江西省廣昌縣蓮田土壤屬性和大量元素空間變異特征及評價

趙 越，楊良波，裴佳晨，3，劉冬碧，吳茂前，唐記平，鄭興汶，徐金星，揭志輝，賴克強

（1.湖北省農業科學院植保土肥研究所/湖北省農業面源污染防治工程技術研究中心/國家農業環境潛江觀測實驗站/農業農村部廢棄物肥料化利用重點實驗室，武漢430064；2.廣昌縣白蓮科學研究所，江西 廣昌344900；3.長江大學濕地生態與農業利用教育部工程研究中心，湖北 荊州434025）

土壤養分評價是土壤質量評價的一個主要方面，對指導農業生產、衡量土壤生產力、進行精細農業具有十分關鍵的意義［1，2］。土壤養分不僅會影響農作物的產量，還會影響農產品品質，以及區域性農作物施肥模式。由于土壤養分評價對象的差異，往往有不同的評價側重與評價方法，如對重慶市烤煙種植區土壤養分評價時，有學者采用模糊數學和偏相關分析法，對土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀等養分指標進行評價［3］；也有學者選取有機質、堿解氮、速效磷、全氮、有效鈣等養分指標，對湖北省菊花種植區土壤養分進行評價［4］；耿慶龍等［5］采用隸屬度函數和修正內梅羅指數方法，選取常規養分指標和微量元素對新疆果園土壤養分進行評價。土壤養分評價相關研究經過長期的發展，由定性評價逐漸向定量評價轉變，評價指標也由單項指標向多項指標轉變，但至今并未形成統一的評價方法［6，7］。就水生蔬菜研究而言，在養分效應和施肥技術方面的報道相對較多［8］，土壤養分評價方面的研究報道較少［9］。廣昌縣是江西省子蓮的主產區，子蓮生產歷史悠久，被稱為“中國白蓮之鄉”，但子蓮施肥方面的研究僅有零星報道［10］，更缺乏子蓮田土壤養分豐缺程度評價標準。本試驗選取江西省廣昌縣子蓮種植區土壤為研究對象，在2018年對廣昌縣子蓮種植區進行產量和施肥現狀調查的基礎上［11］，采集代表性子蓮田土壤樣品，分析土壤屬性和不同形態大量元素養分含量，借鑒江西省土壤普查和菜園土壤養分分級標準［12-14］，綜合提出臨時分級標準對土壤屬性和大量元素養分進行評價，并借助地統計學方法對各項指標的空間變異性特征進行分析，以期為廣昌縣子蓮生產制定合理的分區施肥方案提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

廣昌縣位于江西省東南部、隸屬撫州市，地處26°30′—26°59′N、116°06′—116°34′E，全縣東西寬約45 km，南北長約55 km，土地總面積約為1 612 km2，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，盱江發源于廣昌縣驛前鎮，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m3。廣昌縣屬亞熱帶季風氣候區，溫暖濕潤，四季分明，雨量充沛，年均降水量約為1 750 mm，年平均日照約為1 932 h，平均無霜期為273 d。耕地土壤類型主要有水稻土、潮土、紅壤3種。

1.2 土壤樣品采集與測試方法

2018年3月在廣昌縣選擇驛前鎮、赤水鎮、頭陂鎮、盱江鎮、甘竹鎮、長橋鄉等6個子蓮主要產區所在鄉鎮，根據各鄉鎮子蓮產量及種植規模選擇2~3個村進行調查走訪采樣，盡可能調查種蓮大戶并在其代表性蓮田采樣。根據子蓮種植區的地形地貌、土壤類型、田塊大小等因素，對采樣點進行GPS定位，共采集土壤樣品56個。分析全部土壤樣品pH、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、緩效鉀等指標，分析方法均用常規方法［15］。

1.3 數據分析方法

1.3.1 數據描述性統計數據分析處理采用Excel 2010軟件進行，對子蓮種植區土壤各類養分數據及pH的平均值、標準差、變異系數等進行統計。

1.3.2 半變異函數方法半變異函數法是地統計學中常用的統計方法之一。隨GIS相關技術的發展，地統計學逐漸與GIS技術相結合，廣泛地應用于空間分析的諸多領域［16，17］，本研究采用GS+7.0軟件進行半變異函數擬合，并根據擬合程度的高低建立最佳擬合模型，以反映目標值在不同距離觀測值的變化，假設采樣點數據變量符合二階平穩和本征假設，則半變異函數可以表示如下。

式中，γ?(h)表示半變異函數，h為步長，N(h)表示間隔h的樣點數，z(xi)與z(xi+h)則分別表示在z(xi)與z(xi+h)處的實測值。一般常用于擬合間斷點的方程為半變異函數模型，通常可以分為球狀模型（Spherical）、高斯模型（Gaussian）、指數模型（Ex?ponential）、線性模型（Linear）等。

1.3.3 空間分析利用ArcGIS 10.2軟件對基礎數據進行處理，并利用其中的克里格插值（Kriging）功能、繪圖及面積統計功能實現空間分析。

2 結果與分析

2.1 土壤養分描述性統計與評價

廣昌縣蓮田土壤屬性和大量元素統計結果（表1）顯示，pH變化范圍為4.53~5.57，平均值為4.92；土壤有機質含量為23.30~61.80 g/kg，均值為38.20 g/kg；土壤全氮、全磷和全鉀含量均值分別為2.16、0.65、24.70 g/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀和緩效鉀含量均值分別為132.00、41.20、109.00、1 000.00 mg/kg。pH變異系數為4.27%，小于5%，表明其變異性較弱，有機質和不同形態氮、磷、鉀養分的變異系數均處于15%~45%，屬于中等變異。

