沙雅县植棉土壤表层养分空间分布特征分析

穆耶赛尔·肉孜，迪里木拉提·玉苏甫，玉苏甫·买买提

（新疆师范大学地理科学与旅游学院，乌鲁木齐830054）

0 引言

土壤是由不同的矿物质成分及养分元素所构成的具有一定肥力且能够生长植物的历史自然体，它含有丰富的矿物质，是有机质、微生物及养分元素组成的综合体[1-3]。土壤养分是土壤肥力的重要标识，是影响农作物及产量高低的关键因素[4-6]。如，钾是植物必需的大量矿质营养元素之一，而棉花是需钾量较高且较容易出现缺钾症状的作物[7]。农作物的生长和发育必需的碳、氢、氧和其余有16种元素主要来自成土母质和土壤[8]。在农业生产中如何调节土壤养分与作物生长的关系，合理利用土壤养分资源，制定科学施肥管理措施，才能保证农业长期有序的发展、达到增产增收及生态效益的目的。国内外学者纷纷应用土壤养分空间变异理论及研究方法[9-16]。在国内诸多学者分别对长期施氮磷钾化肥对玉米、小麦产量及土壤肥力的影响进行了研究[17-20]。笔者以沙雅县植棉土壤作为主要研究对象，通过采集土壤样品、分析多年调研数据及结合当地自然条件，对沙雅县植棉土壤中棉花生长所必须的营养元素进行变量分析，并根据研究区长期连作棉花后的自然地理特征，参考调研时期农户调查资料，在前人的研究基础上进行了对比分析，探讨不同土地利用方式下表层土壤理化性质、养分的变化特征及空间分布。沙雅县位于新疆南部塔里木盆地中北部，属于大陆性温暖带极端干旱气候[21]。因此，定量分析沙雅县植棉土壤养分空间特征与棉花种植的相关关系、土壤养分的空间变化与在不同土地利用方式下土壤理化性质和养分的变化规律，对研究区的棉花增产及土地利用方式具有重要的意义。

1 研究区概况

新疆沙雅县地处东经 81°45′—84°47′，北纬 39°31′—41°25′，东西宽180 km，南北长220 km，位于渭干河绿洲平原的南端和塔里木盆地北部（图1）。总面积为32000 km2，沙雅县辖5镇5乡，3个农牧场、1个管委会及1个自治区辖的厅局办农场，161个村民委员会，540个村民小组，54个农牧点。沙雅县南部广泛分布沙漠，其面积约为25732 km2，约占全县总面积的80.4%。沙雅县北部是农业和人口聚居的绿洲平原区，其面积只有880 km2，占总面积的2.75%。沙雅县属大陆性暖温带干旱气候，气温日变化、年变化都大，≥10℃积温均在4450℃以上，降水量少而蒸发量大、气候干燥、日照丰富[22]等提供了该绿洲大面积种植棉花的条件。

图1 沙雅县绿洲示意图

2 材料与方法

2.1 采集样品与试验分析

在研究区植棉土壤上选择代表性的点进行了土壤采样布点，在沙雅县选取样点60个（图2），每个采样点均采集0～20 cm的土层样品，每个采样点以一个取土点为中心，一个土样取500 g左右。将采集到的全部样品在实验室进行严格处理，并制备土壤分析样品，同时，对有机质、全氮、碱解氮、有效磷、缓效钾、速效钾等土壤养分进行化学测定分析。通过采用重铬酸钾溶液法测定有机质；采用半微量凯式法测定全氮；采用碱解扩散吸收法测定碱解氮；有效磷的测定是通过碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法进行；速效钾的测定通过火焰光度法进行，缓效钾的测定通过热硝浸提-火焰光度法进行[23]。

图2 沙雅县采样点分布图

2.2 研究方法

本研究以Landsat-TM成像时间2015年5月份的遥感数据为数据源，辅以1:10万地形图和GPS野外样点数据，共计60个点。利用卫星遥感数据进行相关定标预处理后获取了研究区的Landsat数据图像。对于Landsat-TM影像，利用ENVI 5.0软件处理得到的数据图像。

研究方法通过分析和处理，用Excel和SPSS 20.0软件，获取各个变量的统计值如最大值、最小值、平均值、标准差、峰度、偏度、变异系数并且通过60个点的元数据进行相关性分析，获得各养分之间的相关性判定矩阵和正态分布。

表1 土壤养分性统计表

3 结果与分析

3.1 土壤养分的描述性统计分析

对研究区0～20 cm的土壤采样点进行统计学特征分析，按照中国的第二次土壤普查的养分分级标准[18]，得出土壤养分描述性统计特征。由表1可知，有机质含量介于0.40～31.10 g/kg，均值为9.349 g/kg；全氮含量介于0.013～1.450 g/kg，均值为0.503 g/kg；速效钾含量介于19.0～657.0 mg/kg，均值为168.794 mg/kg；在研究区都很丰富。碱解氮含量介于5.0～167.0 mg/kg，均值为53.815 mg/kg，在研究区缺乏。有效磷含量介于0～48.90 mg/kg，均值为14.877 mg/kg，在研究区中等。缓 效 钾 含 量 介 于 2.0～3567.0 mg/kg，均 值 为977.131 mg/kg，在研究区很丰富。pH值偏碱性，介于pH 7.0～9.0之间。

