【正文】 驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，我國(guó)化肥利用率較低，其中氮肥當(dāng)季利用率僅為 35%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國(guó)和日本的 60%70%，磷肥利用率為 10%20%，鉀肥利用率為 35%50%，全國(guó)缺鉀耕地面積占耕地總面積的 56%，而 20%30%的耕地氮素過量。這一方面浪費(fèi)大量的化肥資源，增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，降低生產(chǎn)效益，我國(guó)每公斤養(yǎng)分增產(chǎn)糧食在 80 年代前期為 kg，80 年代后期降至 kg，至 90 年代又下降至 kg。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的氮肥損失率約為 45%，每年損失的氮肥約 900 萬噸，折合人民幣 380 億元。另一方面大部分未被利用的養(yǎng)分通過滲漏或徑流直接進(jìn)入環(huán)境，大幅增加深層土壤硝態(tài)氮累積量，造成硝態(tài)氮淋溶而污染地下水，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境的安全。我國(guó)沉入河、湖的氮素約有 60%來自化肥，華北地區(qū)冬小麥夏玉米輪作體系中農(nóng)田每年氮素年輸入總量為 669 kghm2，年輸出總量為 583 kghm2，氮素年盈余量為 86 kghm2。在美國(guó)和荷蘭的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染中，農(nóng)田氮磷養(yǎng)分對(duì)水環(huán)境的污染占到 40%60%。因此，管理好土壤養(yǎng)分資源，高效利用化肥，是關(guān)系我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大科學(xué)技術(shù)問題，是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)亟待解決的重大課題。 土壤是一個(gè)空間連續(xù)體，具有空間變異性，土壤養(yǎng)分供應(yīng)與作物養(yǎng)分需求在空間上的不協(xié)調(diào)是限制作物高效利用養(yǎng)分的關(guān)鍵因素。研究農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間變異性，即將土壤養(yǎng)分特性值的空間變異復(fù)雜性定量化，不僅能改進(jìn)和創(chuàng)新土壤分類系統(tǒng)，提高土壤調(diào)查、制圖及田間小區(qū)試驗(yàn)精度，并為確定田間合理取樣尺度和取樣數(shù)目，為土壤過程的預(yù)測(cè)、模擬更接近農(nóng)田土壤變化的實(shí)際情況提供有效途徑；它能將空間作用在土壤以及土壤作物復(fù)合系統(tǒng)中各因子上的不同作用更形象生動(dòng)、更深入地呈現(xiàn)在人們眼前，使人們能夠更好地理解空間作用對(duì)土壤作物關(guān)系的重要性，而這些信息的定量化正是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)開展、實(shí)施不可或缺的基礎(chǔ)資料和理論依據(jù)，進(jìn)行土壤特性空間變異研究對(duì)推動(dòng)土壤科學(xué)定量化研究與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施具有重要意義。 二、土壤養(yǎng)分空間變異性 （一）土壤養(yǎng)分空間變異性的概念 土壤特性的空間變異是 1936 年由 Milne 首先提出來的。田間實(shí)際情況表明，土壤是一個(gè)不均一和變化的連續(xù)體，即使在土壤質(zhì)地、類型相同的區(qū)域內(nèi)，同一時(shí)刻土壤特性值（物理、化學(xué)、生物性質(zhì)等）在不同空間位置上也具有明顯差異。