李騰,韓迎春,熊世武,王占彪,李小飛,王國(guó)平,王康麗,李亞兵
(棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所,河南安陽(yáng)455000)
空間異質(zhì)性是指變量在空間上的不均勻性和復(fù)雜性,表現(xiàn)為系統(tǒng)的綴塊性和環(huán)境的梯度變化[1]。1995年,Li等[2]提出一個(gè)定量的、便于描述和應(yīng)用的空間異質(zhì)性的概念,即“空間異質(zhì)性定義為所研究的系統(tǒng)特性在空間上的復(fù)雜性和/或變異性”。空間異質(zhì)性廣泛存在于生態(tài)系統(tǒng)中,其普遍性和重要性已毋庸置疑[3]。土壤作為時(shí)空連續(xù)的生態(tài)系統(tǒng),其形成受母質(zhì)、氣候、生物、地形及人為因素共同作用,這些因素在時(shí)空上具有不一致性;因此,土壤是具有高度時(shí)空變異的連續(xù)體[4],不論在大尺度上還是在小尺度上,土壤的空間異質(zhì)性均存在[5]。土壤養(yǎng)分的空間分布格局是土壤空間異質(zhì)性的具體表現(xiàn)[6]。土壤速效磷是土壤養(yǎng)分資源中最基本的屬性之一,其豐缺程度及分布形態(tài)直接決定著土壤的肥力狀況。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)不同尺度和不同區(qū)域的土壤養(yǎng)分進(jìn)行了空間異質(zhì)性研究[7-10]。80年代以來(lái),我國(guó)一些學(xué)者沿用歐美等國(guó)家提出的理論和技術(shù)體系,針對(duì)土壤養(yǎng)分的空間變異開(kāi)展了大量有意義的研究,研究主要分為兩大方面,第一,在空間大尺度下,針對(duì)不同的森林、坡地,不同土地利用方式以及不同地質(zhì)地貌等條件,開(kāi)展土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性研究,如:已有學(xué)者在空間大尺度范圍下對(duì)喀斯特地區(qū)的不同土壤速效磷的空間異質(zhì)性進(jìn)行了一系列的研究[11-16],研究結(jié)果顯示,地形因子、植被類(lèi)型、海拔高度、坡向等都是土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的影響因素,而且不同的養(yǎng)分元素的空間異質(zhì)性在不同的生態(tài)環(huán)境下受上述影響因素的影響不同;第二,在空間小尺度下,針對(duì)土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性及其分布情況的相關(guān)研究主要在草原生態(tài)系統(tǒng)中開(kāi)展,如呂貽忠等[17]在較小取樣尺度下,采用網(wǎng)格取樣法采樣,研究鄂爾多斯沙地不同植被群落對(duì)小尺度土壤養(yǎng)分空間變異的影響,其研究結(jié)果為灌叢植被能夠有效地聚集有機(jī)質(zhì)、速效磷等養(yǎng)分元素,從而形成一個(gè)以灌叢植被為中心,向外含量逐漸降低的“肥力島”;白永飛等[18]在2×2 m2的取樣尺度下對(duì)內(nèi)蒙古高原4類(lèi)地帶性針茅草原群落下的土壤水分、碳、氮進(jìn)行了空間異質(zhì)性分析,4類(lèi)地帶性針茅草原群落的土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性不同,土壤屬性空間自相關(guān)尺度的改變可能是導(dǎo)致群落演替的驅(qū)動(dòng)力。以上研究大多在自然生態(tài)系統(tǒng)中開(kāi)展,針對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)下的中、小尺度的土壤養(yǎng)分空間分布特征研究相對(duì)不足。
