全 文 : 倡 唵国家重点基础研究发展规划项目(2005CB121108唱4)和黑龙江省自然科学基金重点项目(ZJN03唱02)资助
收稿日期 :2005唱07唱12 改回日期 :2005唱08唱24
20 年来东北典型黑土地区土壤肥力质量变化 倡
汪景宽1 李双异1 张旭东2 魏 丹3 迟风琴3
(1畅沈阳农业大学 沈阳 110161 ;2畅中国科学院沈阳应用生态研究所 沈阳 110034 ;
3畅黑龙江农业科学院 哈尔滨 150086)
摘 要 通过大量样品分析和数据收集 ,研究了最近 20年来东北典型黑土地区土壤肥力质量主要指标 ——— pH 、有
机质 、速效磷 、速效钾和黏粒的变化情况 ,并在地理信息系统和地统计分析的辅助下 ,研究了该 5项肥力指标以及
综合肥力指数的时空变异规律 。结果表明 :20年中该地区土壤 pH 、有机质和速效钾平均含量明显降低 ,速效磷平
均含量有较大增加 ;速效磷的变异系数变化最大 ,pH变化最小 ;20世纪 80年代该地区土壤肥力综合指数以一 、二
级为主(80% 以上) ,但 21世纪初土壤肥力质量几乎被二 、三级地所占据(98% 以上) 。该地区土壤肥力质量明显降
低可能与长期以来重种轻养有关 。
关键词 黑土地区 土壤肥力 地统计学 空间变异
Spatial and temporal variability of soil quality in typical black soil area in Northeast China in 20 years .WANG Jing唱
Kuan1 ,LI Shuang唱Yi1 ,ZHANG Xu唱Dong2 ,WEI Dan3 ,CHI Feng唱Qin3 (1 .Shenyang Agricultural University ,Shenyang
110161 ,China ;2 .Institute of Applied Ecology ,Chinese Academy of Sciences ,Shenyang 110034 ,China ;3 .Heilongjiang
Academy of Agricultural Sciences ,Harbin 150086 ,China) ,CJEA ,2007 ,15(1) :19 ~ 24
Abstract Geographical information system (GIS)combined with Geostatistics were applied to reveal the spatial and tem 唱
poral variability of soil fertility quality in the topsoil (0 ~ 20cm)in the northeastern area of China during last two decades .
Soil fertility quality indices in this study include pH ,organic matter ,available P ,available K and clay .The results show that
soil pH ,organic matter and available K significantly decrease during the past 20 years while the available P increases with
the biggest variation coefficient .The areas with the first and second grade of soil fertility quality were over 80% in 1980 ,
whereas nearly 98% belonged to the second and third grade in 2000 .So the soil fertility quality has declined in this area
due to the intensive cultivation in the past 20 years .
Key words Black soil area ,Soil fertility ,Geostatistics ,Spatial variability
