土壤結構和形態相當復雜，人類活動進一步增強了土壤養分的空間變異性和不確定性，農田土壤養分的空間變異性具有普遍性，它主要受土壤類型、水文地貌、氣候條件、耕作方式、作物類型、施肥方式等因素的影響。加強土壤養分空間變異及其影響因素的研究，對環境預測、精準農業和資源管理起著重要的作用，將會直接影響土壤養分的循環和作物的產量。國內外學者對農田土壤養分空間變異性及保護性耕作對土壤養分含量的影響進行了大量研究，但保護性耕作對土壤養分空間變異性的影響研究相對較少。以吉林省梨樹縣的金山傳統耕作和高家免耕土壤養分的空間變異性為例，利用地統計學模型，結合 GIS 技術，研究免耕土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質的空間變異性。本研究有利于科學合理地制定農田施肥方案，提高養分資源的利用率，促進變量施肥技術的發展，為實現精準施肥奠定基礎。

1、 研究區域與研究方法

1.1 研究區域

梨樹縣位于吉林省西南部，地處東經 123°45′～124°53′，北緯 42°49′～43°46′之間，總面積達 4 209km2，屬中型縣。梨樹縣居于東北大陸腹地，屬于溫帶半濕潤大陸性季風氣候，冬季漫長寒冷，夏季炎熱多雨，春季風沙較大，秋季氣候涼爽。年平均氣溫為5.8℃，年濕潤度為 0.7。0℃以上積溫為 3 477.9℃·d，平均全年日照時數為 2 698.5 h，無霜期平均為152 d，年降水量平均為 577.2 mm，主要集中在 6、7、8 三個月。熱量比較充足，雨量比較適中，且熱量與雨量同期，可滿足一年一熟農作物的生長需要。梨樹縣地處東遼河下游，東、北、西北為東遼河所環繞，地勢東南高西北低。東南部為低山丘陵，系長白山支脈大黑山余脈。中部為波狀平原，北部系低洼平原，地勢平坦，土質肥沃。全縣土地面積42.1 萬 hm2， 其中耕地面積23.4萬hm2，占55.6%，屬于以農業生產為主的平原縣。全縣 27個鄉鎮，337 個行政村，總人口 86 萬人，農業人口64 萬人。

本文在梨樹縣境內選擇高家村和金山村兩塊試驗田作為研究對象，其中高家試驗田是玉米覆蓋保護性耕作方式\\(2007 年開始\\)，金山村試驗田是傳統耕作方式\\(圖 1\\)。兩塊地的自然屬性相似，都是多年種植玉米的農田，因此可用來對比保護性耕作與傳統耕作對土壤養分空間變異性的影響。

1.2 數據采集與測試

2009 年 10 月\\(玉米收獲之后\\)分別在高家村、金山村用手動腳踏式直壓取土器進行土壤樣品的采集。運用“S”型 5 點采樣法采樣，網格采樣間距是40 m×40 m，采樣深度為 0～20 cm。高家和金山均采集 60 個土壤樣品，將從野外取回的土樣進行風干、磨細、過篩、混勻、裝袋處理，并對土壤養分中的堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質進行測試。采用重鉻酸鉀容量法測定土壤中有機質的含量,堿解氮的測定采用堿解擴散法，速效磷的測定采用 0.5mol/L NaHCO3浸提 - 鉬銻抗比色法，速效鉀的測定采用 1 mol/L NH4OAc 浸提 - 火焰光度法。

1.3 研究方法

運用 SPSS15.0 對每個地塊的土壤養分數據進行常規統計分析，描述地統計學分析的變量包括標準差、變異系數、偏度系數和峰度系數。變異系數\\(C.V\\)表示土壤特性空間變異性的大小，變異系數 C.V≤0.1 為弱變異性，0.1

