江西省廣昌縣蓮田土壤屬性和大量元素空間變異特征及評(píng)價(jià)

趙 越，楊良波，裴佳晨，3，劉冬碧，吳茂前，唐記平，鄭興汶，徐金星，揭志輝，賴克強(qiáng)

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所/湖北省農(nóng)業(yè)面源污染防治工程技術(shù)研究中心/國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境潛江觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物肥料化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430064；2.廣昌縣白蓮科學(xué)研究所，江西 廣昌344900；3.長(zhǎng)江大學(xué)濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心，湖北 荊州434025）

土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的一個(gè)主要方面，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、衡量土壤生產(chǎn)力、進(jìn)行精細(xì)農(nóng)業(yè)具有十分關(guān)鍵的意義［1，2］。土壤養(yǎng)分不僅會(huì)影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，還會(huì)影響農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，以及區(qū)域性農(nóng)作物施肥模式。由于土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)對(duì)象的差異，往往有不同的評(píng)價(jià)側(cè)重與評(píng)價(jià)方法，如對(duì)重慶市烤煙種植區(qū)土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)時(shí)，有學(xué)者采用模糊數(shù)學(xué)和偏相關(guān)分析法，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀等養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)［3］；也有學(xué)者選取有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、全氮、有效鈣等養(yǎng)分指標(biāo)，對(duì)湖北省菊花種植區(qū)土壤養(yǎng)分進(jìn)行評(píng)價(jià)［4］；耿慶龍等［5］采用隸屬度函數(shù)和修正內(nèi)梅羅指數(shù)方法，選取常規(guī)養(yǎng)分指標(biāo)和微量元素對(duì)新疆果園土壤養(yǎng)分進(jìn)行評(píng)價(jià)。土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)相關(guān)研究經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展，由定性評(píng)價(jià)逐漸向定量評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變，評(píng)價(jià)指標(biāo)也由單項(xiàng)指標(biāo)向多項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)變，但至今并未形成統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法［6，7］。就水生蔬菜研究而言，在養(yǎng)分效應(yīng)和施肥技術(shù)方面的報(bào)道相對(duì)較多［8］，土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)方面的研究報(bào)道較少［9］。廣昌縣是江西省子蓮的主產(chǎn)區(qū)，子蓮生產(chǎn)歷史悠久，被稱為“中國(guó)白蓮之鄉(xiāng)”，但子蓮施肥方面的研究?jī)H有零星報(bào)道［10］，更缺乏子蓮田土壤養(yǎng)分豐缺程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本試驗(yàn)選取江西省廣昌縣子蓮種植區(qū)土壤為研究對(duì)象，在2018年對(duì)廣昌縣子蓮種植區(qū)進(jìn)行產(chǎn)量和施肥現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)上［11］，采集代表性子蓮田土壤樣品，分析土壤屬性和不同形態(tài)大量元素養(yǎng)分含量，借鑒江西省土壤普查和菜園土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［12-14］，綜合提出臨時(shí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土壤屬性和大量元素養(yǎng)分進(jìn)行評(píng)價(jià)，并借助地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的空間變異性特征進(jìn)行分析，以期為廣昌縣子蓮生產(chǎn)制定合理的分區(qū)施肥方案提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣昌縣位于江西省東南部、隸屬撫州市，地處26°30′—26°59′N、116°06′—116°34′E，全縣東西寬約45 km，南北長(zhǎng)約55 km，土地總面積約為1 612 km2，屬丘陵地形，海拔東西高，中部低，由南向北傾斜。廣昌縣水資源豐富，盱江發(fā)源于廣昌縣驛前鎮(zhèn)，為撫河源頭，共接納主要支流11條，多年平均徑流總量14.95億m3。廣昌縣屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，溫暖濕潤(rùn)，四季分明，雨量充沛，年均降水量約為1 750 mm，年平均日照約為1 932 h，平均無霜期為273 d。耕地土壤類型主要有水稻土、潮土、紅壤3種。

1.2 土壤樣品采集與測(cè)試方法

2018年3月在廣昌縣選擇驛前鎮(zhèn)、赤水鎮(zhèn)、頭陂鎮(zhèn)、盱江鎮(zhèn)、甘竹鎮(zhèn)、長(zhǎng)橋鄉(xiāng)等6個(gè)子蓮主要產(chǎn)區(qū)所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)，根據(jù)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)子蓮產(chǎn)量及種植規(guī)模選擇2~3個(gè)村進(jìn)行調(diào)查走訪采樣，盡可能調(diào)查種蓮大戶并在其代表性蓮田采樣。根據(jù)子蓮種植區(qū)的地形地貌、土壤類型、田塊大小等因素，對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行GPS定位，共采集土壤樣品56個(gè)。分析全部土壤樣品pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、緩效鉀等指標(biāo)，分析方法均用常規(guī)方法［15］。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析處理采用Excel 2010軟件進(jìn)行，對(duì)子蓮種植區(qū)土壤各類養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)及pH的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

