基于GIS的贵州省稻田土壤养分及pH时空演变特征

童倩倩，李莉婕，韩 峰，陈海燕，赵泽英*，彭志良

(1.贵州省农业科技信息研究所，贵州 贵阳 550006；2.贵州省土壤肥料工作站，贵州 贵阳 550002)

基于GIS的贵州省稻田土壤养分及pH时空演变特征

童倩倩1，李莉婕1，韩 峰2，陈海燕2，赵泽英1*，彭志良1

(1.贵州省农业科技信息研究所，贵州 贵阳 550006；2.贵州省土壤肥料工作站，贵州 贵阳 550002)

【目的】为贵州水稻田土地的合理利用和科学施肥管理提供参考。【方法】以2005-2015年贵州省9个地(州、市)水稻种植区采集的177 944个代表性耕层土壤养分测定数据为基础，运用ArcGIS地统计方法和Kriging理论模型对贵州水稻土壤养分的时空演变特征进行分析。【结果】在时间序列上，贵州省稻田土壤的有机质、全氮、速效钾含量及pH 与 第二次(1991年)土壤普查数据相比均呈下降趋势，有效磷呈上升趋势。在空间分布上，贵州省稻田土壤有效磷、速效钾含量及pH的差异较大，土壤有机质和全氮含量的差异较小；东南大部分地区的稻田土壤偏酸性，全氮、有机质含量较高，速效钾含量较低；黔东北的思南、石阡一带稻田土壤的有机质、全氮、有效磷含量偏低。在不同稻田土壤类型中，潴育型稻田土壤的各种养分含量均较高，潜育型稻田土壤的有机质、全氮含量较高，但有效磷和速效钾含量最低。【结论】贵州省稻田土壤的养分含量及pH与1991年普查数据相比呈下降趋势，不同区域稻田土壤的养分含量存在一定差异，不同类型稻田土壤中以潴育型稻田土壤的各种养分含量均较高。

GIS；稻田；土壤养分；pH；贵州

【研究意义】水稻是贵州的主要粮食作物，常年播种面积68万hm2左右，稻田土壤是水稻生长的基础，其有机质、全氮、有效磷、速效钾含量是衡量稻田土壤肥力的重要指标，特别是氮、磷、钾是水稻生长必需的大量元素，其含量高低反映了稻田土壤养分的供给水平，并直接影响到水稻的产量和品质。由于稻田土壤受其成土母质、气候、耕作制度和施肥方式等因素影响，具有高度的空间异质性[1]，稻田土壤养分是稻田土壤的基本属性和本质特征[2]。因此，充分了解稻田土壤养分的时空变化特征对其进行养分管理与决策施肥具有重要意义[3-4]。【前人研究进展】近年来,有关稻田土壤养分变化及分布特点的研究报道较多[5-9],边武英等[5]研究浙江省水稻土四大土属的土壤养分状况及变化特征的结果表明，浙江水稻土的pH下降明显，有机质含量变化不大，有效磷和速效钾含量提高显著，不同土属间的有效磷含量差异较大，缺钾现象普遍；计小江等[6]研究浙江省稻田土壤养分变化规律的结果显示，连续25年种植水稻使浙江稻田土壤的pH下降明显，全氮整体水平较高，有效磷含量大幅升高；熊艳等[7]对云南省水稻土壤养分丰缺指标及肥料利用率进行研究，建立了用水稻丰缺指标测算水稻肥料利用率模型；李建军等[8]对长江中下游粮食主产区稻田土壤养分演变特征的研究结果表明，长江中下游地区稻田土壤有机质、全氮和碱解氮含量与监测初期相比均略有升高，有效磷、速效钾总体上呈稳中有升变化趋势，土壤pH总体呈缓慢下降趋势；马家斌等[9]对云南省新平县稻田土壤耕层养分状况的研究结果显示，云南省新平县稻田偏酸性土壤达53.8 %，偏低有机质土壤为23.4 %，碱解氮缺乏土壤为24.2 %，缺磷土壤为39.2 %，缺钾土壤为65.8 %，缺硫土壤为22.6 %，缺镁土壤为7.87 %，缺硼土壤为85.27 %，缺锰土壤为14.04 %，缺锌土壤为37.67 %。【本文研究切入点】前人多是对我国水稻主产区土壤进行研究，而针对我国西部贵州喀斯特地区稻田土壤养分变化进行研究的相关文献未见报道，使贵州水稻生产在肥料施用上存在一定盲目性，不利于当地水稻产量和品质的提高。【拟解决的关键问题】笔者依托贵州省测土配方施肥项目，以2005-2015年全省9个地(州、市)水稻种植区域采集的177 944个代表性稻田耕层土壤养分测定数据为基础，运用ArcGIS地统计方法和Kriging理论模型对贵州喀斯特地区稻田土壤养分的时空演变特征进行分析，以期为贵州稻田土壤的合理利用和科学施肥管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 土样采集

