中国干旱区河西走廊武威市耕地土壤养分变异的地统计学评估

《Agronomy》：Geostatistical Assessment of Soil Nutrient Variability in Cultivated Land of Wuwei, Arid Hexi Corridor, China

　　

区域土壤肥力评估需要将浓度离散度与空间依赖性区分开来，同时认识到粗尺度区域调查所施加的限制。研究人员对中国西北武威耕地638个表层土壤样品（0–20 cm）中的土壤有机质（SOM）、全氮（TN）、有效磷（AP）和速效钾（AK）进行了量化分析。研究采用了描述性统计、Pearson相关分析、分布诊断、各向同性半方差函数（semivariogram），以及针对漂移、方向性和空间验证的额外敏感性分析。合并变异系数范围为57.8%至97.3%，其中AK表现出最大的离散度。SOM与TN呈强相关（r = 0.954, p < 0.01）。样本内半方差函数拟合最优的模型分别为：SOM为指数模型，TN为球状模型，AP和AK均为高斯模型；块金效应与基台值之比[C₀/(C₀ + C)]为0.266–0.441。在另一项包含373条记录的地理参考敏感性分析中，去趋势后定向实用变程比（较大/较小）范围为1.17至1.92，空间分区五折交叉验证的R²值明显低于随机折的R²值，尤其是AP。因此，方向性结构和地理迁移性仍存在不确定性，经验半方差函数拟合并不能确立预测性能。研究结果为采样优先级排序提供了区域基线，而非田块尺度的施肥配方。

耕地生产力不仅取决于耕地面积，还取决于土壤质量及其维持作物生产的能力。土壤质量下降可降低养分利用效率、制约作物生产力并削弱农业生态系统韧性。施肥、有机改良、秸秆还田等耕作措施会改变土壤性质与养分有效性。土壤有机质（SOM）、全氮（TN）、有效磷（AP）和速效钾（AK）是互补的土壤肥力指标，但不代表等价的作物有效养分形式：SOM支持养分保持、团聚体形成、持水能力和生物活性，TN是土壤氮总储量，AP和AK是操作定义的提取态组分。土壤养分浓度因母质、土壤类型、质地、地形、灌溉、施肥、作物吸收和耕作历史等在不同尺度上的作用而呈空间变异。河西走廊已有研究确认了土壤养分异质性，但缺乏对武威耕地四种指标的协调同调查比较：以往研究或针对新垦沙地，或聚焦磷素，或位于半干旱黄土高原雨养系统，均未提供同一调查框架下的系统比较。本研究目标为：（i）表征武威0–20 cm耕地表层土壤四种养分浓度与变异性；（ii）量化养分间相互关系；（iii）比较养分特异性空间格局与方向性行为；（iv）通过敏感性分析检验空间依赖与验证表现；（v）识别区域差异与后续采样优先序。研究假设AP和AK比SOM和TN变异更大，SOM与TN呈最强正相关，四种养分在至少一项空间结构指标上存在差异。论文发表在《Agronomy》。

研究人员基于耕地质量监测框架在甘肃省武威市四县区布设638个耕地采样点（平均密度1个/666.67 ha），每点采集0–20 cm五个子样品混合，依据国家标准方法测定SOM、TN、AP和AK。主要技术方法包括：（1）描述性统计与Pearson相关分析；（2）偏度、峰度、直方图及平方根/对数/Box-Cox变换等分布诊断；（3）各向同性半方差函数拟合（线性、球状、指数、高斯候选模型）；（4）基于373条地理参考记录的敏感性分析：一阶空间趋势面拟合、去趋势后东西（0°）与南北（90°）方向半方差函数比较、五折随机与坐标空间分块交叉验证对比。

（1）养分分布与变异性：SOM、TN、AP和AK范围分别为1.28–78.40 g kg^?1、0.03–4.27 g kg^?1、2.90–125.20 mg kg^?1和11.80–870