1.3.2 半變異函數(shù)方法半變異函數(shù)法是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中常用的統(tǒng)計(jì)方法之一。隨GIS相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，地統(tǒng)計(jì)學(xué)逐漸與GIS技術(shù)相結(jié)合，廣泛地應(yīng)用于空間分析的諸多領(lǐng)域［16，17］，本研究采用GS+7.0軟件進(jìn)行半變異函數(shù)擬合，并根據(jù)擬合程度的高低建立最佳擬合模型，以反映目標(biāo)值在不同距離觀測(cè)值的變化，假設(shè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)變量符合二階平穩(wěn)和本征假設(shè)，則半變異函數(shù)可以表示如下。

式中，γ?(h)表示半變異函數(shù)，h為步長(zhǎng)，N(h)表示間隔h的樣點(diǎn)數(shù)，z(xi)與z(xi+h)則分別表示在z(xi)與z(xi+h)處的實(shí)測(cè)值。一般常用于擬合間斷點(diǎn)的方程為半變異函數(shù)模型，通?？梢苑譃榍驙钅Ｐ停⊿pherical）、高斯模型（Gaussian）、指數(shù)模型（Ex?ponential）、線性模型（Linear）等。

1.3.3 空間分析利用ArcGIS 10.2軟件對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并利用其中的克里格插值（Kriging）功能、繪圖及面積統(tǒng)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)空間分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)與評(píng)價(jià)

廣昌縣蓮田土壤屬性和大量元素統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表1）顯示，pH變化范圍為4.53~5.57，平均值為4.92；土壤有機(jī)質(zhì)含量為23.30~61.80 g/kg，均值為38.20 g/kg；土壤全氮、全磷和全鉀含量均值分別為2.16、0.65、24.70 g/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀和緩效鉀含量均值分別為132.00、41.20、109.00、1 000.00 mg/kg。pH變異系數(shù)為4.27%，小于5%，表明其變異性較弱，有機(jī)質(zhì)和不同形態(tài)氮、磷、鉀養(yǎng)分的變異系數(shù)均處于15%~45%，屬于中等變異。

表1 廣昌縣蓮田土壤屬性和大量元素統(tǒng)計(jì)值

根據(jù)臨時(shí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表2），結(jié)合分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表3）可得，廣昌縣蓮田土壤以酸性土壤為主，酸性土壤占樣本總數(shù)的93.4%，弱酸性占6.6%；土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，樣本中72.1%的土壤有機(jī)質(zhì)含量屬較高及以上水平；堿解氮含量較低，樣本中有77.1%的土壤堿解氮含量屬缺乏或極缺水平；有效磷含量較高，中等與較高等級(jí)的樣本分別占總量的50.8%和39.3%；速效鉀含量較低，有83.6%的樣本處于缺乏或極缺水平。由于蔬菜作物通常生育期較短、生長(zhǎng)量大，對(duì)養(yǎng)分濃度要求較高，一般認(rèn)為，菜園土壤有效養(yǎng)分的豐缺指標(biāo)一般要高于其他大田作物［13］，但蔬菜類型眾多，產(chǎn)地和產(chǎn)量千差萬別，不同類型蔬菜的土壤養(yǎng)分分級(jí)指標(biāo)鮮見報(bào)道。子蓮是中國(guó)特色水生蔬菜，植株個(gè)體較大，生育期較長(zhǎng)，收獲類型多（有采摘鮮嫩蓮子、老熟蓮子和七八分成熟蓮子3種類型），但蓮田土壤養(yǎng)分分級(jí)評(píng)價(jià)方面的研究鮮見報(bào)道。本研究提出的廣昌縣蓮田土壤養(yǎng)分臨時(shí)分級(jí)指標(biāo)，仍有待于通過今后大量的田間試驗(yàn)研究和土壤分析結(jié)果進(jìn)行完善。

表2 廣昌縣蓮田土壤屬性和大量元素養(yǎng)分臨時(shí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 廣昌縣蓮田土壤屬性和大量元素養(yǎng)分分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果（單位：%）

