高原夏菜種植基地土壤養(yǎng)分含量及分布特征

韋 體,潘 峰,吳登宇,陳宏福,高丹丹,徐紅偉,楊具田,郭鵬輝

(西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,蘭州 730030)

【研究意義】高原夏菜是利用西北內(nèi)陸夏季日照充足、晝夜溫差大等特點(diǎn)在高海拔地區(qū)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)蔬菜。高原夏菜種植基地位于甘肅省榆中縣,地處西北內(nèi)陸,海拔高、氣候溫和,目前蔬菜種植基地極少采取休耕、綠肥種植及秸稈還田等技術(shù)提升土壤肥力,而是以施用外源商品肥為主,普遍存在肥料過(guò)量施用的問(wèn)題[1]。長(zhǎng)期過(guò)量施肥會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)積累和微生物群落結(jié)構(gòu)及氮磷元素分解速率的改變,影響土壤中氮磷儲(chǔ)量和能量循環(huán),進(jìn)而影響農(nóng)作物的產(chǎn)量、質(zhì)量及農(nóng)業(yè)發(fā)展[2]。了解高原夏菜種植基地養(yǎng)分含量水平及養(yǎng)分分布情況,對(duì)高原夏菜科學(xué)化種植具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤是植物賴以生存的基礎(chǔ),而土壤養(yǎng)分是影響土壤肥力與質(zhì)量的重要因素,其為植物提供了氮、磷、鉀等不可或缺的物質(zhì)生長(zhǎng)條件[3],因此,土壤養(yǎng)分因子是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)。土壤肥力受多種因素綜合影響,單一養(yǎng)分無(wú)法準(zhǔn)確反映土壤肥力水平,鑒于此,有學(xué)者采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法探討土壤肥力,其能夠簡(jiǎn)單有效評(píng)價(jià)土壤肥力[4]。黃先飛等[5]利用改進(jìn)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)了劍河縣水田及旱地的土壤肥力。但土壤具有高度的空間異質(zhì)性,國(guó)內(nèi)學(xué)者運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)和GIS技術(shù)相結(jié)合的方法對(duì)土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)格局也進(jìn)行了研究;曾迪等[6]對(duì)海南儋州農(nóng)用地土壤速效磷和速效鉀的空間變異進(jìn)行分析;呂真真等[7]利用克里金插值法探討了環(huán)渤海沿海區(qū)域土壤養(yǎng)分空間變異及分布格局?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前,將內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、地統(tǒng)計(jì)學(xué)、地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)等綜合分析土壤養(yǎng)分空間變異的研究不斷增多,但是將其應(yīng)用于高原夏菜土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)的報(bào)道較少?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】榆中縣作為高原夏菜主產(chǎn)區(qū),如何利用有限的土地面積提高高原夏菜產(chǎn)量是目前需要解決的主要問(wèn)題之一。本研究通過(guò)調(diào)研采集榆中縣高原夏菜種植基地土壤樣品,對(duì)土壤堿解氮(AN)、全氮(TN)、速效磷(AP)、全磷(TP)、速效鉀(AK)、全鉀(TK)、有機(jī)質(zhì)(OM)、電導(dǎo)率(EC)等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,分析土壤養(yǎng)分空間分布特征,并綜合評(píng)價(jià)土壤肥力狀況,旨在為榆中縣高原夏菜的土壤改良及科學(xué)種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

高原夏菜種植基地地處隴中黃土高原腹地,介于103°49′15″～104°34′20″ E,35°34′20″～36°26′30″ N,總面積3301.6 km2,海拔1432～3670 m。地勢(shì)南高北低,中部呈“凹”狀,山多川少,屬于典型溫帶半干旱大陸性氣候,冬季嚴(yán)寒、夏季炎熱,氣溫年較差、日較差很大,降水集中,四季分明,多年平均降水量350 mm,全年無(wú)霜期159 d,年平均氣溫6.57 ℃,總?cè)照諘r(shí)長(zhǎng)1626.6 h。土壤類型為黃綿土、黑麻土、碳酸鹽灰褐土,適合蔬菜生產(chǎn)[8-9]。

