土壤养分的空间特征与变化研究是进行区域土壤质量评价和生态环境评价的重要基础。关中地区是中国北方重要的小麦和玉米产区,陕西省的粮食主产区和重点建设地区。近年来,该区粮食产量、主要农作物单产及农业生产总值比重呈下降趋势,盲目、不合理施肥现象突出,肥料效益低,农业生产能力受到严重制约,也加剧了地表水体的富营养化趋势。本研究立足于关中地区整个区域尺度,在陕西省耕地地力调查与质量评价项目和测土配方施肥项目的支持下,基于高密度采样数据(2009-2012年),采用经典统计学、数理统计学、地统计学和GIS技术相结合方法,研究该区耕地土壤大量元素养分(有机质,全氮,速效氮、磷和钾)和微量元素(有效态铁、锰、锌和铜)的空间变异特征、区域分布规律及其影响因素;与1980s第二次土壤普查数据、资料相比较,分析近30年来土壤养分的时空变化规律、特征及存在的问题;在土壤养分研究的基础上,结合随机抽样法探讨区域采样数量(间距)对土壤养分空间变异性的影响及其合理的采样数量;结合模糊数学法、专家经验法等开展土壤养分肥力评价研究。研究结果可为区域耕地分区管理、耕地质量及生产潜力的综合评价、土壤采样设计等提供科学依据,为区域实施精准农业战略、农田生态环境保护、农业结构调整等宏观决策提供理论和实践指导。本研究取得的主要成果如下:(1)现阶段关中地区耕地土壤大量元素养分中有机质多集中于10~20 g/kg,全氮0.58~1.25 g/kg,速效氮45~90 mg/kg,速效磷10~30 mg/kg,速效钾120~200 mg/kg,平均含量依次为14.91 g/kg,0.84 g/kg,69.36 mg/kg,21.43 mg/kg和169.66 mg/kg,分别处于陕西省土壤养分分级标准的第5、5、4、3、2级。微量元素中有效铁多集中于5.0~10 mg/kg,有效锰5~20 mg/kg,有效锌0.5~2.0 mg/kg,有效铜1.0~1.5 mg/kg,平均含量依次为7.67 mg/kg,11.10 mg/kg,1.30 mg/kg和1.39 mg/kg,分别处于土壤养分分级标准(5级)的第3、3、4、4级,均高于陕西省及全国的缺素临界值。土壤养分比值中,碳/氮比多集中于8~12,平均比值为10.87,略高于中国农田平均水平(10);速效氮/磷比多集中于1~6,平均比值4.31,高于作物适宜的水平(2~3),土壤氮、磷比例失调现象突出。土壤养分及其比值的变异系数均属中等变异强度,以速效氮/磷比(74.87%)最大,大量元素养分中以速效磷(55.46%)最大,微量元素中以有效铁(64.94%)最大。土壤养分间普遍存在相关性,其中有机质与全氮、速效氮,有效铜和有效锌的相关性较强。(2)关中地区及地貌分区(渭北高原和关中平原)中,土壤养分的块金系数0.25~0.75,均属中等强度的空间相关性;分维数1.886~1.947;全局Moran’s I指数0.154~0.387,均具有极显著的空间自相关性(P<0.01),表现出明显的空间聚集特征。全区大量元素中速效氮的空间结构性较好,有机质和速效磷的空间变异性较强,速效钾的空间结构特征较为复杂;微量元素的空间相关性整体高于大量元素,其中有效锌和有效锰的空间相关性较强。地域上,渭北高原区土壤养分的空间自相关性、空间结构连续性不及关中平原区;关中平原区土壤速效氮、磷的空间异质性较渭北高原区高。(3)关中地区土壤养分随地貌类型由北向南增加趋势明显,东西方向变异性强、呈西高东低格局;大量元素养分在关中平原南部至秦岭山区空间含量连续性较强、等级梯次变化明显,微量元素在中部多呈碎斑状分布,南北多呈片状。该区约30%的耕地缺乏速效氮,46.91%的耕地对小麦和30.10%的耕地对玉米缺乏速效磷,不足5%的耕地缺乏速效钾,72.05%的耕地中土壤速效氮、磷比例失调;11.48%的耕地缺乏有效铁,5.95%的耕地缺乏有效锰、39.67%的耕地缺乏有效锌。