勐海县甘蔗土壤养分空间分布特征及肥力评价①
2022-05-09周一帆杨林生彭国政李加群
孟 博，周一帆，杨林生，彭国政，李加群，邓 燕*
勐海县甘蔗土壤养分空间分布特征及肥力评价①
孟 博1，周一帆1，杨林生1，彭国政2，李加群3，邓 燕1*
(1 西南大学资源环境学院/长江经济带农业绿色发展研究中心，重庆 400716；2 云南农业大学资源与环境学院，昆明 650201；3 勐海县农业技术推广中心，云南勐海 666200)
对勐海县10个甘蔗生产乡镇进行土壤调研取样，共采集0 ～ 20 cm土层样品200份，测定了土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙和交换性镁含量，运用ArcGIS 的Kriging插值法分析了蔗区土壤肥力现状与空间分布特征，并采用改进后的Nemerow综合指数法评价了土壤的肥力等级。结果表明：勐海县蔗区土壤主要为酸性(pH 4.5 ～ 5.5)土壤，占比高达73.5%，pH<4.5的强酸性土壤占比9.5%；有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙和交换性镁含量总体较高，中等及以上等级占比分别为88.5%、83.5%、71.0%、91.5%、73.5%、85.0%。从空间分布特征看，勐海县南部土壤pH较高，有机质和速效氮磷钾含量偏低的区域主要在西部和南部部分乡镇，交换性钙镁含量则在西北部和中东部部分区域偏低。蔗区土壤肥力综合指数为1.52，土壤肥力等级为Ⅱ级，即中等偏上肥力水平。总之，勐海县蔗区土壤普遍呈酸性，大部分土壤肥力水平整体较高，只有个别地区部分养分含量较低，养分条件总体上适合甘蔗的生长。
甘蔗；土壤养分；GIS；土壤肥力评价
勐海县位于我国西南边陲，属于热带、亚热带季风气候，全年日照充足，降雨充沛，光热水资源十分丰富，适合甘蔗生长。勐海县2019年甘蔗种植面积为1.35 万hm2，产量为104.16万t[1]，是云南省主要的产蔗及产糖县之一[2]。在有限的土地面积上，如何提高甘蔗单产是勐海县发展蔗糖业面临的主要问题之一[3]。土壤是甘蔗生存和生长的物质基础，而土壤肥力是土壤物理、化学、生物属性的综合体现。评价土壤肥力重要指标之一是土壤养分，其含量高低关系着甘蔗的生长发育以及甘蔗的品质与产量。研究表明，了解甘蔗种植区的土壤养分丰缺状况，对甘蔗高产高糖的施肥指导具有重要的现实意义[4]。由于气候、地形、成土母质、栽培管理措施的差异，各蔗区的土壤养分问题不尽相同。如云南省耿马县蔗区土壤主要缺乏磷和钾[5]，云南省新平县蔗区土壤主要缺乏有机质、氮和钾[6]，广西桂南蔗区土壤肥力总体水平不高、有机质偏低[7]。除了分析土壤养分含量丰缺状况，许多学者将GIS 和地统计学方法相结合，系统揭示特定区域土壤养分的空间分布特征，为制定精准的土壤和施肥管理对策提供了更可靠的依据。如，王秀华等[8]采用地统计学的 Kriging 插值法对西双版纳州的耕地土壤养分时空变化进行了研究，以此对全州的农业生产管理进行指导。勐海县作为云南省甘蔗主产区之一，当前甘蔗土壤养分限制因子还未明确，无法针对性指导科学施肥以增加甘蔗产量。因此，本研究通过调研广泛采集勐海县甘蔗种植区土壤样品，对主要养分指标进行测定，分析土壤养分空间分布特征，并综合评价土壤肥力状况，以为勐海县蔗区土壤改良及精准施肥提供参考。
1 材料与方法
1.1 土样采集与处理
本次调研于2020年10月开展，调研区域包括勐海县西定乡、勐阿镇、勐遮镇、勐满镇、勐往乡、勐海镇、勐宋乡、勐混镇、格朗和乡和布朗山乡10个主要甘蔗种植乡镇。其中，甘蔗种植面积最大的是西定乡，其次为勐遮镇、勐阿镇、勐满镇等乡镇。调研取样点如图1所示，本次共采集土壤样品200 份。采样时，利用GPS定位，每个调研地块采集0 ～ 20 cm土层的土壤样品，避开施肥位置按照“S”型路线随机选择5点取样，样品混合后，用四分法取1 kg左右的样品代表该地块土壤。所有样品做好取样标签，带回实验室。土样放在阴凉通风的样品室风干，去掉植物根系、小矿石等杂质，用橡胶锤粉碎后过2 mm筛、瓷研钵磨碎后过0.15 mm筛，分别用于不同土壤指标测定。
