江西省廣昌縣蓮田土壤中、微量元素含量及空間變異性評(píng)價(jià)

裴佳晨 楊良波 劉冬碧 趙 越 朱建強(qiáng) 吳茂前 余延豐 鄭興汶 唐記平 揭志輝

（1 長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北荊州 434025；2 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境潛江觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，湖北省農(nóng)業(yè)面源污染防治工程技術(shù)研究中心，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物肥料化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430064；3 廣昌縣白蓮產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，江西廣昌 344900）

土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的一個(gè)重要方面，對(duì)于耕地質(zhì)量分等定級(jí)、形成區(qū)域性特定作物優(yōu)化施肥技術(shù)模式等均具有十分重要的意義。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，和大量元素一樣，中、微量元素在促進(jìn)蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育（廖佳 等，2008；任士偉 等，2020）、提高蔬菜產(chǎn)量（沈志錦 等，2008；張冬明 等，2018）和改善蔬菜品質(zhì)（王慧敏和王正銀，2006；王亮亮 等，2017）中也發(fā)揮著重要作用。從全國(guó)范圍來(lái)看，土壤有效鎂含量較低的區(qū)域主要集中在長(zhǎng)江以南，包括福建、江西、廣東、廣西、貴州、湖北、湖南、海南等省份（黃鴻翔 等，2000；白由路 等，2004；陸志峰 等，2021）；有效硼、有效鉬含量較低的土壤主要是南方各地的紅壤（劉錚 等，1978，1982；張智 等，2016；余慧敏 等，2020）。由于土地利用、灌溉、施肥等人為因素，以及地形與地理位置、成土母質(zhì)等自然條件的不同，即使同一區(qū)域的農(nóng)田土壤養(yǎng)分也可能表現(xiàn)出較大的空間變異性（陳防 等，2006；江葉楓 等，2018；余慧敏 等，2020）。廣昌縣子蓮種植歷史悠久，是江西省子蓮的主產(chǎn)區(qū)，被譽(yù)為“中國(guó)白蓮之鄉(xiāng)”（謝克強(qiáng)，2010）。由于缺乏子蓮養(yǎng)分吸收特征與施肥效應(yīng)相關(guān)方面的研究，目前仍沒(méi)有蓮田土壤養(yǎng)分豐缺程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但一般認(rèn)為菜園土壤有效養(yǎng)分要高于大田作物土壤（章永松 等，1997；魯劍巍，2006）。本試驗(yàn)在對(duì)廣昌縣子蓮主產(chǎn)區(qū)開(kāi)展產(chǎn)量和施肥現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)上（劉冬碧 等，2019），以蓮田土壤為研究對(duì)象，采集代表性土壤樣品，分析土壤中、微量元素養(yǎng)分含量，對(duì)蓮田土壤中、微量元素養(yǎng)分進(jìn)行評(píng)價(jià)，并采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)中、微量元素養(yǎng)分進(jìn)行空間變異性特征分析，以期為廣昌子蓮生產(chǎn)中制定合理的分區(qū)優(yōu)化施肥方案提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

廣昌縣位于江西省東南部，隸屬于撫州市，地處北緯26°30′～26°59′、東經(jīng)116°6′～116°34′ 之間，全縣東西寬45 km，南北長(zhǎng)55 km，土地總面積約1 612 km，其中耕地面積15 630 hm，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m。廣昌縣屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，四季分明，年均降雨量1 750 mm，年均日照時(shí)數(shù)1 932 h，無(wú)霜期273 d。耕地土壤類(lèi)型主要有水稻土、潮土、紅壤3 種。主要糧食作物為水稻，經(jīng)濟(jì)作物為白蓮，廣昌縣白蓮種植面積超過(guò)7 530 hm，占全縣耕地面積的50%左右。

1.2 土壤樣品采集與項(xiàng)目測(cè)定及等級(jí)評(píng)價(jià)

