節水灌溉條件下稻田土壤肥力分布規律研究

萬玉文

摘要：為研究節水灌溉條件下灌區稻田土壤肥力分布規律，以我國南方水稻節水灌區湖北省漳河灌區的稻田土壤為研究對象，分a層0～25cm、b層25～50cm兩個取樣深度鉆取土樣，并進行肥力指標的分析。結果表明：各向同性條件下，a層的速效鉀、pH值相關性弱，其余的屬中等相關，b層四個指標均屬中等相關；各向異性條件下，各指標的系統內的總變異有明顯加強，系統變量的空間相關性屬中等強度。克立格法插值圖表明，a層的堿解氮、速效磷含量明顯高于b層，且比b層分布均一，隨著深度的增加，含量有所降低；a層堿解氮、速效磷在系統內的總變異性大于b層，但pH值沒有明顯的變化。本研究可以為探索節水灌溉技術與優化施肥技術相結合，促進節水、減污、增產提供參考。

關鍵詞：水稻灌區；土壤肥力；空間變異；半方差

中圖分類號：S158.5 文獻標識碼：A 文童編號：1003-4374（2012）03-O-0005-07

1、研究背景

土壤是不均一和變化的連續體，即時空連續變異體。田間實際情況表明，即使在土壤質地、類型相同的區域內，同一時刻土壤特性值（物理、化學、生物性質等）在不同空間位置上也具有明顯差異，這種屬性稱為土壤特性的空間變異性。作為土壤特性主要指標的土壤肥力的空間變異也是普遍存在的，而且比較復雜，成土母質、地形、人類活動等對土壤肥力的空間變異均有較大影響。對土壤特性，尤其是土壤肥力空間變異的充分了解是管理好土壤肥力和合理施肥的基礎。本文以典型水稻節水灌區漳河灌區的稻田土壤為研究對象，分析其肥力的空間變異性，確定土壤肥力特性，對促進節水、減輕農業面源污染，合理管理土壤養分，優化施肥，提高水稻產量和質量具有重要意義。

2、材料和方法

2.1 試驗區概況

湖北省漳河灌區是一個大型灌區，灌區實施較嚴格的節水灌溉管理制度。本試驗區位于該灌區團林鎮雙碑八組內一塊面積為11.79萬m²的水稻區（東經112°10.6°～112°10.8°，北緯30°51.4°～30°51.7°），區域內地勢北高南低，東西高中間低，平均海拔高程為96m。經統計，區域內共有132塊農田，絕大部分田塊種植水稻，種植制度為水稻一油菜/小麥一年兩熟，灌溉制度采用淺、濕、曬節水灌溉技術。試驗區田塊分布如圖1。

2.2 土樣采集與分析

2010年5月上旬至中旬對試驗區進行土樣采集。對該區內的每一塊自然田塊進行定點取樣，采用人工土鉆取樣，然后用GPS定位。采樣分兩個土層深度進行：（a）上層0～25cm，（b）下層25～50cm，共采集104個上層土樣和104個下層土樣，取樣點分布如圖2。

土樣經風干、磨碎及過篩后，進行理化性質的測定。有機質采用重鉻酸鉀容量法測定、總氮采用半微量凱氏法測定、總磷采用H2S04-HCl04消化一鉬銻抗比色法測定、堿解氮采用堿解擴散法測定、速效磷采用0.5mol/L NaHCO，浸提一鉬銻抗比色法測定、速效鉀采用醋酸銨浸提一火焰光度法測定、pH值采用電位法測定。

2.3 研究方法

首先用SPSS統計軟件對試驗區2010年采樣點進行常規的統計分析，再通過GS+中的Punctual Kriging方法進行空間插值，利用Surfer8.0軟件生成的grid插值圖，結合2010年的試驗區位置圖進行空間分析模塊Spatial Analyst的疊加，得到土壤肥力指標的插值變化圖，進而分析土壤在橫向和縱向上微小尺度下的肥力分布差異，得出試驗區內稻田的肥力分布規律。

3、結果和分析

3.1 試驗區內土壤肥力指標的統計特征

運用SPSS17.0對研究區內的a、b層土壤的有機質、總氮、總磷、堿解氮、速效磷、速效鉀、pH值進行了描述性統計，統計結果如表1、表2所示。

由表1中7種肥力指標的變異系數對比可知，各樣點速效磷變異最大，其變異系數為62%，呈中等強度變異性；pH值變異最小，其變異系數只有4%，變異強度弱；其他幾個指標的變異系數都在20%左右。說明該區表層土壤中的速效磷在水平空間上的變化很大，而pH值基本維持在同一狀態，土壤略偏酸性。其余幾個指標在水平空間上同樣具有變異性，但變化程度不大。

