麥棉兩熟種植系統(tǒng)棉田土壤速效磷時空分布特征

李騰，韓迎春，熊世武，王占彪，李小飛，王國平，王康麗，李亞兵

（棉花生物學國家重點實驗室/中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所，河南安陽455000）

空間異質(zhì)性是指變量在空間上的不均勻性和復雜性，表現(xiàn)為系統(tǒng)的綴塊性和環(huán)境的梯度變化[1]。1995年，Li等[2]提出一個定量的、便于描述和應用的空間異質(zhì)性的概念，即“空間異質(zhì)性定義為所研究的系統(tǒng)特性在空間上的復雜性和/或變異性”。空間異質(zhì)性廣泛存在于生態(tài)系統(tǒng)中，其普遍性和重要性已毋庸置疑[3]。土壤作為時空連續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)，其形成受母質(zhì)、氣候、生物、地形及人為因素共同作用，這些因素在時空上具有不一致性；因此，土壤是具有高度時空變異的連續(xù)體[4]，不論在大尺度上還是在小尺度上，土壤的空間異質(zhì)性均存在[5]。土壤養(yǎng)分的空間分布格局是土壤空間異質(zhì)性的具體表現(xiàn)[6]。土壤速效磷是土壤養(yǎng)分資源中最基本的屬性之一，其豐缺程度及分布形態(tài)直接決定著土壤的肥力狀況。國內(nèi)外大量學者對不同尺度和不同區(qū)域的土壤養(yǎng)分進行了空間異質(zhì)性研究[7-10]。80年代以來，我國一些學者沿用歐美等國家提出的理論和技術(shù)體系，針對土壤養(yǎng)分的空間變異開展了大量有意義的研究，研究主要分為兩大方面，第一，在空間大尺度下，針對不同的森林、坡地，不同土地利用方式以及不同地質(zhì)地貌等條件，開展土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性研究，如：已有學者在空間大尺度范圍下對喀斯特地區(qū)的不同土壤速效磷的空間異質(zhì)性進行了一系列的研究[11-16]，研究結(jié)果顯示，地形因子、植被類型、海拔高度、坡向等都是土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的影響因素，而且不同的養(yǎng)分元素的空間異質(zhì)性在不同的生態(tài)環(huán)境下受上述影響因素的影響不同；第二，在空間小尺度下，針對土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性及其分布情況的相關(guān)研究主要在草原生態(tài)系統(tǒng)中開展，如呂貽忠等[17]在較小取樣尺度下，采用網(wǎng)格取樣法采樣，研究鄂爾多斯沙地不同植被群落對小尺度土壤養(yǎng)分空間變異的影響，其研究結(jié)果為灌叢植被能夠有效地聚集有機質(zhì)、速效磷等養(yǎng)分元素，從而形成一個以灌叢植被為中心，向外含量逐漸降低的“肥力島”；白永飛等[18]在2×2 m2的取樣尺度下對內(nèi)蒙古高原4類地帶性針茅草原群落下的土壤水分、碳、氮進行了空間異質(zhì)性分析，4類地帶性針茅草原群落的土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性不同，土壤屬性空間自相關(guān)尺度的改變可能是導致群落演替的驅(qū)動力。以上研究大多在自然生態(tài)系統(tǒng)中開展，針對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)下的中、小尺度的土壤養(yǎng)分空間分布特征研究相對不足。

兩熟種植是指在同一土地上同時種植兩種或者兩種以上作物的種植方式[19]，其最大特點是能夠充分利用地上部的光熱資源，充分挖掘和利用地下部水分、養(yǎng)分資源，強化農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務功能[20]。土壤磷作為土壤養(yǎng)分的重要指標之一，其空間分布在水平和垂直的方向上都具有變異性，這種變異性同樣受土壤母質(zhì)、地形特征、氣候因素、植被類型和土地利用方式等各種自然因素和人為因素的影響[21]，其中，土地利用方式是影響最快和最直接的因素[22]。在不同的種植模式下，由于不同的作物對土壤速效磷的吸收利用的時期以及作物根系長短不同，導致土壤速效磷的空間分布產(chǎn)生差異。同時，土壤磷不僅是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，也是影響區(qū)域水體生態(tài)環(huán)境的重要屬性，因此，研究其時空變異特征對生態(tài)系統(tǒng)的恢復和重建等具有重要的理論與現(xiàn)實指導意義，以實現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟、社會的和諧和可持續(xù)發(fā)展[23]。因此，對小尺度下的農(nóng)田土壤AP的空間分布進行研究有重要的意義。

