川芎主產(chǎn)區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異及豐缺評價(jià)△

彭芳，吳宇，陶珊，袁燦，施田田，陳媛媛，沙秀芬，廖雪梅，廖緒紅，李生翠，張超*

1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 經(jīng)濟(jì)作物育種栽培研究所，四川 成都 610399；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水稻研究所，四川 成都 611130；3.四川師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610101

川芎是我國特大宗常用藥材之一，具有活血行氣、祛風(fēng)止痛的功能。成都平原是川芎的主產(chǎn)區(qū)。四川省中醫(yī)藥管理局發(fā)布的《四川省中藥材產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2018—2025年)》顯示，川芎種植面積常年保持在9萬畝(1畝≈666.67 m2)以上，年產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的90%以上。川芎傳統(tǒng)種植習(xí)慣是施用豬糞水、草木灰等農(nóng)家肥和油枯。近年來，川芎種植區(qū)內(nèi)施用肥料種類極為單一，氮磷鉀復(fù)合肥投入比例高(>90%)，每畝平均施肥量為67 kg，且農(nóng)戶間用量差異大(每畝施用量為5～113 kg)，極易導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡，不利于川芎藥材品質(zhì)的穩(wěn)定可控[1]。適宜的土壤pH和養(yǎng)分含量直接影響川芎的生長發(fā)育，進(jìn)而影響川芎藥材的產(chǎn)量及品質(zhì)。因此，進(jìn)行川芎土壤的營養(yǎng)診斷是實(shí)現(xiàn)科學(xué)精準(zhǔn)施肥的關(guān)鍵。本研究在川芎主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行科學(xué)取樣，利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)技術(shù)分析土壤pH和7個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)的空間變異規(guī)律，結(jié)合土壤外觀色度進(jìn)行相關(guān)性分析，了解川芎主產(chǎn)區(qū)土壤的元素豐缺狀況及人為栽培管理活動對其影響，以期為川芎種植區(qū)的合理規(guī)劃和平衡施肥等提供參考。

1 材料

1.1 試藥

2018年4—8月，參考目前各產(chǎn)區(qū)川芎的實(shí)際栽培面積，采用全球定位系統(tǒng)(GPS)開展川芎產(chǎn)區(qū)土壤定點(diǎn)取樣工作，共取樣173個(gè)(表1)。選取農(nóng)戶種植面積在1畝以上的川芎田塊進(jìn)行土壤取樣，用手持GPS測量田塊中心的經(jīng)緯度、海拔高度，取樣方法根據(jù)田塊形狀不同而采取不同取樣方法(5點(diǎn)取樣法或“W”形取樣法)，每個(gè)田塊至少取5點(diǎn)以上，取耕層土壤(0～20 cm)，用4分法取土樣約1 kg，經(jīng)風(fēng)干、研磨、過100目篩后制成待測土樣。

表1 川芎主產(chǎn)區(qū)土壤取樣點(diǎn)

磷酸二氫鉀、氯化鉀均為基準(zhǔn)試劑，購于天津科密歐化學(xué)試劑公司；銅、鋅、錳、鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液(國家有色金屬及電子材料分析測試中心)；土壤有效態(tài)HTSB-5(標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所)；硫酸、高錳酸鉀、鹽酸、氨水、三乙醇胺、二乙烯三胺五乙酸、氟化銨、碳酸氫鈉均為分析純，購于成都市科隆化學(xué)品有限公司；氫氧化鈉(分析純，天津市大陸化學(xué)試劑廠)；硼酸(分析純，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司)；鉬酸銨、乙酸銨、酒石酸銻鉀、2，4-二硝基酚均為分析純，甲基紅、溴甲酚綠均為指示劑，購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；硝酸(優(yōu)級純，成都金山化學(xué)試劑有限公司)；抗壞血酸(分析純，北京索萊寶科技有限公司)；還原鐵粉(分析純，天津市鼎盛鑫化工有限公司)；二水合氯化鈣(分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；水為經(jīng)過和泰smart-suvf水處理系統(tǒng)處理后的去離子水。

