江西省广昌县莲田土壤中、微量元素含量及空间变异性评价

裴佳晨 杨良波 刘冬碧 赵 越 朱建强 吴茂前 余延丰 郑兴汶 唐记平 揭志辉

（1 长江大学农学院，湖北荆州 434025；2 湖北省农业科学院植保土肥研究所，国家农业环境潜江观测实验站，湖北省农业面源污染防治工程技术研究中心，农业农村部废弃物肥料化利用重点实验室，湖北武汉 430064；3 广昌县白莲产业发展中心，江西广昌 344900）

土壤养分评价是土壤质量评价的一个重要方面，对于耕地质量分等定级、形成区域性特定作物优化施肥技术模式等均具有十分重要的意义。在现代农业生产中，和大量元素一样，中、微量元素在促进蔬菜生长发育（廖佳 等，2008；任士伟 等，2020）、提高蔬菜产量（沈志锦 等，2008；张冬明 等，2018）和改善蔬菜品质（王慧敏和王正银，2006；王亮亮 等，2017）中也发挥着重要作用。从全国范围来看，土壤有效镁含量较低的区域主要集中在长江以南，包括福建、江西、广东、广西、贵州、湖北、湖南、海南等省份（黄鸿翔 等，2000；白由路 等，2004；陆志峰 等，2021）；有效硼、有效钼含量较低的土壤主要是南方各地的红壤（刘铮 等，1978，1982；张智 等，2016；余慧敏 等，2020）。由于土地利用、灌溉、施肥等人为因素，以及地形与地理位置、成土母质等自然条件的不同，即使同一区域的农田土壤养分也可能表现出较大的空间变异性（陈防 等，2006；江叶枫 等，2018；余慧敏 等，2020）。广昌县子莲种植历史悠久，是江西省子莲的主产区，被誉为“中国白莲之乡”（谢克强，2010）。由于缺乏子莲养分吸收特征与施肥效应相关方面的研究，目前仍没有莲田土壤养分丰缺程度分级标准，但一般认为菜园土壤有效养分要高于大田作物土壤（章永松 等，1997；鲁剑巍，2006）。本试验在对广昌县子莲主产区开展产量和施肥现状调查的基础上（刘冬碧 等，2019），以莲田土壤为研究对象，采集代表性土壤样品，分析土壤中、微量元素养分含量，对莲田土壤中、微量元素养分进行评价，并采用地统计学方法对中、微量元素养分进行空间变异性特征分析，以期为广昌子莲生产中制定合理的分区优化施肥方案提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

广昌县位于江西省东南部，隶属于抚州市，地处北纬26°30′～26°59′、东经116°6′～116°34′ 之间，全县东西宽45 km，南北长55 km，土地总面积约1 612 km，其中耕地面积15 630 hm，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m。广昌县属亚热带季风气候区，雨量充沛，四季分明，年均降雨量1 750 mm，年均日照时数1 932 h，无霜期273 d。耕地土壤类型主要有水稻土、潮土、红壤3 种。主要粮食作物为水稻，经济作物为白莲，广昌县白莲种植面积超过7 530 hm，占全县耕地面积的50%左右。

1.2 土壤样品采集与项目测定及等级评价

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 个子莲主产乡镇，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 份，在前期对土壤属性和大量元素含量分析的基础上，进一步分析测定土壤中、微量元素养分的有效含量，包括交换性钙、交换性镁、有效硫、有效硼、有效锌、有效铜、有效铁、有效锰和有效钼。其中交换性钙、交换性镁含量采用醋酸铵浸提，原子吸收光谱（AAS）法测定；有效硫含量采用磷酸二氢钙-乙酸溶液浸提，硫酸钡比浊法测定；有效硼含量采用沸水浸提，姜黄素比色法测定；有效铁和有效锰含量采用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）浸提，AAS 法测定；有效锌和有效铜含量根据土壤pH 值呈酸性，采用0.1 mol·LHCl 浸提，AAS 法测定；有效钼含量采用草酸-草酸铵溶液浸提，极谱仪测定（鲍士旦 等，2005）。

