县域耕地土壤养分空间变异性及其合理采样数研究——以山东省费县为例

摘要

土壤肥力是土壤最重要的生态功能之一，土壤特性变异会引起作物生长的变异，实时掌握土壤养分的空间分布状况是管理好土壤养分和合理施肥的基础。而研究土壤养分空间变异，则需充分考虑采样数量，以保障养分空间插值的精度。因此，准确掌握县域耕地土养分的空间变异状况，科学确定采样数量，对土壤养分分异定量化研究及农业的可持续发展具有重要意义。本研究以山东费县为研究区，探讨了土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾5种养分的空间变异特征，并在此基础上采用普通克里格插值和协同克里格插值优确定采样数量，并分析了土壤养分变异的影响因素。
　　 (1)土壤养分的空间变异特征
　　 在GS+9.0软件中进行半方差函数分析，结果表明土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾均模拟的较好，半方差函数模型均可以较好的反映土壤养分的空间结构特征。碱解氮则不存在明显空间相关性，无法用理论模型进行模拟。其中有机质、全氮、速效钾存在中等程度的空间相关性，且变程较大，表明这三种养分具有很好的空间连续性，主要受较大尺度影响因素的影响。而有效磷呈现很强的空间相关性，但是变程很小，小范围内受人类活动等随机性因素较大。从土壤养分的空间分布图可了解该区域土壤养分的分布状况，土壤有机质、全氮、速效钾含量均处于中等水平，分布相对比较均匀。有效磷含量较高，空间分布格局中小图斑较多。
　　 (2)普通克里格插值确定采样数量
　　 基于土壤养分的空间相关性和克里格插值的独立验证得出费县有机质、全氮和速效钾3种养分合理采样数分别为1035、842和1033个，合理采样间距约为1400m和1500m。碱解氮不存在明显空间相关性，后续采样需要加大采样密度进一步研究其空间结构性。而有效磷呈现很强的空间相关性，但是变程很小，小范围内受人类活动等随机性因素较大，后续采样不能低于目前采样密度。在进行采样时，为了保证有机质、全氮和速效钾3种养分的空间相关性，采样时应依据本区域中土壤养分最小采样间距，即本研究区确定合理采样间距为1400m。
　　 (3)协同克里格插值确定采样数量
　　 以普通克里格插值的预测精度作为基准，对比普通克里格插值和协同克里格插值两种方法下不同采样数量下养分插值的精度。结果表明，采样数量充足时，协同克里格插值和普通克里格插值均可反映县域农田土壤养分含量的空间分布特征。相同取样数量下，协同克里格法的预测精度要高于普通克里格法。全氮样点减少至538个和有机质样点减少至662个时，仍可以较好的表达其土壤空间分布信息；对碱解氮进行协同克里格插值时，交互变量表现出很强的空间相关性，842个点可以较好的表达碱解氮的空间分布特征；速效钾的协同克里格插值并没有表现出明显的优势，合理采样数仍为1033个；有效磷的交互变量不存在相关性，不能用交互半方差函数精确模拟。在进行采样时，为了保证有机质、全氮、碱解氮、速效钾4种养分的空间相关性，采样时应依据本区域中土壤养分最小采样间距，即本研究区确定最大的采样间距为1484m。
　　 (4)土壤养分变异影响因素分析
　　 研究表明，不同土地利用类型下，养分含量顺序呈现出较大差异，除全氮外，其他四种养分在5种利用方式下均呈现显著性差异。土壤类型对有机质、全氮、速效钾和有效磷4种养分含量的影响均达到了显著水平，这表明区域内土壤类型是影响土壤含量空间变异的重要因子。同时碱解氮、速效钾、速效钾和有效磷4种养分变异系数较大，标准差较大，整体上分布很不均匀。