按“测土配方施肥技术规范”[10]要求，采集全省9个地(州、市)水稻种植区域的稻田耕层土壤样品177 944个。

1.2 基础数据来源

为能与第二次土壤普查时期(1991年)贵州省的稻田土壤养分状况进行科学对比分析，收集整理了第二次土壤普查的养分数据、1∶10 000土地利用现状图、1∶50 000土壤图、稻田现状图和行政区划图等基础数据与图件，基础数据均由贵州省88个县(市、区)国土局提供。

1.3 土壤养分指标测定

有机质、全氮、有效磷、速效钾含量及pH分别采用油浴加热重铬酸钾氧化容量法、凯氏蒸馏法、碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法、乙酸铵浸提-火焰光度计法和电位法(土液比=1∶2.5)测定。

1.4 土壤养分数据库建立

1.4.1 属性数据库 为确保177 944个土样能较好地反映贵州稻田土壤的肥力状况，根据稻田区域信息，通过农业部“测土配方施肥数据管理系统”将采样点稻田信息资料和实验室检测土样的属性、土壤类型、行政区划等相关数据导出后采用ACCESS建立稻田采样点土壤属性数据库。

1.4.2 对照数据库 由于各县市第二次土壤普查的土壤分类和命名不一致，导致同一土种在不同县域的代码和名称不同，难以进行数据对比分析。因此，在第二次土壤普查结果基础上根据贵州土壤分类系统又对9个地(州、市)88个县(市、区)土壤图和土壤志中的土种类型命名进行归并，建立土种类型对照数据库，使各县(市、区)的土种类型代码和名称能与各地(州、市)、贵州省及国家的土壤分类系统对应一致。

1.4.3 空间数据库 以贵州省稻田现状图、第二次土壤普查土壤图、行政区划图为基础图件，采用ArcGIS提供的Ordinary Kriging方法，对土样的有机质、全氮、有效磷、速效钾含量及pH等数据进行空间插值，建立贵州省稻田土壤养分及pH空间分布图。

通过共建模块下的区域统计功能提取土壤养分平均值，再将其赋值到全省稻田现状图上，实现空间数据库与属性数据库的连接。

2 结果与分析

2.1 不同时段贵州稻田土壤养分含量的差异

2.1.1 有机质 从表1可知，2015年贵州稻田土壤的有机质含量为11.10～164.60 g/kg，平均35.28 g/kg。其中，有机质含量为20～40 g/kg的土壤面积占57.28 %，>40 g/kg的土壤面积占33.16 %，<20 g/kg的土壤面积占9.56 %。1991年(第二次土壤普查)贵州稻田土壤的有机质含量为5.40～252.00 g/kg，平均43.20 g/kg。其中，有机质含量为20～40 g/kg的土壤面积占60.09 %，>40 g/kg的土壤面积占35.01 %，<20 g/kg的土壤面积占4.90 %。说明，贵州稻田土壤有机质含量>40 g/kg和20～40 g/kg的面积有所下降，而有机质含量<20 g/kg的面积有所升高，可能与农户重施无机肥、轻施有机肥有关。高产水稻适宜的土壤有机质含量为20～40 g/kg[8]，即当土壤有机质含量<20 g/kg 或>40 g/kg时，水稻较难获得高产。因此，在水稻生产上应重视有机肥施用、秸秆还田和绿肥种植以提高土壤有机质含量，从而实现水稻优质高产目的。

表1 1991年和2015年贵州省稻田土壤的养分含量

2.1.2 全氮 由表1看出，2015年贵州稻田土壤的全氮含量为0.33～6.90 g/kg，平均2.07 g/kg。其中，全氮含量>2 g/kg的土壤面积占53.41 %，1～2 g/kg的土壤面积占41.24 %，<1 g/kg的土壤面积占5.35 %。1991年贵州稻田土壤的全氮含量为0.29～7.96 g/kg，平均2.37 g/kg。其中，全氮含量>2 g/kg、1～2 g/kg和<1 g/kg的土壤面积分别占53.78 %、41.55 %和4.67 %。说明，稻田土壤的全氮含量较稳定。