1.2 土壤樣品采集與處理

以2019年9月完成甘藍(lán)(BrassicaoleraceaL.var.capitataL.)、白菜(BrassicapekinensisRupr.)、馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)、西藍(lán)花(BrassicaoleraceaL. var.italicPlanch.)、芹菜(ApiumgraveolensL.)、花椰菜(BrassicaoleraceaL. var.botrytisL.)收割后的土地和閑置土地(荒地)為采樣點(diǎn),共設(shè)置105個(gè)樣點(diǎn)(表1)。每個(gè)樣點(diǎn)采用5點(diǎn)取樣法,按根系的深度分成2層,分別是A(0～10 cm)和B(10～20 cm)。每層各取1 kg土壤,分別混勻后再用四分法取1 kg土壤裝于自封袋中,運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室,去除雜物、石塊與植物根系后自然陰干,過(guò)直徑為0.15 mm尼龍篩保存?zhèn)溆谩?/p>

表1 樣地基本特征

1.3 樣品測(cè)定與分析

利用土壤肥料養(yǎng)分速測(cè)儀(OK-Q,鄭州歐柯奇儀器制造有限公司)測(cè)定土壤樣品中AN、TN、AP、TP、AK、TK、OM的含量。EC值采用農(nóng)業(yè)環(huán)境測(cè)定儀(HL-2000,石家莊世亞科技有限公司)連接土壤鹽分傳感器測(cè)定。

1.4 土壤養(yǎng)分分級(jí)評(píng)價(jià)方法

采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對(duì)高原夏菜種植基地7種蔬菜種植地進(jìn)行土壤肥力綜合評(píng)價(jià)[10-11]。

1.4.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算 當(dāng)屬性值屬于差一級(jí)時(shí),即Ci≤Xa時(shí):Pi=Ci/Xa(Pi≤1)

(1)

當(dāng)屬性值屬于中等一級(jí)時(shí),即Xa

(2)

當(dāng)屬性值屬于較好一級(jí)時(shí),即Xc

(3)

當(dāng)屬性值屬于好一級(jí)時(shí),即Ci>Xp時(shí):Pi=3

(4)

式中,Pi為分肥力指數(shù);Ci為某屬性測(cè)定值;Xa、Xc、Xp為各屬性值的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。土壤各屬性因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要參照全國(guó)第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[12]。

1.4.2 綜合肥力指數(shù)計(jì)算 改進(jìn)內(nèi)梅羅公式如下[13]:

式中,Ps為土壤綜合肥力指數(shù);Pi avg為土壤各屬性分肥力指數(shù)的平均值;Pi min為各分肥力指數(shù)中最小值;n為參評(píng)因子數(shù)量。將土壤肥力水平分為很肥沃(Ps≥2.7)、肥沃(1.8≤Ps<2.7)、一般(0.9≤Ps<1.8)、貧瘠(Ps<0.9)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2010軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;運(yùn)用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA),結(jié)合LSD法進(jìn)行多重比(P<0.05),利用雙變量相關(guān)分析法分析土壤各養(yǎng)分之間的Pearson相關(guān)系數(shù);使用Origin 8.5軟件制圖;利用Arcgis 10.2 Kriging插值分析對(duì)高原夏菜種植基地養(yǎng)分分布情況進(jìn)行描述。

2 結(jié)果與分析

2.1 高原夏菜種植基地土壤養(yǎng)分特征

由表2可知,土壤主要養(yǎng)分指標(biāo)的變異系數(shù)在23%～185%。一般認(rèn)為,變異系數(shù)<10%為弱強(qiáng)度變異,10%≤變異系數(shù)≤100%為中等強(qiáng)度變異,變異系數(shù)>100%為強(qiáng)度變異[14]。土壤AN、TN、TP、TK、EC和OM的變異系數(shù)介于10%～100%,屬于中等強(qiáng)度變異,AP、AK的變異系數(shù)大于100%,屬于強(qiáng)度變異。表明在不考慮空間位置,只從養(yǎng)分的隨機(jī)性考慮,各養(yǎng)分指標(biāo)的空間分布總體上比較分散,養(yǎng)分水平差異較大。

表2 高原夏菜種植基地養(yǎng)分特征統(tǒng)計(jì)

