宁德市耕地土壤养分空间分布特征分析和甘薯施肥建议

2018-05-03曹榕彬

中国土壤与肥料 2018年2期

曹榕彬

(宁德市土壤肥料技术站，福建宁德 352100)

土壤养分的优劣直接影响作物的产量和品质，而土壤养分指标是判定土壤养分优劣的重要依据。关于土壤养分空间变异的研究已有相关报道[1-10]；但在市级耕地范围内，利用序贯高斯模拟等，分析宁德市耕地土壤养分空间分布特征并提出甘薯施肥建议的研究尚少。本文利用宁德市9县(市、区)近9年测土配方施肥土壤取样测定结果和序贯高斯模拟等，分析该地区耕地土壤养分空间分布特征，旨在了解宁德耕地土壤pH值、有机质和速效氮、磷、钾空间分布情况，为甘薯合理施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宁德俗称闽东，位于福建省东北翼。地形以丘陵山地为主，沿海为小平原。地处东经118°32′～120°43′，北纬26°18′～27°40′之间。全市耕地1.63×105hm2，分布于蕉城区、福安市、福鼎市、古田县、霞浦县、周宁县、寿宁县、屏南县、柘荣县9县(市、区)。

1.2 土样采集和检验方法

利用第二次全国土壤普查的资料[主要是各乡(镇)的土壤图和土壤普查地块登记表]，兼顾每个村的土壤类型情况，并考虑面积、土种、土地利用等因素，确保每个采样点能够代表周围平均6.67 hm2的耕地同时覆盖全市1.63×105hm2耕地。2006～2014年，在9县(市、区)耕地采集耕作层土样，采用“S”法或棋盘法均匀随机地采集15～20个样点土样，经充分混匀后，采用四分法留取2 kg样品，注明样品的野外编号、采样地点、采样时间和采样人等，共采集34 998个土壤样品。土样带回实验室，经风干、去杂、磨细、过筛、混匀、装瓶后，采用常规方法[11]测定土壤pH值、有机质和碱解氮、有效磷、速效钾含量。

1.3 数据处理

耕地土壤养分分级主要参考已有的研究结果[12]；另因宁德耕地土壤pH值>7.5的土样数仅占0.02%，再细化pH值>7.5的分级无实际意义，故将土壤pH值>7.5一并划为碱性，见表1。采用Excel 2010软件和SPSS 23.0软件对各指标进行统计学特征分析。采用K-S法检测数据正态性[3]。运用GS+10.0软件，利用数据的半变异函数云剔除或改正异常离群值，计算半变异函数，进行高斯序贯模拟插值[4-7,13-17]。利用DPS 16.05软件计算半变异函数F检验的P值。利用ARCGIS 12.2软件和插值成图，剔除非耕地，完成耕地的制图、出图等。

图1 宁德市耕地土壤采样点分布图

图2 宁德耕地海拔高度分布图

指标分级强酸性(缺乏)酸性-微酸性(一般)中性-碱性(丰富)pH值≤4.54.5～5.55.5～6.56.5～7.5>7.5有机质(g/kg)<20-20～30->30碱解氮(mg/kg)<100-100～250->250有效磷(mg/kg)<8-8～15->15速效钾(mg/kg)<80-80～100->100

注：pH值分级对应强酸性、酸性、微酸性、中性、碱性；其它4项分级对应缺乏、一般、丰富。

2 结果与分析

2.1 统计学特征分析

对土壤pH值、有机质和速效氮、磷、钾养分测定值进行统计学特征分析，结果列表2。表2表明：第1，利用Cochran[8]随机采样公式对研究区域的测定值合理采样数目进行计算。在95%置信水平、5%相对误差的情况下，测定值合理采样数均小于900，远低于对应的样点数，说明样点数达到分析精度的要求。第2，从各项均值来看，宁德耕地土壤pH值属酸性，有机质含量属一般偏丰富水平，碱解氮含量属一般水平，有效磷含量属丰富水平，速效钾含量属缺乏水平。第3，测定值的均值与中值均较接近，说明它们的分布受特异值影响较小，且分布均匀。第4，由变异系数≤10%为弱变异，10%～100%为中等变异，≥100%为强变异[8-9]。说明各测定值均属于中等变异。第5，当数据符合正态分布时，才能满足地统计学分析的假设条件[5]。经K-S法检测，只有pH值属正态分布，但经SPSS 23.0软件正态得分变换后的其他4项指标数据也符合正态分布。

