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摘要：
基于GIS與地統計學原理，使用ArcGIS地統計分析模塊研究了長沙周邊地區農田根層土壤有機質含量的空間變異情況。結果表明：參照土壤養分分級標準發現長沙農田地區根層土壤中有機質含量中等；以該研究區域山坡天然土壤為農田土壤對比樣，比較各項養分值的高低及相關系數，方法可行，結果也有一定意義；有機質的半變異函數最佳理論模型為球形模型，對半變異函數理論模型及參數進行分析發現有機質空間相關性均較弱，說明其空間變異主要受施肥方式和施肥水平影響；使用普通克里格插值方法，繪制長沙市農田地區根層土壤有機質含量分布圖，直觀地顯示了長沙地區基本農田根層土壤有機質的豐缺狀況，可為科學施肥提供理論依據及指導。
關鍵詞：
地統計學；土壤有機質；空間變異；長沙地區；克里格插值
近年來，隨著城市化進程地不斷加速，城市周邊地區農田土壤資源面臨的壓力日益嚴重，加之各地施肥結構及施用量、耕作方式及制度的不同，土壤中的有效養分也隨之發生變化[1]。農田土壤有機質是土壤養分的重要組成部分，也是評價土壤肥力和土壤質量的重要指標[2]。農田土壤有機質含量下降將直接導致土壤肥力降低，從而影響農業生態系統的生產力[3]。面對著農田面積不斷減小以及農田土壤養分狀況堪憂的現狀，加強農田土壤有機質實地監測分析，及時準確地掌握土壤養分含量水平，揭示土壤有機質空間變異性及空間分布，對農田土壤養分的管理與合理施肥具有重要意義，也是實現土壤可持續利用和區域可持續發展的前提[4-5]。長沙市作為國家“兩型”社會綜合配套改革試驗區的主體部分，應當在城市農業方面發揮帶頭作用。因此，盡快弄清長沙地區基本農田的土壤有機質狀況，為長沙地區農業的發展乃至整個國民經濟的發展提供堅實的科學依據，便顯得非常必要和迫切了。然而，目前對長沙地區農田根層土壤養分進行系統研究的報道很少，有關高密度采樣的研究還是未見報道，同時利用研究區域天然土壤作為基本農田土壤的對比樣，具有較大的參考價值。研究通過布點采樣法采集了長沙市周邊農業地區的根層土壤，對土壤有機質這個對水稻生長影響極大的土壤理化指標進行分析，所得結果與全國第二次土壤普查養分分級標準以及研究區域采樣點附近山丘天然土壤進行對比，從整體上掌握了該區域基本農田根層土壤養分豐缺狀況。運用ArcGIS地統計學模塊對該區域土壤養分進行空間變異分析，并采用克里格插值法繪制了長沙地區基本農田土壤養分分布圖，以便更直觀地了解該地區基本農田的養分分布狀況，為長沙地區科學合理施肥以及主要農作物的生產和管理、生態農業和有機農業的健康穩定發展提供了基礎數據與理論依據。
1研究區自然地理概況
長沙市位于東經111°53′~114°15′，北緯27°51′~28°41′之間，總面積約為1.18萬km2，地處湖南省東部偏北的湘江下游，境內丘陵低山遍布，河谷縱橫，地表水系發達；年平均氣溫17.2℃，年均降水量1361.6mm，屬亞熱帶季風氣候，四季分明，雨量充沛，雨熱同期。整個區域大致坐落于長瀏構造盆地西緣，出露的巖石以第四紀與現代沖積物、第四紀紅土風化殼與網紋紅土、砂巖、泥巖、板巖為主，分布有少量的石灰巖和花崗巖。土壤類型以紅壤、水稻土為主，分別占土壤總面積的70%與25%。其中水稻土母質多樣，有紅壤性的、潛育性的，也有人工長期培育形成的肥沃水稻土。區域內耕地面積約為240000hm2，農業人口人均占有耕地580.29m2，是傳統的雙季稻種植區。農田主要分布在西部的寧鄉縣、望城區、岳麓區西部，以及東部的長沙縣、瀏陽市一帶。
