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  農業資源與環境學報  2021, Vol. 38 Issue (6): 989-998  DOI: 10.13254/j.jare.2021.0545
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引用本文  

渠悅, 馬濤, 胡月明, 等. 從化區農田耕層土壤有效硅空間分布及影響因素[J]. 農業資源與環境學報, 2021, 38(6): 989-998.
QU Yue, MA Tao, HU Yueming, et al. Spatial distribution and influencing factors of soil available silicon in farmland cultivated layers in Conghua District[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2021, 38(6): 989-998.

基金項目

國家重點研發計劃課題(2020YFD1100204);國家自然科學基金項目(U1901601);廣東省科技興農-農業科技創新及推廣項目(2021KJ102)

Project supported

The National Key Research and Development Program of China(2020YFD1100204);The National Natural Science Foundation of China (U1901601);Guangdong Province Science and Technology Prospering Agriculture - Agricultural Science and Technology Innovation and Promotion Project (2021KJ102)

通信作者

孫孝林??E-mail: sun_xiaolin@yahoo.com

作者簡介

渠悅(1999-), 女, 山西太原人, 碩士研究生, 主要從事土地利用與地理信息系統研究。E-mail: quyuecn@163.com

文章歷史

收稿日期: 2021-08-20
錄用日期: 2021-10-27
從化區農田耕層土壤有效硅空間分布及影響因素
渠悅1,2 , 馬濤1,3 , 胡月明1,2,3 , 劉洛1,2,3 , 孫孝林4     
1. 華南農業大學資源環境學院, 廣州 510642;
2. 廣東省土地信息工程技術研究中心, 廣州 510642;
3. 廣州市華南自然資源科學技術研究院, 廣州 510642;
4. 中山大學地理科學與規劃學院, 廣州 510275
摘要: 為探究廣州市從化區農田土壤有效硅空間分布及影響因素,以期為促進我國糧食主產區水稻產量增長提供科學依據和參考,采用描述性統計、地統計學、相關性分析與GIS(地理信息系統)技術結合的方法對從化區土壤有效硅開展研究。結果表明,研究區土壤有效硅平均含量為60.31 mg·kg-1,總體偏低,并呈現中度變異;在中心區域、糧食主產區和丘陵地帶,土壤有效硅含量較高;有效硅含量與土壤pH、有機質含量、黏粒含量呈正相關,土地利用方式、成土母質對其也有顯著影響。研究表明,在所考慮的影響因素中,成土母質對從化區農田土壤有效硅的影響程度居于首位。
關鍵詞: 農田耕層    土壤有效硅    空間分布特征    影響因素    
Spatial distribution and influencing factors of soil available silicon in farmland cultivated layers in Conghua District
QU Yue1,2 , MA Tao1,3 , HU Yueming1,2,3 , LIU Luo1,2,3 , SUN Xiaolin4     
1. College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China;
2. Guangdong Province Engineering Research Center for Land Information Technology, Guangzhou 510642, China;
3. South China Academy of Natural Resources Science and Technology, Guangzhou 510642, China;
4. School of Geography and Planning, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China
Abstract: To explore the spatial distribution and influencing factors of available silicon in agricultural soils in Conghua District, Guangzhou City, with a view of providing scientific basis and reference for promoting the growth of rice yield in the main grain-producing areas of China, descriptive statistics, geostatistics, correlation analysis and GIS technology were used to study the soil available silicon in Conghua District. The results showed that the average content of soil available silicon in the study area was 60.31 mg·kg-1, which was generally low and showed moderate variation; in the central area, main grain production areas and hilly areas, the soil available silicon content was relatively high; the effective silicon content was positively correlated with soil pH, organic matter content, and clay content. The land use patterns and soil parent materials also had a significant impact. The study shows that the parent material is the most important among the factors considered.
Keywords: farmland plow layer    soil available silicon    spatial distribution characteristics    influencing factors    

