長期膜下滴灌農田小尺度土壤養分空間變異特征與肥力評價

汪宗蘭，王春霞，汪思佳，楊躍發，張景瑞

（1. 石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000； 2. 現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000）

0 引 言

土壤肥力是土地生產力的基礎，是農業可持續發展的基本要素［1，2］。隨著可持續農業的提出與發展，現代農業生產向著優質高產的方向轉變。長期大量元素化肥的施用，導致土壤養分失衡，因此科學、合理、實用地評價土壤肥力水平對指導農民合理施肥和促進農業可持續發展有重要作用［3-5］。

目前，地統計學和地理空間信息技術的發展提供了更為精準、便捷的土壤質量評價方法。近些年來國內外學者逐步將土壤質量評價與空間信息技術相結合研究［6，7］，尤其對大中尺度土壤養分的空間變異特征及評價等研究較多［8-10］，一般而言大中尺度的土壤養分空間變異性分析對提高地力、建立土壤數據庫有重要意義［11］。而評價單元的大小直接影響到土壤質量評價的精度，評價單元越小評價結果精度越高［12］。因此，國內外學者對小尺度土壤肥力空間分布特征進行了相關研究，李亞莉等［13］對新疆奇臺縣小麥土壤進行分析，發現隨種植年限增加，土壤速效養分減少，空間分布受人為因素和隨機因素共同影響。展秀麗等［14］發現土壤有機碳和全氮在小尺度上表現出明顯的空間變異性，土壤機械組成對有機碳和全氮有明顯影響。連玉珍等［15］分析色季拉山西坡表層土壤的有機碳，結果表明小尺度下苔草高寒草甸和林芝杜鵑灌叢的土壤有機碳及其密度主要受自然因素的影響，具有較強的空間自相關性。鄒心雨等［16］對河北壩上地區土壤機械組成進行研究，發現坡面小尺度土壤各粒級含量具有較強的空間自相關性，沙粒的空間變異性最強。喬學瑾等［17］對新疆安集海膜下滴灌棉田土壤進行研究，發現土壤含鹽量受結構性因素與人為活動等隨機性因素共同影響呈強空間自相關性，采樣尺度越小，空間分布更加清晰明確。由此可見小尺度土壤養分具有明顯空間變異性，小尺度的研究更有利于對土壤實施科學合理的管理措施。

我國膜下滴灌技術的發展開始于1996 年在新疆生產建設兵團第八師石河子121 團試驗的成功，并在此后推廣應用于棉田生產。至2020 年新疆膜下滴灌面積突破128 萬hm2，成為我國大田應用膜下滴灌技術面積最大的地區［18，19］。但由于滴灌“少灌勤灌”的特性，加上該區域蒸發強烈，土壤鹽分容易在土壤表層積聚，潛在的土壤次生鹽漬化風險增大，導致耕地土壤理化性質退化、水肥保持能力降低。因此準確、客觀的評價長期膜下滴灌農田的肥力情況是防治膜下滴灌耕地土壤退化和提高生產力的關鍵措施之一。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于新疆石河子市石河子大學現代節水灌溉兵團重點實驗室基地（85°57′49＂E，44°19'28＂N）。該地區是典型的溫帶大陸性氣候。夏季相對濕度在30%～50%之間，年蒸發量為1 000～1 500 mm。年日照時長2 300～2 700 h。無霜期182 d。地下水埋深9 m 以下，灌溉水含鹽量約為1.35 g/L。田塊平整，種植作物主要為棉花和番茄，種植方式為膜下滴灌，滴灌年限為13 a。

1.2 樣品采集與分析

在2021 年10 月下旬整地前選擇膜下滴灌棉花和番茄地進行土壤樣品采集。0～100 cm 土層平均干容重為1.62 g/cm3，土壤質地為壤土，土壤砂粒、粉粒、黏粒含量分別為46.32%、38.53%、15.15%，土壤飽和含水量（質量含水量）為26.11%，田間持水量為20.73%。該田塊種植作物、土壤質地及種植模式在研究區具有代表性，采樣區域種植作物情況見圖1。按照20 m×20 m網格采樣方式采集表層（0～20 cm）土壤樣品88個。每個采樣點以定位點為中心在1 m 半徑內采集土壤樣品4 個，混合均勻后采用四分法留存約1 kg土樣。樣品室內自然風干研磨過2 mm篩。采樣田塊取樣點位置分布詳見圖1。