土壤養(yǎng)分的空間變異性是土壤特性空間變異的一個(gè)重要方面，對(duì)土壤養(yǎng)分空間變異規(guī)律的了解是管理好土壤養(yǎng)分的基礎(chǔ)和前提。 （二）土壤養(yǎng)分空間變異性的影響因素 土壤是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，土壤養(yǎng)分空間變異性是各種自然和人為因素長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)平衡作用的結(jié)果，其變異程度取決于土壤形成過程以及它們?cè)跁r(shí)間和空間上的平衡。空間變異來源包括系統(tǒng)變異和隨機(jī)變異兩種，系統(tǒng)變異是指由母質(zhì)、氣候、水文、地形、生物、時(shí)間、人類活動(dòng)等的差異引起的變異，表現(xiàn)出逐漸而顯著的變化，而隨機(jī)變異則指土壤特性變異中無法與己知的原因相關(guān)聯(lián)的變異，是由取樣、分析等的誤差引起的。因此，影響土壤養(yǎng)分空間變異性的因素可分為結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素。氣候、母質(zhì)、地形、土壤類型等自然過程可認(rèn)為是結(jié)構(gòu)性因素，可以導(dǎo)致土壤養(yǎng)分強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，是空間變異的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，有利于其空間變異結(jié)構(gòu)性的加強(qiáng)和相關(guān)性的提高，在較大尺度上更為明顯。而施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動(dòng)可認(rèn)為是隨機(jī)性因素，它們使土壤養(yǎng)分的空間自相關(guān)性減弱，使土壤養(yǎng)分的空間分布朝均一化方向發(fā)展，其在小尺度水平影響較強(qiáng)烈。 土壤母質(zhì)是土壤形成的基礎(chǔ)，不同類型母質(zhì)所含礦質(zhì)元素和承受風(fēng)化淋溶強(qiáng)度的差異往往導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的空間變異。土壤供應(yīng)養(yǎng)分的潛力也與土壤的原生礦物關(guān)系密切，一般來說，如果沒有人為因素的影響，母質(zhì)養(yǎng)分含量高，土壤中的養(yǎng)分含量也會(huì)較高。母質(zhì)差異在解釋土壤空間變異時(shí)較地形位置更重要。由于母質(zhì)差異而引起的變異也可能由于氣候條件等比較一致，經(jīng)過長(zhǎng)期比較一致的種植和管理后逐漸減小，形成表面上大致一致的區(qū)域，這一結(jié)果對(duì)在較大范圍內(nèi)進(jìn)行土壤養(yǎng)分分區(qū)管理是有利的。 氣候是影響土壤特性的基本因素，支配著成土的水熱條件，直接和間接地影響土壤形成過程的方向和強(qiáng)度，氣候的差異會(huì)對(duì)土壤空間變異產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。由于地球上的氣候條件經(jīng)常變化頻繁且復(fù)雜，大多數(shù)土壤都是各種成土過程交互作用的結(jié)果。如果一種氣候在土壤形成過程中長(zhǎng)時(shí)間起作用，也會(huì)導(dǎo)致土壤變異變得緩和。在熱帶濕潤(rùn)氣候下長(zhǎng)期的風(fēng)化可以降低土壤養(yǎng)分的空間變異，寒冷、干旱的氣候條件也有一定緩解變異的作用。 地形影響水熱條件和成土物質(zhì)的再分配，因而不同的位置有不同的土壤特性。目前的研究表明，地形因子如坡向、海拔、坡度等與土壤中水分的運(yùn)輸及物質(zhì)的運(yùn)移有著密切的聯(lián)系，因而與土壤養(yǎng)分的空間分布之間存在顯著的相關(guān)性，在相似的地形條件下，土壤特性趨于相似。