本研究以不同麥棉種植模式下的長期定位試驗田為研究對象，以空間網(wǎng)格取樣法取樣，首先以半方差函數(shù)為基本分析工具，分析了在垂直方向上，種植方式對土壤AP 空間異質(zhì)性的影響；其次，采用傳統(tǒng)經(jīng)典統(tǒng)計學方法和地統(tǒng)計學方法相結(jié)合，來研究土壤AP 在小尺度下的時空分布特征。空間網(wǎng)格取樣法是在網(wǎng)格取樣法的基礎(chǔ)上，研究垂直、水平兩個方向上的差異性。李騰等[24]應用空間網(wǎng)格取樣法，對棉田不同土壤養(yǎng)分空間分布進行了比較分析；劉麗媛等[25]采用此方法對農(nóng)田土壤水分的時空變化情況進行了報道；李亞兵等[26-27]通過空間網(wǎng)格取樣法，對棉花冠層光分布進行了系統(tǒng)的研究。本文以半方差函數(shù)為計算原理，對土壤AP的空間異質(zhì)性情況進行分析；以Kriging 插值方法[28]為基本工具，繪制空間分布等值線圖，研究不同麥棉種植模式下的田間土壤AP的時空分布特征。研究結(jié)果不僅能夠準確量化不同生長時期田間土壤AP的空間分布，為兩熟種植下的田間精準施肥提供依據(jù)；也能夠為兩熟種植下的土壤養(yǎng)分的相關(guān)研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及種植方式

試驗于2017年5—10月在河南安陽中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所試驗農(nóng)場進行。試驗用地為小麥、棉花兩熟長期定位試驗田。田間管理采取當?shù)馗弋a(chǎn)栽培管理方式，且在不同種植模式間保持一致。定位試驗起始于2012年。2016年小麥播前0—20cm土層土壤養(yǎng)分含量如表1。

本試驗為單因素設(shè)計，處理分別為棉花單作、麥棉3-1式套作（3-1式）、麥棉6-2式套作（6-2式），分別用A、B、C 表示。試驗設(shè)計與Feng等[29]保持一致，3種種植模式如圖1。每個處理設(shè)置3 次重復，隨機區(qū)組排列。

1.2 供試作物及品種

棉花單作以及6-2式種植模式下棉花品種選用中棉所79（Gossypium hirsutumL.CCRI 79），3-1式下棉花品種選用中晚熟品種中棉所74（Gossypium hirsutumL.CCRI 74），小麥選用當?shù)貜V泛種植的品種中育36號（中晚熟品種）（Triticum aestivumL.ZY 36）。

施肥和田間管理。在不同的種植方式下田間管理措施保持一致。冬小麥于2016年10月25日播種，在小麥播種前期，底施復合肥（N、P2O5、K2O 含量占比分別為13%、17%、15%），養(yǎng)分含量為：N 78 kg·hm-2，P2O5102 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2，在小麥生長階段，總共追肥（N）170 kg·hm-2。棉花生長階段，追肥（N）135 kg·hm-2。棉花生長期間，在6月和8月總共灌溉2 次。棉花單作以及6-2式棉花于2017年4月22日播種，3-1式棉花于2017年5月15日播種。

表1 播前不同種植方式下的土壤養(yǎng)分含量（2016年10月）Table 1 Soil nutrients contents in different cropping systems before sowing in October, 2016

1.3 取樣和測定方法

在棉花、小麥生長期內(nèi)進行土壤樣品的采集，取樣日期分別為：5月12日、5月24日、6月7日、6月20日、7月3日、7月14日、7月24日、8月4日、8月18日、8月31日、9月18日以及收獲前10月24日。

土壤樣品采用空間網(wǎng)格取樣法采集，具體方法是，以棉行為坐標零點，在垂直于棉行的水平方向取樣，棉花單作模式取樣位置依次為-5、15、35、55、75cm，共5個取樣點，3-1式與棉花單作保持一致；6-2式取樣點從-65cm處開始，到115cm 截止，共10個取樣點（圖1）。每個取樣點從0—100cm 按5 層取土，棉花單作與3-1式樣品各為25個，6-2式樣品50個，取樣在每種種植方式下分3 次重復，每個日期下取樣共計300個。取回土壤樣品在自然條件下避光風干后，磨碎，過100 目篩，測定AP 含量。土壤速效磷的測定參照鮑士旦[30]土壤農(nóng)化分析中鉬銻抗比色法。

