節(jié)水灌溉條件下稻田土壤肥力分布規(guī)律研究

萬玉文

摘要：為研究節(jié)水灌溉條件下灌區(qū)稻田土壤肥力分布規(guī)律，以我國南方水稻節(jié)水灌區(qū)湖北省漳河灌區(qū)的稻田土壤為研究對象，分a層0～25cm、b層25～50cm兩個(gè)取樣深度鉆取土樣，并進(jìn)行肥力指標(biāo)的分析。結(jié)果表明：各向同性條件下，a層的速效鉀、pH值相關(guān)性弱，其余的屬中等相關(guān)，b層四個(gè)指標(biāo)均屬中等相關(guān)；各向異性條件下，各指標(biāo)的系統(tǒng)內(nèi)的總變異有明顯加強(qiáng)，系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性屬中等強(qiáng)度?？肆⒏穹ú逯祱D表明，a層的堿解氮、速效磷含量明顯高于b層，且比b層分布均一，隨著深度的增加，含量有所降低；a層堿解氮、速效磷在系統(tǒng)內(nèi)的總變異性大于b層，但pH值沒有明顯的變化。本研究可以為探索節(jié)水灌溉技術(shù)與優(yōu)化施肥技術(shù)相結(jié)合，促進(jìn)節(jié)水、減污、增產(chǎn)提供參考。

關(guān)鍵詞：水稻灌區(qū)；土壤肥力；空間變異；半方差

中圖分類號：S158.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文童編號：1003-4374（2012）03-O-0005-07

1、研究背景

土壤是不均一和變化的連續(xù)體，即時(shí)空連續(xù)變異體。田間實(shí)際情況表明，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，這種屬性稱為土壤特性的空間變異性。作為土壤特性主要指標(biāo)的土壤肥力的空間變異也是普遍存在的，而且比較復(fù)雜，成土母質(zhì)、地形、人類活動(dòng)等對土壤肥力的空間變異均有較大影響。對土壤特性，尤其是土壤肥力空間變異的充分了解是管理好土壤肥力和合理施肥的基礎(chǔ)。本文以典型水稻節(jié)水灌區(qū)漳河灌區(qū)的稻田土壤為研究對象，分析其肥力的空間變異性，確定土壤肥力特性，對促進(jìn)節(jié)水、減輕農(nóng)業(yè)面源污染，合理管理土壤養(yǎng)分，優(yōu)化施肥，提高水稻產(chǎn)量和質(zhì)量具有重要意義。

2、材料和方法

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

湖北省漳河灌區(qū)是一個(gè)大型灌區(qū)，灌區(qū)實(shí)施較嚴(yán)格的節(jié)水灌溉管理制度。本試驗(yàn)區(qū)位于該灌區(qū)團(tuán)林鎮(zhèn)雙碑八組內(nèi)一塊面積為11.79萬m²的水稻區(qū)（東經(jīng)112°10.6°～112°10.8°，北緯30°51.4°～30°51.7°），區(qū)域內(nèi)地勢北高南低，東西高中間低，平均海拔高程為96m。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，區(qū)域內(nèi)共有132塊農(nóng)田，絕大部分田塊種植水稻，種植制度為水稻一油菜/小麥一年兩熟，灌溉制度采用淺、濕、曬節(jié)水灌溉技術(shù)。試驗(yàn)區(qū)田塊分布如圖1。

2.2 土樣采集與分析

2010年5月上旬至中旬對試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行土樣采集。對該區(qū)內(nèi)的每一塊自然田塊進(jìn)行定點(diǎn)取樣，采用人工土鉆取樣，然后用GPS定位。采樣分兩個(gè)土層深度進(jìn)行：（a）上層0～25cm，（b）下層25～50cm，共采集104個(gè)上層土樣和104個(gè)下層土樣，取樣點(diǎn)分布如圖2。

土樣經(jīng)風(fēng)干、磨碎及過篩后，進(jìn)行理化性質(zhì)的測定。有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定、總氮采用半微量凱氏法測定、總磷采用H2S04-HCl04消化一鉬銻抗比色法測定、堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定、速效磷采用0.5mol/L NaHCO，浸提一鉬銻抗比色法測定、速效鉀采用醋酸銨浸提一火焰光度法測定、pH值采用電位法測定。