利用 GS+ 軟件計算出高家和金山土壤養分的半方差模型，分析其決定系數，塊金值\\(Nugget\\)與基臺值\\(Sill\\)的比值和變程，進而分析其空間變異性。塊金值與基臺值的比值可以表明土壤養分的空間相關程度。該比值 <25%，說明系統具有較強的空間相關性，由自然因素引起的空間變異性較高，具有穩定的結構性；比值在 25%～75%之間，表明系統具有中等相關性，說明由隨機因素引起的空間變異性較高；比值 >75%，說明系統相關性很弱；如果該比值接近 1，則說明該變量在整個尺度上具有隨機性。最大相關距離即變程\\(Range\\)是指變異函數達到基臺值時，采樣點的間隔距離，它表明了土壤要素的空間自相關范圍，表示在某種觀測尺度下，空間相關性的作用范圍。在變程范圍內，樣點間的距離越小，其相似性越強，即空間相關性越大。

常用的空間插值方法有反距離加權插值、最近鄰點插值法、克里格插值方法、多元回歸法、徑向基函數法、線性插值三角網法、局部多項式法等，其中克里格插值方法是地學中常用的一種插值方法，是根據變異函數模型發展起來的一系列地統計的空間插值方法。本文用 ArcGIS9.3 的普通克里格插值對土壤養分進行插值，尋找土壤養分的空間變異規律。

2、 結果與分析

2.1 描述性統計特征值

土壤養分的描述性統計分析是建立空間變異性模型的前提，運用 SPSS15.0 對高家和金山土壤養分數據進行描述性統計分析\\(表 1\\)。

從變異系數對比可以看出，除金山傳統性耕作模式下土壤速效鉀的變異屬于弱變異強度外，其他農田土壤養分的變異都屬于中等變異強度。

不管是保護性耕作還是傳統性耕作方式，速效磷的空間變異最大，其次是有機質，再其次是堿解氮，速效鉀的空間變異最小。整體上看，保護性耕作土壤養分空間變異性較大，而傳統性耕作土壤養分空間變異性較小，主要是因為傳統性耕作方式受人類干擾較強，人類通過對農田大量施用化肥、進行秸稈回收等措施控制土壤養分，經過長期的干擾與控制，土壤養分的空間變異性逐漸減小，而保護性耕作主要利用秸稈還田、復耕等措施使土壤接近于自然狀態，土壤養分的空間變異較大。

2.2 空間結構性和相關性分析

利用 GS+ 軟件計算得到高家保護性耕作和金山傳統性耕作土壤養分的半方差模型及其擬合參數\\(圖 2，表 2\\)。

高家和金山土壤養分的塊金 / 基臺值均小于25%，說明土壤養分的空間變異都具有較強的空間相關性。保護性耕作方式下，速效鉀和堿解氮的空間結構性最強，有機質居中，速效磷的空間結構性最差。傳統耕作方式下，堿解氮的空間結構性最強，有機質和速效磷居中，速效鉀的空間結構性最差。

從保護性耕作和傳統性耕作土壤養分半方差模型的對比可以看出\\(圖 2，表 2\\)，保護性耕作模式下土壤養分的塊金 / 基臺值均小于傳統性耕作模式下土壤養分的塊金 / 基臺值，表明保護性耕作模式下土壤養分比傳統性耕作模式下土壤養分的結構性強，具有較強的空間自相關性，說明保護性耕作模式下土壤養分受成土母質、地形地貌、氣候等自然因素影響較大。傳統性耕作模式下，受施肥、作物品種、管理方式等人為隨機因素引起的空間變異性程度較大，結構性相對較差，空間自相關較弱，這也可以從最大變程看出，除速效磷外，傳統性耕作模式下的土壤養分的最大變程均小于保護性耕作模式下土壤養分的最大變程。

2.3 土壤養分的空間變異性

精準農業土壤養分空間變異圖的作用是根據土壤養分空間差異，劃分管理小區，指導精準施肥。

本文使用 ArcGIS 9.3 軟件，對高家保護性耕作模式和金山傳統性耕作模式的土壤養分進行克里格插值，得到土壤養分的空間變異圖\\(圖 3，圖 4\\)。本文將土壤養分含量分為 10 個等級，分析對比不同耕作方式下農田土壤養分空間變異性的差異性。

