北京市房山區土壤養分的時空變異

王 睿，杜曉玉，范珊珊，曲明山

(北京市土肥工作站，北京 100029)

土壤養分是土壤的基本屬性和本質特征[1]。同一時刻，即使是在土壤類型和質地相同的區域內，其土壤養分特性在空間上也有很大的差異，這種屬性稱為土壤特性的空間變異性[2]。研究土壤養分時空變異性是科學施肥、合理種植和提高水土資源利用效率的有效依據[3]。是保護和改善土壤生態的前提及實現農業精準化智慧化的基礎，對農業綠色健康可持續發展具有至關重要的意義。地統計方法自20世紀70 年代開始應用于土壤化學性質空間相關性的分析。地統計學能明確隨機變量空間分布特征，解釋自然和人為過程對變量空間變異的影響，已經成為土壤特性空間分布特征分析及其變異規律探求的有效手段[4]。近些年，基于不同的空間尺度，國內外學者進行了大量的土壤養分空間變異研究，并取得很多成果[5-7]。

城市郊區是城鄉間的過渡帶，雖然數量有限，但對農業生產十分重要[8]。北京市房山區是北京西南重要的生態屏障，也是盛產果品、雜糧、食用菌等特色農產品的重要產地之一。隨著農業的快速發展，土壤健康狀況成為其可持續發展的關鍵因素。土壤養分是土壤健康狀況的重要標志之一，目前有關房山區土壤養分時空變異的研究相對缺乏。因此以北京市房山區為研究對象，基于2007年及2019年土壤養分數據，結合地統計學和GIS，探討該區土壤養分時空變異特征，為該區域科學施肥及改善土壤生態環境提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

北京市房山位于39°30′～39°55′N，115°25′～116°15′E，處于華北平原與太行山交界地帶，是北京市的西南門戶，總面積2 019 km2。海拔高度為-8～2 014 m，平均海拔 381.92 m，其中66%為山地、丘陵，34%為平原。房山區屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為11.7 ℃，年平均降水量為582.8 mm。境內水系包括大清河水系和永定河水系，有大小河流13條。土壤類型以褐土為主，分布于全區南部和西部等大部分地區，占全區土壤面積的51.91%；其次為棕壤，主要分布于中部和北部等地區，占土壤面積的28.99%；再次為潮土，主要分布于東部地區，占土壤面積的13.47%。土壤質地以壤質為主，輕壤質、中壤質和砂壤質分別占全區總面積 76.80%、6.14%和9.42%。土地利用類型主要以農用地為主，占全區總面積的58.49%；其中，農用地中又以林地為主，占農用地總面積的63.24%，主要分布在西部和北部山區；耕地面積占全區總面積的14.92%，占農用地面積的25.50%，主要分布在東部地區的平原地帶；果園面積占全區總面積的5.38%，占農用地總面積的9.20%。

1.2 樣品采集與分析

數據來源為2007年耕地質量調查資料和2019年監測數據。采樣時網格布設，將間距為400 m的方形格網與土地利用現狀圖疊加，同時參照第二次土壤普查樣點分布圖和剖面位置記載表，在地圖上確定調查點的GPS坐標，取樣深度0～20 cm，共取樣3 084個。實驗室內進行土壤理化性質檢測，其中，土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量參照參考文獻[9-13]。

1.3 數據處理與分析

利用SPSS17.0軟件進行常規統計分析，利用ArcGIS10.2軟件的地統計模塊進行半方差分析，及其Kringing插值方法進行空間分布特征及時間變化特點分析。

2 結果與分析

2.1 土壤養分描述性統計

土壤養分的統計特征(表1)表明，房山區農用地土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量均呈現對數正態分布。其中有機質含量總體平均為23.87 g/kg，變異系數為0.54，屬中等變異強度；全氮含量總體平均為1.29 g/kg，變異系數為0.45，也屬中等變異強度；有效磷含量總體平均為76.79 mg/kg，變異系數為1.38，屬高變異強度，這可能與田塊間磷肥施用差異較大有關；速效鉀含量總體平均為334.63 mg/kg，變異系數為0.91，也屬中等變異強度。按照北京市耕地土壤養分分等定級標準劃分，房山區土壤有機質和有效磷平均含量總體上處于高等含量水平，全氮和速效鉀平均含量總體上處于極高含量水平。

