沼液施用背景下稻田土壤养分的含量特征

杨诗贵， 洪 宁， 李 铸， 邹德强， 文勇立， 艾 鹥， 泽让东科

(1.西南民族大学青藏高原研究院，四川成都 610041； 2.西南民族大学生命科学与技术学院，四川成都 610041)

沼液施用背景下稻田土壤养分的含量特征

杨诗贵1， 洪 宁2， 李 铸1， 邹德强1， 文勇立1， 艾 鹥1， 泽让东科1

(1.西南民族大学青藏高原研究院，四川成都 610041； 2.西南民族大学生命科学与技术学院，四川成都 610041)

分析长期施用沼液对春、秋2季水稻—油菜轮作地土壤养分含量的特征。采用SPSS、MapGIS与GS+等方法对试验区与对照区2季土壤pH值、有机质(SOM)、全氮(TN)、碱解氮(AN)、全钾(TK)、有效钾(AK)、全磷(TP)、有效磷(AP)等含量8个指标进行偏相关、模糊综合评判以及空间格局分析。结果表明，长期施用沼液后，试验区土壤SOM、AN、TK、AK、TN、TP、AP含量增加，而pH值无显著变化；2季之间8个指标变化不显著；试验区各养分因子与综合肥力指数Pi的偏相关系数大小序列为AP>SOM>AK>TP等，而对照区为AP>AK>TP>SOM等，施用沼液改变了土壤养分因子之间的关系；养分模糊综合评分试验区高于对照区；除春、秋2季pH值、TK含量与秋季AK含量的空间变异主要受结构性因素(一般为成土母质、地形等)影响外，其他因子变异则受结构性与随机性因素(一般为施肥、种植管理等)共同影响；在空间格局图上，各养分含量高值区主要分布于试验区所处的西侧。研究结果证实长期施用沼液能改变水稻—油菜轮作地土壤养分空间格局，提高土壤综合肥力。

种养结合；；沼液土壤；养分；模糊综合评判；空间格局

沼液除含有丰富的氮、磷、钾外，还含有17种氨基酸、腐殖酸、赤霉素、吲哚乙酸、玉米素等生物活性物质，是一种速效、清洁、安全的高品质有机肥[1]。稻田土壤广泛分布于成都平原，并且该地区畜牧业发达，沼液产量很高，施用沼肥是该地区改良土壤的重要途径。对一种土壤长期施用沼液，因土壤的物理、化学及生物特异性，其养分含量的某些特性可能逐步发生改变，直至形成相对稳定的模式。因此，研究沼液施用背景下稻田土壤的养分含量特征，对于维持土壤健康、提高土壤质量具有重要意义。研究表明，养殖业发达的种养结合系统，为农田土壤投入有机N、P2O5、K2O的总量高达 1 377 kg/hm2[2]。施用沼液能调节土壤养分要素[3]，改善土壤脱氢酶、脲酶及过氧化氢酶的活性[4]，并减少土壤重金属的积累或降低重金属的危害[5]。施用沼液还能提高果蔬等农产品的产量和质量[6]。高红莉研究认为，施用沼液能减少土壤和作物的硝酸盐含量[7]。但以往的研究多集中于施用沼肥对土壤养分的影响，而未见施用沼液后水稻土养分特征的相关研究，且研究区域相对较小，也未见对施用沼液后土壤养分空间格局的分析。本试验以连续4年施用沼液的四川成都平原稻田土为研究对象，测定春季、秋季氮、磷、钾及有机质等养分含量，采用MapGIS和GS+等方法，分析土壤养分含量变化及空间格局特征，为土壤的改良和管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验区在四川省双流县公兴镇吞拿养殖场进行，位于103°57′36″～103°58′37″E、30°26′49″～30°27′19″N，海拔 500 m。年均温16.8 ℃，降水量921 mm，年日照时数 1 104.0～1 297.4 h，属亚热带湿润季风气候。土壤类型为紫色性水稻土，研究区土壤0～15 cm层pH值及养分背景值为：pH值(H2O)为5.6，全氮(TN)含量为1.35 g/kg、全磷(TP)含量为0.45 mg/kg、全钾(TK)含量为11.13 mg/kg；为水稻—油菜2季轮作地，每年5—9月种植水稻，10月至次年4月种植油菜。养殖场养殖区面积为70 hm2，现存栏种猪800余头、商品猪4 000余头，建有储粪池10个，3 700 m2，厌氧发酵池500 m2，输粪管道1 800 m，养殖场产生的粪污通过干湿分离，液体经厌氧技术处理后灌溉周围农田，共约1 200 hm2[8]。猪沼液养分含量：pH值(H2O)为7.31、全钾含量为 1 317.70 mg/L、铵态氮含量为139.87 mg/L、全磷含量为 141.55 mg/L、全氮含量为13 988.73 mg/L。