圖1 研究區種植作物類型及采樣點分布圖Fig.1 Distribution of crop types and sampling points location

測定的指標有土壤pH、電導率、有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀。指標測定方法:pH 用電位法（土水比為5:1）所用pH計型號為哈希LA-pH10 型；電導率用電導率儀（土水比為5:1）所用電導率儀型號為梅特勒-托利多FE38 型；有機質用重鉻酸鉀外加熱法；堿解氮用堿解擴散法；速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提鉬藍比色法；速效鉀用火焰光度法。

1.3 數據處理

1.3.1 權重計算

本研究采用相關系數法確定土壤各肥力指標的權重。首先用統計分析軟件計算出各單項指標間相關系數（表1），相關系數為負的取絕對值，進而求出某單項指標與其他指標間相關系數的平均值，并將該平均值除以所有肥力指標相關系數平均值總和的結果，作為該單項肥力指標在土壤綜合肥力中的權重［20］（表2）。

表1 指標間相關系數Tab.1 Correlation coefficients between indicators

表2 土壤肥力評價指標權重Tab.2 Average correlation coefficients and index weights

1.3.2 隸屬度函數模型確定

確定隸屬度函數計算各個肥力指標的隸屬度值。土壤電導率、有機質、速效磷、速效鉀和堿解氮采用S型隸屬函數［公式（1）］，pH 采用拋物線型隸屬函數［公式（2）］［21］。根據研究區膜下滴灌土壤特征、種植作物及相關研究結果［22-24］，確定隸屬函數曲線轉折點的取值［24］，見表3。

表3 隸屬度函數轉折點取值Tab.3 Turning point values of evaluation indicators in the affiliation function curve

1.3.3 肥力評價指數計算

計算土壤綜合肥力指數（IFI），具體計算公式如下:

式中:n為參評因子數；Wi為第i個因子的權重；Fi為第i個因子的隸屬度值。IFI的結果為0-1，其值越接近1 代表土壤質量越好。

1.3.4 土壤養分綜合肥力分級

將膜下滴灌土壤IFI值根據等距法分為5 個等級［25］，具體見表4。

表4 土壤綜合肥力指數分級Tab.4 Soil integrated fertility index classification

1.3.5 空間變異性分析

采用地統計學分析各項指標的空間變異性其半變異函數表達式（4）［20］:

式中:r(h)為半變異函數；h為樣本點間距；N(h)以h為間距時點的成對數；Z(xi)和Z(xi+h)為區域化變量在xi與xi+h處的實測值。在GS+7.0 中完成各土壤指標半方差函數理論模型的構建與擬合。

2 結果與分析

2.1 土壤各項肥力指標特征分析

2.1.1 各項肥力指標描述性統計分析

在SPSS 25.0中對各項肥力指標進行描述性統計分析，從表5 可以看出，pH 的均值為8.43，土壤呈堿性。有機質、堿解氮和速效磷的均值分別為22.32、108.46 和19.61 g/kg 含量適中。速效鉀均值為423.25 g/kg，含量處于較高水平。土壤各肥力指標經過單一樣本Kolmogorov-Smirnov（K-S）正態分布檢驗，電導率的p值小于0.05為非正態分布，對其進行對數轉化后，結果符合正態分布特征。pH、有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的p值分別為0.20、0.20、0.07、0.06和0.08，均大于0.05，為正態分布。pH的變異系數最小，僅為0.02，表現為弱變異。其他肥力指標的變異系數在0.13～0.40之間，屬于中等變異強度。各肥力指標極差有大（比如電導率）有小（比如pH），可以看出田間尺度上各點間土壤養分含量差異明顯。有機質和pH 的偏度系數小于零，其分布峰為左偏。電導率、堿解氮、速效磷和速效鉀的偏度值大于零，分布峰為右偏。有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的峰度系數為正，說明這些指標的分布曲線相較于正態分布更加陡峭，反之pH 峰度系數為負，說明該組數據的分布曲線相較于正態分布更加平緩。

表5 各項肥力指標含量描述性統計Tab.5 Descriptive statistics of the content of each index

2.1.2 各項肥力指標空間變異特征分析

在GS+7.0中對各項指標進行地統計學分析，確定最適的半方差函數模型，確定原則是殘差平方和最小、決定系數最大。pH 和電導率符合高斯模型，有機質符合線性模型，速效磷和速效鉀符合球形模型，堿解氮符合指數模型。除堿解氮的擬合系數為0.13 外，有機質和速效磷擬合效果最好，決定系數分別為0.88 和0.86，pH、電導率和速效鉀擬合效果較好，擬合系數分別為0.75、0.62 和0.65。膜下滴灌土壤各項肥力指標半方差函數模型見表6。

表6 土壤各項肥力指標半方差函數模型及參數Tab.6 Semi-covariance function model and parameters for each soil fertility index