2.3 研究方法

首先用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對試驗(yàn)區(qū)2010年采樣點(diǎn)進(jìn)行常規(guī)的統(tǒng)計(jì)分析，再通過GS+中的Punctual Kriging方法進(jìn)行空間插值，利用Surfer8.0軟件生成的grid插值圖，結(jié)合2010年的試驗(yàn)區(qū)位置圖進(jìn)行空間分析模塊Spatial Analyst的疊加，得到土壤肥力指標(biāo)的插值變化圖，進(jìn)而分析土壤在橫向和縱向上微小尺度下的肥力分布差異，得出試驗(yàn)區(qū)內(nèi)稻田的肥力分布規(guī)律。

3、結(jié)果和分析

3.1 試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤肥力指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)特征

運(yùn)用SPSS17.0對研究區(qū)內(nèi)的a、b層土壤的有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷、堿解氮、速效磷、速效鉀、pH值進(jìn)行了描述性統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1、表2所示。

由表1中7種肥力指標(biāo)的變異系數(shù)對比可知，各樣點(diǎn)速效磷變異最大，其變異系數(shù)為62%，呈中等強(qiáng)度變異性；pH值變異最小，其變異系數(shù)只有4%，變異強(qiáng)度弱；其他幾個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)都在20%左右。說明該區(qū)表層土壤中的速效磷在水平空間上的變化很大，而pH值基本維持在同一狀態(tài)，土壤略偏酸性。其余幾個(gè)指標(biāo)在水平空間上同樣具有變異性，但變化程度不大。

由表2可知，7個(gè)肥力指標(biāo)的變異系數(shù)同樣是速效磷最大，具有強(qiáng)變異性；pH值的CV值最小，變異強(qiáng)度弱；其余各指標(biāo)屬中等變異強(qiáng)度。這與本地區(qū)土壤類型和土壤質(zhì)地有關(guān)。

由表1與表2對比可知，土壤肥力縱向空間上也具有變異性。沿垂直方向向下，堿解氮的含量有明顯的減少，速效鉀最大值有明顯增大，最小值有所減小，其余各因子含量均有不同程度的減少，土壤的pH值變化不大，下層土壤呈中性。該區(qū)的7個(gè)土壤肥力因子中除pH值外，其余6個(gè)都是下層的變異性大于上層，尤其是速效磷的變異系數(shù)變化較大，已超出了1。原因是下層土壤各指標(biāo)值較之于上層偏小，所以同樣的濃度變化對下層土壤引起的變異性更大。

3.2 半方差分析法測定試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤肥力空間變異性

半方差分析是為了明確土壤肥力各指標(biāo)的區(qū)域變量在距離與方向上不同的所有成對點(diǎn)之間的觀測值的空間相關(guān)性。對試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤變異性的分析也分為在土壤各向同性條件下的變異函數(shù)分析和在土壤各向異性條件下變異函數(shù)分析。

土地統(tǒng)計(jì)學(xué)中用來擬合實(shí)際變異曲線圖的理論模型有很多種，如球狀模型、指數(shù)模型、高斯模型、線性有基臺臺值模型和線性無基臺值模型等。而在擬合過程中，具體采用哪種模型，需要根據(jù)判斷選擇最優(yōu)擬合模型，即先考慮決定系數(shù)R²的大小，其次考慮殘差RSS的大小，最后再考慮變程和塊金值的大小來判斷不同的理論模型在擬合實(shí)際變異曲線圖時(shí)的優(yōu)劣程度。一般選取決定系數(shù)（R2）最大，殘差（RSS）最小的模型，此模型即為最佳模型。