表2 土壤pH值、有机质和速效氮、磷、钾养分测定值统计学特征分析

2.2 土壤pH值、有机质和速效氮、磷、钾养分测定值的空间分布

2.2.1 正态得分数据的逆转换

WinGslib软件可实现正态得分数据逆变换[14,18]。但WinGslib软件逆变换模型少，且须借助其他软件计算模型的最佳拟合参数。运用DPS 16.05软件，利用耕地土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾测定值和对应的正态得分，分别计算数据的下尾(正态得分<0)和上尾(正态得分>0)的拟合模型，以决定系数(R2)较大筛选最佳拟合模型，结果列表3。表3表明：第1，土壤4项指标正态得分逆变换的最佳拟合模型均为多项式模型，且各多项式模型的F检验P值均小于0.05，说明模型均是可靠的。第2，多项式次数越大，R2越大，但三次及以上多项式模型R2无明显差异；为节省运算时间，可选定三次多项式模型。

表3 土壤4项指标正态得分逆变换最佳拟合结果

注：回归方程的Y表示土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾测定值，X表示对应的正态得分。

2.2.2 半方差函数模型的筛选

根据已有的研究结果[5,8-9]。以决定系数(R2)较大且残差平方和(RSS)较小来筛选土壤养分最优半方差函数模型，结果列表4。表4表明：第1，土壤养分测定值半方差函数最优模型均为指数模型，且最优模型的F检验P值均小于0.05，即模型是可靠的。第2，由块金系数<25%时，变量具有强烈的空间相关性；块金系数为25%～75%时，变量具有中等的空间相关性；块金系数>75%时，变量空间相关性很弱[5,9]。说明土壤养分测定值均为中等的空间相关性，结构性因素、人为因素给宁德耕地土壤带来的影响在土壤养分测定值空间变异上均有所体现。第3，在土壤养分测定值中，变异系数越高，其对应的变程则越小，反之，则越大。可能是较大的空间变异会影响其空间相关性。

表4 土壤pH值、有机质和速效氮、磷、钾养分测定值半方差函数最优模型

2.2.3 土壤pH值、有机质和速效氮、磷、钾养分测定值的插值与分级

因克里格插值相对较强的平滑作用，更适用于变异系数较小的变量的空间预测，在空间估计图上没有序贯高斯模拟好，且50次以上的模拟可提高精度[6-7,14-17]。运用土壤样点pH值、其他4项指标测定值正态得分的最优半方差函数和100次序贯高斯模拟进行插值，利用表3的回归方程和表1的分级标准，得耕地土壤分级图。

图3表明：第1，宁德市耕地土壤pH值以强酸性(占耕地总面积的10.22%)、酸性(占耕地总面积的63.89%)为主。可能原因：宁德属中亚热带海洋性季风气候，气候温暖多雨，土壤中盐基淋溶较为彻底；强酸性、酸性土壤粘性较大，土壤吸附H+、Al3+量较多；各地农民近年普施过磷酸钙等酸性化肥或生理酸性化肥，而少施有机肥、碱性化肥或生理碱性化肥。第2，微酸性、中性、碱性的土壤主要集中于蕉城、福安、霞浦、福鼎4个沿海县(市)靠海的乡镇。可能原因：沿海耕地土壤含砂量相对较高，土壤胶体含量低，土壤吸附H+、Al3+量较少；另外，受海风雨影响，这些乡镇耕地土壤盐基饱和度较高。

