地统计学在茶园土壤养分空间变异研究中的应用

地统计学在茶园土壤养分空间变异研究中的应用
黄晓婷;宋旭;王维奇
【摘要】以福建省茶叶核心产地安溪县为研究对象,应用地统计学中的半变量变异函数研究土壤养分空间变异.结果表明:土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量变异系数介于38.05％～86.48％,属中等变异水平;土壤养分含量总体不高,有机质含量主要集中在Ⅱ、Ⅲ级水平,碱解氮含量集中在Ⅲ、Ⅳ级水平,有效磷Ⅰ级水平所占比例与Ⅳ、V级水平相近,速效钾含量主要集中在Ⅳ、V级水平;土壤有机质、碱解氮和速效钾的最佳拟合模型为指数模型,有效磷的最佳拟合模型是球状模型,其块金系数分别为88.5％、88.2％、85.8％、93.9％.基于以上结果,研究区茶园应适当增施钾肥,合理施加磷肥.
【期刊名称】《实验室研究与探索》
【年(卷),期】2016(035)010
【总页数】4页(P20-23)
【关键词】地统计学;土壤养分;空间变异;茶园
【作者】黄晓婷;宋旭;王维奇
【作者单位】福建师范大学地理研究所,福建福州350007;福建师范大学地理研究所,福建福州350007;福建师范大学地理研究所,福建福州350007;福建师范大学生态地理过程教育部重点实验室,福建福州350007
【正文语种】中文
【中图分类】X144
土壤养分对农作物生长起着至关重要的作用，但土壤养分具有高度的空间异质性，对其研究可为土壤过程的预测与模拟提供有效途径，同时也有利于理解空间变异作用和土壤与作物生长关系[1]。

此外，对科学指导农田肥料管理，维持作物的可持续生产具有重要的现实意义。

近年来，利用地统计学[2]和GIS技术相结合的方法对土壤性质的空间变异性研究已成为土壤科学的研究热点之一。

余新晓对森林的土壤养分空间变异性进行了研究[3]；范夫静等[4-5]研究了西南喀斯特地区的土壤养分空间变异；朱红春等分别研究了猕猴桃、香蕉园、葡萄园的土壤养分空间变异性[6-8]；连纲等[9-10]研究了黄土高原区及其中的果园的土壤养分空间变异特征；刘国顺等[11-12]研究了烟田的土壤养分空间变异性，但关于茶园土壤养分的空间变异性研究较少。

茶叶是我国亚热带丘陵地区的重要经济作物，茶树种植对土壤肥力的要求较高，研究茶园土壤养分空间变异特征对实现茶园施肥管理具有科学的指导意义。

目前，我国对茶园土壤的研究大多局限于对茶园土壤理化性质和土壤中微生物生态特征，以及施肥对土壤理化性质和土壤养分的影响等方面的探讨[13]，而对茶园土壤养分的空间变异特征研究少见报道。

福建省是我国重要的茶叶产区，其中，安溪县又是福建省茶叶生产的核心产地。

基于此，本研究以福建省安溪县主要茶叶种植区湖头镇、金谷镇、魁斗镇、蓬莱镇为研究对象，应用地统计学中的半变量变异函数研究土壤养分的空间变异特征，以期为当地茶园施肥管理提供科学指导依据。

1.1 研究区概况
本研究选择安溪县湖头、金谷、魁斗、蓬莱四镇为研究对象，安溪县位于福建省东南沿海，地理位置为东经117°36′～118°17′，北纬24°50′～25°26′，属南、中亚热带海洋性季风气候，多年平均降水量约为1 600～1 800 mm，地势自西北向东南倾斜，西北部中低山区，属中亚热带常绿阔植被带(照叶林)，东南部丘陵低山区
属亚热带雨林植被带。

安溪县以茶业闻名全国，号称中国茶都。

是我国乌龙茶(名茶)之乡,世界名茶——铁观音发源地，位居我国重点产茶县第1位。

基于此，以该区为研究对象，借助地统计学手段探讨茶园土壤养分空间变异性，对科学指导茶树种植中的施肥管理具有重要的理论与现实意义。

1.2 数据来源与处理方法
安溪县茶园土壤养分(有机质、碱解氮、有效磷、速效钾)来源于福建省农业厅农业服务系统。

本研究利用SPSS20.0软件进行土壤养分的描述性统计，用Ps-w检验法进行非参数检验。

半变异函数分析、模型优化和C0、C0+C、C0/(C0+C)、R2、A、RSS等参数运用GS+统计软件完成。

半方差函数是描述空间变量的关键函数，它能描述变量的空间变异结构，反映不同距离观测值之间的变化，计算式为:
式中:γ( h)，h，N( h)，Z(xi)和Z(xi +h)分别为变异函数，滞后距离或步长，距离
等于h时的样点对数，Z(x)在位置xi的数值和在距离xi+h处的数值。

在一定范围内，γ(h)随h的增加而增大。

决定系数是反映实验变异函数与理论变异函数拟合程度的高低，计算式为:
式中:R(hi)为理论模型变异函数的计算值为实验变异函数的平均值;r(hi)为实验变异函数值。

2.1 土壤养分统计特征分析
由表1可知，研究区内茶园土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别介于2.3～50.6 g/kg,16～304、1.1～168.2、11～314 mg/kg，平均含量分别为20.1 g/kg、107、28.9、66 mg/kg。