兩熟種植是指在同一土地上同時(shí)種植兩種或者兩種以上作物的種植方式[19],其最大特點(diǎn)是能夠充分利用地上部的光熱資源,充分挖掘和利用地下部水分、養(yǎng)分資源,強(qiáng)化農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[20]。土壤磷作為土壤養(yǎng)分的重要指標(biāo)之一,其空間分布在水平和垂直的方向上都具有變異性,這種變異性同樣受土壤母質(zhì)、地形特征、氣候因素、植被類(lèi)型和土地利用方式等各種自然因素和人為因素的影響[21],其中,土地利用方式是影響最快和最直接的因素[22]。在不同的種植模式下,由于不同的作物對(duì)土壤速效磷的吸收利用的時(shí)期以及作物根系長(zhǎng)短不同,導(dǎo)致土壤速效磷的空間分布產(chǎn)生差異。同時(shí),土壤磷不僅是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素,也是影響區(qū)域水體生態(tài)環(huán)境的重要屬性,因此,研究其時(shí)空變異特征對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建等具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義,以實(shí)現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的和諧和可持續(xù)發(fā)展[23]。因此,對(duì)小尺度下的農(nóng)田土壤AP的空間分布進(jìn)行研究有重要的意義。
本研究以不同麥棉種植模式下的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)田為研究對(duì)象,以空間網(wǎng)格取樣法取樣,首先以半方差函數(shù)為基本分析工具,分析了在垂直方向上,種植方式對(duì)土壤AP 空間異質(zhì)性的影響;其次,采用傳統(tǒng)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法相結(jié)合,來(lái)研究土壤AP 在小尺度下的時(shí)空分布特征??臻g網(wǎng)格取樣法是在網(wǎng)格取樣法的基礎(chǔ)上,研究垂直、水平兩個(gè)方向上的差異性。李騰等[24]應(yīng)用空間網(wǎng)格取樣法,對(duì)棉田不同土壤養(yǎng)分空間分布進(jìn)行了比較分析;劉麗媛等[25]采用此方法對(duì)農(nóng)田土壤水分的時(shí)空變化情況進(jìn)行了報(bào)道;李亞兵等[26-27]通過(guò)空間網(wǎng)格取樣法,對(duì)棉花冠層光分布進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。本文以半方差函數(shù)為計(jì)算原理,對(duì)土壤AP的空間異質(zhì)性情況進(jìn)行分析;以Kriging 插值方法[28]為基本工具,繪制空間分布等值線圖,研究不同麥棉種植模式下的田間土壤AP的時(shí)空分布特征。研究結(jié)果不僅能夠準(zhǔn)確量化不同生長(zhǎng)時(shí)期田間土壤AP的空間分布,為兩熟種植下的田間精準(zhǔn)施肥提供依據(jù);也能夠?yàn)閮墒旆N植下的土壤養(yǎng)分的相關(guān)研究提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)于2017年5—10月在河南安陽(yáng)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行。試驗(yàn)用地為小麥、棉花兩熟長(zhǎng)期定位試驗(yàn)田。田間管理采取當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培管理方式,且在不同種植模式間保持一致。定位試驗(yàn)起始于2012年。2016年小麥播前0—20cm土層土壤養(yǎng)分含量如表1。
本試驗(yàn)為單因素設(shè)計(jì),處理分別為棉花單作、麥棉3-1式套作(3-1式)、麥棉6-2式套作(6-2式),分別用A、B、C 表示。試驗(yàn)設(shè)計(jì)與Feng等[29]保持一致,3種種植模式如圖1。每個(gè)處理設(shè)置3 次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列。
