棉田土壤養(yǎng)分分析與土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

董志強，馮小康，慈寶霞，文 帥，王 釗，劉 揚，馬富裕

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)重點實驗室/石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】新疆石河子總場位于天山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地南部[1]。石河子總場農(nóng)作物種植面積約1.57×104hm2，全部采用高新節(jié)水滴灌，其中，種植棉花1×104hm2，籽棉總產(chǎn)5.4×104t[2，3]。石河子總場六分場數(shù)字農(nóng)業(yè)示范田設(shè)置的監(jiān)測點為連年棉花種植。農(nóng)田土壤墑情的監(jiān)測和預(yù)報已經(jīng)成為農(nóng)田灌溉節(jié)水服務(wù)的重要組成部分[4，5]。2019年石河子總場六分場數(shù)字農(nóng)業(yè)示范田應(yīng)用了土壤墑情實時監(jiān)測系統(tǒng)[6]，科學(xué)合理指導(dǎo)棉田灌溉。土壤相關(guān)空間變異性以及分布規(guī)律對提高棉田土壤肥料利用率、土壤分級管理以及維持土壤一定的肥力等有重要意義[8]。目前農(nóng)業(yè)開發(fā)力度逐年加大[9]。選取土壤全氮、速效磷、速效3種主要養(yǎng)分進(jìn)行研究，分析石河子總場六分場數(shù)字農(nóng)業(yè)項目示范田土壤養(yǎng)分的空間變異特征，對土壤養(yǎng)分高效吸收利用與精確施肥有重要意義。【前人研究進(jìn)展】劉洋等[10]在遼西地區(qū)利用土壤水分測定儀，對遼西太平莊監(jiān)測站10、20、40 cm土層墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測量土壤含水量方法對比、分析及誤差修正。3種不同深度土層利用土壤水分測定儀測定的絕對誤差在±4%范圍內(nèi)。代海燕等[11]對內(nèi)蒙古土壤墑情進(jìn)行了調(diào)查評估，結(jié)果表明，內(nèi)蒙古土壤水分濕度和田間持水量整體較高，主要集中在內(nèi)蒙古東部地區(qū)、河套區(qū)域，較低區(qū)域主要集中在錫林郭勒地區(qū)和西部地區(qū)。李娜等[12]以新疆伊犁地區(qū)為土壤研究區(qū)域，運用GIS與地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合，研究該地區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間分布特征及變異規(guī)律，伊犁哈薩克自治州土壤養(yǎng)分含量分布總體呈現(xiàn)伊犁州南部區(qū)域高、北部區(qū)域低、東部區(qū)域高西部區(qū)域低的格局。【本研究切入點】了解土壤的養(yǎng)分和含水量狀況，需要依靠對當(dāng)?shù)赝寥缐勄楹蜆悠返臏y試與分析。利用信息技術(shù)監(jiān)測土壤墑情和養(yǎng)分，分析石河子總場棉花種植過程中養(yǎng)分和含水量信息，指導(dǎo)科學(xué)灌溉施肥?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采用GIS技術(shù)與地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的方法，研究石河子總場六分場數(shù)字農(nóng)業(yè)示范田耕層土壤3種養(yǎng)分(全氮、速效磷、速效鉀)、土壤含水量和溫度，分析棉田土壤肥力的空間相關(guān)分布特征差異性，為棉田施肥與土壤養(yǎng)分管理提供可科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

在石河子總場六分場數(shù)字農(nóng)業(yè)項目示范田33.33 hm2(500畝)，利用GPS確定樣點坐標(biāo)，采集土壤表層(0～20 cm)土樣。共計231個樣點，將采集的231個土壤樣品在實驗室統(tǒng)一檢測分析，測試3大養(yǎng)分指標(biāo):全氮、速效磷、速效鉀。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后，過網(wǎng)篩上面之后進(jìn)行混勻。不同土壤養(yǎng)分的分析測試方法分別為:全氮含量采用凱氏定氮法；速效磷含量使用0.5 mol/L碳酸氫鈉法—分光光度法測定；速效鉀含量測定采用火焰光度法[13，14]。