2.1.3 有效磷和速效钾 从表1可知，2015年贵州稻田土壤的有效磷含量为1.50～89.70 mg/kg，平均16.06 mg/kg；速效钾含量为6.00～596.00 mg/kg，平均119.48 mg/kg。1991年贵州稻田土壤的有效磷含量为0～48.00 mg/kg，平均10.0 mg/kg；速效钾含量为6.00～831.00 mg/kg，平均134 mg/kg。说明，贵州稻田土壤的有效磷含量呈上升趋势，由1991年的10.00 mg/kg上升到2015年的16.06 mg/kg，升高37.73 %；而速效钾含量则呈下降趋势，由1991年的134 mg/kg下降至2015年的119.48 mg/kg，下降12.15 %。造成有效磷含量升高和速效钾含量降低的原因，可能是磷肥相对其他无机肥价格较便宜，农户轻施磷肥的习惯逐步得到改善，在水稻大田生产中，多用磷肥作底肥，从而提高了有效磷含量；而钾肥价格较高，不少地区农户仍然不愿购买价格较高的钾肥用于农业生产。因此，稻田土壤中的速效钾含量得不到有效补充，呈逐渐下降趋势。

2.2 不同时段贵州稻田土壤pH的变化

土样分析结果(表1)显示，2015年贵州稻田土壤的pH为4.06～8.50，平均6.17。其中，pH为 6.0～7.5的稻田土壤面积占37.19 %，比1991年的44.88 %下降7.69百分点；pH<6.0的面积占36.29 %，比1991年的29.73 %上升6.56百分点；pH>7.5的面积占26.51 %，与第二次土壤普查时的25.39 %相当[11]。说明，贵州稻田土壤随着时间的推移呈现酸化趋势。可能与水稻种植过程中，农户偏施过磷酸钙使土壤受到磷肥中游离酸性物质影响有关。

2.3 贵州稻田土壤养分含量的空间变化

2.3.1 有机质 从图1可知，贵州省稻田有机质含量为10～30 g/kg的土壤主要集中在黔北和黔西北一带，<10 g/kg的土壤主要集中在黔东北的思南县，>30 g/kg的土壤面积较大，在全省各地均有分布。

2.3.2 全氮 从图1看出，贵州省稻田土壤全氮含量为1～2 g/kg的土壤主要集中在黔北、黔西北及黔南，<1 g/kg的土壤面积较少，>2 g/kg的土壤主要分布在黔东南和黔中地区。

2.3.3 有效磷 由图1可知，贵州省稻田的有效磷含量为5～20 mg/kg的土壤全省各地均有分布，>20 mg/kg的土壤主要集中在黔北和黔东南，<5 mg/kg的土壤主要集中在黔东北思南、石阡一带。造成黔东北一带稻田土壤有效磷含量低的原因，可能与该区域的水淹育型稻田较集中、占比较大有关。

2.3.4 速效钾 从图1看出，贵州省稻田速效钾含量为100～200 mg/kg，<100 mg/kg的土壤主要集中在黔东南黎平、从江和黔南的平塘、罗甸、望谟一带。造成部分地区土壤速效钾含量低的原因，可能与该地区海拔较低、光热条件较好、土壤复种指数大和钾肥施用较少有关。

2.4 贵州稻田土壤pH的空间变化

从图2看出，在贵州省水稻种植区，pH<5.5的微酸性土壤主要集中在贵州东南部的天柱、锦屏、榕江、从江、黎平一带，pH为5.5～6.5的偏酸性土壤主要集中在贵州西南部及北部，pH为6.5～7.5的中性土壤及pH>7.5的碱性土壤零星分布在全省各地。

图1 贵州稻田土壤养分含量的空间分布Fig.1 Spatial distribution of paddy soil nitrient content in Guizhou

2.5 贵州稻田土壤类型及pH差异

2.5.1 稻田土壤类型 根据贵州土壤系统分类规范，将贵州稻田分为渗育型、潴育型、淹育型、潜育型、漂洗型和脱潜型6个亚类土壤，33个土属，97个土种。其中，面积最大的稻田土壤类型是渗育型，占全省稻田面积的40.47 %；其次是潴育型，占36.39 %；淹育型和潜育型分别占15.46 %和5.12 %；漂洗型占2.31 %；脱潜型面积最少，仅占0.23 %(表2)。因此，对贵州稻田土壤养分含量及pH进行分析时，一般以渗育型、潴育型、淹育型和潜育型4种土壤类型为主。