棉花單作以及6-2式種植模式下棉花品種選用中棉所79(Gossypium hirsutumL.CCRI 79),3-1式下棉花品種選用中晚熟品種中棉所74(Gossypium hirsutumL.CCRI 74),小麥選用當(dāng)?shù)貜V泛種植的品種中育36號(hào)(中晚熟品種)(Triticum aestivumL.ZY 36)。
施肥和田間管理。在不同的種植方式下田間管理措施保持一致。冬小麥于2016年10月25日播種,在小麥播種前期,底施復(fù)合肥(N、P2O5、K2O 含量占比分別為13%、17%、15%),養(yǎng)分含量為:N 78 kg·hm-2,P2O5102 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2,在小麥生長(zhǎng)階段,總共追肥(N)170 kg·hm-2。棉花生長(zhǎng)階段,追肥(N)135 kg·hm-2。棉花生長(zhǎng)期間,在6月和8月總共灌溉2 次。棉花單作以及6-2式棉花于2017年4月22日播種,3-1式棉花于2017年5月15日播種。
表1 播前不同種植方式下的土壤養(yǎng)分含量(2016年10月)Table 1 Soil nutrients contents in different cropping systems before sowing in October, 2016
在棉花、小麥生長(zhǎng)期內(nèi)進(jìn)行土壤樣品的采集,取樣日期分別為:5月12日、5月24日、6月7日、6月20日、7月3日、7月14日、7月24日、8月4日、8月18日、8月31日、9月18日以及收獲前10月24日。
土壤樣品采用空間網(wǎng)格取樣法采集,具體方法是,以棉行為坐標(biāo)零點(diǎn),在垂直于棉行的水平方向取樣,棉花單作模式取樣位置依次為-5、15、35、55、75cm,共5個(gè)取樣點(diǎn),3-1式與棉花單作保持一致;6-2式取樣點(diǎn)從-65cm處開(kāi)始,到115cm 截止,共10個(gè)取樣點(diǎn)(圖1)。每個(gè)取樣點(diǎn)從0—100cm 按5 層取土,棉花單作與3-1式樣品各為25個(gè),6-2式樣品50個(gè),取樣在每種種植方式下分3 次重復(fù),每個(gè)日期下取樣共計(jì)300個(gè)。取回土壤樣品在自然條件下避光風(fēng)干后,磨碎,過(guò)100 目篩,測(cè)定AP 含量。土壤速效磷的測(cè)定參照鮑士旦[30]土壤農(nóng)化分析中鉬銻抗比色法。
圖1 棉花單作(A)、3-1式(B)、6-2式(C)種植及土壤取樣示意圖(圖中黑點(diǎn)為取樣位置)Fig. 1 Planting patterns and sampling points of cotton monoculture (A), 3:1 (B), 6:2 (C), in which the black points were the sampling points in the three cropping systems
土壤速效磷描述性統(tǒng)計(jì)分析、顯著性分析在SPSS 軟件(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)中完成,地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析在GS+軟件(Gamma design software,Plainwell,MI,USA)中完成,用理論模型對(duì)不同種植模式以及不同日期下的土壤AP的半方差函數(shù)進(jìn)行擬合,研究3種種植模式下土壤AP的空間異質(zhì)性情況;Kriging等值線圖在sufer13(Golden Software Inc.,USA)中完成。