1.2 样地设置

研究区分为沼液灌溉试验区(T)、对照区(C)、中间设置缓冲带(D)。试验区面积为405 000 m2，对照区面积为 205 000 m2。采用GPS测量面积和定点，共设置78个样点，试验区47个，对照区31个，并编号(图1)。试验区连续4年施用猪沼液55 m3/hm2，不施用化肥和农药。对照区采用常规水稻耕作制度，施用化肥，不用农药。化肥施用量分别为氮肥 150 kg/hm2，磷肥75 kg/hm2[9]。研究区内成土母质、环境条件一致，远离交通要道，周围没有工矿企业。地貌平坦，地势由东北向西南略倾斜，倾斜度小于0.5°，西、南、北边为浅丘相围。

1.3 样品采集与预处理

借助Trimble-GPS系统于2013年4—9月进行定点采样，使用圆状取土钻取样，采集0～20 cm的耕层土壤，土样混匀后用四分法弃去部分土壤，保留2～3 kg装入相应编号的塑料袋中带回实验室备用。除去土壤中残留植物根、茎、叶及虫体等杂质后，自然风干约14～20 d，研磨过20、100目筛，然后收集并编号以备测定。按文献资料[8]测定土壤pH值、有机质(SOM)含量、全氮含量、碱解氮(AN)含量、全磷含量、有效磷(AP)含量、全钾含量、有效钾(AK)含量。

1.4 数据处理

采用SPSS 19.0进行模糊综合评判以及土壤养分含量与内梅罗综合指数Pi的偏相关分析。采用GS+7.0进行半方差分析，SURFER软件生成克里格插值图。Pi作为土壤质量评价指标[10]，是一种综合土壤肥力系数，计算公式如下：

式中：Pi为土壤养分综合肥力指数；(Pi)平均为土壤各养分要素的平均值；(Pi)最小为土壤各养分要素的最小值，n为土壤养分属性的个数。

2 结果与分析

2.1 土壤养分比较

试验区、对照区春、秋2季土壤pH值及养分因子测定结果见表1。pH值试验区与对照区差异不显著，秋季TN、TP含量试验区显著低于对照区，试验区2季土壤SOM、AN、TK、AK、TN、TP、AP含量均高于对照区。其中，试验区2季土壤SOM、AN、TK、AK含量与对照区差异极显著，TN、TP、AP含量与对照区差异显著。整体来看，试验区土壤养分含量高于对照区。

从春季到秋季试验区与对照区土壤pH值以及SOM、TN、AN、TP、AP、TK、AK的含量8个指标差异均不显著。

2.2 土壤养分因子与综合指数Pi间的相关分析

土壤养分综合肥力指数Pi与各养分因子间的偏相关系数见表2。从表2可以看出，春、秋2季试验区养分因子与Pi均呈正相关，其中SOM、TP、AP、AK的含量分别与Pi呈极显著正相关，AN的含量与Pi呈显著正相关。按偏相关系数大小排序，春秋2季均为AP含量>SOM含量>AK含量>TP含量>AN含量>TN含量>pH值>TK含量。表明AP、SOM、AK、TP、AN等养分的含量与试验区土壤肥力相关。春、秋2季，除pH值外，对照区土壤养分因子均与Pi呈正相关，其中TP、AP、AK含量与Pi呈极显著相关，SOM与Pi呈显著相关。按偏相关系数大小排序，春、秋2季均为AP含量>AK含量>TP含量>SOM含量>AN含量>TK含量>TN含量>pH值，表明AP、AK、TP、SOM等养分含量与对照区土壤肥力相关。综合以上分析结果，AP、AK、TP、SOM含量与Pi的偏相关系数为0.446～0.876，表明这4个指标与土壤肥力具有更重要的相关关系。

表1 春季、秋季试验区与对照区养分含量比较

注：T、C分别代表试验区、对照区，表2同；同列数据后不同小写、大写字母分别表示差异显著(P<0.05)、极显著(P<0.05)。

2.3 土壤养分模糊综合评价

2.3.1 因子权重的确定 根据文献[11]，以试验区、对照区土壤养分为评价对象，采用主成分分析法确定权重，以土壤养分因子的权重为因素，评价土壤养分综合实际贡献率的大小。将pH值以及SOM、TN、AN、TP、AP、TK、AK含量等8个指标值带入隶属函数，算出相应的隶属函数度，得到土壤养分权重系数(表3)。从表3可看出，根据公因子方差赋予各因子的权重分别：pH值为0.097、SOM含量为0.13、TN含量为0.11、AN含量为0.12、TP含量为0.14、AP含量为0.15、TK含量为0.16、AK含量为0.093。可以看出从大到小的顺序为：TK含量>AP含量>TP含量>SOM含量>AN含量>TN含量>pH值>AK含量。