圖1 棉花單作（A）、3-1式（B）、6-2式（C）種植及土壤取樣示意圖（圖中黑點為取樣位置）Fig. 1 Planting patterns and sampling points of cotton monoculture (A), 3:1 (B), 6:2 (C), in which the black points were the sampling points in the three cropping systems

1.4 數(shù)據(jù)分析

土壤速效磷描述性統(tǒng)計分析、顯著性分析在SPSS 軟件（SPSS Inc.,Chicago,IL,USA）中完成，地統(tǒng)計學分析在GS＋軟件（Gamma design software,Plainwell,MI,USA）中完成，用理論模型對不同種植模式以及不同日期下的土壤AP的半方差函數(shù)進行擬合，研究3種種植模式下土壤AP的空間異質(zhì)性情況；Kriging等值線圖在sufer13（Golden Software Inc.,USA）中完成。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤速效磷含量描述性統(tǒng)計分析

3種種植模式下0—100cm 范圍內(nèi)的5個土層的AP 含量如表2 所示。在3種種植方式下，AP 含量均隨土壤深度的增加而降低。不同的種植模式下的AP 含量差異主要集中體現(xiàn)在0—20cm 和20—40cm土層上。在棉花與小麥的共生期（5月12日、6月7日），0—20cm土層深度下，3種種植模式下的AP 含量為： 棉花單作＞6-2式＞3-1式，其中在棉花苗期（5月12日），棉花單作AP 含量顯著高于3-1式，但與6-2式差異性不顯著；在小麥收獲前（6月7日），棉花單作下的AP 含量顯著高于3-1式和6-2式，而且在0—80cm 內(nèi)的四個土層中，棉花單作均顯著高于6-2式。隨著小麥的收獲以及棉花的生長，在0—20cm土層中，3種種植模式下的AP 含量差異逐漸減小，除在9月18日，棉花單作顯著高于3-1式外，在其余三個日期（7月3日、8月4日、10月24日）下，3種種植模式下的AP 含量均無差異；而在20—40cm土層深度中，差異性較0—20cm土層更為明顯，在7月3日以及8月4日，3-1式種植模式下的AP 含量均顯著高于6-2式，在最后一次取樣日期下，棉花單作顯著高于3-1式（表2）。

從時間角度來看，隨著棉花的生長（從5月12日到10月24日），3種種植模式在表層下的AP 含量大體呈降低的趨勢，但在中下層土壤中甚至有增加的趨勢（表2）。

2.2 土壤速效磷含量的空間變異特征

采用GS＋軟件對3種種植方式、不同日期內(nèi)的AP 含量進行半方差函數(shù)模型擬合，獲得半方差函數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)（表3）。塊金值C0是由實驗誤差和小于實際取樣尺度引起的變異，表示隨機部分的空間異質(zhì)性。基臺值C0＋C通常表示系統(tǒng)內(nèi)的總變異。塊金值與基臺值的比值C0/（C0＋C)表示隨機部分引起的空間變異與系統(tǒng)總變異的比例，如果比值高，說明隨機因素引起的空間異質(zhì)性程度較高，結(jié)構(gòu)性因素較低，系統(tǒng)空間相關(guān)性較弱[31]；一般認為＜25%時，空間變量為強烈的空間自相關(guān)，在25%～75%之間為中等空間自相關(guān)，＞75%時空間自相關(guān)性弱[32]，同時也說明對這些指標進行研究應適當減小采樣距離，模型擬合的好壞可以使用決定系數(shù)（R2）或殘差平方和（RSS）來進行判斷。

由表3 可見，不同日期下的3種種植方式的AP的最佳擬合模型均為高斯模型，從決定系數(shù)（R2）角度來看，高斯模型能夠準確描述不同時期不同種植方式下的AP的空間變異特征；從殘差平方和角度來看，前4 次取樣日期下的RSS值較后2 次取樣日期小，說明在9月18日和10月24日下，曲線擬合的完美程度有所下降。在不同日期下的AP的C0/（C0＋C)值均＜25%，說明在該取樣尺度下3種種植方式均有強烈的空間自相關(guān)性，AP的分布主要受到結(jié)構(gòu)因素的控制，受到人為因素的控制較小；變程A0在46.10～63.10 之間，受日期和種植方式的影響較小。