在復(fù)雜的丘陵地區(qū)，OM（有機(jī)質(zhì)）、N（氮）、P（磷）、K（鉀）幾種大量元素與海拔呈顯著正相關(guān)，Ca（鈣）、Mg（鎂）、S（硫）與海拔呈負(fù)相關(guān)；N 與坡度呈顯著正相關(guān)，Ca 與坡度呈顯著負(fù)相關(guān)；OM、N、P 與坡向呈負(fù)相關(guān)，Ca、Mg 與坡向呈顯著正相關(guān)關(guān)系；而 K、S 與地形因子的相關(guān)性不顯著。地形是影響土壤 NO3N 的重要因素，而土壤 P 與地形的相關(guān)性則較差。地下水水位、排水、灌溉系統(tǒng)和微地形的差異可造成土壤養(yǎng)分強(qiáng)烈的空間相關(guān)性。 不同土壤類型的養(yǎng)分性質(zhì)差異顯著，往往能夠影響土壤養(yǎng)分的空間變異特征。西伯利亞大草原南部黑鈣土在150 m 步長(zhǎng)值下主要表現(xiàn)出 pH 和有機(jī)碳含量的空間變異特征，在150800 m 步長(zhǎng)值下粘粒、物理性粘粒和氮含量空間變異最大，栗鈣土在150 m 步長(zhǎng)值下主要表現(xiàn)粘粒、物理性粘粒和氮含量的空間變異特征，在 150800 m 步長(zhǎng)值下 pH 和有機(jī)碳含量的空間變異特征最明顯，其土壤養(yǎng)分特性的空間分布特征顯著不同。土壤類型是土壤微量元素產(chǎn)生變異的主要因素，即使在同一土壤類型內(nèi)土壤變量也有較強(qiáng)的空間變異。 人類活動(dòng)尤其是農(nóng)田作物管理措施對(duì)土壤養(yǎng)分的空間分布也有較大影響，而且這種影響越來越大。同一類型土壤的化學(xué)性狀具有很大程度的變異，而這種變異與人類施肥后的殘效有直接關(guān)系。美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤監(jiān)測(cè)中心經(jīng)過多年研究發(fā)現(xiàn)，確定農(nóng)田土壤采樣方案時(shí)應(yīng)該考慮取樣前包括化肥施用、機(jī)械耕作、農(nóng)田合并、作物輪作、作物品種、收獲和灌溉作業(yè)等在內(nèi)的農(nóng)田管理措施，這些管理措施對(duì)土壤肥力和作物產(chǎn)量的影響可能持續(xù)幾年甚至幾十年。白由路等將土壤養(yǎng)分分為兩大類：偏斜的養(yǎng)分有氮、磷、硫和硼，其它均為不偏斜養(yǎng)分，造成這種偏態(tài)的主要原因是施肥，營(yíng)養(yǎng)元素施用量越大，造成偏斜的程度越嚴(yán)重。Tsegaye 等研究發(fā)現(xiàn)，精耕細(xì)作對(duì)土壤測(cè)試值、植物生長(zhǎng)及其營(yíng)養(yǎng)吸收值的空間變異都有較大影響。在土壤免耕和肥料條施情況下，由于作物殘茬、相對(duì)不易移動(dòng)的磷鉀等肥料及養(yǎng)分殘留在土壤中分布的不均勻性增加，土壤肥力特性變異增大。 土地利用方式也能夠影響土壤養(yǎng)分的空間變異，它是土壤有機(jī)質(zhì)空間變異最關(guān)鍵性的因素。城市化進(jìn)程中，土壤磷素的積累和分布顯著發(fā)生變化，游耕農(nóng)業(yè)的土壤有機(jī)質(zhì)、磷、鉀、鋁的空間相關(guān)性與普通農(nóng)業(yè)土壤相比均有顯著變化，隨著人類活動(dòng)干擾程度的增加，土壤養(yǎng)分空間變異的外在驅(qū)動(dòng)力逐漸代替內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，城區(qū)和牧場(chǎng)的有機(jī)質(zhì)、全磷和 pH 值的空間變異與森林和未受人來活動(dòng)干擾的濕地顯著不同。菜地、水田土壤養(yǎng)分含量總體較高，而糧田、旱地和自然林下的土壤養(yǎng)分含量相對(duì)較低。 此外，土壤養(yǎng)分的空間變異還與前茬作物的種植利用方式有關(guān)，植被類型對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷空間分布都有重要影響，作物對(duì)養(yǎng)分的吸收、養(yǎng)分本身在土壤剖面中的淋洗及酸堿調(diào)節(jié)劑的應(yīng)用都會(huì)引起土壤養(yǎng)分的空間變異。 