1.2 儀器

雷磁PHS-3E型pH計(jì)(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)；XMTA-4T型消化爐(上海喬躍電子有限公司)；K1100型全自動凱氏定氮儀(海能未來技術(shù)集團(tuán)股份有限公司)；Lambda25型紫外-可見分光光度計(jì)(珀金埃爾默企業(yè)管理有限公司)；SAN++型連續(xù)流動分析儀(荷蘭SKALAR分析儀器公司)；ICPE-9820型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(日本島津公司)；CM-700D型手持分光測色計(jì)、CM-A184型粉末測試裝置(日本柯尼卡美能達(dá)公司)；ZD-85型氣浴恒溫振蕩器(江蘇金壇市醫(yī)療儀器廠)；T-214型分析天平(北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司)；Avanti J-E型多用途高效離心機(jī)(美國貝克曼庫爾特有限公司)。

2 方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于四川省成都平原的33個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)103個(gè)村，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，全年平均氣溫18 ℃，年平均降水量>1000 mm，川芎種植面積>9萬畝。土壤類型主要為水稻土、紫色土，種植制度為水稻與川芎輪作，施肥以氮磷鉀復(fù)合化肥為主。

2.2 樣品測定

土壤pH采用玻璃電極法測定[2]；土壤全氮采用凱氏定氮法測定[3]；土壤有效磷采用鉬銻抗比色法測定[4]；土壤速效鉀采用火焰光度法測定[5]；土壤中4種有效態(tài)元素銅、鋅、錳、鐵用二乙烯三胺五乙酸浸提-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定[6]。

土壤色度測定利用手持分光測色計(jì)進(jìn)行[7]。測量方式為鏡面反射光和漫反射光測量模式，照明光源D65，視場選擇10°，孔徑選擇8 mm目標(biāo)罩(含穩(wěn)定片，CM-A178)。以CIE(L*a*b*)顏色空間來定量描述土壤粉末顏色值。其中，L*軸代表明暗度，其值越大就感覺越白，其值越小就感覺越黑；a*軸代表紅綠方向，+a*為紅方向，-a*為綠方向；b*軸代表黃藍(lán)方向，+b*為黃方向，-b*為藍(lán)方向。

2.3 數(shù)據(jù)處理和分析

采用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+7.0對經(jīng)過異常值替換處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差函數(shù)分析和模型選擇(主要包括球狀、指數(shù)、高斯和線性模型)，隨后，采用ArcGIS 10.2軟件中普通克里格法對土壤營養(yǎng)元素含量進(jìn)行基于區(qū)域化理論的多元回歸分析，得到營養(yǎng)元素的空間變異圖，將區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)信息轉(zhuǎn)化為面信息。半方差函數(shù)主要模型的表達(dá)式如下。

球狀模型：

(1)

指數(shù)模型：

(2)

高斯模型：

(3)

線性模型：

(4)

上式中，h表示采樣點(diǎn)間距；C0為塊金值，是由隨機(jī)因素(耕作、施肥、管理水平等)引起的變異；C1是由結(jié)構(gòu)性因素(母質(zhì)、地形、氣候等)引起的變異；C(C=C0+C1)為基臺值，是半方差隨間距遞增到一定程度后出現(xiàn)的平穩(wěn)值，即系統(tǒng)內(nèi)的總變異；塊基比C0/C表示由隨機(jī)因素引起的空間變異占系統(tǒng)總變異的比例，即空間變異程度，塊基比<25%表示系統(tǒng)具有強(qiáng)烈空間自相關(guān)，25%<塊基比<75%表示系統(tǒng)具有中等程度空間自相關(guān)，塊基比>75%表示系統(tǒng)空間相關(guān)性弱；A為常數(shù)，表示直線的斜率；a為變程，是土壤養(yǎng)分的空間相關(guān)性范圍，h≥a時(shí)，樣品間是相互獨(dú)立的，h

