高原夏菜种植基地土壤养分含量及分布特征

2023-07-05吴登宇陈宏福高丹丹徐红伟杨具田郭鹏辉

西南农业学报 2023年5期

韦体,潘峰,吴登宇,陈宏福,高丹丹,徐红伟,杨具田,郭鹏辉

(西北民族大学生命科学与工程学院,兰州 730030)

【研究意义】高原夏菜是利用西北内陆夏季日照充足、昼夜温差大等特点在高海拔地区生产的优质蔬菜。高原夏菜种植基地位于甘肃省榆中县,地处西北内陆,海拔高、气候温和,目前蔬菜种植基地极少采取休耕、绿肥种植及秸秆还田等技术提升土壤肥力,而是以施用外源商品肥为主,普遍存在肥料过量施用的问题[1]。长期过量施肥会导致土壤有机质积累和微生物群落结构及氮磷元素分解速率的改变,影响土壤中氮磷储量和能量循环,进而影响农作物的产量、质量及农业发展[2]。了解高原夏菜种植基地养分含量水平及养分分布情况,对高原夏菜科学化种植具有重要意义。【前人研究进展】土壤是植物赖以生存的基础,而土壤养分是影响土壤肥力与质量的重要因素,其为植物提供了氮、磷、钾等不可或缺的物质生长条件[3],因此,土壤养分因子是评价土壤肥力的重要指标。土壤肥力受多种因素综合影响,单一养分无法准确反映土壤肥力水平,鉴于此,有学者采用内梅罗综合指数法探讨土壤肥力,其能够简单有效评价土壤肥力[4]。黄先飞等[5]利用改进内梅罗综合指数法评价了剑河县水田及旱地的土壤肥力。但土壤具有高度的空间异质性,国内学者运用地统计和GIS技术相结合的方法对土壤养分的空间异质格局也进行了研究;曾迪等[6]对海南儋州农用地土壤速效磷和速效钾的空间变异进行分析;吕真真等[7]利用克里金插值法探讨了环渤海沿海区域土壤养分空间变异及分布格局。【本研究切入点】目前,将内梅罗综合指数法、地统计学、地理信息系统(GIS)技术等综合分析土壤养分空间变异的研究不断增多,但是将其应用于高原夏菜土壤养分评价的报道较少。【拟解决的关键问题】榆中县作为高原夏菜主产区,如何利用有限的土地面积提高高原夏菜产量是目前需要解决的主要问题之一。本研究通过调研采集榆中县高原夏菜种植基地土壤样品,对土壤碱解氮(AN)、全氮(TN)、速效磷(AP)、全磷(TP)、速效钾(AK)、全钾(TK)、有机质(OM)、电导率(EC)等指标进行测定,分析土壤养分空间分布特征,并综合评价土壤肥力状况,旨在为榆中县高原夏菜的土壤改良及科学种植提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

高原夏菜种植基地地处陇中黄土高原腹地,介于103°49′15″～104°34′20″ E,35°34′20″～36°26′30″ N,总面积3301.6 km2,海拔1432～3670 m。地势南高北低,中部呈“凹”状,山多川少,属于典型温带半干旱大陆性气候,冬季严寒、夏季炎热,气温年较差、日较差很大,降水集中,四季分明,多年平均降水量350 mm,全年无霜期159 d,年平均气温6.57 ℃,总日照时长1626.6 h。土壤类型为黄绵土、黑麻土、碳酸盐灰褐土,适合蔬菜生产[8-9]。

1.2 土壤样品采集与处理

以2019年9月完成甘蓝(BrassicaoleraceaL.var.capitataL.)、白菜(BrassicapekinensisRupr.)、马铃薯(SolanumtuberosumL.)、西蓝花(BrassicaoleraceaL. var.italicPlanch.)、芹菜(ApiumgraveolensL.)、花椰菜(BrassicaoleraceaL. var.botrytisL.)收割后的土地和闲置土地(荒地)为采样点,共设置105个样点(表1)。每个样点采用5点取样法,按根系的深度分成2层,分别是A(0～10 cm)和B(10～20 cm)。每层各取1 kg土壤,分别混匀后再用四分法取1 kg土壤装于自封袋中,运送至实验室,去除杂物、石块与植物根系后自然阴干,过直径为0.15 mm尼龙筛保存备用。

表1 样地基本特征

1.3 样品测定与分析

利用土壤肥料养分速测仪(OK-Q,郑州欧柯奇仪器制造有限公司)测定土壤样品中AN、TN、AP、TP、AK、TK、OM的含量。EC值采用农业环境测定仪(HL-2000,石家庄世亚科技有限公司)连接土壤盐分传感器测定。

1.4 土壤养分分级评价方法

采用改进的内梅罗综合指数法对高原夏菜种植基地7种蔬菜种植地进行土壤肥力综合评价[10-11]。

1.4.1 数据标准化计算当属性值属于差一级时,即Ci≤Xa时:Pi=Ci/Xa(Pi≤1)

(1)

当属性值属于中等一级时,即Xa

(2)

当属性值属于较好一级时,即Xc

(3)

当属性值属于好一级时,即Ci>Xp时:Pi=3

(4)