2.2 土壤各養(yǎng)分間相關(guān)關(guān)系

土壤各養(yǎng)分間Pearson相關(guān)分析結(jié)果(表3)表明,AN與TP呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01,下同);AP、TP與EC呈極顯著負(fù)相關(guān);TP與TK、OM呈極顯著負(fù)相關(guān);OM與EC呈極顯著負(fù)相關(guān)。TN與OM呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05,下同),與EC呈顯著正相關(guān);AK與OM呈顯著負(fù)相關(guān);TK與EC呈顯著負(fù)相關(guān),而其他養(yǎng)分之間雖具有一定的相關(guān)性,但差異不顯著。由此可見(jiàn),高原夏菜種植基地下的大部分土壤養(yǎng)分之間存在相互影響與協(xié)同作用,從而促進(jìn)了土壤肥力的演變。

表3 土壤養(yǎng)分間Pearson相關(guān)性系數(shù)矩陣

2.3 高原夏菜種植基地土壤養(yǎng)分的基本狀況

大部分的蔬菜種植下土壤AN、TN、AP、TP、AK、TK和OM含量與土壤深度間具有顯著差異且不呈現(xiàn)規(guī)律性(表4)。在同一土壤深度中,不同蔬菜種植地的土壤養(yǎng)分之間存在顯著差異。其中AN含量最高的是馬鈴薯種植地(207.70 mg/kg),含量最低的是花椰菜(12.67 mg/kg);TN含量最高的是芹菜種植地(1.62%),含量最低的是馬鈴薯種植地(0.70%);AP含量最高的是甘藍(lán)種植地(632.53 mg/kg), 含量最低的是馬鈴薯種植地(3.42 mg/kg);TP含量最高的是花椰菜種植地(1.36%),含量最低的是芹菜種植地(0.66%);AK含量最高的是甘藍(lán)種植地(65.82 mg/kg),含量最低的是花椰菜種植地(1.84 mg/kg);TK含量最高的是白菜種植地(3.22%),含量最低的是芹菜種植地(0.55%);OM含量最高的是花椰菜種植地(35.63%),含量最低的是芹菜種植地(13.02%)。以鉀元素為例,在0～10與10～20 cm的土壤深度中,不同蔬菜種植地類型的AK、TK含量呈顯著差異,除甘藍(lán)種植地和未利用地外,其余各組AK含量較低,屬于缺乏狀態(tài)。在不同蔬菜種植地的電導(dǎo)率值差異顯著,西藍(lán)花種植地土壤(10～20 cm)EC值最大(1.11 mS/cm),花椰菜與甘藍(lán)種植地土壤(0～10 cm)EC值最小(0.43 mS/cm),其中花椰菜、甘藍(lán)、白菜、芹菜、西藍(lán)花、荒地等種植地的土壤電導(dǎo)率隨土壤深度增加而增大。

表4 不同蔬菜種地土壤養(yǎng)分的空間分布特征

2.4 變異函數(shù)分析

若C0/(C0+C)比值<25%,表示系統(tǒng)空間相關(guān)性較強(qiáng);若其比值>75%,表示系統(tǒng)空間相關(guān)性弱;若其比值在25%～75%,表示系統(tǒng)空間相關(guān)性為中等[2]。

AN、EC塊金效應(yīng)小于25%,表明空間相關(guān)性較強(qiáng);TN、AP、TP、AK、OM塊金效應(yīng)大于75%,表明空間相關(guān)性較弱;TK塊金效應(yīng)在25%～75%,表明TK系統(tǒng)空間相關(guān)性為中等。AN、TP、TK、EC的最優(yōu)模型為線性模型,變程均為0.04 km,表明空間自相關(guān)性較好;TN、AP的最優(yōu)指模型為球形模型,變程分別為0.14、0.02 km,表明空間自相關(guān)性較差;AK和OM的最優(yōu)指數(shù)模型為高斯模型,變程分別為0.03、0.08 km,表明空間自相關(guān)性較差(表5)。

表5 土壤養(yǎng)分指標(biāo)半方差函數(shù)模型及參數(shù)