2.4 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

土壤分級評價(jià)參考《四川土種志》的分級標(biāo)準(zhǔn)[8]，見表2。

表2 不同級別土壤養(yǎng)分評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果

3.1 川芎土壤主要養(yǎng)分的基本特征

川芎主產(chǎn)區(qū)土壤主要養(yǎng)分的基本特征見表3。根據(jù)不同級別土壤養(yǎng)分評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，川芎主產(chǎn)區(qū)分別有60.12%土壤中全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)屬于極豐富水平，77.46%土壤中有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)屬于極豐富水平，兩者均值分別為2.18、72.07 mg·kg-1，提示在川芎配方施肥時(shí)要適當(dāng)控制外源氮和磷的加入量。速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為182.54 mg·kg-1，仍有17.92%的川芎主產(chǎn)區(qū)土壤速效鉀缺乏，可見，川芎主產(chǎn)區(qū)土壤經(jīng)過長期的耕作存在一定程度的鉀元素缺失，這與周斯建[9]對彭州地區(qū)川芎土壤調(diào)查結(jié)果一致。同時(shí)，由于川芎本身對鉀元素的需求較大[10]，配方施肥時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)加大鉀肥的比例。川芎主產(chǎn)區(qū)90%以上土壤中有效銅、有效鋅、有效鐵含量都屬于極豐富水平，三者質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值分別為5.82、8.83、371.33 mg·kg-1，提示要注意重金屬污染。有效錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為17.09 mg·kg-1，有45.09%主產(chǎn)區(qū)土壤中有效錳屬于適量水平，14.45%有效錳含量缺乏，需要適量補(bǔ)充。

表3 川芎主產(chǎn)區(qū)土壤指標(biāo)特征(n=173)

從變異程度上看，有效鋅和有效錳表現(xiàn)為高等程度變異，變異系數(shù)分別為139.50%和102.22%。其余指標(biāo)均表現(xiàn)為中等程度變異，pH的變異系數(shù)為12.67%，速效鉀的變異系數(shù)為59.20%。pH、全氮、有效磷、有效銅、有效鐵的峰度值接近0，提示數(shù)據(jù)符合或接近正態(tài)分布。pH、全氮、有效銅、有效鐵的偏度值接近0，提示其頻數(shù)分布較對稱。

3.2 川芎土壤指標(biāo)的空間變異特征

3.2.1空間結(jié)構(gòu)分析 如表4所示，土壤中的全氮服從正態(tài)分布，其他指標(biāo)經(jīng)過轉(zhuǎn)化后均服從正態(tài)分布。所有指標(biāo)的擬合系數(shù)均較低，其中，有效錳和有效鐵的擬合系數(shù)分別為0.71、0.62，具有一定的漸變性分布規(guī)律?？臻g相關(guān)性為0.06～6.00 km，表明這些指標(biāo)均在較小的空間范圍內(nèi)具有相關(guān)性。

表4 川芎主產(chǎn)區(qū)土壤元素半方差函數(shù)模型參數(shù)

對半方差分析擬合結(jié)果較好的有效錳和有效鐵采用普通克里格法進(jìn)行插值分析，繪制其空間分布圖(圖2)。川芎主產(chǎn)區(qū)土壤有效錳呈現(xiàn)不連續(xù)分布的特點(diǎn)，有效錳的最高值分布在眉山的東北部區(qū)域，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.15～34.73 mg·kg-1；最低值呈零散斑塊，分布在彭州、什邡和都江堰等區(qū)域，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.02～13.08 mg·kg-1，整體而言，有效錳在川芎主產(chǎn)區(qū)的南部較為豐富，北部部分地區(qū)較為缺乏。川芎產(chǎn)區(qū)土壤有效鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布比較復(fù)雜，最高值分布在彭州、什邡的條帶狀區(qū)域，高達(dá)394.98～518.13 mg·kg-1，并以此為中心向外有效鐵含量逐漸降低，最低值散布在都江堰、崇州、邛崍等區(qū)域。有效錳和有效鐵含量分布均呈現(xiàn)出中等程度的空間自相關(guān)性，表明小區(qū)域的施肥等人為活動是影響土壤中有效錳和有效鐵含量的一個(gè)重要因素。

