江西省广昌县莲田土壤属性和大量元素空间变异特征及评价

赵 越，杨良波，裴佳晨，3，刘冬碧，吴茂前，唐记平，郑兴汶，徐金星，揭志辉，赖克强

（1.湖北省农业科学院植保土肥研究所/湖北省农业面源污染防治工程技术研究中心/国家农业环境潜江观测实验站/农业农村部废弃物肥料化利用重点实验室，武汉430064；2.广昌县白莲科学研究所，江西 广昌344900；3.长江大学湿地生态与农业利用教育部工程研究中心，湖北 荆州434025）

土壤养分评价是土壤质量评价的一个主要方面，对指导农业生产、衡量土壤生产力、进行精细农业具有十分关键的意义［1，2］。土壤养分不仅会影响农作物的产量，还会影响农产品品质，以及区域性农作物施肥模式。由于土壤养分评价对象的差异，往往有不同的评价侧重与评价方法，如对重庆市烤烟种植区土壤养分评价时，有学者采用模糊数学和偏相关分析法，对土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾等养分指标进行评价［3］；也有学者选取有机质、碱解氮、速效磷、全氮、有效钙等养分指标，对湖北省菊花种植区土壤养分进行评价［4］；耿庆龙等［5］采用隶属度函数和修正内梅罗指数方法，选取常规养分指标和微量元素对新疆果园土壤养分进行评价。土壤养分评价相关研究经过长期的发展，由定性评价逐渐向定量评价转变，评价指标也由单项指标向多项指标转变，但至今并未形成统一的评价方法［6，7］。就水生蔬菜研究而言，在养分效应和施肥技术方面的报道相对较多［8］，土壤养分评价方面的研究报道较少［9］。广昌县是江西省子莲的主产区，子莲生产历史悠久，被称为“中国白莲之乡”，但子莲施肥方面的研究仅有零星报道［10］，更缺乏子莲田土壤养分丰缺程度评价标准。本试验选取江西省广昌县子莲种植区土壤为研究对象，在2018年对广昌县子莲种植区进行产量和施肥现状调查的基础上［11］，采集代表性子莲田土壤样品，分析土壤属性和不同形态大量元素养分含量，借鉴江西省土壤普查和菜园土壤养分分级标准［12-14］，综合提出临时分级标准对土壤属性和大量元素养分进行评价，并借助地统计学方法对各项指标的空间变异性特征进行分析，以期为广昌县子莲生产制定合理的分区施肥方案提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

广昌县位于江西省东南部、隶属抚州市，地处26°30′—26°59′N、116°06′—116°34′E，全县东西宽约45 km，南北长约55 km，土地总面积约为1 612 km2，属丘陵地形，海拔东西高，中部低，由南向北倾斜。广昌县水资源丰富，盱江发源于广昌县驿前镇，为抚河源头，共接纳主要支流11条，多年平均径流总量14.95亿m3。广昌县属亚热带季风气候区，温暖湿润，四季分明，雨量充沛，年均降水量约为1 750 mm，年平均日照约为1 932 h，平均无霜期为273 d。耕地土壤类型主要有水稻土、潮土、红壤3种。

1.2 土壤样品采集与测试方法

2018年3月在广昌县选择驿前镇、赤水镇、头陂镇、盱江镇、甘竹镇、长桥乡等6个子莲主要产区所在乡镇，根据各乡镇子莲产量及种植规模选择2~3个村进行调查走访采样，尽可能调查种莲大户并在其代表性莲田采样。根据子莲种植区的地形地貌、土壤类型、田块大小等因素，对采样点进行GPS定位，共采集土壤样品56个。分析全部土壤样品pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、缓效钾等指标，分析方法均用常规方法［15］。

1.3 数据分析方法

1.3.1 数据描述性统计数据分析处理采用Excel 2010软件进行，对子莲种植区土壤各类养分数据及pH的平均值、标准差、变异系数等进行统计。

1.3.2 半变异函数方法半变异函数法是地统计学中常用的统计方法之一。随GIS相关技术的发展，地统计学逐渐与GIS技术相结合，广泛地应用于空间分析的诸多领域［16，17］，本研究采用GS+7.0软件进行半变异函数拟合，并根据拟合程度的高低建立最佳拟合模型，以反映目标值在不同距离观测值的变化，假设采样点数据变量符合二阶平稳和本征假设，则半变异函数可以表示如下。

式中，γ̂(h)表示半变异函数，h为步长，N(h)表示间隔h的样点数，z(xi)与z(xi+h)则分别表示在z(xi)与z(xi+h)处的实测值。一般常用于拟合间断点的方程为半变异函数模型，通常可以分为球状模型（Spherical）、高斯模型（Gaussian）、指数模型（Ex⁃ponential）、线性模型（Linear）等。

1.3.3 空间分析利用ArcGIS 10.2软件对基础数据进行处理，并利用其中的克里格插值（Kriging）功能、绘图及面积统计功能实现空间分析。

2 结果与分析

2.1 土壤养分描述性统计与评价

广昌县莲田土壤属性和大量元素统计结果（表1）显示，pH变化范围为4.53~5.57，平均值为4.92；土壤有机质含量为23.30~61.80 g/kg，均值为38.20 g/kg；土壤全氮、全磷和全钾含量均值分别为2.16、0.65、24.70 g/kg，碱解氮、有效磷、速效钾和缓效钾含量均值分别为132.00、41.20、109.00、1 000.00 mg/kg。pH变异系数为4.27%，小于5%，表明其变异性较弱，有机质和不同形态氮、磷、钾养分的变异系数均处于15%~45%，属于中等变异。