借鉴我国其他地区菜园土壤养分分级标准和江西土壤养分分级标准（刘铮 等，1982；江西省土地利用管理局和江西省土壤普查办公室，1991；章永松 等，1997；鲁剑巍，2006），对广昌县莲田土壤中、微量元素养分进行等级评价。

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2007 软件对试验数据进行描述性统计分析，统计最小值、最大值、平均值、标准差、变异系数和偏移量，其中偏移量（）=（中值-平均值）/平均值 × 100%。

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，则可以计算出半变异函数。

利用ArcGIS 10.2 软件对基础数据进行处理，并运用其中的克里格插值（Kriging）、绘图及面积统计功能实现土壤中、微量元素含量空间变异分析。

2 结果与分析

2.1 土壤中、微量元素含量的描述性统计与评价

由表1 可知，土壤中量元素交换性钙和交换性镁含量分别为409～2 989 mg·kg和51.6～125.1 mg·kg，平均值分别为834 mg·kg和88.4 mg·kg；土壤有效硫含量为14.1～62.0 mg·kg，平均值为28.9 mg·kg；有效硼含量为0.07～0.50 mg·kg，平均值为0.19 mg·kg；有效锌和有效铜含量分别为2.58～16.65 mg·kg和2.11～12.87 mg·kg，平均值分别为6.42 mg·kg和5.02 mg·kg；有效铁和有效锰含量分别为209～708 mg·kg和22.1～123.0 mg·kg，平均值分别为529 mg·kg和71.5 mg·kg；有效钼含量为0.02～1.12 mg·kg，平均值为0.12 mg·kg。借鉴我国其他地区菜园土壤养分分级标准和江西土壤养分分级标准（刘铮 等，1982；江西省土地利用管理局和江西省土壤普查办公室，1991；章永松 等，1997；鲁剑巍，2006），综合提出广昌县莲田土壤中量元素4 级评价标准和微量元素5 级评价标准（表2）；根据这一标准，对各元素进行分级统计。结果表明（图1），广昌县莲田土壤中量元素的含量均较低，交换性钙含量从平均值来看虽处于中等（即适宜，下同）级别，但由于交换性钙含量不是正态分布，缺乏和极缺级别的占比达到60.0%，所以从整体看交换性钙含量处于缺乏级别；交换性镁含量普遍较低，处于缺乏（即施肥有效的临界值，下同）级别，与极缺级别共占比例达93.3%；有效硫含量也处于缺乏级别，与极缺级别共占比例达66.7%。微量元素中，有效硼和有效钼的含量也普遍较低，处于极缺到缺乏级别的比例分别达98.2%和86.7%，且主要处于极缺级别；有效锌、有效铜、有效铁和有效锰的含量总体上均较高，其中有效锌和有效铜的含量处于中等到较高级别的比例分别为39.3%和73.2%，处于过量级别的比例分别为60.7%和26.8%，且过量级别的有效锌和有效铜平均含量分别为中等级别含量的3.0 倍和2.6 倍；有效铁的含量100%处于过量级别，且其平均含量为中等级别最高值（10 mg·kg）的52.9 倍；有效锰的含量与有效铁类似，86.7%的样本含量处于过量级别，且其平均含量为中等级别最高值（15 mg·kg）的4.8 倍。由此可见，广昌县莲田土壤的交换性钙、交换性镁、有效硫和有效硼、有效钼的含量较低，在子莲施肥中应加以考虑；而有效锌、有效铜、有效铁和有效锰的含量较高，尤其是有效铁，过量级别的含量超出适宜值的50 倍以上，因此应注意是否有铁中毒的问题（柴娟娟 等，2012）。