糧食安全問題已成為人類面臨的全球性問題,需要多方面的全球性戰略來應對[1]。水稻作為人類最重要的糧食作物之一,廣泛種植于華南地區[2-3]。硅作為地殼中的第二大元素,主要分布于土壤溶液或吸附在土壤膠體表面。硅雖不是植物生長發育的必需營養元素,卻在植物生長過程中必不可少,尤其是水稻的生長。硅可以改善水稻的形態結構,促進水稻生長發育,并顯著影響水稻的品質與產量[4]。廣州市從化區位于亞熱帶地區,氣溫高,雨量大,受氣候和降水的影響,土壤淋溶作用強,多呈酸性,土壤類型主要為赤紅壤、紅壤、水稻土等。紅壤是在脫硅富鋁化和生物富集作用下發育形成的酸性鐵鋁土[5],其有效硅的含量較低[6]。因此,掌握華南地區土壤中有效硅的分布特征及影響因素,有助于提高該地區糧食產量,從而一定程度上緩解糧食問題。

目前,許多學者采用地統計學方法研究土壤元素的空間分布特征。例如,楊本漫等[7]采用地統計學方法分析土壤水鹽空間分布特征,并用半方差函數分析發現樣地土壤水鹽存在空間變異性;一些學者利用克里格插值法預測森林土壤中有效碳和全氮等元素的空間分布[8-9]。地統計學方法的精度受半變異函數的權重影響不易控制,因此有學者采用貝葉斯最大熵(BME)、隨機森林等機器學習算法,通過多次訓練進行預測[10-11]。

目前關于土壤有效硅空間分布特征的研究并不多,有限的研究土壤硅的學者提出,土壤pH、有機質含量、成土母質、土壤黏粒含量等為土壤硅空間分布特征的主要影響因子。然而,這些研究的尺度與方法不同,其結果和結論并不具有普遍性[12-14]。同時,這些研究大多是對數據進行簡單的空間分布描述[15-16],且集中在田塊尺度上,不適于對縣域尺度的研究。

因此本研究從縣域尺度上,以廣泛種植水稻的廣州市從化區為例,研究土壤有效硅含量的空間分布特征及變異規律,并定量分析其影響因素,為提升該地區耕地質量提供科學的參考依據。

1 材料與方法 1.1 研究區概況

從化區位于廣州市北部,地理坐標為113°17′ ~ 114°04′E、23°22′~23°56′N,總面積1 974.5 km2,下轄3個街道和5個鎮,如圖 1所示。屬于亞熱帶季風氣候,全年氣候溫和,雨量充沛,年平均氣溫為19.5~21.4 ℃,年平均雨量1 800~2 200 mm,水熱資源豐富。從化區地勢自東北向西南逐漸降低,海拔為16.30~1 210 m,如圖 2所示。山地、丘陵多分布在東北部地勢較高的地區;中南部則以丘陵、谷地為主;西部地區地勢較低,多分布丘陵、臺地。從化區主要土壤類型有紅壤、黃壤、赤紅壤和水稻土等,農田土地利用方式主要為水田、園地和旱地;截至2018年末,常用耕地面積約為200.67 km2,耕作條件良好,適宜雙季稻的種植。

圖 1 從化區地理位置和行政區劃 Figure 1 Geographical location and administrative division of Conghua District
1.2 研究方法 1.2.1 土壤樣品采集與測定

根據研究區土地利用方式、土壤類型、耕地圖斑的大小及分布情況,并結合網格法與隨機法,最終確定了204個樣點,研究區樣點分布見圖 2。在研究區內通過GPS定位到樣點位置,確定樣點中心,并在其四個對角線上分別確定與中心點距離約15 m左右的點;在中心點及對角線上的點各采集等量耕層土壤,混合即得到該點的土壤樣品。