圖2 川芎主產(chǎn)區(qū)土壤錳和鐵元素的空間分布

3.2.2川芎土壤pH和大量元素的空間分布 川芎各產(chǎn)區(qū)土壤酸堿度如表5和圖3所示，pH處于中性和微酸性是川芎最適宜的土壤，廣漢和新都的土壤均在適宜pH范圍內(nèi)。其他產(chǎn)區(qū)土壤均存在不同程度的強(qiáng)酸性或微堿性。其中，強(qiáng)酸性土壤占比遠(yuǎn)高于微堿性土壤。老產(chǎn)區(qū)彭州土壤pH為5.61，50.68%呈強(qiáng)酸性；什邡土壤pH為5.58，47.62%呈強(qiáng)酸性。新產(chǎn)區(qū)眉山土壤pH為6.05，33.33%呈強(qiáng)酸性；邛崍土壤pH為6.01，22.22%呈強(qiáng)酸性。土壤酸度過大會加重川芎對重金屬鎘的吸收[11-12]。因此，為保證川芎的安全生產(chǎn)，應(yīng)在施用肥料和土壤調(diào)理劑等過程中適當(dāng)提高土壤的pH，更好地滿足川芎生長需求。

川芎土壤全氮含量在縣域之間差異明顯(圖3、表5)。眉山和邛崍的土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，分別為2.67、2.43 g·kg-1；德陽和廣漢的土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對偏低，分別為1.43、1.90 g·kg-1；什邡的土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)跨度最大，為0.99～3.63 g·kg-1。所有產(chǎn)區(qū)的有效磷變異系數(shù)均較大，即土樣間個(gè)體差異較大，推測其主要原因是芎農(nóng)間施肥管理技術(shù)差異導(dǎo)致。都江堰和彭州的有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高，40 mg·kg-1以上的土樣占比分別高達(dá)85.71%、89.04%；邛崍市的有效磷含量較低，66.67%的土樣磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)<40 mg·kg-1?？梢?，川芎各產(chǎn)區(qū)的全氮和有效磷含量均處于偏高水平。因此，在施肥中應(yīng)因地制宜控制氮和磷的施入量，提高肥料的利用率。川芎是典型的喜鉀植物[13]，速效鉀的供應(yīng)情況直接影響著川芎藥材的產(chǎn)量和品質(zhì)。如圖3和表5所示，速效鉀在土樣間的個(gè)體差異也較大，核心產(chǎn)區(qū)彭州和什邡的土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為62.98～505.66、60.15～382.12 mg·kg-1。除了邛崍和綿竹，其他市均存在不同程度的速效鉀缺乏狀態(tài)，彭州和什邡分別有13.70%、21.43%的土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)<100 mg·kg-1。都江堰有效鉀缺乏比例則高達(dá)35.71%。因此，考慮適量的施入鉀肥是優(yōu)質(zhì)川芎生產(chǎn)的重要措施之一。

3.2.3川芎土壤中微量元素的空間分布 從川芎土壤中微量元素含量空間分布結(jié)果分析(表5、圖4)，四川川芎土壤有效銅鋅錳鐵的空間分布規(guī)律不明顯，各等級穿插分布。川芎土壤有效銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，最小值出現(xiàn)在彭州市，為1.50 mg·kg-1。其中，眉山、崇州、都江堰、綿竹、新都、樂山的所有土樣有效銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于5 mg·kg-1。川芎土壤中有效鋅和有效鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)同樣極度偏高且個(gè)體間差異大，有效鋅最小值出現(xiàn)在邛崍市，為0.85 mg·kg-1。彭州和什邡分別有43.84%和42.86%的土樣有效鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)>7 mg·kg-1。除邛崍市外，其余產(chǎn)地的土壤中有效鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)>20 mg·kg-1，其中什邡、新都和廣漢的川芎所有土樣中有效鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于200 mg·kg-1，彭州市也有95%的土壤樣有效鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)>200 mg·kg-1。

圖4 川芎主產(chǎn)區(qū)土壤中樣品有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳含量分布