2.5 高原夏菜種植基地養(yǎng)分含量Kriging插值分析

整體來(lái)看,AN分布格局涉及6個(gè)等級(jí)水平,中部馬鈴薯種植地含量較高,北部、南部含量較低,以第4級(jí)(144.05～144.35 mg/kg)分布最為廣泛,呈半環(huán)狀分布,TN分布為中部和北部形成2個(gè)含量較高的峰,第三級(jí)含量(1.18%～1.23%)所占面積更大,TN分布格局與AN分布格局在中部呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖1～2)。中部AP含量存在峰值,且明顯大于其他地區(qū),AP含量第2級(jí)(44～79 mg/kg)所占面積最大,而TP分布情況與AP含量相反,呈現(xiàn)出中部低,兩邊高的分布情況(圖3～4)。AK分布情況為北高南低,呈環(huán)帶狀分布,TK在中部、南部含量較高,但覆蓋面積較小,北部大面積土地TK含量較低(圖5～6)。中、北部地區(qū)EC值普遍偏大,且分布較為集中,以中部西藍(lán)花種植地為圓心向外擴(kuò)散,南部EC值較小,主要集中在0.57～0.67 mS/cm(圖7)。OM值分布規(guī)律為中部地區(qū)較低,由中部向南、北方含量逐漸增加,高原夏菜種植基地有機(jī)質(zhì)含量主要分布區(qū)間為15%～24%(圖8)。

圖1 堿解氮含量分布

圖2 全氮含量分布

圖3 速效磷含量分布

圖4 全磷含量分布

圖5 速效鉀含量分布

圖6 全鉀含量分布

圖7 電導(dǎo)率值分布

圖8 有機(jī)質(zhì)含量分布

對(duì)土壤養(yǎng)分各指標(biāo)含量進(jìn)行Kriging交叉驗(yàn)證,結(jié)果(表6)表明,除AP外,其余養(yǎng)分MAE值都較接近于0,說(shuō)明接近無(wú)偏估計(jì)。除TN外,其他土壤養(yǎng)分RMSSE在0.90～1.10間浮動(dòng),說(shuō)明模型的擬合度較高。預(yù)測(cè)誤差的均值等3項(xiàng)檢驗(yàn)參數(shù)指標(biāo)綜合反映預(yù)測(cè)表面的精度,表明模型可準(zhǔn)確估計(jì)AN、TP、AK、TK、EC和OM的空間變異,適用性較強(qiáng)。因此,土壤AN、TP、AK、TK、EC和OM的 Kriging 插值結(jié)果較為可靠。

表6 土壤空間制圖交叉驗(yàn)證

2.6 土壤肥力及養(yǎng)分含量水平評(píng)價(jià)

高原夏菜種植基地上7種蔬菜種植地土壤肥力均為一般(0.9

表7 不同蔬菜種植地土壤肥力指數(shù)評(píng)價(jià)

表8 不同養(yǎng)分含量水平評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)

3 討 論

研究結(jié)果顯示,高原夏菜種植地土壤AP、AK變異系數(shù)分別為104%、185%,為強(qiáng)度變異,其最佳變程約為0.02、0.03 km;其他土壤養(yǎng)分變異系數(shù)為23%～55%,為中等變異,其最佳變程范圍為0.04～0.14 km,表明高原夏菜種植地的區(qū)域結(jié)構(gòu)與隨機(jī)因素是影響其土壤養(yǎng)分空間變異的主要因素[15-19]。其中,AP、AK的空間變異程度較大,其原因可能與農(nóng)戶在耕作中長(zhǎng)期大量使用化肥,同時(shí)高原夏菜種植地的管理措施、區(qū)域地形地貌、作物產(chǎn)量的高低等均會(huì)影響土壤養(yǎng)分含量。研究顯示,農(nóng)業(yè)施肥與土壤表層養(yǎng)分的空間變異存在密切聯(lián)系,在施肥過(guò)程中直接影響土壤養(yǎng)分的空間變異性,施肥一段時(shí)間后,養(yǎng)分被農(nóng)作物吸收或轉(zhuǎn)化后,土壤養(yǎng)分空間變異性具有一定的穩(wěn)定性[20]。本研究結(jié)果表明,TN、AN、AP、TK、EC和OM等土壤養(yǎng)分含量主要集中在中部,分布較為均勻,其他養(yǎng)分分布較為分散,這可能與地形特點(diǎn)及施肥不均衡存在密切聯(lián)系。榆中縣中部地區(qū)地勢(shì)較為平緩,人為活動(dòng)較為密切,施肥灌溉也較為頻繁,因而土壤養(yǎng)分含量也較為集中。除TK、AK外,其他土壤養(yǎng)分含量均達(dá)到肥沃水平。由此可見(jiàn),高原夏菜種植基地養(yǎng)分含量特征為磷元素豐富、鉀元素缺失,造成鉀含量缺乏的原因可能與以下兩方面因素有關(guān),一是高原夏菜種植主要以澆灌補(bǔ)水為主,土壤鉀素淋溶作用強(qiáng)烈,淋失量較大導(dǎo)致土壤鉀素總體水平較低;二是高原夏菜種植地農(nóng)戶在施肥時(shí)普遍存在“重氮輕鉀”的現(xiàn)象,導(dǎo)致鉀肥施用量偏低。