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)子蓮主產(chǎn)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(lèi)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 份，在前期對(duì)土壤屬性和大量元素含量分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析測(cè)定土壤中、微量元素養(yǎng)分的有效含量，包括交換性鈣、交換性鎂、有效硫、有效硼、有效鋅、有效銅、有效鐵、有效錳和有效鉬。其中交換性鈣、交換性鎂含量采用醋酸銨浸提，原子吸收光譜（AAS）法測(cè)定；有效硫含量采用磷酸二氫鈣-乙酸溶液浸提，硫酸鋇比濁法測(cè)定；有效硼含量采用沸水浸提，姜黃素比色法測(cè)定；有效鐵和有效錳含量采用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）浸提，AAS 法測(cè)定；有效鋅和有效銅含量根據(jù)土壤pH 值呈酸性，采用0.1 mol·LHCl 浸提，AAS 法測(cè)定；有效鉬含量采用草酸-草酸銨溶液浸提，極譜儀測(cè)定（鮑士旦 等，2005）。

借鑒我國(guó)其他地區(qū)菜園土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和江西土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（劉錚 等，1982；江西省土地利用管理局和江西省土壤普查辦公室，1991；章永松 等，1997；魯劍巍，2006），對(duì)廣昌縣蓮田土壤中、微量元素養(yǎng)分進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2007 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)最小值、最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和偏移量，其中偏移量（）=（中值-平均值）/平均值 × 100%。

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)，則可以計(jì)算出半變異函數(shù)。

利用ArcGIS 10.2 軟件對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并運(yùn)用其中的克里格插值（Kriging）、繪圖及面積統(tǒng)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)土壤中、微量元素含量空間變異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中、微量元素含量的描述性統(tǒng)計(jì)與評(píng)價(jià)

由表1 可知，土壤中量元素交換性鈣和交換性鎂含量分別為409～2 989 mg·kg和51.6～125.1 mg·kg，平均值分別為834 mg·kg和88.4 mg·kg；土壤有效硫含量為14.1～62.0 mg·kg，平均值為28.9 mg·kg；有效硼含量為0.07～0.50 mg·kg，平均值為0.19 mg·kg；有效鋅和有效銅含量分別為2.58～16.65 mg·kg和2.11～12.87 mg·kg，平均值分別為6.42 mg·kg和5.02 mg·kg；有效鐵和有效錳含量分別為209～708 mg·kg和22.1～123.0 mg·kg，平均值分別為529 mg·kg和71.5 mg·kg；有效鉬含量為0.02～1.12 mg·kg，平均值為0.12 mg·kg。借鑒我國(guó)其他地區(qū)菜園土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和江西土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（劉錚 等，1982；江西省土地利用管理局和江西省土壤普查辦公室，1991；章永松 等，1997；魯劍巍，2006），綜合提出廣昌縣蓮田土壤中量元素4 級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和微量元素5 級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表2）；根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各元素進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明（圖1），廣昌縣蓮田土壤中量元素的含量均較低，交換性鈣含量從平均值來(lái)看雖處于中等（即適宜，下同）級(jí)別，但由于交換性鈣含量不是正態(tài)分布，缺乏和極缺級(jí)別的占比達(dá)到60.0%，所以從整體看交換性鈣含量處于缺乏級(jí)別；交換性鎂含量普遍較低，處于缺乏（即施肥有效的臨界值，下同）級(jí)別，與極缺級(jí)別共占比例達(dá)93.3%；有效硫含量也處于缺乏級(jí)別，與極缺級(jí)別共占比例達(dá)66.7%。微量元素中，有效硼和有效鉬的含量也普遍較低，處于極缺到缺乏級(jí)別的比例分別達(dá)98.2%和86.7%，且主要處于極缺級(jí)別；有效鋅、有效銅、有效鐵和有效錳的含量總體上均較高，其中有效鋅和有效銅的含量處于中等到較高級(jí)別的比例分別為39.3%和73.2%，處于過(guò)量級(jí)別的比例分別為60.7%和26.8%，且過(guò)量級(jí)別的有效鋅和有效銅平均含量分別為中等級(jí)別含量的3.0 倍和2.6 倍；有效鐵的含量100%處于過(guò)量級(jí)別，且其平均含量為中等級(jí)別最高值（10 mg·kg）的52.9 倍；有效錳的含量與有效鐵類(lèi)似，86.7%的樣本含量處于過(guò)量級(jí)別，且其平均含量為中等級(jí)別最高值（15 mg·kg）的4.8 倍。由此可見(jiàn)，廣昌縣蓮田土壤的交換性鈣、交換性鎂、有效硫和有效硼、有效鉬的含量較低，在子蓮施肥中應(yīng)加以考慮；而有效鋅、有效銅、有效鐵和有效錳的含量較高，尤其是有效鐵，過(guò)量級(jí)別的含量超出適宜值的50 倍以上，因此應(yīng)注意是否有鐵中毒的問(wèn)題（柴娟娟 等，2012）。