有效錳的分布在有些縣域充足，有些縣域缺乏。彭州、邛崍、什邡、都江堰、新都、德陽和綿竹都有缺乏，彭州和什邡的有效錳缺乏比例分別為19.18%和11.90%。眉山的有效錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為42.93 mg·kg-1，所有樣品均大于5 mg·kg-1。周斯建[9]研究發(fā)現(xiàn)，彭州的川芎土壤中錳缺乏，土壤中本身的錳元素含量較低是導(dǎo)致其有效態(tài)含量較低的重要原因，提示在施用微肥時(shí)可適當(dāng)補(bǔ)充錳元素。

3.3 土壤指標(biāo)之間的相關(guān)性

土壤粉末色度、pH和主要營養(yǎng)成分指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果見表6。有效銅、有效鋅與土壤色度沒有明顯相關(guān)性。土壤L值與全氮、有效鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，土壤a、b值與有效錳呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與有效磷呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，說明土壤越明亮，其土壤中全氮和有效鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高；土壤的顏色越靠近紅色和黃色端，其錳的有效態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，磷的有效態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。提示通過對土壤的無損快速檢測可以預(yù)測相關(guān)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低。pH與元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)性分析顯示，pH越高，鐵的有效態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，表明川芎土壤從強(qiáng)酸—弱酸性—中性的轉(zhuǎn)變會降低鐵的有效態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而減少金屬元素鐵的污染。大量元素與中微量元素相關(guān)性分析顯示，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與有效銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，有效磷與速效鉀呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01)，速效鉀與有效錳呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01)。表明施氮肥可促進(jìn)土壤中銅的有效態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，施鉀肥可促進(jìn)土壤磷和錳的有效態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。而有效鋅和有效鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)受土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分的影響較小。

表6 川芎主產(chǎn)區(qū)土壤各指標(biāo)之間的相關(guān)性分析

4 結(jié)論與討論

土壤是川芎生長發(fā)育營養(yǎng)供給的主要來源，直接影響川芎質(zhì)量形成。筆者通過對川芎主產(chǎn)區(qū)土壤養(yǎng)分測定發(fā)現(xiàn)，7個(gè)營養(yǎng)元素(全氮、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效錳、有效鐵)的空間自相關(guān)性均較低，說明其質(zhì)量分?jǐn)?shù)受土壤母質(zhì)等結(jié)構(gòu)性因素的影響較小，受施肥等人為因素的影響較大，這也與川芎栽培歷史悠久，主產(chǎn)區(qū)耕作等農(nóng)事活動頻繁的現(xiàn)狀相符。除全氮外，6個(gè)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變異系數(shù)均大于40%，提示芎農(nóng)間的栽培管理水平參差不齊。除邛崍和綿竹外，其他川芎產(chǎn)區(qū)均存在不同程度的速效鉀缺乏；除眉山外，其余川芎產(chǎn)區(qū)均存在不同程度的有效錳缺乏。其他5個(gè)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在川芎主產(chǎn)區(qū)均為豐富：眉山和邛崍全氮為極其豐富，都江堰和彭州地區(qū)有效磷極其豐富。提示芎農(nóng)在施肥中應(yīng)控制氮磷肥的用量，可施入適量鉀肥，同時(shí)由于速效鉀與有效磷、有效錳均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01)，故鉀肥的施入也能促進(jìn)土壤中有效磷和有效錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。另外，川芎主產(chǎn)區(qū)土壤酸堿度基本適宜(pH=5.77)，存在的主要問題是強(qiáng)酸性土壤占比較大，彭州等老產(chǎn)區(qū)的強(qiáng)酸性土壤分布比例明顯高于眉山等新產(chǎn)區(qū)。因此，強(qiáng)酸性土壤的區(qū)域需采取一定措施提高土壤pH值，鑒于土壤pH與土壤中有效鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，提高pH能間接降低重金屬鐵的污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，在后續(xù)川芎的施肥管理中需分縣域進(jìn)行精準(zhǔn)的測土配方，同時(shí)，配合進(jìn)一步規(guī)范化的川芎栽培管理措施，才能保證川芎藥材質(zhì)量的安全穩(wěn)定。