2.2 土壤養分空間變異結構分析

根據分隔距離h和計算出的半方差C(h)，并考慮各向異性和趨勢效應，得到房山區內各土壤養分含量的半方差函數模型(表2)?？梢钥闯?，房山區表層土壤的養分都有明顯的空間變異結構，有機質的擬合模型分別為高斯模型，其余養分項目均擬合為指數模型。

變程是指屬性變量在一定間隔內空間自相關，也稱空間最大相關距離，長軸變程與短軸變程的比為各向異性比。房山區表層土壤的養分含量變程大小依次為：有機質、速效鉀、有效磷全氮。其中有機質、速效鉀變程都在9 km以上，以較大范圍的變異為主，說明它們受區域因素(土壤)的影響較大。而全氮的變程只有0.77 km，說明其受施肥等隨機因素的影響較大，因此它們只在一個較小的范圍內存在相關關系。其中有機質的各向異性比最大，達到2.98，其次為有效磷，達到2.55。有機質、速效鉀的長軸方位呈西北—東南方向；全氮的長軸方位呈東北—西南向；有效磷的長軸方位近似東—西方向。

表1 北京市房山區土壤養分的統計特征(2019年)Tab.1 Statistical characteristics of soil nutrients in Fangshan District (2019)

表2 土壤養分的半方差函數模型Tab.2 The semi-variogram model and its parameters

塊基比C0/(C+C0) 是隨機部分引起的空間變異占系統總變異的比例。該比值大小反映由隨機部分引起的空間變異性程度大小。C0/(C0+C1)比值低于0.25，說明變量的空間相關性強烈；大于0.75，說明變量具有較弱的空間相關性[14]。研究區各項養分塊基比在0.63～0.73之間，說明各養分含量同時受到結構性和隨機性因素的影響，但受區域條件氣候、母質、地形等影響相對較小，而受施肥管理、種植制度、土地利用方式等人為因素影響較大。

2.3 土壤養分空間分布特征

根據半方差函數模型,綜合考慮各向異性和趨勢參數,利用 Kriging最優內插法生成土壤養分空間分布圖(圖1)。

可以看出，研究區內土壤有機質含量總體分布趨勢表現為山區要明顯高于平原區，西部比東部高,北部比南部高。按照北京市農田土壤養分分等定級標準，房山區大部分地區土壤有機質含量處于高等水平，面積達1 494 km2，約占總面積的74%，其中約51%的地區土壤有機質含量處于極高水平。有機質含量較低的面積僅占3%左右，主要分布在東部的長陽鎮和琉璃河鎮。全氮與有機質含量的空間分布趨勢類似，全氮含量總體分布趨勢也表現為山區土壤要明顯高于平原區土壤，西部地區高于東部地區，北部地區高于南部地區。按照北京市農田土壤養分分等定級標準，房山區大部分地區土壤全氮含量處于高等水平，面積達910 km2，約占總面積的86%，其中約65%的地區土壤全氮含量處于極高水平。全氮含量較低的面積僅占2%左右，主要分布在長陽鎮、琉璃河鎮東部及城關鎮、崇各莊鄉和張坊鎮的部分區域。有效磷全區絕大部分地區的有效磷含量處于60 mg/kg以下。按照北京市農田土壤養分分等定級標準，該區大部分土壤有效磷含量處于中等較低水平，面積達1 837 km2，約占總面積的91%。有效磷含量較高的面積不足9%，主要分布在東南部琉璃河鎮、長陽鎮、竇店鎮、石樓鎮、城關鎮及韓村河鎮的部分區域，此外大安山鄉、崇各莊鄉、大石窩鎮、十渡鎮及史家營鄉也有零星分布。速效鉀含量整個地區都較高。按照北京市農田土壤養分分等定級標準，房山區絕大部分地區土壤速效鉀含量處于極高水平，面積達1 978 km2，約總面積的98%。速效鉀含量中等的面積不足1%，零星分布在石樓鎮的部分區域。