圖1 廣昌縣蓮田土壤中、微量元素在不同級(jí)別所占比例

表1 廣昌縣蓮田土壤中、微量元素含量

表2 廣昌縣蓮田土壤中、微量元素臨時(shí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) mg·kg-1

2.2 土壤中、微量元素含量的一般變異性分析

變異系數(shù)的大小反映總體內(nèi)部各樣本之間變異的程度。表1 表明，交換性鎂含量和有效鐵含量的變異較小，變異系數(shù)介于22%～26%之間；交換性鈣含量、有效硫含量、有效硼含量、有效鋅含量、有效銅含量和有效錳含量的變異系數(shù)較高，在42%～60%之間；土壤有效鉬的含量較低，但其變異最大，變異系數(shù)高達(dá)158.0%。

偏移量（）指中值偏離平均值的百分?jǐn)?shù)。當(dāng)土壤養(yǎng)分服從正態(tài)分布時(shí)，中值等于平均值（=0）。有研究提出（白由路 等，2001），以=5%為分界線，大于5%為偏斜元素，小于5%為不偏斜元素。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，交換性鈣、有效硫、有效鋅、有效銅和有效鉬為偏斜元素，且均為正偏斜；交換性鎂、有效硼、有效鐵和有效錳為不偏斜元素。偏移量與變異系數(shù)的相關(guān)分析表明，廣昌縣蓮田土壤中、微量元素的變異系數(shù)與偏移量呈顯著或極顯著正相關(guān)（=0.837，=9），表明土壤養(yǎng)分間的變異是平均數(shù)發(fā)生偏移的主要原因，兩者在表達(dá)土壤養(yǎng)分的變異程度上是基本一致的（陳防 等，2006）。

2.3 土壤中、微量元素半變異函數(shù)分析

利用GS+7.0 軟件，對(duì)廣昌縣蓮田土壤56 個(gè)樣點(diǎn)的中、微量元素各指標(biāo)進(jìn)行半變異分析。結(jié)果顯示（表3），各項(xiàng)指標(biāo)的半變異模型擬合度（決定系數(shù)）均較低，表明在本試驗(yàn)條件下中、微量元素各樣點(diǎn)之間不存在顯著的空間相關(guān)性。雖然交換性鎂和有效鐵的變異系數(shù)和偏移量均較小，但其漸變性分布規(guī)律較差，在小范圍內(nèi)忽高忽低。各項(xiàng)指標(biāo)的最大相關(guān)距離（變程）都在1 100 m 以上，表明它們?cè)谳^大的范圍內(nèi)存在著一定的漸變性分布規(guī)律。

表3 廣昌縣蓮田土壤中、微量元素的半變異擬合參數(shù)