表2 春季、秋季试验区与对照区土壤养分综合指数Pi与各养分因子的偏相关分析

表3 土壤养分权重系数

2.3.2 土壤养分因子综合评价 基于表3并参照文献[12-13]，获得试验区与对照区土壤养分综合评分(表4)。试验区综合评分高于对照区，表明施用沼液后土壤养分的整体状况获得明显提升。

表4 试验区与对照区土壤养分因子模糊综合评价结果

注：含春季、秋季数据。

2.4 土壤养分因子空间格局

2.4.1 土壤养分因子的半方差分析 对春、秋2季土壤各养分因子进行最优模型拟合(表5)。半方差函数测算与Kriging插值的详细数学过程[14]。确定系数(R2)表示该模型所拟合的理论曲线精度，越趋近1，精准度越高。从表5可以看出，除pH值、TK含量及秋季SOM、AN含量外，其他因子的确定系数为0.216～0.964(P<0.01或P<0.05)，表明模型拟合效果较好。残差值表示模型拟合的效果，其值越趋近0，拟合效果越好[15]。

表5 土壤养分半方差函数参数及模型

注：*、**表示差异显著(P<0.05)、极显著(P<0.01)。

2.4.2 土壤养分因子克里格(Kriging)分析 采用SPSS软件对春、秋2季土壤养分因子进行W检验。结果显示，春季土壤pH值、SOM含量、TN含量与秋季pH值、SOM含量、TN含量、TP含量、AP含量均符合正态分布；而春季土壤AN含量、TP含量、AP含量、TK含量、AK含量、秋季AN含量、TK含量、AK含量均不符合正态分布，对其进行对数转换，结果均符合该分布。克立格插值分析见图2(x轴为东西方向，y轴为南北方向)。从图2可见，春、秋2季土壤8个养分指标在空间分布上主要呈现出斑块与梯度相结合的分布格局，各养分指标在研究区内有高值或低值的分布中心，且高值中心呈现一定的方向性。除2季TK含量外，其他养分高值中心均集中于西侧，养分含量呈现由东向西逐渐上升的趋势，西侧为试验区，东侧为对照区，表明试验区土壤养分含量总体高于对照区。

3 结论与讨论

3.1 施用沼液后土壤养分含量

对比春、秋2季试验区与对照区土壤养分含量，试验区总体比对照区高，这可能与粪便得到厌氧发酵有关，发酵后的沼液有助于改善土壤的团粒结构，从而提高有机质在土壤中的效应。试验区与对照区土壤pH值差异不大， 但呈弱酸性，有

利于土壤有机质的保持。有研究认为，较低的pH值会增大土壤磷的可溶性，从而加快磷的流失[16]。但也有研究表明，酸性土壤环境可能改变微生物的优势群落结构，有益于固氮、解磷、解钾微生物的大量繁殖，从而在长期施用沼液的土壤中使氮、磷、钾养分及其有效成分获得显著提高[17]。

3.2 土壤养分综合指数Pi与相关养分因子的关系

试验区和对照区分别与Pi的相关性序列在春、秋2季差异不显著，但试验区2季的相关性序列与对照区对比，存在明显差异，表明施用沼液对土壤养分因子关联结构产生了一定影响。长期施用沼液的试验区春、秋季土壤SOM含量与Pi的相关性比对照区明显增强，表明长期施用沼液的试验区土壤的SOM获得了一定程度的改善，这与李学东等研究结果[18-19]一致。试验区与对照区春、秋2季土壤养分因子的4种序列均显示AP、AK、TP、SOM含量与Pi的相关性相对较强，而TN含量、TK含量、pH值相对较弱，表明AP、AK、TP、SOM含量在土壤养分构成方面具有更为重要的影响。武广云等研究认为，有机质是土壤可持续经营的核心，决定了土壤的稳定性和弹性，TN、TP、TK含量能够反映该土壤的供肥潜力[20]。而AN、AP、AK含量则能直接说明土壤肥力的状况，表明本研究试验区土壤的肥力获得了改善。

3.3 土壤养分因子的模糊综合评价

近年来，有关施用沼液后对土壤养分及农作物的影响研究较多，范玉贞研究了沼肥对梨园土壤中养分及梨果品质的影响，结果显示，沼肥提高了梨园土壤的SOM、TP、AP、TN、AN、TK、AK的含量，并且对梨果的品质具有改善作用[21]。李艳丽等研究认为，灌溉沼液对玉米种植的影响，给出了沼肥的施用方式、数量及增产效果[22]。樊文华等研究施用沼肥对土壤养分的影响，认为施用沼液可以提高土壤中氮、磷、钾及有机质的含量，施用沼液比施用化肥更能提高土壤有机质含量[23]。上述研究并未涉及水稻—油菜轮作土，也未见采用综合评价法对众多因子进行整体性评判的相关报道。