图3 宁德市耕地土壤pH值分级图

图4表明：第1，土壤有机质含量丰富级别占42.36%，分布在海拔较高(均值为609 m±302 m)的乡镇，且多为水田。可能由于海拔较高，气温较低，降水较多，且为淹水环境，有机质分解率较低；另外，由于耕地复种指数较低，当地农户又有秸秆还田、施有机肥等习惯，有利于土壤有机质累积。第2，土壤有机质含量缺乏级别占21.91%，其中屏南、霞浦两县所占比例较大，可能由于屏南耕地种植水稻或水旱轮作较少，当地蔬菜的复种指数高、产量高、需肥量大，农民普施化肥或高浓度复合肥，而投入有机物料和有机肥数量极少，导致土壤有机质贮量较少。霞浦耕地多为旱作，农民在农田中投入有机物料和有机肥量少，且霞浦地处沿海，海拔低，气温较高，降水较少，有机质分解率较高，导致土壤有机质贮量较少。

图4 宁德市耕地土壤有机质含量分级图

图5表明：第1，土壤碱解氮含量丰富级别占2.66%，分布在海拔较高(均值为600 m±220 m),土壤有机质含量较高(均值为41.27 g/kg±10.54 g/kg)的耕地上。土壤碱解氮含量缺乏级别占18.74%,分布在海拔较低(均值为223 m±206 m),土壤有机质含量较低(均值为23.99 g/kg±4.64 g/kg)的耕地上。主要由于土壤碱解氮包括无机态氮和土壤有机质中结构简单、易分解的有机态氮[10,19-20]。土壤有机质含量高，则土壤碱解氮含量相对较高；反之，则相对较低。第2，霞浦耕地土壤碱解氮含量为缺乏级别的比例较大。主要原因：在全市9县(市、区)中，霞浦土壤有机质含量最低(均值为23.16 g/kg±3.87 g/kg)；另外，当地气温较高，农民投入有机肥和氮肥少，且普遍撒施化肥，氮肥挥发、流失较严重，致使土壤碱解氮含量较低。

图6表明：第1，土壤有效磷含量丰富级别比例为58.86%，分布在海拔较高(均值为573 m±327 m),土壤有机质含量较高(均值为32.49 g/kg±7.45 g/kg)的耕地上。土壤有效磷含量缺乏级别比例为8.98%，分布在海拔较低(均值为274 m±254 m),土壤有机质含量偏低(均值为23.84 g/kg±7.86 g/kg)的耕地上。主要由于土壤有机质含量高时，不仅能增加土壤有机磷的储备，能与铁、铝、钙、镁发生络合作用，降低这些离子的活性，减弱磷的化学固定作用，还能在土壤固相表面上形成胶膜，减弱固相表面固磷，从而提高磷的有效性[20]。反之，则不利于提高磷的有效性。第2，福鼎市耕地土壤有效磷含量为缺乏级别的比例较大。可能原因：福鼎市耕地旱作比例较高，当地农民磷肥用量较少，且习惯撒施，磷肥易被固定，致使土壤有效磷含量较低。

图5 宁德市耕地土壤碱解氮含量分级图

图6 宁德市耕地土壤有效磷含量分级图

图7表明：第1，耕地土壤速效钾含量缺乏级别比例为75.59%，分布于9县(市、区)。可能由于宁德气候温暖多雨，土壤中盐基淋溶较为彻底，从而导致土壤速效钾含量偏低。第2，耕地土壤速效钾含量丰富级别比例为12.42%，分布于屏南县、柘荣县和沿海的乡镇。可能由于屏南发展反季节蔬菜种植，柘荣发展太子参种植，钾肥施用量都较大；且屏南菜农普遍采用地膜覆盖，柘荣耕地土壤有机质含量较高且参农施肥多采用深施覆土，钾肥不易流失；而沿海乡镇土壤的速效钾含量较高，可能受海水中钾的影响。