對比分析圖 3、圖 4 可以看出，高家保護性耕作模式下土壤養分的空間變異結構性較強，空間變異程度大，呈團塊狀分布。而金山傳統性耕作模式下土壤養分的空間變異結構性相對較差，空間變異程度小，呈垂直于壟向的條帶狀分布，這是由于這塊地的壟向是西北 - 東南走向，不同農戶間施用化肥量、作物品種、管理方式等不同造成的。

總之，保護性耕作受自然因素影響較大，而傳統性耕作受人為隨機因素影響較大。

3、 結論與討論

3.1 結論

\\(1\\)保護性耕作農田土壤養分的空間變異都屬于中等變異強度，保護性耕作土壤養分空間變異性明顯大于傳統性耕作土壤養分空間變異性。

\\(2\\)保護性耕作農田土壤養分具有較強的空間相關性，其中速效鉀和堿解氮的空間結構性最強，有機質居中，速效磷的空間結構性較差。保護性耕作模式下土壤養分比傳統性耕作模式下土壤養分的結構性強。除速效磷外，保護性耕作模式下土壤養分的最大變程大于傳統性耕作模式下土壤養分的最大變程。

\\(3\\)保護性耕作模式下土壤養分的空間變異程度大，呈團塊狀分布。而傳統性耕作模式下土壤養分的空間變異程度小，呈垂直于壟向的條帶狀分布。保護性耕作受自然因素影響較大，而傳統性耕作受人為隨機因素影響較大。

3.2 討論

本文采用描述性統計特征值的變異系數和地統計學的半方差模型對比分析了不同耕作方式下土壤養分的空間變異性。保護性耕作土壤養分的變異系數都大于傳統性耕作的變異系數，而半方差模型中的塊金 / 基臺值正相反，說明變異系數和塊金 / 基臺值有一定的相關性，變異系數越大，半方差模型的塊金 / 基臺值越小，即空間變異性越大，空間結構性越強。但這種相關性具有一定的適用范圍，如保護性耕作變異系數表明，速效磷的空間變異最大，其次是有機質，再次是堿解氮，速效鉀的空間變異最??；而半方差模型表明，速效鉀的空間結構性最強，其次是堿解氮，再次是有機質，速效磷的空間結構性最差，得出的結論應是空間變異性越大，空間結構性越差，得出完全相反的兩種結論。

古典的 Fisher 統計法和地統計學方法是研究土壤養分空間變異的兩種主要方法。Fisher 統計法的統計原理是假設研究的變量為純隨機變量，樣本之間是完全獨立。通過計算土壤養分的均值、標準差、變異系數以及進行顯著性檢驗來描述土壤特性的空間變異。該方法在土壤學研究工作中取得了一定的成功，但由于其基本上是定性的描述，只能概括土壤特性變化的全貌，不能把土壤局部的空間變異特性反映出來。國外的研究表明土壤特性也不像 Fisher 原理假設的那樣屬于純隨機變量，而是在一定的范圍內存在空間上的相關性。地統計學是既考慮樣本間的結構性，又考慮樣本間的隨機性的一種空間統計方法，具有較強的優越性，彌補了經典統計方法上的缺陷。因此地統計學的半方差模型比變異系數更能說明土壤養分的空間變異性，是研究土壤養分空間變異性的一種主要方法。

保護性耕作模式下土壤養分的空間變異大于傳統性耕作模式，而且結構性和相關性較強，說明精準施肥更適用于保護性耕作模式。保護性耕作和精準農業都是依靠先進的現代科學技術，通過農業機械化、規?；a，最大限度地優化使用各項農業投入\\(如化肥、農藥、水、種子和其他方面的投入量\\)以獲取最高產量和最大經濟效益，同時減少化學物質使用，保護農業生態環境，保護土地等自然資源，實現農業的可持續發展，因此二者有集成的基礎。保護性耕作和精準農業的有效集成是未來農業的主要發展趨勢之一。