耕地土壤养分空间变异特征研究综述

耕地土壤养分空间变异特征研究综述

慕哲哲1,2,3,4，张钊镕1,2,3,4

1. 自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西西安，710021；
2. 陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西西安，710075；
3. 陕西地建土地工程技术转化中心有限公司，陕西西安，712000；

4.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西西安，710021

摘要：近年来，化肥的不断施用，导致农业面源污染加剧，同时精准农业也在逐步兴起，这都使得耕地土壤养分空间变异性的研究得到了广泛的关注和重视。开展耕地土壤养分空间变异的研究，不仅成为推进精准农业的实施的前提和基础，而且也是控制农业面源污染，实现农业可持续发展的必然要求。

关键词：耕地，土壤，空间分布

改革开放以来，随着国民经济的快速发展，全社会对农产品的需求量不断上升，这使得很多地区的土地超负荷经营，造成耕地养分不断下降。而且我国传统农业生产通常以地块作为均质耕种单元，依照农户生产习惯或大范围的农业技术推荐组织施肥和生产。这种耕作模式一方面使得施肥缺乏针对性，容易导致区域内养分供给不平衡、肥料利用率低，另一方面易于引起地下水环境的污染。正确、全面的认识田间耕地土壤特性的空间变异状况，开展这方面的研究，不仅成为推进精准农业的前提和基础，而且也是控制农业面源污染，实现农业可持续发展的必然要求。

1. 国外研究进展

对于耕地土壤空间变异性的研究，以往采用Fisher所创立的传统统计方法来进行分析，并不重视每一个观测点的空间位置，因此在大多数情况下很难准确地描述耕地土壤特性的空间分布。从20世纪70年代开始，随着地统计方法的发展，国外许多学者陆续将地统计学理论用于耕地土壤科学对耕地土壤特性空间变异性规律展开研究。Burgess与Webster等进行了较为成功的探索，推动了耕地土壤特性空间变异性的研究。随着耕地土壤特性空间变异研究的不断深入，地统计学逐步被证明是分析耕地土壤特性空间分布特征及其变异规律的最为有效的方法之一。一些研究指出，耕地土壤养分空间变异可存在于几个毫米的空间上。由此也证明了耕地土壤养分空间变异性的普遍存在。由于地统计学通常要求均匀取样，这给较大区域范围的耕地土壤养分空间变异定量研究带来一定的困难，因此以往大多数有关耕地土壤养分的空间变异研究往往局限于小尺度范围。较早应用地统计学方法研究较大尺度下耕地土壤养分空间变异的是Yost等人，他们进行了夏威夷耕地土壤养分的空间相关性研究，结果表明耕地土壤P、K、Ca和Mg含量的空间相关距离在32～42 km之间。近年来，耕地土壤科学家己开始关注较大范围内耕地土壤养分的空间变化。Yi-JuChien等研究了台湾中部耕地土壤养分的空间变化。White等分析了美国耕地土壤全Zn含量的空间变异，其含量的相关距离达到480 km，并绘制了耕地土壤全Zn含量的等值线图。

2. 国内研究进展

国内对于耕地土壤空间变异研究的起步较晚。20世纪80年代中期以来，我国一些学者针对耕地土壤的某些特性，采用半方差图和克里格插值法进行耕地土壤特性研究。而对耕地土壤养分空间变异的定量研究起步更要晚一些，主要是在20世纪90年代中期以后一些科学工作者应用地统计学方法从事了这方面的研究。张有山等对北京昌平县南邵乡2640 hm2土地的耕地土壤有机质、全氮、有效氮、有效磷和有效钾的空间分布特征进行了探讨，并绘制了它们的等值线图；李菊梅等采用以5m距离为间隔的网格法采取了红油土耕层耕地土壤147个样点，探讨了铵态氮、硝态氮、有效磷、水溶性钾、水溶性钙、水溶性镁等在空间的变异规律；郭旭东等运用地统计学方法，结合GIS技术研究了河北省遵化市耕地土壤表层(0～20cm)碱解氮、全氮、速效钾、速效磷和有机质等的空间变异规律；白由路等通过耕地土壤网格取样、室内分析及ASI施肥推荐等方法，在地理信息系统支持下，建立了地块和村级农田耕地土壤养分分区管理模型，并在河北省辛集市马兰试验区进行了实施和验证，取得了良好的效果；姜丽娜等通过对绍兴独树养分监测村耕地土壤10种养分元素空间变异性的研究，明确了水网平原水稻土养分空间变异规律，并进一步用各向异性变异模型分析了耕地土壤养分空间变异，表明耕地土壤Ca，Mg，K，Cu存在一定的带状异质性，经不同采样距离下Kriging内插十字交叉验证，明确了可用耕地土壤养分空间相关距离确定方格取样法来确定最大取样距离。

3. 总结评述

地统计学对于耕地土壤研究的主要贡献，在于它对耕地土壤变异的结构分析及其在内插估值中的运用，但是耕地土壤的复杂性决定了任何一种方法都无法解释耕地土壤空间变异研究中的所有问题，地统计学方法在耕地土壤空间变异研究中也存在着一些问题。在理论上，没有严格的判别标准来判定耕地土壤性质的空间变异性是否符合内蕴假设的条件，半方差函数模型的选择有一定的主观性；另外，在中国应用于耕地土壤空间变异研究的方法多为普通克里格法，对更适合耕地土壤空间变异研究而计算较复杂的泛克里格法应用较少，这与中国在此方面的研究不够深入有关。此外，目前利用地统计学对大尺度范围内耕地土壤空间变异性研究尚少，更多地是注重某些耕地土壤特性在空间上的插值和相关距离，进而绘制等值线图，而与模型结合得不够，跟实践应用还存在一段距离。随着计算机技术的发展，地理信息系统(GIS)技术日臻成熟，多种方法的同时应用也许会更好的拟合耕地土壤空间特性，揭示耕地土壤特性的规律。

基金项目

陕西省土地工程建设集团内部科研项目(DJNY-YB-2023-30)，污染土体生态修复的理论基础研究（2021WHZ0094）。

参考文献:

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9. 姜丽娜，符建荣等. 水网平原稻田耕地土壤养分空间变异特性研究[J].中国水稻科学，2005,19（2）：153～159.