由表2可知，7個肥力指標的變異系數同樣是速效磷最大，具有強變異性；pH值的CV值最小，變異強度弱；其余各指標屬中等變異強度。這與本地區土壤類型和土壤質地有關。

由表1與表2對比可知，土壤肥力縱向空間上也具有變異性。沿垂直方向向下，堿解氮的含量有明顯的減少，速效鉀最大值有明顯增大，最小值有所減小，其余各因子含量均有不同程度的減少，土壤的pH值變化不大，下層土壤呈中性。該區的7個土壤肥力因子中除pH值外，其余6個都是下層的變異性大于上層，尤其是速效磷的變異系數變化較大，已超出了1。原因是下層土壤各指標值較之于上層偏小，所以同樣的濃度變化對下層土壤引起的變異性更大。

3.2 半方差分析法測定試驗區內土壤肥力空間變異性

半方差分析是為了明確土壤肥力各指標的區域變量在距離與方向上不同的所有成對點之間的觀測值的空間相關性。對試驗區內土壤變異性的分析也分為在土壤各向同性條件下的變異函數分析和在土壤各向異性條件下變異函數分析。

土地統計學中用來擬合實際變異曲線圖的理論模型有很多種，如球狀模型、指數模型、高斯模型、線性有基臺臺值模型和線性無基臺值模型等。而在擬合過程中，具體采用哪種模型，需要根據判斷選擇最優擬合模型，即先考慮決定系數R²的大小，其次考慮殘差RSS的大小，最后再考慮變程和塊金值的大小來判斷不同的理論模型在擬合實際變異曲線圖時的優劣程度。一般選取決定系數（R2）最大，殘差（RSS）最小的模型，此模型即為最佳模型。

3.2.1 土壤肥力指標的正態檢驗利用半方差分析法計算變異函數一般要求數據符合正態分布或近正態分布（偏度值在-1～1之間），否則可能存在比例效應，會使實驗方差函數產生畸變。現采用SPSS17.0軟件的K-S檢驗，對試驗區的a、b層土壤進行統計分析，發現a層的速效磷不服從正態分布，其余6個指標服從正態分布；b層除pH值外，其余的6個指標均不服從正態分布。因此在對這幾個指標進行變異函數計算時須進行對數轉換，再分析其分布是否服從正態分布，分布檢驗結果如表3、表4所示。

由表3和表4可知，經對數轉換后，a層土壤的7個肥力指標均服從正態分布.b層的有機質、TN、TP不服從正態分布，堿解氮、速效磷、速效鉀均服從正態分布。服從正態分布的指標均能用半方差分析法得到其變異函數。

3.2.2 各向同性條件下的變異性分析 半方差分析是通過分析半方差函數來進行的，半方差函數是描述土壤性質空間變異的一個函數，反映不同距離的觀測值之間的變化，表示一定范圍內的變量屬性的空間依賴性。通過半方差函數，結合地統計軟件GS+for windows可以得到在各向同性下a層、b層土壤肥力指標的參數值，如表5、表6所示。

通過各理論模型的決定系數和殘差可以看出，用指數模型來模擬a層的TN、速效磷以及用半球模型模擬pH值的空間變異分布效果較好，其它的4個指標模擬效果不佳；b層半球模型模擬堿解氮、指數模型模擬pH值的空間變異分布效果較好，速效磷和速效鉀模擬模型較差。

從表5、表6可以看出：①塊金值是半方差函數在原點處的數值，表示在小于最小取樣尺度引起的土壤隨機變異和測量分析過程中引的誤差，較大的塊金值，說明較小尺度上的某種過程不容忽視，如a層的堿解氮、速效鉀、速效磷，b層的堿解氮；②基臺值表示系統內的總變異，所以基臺值越高表示系統總的空間變異性越大，a層的空間變異性是堿解氮>速效轔>速效鉀>有機質>pH值>TN>TP，b層的是速效鉀>堿解氮>速效磷>pH值；③變程是指半方差達到基臺值時的樣本間距，代表了各變異點之間存在相關的最大間距，在這里變程的單位是度（位置是以經緯度定位的）；④塊金值與基臺值的比值可以表明系統變量的空間相關性的程度。當比值小于25%時，說明系統變量具有強烈的空間相關性；當比值在25%與75%之間，說明系統變量具有中等的空間相關性；大于75%時說明系統變量相關性很弱。從而得到a層的速效鉀、pH值相關性弱，其余的屬中等相關；b層4個指標均屬中等相關。