(该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2017)1267 号的标准地图制作，底图无修改；下同)
1.2 测定项目与方法
依据鲍士旦[9]主编的《土壤农化分析》对土壤样品进行检测。测试项目及方法如下：土壤pH(土水质量比1︰2.5)采用电位计法测定；有机质含量采用重铬酸钾容量法(外加热法)测定；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；有效磷含量采用氟化铵–盐酸浸提，紫外分光光度法测定；速效钾含量测定采用乙酸铵提取，火焰光度法测定；交换性钙和交换性镁含量采用乙酸铵浸提，原子吸收光谱法测定。
1.3 土壤养分等级分析
土壤pH分级及土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙和交换性镁含量分级标准参照曾艳等[10]介绍的甘蔗土壤养分分级标准，详见表1、表2。
1.4 土壤养分空间分析
地理信息系统(geographical information system，GIS)是以地理空间数据库为基础，借助计算机功能进行分析、模拟以及显示空间相关数据的一种时空信息系统。系统通过运用地理模型处理功能可为揭示土壤养分空间分布特征提供理论依据[11]。Kriging 插值法是利用原始数据和半方差函数的结构特点，对未知采样点区域进行最优、无偏估计的一种方法[12]。本研究采用 ArcGIS 提供的 Ordinary Kriging 方法，对研究区土壤7项指标作空间插值分析，得出其空间分布。
表1 土壤pH分级标准
表2 土壤养分分级标准
1.5 土壤肥力综合评价
与单因素评价相比，土壤综合肥力评价更能真实反映土壤质量。本研究选取测定的7个指标对勐海县蔗区土壤进行综合肥力评价，采用修正的Nemerow综合指数法计算土壤肥力综合指数[13]。
土壤肥力指标高低评价标准，一是根据评价目的参考相关标准，选定适宜的指标体系，确定相应的各指标标准值(S)；二是根据表3和表4建议作为评价标准值(S)或单项肥力指数(P)。本研究采用改进后的Nemerow法，进行单项及综合肥力指数计算。
单项肥力指数：
P=C/S(1)
式中：P为土壤中指标的单项肥力指数，P越高表明该指标越丰富，肥力越高；C为土壤中指标的实测数据；S为土壤中指标的评价标准值(本研究标准值参照表3和表4)。
土壤肥力综合指数：
=(2)
本研究通过计算土壤肥力综合指数，并采用表5[10]中建议对研究区土壤综合肥力进行划分。
表3 土壤肥力评价指标参考标准值
表4 土壤pH单项肥力指数
1.6 数据处理与统计分析
采用 Excel 2016、SPSS 21.0软件对数据进行整理、分析。
表5 土壤综合肥力等级划分[10]
2 结果与分析
2.1 土壤pH、有机质及养分现状
从表6可知，研究区所有土样均表现为偏酸性，其中酸性(pH 4.5 ～ 5.5)土壤占比高达73.5%，且有9.5% 属于pH<4.5的强酸性土壤。土壤有机质含量处于高等级土样比例最大，达31.0%，极高等级土样占28.0%，研究区土壤有机质含量总体处于较高水平(表7)。土壤碱解氮含量处于高和极高水平的土样比例约占60%，总体较丰富。土壤平均有效磷含量处于较高水平，处于高和极高等级的土样占比42.0%，但有29.0% 的土样有效磷缺乏。土壤速效钾的含量处于高和极高等级的土样比例高达78.0%，总体处于丰富水平。土壤交换性钙和镁含量总体处于较高水平，分别有73.5% 和85.0% 的土样处于中等及以上等级。有效磷、速效钾和交换性钙镁含量的变异范围均较大，其中速效钾的变异性最大。
2.2 土壤pH、有机质与有效养分的相关性
从表8 可知，调研土壤pH与速效钾(= 0.282**)、交换性钙(=0.593**)和交换性镁(=0.566**)含量均呈极显著的正相关关系，与土壤有机质(= –0.184**)和碱解氮(= –0.270**)含量呈极显著的负相关关系；土壤有机质与碱解氮(=0.458**)和有效磷(=0.220**)含量极显著正相关，而与交换性镁(= –0.14**)含量极显著负相关。