3種種植模式下0—100cm 范圍內(nèi)的5個(gè)土層的AP 含量如表2 所示。在3種種植方式下,AP 含量均隨土壤深度的增加而降低。不同的種植模式下的AP 含量差異主要集中體現(xiàn)在0—20cm 和20—40cm土層上。在棉花與小麥的共生期(5月12日、6月7日),0—20cm土層深度下,3種種植模式下的AP 含量為: 棉花單作>6-2式>3-1式,其中在棉花苗期(5月12日),棉花單作AP 含量顯著高于3-1式,但與6-2式差異性不顯著;在小麥?zhǔn)斋@前(6月7日),棉花單作下的AP 含量顯著高于3-1式和6-2式,而且在0—80cm 內(nèi)的四個(gè)土層中,棉花單作均顯著高于6-2式。隨著小麥的收獲以及棉花的生長(zhǎng),在0—20cm土層中,3種種植模式下的AP 含量差異逐漸減小,除在9月18日,棉花單作顯著高于3-1式外,在其余三個(gè)日期(7月3日、8月4日、10月24日)下,3種種植模式下的AP 含量均無(wú)差異;而在20—40cm土層深度中,差異性較0—20cm土層更為明顯,在7月3日以及8月4日,3-1式種植模式下的AP 含量均顯著高于6-2式,在最后一次取樣日期下,棉花單作顯著高于3-1式(表2)。
從時(shí)間角度來(lái)看,隨著棉花的生長(zhǎng)(從5月12日到10月24日),3種種植模式在表層下的AP 含量大體呈降低的趨勢(shì),但在中下層土壤中甚至有增加的趨勢(shì)(表2)。
采用GS+軟件對(duì)3種種植方式、不同日期內(nèi)的AP 含量進(jìn)行半方差函數(shù)模型擬合,獲得半方差函數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)(表3)。塊金值C0是由實(shí)驗(yàn)誤差和小于實(shí)際取樣尺度引起的變異,表示隨機(jī)部分的空間異質(zhì)性?;_(tái)值C0+C通常表示系統(tǒng)內(nèi)的總變異。塊金值與基臺(tái)值的比值C0/(C0+C)表示隨機(jī)部分引起的空間變異與系統(tǒng)總變異的比例,如果比值高,說(shuō)明隨機(jī)因素引起的空間異質(zhì)性程度較高,結(jié)構(gòu)性因素較低,系統(tǒng)空間相關(guān)性較弱[31];一般認(rèn)為<25%時(shí),空間變量為強(qiáng)烈的空間自相關(guān),在25%~75%之間為中等空間自相關(guān),>75%時(shí)空間自相關(guān)性弱[32],同時(shí)也說(shuō)明對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行研究應(yīng)適當(dāng)減小采樣距離,模型擬合的好壞可以使用決定系數(shù)(R2)或殘差平方和(RSS)來(lái)進(jìn)行判斷。
由表3 可見(jiàn),不同日期下的3種種植方式的AP的最佳擬合模型均為高斯模型,從決定系數(shù)(R2)角度來(lái)看,高斯模型能夠準(zhǔn)確描述不同時(shí)期不同種植方式下的AP的空間變異特征;從殘差平方和角度來(lái)看,前4 次取樣日期下的RSS值較后2 次取樣日期小,說(shuō)明在9月18日和10月24日下,曲線擬合的完美程度有所下降。在不同日期下的AP的C0/(C0+C)值均<25%,說(shuō)明在該取樣尺度下3種種植方式均有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性,AP的分布主要受到結(jié)構(gòu)因素的控制,受到人為因素的控制較?。蛔兂藺0在46.10~63.10 之間,受日期和種植方式的影響較小。
以小麥、棉花共生期(5月12日)、棉花蕾期(7月3日)以及棉花吐絮期(9月18日)為例,采用surfer 繪制不同水平、垂直位置下的AP 空間分布等值線圖。如圖2 所示,依次為6月7日、8月4日、9月18日3個(gè)日期下、3種種植模式的AP 空間分布等值線圖,圖中顏色的深淺代表AP含量的高低。
表2 不同日期下不同種植模式棉田土壤速效磷含量情況Table 2 The AP contents in different cropping systems on different datesmg·kg-1
表3 不同種植方式下土壤速效磷含量的半方差函數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 The semivariance parameters of the AP in different cropping systems
表3 (續(xù))Table 3 (Continued)
在麥棉共生期(5月12日),棉花單作種植模式下的AP 含量隨著與棉行距離的增加呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì);在3-1式種植模式下,AP 在棉花、小麥種植帶上的含量較高;6-2式種植模式下AP的分布情況與3-1式相似,在棉花兩側(cè)的小麥種植帶上以及棉行處含量較高。