表1 广昌县莲田土壤属性和大量元素统计值

根据临时分级标准（表2），结合分级统计结果（表3）可得，广昌县莲田土壤以酸性土壤为主，酸性土壤占样本总数的93.4%，弱酸性占6.6%；土壤有机质含量较高，样本中72.1%的土壤有机质含量属较高及以上水平；碱解氮含量较低，样本中有77.1%的土壤碱解氮含量属缺乏或极缺水平；有效磷含量较高，中等与较高等级的样本分别占总量的50.8%和39.3%；速效钾含量较低，有83.6%的样本处于缺乏或极缺水平。由于蔬菜作物通常生育期较短、生长量大，对养分浓度要求较高，一般认为，菜园土壤有效养分的丰缺指标一般要高于其他大田作物［13］，但蔬菜类型众多，产地和产量千差万别，不同类型蔬菜的土壤养分分级指标鲜见报道。子莲是中国特色水生蔬菜，植株个体较大，生育期较长，收获类型多（有采摘鲜嫩莲子、老熟莲子和七八分成熟莲子3种类型），但莲田土壤养分分级评价方面的研究鲜见报道。本研究提出的广昌县莲田土壤养分临时分级指标，仍有待于通过今后大量的田间试验研究和土壤分析结果进行完善。

表2 广昌县莲田土壤属性和大量元素养分临时分级标准

表3 广昌县莲田土壤属性和大量元素养分分级统计结果（单位：%）

2.2 土壤属性及大量元素空间变异分析

利用GS+7.0软件对莲田56个土壤样点的各项指标进行半变异分析，结果（表4）显示，莲田土壤各项指标数据的半变异拟合最优模型中，pH、有机质、全氮、全磷、全钾、缓效钾均符合高斯模型；碱解氮、有效磷、速效钾拟合最优模型为指数模型。块金值（C0）、偏基台值（C）、基台值（C0+C）分别表示空间变异中的随机变异、结构变异和系统总变异。有效磷、缓效钾、速效钾、全氮、有机质的块金值与基台值的比值（块金效应）分别为6.4%、14.0%、16.4%、16.0%、23.6%，均小于25%，表明其有很强的空间相关性，其变异主要受结构性因素影响，如成土母质、土壤类型等。pH、全钾、碱解氮、全磷的块金值与基台值的比值分别为35.2%、38.7%、27.3%和30.0%，均处于25%~75%，表明以上变量具有中等强度的空间相关性，其变异受到结构性因素和施肥、灌溉等随机因素共同影响。半变异函数模型的选择是空间变异研究中的关键，决定系数（R2）越接近1，表明拟合模型的效果越好，有机质、全氮等模型的决定系数较高，表明其适用模型有较好的拟合效果，但由于本研究中样点数量并不多，有效磷、速效钾等决定系数较低，其适用模型拟合效果较差。10项指标中变程多在1 000 m以上，最小的变程在700 m以上，可通过克里格插值获得可靠插值结果。

表4 土壤属性和大量元素半变异拟合参数

根据克里格插值法，对有机质、全氮等8项指标进行空间插值分析，以揭示其各自的空间分布特点。结果（图1）表明，土壤有机质、全氮与碱解氮含量在广昌县南部驿前镇和东部长桥乡较高，在北部甘竹镇较低；全磷与有效磷含量在东部长桥乡、西部头陂镇较高，在南部驿前镇和北部甘竹镇较低；全钾含量在南部驿前镇、东部长桥乡较高，在西部头陂镇、北部甘竹镇较低；速效钾含量在中部盱江镇、赤水镇较高，在南部驿前镇含量较低；缓效钾在东部长桥乡较高，南部驿前镇、北部甘竹镇均较低。表明各项指标有较为明显的空间差异。

图1 研究区土壤属性和大量元素空间分布

3 小结

1）广昌县子莲种植区土壤pH为4.53~5.57，平均为4.92，均为酸性土壤；土壤有机质含量平均为38.20 g/kg；全氮、全磷和全钾含量均值分别为2.16、0.65、24.70 g/kg，碱解氮、有效磷、速效钾和缓效钾含量均值分别为132.00、41.20、109.00、1 000.00 mg/kg。结果表明，广昌县子莲种植区土壤主要为酸性土壤，有机质和有效磷含量较高，碱解氮和速效钾含量较低。

2）土壤有机质和不同形态氮、磷、钾在空间分布上有显著的空间差异，土壤有机质、全氮与碱解氮含量在广昌县南部驿前镇和东部长桥乡较高，北部甘竹镇较低；全磷与有效磷含量在东部长桥乡、西部头陂镇较高，在南部驿前镇和北部甘竹镇较低；全钾含量在南部驿前镇、东部长桥乡较高，在西部头陂镇、北部甘竹镇较低；速效钾含量在中部盱江镇、赤水镇较高，在南部驿前镇含量较低；缓效钾在东部长桥乡较高，在南部驿前镇、北部甘竹镇较低。