2.4 土壤養分時空變異狀況

將研究區內2007年與2019年土壤養分情況進行比較，利用ArcGIS繪制差值圖(圖2)?？梢钥闯?，12年來土壤養分含量總體呈上升趨勢。有機質含量上升大于或等于10 g/kg的面積約占7%，主要分布于西北部山區，上升0～10 g/kg的約占48%，在東南平原的各鄉鎮均有分布，明顯下降的約占25%，主要分布在中北部和西南部的山區半山區；全氮含量上升大于或等于0.5 g/kg的面積約占10%，主要分布于東北山區，上升0～0.5 g/kg的約占57%，全區大部分地區均有分布，顯著下降的僅占3%，主要分布在中北部山區；有效磷含量上升大于或等于10 mg/kg及上升5～10 mg/kg的面積分別占35%和10%，主要分布于東部平原和西南山區，保持穩定的約占23%，主要分布于中部平原和西部山區，下降的約占31%，主要分布在中部山區；速效鉀含量上升大于或等于50 mg/kg的面積約占89%，除最北部小部分山區外，其他地區均有分布，上升25～50 mg/kg的約占5%，下降的不足2%，主要分布于北端小部分山區。

3 討論和結論

研究區有機質和全氮總體上處于高等含量水平，速效鉀總體上處于極高含量水平，而有效磷則處于中等較低含量水平，各養分含量均呈現顯著的空間和時間變異。在空間上，土壤有機質和全氮總體分布呈現山區高平原低的趨勢，主要由于耕地多處于平原區，對土壤養分的消耗多于山區；有效磷的空間分布總體呈平原耕地高于山區的趨勢，速效鉀的空間分布整個區域都處于較高水平，這與近些年農民越來越重視磷鉀肥的施用有關。其中，有效磷的變異系數最大，屬于高變異強度，其余養分含量均屬于中等變異強度，這與磷在土壤中移動性差及磷肥施用不平衡有關。土壤特性空間變異程度不僅受到母質、地形、氣候等結構性因素的影響，同時也受到人類活動等隨機性因素的影響。然而在同一區域內，氣候條件一致的情況下，生態系統歷經長期自身演替和人為干擾，源于結構性因素引起的空間變異逐漸變小，而人類活動的干擾對土壤性質的變異影響深遠[15]。結果顯示區內有機質、全氮、有效磷、速效鉀的塊基比分別為0.73、0.69、0.68和0.63，說明其受結構性因素及隨機性因素共同影響，其中施肥管理、種植制度、土地利用方式等人為因素占主導，而受氣候、地形、母質等區域條件因素影響相對較小。在時間上，12年來，由于種植制度改變、農民對肥料投入重視程度提升，以及測土配方施肥、增施有機肥、秸稈還田等措施的大力推廣，各養分含量總體呈上升趨勢，尤其有機質和速效鉀含量均有顯著提升，土壤理化性質有所改善，基礎地力有所提升。這說明農民科學施肥意識明顯增強，以往“重化肥、輕有機肥，重氮肥、輕磷鉀”的傳統施肥觀念和習慣已經有所轉變。但研究區內仍存在施肥結構不平衡、投入不合理的情況，可以看到，研究區內有效磷含量仍處于中等較低水平，而大部分地區全氮和速效鉀含量已經超過極高水平。

1)研究區有機質和全氮總體上處于高等含量水平，速效鉀總體上處于極高含量水平，而有效磷則處于中等較低含量水平，各養分含量均呈現顯著的空間和時間變異。

2)在空間上，土壤有機質和全氮總體分布呈現山區高平原低的趨勢，有效磷呈平原耕地高于山區的趨勢，速效鉀的空間分布整個區域都處于較高水平。有效磷的變異系數最大，屬于高變異強度，其余養分含量均屬于中等變異強度。研究區各項養分塊基比在0.63～0.73之間，空間變異情況受隨機性因素和結構性因素共同影響，其中施肥管理、種植制度、土地利用方式等人為因素占主導。

3)在時間上，12年來，各養分含量總體呈上升趨勢，有機質、全氮、有效磷、速效鉀的含量分別在55%、67%、45%、94%的耕地中有明顯升高，但研究區內仍有31%的耕地出現了有效磷含量的下降。

4)研究區內土壤要注意平衡施用有機肥和化肥，繼續增施有機肥，科學施用氮磷鉀肥，減少不合理的化肥投入，控氮、增磷、控鉀。其中，東部地區和南部地區要增加有機肥施用，土壤有效磷含量在全區大部分地區處于中等較低水平，除長陽鎮南部、琉璃河鎮、城關鎮和石樓鎮的部分區域外，均需增加磷肥的施用，此外，整個區域要注意控制氮肥和鉀肥的施用，從而提高肥料利用率，兼顧生產效益與生態環境，實現綠色可持續發展。