式中,Pi为分肥力指数;Ci为某属性测定值;Xa、Xc、Xp为各属性值的分级标准。土壤各属性因子分级标准主要参照全国第二次土壤普查分级标准[12]。

1.4.2 综合肥力指数计算改进内梅罗公式如下[13]:

式中,Ps为土壤综合肥力指数;Pi avg为土壤各属性分肥力指数的平均值;Pi min为各分肥力指数中最小值;n为参评因子数量。将土壤肥力水平分为很肥沃(Ps≥2.7)、肥沃(1.8≤Ps<2.7)、一般(0.9≤Ps<1.8)、贫瘠(Ps<0.9)。

1.5 数据处理

用Microsoft Excel 2010软件对试验数据进行处理;运用SPSS 22.0统计软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA),结合LSD法进行多重比(P<0.05),利用双变量相关分析法分析土壤各养分之间的Pearson相关系数;使用Origin 8.5软件制图;利用Arcgis 10.2 Kriging插值分析对高原夏菜种植基地养分分布情况进行描述。

2 结果与分析

2.1 高原夏菜种植基地土壤养分特征

由表2可知,土壤主要养分指标的变异系数在23%～185%。一般认为,变异系数<10%为弱强度变异,10%≤变异系数≤100%为中等强度变异,变异系数>100%为强度变异[14]。土壤AN、TN、TP、TK、EC和OM的变异系数介于10%～100%,属于中等强度变异,AP、AK的变异系数大于100%,属于强度变异。表明在不考虑空间位置,只从养分的随机性考虑,各养分指标的空间分布总体上比较分散,养分水平差异较大。

表2 高原夏菜种植基地养分特征统计

2.2 土壤各养分间相关关系

土壤各养分间Pearson相关分析结果(表3)表明,AN与TP呈极显著负相关(P<0.01,下同);AP、TP与EC呈极显著负相关;TP与TK、OM呈极显著负相关;OM与EC呈极显著负相关。TN与OM呈显著负相关(P<0.05,下同),与EC呈显著正相关;AK与OM呈显著负相关;TK与EC呈显著负相关,而其他养分之间虽具有一定的相关性,但差异不显著。由此可见,高原夏菜种植基地下的大部分土壤养分之间存在相互影响与协同作用,从而促进了土壤肥力的演变。

表3 土壤养分间Pearson相关性系数矩阵

2.3 高原夏菜种植基地土壤养分的基本状况

大部分的蔬菜种植下土壤AN、TN、AP、TP、AK、TK和OM含量与土壤深度间具有显著差异且不呈现规律性(表4)。在同一土壤深度中,不同蔬菜种植地的土壤养分之间存在显著差异。其中AN含量最高的是马铃薯种植地(207.70 mg/kg),含量最低的是花椰菜(12.67 mg/kg);TN含量最高的是芹菜种植地(1.62%),含量最低的是马铃薯种植地(0.70%);AP含量最高的是甘蓝种植地(632.53 mg/kg), 含量最低的是马铃薯种植地(3.42 mg/kg);TP含量最高的是花椰菜种植地(1.36%),含量最低的是芹菜种植地(0.66%);AK含量最高的是甘蓝种植地(65.82 mg/kg),含量最低的是花椰菜种植地(1.84 mg/kg);TK含量最高的是白菜种植地(3.22%),含量最低的是芹菜种植地(0.55%);OM含量最高的是花椰菜种植地(35.63%),含量最低的是芹菜种植地(13.02%)。以钾元素为例,在0～10与10～20 cm的土壤深度中,不同蔬菜种植地类型的AK、TK含量呈显著差异,除甘蓝种植地和未利用地外,其余各组AK含量较低,属于缺乏状态。在不同蔬菜种植地的电导率值差异显著,西蓝花种植地土壤(10～20 cm)EC值最大(1.11 mS/cm),花椰菜与甘蓝种植地土壤(0～10 cm)EC值最小(0.43 mS/cm),其中花椰菜、甘蓝、白菜、芹菜、西蓝花、荒地等种植地的土壤电导率随土壤深度增加而增大。

表4 不同蔬菜种地土壤养分的空间分布特征

2.4 变异函数分析

若C0/(C0+C)比值<25%,表示系统空间相关性较强;若其比值>75%,表示系统空间相关性弱;若其比值在25%～75%,表示系统空间相关性为中等[2]。

AN、EC块金效应小于25%,表明空间相关性较强;TN、AP、TP、AK、OM块金效应大于75%,表明空间相关性较弱;TK块金效应在25%～75%,表明TK系统空间相关性为中等。AN、TP、TK、EC的最优模型为线性模型,变程均为0.04 km,表明空间自相关性较好;TN、AP的最优指模型为球形模型,变程分别为0.14、0.02 km,表明空间自相关性较差;AK和OM的最优指数模型为高斯模型,变程分别为0.03、0.08 km,表明空间自相关性较差(表5)。