在小麥?zhǔn)斋@后,棉花生長(zhǎng)時(shí)期(7月3日、9月18日),7月3日,棉花單作種植模式下的AP含量隨著與棉行距離的增加呈現(xiàn)先增加、再降低、再增加的趨勢(shì);3-1式種植模式的AP 含量隨著與棉行距離的增加,呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì);6-2式種植模式下,AP 含量從棉行開(kāi)始,分別向兩側(cè)小麥種植帶遞減,在棉行中間部位(水平位置35cm處)含量較低(圖2)。9月18日,棉花單作種植模式AP 含量在水平方向上差異不明顯;3-1式種植模式呈現(xiàn)先降低再升高的變化趨勢(shì);6-2式種植模式AP 含量的變化趨勢(shì)與7月3日相似,但整體含量有所降低。
為了更清楚地觀察不同深度下AP 含量在水平方向上的變化趨勢(shì),對(duì)AP 含量分布等值線圖進(jìn)行更深一層次的拆分,可以更加直觀地觀察在同一取樣深度(10cm)下,不同水平位置上的AP分布的差異。
在垂直深度為10cm的水平剖面上,棉花單作種植模式的AP 含量在水平40—60cm 范圍內(nèi)達(dá)到最低水平,隨著生育進(jìn)展,棉花不斷從土壤中吸收養(yǎng)分,一方面,土壤速效磷含量水平整體降低;另一方面,從5月12日到9月18日,棉行中部低AP 含量區(qū)域逐漸加大,曲線由“V”字形變?yōu)椤癠”字形,最終在9月18日,AP 在距離棉行15—60cm 范圍內(nèi)含量較低,且變化不大(圖3)。3-1式種植模式在5月12日下,為小麥單獨(dú)生長(zhǎng)期,AP 在小麥種植帶附近含量較高,呈現(xiàn)出“W”字形的分布;7月3日為棉花單獨(dú)生長(zhǎng)時(shí)期(小麥已收獲),此時(shí),棉花處于苗期,根系不發(fā)達(dá),對(duì)AP的吸收聚集能力較弱,但小麥地上部已經(jīng)收獲,沒(méi)有吸收AP的效果,因此,此時(shí)的AP 含量呈中間高,兩邊低的“∧”形;9月18日,隨棉花生長(zhǎng),AP 含量進(jìn)一步降低,且逐漸向棉行處聚集,棉行中間部位含量下降。6-2式種植模式在5月12 為麥棉共生期,其AP 集中分布在小麥、棉花種植帶附近,AP 分布也隨著小麥、棉花的種植帶呈現(xiàn)出平緩的“m”形字樣;隨著小麥的收獲、棉花的逐漸生長(zhǎng),7月3日左右,6-2式下棉花進(jìn)入花蕾期,對(duì)養(yǎng)分需求量加大,對(duì)養(yǎng)分的匯聚能力加強(qiáng),此時(shí),AP 在棉行附近聚集程度高;9月18日,隨著棉花的生長(zhǎng),AP 在棉行附近聚集的效果更加明顯,在圖中呈現(xiàn)出“M”形狀。
圖2 3種種植模式下的土壤速效磷空間分布等值線圖Fig. 2 The contour diagrams of AP in the three cropping systems on May 12, June 3, September 18
圖3 3種種植模式下在深度為10cm處不同水平點(diǎn)上土壤速效磷變化趨勢(shì)Fig. 3 The variations of the soil for different profiles at the three cropping systems in the depth of 20cm
為研究不同麥-棉種植系統(tǒng)土壤AP 隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化,暫且忽略各個(gè)種植系統(tǒng)中不同位置之間的含量差異情況,研究其含量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化。從圖4 中可以明顯看出,棉花單作種植模式在生長(zhǎng)前期的AP 整體含量高于3-1式和6-2式,隨著作物的生長(zhǎng),0—100cm土層上的AP 均呈減少的趨勢(shì);在棉花單作和6-2式兩種種植模式下,AP 在棉花種植后的第80—100 天內(nèi)含量下降較為明顯,該時(shí)期為該兩種種植模式下的棉花花鈴期,而在3-1式種植模式下的AP 在棉花種植后第20—40 天內(nèi)含量下降較為明顯,此時(shí)期也為該種植模式下的棉花花鈴期。