研究發(fā)現(xiàn),作物對(duì)磷肥的當(dāng)季回收利用率很低,一般只有10%～25%,加上作物的后效,累積利用率一般也不超過(guò)25%[21]。本研究中高原夏菜種植基地速效磷含量最高達(dá)632.53 mg/kg,嚴(yán)重超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(>40 mg/kg),其原因是該區(qū)域在長(zhǎng)期施肥過(guò)程中,針對(duì)土壤肥力評(píng)價(jià)的方式較為單一,往往只通過(guò)速效磷含量代替土壤總體養(yǎng)分水平。休耕不僅可以提高黃土高原土壤有機(jī)質(zhì)含量等肥力指標(biāo),還可以影響土壤細(xì)菌群落的種類和功能,合理的休耕也可以促進(jìn)農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定[22-23],將農(nóng)作物與苜蓿、豆科輪作,土壤氮素、鉀素、有機(jī)質(zhì)含量會(huì)有一定的上升,磷素含量會(huì)隨之降低,輪作、混播種植模式可有效提高農(nóng)田的土壤質(zhì)量[24-27]。因此,基于高原夏菜種植基地土壤養(yǎng)分“豐磷缺鉀”的典型特性,可嘗試將高原夏菜與紫花苜蓿、大豆等豆科植物輪作,以調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分,保持土壤的健康合理利用。同時(shí),為快速降低局部土壤的速效磷含量,在實(shí)際種植過(guò)程中,需要適當(dāng)減少磷肥的施用量,來(lái)降低AP含量,同時(shí)應(yīng)堅(jiān)持施用農(nóng)家肥、合理輪作、提倡秸稈回田、改良土質(zhì)等管理措施,促進(jìn)提高高原夏菜種植基地土壤的健康穩(wěn)定發(fā)展[28-29]。

4 結(jié) 論

(1)高原夏菜種植基地土壤肥力總體表現(xiàn)為一般,土壤養(yǎng)分含量總體表現(xiàn)為“豐磷缺鉀,氮含量適中”。

(2)土壤AN、EC系統(tǒng)空間相關(guān)性較強(qiáng),TN、AP、AK、OM系統(tǒng)空間相關(guān)性較弱,TK系統(tǒng)空間相關(guān)性中等。高原夏菜種植基地AN、TN、AP的空間分布特征為中間高、四周低;TP的空間分布特征為中間低四周高;TK、OM空間分布特征為南高北低;AK和EC的空間分布特征為北高南低。

(3)高原夏菜在具體種植栽培過(guò)程中,應(yīng)采取多元化的土壤肥力評(píng)價(jià)方式,同時(shí)應(yīng)適當(dāng)減少磷肥的使用率,增加鉀肥的使用量,將高原夏菜與豆科植物進(jìn)行合理的輪作,以促進(jìn)土壤的健康發(fā)展和合理利用。

綜上,本研究通過(guò)對(duì)高原夏菜種植基地土壤養(yǎng)分含量、分布特征和肥力分析研究,為高原夏菜種植地土壤科學(xué)、綠色可持續(xù)利用和高質(zhì)量發(fā)展提供了一定的理論依據(jù)。