(Received July 12 ,2005 ;revised Aug .24 ,2005)
黑土地区土壤肥力高 ,性状好 ,但长期以来东北黑土资源未得到应有的重视 ,使水土流失加剧 、土壤退
化速度惊人 。因此黑土地区土壤质量 ,特别是黑土的肥力质量已越来越引起人们的关注 。自 20世纪 80年
代第 2次土壤普查以后 ,科技工作者在我国东北黑土地区开展了许多研究工作[1 ~ 3] ,已取得许多科研成果 ,
并在生产上取得明显经济效益 ,但一直没有进行较大规模黑土地区土壤肥力质量调查和评价工作 。本研究
以黑龙江省典型黑土区嫩江 、五大连池 、克山 、北安 、海伦为研究区域 ,通过野外调查 、采样分析和资料收集 ,
运用地理信息系统(GIS)和地统计分析相结合的方法 ,对 20年以来该地区土壤肥力质量及其各指标的变化
特征进行探讨 ,为该区土壤培肥和土壤管理提供理论依据 。
1 研究区域概况与研究方法
研究区位于黑龙江省中部地区 ,东经 124°44′17″ ~ 127°54′54″ ,北纬 46°57′37″ ~ 50°59′57″ ,总面积
39140km2 。该区主要以海拔高度 600m以下低山 、丘陵及平原为主 。土壤类型主要包括黑土 、黑钙土 、草甸
上 、暗棕壤等 。土壤腐殖质层厚度一般在 20 ~ 100cm之间 ,土壤多中性 ,以黄土状母质为主 。
土壤样品的采集与分析 。根据 20世纪 80年代第 2次土壤普查和农业肥料定点试验的样点分布情况 ,
2000年春在研究区域对应点共采集土壤样点 319个(见图 1) 。每个样品都是以 1点为中心 ,呈梅花状向四
第 15 儍卷第 1期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol 1畅15 No 厖畅1
2 0 0 7 乔年 1 月 Chinese Journal of Eco唱Agriculture Jan ., 2007 後
图 1 采样点分布图 倡
Fig .1 The distribution of samples
倡 从北至南分别为嫩江 、五大连池 、克山 、北
安和海伦县 。
周辐射 ,取 0 ~ 20cm表层土壤 ,每 5 ~ 6个点混合均匀 。每个中心样点均采
用 GPS定位 ,并详细记载样点周围的环境和土地利用情况 。土壤样品按
常规处理和测定方法进行基本理化性质和必要的肥力指标测定 。 1980年
土壤肥力情况是来自于 20世纪 80年代第 2次土壤普查对应地点的土壤
测定结果 。根据该地区土壤资源特点 ,结合其他研究成果和专家意见 ,选
取土壤有机质 、速效磷 、速效钾 、pH值 、黏粒含量 5个因素作为该研究区的
土壤肥力质量评价指标 。
地统计学方法是研究空间变异性的一种重要方法[4 ,5] ,是以区域化变
量为核心和理论基础 ,以空间相关和半方差函数为基本工具的一种数学地
质方法 。地统计学在矿产地质中的应用目前已经达到了成熟阶段 ,由于自
身的特点 ,其应用范围已由当初的地质学领域逐渐推广应用到土壤学和生
态学等领域中[6 ~ 8] 。半方差函数是地统计分析的基本工具 ,假设区域化变
量满足二阶平稳和本征假设 ,用于估计半方差函数 γ(h)的公式为 :
γ(h) = 12 n(h) 钞
n( h)
i = 1
[Z(Xi + h) - Z(Xi)]2 (1)
式中 ,n(h)为由距离 h分隔的观测点的对数 ,h为滞后距离(Lag ) ,
Z(Xi + h)和 Z(Xi)分别为区域化变量 Z(X )在位置 Xi + h和 Xi 的实测
值 。以 h为横坐标 ,γ(h)为纵坐标作图 ,即为半方差图 。
2 结果与分析
2畅1 土壤肥力质量单项指标的描述性统计分析
在 20世纪 80年代 ,研究区土壤有机质 、速效磷 、速效钾 、pH和黏粒这 5种土壤肥力指标中 ,有机质 、速
效磷 、速效钾变异相对较大(表 1) ,其变异系数分别为 44畅87% 、43畅44% 、41畅55% ;pH和黏粒变异较小 ,其变
异系数分别为 8畅35% 和 18畅99% 。 21 世纪初 5 种土壤肥力指标中 ,速效磷含量变异最大 ,其变异系数为
73畅83% ;有机质和速效钾居中 ,变异系数为 43畅90% 和 34畅01% ;pH和黏粒的变异最小 ,其变异系数分别为