2.3 土壤速效磷空間分布特征

以小麥、棉花共生期（5月12日）、棉花蕾期（7月3日）以及棉花吐絮期（9月18日）為例，采用surfer 繪制不同水平、垂直位置下的AP 空間分布等值線圖。如圖2 所示，依次為6月7日、8月4日、9月18日3個日期下、3種種植模式的AP 空間分布等值線圖，圖中顏色的深淺代表AP含量的高低。

表2 不同日期下不同種植模式棉田土壤速效磷含量情況Table 2 The AP contents in different cropping systems on different datesmg·kg-1

表3 不同種植方式下土壤速效磷含量的半方差函數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 The semivariance parameters of the AP in different cropping systems

表3 （續(xù)）Table 3 (Continued)

在麥棉共生期（5月12日），棉花單作種植模式下的AP 含量隨著與棉行距離的增加呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢；在3-1式種植模式下，AP 在棉花、小麥種植帶上的含量較高；6-2式種植模式下AP的分布情況與3-1式相似，在棉花兩側(cè)的小麥種植帶上以及棉行處含量較高。

在小麥收獲后，棉花生長時期（7月3日、9月18日），7月3日，棉花單作種植模式下的AP含量隨著與棉行距離的增加呈現(xiàn)先增加、再降低、再增加的趨勢；3-1式種植模式的AP 含量隨著與棉行距離的增加，呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢；6-2式種植模式下，AP 含量從棉行開始，分別向兩側(cè)小麥種植帶遞減，在棉行中間部位（水平位置35cm處）含量較低（圖2）。9月18日，棉花單作種植模式AP 含量在水平方向上差異不明顯；3-1式種植模式呈現(xiàn)先降低再升高的變化趨勢；6-2式種植模式AP 含量的變化趨勢與7月3日相似，但整體含量有所降低。

為了更清楚地觀察不同深度下AP 含量在水平方向上的變化趨勢，對AP 含量分布等值線圖進行更深一層次的拆分，可以更加直觀地觀察在同一取樣深度（10cm）下，不同水平位置上的AP分布的差異。

在垂直深度為10cm的水平剖面上，棉花單作種植模式的AP 含量在水平40—60cm 范圍內(nèi)達到最低水平，隨著生育進展，棉花不斷從土壤中吸收養(yǎng)分，一方面，土壤速效磷含量水平整體降低；另一方面，從5月12日到9月18日，棉行中部低AP 含量區(qū)域逐漸加大，曲線由“V”字形變?yōu)椤癠”字形，最終在9月18日，AP 在距離棉行15—60cm 范圍內(nèi)含量較低，且變化不大（圖3）。3-1式種植模式在5月12日下，為小麥單獨生長期，AP 在小麥種植帶附近含量較高，呈現(xiàn)出“W”字形的分布；7月3日為棉花單獨生長時期（小麥已收獲），此時，棉花處于苗期，根系不發(fā)達，對AP的吸收聚集能力較弱，但小麥地上部已經(jīng)收獲，沒有吸收AP的效果，因此，此時的AP 含量呈中間高，兩邊低的“∧”形；9月18日，隨棉花生長，AP 含量進一步降低，且逐漸向棉行處聚集，棉行中間部位含量下降。6-2式種植模式在5月12 為麥棉共生期，其AP 集中分布在小麥、棉花種植帶附近，AP 分布也隨著小麥、棉花的種植帶呈現(xiàn)出平緩的“m”形字樣；隨著小麥的收獲、棉花的逐漸生長，7月3日左右，6-2式下棉花進入花蕾期，對養(yǎng)分需求量加大，對養(yǎng)分的匯聚能力加強，此時，AP 在棉行附近聚集程度高；9月18日，隨著棉花的生長，AP 在棉行附近聚集的效果更加明顯，在圖中呈現(xiàn)出“M”形狀。

圖2 3種種植模式下的土壤速效磷空間分布等值線圖Fig. 2 The contour diagrams of AP in the three cropping systems on May 12, June 3, September 18

圖3 3種種植模式下在深度為10cm處不同水平點上土壤速效磷變化趨勢Fig. 3 The variations of the soil for different profiles at the three cropping systems in the depth of 20cm

