三明市耕地土壤交換性鎂含量空間分布特征及影響因素分析

范銘豐

（1三明市土肥站，福建三明 365000；2三明學院清潔生產技術福建省高校工程研究中心，福建三明 365000）

0 引言

土壤中鎂的形態分為礦物態、非交換態、交換態、水溶態和有機復合態等5種形態[1]。鎂是植物的必需營養元素，植物吸收的鎂主要來自土壤交換態鎂[2]，在植物的生理生化過程中鎂作為葉綠素組分與多種酶的活化劑，參與作物光合作用，體內糖類、蛋白質與脂肪等的代謝。掌握土壤交換鎂含量空間分布特征和影響因素是實現精準施肥和提高作物產量、品質的前提[3]。目前在已有的土壤交換性鎂數據空間分布預測多采用克里格插值法[4-5]，但是克里格插值法平滑作用較強，較適用于變異系數較小的數據，在變異系數較大數據上，序貫高斯模擬要優于克里格插值法[6]。有關土壤交換性鎂與土壤理化因子和地形因子的關系已有相關報道[7-10]，但有關土壤交換性鎂和土壤質地的關系鮮有報道。有學者指出三明市耕地土壤缺鎂現象比較普遍[11]，但未見對三明市土壤交換性鎂含量空間分布和影響因素的分析。此外，不同地域土壤交換性鎂的影響因素及其影響程度有所差異。本研究利用三明市各縣（市、區）多年來取土化驗數據，分析耕地土壤交換性鎂含量空間分布特征和影響因素，以期為三明市合理利用土壤鎂素資源、平衡施肥、促進農業可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

三明市地處福建省西北部，位于戴云山脈和武夷山脈兩大山系之間，境內山峰林立，丘陵中低山面積大，千米以上的高山有155座。至2018年底全市耕地面積約為19.6萬hm2，分布于建寧縣、將樂縣、大田縣、尤溪縣、永安市、寧化縣、泰寧縣、明溪縣、沙縣、三元區、梅列區和清流縣12縣（市、區）。耕地土壤類型主要有水稻土（潴育水稻土、潛育水稻土、滲育水稻土）和旱地土壤（黃泥土、紅土、潮土、紫色土）。

1.2 土樣的采集和測定

根據土地利用現狀，土壤類型、地形地貌和空間分布均勻性等原則，選擇最具有代表性的耕地地塊作為取樣點。在取樣點采用“S”法或棋盤法均勻隨機地在0～20 cm深度采集15～20個樣點；混勻后，用四分法每個土樣留取2 kg樣品。2006—2018年間在三明各縣（市、區）共采集耕地土樣5011個土樣。將土樣登記編號并帶回實驗室，經風干、去雜、磨細、過篩、混勻、裝瓶后，根據土壤化學分析法[12]對土樣的pH和有機質含量、交換性鎂含量進行測定。

1.3 數據分析

根據《福建省耕地土壤養分分級指標》[13]，將土壤交換性鎂含量豐缺情況進行分級，土壤交換性鎂含量＜50 mg/kg為缺乏，50～120 mg/kg為中等，＞120 mg/kg為豐富。

利用Excel 2010和SPSS19.0軟件分析耕地土壤交換性鎂數據統計學特征，并剔除土壤交換性鎂的異常值，剔除異常值后剩余4833個土樣。同時利用SPSS19.0軟件檢驗數據正態性、數據正態轉換和正態得分數據的逆轉換。

采用GS+9.0軟件擬合土壤交換性鎂正態得分的最優變異函數，并對其進行貫高斯模擬進行插值。利用ArcGIS10.0中的柵格計算，通過正態得分逆變換的最佳擬合模型，計算出三明市土壤交換性鎂含量空間分布圖，并分析耕地的豐缺比例。

按照定量因素（海拔、坡度、土壤pH和土壤有機質含量）和定性因素（土壤質地、土地利用類型和土壤類型）將采4833個樣點分成若干組，運用SPSS19.0軟件分別進行定量因素和定性因素組間方差分析，并用Duncan法進行分組數據差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 總體描述統計分析