三、土壤養(yǎng)分形態(tài) 土壤養(yǎng)分形態(tài)按有效程度分為速效態(tài)養(yǎng)分水溶態(tài)有效小分子及礦質(zhì)離子、土壤膠體吸附的交換性離子；緩效態(tài)養(yǎng)分為易礦化的有機(jī)物中的養(yǎng)分、易風(fēng)化的礦物中的養(yǎng)分；遲效態(tài)養(yǎng)分為難風(fēng)化的礦物中的養(yǎng)分、難礦化的有機(jī)物中的養(yǎng)分。 （一）土壤中存在的化學(xué)形態(tài) 1. 水溶態(tài)養(yǎng)分：土壤溶液中溶解的離子和少量的低分子有機(jī)化合物 大部分無機(jī)鹽離子，K+，NO3，Ca2+ 2. 代換態(tài)養(yǎng)分：是水溶態(tài)養(yǎng)分的來源之一。 3. 礦物態(tài)養(yǎng)分：大多數(shù)是難溶性養(yǎng)分，有少量是弱酸溶性的（對(duì)植物有效）。 4. 有機(jī)態(tài)養(yǎng)分：礦質(zhì)化過程的難易強(qiáng)度不同。 （二）植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素吸收利用的難易程度 1. 速效養(yǎng)分：不經(jīng)轉(zhuǎn)化就可被植物直接吸收利用的養(yǎng)分。 2. 遲效養(yǎng)分：不能直接利用，只有經(jīng)分解轉(zhuǎn)化為速效態(tài)才能被植物利用的養(yǎng)分。 （三）作物有效性 1. 有效養(yǎng)分：能夠直接或經(jīng)過轉(zhuǎn)化被植物吸收利用土壤養(yǎng)分。 2. 速效養(yǎng)分：在作物生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)，能夠直接、迅速被植物吸收利用的土壤養(yǎng)分。 3. 無效養(yǎng)分：不能被植物吸收利用的土壤養(yǎng)分。 4. 土壤養(yǎng)分狀況：指土壤養(yǎng)分的含量、組成、形態(tài)分布和有效性的高低。 四、土壤養(yǎng)分的來源 土壤養(yǎng)分來源有土壤礦質(zhì)土粒風(fēng)化所釋放的養(yǎng)分；土壤有機(jī)質(zhì)分解釋放的養(yǎng)分；大氣降水帶入土壤的養(yǎng)分；施肥（包括化學(xué)肥料和有機(jī)肥料中的養(yǎng)分）；生物的作用，土壤微生物的固氮，植物根系對(duì)養(yǎng)分的富集；灌溉水中的養(yǎng)分等。 土壤養(yǎng)分的基本來源為礦物巖石， P、K、Ca、Mg、Fe、B、Mo、Cu、Mn、S等；土壤養(yǎng)分的主要來源為森林凋落物；土壤養(yǎng)分的其他來源：生物固氮、大氣降水、人工施肥、客土、灌溉等。雷電從氮到一氧化氮和二氧化氮，煙道排氣，含氮有機(jī)物質(zhì)的燃燒，銨化物的揮發(fā)。 五、土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與消耗 1. 養(yǎng)分的移動(dòng)方式：土壤中的養(yǎng)分必須遷移到根系表面才能被植物吸收利用。 （1）質(zhì)流：養(yǎng)分借助于根系吸收的水分而被運(yùn)輸?shù)礁档谋砻?。如ＮＯＣ?+、Ｍｇ2+ （2）擴(kuò)散：有些養(yǎng)分由于植物的強(qiáng)烈吸收，致使根系附近的濃度低于附近的土體，這些養(yǎng)分在濃度梯度力的推動(dòng)下，由高濃度的土體相低濃度的根系表面遷移。如K+等。 2. 養(yǎng)分形態(tài)的轉(zhuǎn)化：分為養(yǎng)分的有效化過程與養(yǎng)分的固定過程。3. 養(yǎng)分消耗分為土壤內(nèi)部復(fù)雜轉(zhuǎn)化過程；植物吸收利用；損失：淋失；氣態(tài)損失；侵蝕流失；人為活動(dòng)引起的損失。見圖24。