图1 广昌县莲田土壤中、微量元素在不同级别所占比例

表1 广昌县莲田土壤中、微量元素含量

表2 广昌县莲田土壤中、微量元素临时分级标准 mg·kg-1

2.2 土壤中、微量元素含量的一般变异性分析

变异系数的大小反映总体内部各样本之间变异的程度。表1 表明，交换性镁含量和有效铁含量的变异较小，变异系数介于22%～26%之间；交换性钙含量、有效硫含量、有效硼含量、有效锌含量、有效铜含量和有效锰含量的变异系数较高，在42%～60%之间；土壤有效钼的含量较低，但其变异最大，变异系数高达158.0%。

偏移量（）指中值偏离平均值的百分数。当土壤养分服从正态分布时，中值等于平均值（=0）。有研究提出（白由路 等，2001），以=5%为分界线，大于5%为偏斜元素，小于5%为不偏斜元素。根据此标准，交换性钙、有效硫、有效锌、有效铜和有效钼为偏斜元素，且均为正偏斜；交换性镁、有效硼、有效铁和有效锰为不偏斜元素。偏移量与变异系数的相关分析表明，广昌县莲田土壤中、微量元素的变异系数与偏移量呈显著或极显著正相关（=0.837，=9），表明土壤养分间的变异是平均数发生偏移的主要原因，两者在表达土壤养分的变异程度上是基本一致的（陈防 等，2006）。

2.3 土壤中、微量元素半变异函数分析

利用GS+7.0 软件，对广昌县莲田土壤56 个样点的中、微量元素各指标进行半变异分析。结果显示（表3），各项指标的半变异模型拟合度（决定系数）均较低，表明在本试验条件下中、微量元素各样点之间不存在显著的空间相关性。虽然交换性镁和有效铁的变异系数和偏移量均较小，但其渐变性分布规律较差，在小范围内忽高忽低。各项指标的最大相关距离（变程）都在1 100 m 以上，表明它们在较大的范围内存在着一定的渐变性分布规律。

表3 广昌县莲田土壤中、微量元素的半变异拟合参数

块金值（）、偏基台值（）、基台值（+）分别表示空间变异中的随机变异、结构变异和系统总变异。根据区域化变量空间相关性程度的分级标准（Cambardella et al.，1994），/（+）小于25%时，变量具有密切的空间相关性；在25%～75%之间时，变量具有中等的空间相关性；大于75%时，变量的空间相关性很弱。交换性钙、交换性镁、有效硼、有效铜和有效铁等元素的块金值与基台值的比值（块金效应）介于7.26%～17.50%，表明其空间变异主要受结构性因素的影响，如成土母质、土壤类型等；有效锌和有效钼的块金效应均为50.00%，表明其空间变异同时受结构性因素和人为随机因素的共同影响；有效硫和有效锰的块金效应均为100.00%，表明其空间相关性很弱，而受施肥、灌溉等人为随机因素的影响较大。

2.4 土壤中、微量元素的空间分布特征

根据克里格插值法，对广昌县莲田土壤9 种中、微量元素含量进行空间插值分析，以揭示其空间分布特点。从图2 可见，土壤交换性钙的含量在广昌县头陂镇中部和盱江镇西侧较高，驿前镇和赤水镇东部较低；交换性镁的含量以头陂镇较高，驿前镇南部较低；有效硫的含量以甘竹镇东部和赤水镇南部较高，头陂镇中部和盱江镇西侧较低；有效硼的含量以驿前镇南部和长桥乡北部较高，头陂镇和盱江镇西侧较低；有效锌的含量以盱江镇东部较高，甘竹镇较低；有效铜的含量以头陂镇较高，甘竹镇较低；有效铁的含量以甘竹镇和驿前镇较高，赤水镇较低；有效锰的含量以甘竹镇和驿前镇较高，头陂镇较低；有效钼的含量区域性变化规律明显，以头陂镇、盱江镇和赤水镇西侧较高，其他区域较低。由此可见，在驿前镇子莲产区要重点关注土壤有效钙、镁的缺乏和有效铁、锰过量的问题，在头陂镇和盱江镇子莲产区，需重点关注土壤有效硫、硼的缺乏问题。