田塊尺度上土壤pH、電導率、堿解氮和速效磷的塊金系數大于75%分別為97.6%、98.5%、97.2%和99.8%，表現出較弱的空間自相關性，表明這些肥力指標主要受人為因素的影響，即施肥、灌溉和管理措施等人為因素對上述指標的影響較大。有機質和速效鉀指標的塊金系數在25%～75%之間，分別為51.2%和62.5%，表明二者具有中等強度的空間自相關性，空間變異受隨機因素和結構性因素共同影響，并且兩者的塊基比都大于0.5，說明更多的受隨機因素（人為因素）影響。各項肥力指標的變程在23.89～120.20 m 之間，說明各項肥力指標的空間自相關距離存在較大差異。原因在于“隨水滴肥”的灌溉方式及種植作物不同。長期隨水滴施肥料，肥料大部分僅在土壤濕潤體內分布，所以田塊內肥料空間分布不均勻，使土壤肥力指標空間變異性增強。各項土壤肥力指標的變程均大于取樣間距，所以在以后分析膜下滴灌土壤肥力狀況時可以適當的增加采樣間距。

在Surfer 15.0 中繪制各項肥力指標空間分布圖（圖2），圖2中可以看出:①pH 范圍在8.0～9.1 之間，全區土壤偏堿性，在空間上呈帶狀分布特征。整體東側pH 值要高于西側，其中北部區域pH 值達到8.5 以上，堿性程度強烈，東北部的防護林土壤堿性程度較高。②電導率值成斑塊狀分布且含量差異巨大，北部電導率值低于南部，尤其是東北側防護林所在區域明顯偏低，其在研究區南部有島狀高含量點存在，原因在于此區域有過微咸水灌溉試驗處理。③有機質田塊尺度上分布較為均勻，含量在20～30 g/kg 之間，在肥力等級劃分［26］（表7）中處于中等水平，在研究區東北部有島狀高點存在，原因可能是胡楊樹落葉長期積累導致該區域有機質含量偏高。④堿解氮含量斑塊狀分布明顯，呈現四周高中間低，北部高南部低的分布格局，同時在研究區東北部有島狀高點存在，原因在于枯枝落葉等凋落物的分解顯著提高表層土壤堿解氮的含量。⑤速效鉀含量普遍較高，根據表7整個區域最低值遠大于豐富水平，且其含量在研究區分布不均勻，東部番茄地速效鉀含量普遍高于西部棉花地，東北部胡楊林種植區有島狀高點存在。⑥速效磷含量分布呈現東高西低南高北低的特點，在研究區北部和南部有兩個集中高點，其余區域分布較為均勻。總體來說，研究區土壤各指標在田塊尺度上分布復雜、差異性顯著，說明種植制度、灌溉和作物等因素的影響，導致膜下滴灌土壤養分在田間尺度上存在明顯的差異性。

表7 土壤養分分級標準Tab.7 Soil nutrient grading criteria

圖2 土壤養分空間分布圖Fig.2 Soil nutrient spatial distribution map

2.2 土壤綜合肥力指數（IFI）特征分析

2.2.1IFI描述性統計分析

對88個樣點的土壤綜合肥力指數進行描述性統計分析（表8），研究區IFI值在0.51～0.74 之間，平均值為0.62，變異系數為0.08，屬于弱變異。IFI值的偏度系數大于零，表明分布峰為左偏。IFI值采用單一樣本K-S 檢驗法（表8），其p值為0.17（大于0.05）為正態分布。將各項土壤各項肥力指標的平均隸屬度值繪制雷達圖（圖3）。根據雷達圖的幾何含義，坐標軸上的點越靠近原點，代表它所反映的指標的肥力水平越低，反之越高。可以看出pH、速效磷和電導率平均隸屬度值最小，約為0.05；有機質次之，約為0.15；速效鉀和堿解氮約為0.2。

表8 IFI值描述性統計Tab.8 Descriptive statistics of IFI values

圖3 各項肥力指標平均隸屬度雷達圖Fig.3 Radar map of the average affiliation of each fertility index

2.2.2IFI空間分布特征分析

由圖4可知，該研究區膜下滴灌土壤全被Ⅱ類（良好肥力水平）和Ⅲ類（中等肥力水平）肥力（見表4）占據，其中Ⅱ類（良好肥力水平）地分布最廣，主要分布在研究區中部，占整個區域面積71.11%。田塊南部和北部以Ⅲ類（中等肥力水平）地為主，占整個區域面積28.89%。因此，按照模糊綜合評價法，研究區土壤的肥力水平整體處于中等偏上水平。研究區北部因接近地塊邊緣，肥力水平低于其他區域；中部區域以種植棉花和番茄為主，農民注重投入和管理，故總體肥力水平偏高。南部地區由于局部地塊做過微咸水灌溉處理因此土壤肥力偏低。

