該模型強(qiáng)調(diào)事件的逐一線性發(fā)展會導(dǎo)致事故的發(fā)生. 如圖1所示，將危險源(風(fēng)險源)、隱患、事故3者存在著的連鎖反應(yīng)關(guān)系類比于此模型，從整個事故發(fā)展控制時機(jī)的選擇上進(jìn)行安全管理模式的劃分，可以分為事后型安全管理、缺陷型安全管理、風(fēng)險型安全管理[5]. 泰州大橋高速公路風(fēng)險管理模式即基于此理論建立，并據(jù)此確定了危險源評估監(jiān)控與隱患排查治理的串聯(lián)型風(fēng)險管理流程，如圖2所示.

3 土壤肥力評價及空間變異規(guī)律分析

3.1 土壤肥力指數(shù)計(jì)算

在對土壤各肥力因子分析的基礎(chǔ)上，采用綜合指數(shù)法對土壤肥力進(jìn)行了綜合評價，且進(jìn)一步研究了區(qū)域土壤肥力質(zhì)量的空間分布特征，主要模型[6]為

式中：IFI為土壤肥力指數(shù)；iq為第i項(xiàng)評價指標(biāo)的隸屬度值；iw為第i項(xiàng)評價指標(biāo)的權(quán)重值．

3.2.1 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

傳統(tǒng)確定權(quán)重的方法主要是層次分析法，但該方法認(rèn)為主觀因素的影響過強(qiáng)，因此本文采用熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重．其基本原理如下[7]：對有 m個評價指標(biāo)、n個評價對象的問題構(gòu)建其原始矩陣，并標(biāo)準(zhǔn)化，以此定義第i個指標(biāo)的熵

這樣就可以求出第i個指標(biāo)的熵權(quán)

經(jīng)計(jì)算，土壤各肥力因子的權(quán)重見表3．

表3 土壤肥力評價因子權(quán)重

3.2.2 土壤肥力等級評價

參照在華北平原的相關(guān)研究[8-9]，其中土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀采用“S”型隸屬函數(shù)(見式(1))，pH值采用拋物線型隸屬函數(shù)(見式(2))．結(jié)合研究區(qū)土壤和研究結(jié)果，確定土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀隸屬函數(shù)中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(見表4)，而pH值的轉(zhuǎn)折點(diǎn)已體現(xiàn)在式(2)中．通過計(jì)算，各指標(biāo)隸屬度均介于0.1～1.0之間，能夠消除各指標(biāo)量綱之間的影響，也能有效分析土壤屬性對植物生長的滿足程度．基于權(quán)重和隸屬度的計(jì)算，采用綜合指數(shù)法計(jì)算出各田塊土壤肥力指數(shù)，以便進(jìn)行綜合評價．

表4 S型隸屬函數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)值

采用分析指數(shù)分布圖的方法確定最佳的土壤肥力等級數(shù)目，從而確定等級界限．將土壤肥力指數(shù)從低到高排序，根據(jù)散點(diǎn)圖中點(diǎn)的分布狀況和曲線斜率的突變點(diǎn)，確定等級數(shù)目和指數(shù)的臨界點(diǎn)，這樣避免了采用傳統(tǒng)等距法確定等級的機(jī)械性[10]．通過分析并結(jié)合天津地區(qū)土壤肥力分級的傳統(tǒng)，將研究區(qū)域土壤肥力劃分為5個等級，各等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表5．

表5 土壤肥力等級分布

3.2 土壤肥力空間變異特征分析

運(yùn)用GS+7.0軟件對土壤肥力指數(shù)半方差函數(shù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)以指數(shù)模型擬合最佳，同時該指數(shù)在空間上表現(xiàn)出弱的空間變異性，主要受隨機(jī)因素影響較大．這主要由于采集的是耕作土壤而非自然土壤，因而可能出現(xiàn)各土壤肥力因子的空間分析與等級分布規(guī)律不一致的現(xiàn)象．因此，采用普通Kriging對其進(jìn)行空間插值分析(見圖3)．

圖3 土壤肥力指數(shù)空間分布

由圖3可知：武清區(qū)土壤肥力大體上呈現(xiàn)北高南低的趨勢，以Ⅲ、Ⅳ等級土壤為主．Ⅰ類土壤分布較分散，散落分布在其他四種等級土壤中，無明顯集中的地方；Ⅱ類土壤面積相對較小，主要集中在東蒲洼街、黃莊街、黃花店鎮(zhèn)、下伍旗鎮(zhèn)、河西務(wù)鎮(zhèn)的部分區(qū)域；Ⅲ類土壤則廣泛分布于中部和北部的大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)；Ⅳ類土壤主要集中在西北方向、西南方向及東南方向少量城鎮(zhèn)；Ⅴ類土壤也零散分布，無集中區(qū)域．其主要原因是土壤肥力偏高的區(qū)域城鎮(zhèn)化水平較高，土地集約利用程度高，同時這部分區(qū)域主要以種植蔬菜為主，因此肥力水平相對偏高．其他區(qū)域由于農(nóng)戶都按照個人經(jīng)驗(yàn)長期不合理施肥，造成養(yǎng)分耗竭，耕地種植品種單一，不能使土壤養(yǎng)分充分釋放出來，導(dǎo)致大部分區(qū)域的肥力都處于中等水平．而農(nóng)業(yè)條件相對較差，且城鎮(zhèn)化水平較低的地方，土壤肥力處于較差的水平，同時發(fā)現(xiàn)這部分區(qū)域的土壤類型均屬于砂壤土．該結(jié)論與部分學(xué)者在華北平原的研究一致[9]．