圖 2 從化區土壤樣點分布 Figure 2 Distribution of soil samples in Conghua Distric

土壤有效硅含量通過檸檬酸浸提-硅鉬藍比色法測定;土壤pH通過水浸提電位法測定;土壤有機質含量用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定;土壤機械組成通過土壤比重計測定,并采用國際制進行分級:砂粒(0.02~2.00 mm)、粉粒(0.002~0.02 mm)和黏粒(< 0.002 mm);土壤類型和成土母質數據來自第二次全國土地調查(2009年)。

1.2.2 數據處理

為剔除土壤有效硅含量可能會出現的異常值,采用Box-Plot圖法對樣點進行檢測,并將7個偏離樣本其他觀測值的異常點剔除,剔除異常值后樣點數為197個。為使數據符合正態分布,在SPSS 24.0中進行正態分布檢驗并根據需要進行對數變換。

1.2.3 空間自相關分析

空間自相關可以反映觀測數據之間的相關性與異質性,常用Moran′s I指數來衡量,最早由Moran于1948年提出。本研究采用全局和局部Moran′s I指數衡量土壤有效硅空間自相關:

全局Moran′s I指數:

(1)

局部Moran′s I指數:

(2)

式中:N為樣點數;Xi、Xj為樣點有效硅含量;XXi、Xj均值;W (i, x)為空間權重。全局Moran′ s I取值范圍為[-1, 1],I>0表明屬性值在空間上存在正相關關系,研究對象呈集聚分布;I<0表明屬性值在空間上存在負相關關系,研究對象呈離散分布;I趨近于0表示研究對象幾乎不存在空間自相關,呈隨機分布。

LISA集聚圖常常用來表現局部空間自相關,在集聚圖中分為H-H型、L-H型、L-L型、H-L型四種類型,分別表明四種空間相關關系。其中H-H型表示土壤有效硅含量高集聚地區的相鄰地區也高;L-H型表示土壤有效硅含量低集聚地區相鄰地區集聚程度高;L-L型表示土壤有效硅含量低集聚地區的相鄰地區也低;H-L型表示土壤有效硅含量高集聚地區相鄰地區集聚程度低。

1.2.4 地統計分析

克里格法是以變異函數和結構分析為基礎,在有限區域內對已知樣點賦權重,求取未知樣點值的線性無偏最優估計方法[17-18]。變異函數公式見式(3):

(3)

式中:r (h)為變異函數;N (h)為樣點集合中間距為h的點對數量;z(xi + h)和z(xi)分別為樣點在(xi + h) 和xi處的觀測值[19]。由半變異函數曲線可以得到塊金值(C0)與基臺值(C0+C),塊金值與基臺值的比值越接近1說明隨機性變異越強,越接近0說明空間相關性越弱。

1.2.5 相關性分析、方差分析與重要性排序

考慮到土壤有機質、pH、機械組成、土壤類型、土地利用方式等因素對土壤有效硅含量具有一定影響,因此對這些土壤屬性進行相關性分析與方差分析,篩選出與土壤有效硅含量顯著相關的影響因素,并在Rstudio軟件中利用隨機森林算法,通過分析均方誤差,對研究區土壤有效硅含量的影響因素進行影響程度的排序。

2 結果與分析 2.1 土壤有效硅空間變異規律 2.1.1 土壤有效硅含量描述性統計

研究區農田耕層土壤有效硅含量最小為7.55 mg · kg-1,最大為137.72 mg · kg-1,平均含量為60.31 mg · kg-1,標準差為29.17 mg · kg-1,變異系數為48.37 %,屬于中度變異。參照文獻[13]中相關分級標準,土壤有效硅含量≥230 mg·kg-1屬豐富,115~230 mg·kg-1屬較豐富,70~115 mg·kg-1屬中等,25~70 mg· kg-1屬較缺乏,≤25 mg·kg-1屬缺乏。研究區多集中在25~70 mg·kg-1,屬較缺乏狀態。