2材料與方法
2.1樣品與數據來源
2.1.1采樣區選擇原則為了全面、客觀地反映整個區域的土壤全貌，主要遵循以下原則選擇樣地：平整連片；種植制度、栽培技術與水稻品種基本一致；交通比較方便，鄰近村落、住宅；避開地勢過高與過低之處；連續多年種植水稻。
2.1.2采樣方案土壤樣品采集采用GPS定位，選擇長沙市周邊長沙縣、望城區、瀏陽市、寧鄉縣、岳麓區等主要農業分布區具有代表性的地點作為樣本采集點，遵從“隨機”、“多點混合”的原則進行采樣。選擇地塊中央部位，用鐵鏟去除枯落物、苔蘚層、雜草；每個樣品均為采樣點中心100m范圍內10~15個土樣的混合物，最終得到53個農田深度20~30cm的根系層（土壤剖面中以植物活根系為主的層，物質和能量的遷移轉化在此層最為活躍）土壤樣品。采樣點具體位置見圖1。在同一個采樣區，于附近山坡土壤質地均勻處，以相同方法采集對比樣，共采集19個山坡對比土壤樣品。
2.2樣品測試、數據處理及分析方法
2.2.1樣品測試采用室內分析，根據不同測試內容按照試驗要求配制測試溶液。測試程序嚴格按照TPY-6型土壤測試儀（浙江托普儀器）依次開展。對土壤中有機質含量進行測試，為避免誤差，每個樣本測定3次，最終結果取其平均值。
2.2.2數據分析方法采用SPSS13.0、ArcGIS10.0等軟件進行數據處理及分析。其中，SPSS軟件主要進行常規的基本統計量分析及正態分布檢驗和相關性分析；ArcGIS主要用于空間分析，利用ArcGIS地統計分析模塊工具擬合出土壤有機質的最優半變異函數模型，并采用普通克里格方法進行空間插值，繪制土壤有機質的空間插值圖。
3結果與分析
3.1土壤有機質的統計特征分析全國第二次土壤養分普查所確定的有機質分級標準共分為6級：第1級，＞40g/kg；第2級，30~40g/kg；第3級，20~30g/kg；第4級，10~20g/kg；第5級，6~10g/kg；第6級，＜6g/kg。級數越大表示其含量越少，土壤質量越差。測定結果顯示：53個樣本的土壤有機質含量平均為23.5g/kg，最大值為36.0g/kg，最小值為11.1g/kg，極差值為24.9，標準差為0.56。按全國第二次土壤普查養分含量分級標準，長沙地區基本農田土壤有機質含量水平處于第4級。山坡對比樣（共計19個樣本）土壤有機質統計特征結果如下：土壤有機質含量平均為21.7g/kg，最大值為33.1g/kg，最小值為13.1g/kg，極差值為20.0，標準差為0.46。山坡對比樣的土壤有機質含量略低于農田土壤，但其波動性小于農田土壤。測定結果表明，長沙地區農田土壤有機質含量屬于中等水平，相對于普遍認為肥力水平較高的水稻土來說這一值明顯偏低，而農田土壤中平均含量要略高于山坡自然土壤，這與實際情況是相符的。因為人為長期施用農家肥培育地力，所以傳統農業區的稻田肥力普遍比山坡土壤高。此外，農田土壤有機質含量的極差相對較大，也說明各地區土壤中的有機質含量受到農民施肥水平的影響，差異較明顯。
3.2土壤有機質空間變異分析地統計學已經被證明是分析土壤特性空間分布特征及其變異規律較為有效的方法之一，它能夠揭示隨機變量在空間上的分布特征，解釋自然和人為過程對變量空間變異的影響，從而彌補傳統統計學的不足[6]。地統計學的前提是樣本必須服從正態分布，因此在對樣本數據進行半變異分析前必須對數據進行分布類型檢驗[7-8]。利用SPSS13.0軟件分別繪制正態Q-Q圖對數據分布進行正態分布檢驗，檢驗后確定長沙地區農田土壤有機質含量呈正態分布，可以進行空間變異分析及插值。