图2 贵州稻田土壤pH的空间分布Fig.2 Spatial distribution of paddy soil pH in Guizhou

2.5.2 pH差异 由表2看出，在4种稻田土壤类型中，潜育型、渗育型和淹育型稻田的pH因土壤发育母质类型不同而异。其中，石灰土发育而来的大泥田土属、大土泥田土属及鸭屎泥田土属的pH较大(pH>7.5)，土壤均偏碱性；黄壤发育来的黄泥田土属、幼黄泥田土属的pH较小(pH<5.5)，土壤均偏酸性；由石灰性紫色岩发育来的羊肝泥田土种的pH也较大(pH7.5)，土壤偏碱性；酸性紫色页岩发育来的血砂泥田土种的pH较小(pH5.9)，土壤偏酸性；浅脚烂泥田土种的母质较复杂，多为沼泽土，土壤pH受环境影响较大。由于长期的水耕熟化作用，潴育型稻田土壤的pH受母岩影响稍弱，pH为5.9～7.5，土壤多为中性。

表2 贵州稻田土壤的类型、养分含量及pH

2.6 不同稻田土壤类型的养分变化

由表2可知，在4种稻田土壤的12种土属中，以浅脚烂泥田和鸭屎泥田土种(潜育型稻田)的有机质及全氮含量最高，分别为57.78和79.81、2.94和3.31 g/kg；有效磷和速效钾含量最低，分别为5.18和5.26、98.97和109.20 mg/kg。可能与该分布于贵州各地岩溶洼池的2种稻田多为泡冬田，其排水能力较差、有机质分解缓慢、不利于有效磷和速效钾积累有关。

在渗育型稻田中，黄砂泥田的机质和全氮含量最高，分别为39.29和2.24 g/kg；有效磷和速效钾含量合适，分别为17.13和119.28 mg/kg。黄砂泥田是贵州稻田面积最大土种之一，按第二次土壤普查养分分级标准看，其有机质含量处于丰富水平，全氮含量处于极丰富水平，有效磷和速效钾含量处于合适水平。

在淹育型稻田土壤的6个土种中，除幼黄扁砂田的养分含量较低外，其余土种养分含量差异不大。该土种的有机质、全氮、有效磷和速效钾含量分别为15.29 g/kg、1.02 g/kg、9.13 mg/kg 和85.15 mg/kg，其土质地轻而粗糙，翻耕多耙易凝浆板结，保水保肥力差，养分转化快，秧苗返青快，但后期易出现脱肥翻黄现象，属低产稻田。

在潴育型稻田土壤的9个土种中，有机质平均含量为39.98 g/kg，全氮平均含量为2.22 g/kg，有效磷含量为16.85 mg/kg，速效钾含量为127.59 mg/kg。说明，潴育型稻田土壤的有机质含量均较高，土壤肥力较好，生产中须注意合理轮作、用养结合。

3 讨 论

(1)高产水稻田土壤适宜的pH为7.0左右。因此，针对贵州稻田土壤pH偏酸性的特点，在插秧前应适量施用石灰，既可中和水田土壤酸性，又可促进有机肥料腐熟分解，促进土壤养分平衡[12-13]，且不同地区不同土壤的施用量不同[14]，此外避免施用酸性肥料，如过磷酸钙、硫酸铵等，推荐使用碱性肥料，如硝酸钠、硝酸钙等。另外，我省水稻的有些肥料施用不足，特别是有机肥施用量较低，同时肥料施用比例不合理，且没有施用钾肥习惯[15]，在今后的生产中，要注意改进施肥方式以提高水稻产量。

(2)针对贵州不同区域稻田养分状况，根据土壤实际养分含量进行合理施肥，高雪等[16]研究表明，在贵州省全氮含量较高、速效钾含量较低的地区，建议水稻施肥比例为N∶ P2O5∶K2O =0.8～0.9∶1 ∶1.2～1.4。贵州省不同区域稻田土壤的有效磷和速效钾含量差异较大，而不同农户对稻田的肥料投入量差异也较大。因此，生产过程中要指导农户进行科学施肥。