2.1.2 土壤有效硅含量空間自相關分析

土壤有效硅含量的全局Moran′ s I指數為0.18,且P值小于0.01,說明研究區樣點土壤有效硅含量呈現出顯著的正空間自相關。土壤有效硅LISA集聚圖見圖 3。由LISA集聚圖可以看出,H-H型表明該樣點附近出現了高值集聚的情況,主要分布在從化區中部和中西部,該區域地勢平坦、土壤肥沃、農業科技水平高;L-L和H-L型主要分布在從化區南部的太平鎮,主要原因可能為太平鎮耕地大多為果園,對于土壤中有效硅的需求較小。

圖 3 從化區農田耕層土壤有效硅LISA集聚圖 Figure 3 LISA accumulation map of farmland soil available silicon in Conghua District
2.1.3 土壤有效硅含量空間變異結構特征

利用GS+7.0對研究區土壤有效硅含量進行變異函數擬合得到表 1。從表 1可以看出,與其他模型相比,線性模型的決定系數最大,殘差最小,故選擇線性模型作為變異函數擬合模型。線性變異函數表明,塊金值/基臺值為49.84%,屬于中等空間自相關,結構性和隨機性因素都影響研究區農田耕層土壤有效硅含量的空間變異,說明在變程范圍內,研究區土壤有效硅含量分布存在中等強度的空間自相關性。由0°、45°、90°和135°四個方向上的半方差函數圖(圖 4)可以看出,0°和90°方向上的變異程度最大,45°方向的變異程度大于135°方向。這主要是由于東西和南北、東北-西南方向距離較長,且研究區地勢自北向南傾斜,山地、丘陵多分布在東北部地勢較高的地區;中南部則以丘陵、谷地為主;西部地區地勢較低,多分布丘陵、臺地。

表 1 從化區土壤有效硅含量半方差函數理論模型 Table 1 Theoretical model of semi-variance function of soil available silicon content in Conghua District
圖 4 從化區土壤有效硅各向異性半方差函數 Figure 4 Semivariance function of soil available silicon anisotropy in Conghua District
2.1.4 土壤有效硅含量預測

根據表 1的半方差函數理論模型,在ArcMap10.2中選擇普通克里格進行空間插值,得到研究區農田耕層土壤有效硅含量空間分布圖(圖 5)。從圖 5可以看出,研究區農田耕層土壤有效硅含量整體呈現從中部向周圍遞減的趨勢,且圖 5土壤有效硅含量空間分布與LISA聚類分布圖相似,H-H型主要分布在土壤有效硅含量較高的區域,H-L和L-L型集中分布在土壤有效硅含量較低的區域,說明土壤有效硅含量的空間分布具有較強的空間自相關性。

圖 5 從化區土壤有效硅含量空間分布 Figure 5 Spatial distribution of soil available silicon content in Conghua District

由克里格插值預測標準差圖(圖 6)可以看出,良口鎮的東南部、呂田鎮的西南部和東北部地區插值誤差較大,太平鎮的大部分地區插值誤差較小,這是由于采樣點密集程度不同所致,預測誤差隨著采樣點密集程度的增加而減少。本研究采樣整體分布較為均勻,未出現嚴重的誤差。

圖 6 從化區土壤有效硅含量預測標準誤差 Figure 6 Standard error of prediction of soil available silicon content in Conghua District
2.2 土壤有效硅空間分布特征

表 2反映出各行政區農田耕層土壤有效硅含量存在差異。土壤有效硅平均含量最高值分布在城郊街道,其次是呂田鎮和溫泉鎮,平均含量最低值分布在太平鎮。城郊街道、江埔街道和街口街道位于中心位置,基礎設施完備,田間管理水平較高;鰲頭鎮經濟作物種類多、管理勤,故土壤有效硅含量較高;溫泉鎮作為著名的溫泉風景區,生態環境優勢突出;良口鎮和呂田鎮為從化區糧食主產區,土壤本底自然狀況和田間管理技術顯示出巨大的優勢;太平鎮靠近珠三角經濟發展地區,隨著人口的增長和經濟發展,土地利用方式轉換且大量使用肥料等化學用品,故該區域有效硅含量下降。