8畅20% 和 18畅77% 。同 1980年相比 ,速效磷的变异系数有较大上升 ,说明 20 年来速效磷受外界干扰较显
著 ,尤其是土地实行联产承包后 ,农户或农场的管理水平不同 ,化肥施用不均匀 ,使目前土壤速效磷含量变
化较大 。
表 1 土壤肥力各指标的描述性统计
Tab畅1 Descriptive statistics of soil fertility indices
年 份
Years
土壤肥力指标
Soil fertility indices
最大值
Max .value
最小值
Min .value
平均数 倡
Mean value
方差
Variance
标准差
Standard deviation
变异系数/%
Coefficient of variation
2000 c
pH 8 抖畅34 4 贩畅79 5 後畅98 0 4畅24 0 适畅49 8 n畅20
有机质/g·kg - 1 晻206 抖畅19 6 贩畅25 61 貂畅08 718 4畅78 26 适畅81 43 n畅90
速效磷/mg·kg - 1 佑147 抖畅00 1 贩畅79 21 貂畅53 252 4畅81 15 适畅90 73 n畅83
速效钾/mg·kg - 1 佑584 抖畅00 74 贩畅00 198 貂畅49 4557 4畅60 67 适畅51 34 n畅01
黏 粒/% 44 抖畅90 6 贩畅74 21 貂畅59 16 4畅40 4 适畅05 18 n畅77
1980 c
pH 7 抖畅30 4 贩畅70 6 貂畅36 0 4畅28 0 适畅53 8 n畅35
有机质/g·kg - 1 晻195 抖畅00 7 贩畅31 78 貂畅57 1243 4畅27 35 适畅26 44 n畅87
速效磷/mg·kg - 1 佑30 抖畅57 4 贩畅00 13 貂畅01 31 4畅92 5 适畅65 43 n畅44
速效钾/mg·kg - 1 佑712 抖畅00 106 贩畅10 302 貂畅88 15838 4畅22 125 适畅85 41 n畅55
黏 粒/% 46 抖畅90 7 贩畅94 21 貂畅69 16 4畅97 4 适畅12 18 n畅99
倡 样本数为 319 。
2畅2 土壤肥力质量单项指标的时间变异
2000年时 5种土壤肥力指标 ,pH 、有机质 、速效磷 、速效钾和黏粒的平均值分别为 5畅98 、61畅08g/kg 、
21畅53mg/kg 、198畅49mg/kg 和 21畅59% ,1980 年 5 种肥力指标含量的平均值分别为 6畅36 、78畅57g/kg 、
13畅01mg/kg 、302畅88mg/kg和 21畅69% 。 20 年来土壤 pH平均降低 0畅38 ,土壤有机质相对降低 22畅26% ,速
效钾相对降低 34畅47% ,速效磷则相对增加 65畅49% ,土壤黏粒几乎没有变化 。
20 中 国 生 态 农 业 学 报 第 15 卷
2畅3 土壤肥力质量单项指标的空间变异特征
半方差函数曲线图表示土壤各种指标变量在距离与方向上不同的所有成对点之间的观测值的空间相
关性 。通过半方差函数及半方差函数曲线图可得 3个极为重要的参数即变程(Range) 、基台值(Sill) 、块金值
(Nugget) 。当半方差函数 γ(h)随着间隔距离 h的增大 ,从非零值达到 1个相对稳定的常数时 ,该常数称为
基台值(C0 + C) ,当间隔距离 h = 0时 ,γ(0)= C0 ,该值称为块金常数或块金方差 。基台值是系统或系统属
性中最大的变异 ,半方差函数 γ(h)达到基台值时的间隔距离 a称为变程 。变程表示在 h ≥ a以后 ,区域化
变量 Z( x)空间相关性消失 。块金值表示区域化变量在小于抽样尺度时非连续变异 ,由区域化变量的属性
或测量误差决定 。另外 ,块金方差/基台值[C0 /(C0 + C)]可表示空间变异程度(由随机部分引起的空间变
异占系统总变异的比例) ,若该比值较高 ,说明由随机部分引起的空间变异性程度较大 ;反之 ,则由空间自相
关部分引起的空间变异性程度较大 ;若该比值接近于 1 ,则说明该变量在整个尺度上具有恒定的变异 。从结
构性因素角度看 ,C0 /(C0 + C)可表示系统变量的空间相关性程度 ,如果比例 < 25% ,说明变量具有强烈的