4 結(jié) 論

本文采用GS+7.0和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，分析了天津市武清區(qū)土壤各肥力因子及質(zhì)量等級的空間分布特征，得出以下結(jié)論．

(1)pH值具有弱空間相關(guān)性，其變異主要受隨機(jī)因素的影響；其余四種肥力因子均表現(xiàn)中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性，其空間變異受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同影響．pH值、速效磷、速效鉀的最佳擬合模型為指數(shù)模型，而有機(jī)質(zhì)和全氮則以球狀模型為最佳．

(2)研究區(qū)中部和東南部部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)有機(jī)質(zhì)含量相對偏高，總體趨勢由北向南逐漸增大，最大值出現(xiàn)在黃莊街；全氮形成了以東蒲洼街道、黃莊街道、黃花店鎮(zhèn)為核心的同心圓模式分布，由內(nèi)向外全氮含量逐漸降低；速效磷總體表現(xiàn)出由北向南逐漸降低的趨勢；速效鉀空間分布在中部呈現(xiàn)出以黃莊街道為核心、由內(nèi)往外逐漸降低的同心圓模式．

(3)武清區(qū)土壤肥力大體上呈現(xiàn)北高南低的趨勢，以中等質(zhì)量土壤為主．其中Ⅱ類土壤面積主要集中在東蒲洼街、黃莊街、黃花店鎮(zhèn)、下伍旗鎮(zhèn)、河西務(wù)鎮(zhèn)的部分區(qū)域；Ⅲ類土壤則廣泛分布于中部和北部的大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)；Ⅳ類土壤主要集中在西北方向、西南方向及東南方向少量城鎮(zhèn)；Ⅰ類和Ⅴ類土壤零散分布，無明顯集中區(qū)域．

因此，在研究區(qū)內(nèi)應(yīng)該注意調(diào)控磷和鉀的含量，通過配套相關(guān)的水利設(shè)備，合理規(guī)范和指導(dǎo)農(nóng)戶的施肥行為，有效提高區(qū)域耕地地力水平．

［1］李 梅，張學(xué)雷. 基于 GIS的農(nóng)田土壤肥力評價及其與土體構(gòu)型的關(guān)系[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，22(1)：129-136.

［2］張學(xué)雷，馮婉婉，鐘國敏. 豫中褐土耕地土壤性質(zhì)空間分異及質(zhì)量評價[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，22(1)：121-128.

［3］王政權(quán). 地統(tǒng)計(jì)學(xué)及其在生態(tài)中的應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，1999：35-149.

［4］陳海生，裴孝鐘，魏躍偉，等. 河北襄城植煙田土壤肥力空間變異性與適宜性綜合評價[J]. 山地學(xué)報(bào)，2011，29(4)：449-458.

［5］崔瀟瀟，高 原，呂貽忠. 北京市大興區(qū)土壤肥力的空間變異[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(9)：327-333.

［6］牛越先. 山西省壩地土壤肥力評價[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2010，24(5)：262-265.

［7］陳 鈺，雷國平，王元輝. 黑龍江省土地綜合承載力空間差異研究[J]. 中國人口·資源與環(huán)境，2011，21(3)：267-270.

［8］曹志洪，周健民. 中國土壤質(zhì)量[M]. 北京：科學(xué)出版社，2008.

［9］高 原. 華北平原不同產(chǎn)量下土壤肥力質(zhì)量與施肥控制指標(biāo)研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

［10］楊奇勇，楊勁松，姚榮江，等. 基于 GIS和改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)模型的土壤肥力評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(3)：100-105.

Spatial Variation Analysis of Soil Fertility Based on Geostatistics：A Case Study in Wuqing District of Tianjin

ZHANG Zhen1，GAO Jin-quan2，CHEN Wei1，SHAO Feng-cheng3
(1. Tianjin Institute of Urban Construction，Tianjin 300384，China；2. Agricultural Technology Extension Center of Tianjin, Tianjin 300061，China；3. Agricultural Technology Extension Center of Wuqing District of Tianjin，Tianjin 301700，China)

Wish the research object of Wuqing District of Tianjin and the indicators of pH value, organic matter，total N，available P and available K，the soil fertility was evaluated by comprehensive index method. Geostatistics combined with GIS was used to analyze the spatial variation characteristics of soil fertility factors and the general quality. The results indicated that pH value demonstrated weak spatial dependence and others demonstrated moderate spatial correlation. Through kriging interpolation，it was found that the highest of pH value was in the middle of the study area and the lowest was in the north. Soil organic matter increased from north to south, but available P varied in the contrary way. Both total N and available K decreased from the inside to the outside in the concentric circle mode and the core was in Huangzhuang Street. The fertility quality of Wuqing District was higher in the north and lower in the south，which was at a middle level of fertility. The conclusions could effectively provide scientific reference for regulating household behavior of planting and fertilization and making agricultural policies.

geostatistics；soil fertility；evaluation；spatial variation

S158

A

1006-6853(2012)02-0134-06

2012-03-01；

2012-03-22

國家自然科學(xué)基金(41101536)；天津市社科規(guī)劃項(xiàng)目(TJYY10-1-C2)

張 貞（1982—），女，四川宜賓人，天津城市建設(shè)學(xué)院講師，博士.