(4)关中地区土壤养分含量与坡度、海拔等地形因子,年均降水量、积温、日照时数等气候因子间存在极显著的相关性(P<0.01),表现出随地形起伏的增大而减少,随降水量、积温的增加而增加的规律;与距城区、水系沟渠及主干道路的距离为代表的人为因素间呈极显著的负相关性(P<0.01),表现出近距离区含量高、远距离区含量低的规律;在不同地貌类型、土壤类型间存在显著性差异(P<0.05)。该区土壤养分主要受地形地貌、气候和土壤性质等自然因素和施肥、灌溉、种植模式等人为活动共同作用。自然因素中以气候因子(积温、日照时数等)相关性最强,地貌类型间的差异性最大;在自然因素的基础上,人为活动及其地理区位导向作用对关中地区土壤养分的分布起着更为重要的影响,表现为原低值的养分指标(如速效磷、有效锌、锰)与人为因素间的相关性更强,养分原低值区变化快、原高值区变化慢,近城区增速较高等,其在模糊了土壤质地等因素作用的同时,又增大了地形地貌间的差异,从而在一定程度上增强了土壤养分(如速效磷等)的空间结构性特征。(5)30年来,关中地区耕地土壤养分含量整体上有不同程度的增加,速效磷增速最快,达197%,有效锌次之,为130%,有效锰80%,速效钾有增有减、整体略有增加(6.93%),其余养分增幅30~50%;变异系数整体呈下降趋势。土壤养分的初始值显著影响着土壤养分的空间格局演变。土壤养分普遍呈现出原低值区含量升高且增速较快,原高值区含量增速较慢或略有降低,近城区增速较快的变化规律,养分等级由两端向中间级别靠拢,含量整体向区域均匀化方向发展。土壤养分比值中,碳/氮比呈增加趋势,速效氮/磷比呈下降趋势且原高、低比值区发生逆转。空间分布上,1980s时期土壤养分空间等级变异性强、镶嵌结构较突出,2010s时期空间等级区域化分异明显,多与行政区划、地貌分区一致;中部的关中平原区增速整体高于南、北部地区。人为施肥力度及侧重方向、秸秆还田、灌溉、种植模式、政策导向等是影响该区土壤养分时空变化的重要因素,地理区位也起着重要的作用。(6)土壤养分的空间变异性具有明显的尺度效应。以关中平原区为例,随采样数量的减少、采样间距的增大,土壤养分含量的极差缩小,其变异系数、块金系数、分维数与采样数量(间距)间存在极显著的相关性,土壤有机质和速效钾的空间变异性特征增加,土壤速效氮和速效磷的空间结构性特征增加。土壤养分的空间自相关性(全局Moran’s I)均随采样数量的减少、采样间距的增大而减弱,标准化Z值在平均采样间距3000 m后明显趋平。采样数量的减少在一定程度上增加了Kriging估值的平滑效应,使得预测的极差、标准差减小、变异系数下降。基于地统计学Kriging方法研究时,该区土壤有机质样本数不应低于2460个,速效氮不应低于2271个,速效磷不应低于2989个,速效钾不应低于2972个;进一步同时满足原始数据的空间结构稳定性及插值精度时,较为合理的采样数量为有机质4806个,速效氮10835个,速效磷14261个,速效钾9076个。Cochran最佳采样数量计算法不适用于大尺度区域,盲目的使用会造成采样点数量严重不足、代表性较差,无法构建准确、稳定的半方差结构,进而造成Kriging插值结果严重失真。样点的布局也是影响空间结构特征及插值精度的重要因素。(7)在采样数量相同,主、辅变量空间结构特征及空间相关距一致时,以有机质为辅助变量的协同克里格法适用于耕地土壤全氮的空间估值研究。该方法相较单变量的普通克里格法更优,以长安区为例,在全氮的取样数量减少至85%(548个)时仍能保持土壤全氮初始全部样点(645个)中的空间结构特征及其插值精度。该方法不仅能够构建更为准确、稳定的半方差函数,提高空间估值精度,同时能提供更多的局部变异信息,但其不适用于进行栅格比值运算获取土壤碳氮比。主、辅变量空间相关距的差异是影响协同克里格法应用的重要因素。(8)关中地区土壤养分肥力评价中,土壤p H值的参与会使得土壤肥力水平相对均匀集中,掩盖了局部变异特征,以产量相关性检验,其评价结果不理想,土壤p H不适于参评;专家经验法确定的权重值相较相关系数法更为合理。关中地区耕地土壤养分肥力整体属中等偏上水平,I级地10.32%,Ⅱ级地22.85%,Ⅲ级地24.08%,Ⅳ级地33.14%,Ⅴ级地9.61%;空间整体呈南高北低、西高东低格局。土壤养分肥力的区域分异与地貌类型密切相关。