圖4 3種種植模式下不同土壤深度不同時(shí)間下的土壤速效磷含量等值線圖Fig. 4 The temporal changes of AP contents in the three cropping systems
土壤速效磷在垂直方向上的分布隨著土壤深度的增加而呈現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢(shì),這與前人的研究相一致[33],且這種遞減趨勢(shì)在0—20cm 以及20—40cm土層表現(xiàn)的尤為明顯。根據(jù)Jobbagy等[34-35]研究顯示,限制作物生長(zhǎng)的元素如P、K、N等受到地上部植物的影響,從而呈現(xiàn)出從上到下遞減的趨勢(shì),并且這種影響會(huì)隨著土層深度的增加逐漸減小。3種植模式之間AP 分布的差異顯著受到取樣日期的影響,這是由于作物在不同時(shí)期對(duì)養(yǎng)分的需求不同,從而造成了養(yǎng)分的時(shí)空分布差異[36]。
土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性受空間取樣尺度的影響較大,在本試驗(yàn)的取樣尺度下,3種種植模式下、垂直方向上的土壤AP 均呈現(xiàn)出比較明顯的空間依賴(lài)性,因此,在垂直方向上的土壤AP的空間結(jié)構(gòu)性主要受土壤自然屬性決定,受種植方式等人為因素的影響較小,對(duì)兩熟種植系統(tǒng)下的土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的研究可在固定土層中進(jìn)行,并選取不同的取樣尺度,從而來(lái)探究?jī)墒旆N植與單作種植之間的空間異質(zhì)性差異[24]。
在棉花單作種植模式下,土壤AP的水平分布在棉花苗期(5月12日)呈現(xiàn)出明顯的兩端高,中間低的形態(tài),而在3-1式種植模式下,其集中分布在棉花行中部,即小麥種植帶,從而呈現(xiàn)出中間高、兩端低的形態(tài);在6-2式種植下,土壤AP主要集中分布在小麥種植帶上,整體呈現(xiàn)出兩端偏高、中間低的形態(tài)。這與作物根系的分布有關(guān),根系分布區(qū)域增加了土壤殘留物[37],從而增加了根系所在范圍內(nèi)的土壤養(yǎng)分含量[19,38-40]。根系也可以對(duì)土壤養(yǎng)分起到一定的匯聚作用,呂貽忠等[17]研究表明,油蒿灌叢群落下表層有機(jī)質(zhì)、有效磷的分布具有明顯以灌叢群落為中心的同心圓結(jié)構(gòu),形成典型的“肥島”。棉花在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中,對(duì)周?chē)B(yǎng)分進(jìn)行匯集,從而形成了棉行處養(yǎng)分高于棉行中部的分布格局。
隨著時(shí)間及土層深度的增加,耕層土壤AP含量均呈下降的趨勢(shì),這與2.1 部分中的描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果相一致。圖4 顯示,在棉花單作以及6-2式種植模式下,土壤AP 含量明顯的降低發(fā)生在棉花播種后的第60—70 天,而在麥棉連作下,則發(fā)生在第20—30 天,這也可能是3-1式種植模式下棉花早期生長(zhǎng)受到抑制的原因之一。在小麥?zhǔn)斋@后,殘留于小麥種植帶上的AP 仍可以在一段時(shí)間內(nèi)維持較高的含量水平,這是由于殘留根系對(duì)AP 仍具有一定的固定作用,Ma[41]以及Cong[19]等研究結(jié)果表明,作物根系分布與水分、養(yǎng)分的分布呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。
在垂直方向上,AP的空間異質(zhì)性情況受種植方式的影響不大,且其主要集中分布于0—40cm土層中,有關(guān)AP時(shí)空分布的研究在0—60cm土層中即可;在水平方向上,種植方式對(duì)AP在不同水平位置上的分布情況影響顯著,且在不同生長(zhǎng)時(shí)期各有不同。