图7 宁德市耕地土壤速效钾含量分级图

2.2.4 海拔与土壤pH值、有机质和速效氮、磷、钾养分分布关系

利用以下3类分组方法，计算各组内土壤指标均值，以分析海拔(图2)和耕地土壤pH值(图3)及土壤有机质(图4)、碱解氮(图5)、有效磷(图6)、速效钾(图7)含量分布之间的关系：第1，以100 m为间隔，将宁德市耕地海拔分为14组(nASL=14)。第2，以表1土壤pH值的分级标准，将土壤pH值分为5组(npH=5)。第3，以≤20、20～25、25～30、30～35、35～40、>40 g/kg为分组标准，将土壤有机质含量分为6组(nOM=6)。

2.3 甘薯施肥建议

2.3.1 甘薯田施肥量分布

甘薯是宁德农民的传统种植作物，其适应性强，在全市各类耕地上均可种植。考虑甘薯最适土壤pH值[19-21]，并根据闽东、闽南多年甘薯“3414”田间试验、农户调查、耕地土壤样品测试结果和福建省农科院专家多年实践经验[12]，制定甘薯田土测值和石灰、氮肥(N)、磷肥(P2O5)、钾肥(K2O)推荐用量关系表，列表5。将表5分别代入图3、图5～图7，得石灰、氮肥、磷肥、钾肥施用量分布图，列图8～图11。

表5 甘薯田土测值与推荐施肥量关系表

注：氮肥、磷肥、钾肥施用量允许在标准误范围内上下浮动。

图8表明：施石灰量1 500、1 125、750、0 kg/hm2比例分别为10.22%、40.26%、23.63%、25.89%；较沿海4县(市、区)和柘荣县，古田、屏南、寿宁的甘薯田单位面积施石灰量较大。图9表明：施氮量210.0、193.5、160.5、133.5、112.5、100.5 kg/hm2比例分别为0.53%、18.21%、36.46%、30.03%、12.11%、2.66%；霞浦县单位面积施氮量较其他县(市、区)大。图10表明：施磷量67.5、64.5、58.5、49.5、40.5、37.5 kg/hm2比例分别为13.53%、27.61%、25.19%、21.36%、6.94%、5.38%；福鼎市单位面积施磷量较其他县(市、区)大。图11表明：施钾量255.0、237.0、195.0、151.5、117.0、102.0 kg/hm2比例分别为1.36%、16.52%、69.70%、9.47%、1.98%、0.98%。

图8 宁德市甘薯田石灰施用量分布图

图9 宁德市甘薯田施氮量分布图

图10 宁德市甘薯田施磷量分布图

2.3.2 海拔与甘薯田施肥量分布关系

图11 宁德市甘薯田施钾量分布图

3 结论

3.1 土壤pH值、有机质和速效氮、磷、钾的空间分布

受结构性、人为等因素的影响，需对土测值的非正态数据进行正态变换，才能进行空间模拟，最后对模拟结果进行逆正态变换。从本研究正态得分逆变换拟合结果来看，三次及以上的多项式模型拟合效果较直线、幂、双曲线等模型好。宁德市耕地土壤养分指标的半变异函数均为指数模型。

宁德市耕地土壤pH值和土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量空间分布分别以≤5.5、≥20 g/kg、100～250 mg/kg、>15 mg/kg、<80 mg/kg为主。随着海拔高度下降，土壤pH值均值随之上升，土壤有机质含量均值和碱解氮含量均值随之下降，土壤有效磷含量均值和速效钾含量均值随之呈先降后升的趋势。与宁德市第二次土壤普查的耕地肥力状况相比：近年宁德市耕地土壤pH值≤5.5、有机质含量≥20 g/kg、有效磷含量>15 mg/kg、速效钾含量<80 mg/kg的比例分别提高28.41%、5.86%、44.25%、25.19%。