2.3 土壤pH、有机质及养分空间分布特征
2.3.1 土壤pH及有机质 从图2可知，勐海县蔗区土壤除南部和北部小部分土壤表现为弱酸性，其余乡镇大多表现为酸性，没有碱性土壤。10个乡镇中布朗山乡的pH平均值最高，为5.59，酸性土壤占比为60.0%；勐遮镇的pH平均值最低，为4.90，酸性土壤占比高达75.0%，强酸性土壤占比为20.0%。
表6 勐海县蔗区土壤pH状况
表7 勐海县蔗区土壤养分状况
表8 勐海县蔗区土壤养分相关性
注：** 表示在<0.01 水平(双侧)上显著相关。
勐海县中东部蔗区土壤有机质含量总体处于丰富水平，北部及西部部分乡镇土壤有机质含量多为中等水平，而在西南部有机质含量则较低(图2)。10个乡镇中格朗和乡有机质含量平均值最高，为42.97 g/kg，其中极高和高等级土壤占比为80.0%；勐满镇的有机质含量平均值最低，为26.00 g/kg，其中低等级土壤占比为35.0%。
2.3.2 土壤碱解氮、有效磷及速效钾 勐海县蔗区土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量空间分布特征如图3所示。中部和北部蔗区土壤碱解氮含量大多处于丰富水平，南部多处于中低或极低水平。10个乡镇中勐遮镇的碱解氮含量平均值最高，为135.27 mg/kg，其中极高和高等级共占比为85.0%；勐混镇的碱解氮含量平均值最低，为49.73 mg/kg，其中低和极低等级占比为80.0%。
勐海县蔗区土壤有效磷含量呈东西部偏低、中部及南北部较高的分布趋势。10个乡镇中勐阿镇有效磷含量平均值最高，为38.24 mg/kg，其中极高和高等级土壤共占比为75.0%；勐宋乡有效磷含量平均值最低，为10.76 mg/kg，其中低和极低等级土壤占比为50.0%。
图2 勐海县蔗区土壤pH和有机质含量空间分布特征
图3 勐海县蔗区土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量空间分布特征
勐海县蔗区土壤速效钾含量总体处于较丰富水平，较缺乏的区域集中在东南部和西北部部分乡镇。10个乡镇中勐遮镇速效钾含量平均值最高，为405.05 mg/kg，其中极高和高等级土壤共占比为85.0%；勐满镇速效钾含量平均值最低，为97.20 mg/kg，其中低和极低等级土壤占比为30.0%。
2.3.3 土壤交换性钙及交换性镁 勐海县蔗区土壤交换性钙镁含量空间分布特征见图4。大部分乡镇土壤交换性钙含量丰富，仅在东部和西北部少数地区表现为中低水平。10个乡镇中勐往乡交换性钙含量平均值最高，为2 108.00 mg/kg，其中高等级土壤共占比为75.0%；格朗和乡交换性钙含量平均值最低，为612.00 mg/kg，其中低和极低等级土壤占比为50.0%。
图4 勐海县蔗区土壤交换性钙和交换性镁含量空间分布特征
同样，勐海县蔗区土壤交换性镁含量总体丰富，仅在西北部和中部少部分地区表现为中等偏低水平。10个乡镇中勐往乡交换性镁含量平均值最高，为500.40 mg/kg，其中高等级土壤占比为80.0%；勐海镇交换性镁含量平均值最低，为89.04 mg/kg，其中低和极低等级土壤占比为35.0%。
2.4 土壤综合肥力评价
从表9可知，勐海县蔗区土壤碱解氮的单项肥力指数最低，为1.00，有效磷的单项肥力指数最高，为2.95，土壤综合肥力指数为1.52，肥力等级为Ⅱ级，处于中等偏高肥力水平。单项肥力指数排序依次为：碱解氮
3 讨论