空间相关性 ;若比例在 25% ~ 75% 之间 ,变量具有中等的空间相关性 ;比例 > 75% 时 ,变量空间相关性很
弱[9] 。而这些参数都可直接从半方差函数曲线图中得到 。根据各个样点各项指标的数据 ,计算出实际半方
图 2 土壤肥力各指标的半方差函数图
Fig .2 The semivariograms of soil fertility indices
第 1 媼期 汪景宽等 :20 缮年来东北典型黑土地区土壤肥力质量变化 21
差函数的值 γ(h) ,绘制实际半方差函数曲线 ,然后选择几个(各向同性)模型分别进行拟合 ,从中选出最优
的半方差函数理论模型(图 2 、表 2) 。
图 2表明 ,各指标均能用指数模型或球状模型进行拟合 ,其中 1980年的 pH和速效磷最为理想 ,而 1980
年的速效钾只是尝试性拟合 ,主要原因可能在于实际取样间距偏大 ,相关间距内的样品“配对”数目少 。由
表 2可知 ,2000年速效磷和速效钾的 C0 /(C0 + C)分别为 46畅63% 、49畅91% ,1980 年速效钾的 C0 /(C0 + C)
为 34畅19% ,说明这 2项指标存在中等的空间相关性 ,这种分布特征可能是随机性因素和结构性因素共同作
用的结果 ;而 2000年的其他 2项指标和 1980年的 3项指标 C0 /(C0 + C)的范围从 1畅56% 到 16畅57% ,说明
他们存在强的空间相关性 ,这可能是结构性因素作用的结果 。结构性因素如气候 、母质 、地形 、土壤类型等
自然因素可导致土壤养分强的空间相关性 ,而随机性因素如施肥 、耕作措施 、种植制度等各种人为活动使土
壤养分的空间相关性减弱 ,朝均一化方向发展[10] 。
表 2 2000年和 1980年土壤肥力指标半方差函数理论模型及相关参数 倡
Tab畅2 Theoretical semivariogram models of soil fertility indices and corresponding parameters in 2000 and 1980
项目
Items
年份
Years
理论模型
Theory model
块金值
Nugget
基台值
Sill
块金值∶基台值/%
Nugget/Sill
变程/km
Range
拟合度
R2
pH 2000 指数模型 0 M畅0296 0 览畅2742 10 X畅80 123 牋畅0 0 �畅673
1980 球状模型 0 a畅059 1 照畅006 5 X畅86 711 牋畅0 0 �畅956
有机质 2000 球状模型 319 苘1925 d16 X畅57 711 牋畅0 0 �畅689
1980 球状模型 170 苘1379 d12 X畅33 80 牋畅6 0 �畅507
速效磷 2000 球状模型 126 吵畅7 271 畅7 46 X畅63 117 牋畅2 0 �畅532
1980 球状模型 1 妸畅3 83畅6 1 X畅56 461 牋畅8 0 �畅916
速效钾 2000 球状模型 2811 耨5632 d49 X畅91 244 牋畅2 0 �畅793
1980 球状模型 5300 耨15500 y34 X畅19 83 牋畅0 0 �畅213
倡 经 K唱S 检验 ,5项指标均属正态分布 。
1980年各项指标的 C0 /(C0 + C)均小于 2000年 ,并且具有强的空间相关性 ,说明人为活动对土地的影
响程度加大 。人们加大了化肥的施用量 ,消弱了结构性因素造成的强的自相关作用 。变程表明属性因子空
间自相关范围的大小 ,它与观测尺度以及在取样尺度上影响土壤养分的各种生态过程相互作用有关 。在变
程之内 ,变量具有空间自相关性 ,反之则不存在 ,它提供了研究某种属性相似范围的一种测度 。在研究区域
内 ,pH和速效磷 2000年相对于 1980年的变程有明显减少 ,说明 pH和速效磷分布的均一性减弱 ,在小范围
变异加强 ,整体分布趋向复杂 ;有机质和速效钾则正好相反 ,其含量分布趋向于简单化 。
2畅4 20年来土壤肥力质量的时空变化特征
土壤肥力质量综合指数的计算 。为避免人为主观因素的干扰 ,土壤肥力质量单因子权重采用因子分析
法计算 。因子分析是寻找对观察结果起支配作用的潜在因子(潜变量)的探索性统计分析方法 。因子载荷