表 2 各行政區土壤有效硅含量統計 Table 2 Statistics of soil available silicon content in each administrative district

從化區地貌可以劃分為流溪河平原、丘陵(西部丘陵區)和山地(西部、東部、北部和中部山地區),并將樣點按照地貌區進行統計得到表 3。統計發現,研究區農田耕層土壤有效硅平均含量最高值分布在西部丘陵區,其次是流溪河平原,均高于全區平均含量,平均含量最低值分布在山地區域。三種地貌區土壤有效硅含量都集中在25~70 mg·kg-1,屬較缺乏狀態。

表 3 各地貌區土壤有效硅含量統計 Table 3 Statistics of soil available silicon content in various morphological areas
2.3 土壤有效硅含量影響因素 2.3.1 土地利用方式對土壤有效硅含量的影響

土地利用方式的不同會導致管理措施、凋落物量產生差異,從而影響土壤有效硅含量。由表 4可以看出,不同利用方式下土壤有效硅含量差異較大,具體表現為水田(64.74 mg·kg-1)>旱地(53.55 mg·kg-1)>園地(44.47 mg·kg-1),變異系數為園地(70.77%)>旱地(52.29%)>水田(42.57%),由此說明研究區不同土地利用方式下土壤有效硅含量均為中等變異性,但園地的土壤有效硅含量變異較為強烈,水田的有效硅含量較為穩定,更有利于土壤有效硅含量的累積。經方差分析得知,F檢驗的P值小于0.001,表明土壤有效硅含量在不同土地利用方式下差異顯著。

表 4 不同土地利用方式下土壤有效硅含量 Table 4 Soil available silicon content under different land use patterns
2.3.2 土壤pH對土壤有效硅含量的影響

表 5可以看出,研究區大部分樣點土壤pH值為5.0~6.5,主要為酸性土壤,且有效硅最大值也出現在pH為5.0~6.5的樣點中。經方差分析得知,F檢驗的P值小于0.001;經相關性分析得知,pH在5.0~6.5之間時,pH與土壤硅含量的相關系數為0.254,土壤pH與有效硅含量呈現正相關。這是由于在酸性、中性土壤中,隨著土壤pH的增加,淋溶作用減弱,硅便不易被淋失[20]。

表 5 不同土壤pH值下土壤有效硅含量 Table 5 Soil available silicon content under different soil pH values
2.3.3 土壤有機質對土壤有效硅含量的影響

根據全國第二次土壤普查耕層有機質含量數據,按≥40、30~40、20~30、10~20、6~10、≤6 g·kg-1區間將有機質劃分為6級,研究區197個樣點中土壤有機質含量主要分布在10~30 g·kg-1這一范圍內,屬中等水平(表 6)。不同土地利用方式下土壤有機質含量存在明顯差異,水田的土壤有機質含量高于旱地,原因在于水田的淹水作用使得土壤有機質分解速率較低,有利于土壤有機質的積累。通過相關性分析得出,當土壤有機質含量≥40 g·kg-1時,農田耕層土壤有效硅含量與土壤有機質含量呈顯著正相關,相關系數為0.857;在其他土壤有機質含量分組中無明顯相關性。

表 6 不同土壤有機質含量下土壤有效硅含量 Table 6 Soil available silicon content under different soil organic matter content
2.3.4 成土母質對土壤有效硅含量的影響

表 7統計分析結果可以看出,不同成土母質下土壤有效硅含量表現為:第四紀紅土>花崗巖類風化物>河流沖積土>砂頁巖類風化物。砂頁巖類風化物發育的土壤有效硅含量最低,為36.02 mg·kg-1,第四紀紅土發育的土壤有效硅含量最高,為65.69 mg· kg-1。對不同母質下土壤有效硅進行方差分析,得到F值為9.505,且P小于0.001,說明成土母質對土壤有效硅含量有顯著影響。

表 7 不同成土母質下土壤有效硅含量 Table 7 Soil available silicon content under different soil parent materials
2.3.5 土壤機械組成對土壤有效硅含量的影響