NO3NOxNH4+4地下水腐殖質(zhì)微生物NO3NH4+NO3N2NOxNH3N2生物與非生物固氮濕沉降干沉降收獲枯枝落葉礦化固持硝化粘粒礦物可交換態(tài)固定態(tài)吸收淋 洗風(fēng)化固持氨揮發(fā)灌水施肥氣態(tài)損失 NH3 徑流施肥灌水發(fā)揮氨持固風(fēng)化淋 洗吸收固定態(tài)可交換態(tài)粘粒礦物硝化固持礦化枯枝落葉收獲干沉降濕沉降氮固物生非與物生N2NH3NOxN2NO3NH4+NO3微生物腐殖質(zhì)地下水4NH4+徑流氣態(tài)損失 NH3 圖24養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與消耗六、土壤中的大量元素土壤中存在著氮、磷、鉀及中、微量元素等多種養(yǎng)分。這些養(yǎng)分可以進(jìn)行循環(huán)和再利用。作物從土壤中吸收養(yǎng)分，又把根茬、秸稈等殘?bào)w中的養(yǎng)分歸還土壤，使微生物分解殘?bào)w，釋放出的養(yǎng)分又被作物吸收利用，進(jìn)行下一輪循環(huán)利用。（一）土壤氮素1. 土壤氮素的含量 土壤氮素的含量由于受很多因素影響，所以差異很大。～7 g/kg之間變化，耕作土壤全氮含量在1～2 g/kg之間變化。一般以東北黑土的含氮量為最高，由北向南，土壤氮素含量呈高一低一高變化；由東向西，土壤氮素含量則逐漸降低；表土全氮含量高、心土和底土全氮含量低。 影響土壤全氮含量的因素有氣候、植物種類、地形、質(zhì)地及人類的耕作栽培技術(shù)等。在土壤溫度相同的情況下，土壤濕度增加，土壤氮素含量增加；在土壤濕度相同的情況下，土壤溫度增加，土壤氮素含量降低。不同植物種類對(duì)氮素的積累有不同影響，如豆科作物的氮素含量比禾本科作物要高。一般情況下，山地北坡土壤氮素含量高于南坡，水田土壤氮素含量高于旱田。2. 土壤氮素的形態(tài)及有效性土壤中的氮素包括有機(jī)態(tài)氮和無機(jī)態(tài)氮兩種形態(tài)，通常有機(jī)氮占土壤氮的95%～99%，是土壤氮的主要存在形式，必須通過土壤微生物的作用轉(zhuǎn)化為無機(jī)態(tài)氮，才能被作物吸收利用。無機(jī)態(tài)氮占土壤全氮的1%～5%，可以直接被作物吸收利用。土壤氮素的存在形式及有效性見表24。表25 土壤氮素的存在形式及有效性土壤氮素的形態(tài)存在形式特點(diǎn)有效性有機(jī)態(tài)氧水溶性有機(jī)氧 水解性有機(jī)氮非水解性有機(jī)氮結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易水解。在酸、堿或酶作用下可水解 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不水解有效部分有效無效無機(jī)態(tài)氮銨態(tài)氮硝態(tài)氮水田全部是銨態(tài)氮旱田主要是硝態(tài)氮有效有效（1）土壤氮的來源。土壤中的氮共有四個(gè)來源：一來自大氣，二來自降雨，三來自施肥和灌溉，四來自動(dòng)植物殘?bào)w。來自大氣的氮主要是通過土壤中的固氮微生物固定，轉(zhuǎn)變?yōu)樯锏?。有些固氮微生物與農(nóng)作物共生固氮，可以提供作物生長(zhǎng)發(fā)育所需全部氮量的40%～60%。來自降雨的氮主要是由于雷電的作用，使大氣中的氮被氧化成化合物，這些化合物被雨水溶解后，隨著降雨進(jìn)入到土壤中。向土壤中施用有機(jī)肥和化學(xué)氮肥可以明顯提高土壤的供氮能力，這也成為農(nóng)田土壤氮的重要來源；進(jìn)入水體中的氮可以隨著灌溉水進(jìn)入農(nóng)田土壤中；來自動(dòng)植物殘?bào)w的氮大部分是有機(jī)氮。（2）土壤氮的去向。土壤中的氮在土壤中進(jìn)行著復(fù)雜的轉(zhuǎn)化過程，或者被生物吸收，或者再回到大氣中，或者進(jìn)入水體中，其主要去向有以下幾種。① 有機(jī)氮的礦化。土壤中的有機(jī)氮必須經(jīng)過土壤微生物的分解，產(chǎn)生無機(jī)的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，才能被作物吸收利用。有機(jī)氮礦化需要多種微生物，如細(xì)菌、真菌和放線菌等共同作用才能完成。② 硝化作用。在旱田通氣狀況良好時(shí)，土壤中氧氣含