表1 廣昌縣蓮田土壤屬性和大量元素統計值

根據臨時分級標準（表2），結合分級統計結果（表3）可得，廣昌縣蓮田土壤以酸性土壤為主，酸性土壤占樣本總數的93.4%，弱酸性占6.6%；土壤有機質含量較高，樣本中72.1%的土壤有機質含量屬較高及以上水平；堿解氮含量較低，樣本中有77.1%的土壤堿解氮含量屬缺乏或極缺水平；有效磷含量較高，中等與較高等級的樣本分別占總量的50.8%和39.3%；速效鉀含量較低，有83.6%的樣本處于缺乏或極缺水平。由于蔬菜作物通常生育期較短、生長量大，對養分濃度要求較高，一般認為，菜園土壤有效養分的豐缺指標一般要高于其他大田作物［13］，但蔬菜類型眾多，產地和產量千差萬別，不同類型蔬菜的土壤養分分級指標鮮見報道。子蓮是中國特色水生蔬菜，植株個體較大，生育期較長，收獲類型多（有采摘鮮嫩蓮子、老熟蓮子和七八分成熟蓮子3種類型），但蓮田土壤養分分級評價方面的研究鮮見報道。本研究提出的廣昌縣蓮田土壤養分臨時分級指標，仍有待于通過今后大量的田間試驗研究和土壤分析結果進行完善。

表2 廣昌縣蓮田土壤屬性和大量元素養分臨時分級標準

表3 廣昌縣蓮田土壤屬性和大量元素養分分級統計結果（單位：%）

2.2 土壤屬性及大量元素空間變異分析

利用GS+7.0軟件對蓮田56個土壤樣點的各項指標進行半變異分析，結果（表4）顯示，蓮田土壤各項指標數據的半變異擬合最優模型中，pH、有機質、全氮、全磷、全鉀、緩效鉀均符合高斯模型；堿解氮、有效磷、速效鉀擬合最優模型為指數模型。塊金值（C0）、偏基臺值（C）、基臺值（C0+C）分別表示空間變異中的隨機變異、結構變異和系統總變異。有效磷、緩效鉀、速效鉀、全氮、有機質的塊金值與基臺值的比值（塊金效應）分別為6.4%、14.0%、16.4%、16.0%、23.6%，均小于25%，表明其有很強的空間相關性，其變異主要受結構性因素影響，如成土母質、土壤類型等。pH、全鉀、堿解氮、全磷的塊金值與基臺值的比值分別為35.2%、38.7%、27.3%和30.0%，均處于25%~75%，表明以上變量具有中等強度的空間相關性，其變異受到結構性因素和施肥、灌溉等隨機因素共同影響。半變異函數模型的選擇是空間變異研究中的關鍵，決定系數（R2）越接近1，表明擬合模型的效果越好，有機質、全氮等模型的決定系數較高，表明其適用模型有較好的擬合效果，但由于本研究中樣點數量并不多，有效磷、速效鉀等決定系數較低，其適用模型擬合效果較差。10項指標中變程多在1 000 m以上，最小的變程在700 m以上，可通過克里格插值獲得可靠插值結果。

表4 土壤屬性和大量元素半變異擬合參數

根據克里格插值法，對有機質、全氮等8項指標進行空間插值分析，以揭示其各自的空間分布特點。結果（圖1）表明，土壤有機質、全氮與堿解氮含量在廣昌縣南部驛前鎮和東部長橋鄉較高，在北部甘竹鎮較低；全磷與有效磷含量在東部長橋鄉、西部頭陂鎮較高，在南部驛前鎮和北部甘竹鎮較低；全鉀含量在南部驛前鎮、東部長橋鄉較高，在西部頭陂鎮、北部甘竹鎮較低；速效鉀含量在中部盱江鎮、赤水鎮較高，在南部驛前鎮含量較低；緩效鉀在東部長橋鄉較高，南部驛前鎮、北部甘竹鎮均較低。表明各項指標有較為明顯的空間差異。

圖1 研究區土壤屬性和大量元素空間分布

3 小結

1）廣昌縣子蓮種植區土壤pH為4.53~5.57，平均為4.92，均為酸性土壤；土壤有機質含量平均為38.20 g/kg；全氮、全磷和全鉀含量均值分別為2.16、0.65、24.70 g/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀和緩效鉀含量均值分別為132.00、41.20、109.00、1 000.00 mg/kg。結果表明，廣昌縣子蓮種植區土壤主要為酸性土壤，有機質和有效磷含量較高，堿解氮和速效鉀含量較低。

2）土壤有機質和不同形態氮、磷、鉀在空間分布上有顯著的空間差異，土壤有機質、全氮與堿解氮含量在廣昌縣南部驛前鎮和東部長橋鄉較高，北部甘竹鎮較低；全磷與有效磷含量在東部長橋鄉、西部頭陂鎮較高，在南部驛前鎮和北部甘竹鎮較低；全鉀含量在南部驛前鎮、東部長橋鄉較高，在西部頭陂鎮、北部甘竹鎮較低；速效鉀含量在中部盱江鎮、赤水鎮較高，在南部驛前鎮含量較低；緩效鉀在東部長橋鄉較高，在南部驛前鎮、北部甘竹鎮較低。