本研究采用模糊综合评价方法，对长期施加猪沼液后水稻稻—油菜轮作土壤养分8个因子进行整体性评价，通过公因子方差分析，权重大小顺序为TK含量>AP含量>TP含量>SOM含量>AN含量>TN含量>pH值>AK含量。TK、AP、TP含量的权重值为0.14～0.16，表明在土壤养分中磷、钾具有一定主导作用。据报道，当土壤中氮、磷、钾含量相对较高时，土壤肥力得到改善，有利于植物的生长[24]。通过权重与隶属函数矩阵的乘积得出模糊综合评价试验区与对照区积分，然后进行归一化处理得出试验区的评价结果是0.616，对照区评判结果0.384。表明长期施用沼液，土壤养分整体状况、养分结构等都可以获得进一步优化。

3.4 土壤养分因子空间分布特征

不同的块金值/基台值可表示系统变量的空间相关性的不同程度[25]。土壤是由母质、地形、生物、气候、时间和人为因素共同作用形成的非均质的和变化的时空连续变异体[26]，具有高度的空间异质性，不论是在大尺度上还是小尺度上，均有异质性存在[27]。自然过程(一般包括地形、母质、土壤类型等)是土壤养分变异的内在驱动力，它有利于土壤养分空间变异结构性的加强和相关性的提高，尤其是在较大水平尺度上表现更为明显；而人为过程，一般如施肥、耕作措施和种植制度等则是土壤养分变异的外在因素，表现为较大的随机性，它往往对变量空间变异的结构性和相关性具有削弱作用，使土壤特性的空间分布朝均一方向发展，尤其是在小尺度上表现更为明显[28]。春、秋2季的pH值，春季的TK含量，秋季的TN、TP、AP、AK含量的块金值/基台值均小于0.25，表明这些指标具有极强的空间相关性，其变异主要是由结构性因素引起的。前人研究认为，这可能与成土母质、地形地貌等有关[29]。除此之外，春季、秋季其余指标的块金值/基台值处于0.294 1～0.679 0之间，表明这些指标为中等自相关，空间变异受随机和结构两方面因素的影响，由于试验区域是水稻—油菜轮作地，推测引起土壤属性空间变异的随机性因素主要来自轮作地的人为活动，诸如施肥、除草活动、土壤管理等。

克里格插值法可通过已知样品点数据来估算临近未知点的数据[30]。春、秋2季土壤pH值和秋季AK含量在空间上呈连续变化梯度，表明其变异是均匀的，这与半方差分析结果一致，即上述指标主要受结构性因素的影响。春季pH值东西两侧基本无差异；春季SOM、AP、TP几个养分因子的含量明显西侧高于东侧，除pH值外，各养分含量明显秋季高于春季，但方差分析差异不显著。本试验西侧为试验区，东侧为对照区。半方差分析结果表明，秋季AK含量的块金值/基台值小于0.25，可推测其空间变异主要受地形、成土母质等结构性因素影响。一般来说，若无人为因素的影响，土壤中的养分含量与母质有关，但在特定区域内，由于气候条件差异不大，景观长期较为一致的种植和管理后，土壤养分空间变异将趋于缓和，即由于与母质差异等引起的变异逐渐减小，可形成表面上较为一致的区域[31]。因此，这可能是人为春、秋2季水稻—油菜轮作管理之后，引起的秋季AK含量高于春季的原因。

施用沼液后，土壤SOM、AN、TK、AK含量明显提升，各养分因子与土壤肥力综合指数Pi均呈正相关，综合肥力得到改善；春、秋2季pH值与秋季AK含量的变异受结构性因素影响，其余受结构性因素与随机性因素的共同影响。

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10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.068

2015-12-02

四川省科技支撑计划(编号：2011FZ0054)；西南民族大学创新型科研项目(编号：CX2014SZ115)；西南民族大学优秀学生培养工程项目(编号：13ZYXS79)；西南民族大学青年教师基金(编号：13NZYQN20)；

杨诗贵(1984—)，男，湖北黄冈人，硕士，主要从事农业推广工作。E-mail：515971391@qq.com。

文勇立，博士，教授，主要从事家畜生态与生产及动物遗传育种与繁殖等研究。E-mail：wansit@163.com。

S158.3

A

1002-1302(2017)02-0239-06

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