(3)贵州是典型的喀斯特山区省，地势地貌复杂，成土母质类型多样，立体气候显著，水稻种植分布广泛，因而形成了类型众多的稻田土壤。不同类型稻田由于其土壤的起源不同，熟化程度、障碍层次以及施肥情况不同，使土壤的养分含量也存在差异。针对潜育型水稻土，可在田中开“+”“艹”型沟排水提升地温，合理灌溉，科学晒田。针对淹育型水稻土pH较低的情况，可以通过合理种植模式提高水稻土的熟化程度，如通过冬闲田套种绿肥等措施，进而提高土壤养分含量。

4 结 论

研究结果表明，贵州稻田土壤的有机质、全氮、有效磷、速效钾含量及pH的时空变化较明显。时间序列上，2015年贵州省的有机质、全氮、有效磷和速效钾含量分别为35.28 g/kg、2.07 g/kg、16.06 mg/kg和119.48 mg/kg，pH为6.17。与第二次土壤普查(1991年)相比，其有机质、全氮和速效钾含量呈下降趋势；而有效磷含量呈上升趋势，pH变化不大。在空间分布上，养分含量和pH的分布差异较大。其中，黔东南大部分地区稻田土壤的pH较小，土壤偏酸性，全氮、有机质含量较高，速效钾含量较低；黔东北的思南、石阡一带土壤的有机质、全氮、有效磷含量偏低。在不同稻田土壤类型中，潴育型稻田土壤的养分含量均较高；潜育型稻田土壤的有机质、全氮含量较高，但有效磷和速效钾含量最低，且长期渍水、水温土温均较低。因此，潜育型稻田土壤不适宜水稻生长。pH受耕作时间的影响较大，耕作时间长的潴育型稻田土壤的pH为6.5～7.5，而耕作时间较短的淹育型稻田土壤受其土壤母岩的影响较大。因此，研究显示贵州省稻田土壤的养分含量及pH与1991年普查数据相比呈下降趋势，不同区域稻田土壤的养分含量存在一定差异，不同类型稻田土壤中以潴育型稻田土壤的各种养分含量均较高。

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TemporalandSpatialEvolutionCharacteristicsofPaddySoilNutrientsandpHBasedonGIS

TONG Qian-qian1, lI Li-jie1, HAN Feng2, CHEN Hai-yan2, ZHAO Ze-ying1*, PENG Zhi-liang1

(1.Guizhou Institute of Agricultural Science and Technology Information, Guizhou Guiyang 550006,China; 2.Guizhou Work Station of Soil and Fertilizer, Guizhou Guiyang 550002, China)

【Objective】The present paper aims to provide a reference for rational utilization and scientific fertilization of paddy soil in Guizhou. 【Method】The temporal and spatial evolution characteristics of paddy soil nutrients was analyzed by ArcGIS geostatistics method and Kriging theoretical model based on the determination data of 177 944 representative topsoil samples from rice-growing areas of nine regions,Guizhou.【Result】The organic matter, total nitrogen and rapidly available potassium content and pH of paddy soil present the declining trends and available phosphorus content shows a rising trend compared with the data from the second national soil survey (1991) from angle of time series. There are quite differences in available phosphorus and rapidly available potassium content and pH of paddy soil but less difference in organic matter and total nitrogen content from angle of spatial distribution. The acidic paddy soil of most regions in Southeastern Guizhou has a higher total nitrogen and organic matter content and lower rapidly available potassium content. The organic matter, total nitrogen and available phosphorus content of paddy soil in Sinan and Shiqian county is low. The water-logging paddy soil has higher nutrient content but the gleyed paddy soil has higher organic matter and total nitrogen content and the lowest available phosphorus and rapidly available potassium content. 【Conclusion】The nutrient content and pH of paddy soil show a declining trend compared with in 1991. There is a certain difference in soil nutrients among different regions. The nutrients’ content of water-logging paddy soil is the highest among four different paddy soil types.

GIS; Paddy field; Soil nutrient; pH; Guizhou

1001-4829(2017)5-1121-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.5.024

2016-07-02

贵州省农业科学院研究生科研创新基金项目“基于GIS的水稻土壤养分丰缺指标数据库建设”[黔农科合(创新基金)2012009]；贵州省农业科学院专项项目“基于模型的数字化水稻生产管理”[黔农科院院专项(2010)040]

童倩倩(1986-)，女，助理研究员，硕士，从事农业信息技术研究，E-mail：172899499@qq.com,*为通讯作者: 赵泽英(1975-), 男，研究员,硕士,从事农业信息技术研究，E-mail: 605538133@qq.com。

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(责任编辑 陈 静)