由表1可知，三明市耕地土壤樣品交換性鎂平均含量處于中等水平，平均值為62.7 mg/kg，變幅為1.1～194.7 mg/kg，變異系數為61.40%，屬中等強度變異。從三明市各縣（市、區）來看，三明市耕地土壤交換性鎂含量平均值變化范圍31.1～100.3 mg/kg，按從高到低依次為：建寧縣、將樂縣、大田縣、尤溪縣、永安市、寧化縣、泰寧縣、明溪縣、沙縣、三元區、梅列區和清流縣，其中建寧縣、將樂縣、大田縣、尤溪縣、永安市、寧化縣、泰寧縣、明溪縣和沙縣等9縣（市）耕地土壤交換性鎂含量屬中等水平，三元區、梅列區和清流縣等3縣（區）土壤交換性鎂含量屬缺乏水平。方差分析結果表明，不同縣（市、區）之間的土壤樣品交換性鎂含量差異達到顯著水平(F=163.504；sig.=0.000)，經 Duncan 多重比較，除建寧縣和將樂縣之間，永安市和尤溪縣之間，寧化縣、泰寧縣、明溪縣和沙縣之間，沙縣和三元區之間土壤交換性鎂含量不存在顯著性差異外，其他縣（市、區）際間土壤交換性鎂平均含量都存在顯著性差異。各縣（市、區）土壤交換性鎂含量的變異系數均為中等強變異[14-15]。土壤交換性鎂含量缺乏樣本比例在0%～83.29%，縣際之間差異較大，按從缺乏比例高到低依次為：清流縣、梅列區、三元區、沙縣、明溪縣、泰寧縣、永安市、寧化縣、尤溪縣、大田縣、建寧縣、將樂縣。

表1 三明市各縣（市、區）土壤樣品交換性鎂含量分布統計表

2.2 土壤交換性鎂含量的空間分布

2.2.1 數據正態得分轉換和逆轉換 經K-S法檢測，三明市耕地土壤交換性鎂值不屬于正態分布。因為只有當數據符合正態分布時，才能滿足地統計學分析的假設條件[16]，因此需要將非正態的土壤交換性鎂數據轉化成正態的數據，經SPSS軟件正態得分變換后土壤交換性鎂值符合正態分布，同時以土壤交換性鎂值為因變量和對應的正態得分值為自變量計算出回歸方程。決定系數(R2)越接近1說明方程擬合效果越好，通過擬合結果表明，最優擬合模型為5次多項式方程(1)。

2.2.2 變異函數的篩選 利用GS+軟件計算出決定系數(R2)最大且殘差平方和(RSS)最小的土壤交換性鎂正態得分最優變異函數模型[14-15,17]，見表2，結果表明：指數模型為土壤交換性鎂正態得分變異函數最優模型，模型的F檢驗P值小于0.05，說明模型是可靠的。

表2 土壤交換性鎂正太得分變異函數最優模型參數表

2.2.3 土壤交換性鎂值的插值和分級 有學者提出50次以上的序貫高斯模擬可提高數據精度[6]。本研究運用三明市土壤交換性鎂正態得分最優變異函數和50次的序貫高斯模擬進行插值，插值結果表明：三明市耕地土壤交換性鎂插值結果標準平均誤差和標準均方根誤差本別接近于0和1，說明插值模型具有無偏性，且插值結果誤差在可以接受范圍內，最后利用交換性鎂正態得分插值結果、交換性鎂正態得分逆轉換回歸方程和福建省土壤交換性鎂分級標準，計算得到三明市土壤交換性鎂含量分級圖。

統計三明市及各縣（市、區）耕地土壤交換性鎂含量面積的分級比例，結果見圖1和表3。結果表明：（1）三明市土壤交換性鎂含量缺乏等級耕地比例達40.72%，其中清流縣、梅列區和三元區缺鎂耕地的比例均超70%。（2）三明市土壤交換性鎂含量豐富等級耕地比例僅為4.51%，主要分布在建寧縣中北部地區、將樂縣和大田縣的北部地區、永安市的東部地區，豐富的比例分別達23.34%、9.46%、9.02%、4.03%。