1.2 方 法

土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)基于無線數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)無線連接通訊，該終端包括實時數(shù)據(jù)采集軟件以及監(jiān)測軟件，實時采集軟件提供數(shù)據(jù)的接收、分析及存儲的功能；監(jiān)測軟件提供數(shù)據(jù)展示和統(tǒng)計分析等功能[15]。系統(tǒng)客戶端軟件部分包括數(shù)據(jù)庫設(shè)計與開發(fā)、系統(tǒng)相關(guān)功能設(shè)計與開發(fā)、數(shù)據(jù)模型設(shè)計、前臺界面設(shè)計與開發(fā)等[16]。

按地塊選擇6處具有代表性監(jiān)測區(qū)域，在該區(qū)域布設(shè)水分傳感器、太陽能采集板、墑情信息采集傳輸設(shè)備等，采集(0～60 cm，每隔10 cm采集1次數(shù)據(jù))土壤含水量和溫度，每隔1 h采集1次數(shù)據(jù)，并實時更新至計算機客戶端軟件中。2019年4月18日開始到2019年8月31日截止，采集約4個月的土壤墑情信息。圖1

將土壤樣本測定結(jié)果變異程度分為3個等級：CV<10%為樣本具有弱變異性，10%≤CV≤100%為樣本具有中等程度變異性，CV>100%為樣本具有很強變異性。

參數(shù)塊金系數(shù)表示土壤養(yǎng)分空間變異程度，即由隨機因素引起的土壤空間變異占系統(tǒng)總變異程度的比例。C0/(C0+C)表示系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性程度，若該比例小于25%，變量具有很強的空間自相關(guān)性；在25%～75%，變量具有中等的空間自相關(guān)性；大于75%時，變量空間自相關(guān)性較弱。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Origin 2018軟件對土壤含水量和溫度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，使用ArcGIS10.3對土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計特征分析和對其是否服從正態(tài)分布進(jìn)行檢驗。使用軟件GS+9.0地統(tǒng)計軟件進(jìn)行半方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 石河子總場六分場數(shù)字農(nóng)業(yè)示范田土壤養(yǎng)分變化

2.1.1 土壤養(yǎng)分含量

研究表明，全氮的含量為0.1～1.11 g/kg，平均值為0.79 g/kg；速效磷的含量為21.27～179.58 mg/kg，最大值與最小值相差比較懸殊，平均值為62.17 mg/kg；速效鉀的含量為171.5～672.46 mg/kg，平均值為322.55 mg/kg。3種養(yǎng)分的所得土壤養(yǎng)分變異系數(shù)在20%～56%，都呈現(xiàn)出樣本中等變異特性，其中速效磷的變異系數(shù)最高。速效磷、速效鉀樣本數(shù)據(jù)顯示出一定偏態(tài)效應(yīng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)對數(shù)轉(zhuǎn)換后樣本呈現(xiàn)正態(tài)分布特征。表1

表1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計特征Table 1 Descriptive statistical characteristics of soil nutrient

2.1.2 土壤養(yǎng)分含量的空間變異特征

研究表明，土壤養(yǎng)養(yǎng)分全氮和速效磷表現(xiàn)為強烈的空間相關(guān)性，各指標(biāo)基塊比C0/(C0+C)分別為18.6%、8.1%。其主要受到土壤類型、母質(zhì)、地形等結(jié)構(gòu)性因素的影響；速效鉀的塊金系數(shù)C0/(C0+C)為49.7%，中等空間相關(guān)性，其受到結(jié)構(gòu)性和隨機性因素的共同影響。各觀測調(diào)查點的空間相關(guān)距離在692～1 889 m，大于實際采樣間437 m，各土壤取樣點全部在空間變異的范圍內(nèi)。表2，圖2

表2 土壤養(yǎng)分的半方差模型類型及其參數(shù)值Table 2 Type of soil nutrient half variance model and its parameter value