3.2.1 土壤肥力指標(biāo)的正態(tài)檢驗(yàn)利用半方差分析法計(jì)算變異函數(shù)一般要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布或近正態(tài)分布（偏度值在-1～1之間），否則可能存在比例效應(yīng)，會使實(shí)驗(yàn)方差函數(shù)產(chǎn)生畸變?，F(xiàn)采用SPSS17.0軟件的K-S檢驗(yàn)，對試驗(yàn)區(qū)的a、b層土壤進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)a層的速效磷不服從正態(tài)分布，其余6個(gè)指標(biāo)服從正態(tài)分布；b層除pH值外，其余的6個(gè)指標(biāo)均不服從正態(tài)分布。因此在對這幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行變異函數(shù)計(jì)算時(shí)須進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換，再分析其分布是否服從正態(tài)分布，分布檢驗(yàn)結(jié)果如表3、表4所示。

由表3和表4可知，經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后，a層土壤的7個(gè)肥力指標(biāo)均服從正態(tài)分布.b層的有機(jī)質(zhì)、TN、TP不服從正態(tài)分布，堿解氮、速效磷、速效鉀均服從正態(tài)分布。服從正態(tài)分布的指標(biāo)均能用半方差分析法得到其變異函數(shù)。

3.2.2 各向同性條件下的變異性分析 半方差分析是通過分析半方差函數(shù)來進(jìn)行的，半方差函數(shù)是描述土壤性質(zhì)空間變異的一個(gè)函數(shù)，反映不同距離的觀測值之間的變化，表示一定范圍內(nèi)的變量屬性的空間依賴性。通過半方差函數(shù)，結(jié)合地統(tǒng)計(jì)軟件GS+for windows可以得到在各向同性下a層、b層土壤肥力指標(biāo)的參數(shù)值，如表5、表6所示。

通過各理論模型的決定系數(shù)和殘差可以看出，用指數(shù)模型來模擬a層的TN、速效磷以及用半球模型模擬pH值的空間變異分布效果較好，其它的4個(gè)指標(biāo)模擬效果不佳；b層半球模型模擬堿解氮、指數(shù)模型模擬pH值的空間變異分布效果較好，速效磷和速效鉀模擬模型較差。

從表5、表6可以看出：①塊金值是半方差函數(shù)在原點(diǎn)處的數(shù)值，表示在小于最小取樣尺度引起的土壤隨機(jī)變異和測量分析過程中引的誤差，較大的塊金值，說明較小尺度上的某種過程不容忽視，如a層的堿解氮、速效鉀、速效磷，b層的堿解氮；②基臺值表示系統(tǒng)內(nèi)的總變異，所以基臺值越高表示系統(tǒng)總的空間變異性越大，a層的空間變異性是堿解氮>速效轔>速效鉀>有機(jī)質(zhì)>pH值>TN>TP，b層的是速效鉀>堿解氮>速效磷>pH值；③變程是指半方差達(dá)到基臺值時(shí)的樣本間距，代表了各變異點(diǎn)之間存在相關(guān)的最大間距，在這里變程的單位是度（位置是以經(jīng)緯度定位的）；④塊金值與基臺值的比值可以表明系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性的程度。當(dāng)比值小于25%時(shí)，說明系統(tǒng)變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；當(dāng)比值在25%與75%之間，說明系統(tǒng)變量具有中等的空間相關(guān)性；大于75%時(shí)說明系統(tǒng)變量相關(guān)性很弱。從而得到a層的速效鉀、pH值相關(guān)性弱，其余的屬中等相關(guān)；b層4個(gè)指標(biāo)均屬中等相關(guān)。

因?yàn)橄到y(tǒng)的空間變異包括結(jié)構(gòu)變異和隨機(jī)變異，結(jié)構(gòu)性因素至少包括氣候、母質(zhì)、地表、土壤類型等可以導(dǎo)致土壤肥力強(qiáng)的空間相關(guān)性；隨機(jī)性因素有施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動(dòng)使土壤肥力的空間自相關(guān)性減弱，朝均一化發(fā)展。所以在湖北漳河水稻灌區(qū)，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤a、b層均具有中等或弱相關(guān)性（即較強(qiáng)的變異性）很大程度是人為造成的。

3.2.3 各向異性條件下的變異性分析 各向異性是指變異函數(shù)的變量在空間方位上有變化時(shí)要考慮在不同方向上的變化。分析方法與各向同性條件下的相同，不同的是要分析0°、45°、90°、135°、180°四個(gè)方向上的變異函數(shù)，得到四個(gè)方向不同的模型，其相關(guān)參數(shù)如表7、表8所示。