塊金值（）、偏基臺(tái)值（）、基臺(tái)值（+）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。根據(jù)區(qū)域化變量空間相關(guān)性程度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（Cambardella et al.，1994），/（+）小于25%時(shí)，變量具有密切的空間相關(guān)性；在25%～75%之間時(shí)，變量具有中等的空間相關(guān)性；大于75%時(shí)，變量的空間相關(guān)性很弱。交換性鈣、交換性鎂、有效硼、有效銅和有效鐵等元素的塊金值與基臺(tái)值的比值（塊金效應(yīng)）介于7.26%～17.50%，表明其空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素的影響，如成土母質(zhì)、土壤類(lèi)型等；有效鋅和有效鉬的塊金效應(yīng)均為50.00%，表明其空間變異同時(shí)受結(jié)構(gòu)性因素和人為隨機(jī)因素的共同影響；有效硫和有效錳的塊金效應(yīng)均為100.00%，表明其空間相關(guān)性很弱，而受施肥、灌溉等人為隨機(jī)因素的影響較大。

2.4 土壤中、微量元素的空間分布特征

根據(jù)克里格插值法，對(duì)廣昌縣蓮田土壤9 種中、微量元素含量進(jìn)行空間插值分析，以揭示其空間分布特點(diǎn)。從圖2 可見(jiàn)，土壤交換性鈣的含量在廣昌縣頭陂鎮(zhèn)中部和盱江鎮(zhèn)西側(cè)較高，驛前鎮(zhèn)和赤水鎮(zhèn)東部較低；交換性鎂的含量以頭陂鎮(zhèn)較高，驛前鎮(zhèn)南部較低；有效硫的含量以甘竹鎮(zhèn)東部和赤水鎮(zhèn)南部較高，頭陂鎮(zhèn)中部和盱江鎮(zhèn)西側(cè)較低；有效硼的含量以驛前鎮(zhèn)南部和長(zhǎng)橋鄉(xiāng)北部較高，頭陂鎮(zhèn)和盱江鎮(zhèn)西側(cè)較低；有效鋅的含量以盱江鎮(zhèn)東部較高，甘竹鎮(zhèn)較低；有效銅的含量以頭陂鎮(zhèn)較高，甘竹鎮(zhèn)較低；有效鐵的含量以甘竹鎮(zhèn)和驛前鎮(zhèn)較高，赤水鎮(zhèn)較低；有效錳的含量以甘竹鎮(zhèn)和驛前鎮(zhèn)較高，頭陂鎮(zhèn)較低；有效鉬的含量區(qū)域性變化規(guī)律明顯，以頭陂鎮(zhèn)、盱江鎮(zhèn)和赤水鎮(zhèn)西側(cè)較高，其他區(qū)域較低。由此可見(jiàn)，在驛前鎮(zhèn)子蓮產(chǎn)區(qū)要重點(diǎn)關(guān)注土壤有效鈣、鎂的缺乏和有效鐵、錳過(guò)量的問(wèn)題，在頭陂鎮(zhèn)和盱江鎮(zhèn)子蓮產(chǎn)區(qū)，需重點(diǎn)關(guān)注土壤有效硫、硼的缺乏問(wèn)題。