此次调研结果表明，勐海县蔗区酸性(pH 4.5 ～ 5.5)土壤占比高达73.5%，且有近10% 属于pH<4.5的强酸性土壤。土壤酸碱性是土壤理化性状的基础，对土壤肥力、养分循环、微生物活性以及甘蔗的生长发育均有明显影响[14]。甘蔗最适宜生长的土壤pH范围是6.1 ～ 7.7[15]，土壤过酸会导致土壤阳离子交换量和盐基饱和度降低、土壤矿物质营养元素缺乏等现象，从而影响甘蔗的产量及品质[16-17]。本次调研发现，土壤pH与速效钾和交换性钙镁含量均呈极显著的正相关关系，表明较高的pH有利于钾钙镁养分的供应。导致土壤呈现酸性的原因很多，而土壤自然酸化的过程比较缓慢，因此人为活动的增加是造成土壤酸化加剧的主要因素[18]。研究表明，农田土壤酸化加剧主要是因为大量化学肥料尤其是尿素和铵态氮肥的不合理施用[14]。本次调研中土壤pH与碱解氮含量之间呈极显著的负相关关系，也可以表明偏施氮肥对土壤pH的影响。古慧娟等[19]研究表明，缓/控释肥料可以在作物不减产的基础上明显提高肥料利用率，从而减少氮的输入，减轻土壤酸化作用。大量研究表明，蔗叶还田不仅可以提高蔗田土壤pH，还可以增有机质和速效氮磷钾含量，培肥地力，促进甘蔗生长[20]。庞孜钦等[21]研究表明，在酸化程度较高的土壤上施入适量石灰可以直接减轻土壤酸化，提高土壤养分有效性，还可以增加微生物物种丰富度，抑制土壤中致病微生物功能。勐海蔗区针对土壤普遍酸化的问题，应综合采用多种措施改良酸性土壤，尤其是酸化比较严重的西南部区域应重视。
表9 勐海县蔗区土壤肥力检测与结构分析
郭家文等[16,22]2005—2008年对云南甘蔗主产区土壤养分的研究表明，云南蔗区土壤有机质、碱解氮、速效磷含量处于中等偏低水平，速效钾含量处于中等偏高水平。王秀华等[8]对西双版纳州1983年和2013年的耕地土壤养分进行时空变化分析，结果表明西双版纳州耕地土壤肥力处于中等偏上水平，碱解氮和速效磷含量呈明显上升趋势。本次调研发现，勐海县蔗区土壤肥力总体较高，与前人研究相比，主要养分水平有所上升。土壤有机质含量的上升可能与当地推广酒精废液施用、蔗叶还田等措施有关。本研究中，土壤有机质与碱解氮和有效磷含量极显著正相关，表明土壤有机质含量增加有助于提高土壤氮磷供应水平，需要继续推广提升土壤有机质的措施。除了有机质水平升高的影响，土壤氮磷钾速效养分含量上升主要与甘蔗生产中氮磷钾肥的大量施用有关[2]。氮磷钾肥合理施用可以增产增糖，但过量施用增加了种植成本，也加大了环境污染风险，最好结合基础地力进行合理施肥。从养分空间分布特征可知，勐海县西部和南部部分区域土壤速效氮磷钾含量偏低，尤其是有效磷缺乏的比例近30%。总体来说，勐海县蔗区应根据当前土壤氮磷钾养分含量水平，针对性制定进一步提升或维持养分水平的施肥推荐策略，并且基于“4R”的施肥原则从施肥量、施肥时期、肥料形态和施肥位置这4方面探索氮磷钾肥高效利用的途径。虽然勐海县蔗区土壤交换性钙镁含量总体较丰富，但在西北和中东部区域有部分乡镇存在含量较低的情况，主要是勐满镇、勐海镇和格朗和乡，这些区域需因地制宜，推广钙镁肥与氮磷钾大量元素肥料配合施用，争取更好的经济效益与生态效益[23]。
本研究主要对勐海县蔗区土壤pH、有机质及大量营养元素现状进行了调研分析，未对土壤物理、生物学性状及微量元素含量做更多探讨，今后需要进一步开展工作，以更加全面了解勐海蔗区土壤肥力状况。
4 结论
勐海县蔗区土壤以酸性为主，土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙和交换性镁含量均处于较高水平，土壤肥力总体较高，大部分种植区域比较适合甘蔗生长。建议勐海县蔗区重视土壤酸化的治理，合理施用氮磷钾肥料，做好蔗叶还田和酒精废液合理施用，继续提高土壤肥力。
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Nutrient Spatial Distribution and Fertility Evaluation of Sugarcane Soils in Menghai County
MENG Bo1, ZHOU Yifan1, YANG Linsheng1, PENG Guozheng2, LI Jiaqun3, DENG Yan1*