因為系統的空間變異包括結構變異和隨機變異，結構性因素至少包括氣候、母質、地表、土壤類型等可以導致土壤肥力強的空間相關性；隨機性因素有施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動使土壤肥力的空間自相關性減弱，朝均一化發展。所以在湖北漳河水稻灌區，試驗區內土壤a、b層均具有中等或弱相關性（即較強的變異性）很大程度是人為造成的。

3.2.3 各向異性條件下的變異性分析 各向異性是指變異函數的變量在空間方位上有變化時要考慮在不同方向上的變化。分析方法與各向同性條件下的相同，不同的是要分析0°、45°、90°、135°、180°四個方向上的變異函數，得到四個方向不同的模型，其相關參數如表7、表8所示。

綜合表5～表8可知，在各向異性條件下，對于a層各指標的塊金值都明顯大于在各向同性條件下的塊金值，說明在各向異性條件下，較小尺度上的某種過程是不容忽視的；同樣較之于各向同性，各指標的基臺值也有大幅度的增大，說明在此條件下各指標的系統內的總變異有明顯加強，各指標的總變異性強弱關系與各向同性相同。塊金值與基臺值之比與各向同性相比，TN、pH值有很小的增加，其余均有減小，但在各向同性和各向異性條件下的比值均處于同一區間，系統變量的空間相關性屬中等程度。b層較之與各向同性條件下，速效磷、速效鉀的塊金值有較大增加，堿解氮減小，pH值沒有變；基臺值均增加了，各指標總變異性在各向異性條件下都增加了，變異強度的順序與各向同性相同。但兩者的比值變化不大，系統變量的空間相關性屬中等強度。

3.3 克立格法插值圖分析

克立格法（Kriging）是利用區域化變量原始數據和半方差函數的結構性，對沒有采樣點的區域化變量的取值進行線性無偏量最佳估值的方法。它是根據待估樣點有限鄰域內若干已測的樣點數據，在認真考慮樣點形狀、大小和空間相互位置關系、它們與待估樣點相互空間位置關系，以及變異函數提供的結構信息之后，對該待估樣點進行的一種線性無偏最優估計。Kriging插值圖，可以以更為直觀的方式展示相同指標在不同深度上的差別與預測在非精確程度上的變化趨勢。但如果變異函數和相關分析表明土壤肥力變量不存在空間相關系時，就不能用Kriging插值了，所以這里只給出了a、b層的堿解氮、速效磷、pH值的插值圖（見圖3）。

由圖3可知，a層的堿解氮、速效磷含量明顯高于b層，且比b層分布均一，隨著深度的增加，含量有所降低；a層堿解氮、速效磷在系統內的總變異性大于b層，但pH值沒有明顯的變化。主要是因為上層（a層）土壤更易受外界因素的影響，包括：農田施肥、灌溉、耕作等，尤其是對速效磷的影響更加明顯，而pH值變化不大是因為對于氣候半濕潤的湖北地區，在同一尺度上pH值基本不變，一般呈中性。

4、結論

4.1 根據上述分析，得出淺、濕、曬節水灌溉條件下試驗區內稻田土壤的肥力分布規律：a層的有機質、總氮、總磷、堿解氮、速效磷含量明顯高于b層，且比b層分布均一，隨著深度的增加，含量有所降低；a層堿解氮、速效磷在系統內的總變異性大于b層，但pH值沒有明顯的變化。

4.2 隨著土壤深度的增加，各肥力指標總的空間變異性越小，越不容易受外界人類活動的影響，說明人為因素是影響空間變異性的主要因素。除此之外土壤肥力的強弱，及有效化程度與作物生長的關系十分密切，它不僅與土壤的潛在養分含量多少有關，還取決于土壤水、氣、熱狀況和微生物活動。

4.3 通過半方差分析用合理的模型進行模擬，制作土壤肥力分布圖來指導施肥，準確估算，可以實施科學的田問施肥管理。本研究對于探索節水灌溉技術與優化施肥技術相結合，促進節水、減污、增產具有現實的意義。