土壤機械組成包含砂粒、粉粒和黏粒,其中黏粒含量對土壤的性能影響較大,在從化區土壤機械組成中,土壤的黏粒含量最高。表 8列出了研究區土壤機械組成與有效硅含量的相關系數矩陣,可以看出,土壤有效硅含量與土壤容重呈顯著負相關,相關系數為-0.266;與粗砂粒、細砂粒和粉粒含量相關性不顯著;與黏粒含量呈顯著正相關,相關系數為0.185。

表 8 土??壤機械組成與土壤有效硅含量相關矩陣 Table 8 Correlation matrix between soil mechanical composition and soil available silicon content
2.3.6 基于隨機森林的影響因素重要性排序

通過重要性排序發現影響研究區農田耕層土壤有效硅的主要因子是成土母質,其相對重要性在20~ 25之間,明顯高于其他影響因素;其次是土壤容重、土壤黏粒含量、土壤pH和土地利用方式,它們的相對重要性在10~20之間,是影響研究區農田耕層土壤有效硅的次要因子;土壤有機質含量對土壤有效硅的影響最小,相對重要性處于0~5之間。

3 討論

本研究從縣域尺度研究從化區土壤有效硅含量的分布特征及變異規律,定量分析其影響因素,并對影響因素的重要性進行了排序。本研究發現從化區農田耕層土壤有效硅含量較低,且存在中等強度的空間自相關,而且整個研究區土壤有效硅含量分布不均衡,中南部土壤有效硅含量相對較高,這可能與研究區的地形地貌、土地利用方式及區域的管理水平、經濟發展水平有關。由于取得的數據資料有限,本研究只考慮了土壤要素,并未將人為活動的影響列入土壤有效硅的影響因素中,對人為施肥等活動對土壤的影響缺乏考慮,需進一步探究。

本研究發現成土母質是影響從化區土壤有效硅含量的最重要因素。這與前人的研究結果——土壤pH是最重要的影響因素不同。這可能是因為本研究為縣域尺度,研究范圍較廣,而成土母質為土壤有效硅的最初來源,土壤是以成土母質發育而來,不同母質發育的土壤在土壤結構、養分等方面存在差異[21],并且會保留成土母質的某些性質及特征,因此成土母質重要程度最高。

本研究也發現土壤有效硅含量與土壤pH和土壤黏粒含量均呈正相關。土壤具備一定酸度才會使硅從巖石中分離[20],所以當土壤pH增加到一定程度時,在堿性土壤中,有效硅和土壤pH之間可能存在負相關[22]。土壤對硅酸的吸附主要發生在黏粒表面,黏粒含量高的土壤對硅酸吸附量大,研究區處于亞熱帶地區,土壤中黏粒含量偏多,因此黏粒含量與土壤有效硅含量呈正相關。從化區位于亞熱帶地區,具有黏粒含量較高、pH偏酸、土地利用方式為水田的特點,在淹水狀態可以使營養元素和土壤有機質積累,因此土壤黏粒含量、土壤pH和土地利用方式對研究區土壤有效硅含量的影響程度也較高。

4 結論

(1)從化區土壤有效硅含量為7.55~137.72 mg· kg-1,平均含量為60.31 mg·kg-1,變異系數為48.37%,屬中等變異。中心區域、糧食主產區和丘陵地帶土壤有效硅含量相對較高,而以園地為主要土地利用類型的區域土壤有效硅含量相對較低。

(2)由于從化區地勢自北向南傾斜,東北高、西南低,土壤有效硅含量在0°和90°方向變異最明顯,說明土壤有效硅含量空間變異受地形地貌影響較大。

(3)從化區土地利用方式、土壤pH、土壤有機質含量、成土母質、土壤容重和黏粒含量均在一定程度上與土壤有效硅含量呈現相關性,且成土母質為最重要影響因素,土壤有機質含量的影響程度最弱。

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