圖2 廣昌縣蓮田土壤中、微量元素的空間分布

3 討論與結(jié)論

隨著高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)作物品種的普及，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高，以及氮磷鉀肥料用量的增加，土壤中、微量元素不平衡的問(wèn)題日益嚴(yán)重，在不少區(qū)域已成為提高作物產(chǎn)量與改善品質(zhì)的限制因素，因此對(duì)作物中微量元素營(yíng)養(yǎng)特性、中微量元素肥料施用技術(shù)的研究，受到越來(lái)越多研究者的重視（黃鴻翔 等，2000；白由路 等，2004；張智 等，2016；林小兵 等，2020；余慧敏 等，2020；陸志峰 等，2021；張明來(lái)，2021）。張明來(lái)（2021）在福建酸化紅壤上證實(shí)了對(duì)花椰菜施用鈣鎂型土壤調(diào)理劑，具有良好的土壤改良和增產(chǎn)提質(zhì)效果。黃鴻翔等（2000）采集了江西、廣西、廣東、湖南和海南7 種不同類(lèi)型的土壤共126 個(gè)樣品，分析了土壤有效鎂的含量，結(jié)果表明幾種土壤類(lèi)型供鎂能力大小為：水稻土＞棕色石灰土＞暗泥質(zhì)磚紅壤＞泥質(zhì)紅壤＞麻硅質(zhì)紅壤＞硅質(zhì)紅壤＞紅土質(zhì)紅壤；紅壤旱地上作物施鎂的效果，黃豆和花生最好（增產(chǎn)25%～40%），茶葉和烤煙次之（增產(chǎn)20%～25%），水稻增產(chǎn)幅度較小（增產(chǎn)6%左右）。陸志峰等（2021）研究表明，鎂是我國(guó)長(zhǎng)江流域及其以南的冬油菜種植中繼氮、磷、鉀、硼之后，第5 種需要通過(guò)施肥方式進(jìn)行補(bǔ)充的必需營(yíng)養(yǎng)元素。張智等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江中游湖南、湖北、江西三省農(nóng)田土壤微量元素含量以鐵的差異最大，水田有效鐵含量為旱地的2 倍以上，且高含量的鐵（＞130 mg·kg）主要分布在江西省中部以南區(qū)域，有效錳、有效銅、有效鋅的含量也是水田高于旱地，有效硼含量水田和旱地?zé)o明顯差異，其低值區(qū)（＜0.2 mg·kg）主要分布在江西省南部和北部?jī)啥?。余慧敏等?020）研究了江西鄱陽(yáng)湖平原區(qū)農(nóng)田土壤微量元素空間分異特征及其影響因素，結(jié)果顯示研究區(qū)域土壤硼和鉬的含量總體較高，硼含量受耕層質(zhì)地的影響最大，錳和鉬的含量主要受pH 影響。林小兵等（2020）研究表明，江西省茶園土壤有效鋅、有效銅、有效鐵和有效錳均較豐富，但有效硼嚴(yán)重缺乏；土壤養(yǎng)分以贛中地區(qū)最高，其次是贛東北地區(qū)和贛西北地區(qū)，贛南地區(qū)最低。

以上對(duì)南方紅壤區(qū)和江西省不同區(qū)域、不同利用方式下土壤中、微量元素的評(píng)價(jià)，與本試驗(yàn)結(jié)果是基本一致的。筆者最近的試驗(yàn)結(jié)果（未發(fā)表資料）表明，廣昌縣子蓮施用鎂肥和硼肥具有良好的增產(chǎn)效果，但其他中、微量元素肥料如鈣肥、硫肥、鉬肥等在子蓮上的改土、增產(chǎn)、提質(zhì)效應(yīng)，還需要進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。通過(guò)施用石灰，可以同時(shí)解決土壤降酸、消毒和補(bǔ)鈣的問(wèn)題（劉冬碧 等，2019）；硫的缺乏，可通過(guò)施用硫酸鉀型復(fù)混肥進(jìn)行解決；微量元素尤其是鐵、錳的過(guò)量問(wèn)題，需加強(qiáng)蓮田水分管理、合理灌溉，冬季適度曬田，或者實(shí)行子蓮與其他作物輪作換茬，改善土壤氧化還原狀況，降低還原性物質(zhì)尤其是亞鐵的總量。此外，因地制宜地施用不同形式的有機(jī)肥，可調(diào)整蓮田土壤綜合肥力的同時(shí)，也可增強(qiáng)土壤的中、微量元素供應(yīng) 能力。

綜上所述，廣昌縣蓮田土壤交換性鈣、交換性鎂和有效硫等中量元素的含量均較低，并以交換性鎂的缺乏最突出；微量元素以有效硼和有效鉬的含量較低，有效鋅、有效銅、有效鐵和有效錳的含量總體上較高，鐵、錳過(guò)量的問(wèn)題應(yīng)引起重視。