aij表明第 i个变量在第 j 个主因子上的负荷 ,或称为第 i个变量在第 j 个主因子上的权 ,它反映出第 i个变
量在第 j 个主因子上的相对重要性 。本研究以特征值 > 1为选取主因子的条件进行因子分析 ,得到各评价
因子主成分的特征值和贡献率 ,并由因子载荷矩阵计算土壤肥力质量指标的公因子方差及权重值 。经计算
得出 pH 、有机质 、速效磷 、速效钾和黏粒的 2000年权重值分别为 0畅166 、0畅217 、0畅203 、0畅185 、0畅229 ,1980年
的权重值分别为 0畅191 、0畅154 、0畅218 、0畅178 、0畅259 。
采用隶属函数确定评价因子的单因子评价指数 。首先建立各评价指标的隶属函数模型 ,将肥力指标的
隶属度函数分为两种类型即 S型隶属函数和抛物线型隶属函数 ,土壤有机质 、速效磷 、速效钾可采用 S型隶
属函数 ,pH值和黏粒可采用抛物线型隶属函数[10] 。根据长期以来生产实践的总结以及专家评定 ,根据作物
效应曲线 ,通过确定各个函数的转折点取值而拟合出每个函数的确切函数式 ,进而得到每个评价因子的单
因子评价指数 。在获得每个样点各个指标的单因子指数后 ,根据模糊数学中的加乘法原则 ,土壤肥力质量
综合评价指标值( IFI)采用式(2)计算 :
IFI = 钞 (qi × wi) (2)
式中 ,qi 为第 i项土壤肥力评价指标的隶属度值 ,w i 为第 i项土壤肥力评价指标的权重系数 。 IFI 取值为
0 ~ 1之间 ,其值越高 ,表明土壤肥力质量越好 。
22 中 国 生 态 农 业 学 报 第 15 卷
土壤肥力质量的分级 。根据土壤取样点并结合等距划分法 ,参考各土种类型土壤的产量水平 ,提出该
地区土壤肥力质量分级参考标准 :IFI ≥ 0畅80 、IFI为 0畅80 ~ 0畅70 、0畅70 ~ 0畅60 、0畅60 ~ 0畅40和 IFI < 0畅40分
别为1 ~ 5级土壤 。
经拟合得到本研究区土壤肥力质量综合指数的半方差函数图(图 3) 。由图 3可知 2000年与 1980年的
土壤肥力综合指数具有相似的空间变异 ,随滞后距离 h的增加 ,它们表现出特别有规律的持续增加趋势 ,之
后趋向平稳 ,说明它们存在很好的空间结构性 。表 3表明 ,20世纪 80年代和 21世纪初的 C0 /(C0 + C)分别
为 10畅82% 和 12畅45% ,均存在强的空间相关性 ,这是由结构性因素所致 。 2000年的 C0 /(C0 + C)较 1980年
有所增加 ,人为活动可能是导致这一现象的主要因素 。由图 4和表 4可知 ,21 世纪初黑龙江 5个县土壤肥
力质量为二 、三级的土地占 98% 以上 ,而 20世纪 80年代时土壤质量为一级的土地占 13畅80% 。该地区土壤
肥力质量降低的区域占据了相当大面积 ,一级质量降低 13畅72% ,三级质量土壤大量增加 。说明 20年来该
地区土壤肥力出现明显下降 ,对目前黑土地区农业生产构成潜在威胁 。
图 3 土壤肥力质量综合指数半方差函数图
Fig .3 The semivariograms of integrated indexes of soil fertility quality
表 3 土壤肥力质量综合指数半方差函数的理论模型及相关参数 倡
Tab畅3 Best fitted semivariogram models of integrated indexes of soil fertility quality and corresponding parameters
年份
Years
理论模型
Theory model
块金值
Nugget
基台值
Sill
块金值∶基台值/%
Nugget/sill
变程/km
Range
决定系数
R2 趑
2000 貂指数模型 0 ^畅00237 0 Ζ畅01904 12 d畅45 58 .畅8 0 亖畅681
1980 貂球状模型 0 ^畅00061 0 Ζ畅00564 10 d畅82 32 .畅5 0 亖畅151
倡 经 K唱S 检验 ,1980 年 、2000 年土壤肥力质量综合指数的分布类型均属正态分布 。
图 4 2000年和 1980年黑土肥力质量分级和 20年来变化图