表3 三明市耕地土壤交換性鎂面積分級比例 %

2.3 土壤交換性鎂影響因素分析

2.3.1 土壤質地 經統計分析，由圖2可知，質地分組的交換性鎂平均含量具有統計學上的差異，除粉砂壤土和粉砂質黏壤土之間，粉砂質黏壤土和壤質黏土之間，壤土、砂壤土和砂質黏壤土之間，砂質黏壤土和砂土及壤質砂土之間不存在顯著性差異外，其他任意2組間都存在顯著性差異。從整體來看，黏土類質地的交換性鎂含量＞黏壤土類質地的交換性鎂含量＞壤土類質地的交換性鎂含量＞砂土類質地交換性鎂含量。同時，9個質地分組交換性鎂含量在缺乏水平的樣本占到3.12%～63.20%，其中粉砂質黏土組最低，砂土及壤質砂土組最高。

圖2 不同質地土壤交換性鎂含量

2.3.2 土地利用類型 經統計分析，由圖3可知，土地利用類型分組的交換性鎂平均含量具有統計學上的差異，其中菜地組交換性鎂含量要顯著高于灌溉水田組、旱地組、水澆地組、望天田組交換性鎂含量；灌溉水田組、旱地組、水澆地組、望天田組之間交換性鎂含量差異不顯著。同時5個土地利用類型分組中，菜地缺乏的樣本比例最低為0%，水田缺乏的樣本比例最高為44.5%。

圖3 不同耕地利用類型土壤交換性鎂含量

2.3.3 土壤類型 經統計分析，由圖4可知，土壤類型分組的交換性鎂平均含量并不具有統計學上的差異，同時7種土壤類型對應的交換性鎂含量在缺乏水平的樣本占到22.22%～57.14%，由高到低依次為紫色土、潴育水稻土、潛育水稻土、滲育水稻土、黃泥土、紅土、潮土。

圖4 不同土壤類型土壤交換性鎂含量

2.3.4 海拔高度 經統計分析，由圖5可知，海拔高度分組的交換性鎂平均含量具有統計學上的差異，其中海拔高度＞1000 m交換性鎂平均含量要顯著低于其他分組交換性鎂平均含量，且其他分組間交換性鎂平均含量不存在顯著性差異。同時9個海拔高度分組交換性鎂含量在缺乏水平的樣本占到36.3%～73.1%，海拔高度分組中＞1000 m交換性鎂平均含量缺乏比例最高，≤200 m分組交換性鎂平均含量缺乏比例最低。

圖5 不同海拔高度土壤交換性鎂含量

2.3.5 坡度 經統計分析，由圖6可知，坡度分組的交換性鎂平均含量具有統計學上的差異，其中坡度＞25°交換性鎂平均含量要顯著低于其他分組交換性鎂平均含量，且其他分組間交換性鎂平均含量不存在顯著性差異。同時5個坡度分組交換性鎂含量在缺乏水平的樣本占到43.3%～83.3%，坡度分組中＞25°交換性鎂平均含量缺乏比例最高，6°～15°分組交換性鎂平均含量缺乏比例最低。

圖6 不同坡度土壤交換性鎂含量

2.3.6 土壤pH經統計分析，由圖7可知，隨著土壤pH的升高，土壤交換性鎂平均含量也升高，且土壤pH分組的交換性鎂平均含量具有統計學上的差異，其中＜pH 4.5分組顯著低于pH 5.5～6.5分組和pH 6.5～7.5分組，pH 4.5～5.5分組顯著低于pH 6.5～7.5分組。同時隨著土壤pH的升高，土壤pH分組在土壤交換性鎂缺乏水平的樣本比例逐步降低，在缺乏水平的樣本占到22.6%～56.1%，最高的為pH＜4.5的分組，最低的為pH 6.5～7.5分組。

圖7 不同土壤pH土壤交換性鎂含量

2.3.7 土壤有機質含量 經統計分析，由圖8可知，隨著土壤有機質含量的升高，土壤交換性鎂平均含量也升高，且土壤有機質含量分組的交換性鎂平均含量具有統計學上的差異，3個土壤有機質含量分組中，任意2組間交換性鎂平均含量存在顯著性差異。同時隨著有機質含量的升高，土壤有機質分組的土壤交換性鎂缺乏水平的樣本比例逐步降低，在缺乏水平的樣本占到40.7%～49.1%，由高到低依次為＜20 mg/kg分組、20～30 mg/kg分組、＞30 mg/kg分組。