圖4 土壤IFI分布圖Fig.4 Soil IFI distribution

3 討 論

土壤是農業生產的最基本資料，土壤肥力水平的高低直接影響到農作物的生產效益。我國精準農業快速發展，作為其中的一部分，小尺度土壤養分空間變異的研究十分重要。進行土壤養分綜合評價有助于了解研究區土地利用現狀，明確土壤生產力限制因子，為土壤質量改善以及土地可持續利用提供基礎數據支持［27，28］。

描述性統計分析表明，土壤pH 和堿解氮、速效鉀、速效磷含量呈明顯的負相關，說明適當降低土壤pH 值，可以提高化肥的利用率；電導率的極差很大，pH的極差很小，這表明土壤屬性在田間尺度存在明顯差異。pH的變異系數最小為0.02，可能原因在于研究區范圍小，pH 值改變不大，也可以看出土壤本身的屬性具有更好的穩定特征這與劉月嬌等［29］的研究結果一致。有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀均屬于中等變異強度，主要因為速效養分受施肥和耕作方式、作物的種類的影響較大陶睿等［27］在對重慶豐都紫色土壤的評價也得出了相似結論。

地統計學分析表明，在田塊尺度上各項肥力指標的空間自相關距離有大（如有機質）有小（如堿解氮），說明有機質受隨機因素影響較小，空間自相關的范圍較大，堿解氮受施肥等人為因素影響較大，空間自相關距離較小。土壤各肥力指標在田塊尺度上斑塊狀分布特征明顯，是因為“隨水滴肥”的灌溉方式，肥料大部分僅在土壤濕潤體內分布，所以田塊內肥力指標含量空間分布不均勻，受隨機因素的影響，使土壤肥力指標空間分布的差異性增大，周英霞［30］對棉花生長以及農田尺度上土壤水肥鹽時空分布特征研究中也得出了相似結論。

根據劃分的土壤肥力綜合指標值（IFI）等級，土壤肥力特征在空間上呈現出斑塊狀。主要原因在于滴灌使局部土壤濕潤，養分則在作物耕作層滴灌帶下分布較高，周圍裸地上分布較少，由此使肥料在土壤中缺乏連續性這與李亞莉等［13］的研究結果類似。同時田塊尺度上膜下滴灌土壤肥力整體較高，也說明膜下滴灌技術的水肥一體化實施可以提高作物的肥料利用效率［31］。通過平均隸屬度雷達圖可知研究區土壤速效磷含量低，是土壤肥力的主要制約因素。

本研究選取了滴灌13 年田塊土壤耕層的6 種化學指標分析土壤肥力狀況，但缺少生物等指標，需要在后續研究中完善。此外本研究所選取得膜下滴灌田塊種植作物、滴灌的應用年限等都具有代表性，因此所得出的土壤各肥力指標的評價結果對于類似膜下滴灌土壤具有一定的參考作用。

4 結 論

利用模糊評判法和地統計學方法對長期膜下滴灌（13 年）農田土壤養分空間分布特征及肥力進行綜合評價。主要結論如下:

（1）6 項肥力指標的經典統計表明，研究區土壤pH、電導率、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀的平均含量為8.43、5 726.57 μS/cm、22.32 g/kg、108.46 mg/kg、19.61 mg/kg、423.25 mg/kg。pH 的變異系數為0.02，屬于弱變異，均值為8.43，土壤呈堿性。其他肥力指標變異系數在0.13～0.40 之間，屬于中等變異。

（2）土壤pH、電導率、堿解氮和速效磷指標的變程分別為32.9、31.0、23.9、36.7m且它們的塊金系數大于75%，表明在空間上呈現弱空間自相關性。有機質和速效鉀指標的變程分別為120.2和45.1 m，它的塊金系數位于25%～75%之間，呈現出中等強度的空間自相關性。

（3）各土壤屬性在田塊尺度上空間分布復雜土壤pH 呈帶狀分布特征；電導率斑塊狀分布，且含量差異很大；有機質分布較為均勻；堿解氮呈現北高南低、四周高中間低的趨勢；速效鉀分布不均勻；速效磷東高西低、南高北低，南北部有兩個集中高點。

（4）研究區土壤肥力綜合指標值（IFI）值在0.51～0.74 之間，平均值為0.62。研究區土壤全被Ⅱ、Ⅲ類土壤占據，占比分別為71.11%和28.89%，土壤肥力質量處于中上水平，但有效磷含量偏低應該通過增施磷肥方式改良土壤。