Fig .4 The grade maps of soil fertility quality in 1980 and 2000 and the changing map in past 20 years
第 1 媼期 汪景宽等 :20 缮年来东北典型黑土地区土壤肥力质量变化 23
表 4 20年来黑土区土壤肥力质量变化情况
Tab畅4 Changes of soil fertility quality in black soil area in past 20 years
年份
Years
项 目
Items
等级Grade
1 刎2 膊3 寣4 5
2000 �面积/km2 � 31 煙畅86 24198 ⅱ畅55 14211 j畅33 698 蝌畅26 0 "
所占百分数/% 0 煙畅08 61 ⅱ畅83 36 j畅31 1 蝌畅78 0 "
1980 �面积/km2 � 5401 煙畅35 25997 ⅱ畅45 7325 j畅26 415 蝌畅94 0 "
所占百分数/% 13 煙畅80 66 ⅱ畅42 18 j畅72 1 蝌畅06 0 "
变化值 变化面积/km2 - 5369 煙畅49 - 1798 ⅱ畅90 6886 j畅07 282 蝌畅32 0 "
变化百分数/% - 13 煙畅72 - 4 ⅱ畅59 17 j畅59 0 蝌畅72 0 "
3 小 结
东北黑土区土壤肥力单项指标中 ,pH变异系数变化最小 ,由 1980年的 8畅35% 降低到 2000年 8畅20% ,
除低了 1畅8% ;速效磷变异系数变化最大 ,由 1980年 43畅44% 增加到 2000年的 73畅83% ,增加了 70% 。 20年
来研究区土壤 pH值平均降低 0畅38 ,土壤有机质相对降低 22畅26% ,速效钾相对降低 34畅47% ,速效磷则相对
增加 65畅49% ,土壤黏粒几乎没有变化 ,速效磷的这种明显增加与施肥密切相关 。 20世纪 80年代该地区土
壤肥力综合指数以一 、二级为主(80% 以上) ,但 21 世纪初土壤肥力质量几乎被二 、三级地所占据(98% 以
上) 。目前该地区土壤肥力质量降低的区域占相当大面积 ,这可能与人们长期以来重种轻养有关 。
参 考 文 献 h
1 王建国 ,刘鸿翔 ,王守宇 ,等 .黑土农田养分平衡与养分消长规律 .土壤学报 ,2003 ,40(2) :246 ~ 251
2 汪景宽 ,赵永存 ,张旭东 ,等 .海伦县土壤重金属含量的空间变异性研究 .土壤通报 ,2003 ,34(5) :398 ~ 403
3 辛 刚 ,颜 丽 ,汪景宽 ,等 .不同开垦年限黑土有机质变化的研究 .土壤通报 ,2002 ,33(5) :332 ~ 335
4 郭旭东 ,傅伯杰 ,马克明 ,等 .基于 GIS 和地统计分析的土壤养分空间变异特征研究 .应用生态学报 ,2000 ,11(4) :557 ~ 563
5 李 艳 ,史 舟 ,徐建明 ,等 .地统计学在土壤科学中的应用及展望 .水土保持学报 ,2003 ,17(1) :178 ~ 182
6 毛任钊 .河海低平原盐渍区土壤养分空间变异性研究 .中国生态农业学报 ,2001 ,9(4) :63 ~ 66
7 赵玉国 ,张甘霖 ,张 华 ,等 .海南岛土壤质量系统评价与区域特征探析 .中国生态农业学报 ,2004 ,12(3) :13 ~ 15
8 肖 玉 ,谢高地 ,安 凯 .土壤速效磷含量空间插值方法比较研究 .中国生态农业学报 ,2003 ,11(1) :56 ~ 58
9 後Cambardella C .A .,Moorman T .,Novak J .M .,et al .Field scale variability of soil properties in central Iowa soils .Soil Sci .Soc .Am .J .,
1994 ,58 :1501 ~ 1511
10 沣Chien Y .J .,Lee D .Y .,Guo H .Y .,et al .Geostatistical analysis of soil properties of mid唱west Taiwan soils .Soil Science ,1997 ,62(4) :291 ~
298
24 中 国 生 态 农 业 学 报 第 15 卷