(1 College of Resources and Environment, Southwest University, Interdisciplinary Research Center for Agriculture Green Development in Yangtze River Basin, Chongqing 400716, China; 2 College of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 3 Menghai County Agricultural Technology Extension Center, Menghai, Yunnan 666200, China)
The field survey was conducted in 10 sugarcane-growing towns in Menghai County, and a total of 200 soil samples were collected from the 0–20 cm layer to determine soil pH, organic matter (OM), alkali-hydrolyzable nitrogen (AN), available phosphorus (AP) and potassium (AK), exchangeable calcium (Ca2+) and magnesium (Mg2+). ArcGIS Kriging interpolation method was used to study the spatial distributions of soil fertility indicators, and improved Nemerow comprehensive index method was applied to evaluate soil comprehensive fertility. The results showed that soil is serious acid, 73.5% and 9.5% of soil samples was in pH 4.5–5.5 and pH<4.5. OM, AN, AP, AK, Ca2+and Mg2+were generally high, with the proportions of the medium and high grades of 88.5%, 83.5%, 71.0%, 91.5%, 73.5%, and 85.0%, respectively. pH was higher in the south, while low levels of OM, AN, AP, AK mainly occurred in the west and south, and low levels of Ca2+and Mg2+were mostly in the northwest and middle-east. The comprehensive soil fertility index was meanly 1.52, belonged to the grade II (middle to high fertility level). In conclusion, soils in sugarcane area of Menghai are mainly acid and the fertility is high in most regions, suitable for sugarcane-growing.
Sugarcane; Soil nutrients; GIS; Soil fertility evaluation
S158
A
10.13758/j.cnki.tr.2022.02.009
孟博, 周一帆, 杨林生, 等. 勐海县甘蔗土壤养分空间分布特征及肥力评价. 土壤, 2022, 54(2): 277–284.
财政部和农业农村部：国家现代农业产业技术体系项目(CARS-170210)资助。
(dyan0907@swu.edu.cn)
孟博(1997—)，男，河南省驻马店人，硕士研究生，研究方向为作物养分管理。E-mail：mengbo7@email.swu.edu.cn