2.4 土壤速效磷含量時間分布特征

為研究不同麥-棉種植系統(tǒng)土壤AP 隨時間的動態(tài)變化，暫且忽略各個種植系統(tǒng)中不同位置之間的含量差異情況，研究其含量隨時間的動態(tài)變化。從圖4 中可以明顯看出，棉花單作種植模式在生長前期的AP 整體含量高于3-1式和6-2式，隨著作物的生長，0—100cm土層上的AP 均呈減少的趨勢；在棉花單作和6-2式兩種種植模式下，AP 在棉花種植后的第80—100 天內(nèi)含量下降較為明顯，該時期為該兩種種植模式下的棉花花鈴期，而在3-1式種植模式下的AP 在棉花種植后第20—40 天內(nèi)含量下降較為明顯，此時期也為該種植模式下的棉花花鈴期。

圖4 3種種植模式下不同土壤深度不同時間下的土壤速效磷含量等值線圖Fig. 4 The temporal changes of AP contents in the three cropping systems

3 討論

3.1 土壤速效磷垂直分布特征及空間異質(zhì)性

土壤速效磷在垂直方向上的分布隨著土壤深度的增加而呈現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢，這與前人的研究相一致[33]，且這種遞減趨勢在0—20cm 以及20—40cm土層表現(xiàn)的尤為明顯。根據(jù)Jobbagy等[34-35]研究顯示，限制作物生長的元素如P、K、N等受到地上部植物的影響，從而呈現(xiàn)出從上到下遞減的趨勢，并且這種影響會隨著土層深度的增加逐漸減小。3種植模式之間AP 分布的差異顯著受到取樣日期的影響，這是由于作物在不同時期對養(yǎng)分的需求不同，從而造成了養(yǎng)分的時空分布差異[36]。

土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性受空間取樣尺度的影響較大，在本試驗的取樣尺度下，3種種植模式下、垂直方向上的土壤AP 均呈現(xiàn)出比較明顯的空間依賴性，因此，在垂直方向上的土壤AP的空間結(jié)構(gòu)性主要受土壤自然屬性決定，受種植方式等人為因素的影響較小，對兩熟種植系統(tǒng)下的土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的研究可在固定土層中進行，并選取不同的取樣尺度，從而來探究兩熟種植與單作種植之間的空間異質(zhì)性差異[24]。

3.2 土壤速效磷的水平分布特征

在棉花單作種植模式下，土壤AP的水平分布在棉花苗期（5月12日）呈現(xiàn)出明顯的兩端高，中間低的形態(tài)，而在3-1式種植模式下，其集中分布在棉花行中部，即小麥種植帶，從而呈現(xiàn)出中間高、兩端低的形態(tài)；在6-2式種植下，土壤AP主要集中分布在小麥種植帶上，整體呈現(xiàn)出兩端偏高、中間低的形態(tài)。這與作物根系的分布有關(guān)，根系分布區(qū)域增加了土壤殘留物[37]，從而增加了根系所在范圍內(nèi)的土壤養(yǎng)分含量[19,38-40]。根系也可以對土壤養(yǎng)分起到一定的匯聚作用，呂貽忠等[17]研究表明，油蒿灌叢群落下表層有機質(zhì)、有效磷的分布具有明顯以灌叢群落為中心的同心圓結(jié)構(gòu)，形成典型的“肥島”。棉花在生長發(fā)育過程中，對周圍養(yǎng)分進行匯集，從而形成了棉行處養(yǎng)分高于棉行中部的分布格局。

3.3 不同種植模式下土壤速效磷在整個生育期內(nèi)含量變化

隨著時間及土層深度的增加，耕層土壤AP含量均呈下降的趨勢，這與2.1 部分中的描述性統(tǒng)計分析結(jié)果相一致。圖4 顯示，在棉花單作以及6-2式種植模式下，土壤AP 含量明顯的降低發(fā)生在棉花播種后的第60—70 天，而在麥棉連作下，則發(fā)生在第20—30 天，這也可能是3-1式種植模式下棉花早期生長受到抑制的原因之一。在小麥收獲后，殘留于小麥種植帶上的AP 仍可以在一段時間內(nèi)維持較高的含量水平，這是由于殘留根系對AP 仍具有一定的固定作用，Ma[41]以及Cong[19]等研究結(jié)果表明，作物根系分布與水分、養(yǎng)分的分布呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論

在垂直方向上，AP的空間異質(zhì)性情況受種植方式的影響不大，且其主要集中分布于0—40cm土層中，有關(guān)AP時空分布的研究在0—60cm土層中即可；在水平方向上，種植方式對AP在不同水平位置上的分布情況影響顯著，且在不同生長時期各有不同。