图2 广昌县莲田土壤中、微量元素的空间分布

3 讨论与结论

随着高产优质作物品种的普及，农业生产水平的不断提高，以及氮磷钾肥料用量的增加，土壤中、微量元素不平衡的问题日益严重，在不少区域已成为提高作物产量与改善品质的限制因素，因此对作物中微量元素营养特性、中微量元素肥料施用技术的研究，受到越来越多研究者的重视（黄鸿翔 等，2000；白由路 等，2004；张智 等，2016；林小兵 等，2020；余慧敏 等，2020；陆志峰 等，2021；张明来，2021）。张明来（2021）在福建酸化红壤上证实了对花椰菜施用钙镁型土壤调理剂，具有良好的土壤改良和增产提质效果。黄鸿翔等（2000）采集了江西、广西、广东、湖南和海南7 种不同类型的土壤共126 个样品，分析了土壤有效镁的含量，结果表明几种土壤类型供镁能力大小为：水稻土＞棕色石灰土＞暗泥质砖红壤＞泥质红壤＞麻硅质红壤＞硅质红壤＞红土质红壤；红壤旱地上作物施镁的效果，黄豆和花生最好（增产25%～40%），茶叶和烤烟次之（增产20%～25%），水稻增产幅度较小（增产6%左右）。陆志峰等（2021）研究表明，镁是我国长江流域及其以南的冬油菜种植中继氮、磷、钾、硼之后，第5 种需要通过施肥方式进行补充的必需营养元素。张智等（2016）研究发现，长江中游湖南、湖北、江西三省农田土壤微量元素含量以铁的差异最大，水田有效铁含量为旱地的2 倍以上，且高含量的铁（＞130 mg·kg）主要分布在江西省中部以南区域，有效锰、有效铜、有效锌的含量也是水田高于旱地，有效硼含量水田和旱地无明显差异，其低值区（＜0.2 mg·kg）主要分布在江西省南部和北部两端。余慧敏等（2020）研究了江西鄱阳湖平原区农田土壤微量元素空间分异特征及其影响因素，结果显示研究区域土壤硼和钼的含量总体较高，硼含量受耕层质地的影响最大，锰和钼的含量主要受pH 影响。林小兵等（2020）研究表明，江西省茶园土壤有效锌、有效铜、有效铁和有效锰均较丰富，但有效硼严重缺乏；土壤养分以赣中地区最高，其次是赣东北地区和赣西北地区，赣南地区最低。

以上对南方红壤区和江西省不同区域、不同利用方式下土壤中、微量元素的评价，与本试验结果是基本一致的。笔者最近的试验结果（未发表资料）表明，广昌县子莲施用镁肥和硼肥具有良好的增产效果，但其他中、微量元素肥料如钙肥、硫肥、钼肥等在子莲上的改土、增产、提质效应，还需要进行进一步验证。通过施用石灰，可以同时解决土壤降酸、消毒和补钙的问题（刘冬碧 等，2019）；硫的缺乏，可通过施用硫酸钾型复混肥进行解决；微量元素尤其是铁、锰的过量问题，需加强莲田水分管理、合理灌溉，冬季适度晒田，或者实行子莲与其他作物轮作换茬，改善土壤氧化还原状况，降低还原性物质尤其是亚铁的总量。此外，因地制宜地施用不同形式的有机肥，可调整莲田土壤综合肥力的同时，也可增强土壤的中、微量元素供应 能力。

综上所述，广昌县莲田土壤交换性钙、交换性镁和有效硫等中量元素的含量均较低，并以交换性镁的缺乏最突出；微量元素以有效硼和有效钼的含量较低，有效锌、有效铜、有效铁和有效锰的含量总体上较高，铁、锰过量的问题应引起重视。