3.2.1土壤養分含量的半變異函數分析在ArcGIS地統計分析模塊中對有機質數據分別使用圓形、球形、指數、高斯等4種常見的模型進行擬合得到最優半變異函數模型。擬合參數包括預測誤差的平均值、均方根、標準平均值、標準均方根、平均標準誤差。模型選擇的判斷標準為：標準均方根預測誤差越接近于1，預測誤差的平均值越接近于0，其他值越小時，其模型擬合狀況越好[9-11]。不同模型擬合參數結果見表1，比較后可知，長沙地區農田土壤有機質含量半變異函數最佳理論模型為球形模型。塊金值通常表示由測量誤差和小于最小取樣尺度引起的隨機變異；基臺值表示系統內的總變異，包括結構性變異和隨機性變異；塊金系數表示隨機部分引起的空間變異占系統總變異的比例，若此值小于25%，則說明系統具有強空間相關性，變異受結構性因素影響更大；大于75%則說明系統空間相關性很弱，變異受隨機性因素影響更大[12]。而研究結果測算出長沙地區農田土壤有機質含量的塊金系數為54.6%，屬中等空間相關性，這是由研究區域土壤母質、地形、氣候條件等結構性因素以及農民的耕作制度、施肥狀況等隨機性因素共同作用導致的。此外，有機質的塊金值比較小，表明在最小間距內變異分析過程引起的誤差較小。
3.2.2土壤養分的空間分布通過擬合土壤有機質的最優半變異函數，利用ArcGIS地統計分析模塊中普通克里格空間插值生成土壤有機質空間分布圖，具體見圖2。由圖2可知，長沙地區農田土壤有機質含量大部分在25g/kg以下，相對于肥沃的水稻土而言，該值明顯偏低。空間分布上有較明顯的方向漸變趨勢，由北往南，有機質含量逐漸減少。長沙縣北部、瀏陽市西北部及望城區有機質含量相對較高，寧鄉縣西南部和瀏陽市西南部及瀏陽盆地東部農田地區土壤有機質含量較低。有機質豐富的地區主要集中在長沙縣、瀏陽、望城的傳統農作區，多為沖積平原上培育多年的水田，有施用農家肥的傳統，而且灌溉水充足。相反，長條狀山谷地帶，地處山區，墾殖歷史較短，母質本身貧瘠，導致有機質含量偏低，如瀏陽盆地東部。
4結論
研究通過野外系統考察、取樣，室內測試分析，數據處理與分析，對長沙地區基本農田根層土壤的有機質含量水平進行了深入研究。得出如下結論。（1）統計特征分析，與第二次全國土壤普查數據相比較發現長沙地區農田根層土壤有機質含量處于中等水平，這對于普遍認為肥力水平較高的農田水稻土而言含量明顯偏低。（2）山坡與河谷、平原區稻田有密切的成因聯系，坡地被流水侵蝕，物質一般會堆積到河谷與平原上，因此在物質組成上有內在聯系。同時，許多水稻土是經過土地平整而成，填方物質多取自山坡土層，降水后雨水沿山坡進入庫塘，后隨灌溉而進入稻田。在考察與取樣過程中注意到，許多地方有春季挖取塘泥肥田的習慣。因此，以區域山坡自然土壤為農田土壤對比樣，比較各項有機質含量是可行的，結果也是有意義的。（3）利用ArcGIS地統計分析模塊進行空間變異分析，通過有機質半變異函數的參數擬合，得出有機質的最佳理論模型為球形模型，其塊金系數為54.6%，屬中等空間相關性。這表明長沙地區農田土壤有機質含量現狀是由該地區土壤母質、地形、氣候條件等結構性因素以及農民的耕作制度、施肥狀況等隨機性因素共同作用導致的。（4）通過擬合最優半變異函數，使用普通克里格進行插值分析并繪制長沙市農田地區土壤有機質含量分布圖，直觀地顯示了研究區域農田土壤有機質的空間分布狀況，反映出自然、人類和作物間的復雜相互作用，尤其對人工培育的水稻土而言，人為的影響更大。今后應該在整個長沙地區農田中增施有機肥，在一些養分缺乏地區重點施肥。
作者：譚慧婷 韓廣 單位：湖南師范大學資源與環境科學學院