研究区pH值与养分元素有机质、缓效钾、有效磷、速效钾的峰度分别为1.361 g/kg、3.307 mg/kg、5.814 mg/kg、1.628 mg/kg、3.181 mg/kg。表示数据分布与正态分布相比较为陡峭，为尖顶峰。而全氮、碱解氮等养分元素的峰度值则分别为0.684 g/kg、0.740 mg/kg，由此可以看出总体数据的分布与正态分布相比较，显现出比前者较为平坦状况。速效钾、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、缓效钾的偏度值都大于0，表示其数据分布形态与正态分布相比为正偏或右偏，即有一条长尾巴拖在右边，数据右端有较多的极端值。而pH值的偏度小于0，其数据的分布形态与正态分布相比则为负偏或左偏，即在左边数据左端有较多的一条长尾巴极端值。其中，pH值和养分元素的变异性均属于中等强度的变异，说明研究区土壤养分在各个采样点的分布存在着较大的差异（表1）。

3.2 土壤养分相关矩阵分析

土壤中各养分元素是土壤的主要组成成分，研究区植棉土壤中的有机质与碱解氮、全氮、有效磷、缓效钾、速效钾等养分元素在不同区域的相关性特征不一样且不明显。即在沙雅县的土壤养分元素之间都呈弱正相关和负相关，见表2。

表2 沙雅县土壤养分相关矩阵

3.3 土壤养分元素正态分布检验

通过采用SPSS 20.0软件对土壤养分数据进行单样本K-S正态分布检验。若P＞0.05，表示数据服从正态分布；P＜0.05，表示数据不服从正态分布。由表3可知，沙雅县的所有数据都能通过0.05的检验水平，都服从正态分布，可以进行插值分析。

表3 土壤养分正态分布检验表

3.4 养分元素分布特征

为了更直观地描述土壤各养分元素在空间上的分布状况，用Surfer 8.0软件绘制出了研究区植棉土壤各养分元素的值线图。

由图3可知，缓效钾是北部分布比较集中而南部的较为稀疏，呈现由北向南以及向东逐渐递减的趋势；碱解氮的分布在北部比较丰富，再由往南和东呈现出逐渐递减的趋势；全氮在北部显现出较为集中的现象，其余部分则较为均匀；速效钾的分布较为均匀；有机质是主要集中分布在北部，而南部及东西部较为稀疏，呈现出由北向南逐渐减少的趋势；有效磷显现出东部较为丰富的分布形态，由东往北以及往南呈现出逐渐减少趋势。土壤中的养分元素与气候和水资源也有着密切的关系，会影响养分元素的分布。研究区北边绿洲主要是沿河道而分布，所以北边的养分元素含量较丰富；南边靠近塔克拉玛干沙漠，属于干旱区水资源比较缺乏，养分元素的分布含量比较少。

4 结论

（1）对研究区0～20 cm土壤表层养分描述性进行统计分析结果表明，有机质及全氮含量均值分别为9.349 g/kg、0.503 g/kg；速效钾含量的均值为168.794 mg/kg，都很丰富；碱解氮含量的均值为14.877 mg/kg，是中等含量；缓效钾含量的均值为977.131 mg/kg，很丰富；pH值显偏碱性。由有机质、缓效钾、有效磷和速效钾的峰度值可以看出，数据的分布与正态分布相比较为陡峭，为尖顶峰。而由全氮、碱解氮等养分元素的峰度值可以看出，总体数据的分布与正态分布相比较为平坦。pH值和养分元素均属于中等强度的变异，说明研究区土壤养分在各个采样点的分布存在着较大的差异。

图3 土壤养分元素空间分布图

（2）研究区植棉土壤中的有机质与碱解氮、全氮、有效磷、缓效钾、速效钾等养分元素之间都呈弱正相关和负相关。

（3）通过采用SPSS 20.0软件对土壤养分数据进行单样本K-S正态分布检验。可知沙雅县的所有数据都通过0.05的检验水平，都服从正态分布，可以进行插值分析。

（4）用Surfer 8.0软件绘制出了植棉土壤各养分元素的值线图，由图3可知，pH值的分布比较均匀，碱性；缓效钾是北部分布比较集中，呈现由北向南以及向东逐渐递减的趋势；碱解氮是北部比较丰富，而往南和东逐渐递减的趋势；全氮在北部较为集中，其余部分则较为均匀；速效钾是分布较为均匀；有机质分布由北部向南部及东西部逐渐减少的趋势；有效磷由东往北以及往南呈现出逐渐减少趋势，在并东部较为丰富。土壤中的养分元素与气候和水资源也有着密切的关系，会影响养分元素的分布。研究区北边绿洲主要是沿河道而分布，所以北边的养分元素含量较丰富；南边靠近塔克拉玛干沙漠，属于干旱区水资源比较缺乏，因此养分元素的分布含量比较少。