綜合表5～表8可知，在各向異性條件下，對于a層各指標(biāo)的塊金值都明顯大于在各向同性條件下的塊金值，說明在各向異性條件下，較小尺度上的某種過程是不容忽視的；同樣較之于各向同性，各指標(biāo)的基臺值也有大幅度的增大，說明在此條件下各指標(biāo)的系統(tǒng)內(nèi)的總變異有明顯加強(qiáng)，各指標(biāo)的總變異性強(qiáng)弱關(guān)系與各向同性相同。塊金值與基臺值之比與各向同性相比，TN、pH值有很小的增加，其余均有減小，但在各向同性和各向異性條件下的比值均處于同一區(qū)間，系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性屬中等程度。b層較之與各向同性條件下，速效磷、速效鉀的塊金值有較大增加，堿解氮減小，pH值沒有變；基臺值均增加了，各指標(biāo)總變異性在各向異性條件下都增加了，變異強(qiáng)度的順序與各向同性相同。但兩者的比值變化不大，系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性屬中等強(qiáng)度。

3.3 克立格法插值圖分析

克立格法（Kriging）是利用區(qū)域化變量原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)性，對沒有采樣點(diǎn)的區(qū)域化變量的取值進(jìn)行線性無偏量最佳估值的方法。它是根據(jù)待估樣點(diǎn)有限鄰域內(nèi)若干已測的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，在認(rèn)真考慮樣點(diǎn)形狀、大小和空間相互位置關(guān)系、它們與待估樣點(diǎn)相互空間位置關(guān)系，以及變異函數(shù)提供的結(jié)構(gòu)信息之后，對該待估樣點(diǎn)進(jìn)行的一種線性無偏最優(yōu)估計(jì)。Kriging插值圖，可以以更為直觀的方式展示相同指標(biāo)在不同深度上的差別與預(yù)測在非精確程度上的變化趨勢。但如果變異函數(shù)和相關(guān)分析表明土壤肥力變量不存在空間相關(guān)系時(shí)，就不能用Kriging插值了，所以這里只給出了a、b層的堿解氮、速效磷、pH值的插值圖（見圖3）。

由圖3可知，a層的堿解氮、速效磷含量明顯高于b層，且比b層分布均一，隨著深度的增加，含量有所降低；a層堿解氮、速效磷在系統(tǒng)內(nèi)的總變異性大于b層，但pH值沒有明顯的變化。主要是因?yàn)樯蠈樱╝層）土壤更易受外界因素的影響，包括：農(nóng)田施肥、灌溉、耕作等，尤其是對速效磷的影響更加明顯，而pH值變化不大是因?yàn)閷τ跉夂虬霛駶櫟暮钡貐^(qū)，在同一尺度上pH值基本不變，一般呈中性。

4、結(jié)論

4.1 根據(jù)上述分析，得出淺、濕、曬節(jié)水灌溉條件下試驗(yàn)區(qū)內(nèi)稻田土壤的肥力分布規(guī)律：a層的有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷、堿解氮、速效磷含量明顯高于b層，且比b層分布均一，隨著深度的增加，含量有所降低；a層堿解氮、速效磷在系統(tǒng)內(nèi)的總變異性大于b層，但pH值沒有明顯的變化。

4.2 隨著土壤深度的增加，各肥力指標(biāo)總的空間變異性越小，越不容易受外界人類活動(dòng)的影響，說明人為因素是影響空間變異性的主要因素。除此之外土壤肥力的強(qiáng)弱，及有效化程度與作物生長的關(guān)系十分密切，它不僅與土壤的潛在養(yǎng)分含量多少有關(guān)，還取決于土壤水、氣、熱狀況和微生物活動(dòng)。

4.3 通過半方差分析用合理的模型進(jìn)行模擬，制作土壤肥力分布圖來指導(dǎo)施肥，準(zhǔn)確估算，可以實(shí)施科學(xué)的田問施肥管理。本研究對于探索節(jié)水灌溉技術(shù)與優(yōu)化施肥技術(shù)相結(jié)合，促進(jìn)節(jié)水、減污、增產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)的意義。