2.2 土壤屬性及大量元素空間變異分析

利用GS+7.0軟件對(duì)蓮田56個(gè)土壤樣點(diǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行半變異分析，結(jié)果（表4）顯示，蓮田土壤各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)的半變異擬合最優(yōu)模型中，pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、緩效鉀均符合高斯模型；堿解氮、有效磷、速效鉀擬合最優(yōu)模型為指數(shù)模型。塊金值（C0）、偏基臺(tái)值（C）、基臺(tái)值（C0+C）分別表示空間變異中的隨機(jī)變異、結(jié)構(gòu)變異和系統(tǒng)總變異。有效磷、緩效鉀、速效鉀、全氮、有機(jī)質(zhì)的塊金值與基臺(tái)值的比值（塊金效應(yīng)）分別為6.4%、14.0%、16.4%、16.0%、23.6%，均小于25%，表明其有很強(qiáng)的空間相關(guān)性，其變異主要受結(jié)構(gòu)性因素影響，如成土母質(zhì)、土壤類型等。pH、全鉀、堿解氮、全磷的塊金值與基臺(tái)值的比值分別為35.2%、38.7%、27.3%和30.0%，均處于25%~75%，表明以上變量具有中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性，其變異受到結(jié)構(gòu)性因素和施肥、灌溉等隨機(jī)因素共同影響。半變異函數(shù)模型的選擇是空間變異研究中的關(guān)鍵，決定系數(shù)（R2）越接近1，表明擬合模型的效果越好，有機(jī)質(zhì)、全氮等模型的決定系數(shù)較高，表明其適用模型有較好的擬合效果，但由于本研究中樣點(diǎn)數(shù)量并不多，有效磷、速效鉀等決定系數(shù)較低，其適用模型擬合效果較差。10項(xiàng)指標(biāo)中變程多在1 000 m以上，最小的變程在700 m以上，可通過克里格插值獲得可靠插值結(jié)果。

表4 土壤屬性和大量元素半變異擬合參數(shù)

根據(jù)克里格插值法，對(duì)有機(jī)質(zhì)、全氮等8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行空間插值分析，以揭示其各自的空間分布特點(diǎn)。結(jié)果（圖1）表明，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮與堿解氮含量在廣昌縣南部驛前鎮(zhèn)和東部長(zhǎng)橋鄉(xiāng)較高，在北部甘竹鎮(zhèn)較低；全磷與有效磷含量在東部長(zhǎng)橋鄉(xiāng)、西部頭陂鎮(zhèn)較高，在南部驛前鎮(zhèn)和北部甘竹鎮(zhèn)較低；全鉀含量在南部驛前鎮(zhèn)、東部長(zhǎng)橋鄉(xiāng)較高，在西部頭陂鎮(zhèn)、北部甘竹鎮(zhèn)較低；速效鉀含量在中部盱江鎮(zhèn)、赤水鎮(zhèn)較高，在南部驛前鎮(zhèn)含量較低；緩效鉀在東部長(zhǎng)橋鄉(xiāng)較高，南部驛前鎮(zhèn)、北部甘竹鎮(zhèn)均較低。表明各項(xiàng)指標(biāo)有較為明顯的空間差異。

圖1 研究區(qū)土壤屬性和大量元素空間分布

3 小結(jié)

1）廣昌縣子蓮種植區(qū)土壤pH為4.53~5.57，平均為4.92，均為酸性土壤；土壤有機(jī)質(zhì)含量平均為38.20 g/kg；全氮、全磷和全鉀含量均值分別為2.16、0.65、24.70 g/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀和緩效鉀含量均值分別為132.00、41.20、109.00、1 000.00 mg/kg。結(jié)果表明，廣昌縣子蓮種植區(qū)土壤主要為酸性土壤，有機(jī)質(zhì)和有效磷含量較高，堿解氮和速效鉀含量較低。

2）土壤有機(jī)質(zhì)和不同形態(tài)氮、磷、鉀在空間分布上有顯著的空間差異，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮與堿解氮含量在廣昌縣南部驛前鎮(zhèn)和東部長(zhǎng)橋鄉(xiāng)較高，北部甘竹鎮(zhèn)較低；全磷與有效磷含量在東部長(zhǎng)橋鄉(xiāng)、西部頭陂鎮(zhèn)較高，在南部驛前鎮(zhèn)和北部甘竹鎮(zhèn)較低；全鉀含量在南部驛前鎮(zhèn)、東部長(zhǎng)橋鄉(xiāng)較高，在西部頭陂鎮(zhèn)、北部甘竹鎮(zhèn)較低；速效鉀含量在中部盱江鎮(zhèn)、赤水鎮(zhèn)較高，在南部驛前鎮(zhèn)含量較低；緩效鉀在東部長(zhǎng)橋鄉(xiāng)較高，在南部驛前鎮(zhèn)、北部甘竹鎮(zhèn)較低。