圖8 不同土壤有機質含量土壤交換性鎂含量

3 討論與結論

三明市耕地土壤樣品交換性鎂平均含量處于中等水平，平均值為62.7 mg/kg，按從高到低依次為：建寧縣、將樂縣、大田縣、尤溪縣、永安市、寧化縣、泰寧縣、明溪縣、沙縣、三元區、梅列區和清流縣。分析結果表明：除建寧縣和將樂縣之間，永安市和尤溪縣之間，寧化縣、泰寧縣、明溪縣和沙縣之間，沙縣和三元區之間土壤交換性鎂含量不存在顯著性差異外，其他縣（市、區）際間土壤交換性鎂平均含量都存在顯著性差異。主要是受成土母質、氣候條件、土壤形成過程中遷移過程和人為等因素的影響所致[18-20]。

三明市土壤交換性鎂含量缺乏、中等和豐富樣品所占比例分別為44.15%、46.89%和8.96%。經過插值和分級得出的土壤交換性鎂缺乏、中等和豐富耕地面積所占比例為40.72%、54.77%和4.51%，其中土壤交換性鎂含量達到豐富水平的耕地主要分布在建寧縣中北部地區、將樂縣和大田縣的北部地區、永安市的東部地區。后者（耕地面積）與前者（土壤樣品）相比缺乏和豐富水平所占比例約減少了4%，各縣（市、區）也略有差異，但基本一致，能反應耕地土壤交換性鎂的豐缺水平。

影響土壤交換性鎂含量的因素很多，研究報道如海拔、成土母質、土壤類型、土地利用類型、有機質含量、pH等對土壤交換性鎂含量均有影響[10,21-24]。本研究通過分析可知土壤質地、耕地利用類型、海拔高度、坡度、pH、有機質含量對耕地土壤交換性鎂質量分數有顯著影響。在土壤質地分組里，除粉砂壤土和粉砂質黏壤土之間，粉砂質黏壤土和壤質黏土之間，壤土、砂壤土和砂質黏壤土之間，砂質黏壤土和砂土及壤質砂土之間不存在顯著性差異外，其他任意2組間都存在顯著性差異。從整體來看，黏土類質地的交換性鎂含量較高，砂土類質地交換性鎂含量較低。這主要是由于土壤質地影響交換性鎂在土壤中的移動，因為黏粒與有機質形成復合體降低了鎂的淋失[23]，一般質地黏的土壤，鎂不易淋失，能保持較多的交換性鎂；而質地較輕土壤鎂易遭淋失。在海拔分組和坡度分組里，其他海拔分組和坡度分組的交換性鎂含量要分別顯著高于海拔高度＞1000 m分組和坡度＞25°分組交換性鎂平均含量，這是因為高海拔地區中的土壤中交換性鎂易隨流水遷移至海拔低地區，坡度陡地區中的土壤中交換性鎂易隨流水遷移坡度較緩且平坦的地區，這與前人研究結果[10,23]基本一致。在土地利用類型分組里，灌溉水田分組、旱地分組、水澆地分組和望天田分組交換性鎂含量要顯著低于土地利用類型中菜地分組交換性鎂含量，主要由于菜地復種指數較高，大量施用鈣鎂磷肥[25]，致使菜地分組土壤交換性鎂含量顯著高于其他利用類型耕地土壤。土壤類型分組的交換性鎂平均含量并不具有統計學上的差異，這與曹榕彬研究結果一致[10]，而與黎娟等[21]的研究結果不一致。在土壤pH和有機質含量分組中，在土壤pH和有機質含量較低的土壤中，交換性鎂含量也較低，且土壤pH分組之間和有機質含量分組之間土壤交換性鎂含量存在顯著性差異，這主要是因為土壤pH土和土壤有機質含量越高，土壤膠體所帶的負電荷越多，表現為對鉀、鈣、鎂等陽離子吸附越多[25]。

因此，三明市各縣（市、區）可以根據耕地土壤交換性鎂的空間分布特征和影響因素，針對不同地區采取鎂肥差異化管理方案。對于土壤交換性鎂處于缺乏的耕地，可以通過增施有機肥、調節土壤pH、客土改良砂土類質地土壤、同時適當補充鎂肥等措施，改善土壤理化特性和土壤微生物活力，提高耕地土壤交換性鎂含量，有利于提升農作物產量和品質，從而促進三明市種植業的可持續發展。