2.2 石河子總場六分場數(shù)字農(nóng)業(yè)示范田土壤墑情

2.2.1 土壤含水量

研究表明，土壤含水量從苗前期至蕾期呈現(xiàn)遞減趨勢。在苗前期一號、二號和三號墑情監(jiān)測點在4月25日左右有一個最低峰。各個監(jiān)測點在苗前期和苗期10和20 cm土層含水量變化較為活躍且含量較高，進(jìn)入蕾期以后30～60 cm土層土壤含水量開始慢慢升高。五號墑情監(jiān)測點在各個月都表現(xiàn)出較高含水量，尤其是在蕾期和花鈴期，顯著高于其它月，這片區(qū)域土壤含水量豐富和保水量較強。棉花進(jìn)入花鈴期以后，隨著灌水次數(shù)和灌水量加大，土壤含水量在0～60 cm土層內(nèi)波動較大，且變化極為活躍。在棉花苗前期、苗期和蕾期生育階段，隨著大氣溫度的攀升，地膜覆蓋在土層表面使膜內(nèi)土壤水分蒸發(fā)減弱，并加速土壤深層水向上移動，至使0～20 cm土壤含水量保持在一定的范圍內(nèi)，土壤墑情變化趨勢較緩；隨著棉花生育期推進(jìn)，在進(jìn)入花鈴期以后，由于滴灌頻率逐漸加大，且每次灌水量也在不斷加大，0～20 cm土層土壤補償水分充足，由于棉花根系大多集中在40 cm內(nèi)，0～20 cm土層水分大部分通過棉花根系對土壤中的水分不斷吸收進(jìn)而轉(zhuǎn)移被利用。圖3～8

2.2.2 土壤溫度

研究表明，5、6月土壤溫度在0～60 cm呈現(xiàn)急劇下降趨勢，中間波動較小，氣溫和土壤溫度相對低于其他月且隨時間呈上升趨勢，由于大氣溫度影響土壤各層溫度波動較大。到7、8月，受棉花植株遮陰等影響，深層土壤溫度受大氣溫度影響逐漸減弱，40 cm土壤溫度達(dá)到最大，各層土壤溫度逐漸趨于平穩(wěn)，波動不大。初花期和結(jié)鈴前期，10～30 cm處土壤溫度隨著大氣溫度繼續(xù)上升，且波動較大。7、8月五號墑情點0～60 cm土層深度顯著高于其它墑情點。土壤各層溫度隨著大氣溫度的升高而逐漸升高，隨著大氣溫度的降低而逐漸降低，其影響廣度隨著土壤深度的不斷增加而呈減弱趨勢，滯后的時間伴隨著土壤剖面深度增加而延長。圖9

3 討 論

木合塔爾·艾買提等[17]以湖北省廣水市山地丘陵土壤為研究對象，現(xiàn)場調(diào)查采樣和實驗室檢測獲得200個土壤樣點養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，分析土壤養(yǎng)分元素的空間分布規(guī)律，除全氮養(yǎng)分含量相對偏低，其余土壤養(yǎng)分的含量較高。根據(jù)石河子總場數(shù)字農(nóng)業(yè)項目示范點土壤墑情監(jiān)測分析，土壤含水量從苗前期至蕾期呈現(xiàn)遞減趨勢，在花鈴期由于灌水次數(shù)密集，各個土層達(dá)到高峰。隨著生育期推進(jìn)和滴灌次數(shù)增加，土壤含水量在一定的區(qū)間內(nèi)波動，土壤含水量在土層0～60 cm內(nèi)變化較為活躍，其中土壤含水量在0～20 cm土層比20～60 cm土層變化趨勢顯著。在石河子地區(qū)滴灌棉花灌溉定額大約為260 m3/667 m2，應(yīng)用土壤墑情實時監(jiān)測系統(tǒng)及時了解土壤水分含量情況，進(jìn)行科學(xué)合理灌溉。通過對0～60 cm土層的土壤溫度進(jìn)行分析，土壤溫度受大氣溫度影響隨著土壤深度的逐漸增加而呈現(xiàn)減弱態(tài)勢，滯后時間隨著土層深度的不斷增加而逐漸延長；受棉花植株遮陰等影響，7月以后各土層溫度逐漸持平，波動不大。

4 結(jié) 論

4.1該研究區(qū)域土壤全氮服從正態(tài)分布，速效磷、速效鉀不服從正態(tài)分布。土壤全氮、速效磷和速效鉀變異均屬于中等水平變異，養(yǎng)分差異相對較大，需根據(jù)土壤養(yǎng)分豐缺狀況合理施氮磷鉀等肥料。全氮、速效磷表現(xiàn)為極強的空間相關(guān)性，其塊基系數(shù)分別為0.186、0.081，其空間變異性主要受結(jié)構(gòu)因素的影響;速效鉀的塊基系數(shù)為0.497，表現(xiàn)為中等強度的空間自相關(guān)性，其主要受結(jié)構(gòu)和隨機因素的共同作用影響。

4.2在不減產(chǎn)減質(zhì)情況下，在棉花整個生育期內(nèi)滴灌次數(shù)下降了1～3次，灌水總量大約節(jié)水20%左右。