从标准差和变异系数看，各养分离散程度较大，变异系数在38.05%～86.48%，根据变异系数的划分等级标准，均属于中等变异
水平。

其中有效磷的变异系数最大，为86.48%，而有机质、碱解氮、速效钾的变异系数较小，分别为38.05%、42.93%、55.6%，变异系数的大小顺序依次为有
效磷>速效钾>碱解氮>有机质。

根据福建省肥力丰缺指标[14]，将土壤养分划分为5级:偏高(Ⅰ)、丰富(Ⅱ)、中等(Ⅲ)、缺乏(Ⅳ)和偏低(Ⅴ)。

由表2可知，土壤有机质含量主要集中在Ⅱ、Ⅲ级水平，分别占36.36%、43.67%;Ⅰ级水平占10.34%;Ⅳ、Ⅴ级水平共占8.38%。

碱解氮含量较低，Ⅰ级水平在各项指标中所占比例最低，仅占4.28%，大部分集中
在Ⅲ、Ⅳ级水平，共占79.15%。

有效磷Ⅰ级水平所占比例最高，达39.57%，但Ⅳ、Ⅴ级水平所占比例同样达到36.54%，有效磷含量分布不均。

速效钾含量同样偏低，主要集中在Ⅳ、Ⅴ级水平，共占73.44%。

2.2 土壤养分空间变异结构分析
对安溪县茶园土壤养分进行半方差分析，根据半方差函数及其最佳拟合模型得到地统计参数。

分别对土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾指标用GS+ 7.0进行计
算拟合并且选择最优，得到以下结果：土壤有机质、碱解氮和速效钾的最佳拟合模型是指数模型，有效磷最佳拟合模型是球状模型。

块金值C0表示取样误差和小于取样尺度下的空间变异；基台值C0+C表示变量在研究范围内总的空间变异强度；块金系数C0/(C0+C)表明系统变量的空间相关性
程度[10]。

由表3可见，4种养分要素的块金值都比较小，表明在最小间距内的变异分析过程中引起的误差较小[15]。

所有基台值均为正值，说明存在着因采样误差、短距离变异、随机和固有变异引起的各种正基底效应[16]。

土壤有机质、碱解氮、速效钾和有效磷的块金系数分别为88.5%、88.2%、85.8%、93.9%，从大到小顺序为有效磷>有机质>碱解氮>速效钾。

一般认为，当C0/(C0+C)<25%时,空间相关性强，其变异性主要受结构因素(地形、气候、土壤母质等)影响；比值为25%～75%时，空间相关性弱，受结构和随机因素(施肥、种植方式或耕作措施等)共同作用；大于75%，空间相关性较弱，主要受随机因素影响。

研究结果表明，研究区
内土壤养分的空间相关性非常弱，其空间异质性基本上由随机因素决定，其本身受
到气候、母质、地形、土壤类型等内在结构因子的影响较弱，人为的农业活动改变了土壤养分含量。

变程反映空间相关性的最大距离，变程范围内变量具有空间自相关特性。

研究结果表明，研究区内，土壤有机质、碱解氮、速效钾和有效磷的变程分别为：930、690、480、490 m，呈现出有机质>碱解氮>有效磷>速效钾，变化范围相差2倍左右。

变程普遍偏大，变化范围为480～930 m，这可能是由于区内地形复杂、
地势起伏大，导致土壤养分分布特征差异较大。

(1) 经典统计分析显示，研究区内土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的含量变异系数范围为38.05%～86.48%，均属于中等程度变异，其中有效磷变异系数最大，有机质最小。

(2) 将土壤养分划分为五级，包括偏高(Ⅰ)、丰富(Ⅱ)、中等(Ⅲ)、缺乏(Ⅳ)和偏低(Ⅴ)，在研究区内，4种土壤养分的含量水平总体不高，有机质含量主要集中在Ⅱ、Ⅲ级水平，碱解氮含量集中在Ⅲ、Ⅳ级水平，有效磷Ⅰ级水平所占比例与Ⅳ、Ⅴ级水平相近，分布不均；速效钾含量主要集中在Ⅳ、Ⅴ级水平。

(3) 研究区内，土壤有机质、碱解氮、速效钾和有效磷的变程分别为：930、690、480、490 m，呈现出有机质>碱解氮>有效磷>速效钾。

土壤有机质、碱解氮和速效钾的最佳拟合模型是指数模型，有效磷的最佳拟合模型是球状模型。

(4) 从土壤有机质、碱解氮、速效钾和有效磷的含量的空间特征来看，4种养分的
块金系数空间相关性非常弱。

研究结果表明，在内外因作用下，土壤养分随着空间位置的变化而呈现差异性，半方差函数分析结果进一步表明区内土壤养分空间变异结构，且这种空间异质性受随机因素控制，说明人类活动对其影响深刻。

与此同时，茶园土壤有机质相对盈余，而速效钾与碱解氮在部分茶园相对缺乏，有效磷空间分布具有不均匀性。

因此，在茶园的施肥管理中，应考虑各地区土壤养分含量的差异，因地制宜施加肥料，对茶
园进行有针对性地施肥，适当增施钾肥，合理施加磷肥，以促进茶园环境友好、可持续生产模式的形成。

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