表5 土壤养分指标半方差函数模型及参数

2.5 高原夏菜种植基地养分含量Kriging插值分析

整体来看,AN分布格局涉及6个等级水平,中部马铃薯种植地含量较高,北部、南部含量较低,以第4级(144.05～144.35 mg/kg)分布最为广泛,呈半环状分布,TN分布为中部和北部形成2个含量较高的峰,第三级含量(1.18%～1.23%)所占面积更大,TN分布格局与AN分布格局在中部呈现出对应关系(图1～2)。中部AP含量存在峰值,且明显大于其他地区,AP含量第2级(44～79 mg/kg)所占面积最大,而TP分布情况与AP含量相反,呈现出中部低,两边高的分布情况(图3～4)。AK分布情况为北高南低,呈环带状分布,TK在中部、南部含量较高,但覆盖面积较小,北部大面积土地TK含量较低(图5～6)。中、北部地区EC值普遍偏大,且分布较为集中,以中部西蓝花种植地为圆心向外扩散,南部EC值较小,主要集中在0.57～0.67 mS/cm(图7)。OM值分布规律为中部地区较低,由中部向南、北方含量逐渐增加,高原夏菜种植基地有机质含量主要分布区间为15%～24%(图8)。

图1 碱解氮含量分布

图2 全氮含量分布

图3 速效磷含量分布

图4 全磷含量分布

图5 速效钾含量分布

图6 全钾含量分布

图7 电导率值分布

图8 有机质含量分布

对土壤养分各指标含量进行Kriging交叉验证,结果(表6)表明,除AP外,其余养分MAE值都较接近于0,说明接近无偏估计。除TN外,其他土壤养分RMSSE在0.90～1.10间浮动,说明模型的拟合度较高。预测误差的均值等3项检验参数指标综合反映预测表面的精度,表明模型可准确估计AN、TP、AK、TK、EC和OM的空间变异,适用性较强。因此,土壤AN、TP、AK、TK、EC和OM的 Kriging 插值结果较为可靠。

表6 土壤空间制图交叉验证

2.6 土壤肥力及养分含量水平评价

高原夏菜种植基地上7种蔬菜种植地土壤肥力均为一般(0.9

表7 不同蔬菜种植地土壤肥力指数评价

表8 不同养分含量水平评价统计

3 讨论

研究结果显示,高原夏菜种植地土壤AP、AK变异系数分别为104%、185%,为强度变异,其最佳变程约为0.02、0.03 km;其他土壤养分变异系数为23%～55%,为中等变异,其最佳变程范围为0.04～0.14 km,表明高原夏菜种植地的区域结构与随机因素是影响其土壤养分空间变异的主要因素[15-19]。其中,AP、AK的空间变异程度较大,其原因可能与农户在耕作中长期大量使用化肥,同时高原夏菜种植地的管理措施、区域地形地貌、作物产量的高低等均会影响土壤养分含量。研究显示,农业施肥与土壤表层养分的空间变异存在密切联系,在施肥过程中直接影响土壤养分的空间变异性,施肥一段时间后,养分被农作物吸收或转化后,土壤养分空间变异性具有一定的稳定性[20]。本研究结果表明,TN、AN、AP、TK、EC和OM等土壤养分含量主要集中在中部,分布较为均匀,其他养分分布较为分散,这可能与地形特点及施肥不均衡存在密切联系。榆中县中部地区地势较为平缓,人为活动较为密切,施肥灌溉也较为频繁,因而土壤养分含量也较为集中。除TK、AK外,其他土壤养分含量均达到肥沃水平。由此可见,高原夏菜种植基地养分含量特征为磷元素丰富、钾元素缺失,造成钾含量缺乏的原因可能与以下两方面因素有关,一是高原夏菜种植主要以浇灌补水为主,土壤钾素淋溶作用强烈,淋失量较大导致土壤钾素总体水平较低;二是高原夏菜种植地农户在施肥时普遍存在“重氮轻钾”的现象,导致钾肥施用量偏低。

研究发现,作物对磷肥的当季回收利用率很低,一般只有10%～25%,加上作物的后效,累积利用率一般也不超过25%[21]。本研究中高原夏菜种植基地速效磷含量最高达632.53 mg/kg,严重超出国家标准(>40 mg/kg),其原因是该区域在长期施肥过程中,针对土壤肥力评价的方式较为单一,往往只通过速效磷含量代替土壤总体养分水平。休耕不仅可以提高黄土高原土壤有机质含量等肥力指标,还可以影响土壤细菌群落的种类和功能,合理的休耕也可以促进农田土壤生态系统的健康与稳定[22-23],将农作物与苜蓿、豆科轮作,土壤氮素、钾素、有机质含量会有一定的上升,磷素含量会随之降低,轮作、混播种植模式可有效提高农田的土壤质量[24-27]。因此,基于高原夏菜种植基地土壤养分“丰磷缺钾”的典型特性,可尝试将高原夏菜与紫花苜蓿、大豆等豆科植物轮作,以调节土壤养分,保持土壤的健康合理利用。同时,为快速降低局部土壤的速效磷含量,在实际种植过程中,需要适当减少磷肥的施用量,来降低AP含量,同时应坚持施用农家肥、合理轮作、提倡秸秆回田、改良土质等管理措施,促进提高高原夏菜种植基地土壤的健康稳定发展[28-29]。