云南典型果蔬种植区土壤养分分布特征及影响因子分析
2023-12-22泽尔拉都邸雪嫣张乃明苏友波蒋明张继来陈文华马珣胡承磊
泽尔拉都 邸雪嫣 张乃明 苏友波 蒋明 张继来 陈文华 马珣 胡承磊
摘要：为了解云南典型果蔬种植区土壤养分状况，为果蔬种植区土壤施肥管控及促进农业生态环境保护提供一定的科学依据，使用地统计学方法对云南省大理州宾川县主要葡萄园以及祥云县主要蔬菜地土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾等土壤养分的分布及影响因子进行分析与探究。结果表明，2个研究区土壤养分均为中等变异，葡萄园变异系数由大到小为速效钾（57.52%）、有机质（49.82%）、速效磷（46.08%）、碱解氮（39.03%），蔬菜地变异系数由大到小为速效磷（38.3%）、速效钾（38.15%）、碱解氮（21.8%）、有机质（19.6%），其中蔬菜地有机质变异系数最低。根据单样本K-S检验，得出2个研究区4种土壤养分双侧渐进显著性值大于0.05，均服从正态分布；根据反距离权重方法插值绘制的土壤质量综合评价图分析，葡萄园SQI在0.36～0.96之间，蔬菜地SQI在0.74～1.00之间，2个研究区均存在土壤养分过剩现象；冗余分析（RDA）方法表明，2个研究区4种土壤养分含量与海拔、土壤pH值相关性均较强，但相关程度存在差异；运用相关分析确定土壤养分含量之间的相关关系，2个研究区4种养分含量之间均呈显著正相关，且有机质含量是氮、磷、钾元素积累的主要影响因子。综上所述，云南典型果蔬区土壤整体养分含量均处于较丰富的状态，且部分地区已存在养分过剩现象。在施肥过程中，应做到精准施肥，达到提高肥料利用率、减少肥料损耗以及对环境污染的目的。
关键词：地统计学；土壤养分；土壤有机质；果蔬种植区；大理
中图分类号：S158.3文献标志码：A
文章编号：1002-1302（2023）21-0232-07
土壤是人类生活之本，与人们的生产生活休戚相关［1］，是保障国家粮食安全与生态环境安全的重要物质基础。另外，土壤是植株养分的主要来源之一，其养分状况直接影响到植株的生长和发育，土壤有机质、氮、磷、钾等主要土壤参数的空间异质性对植株的分布和空间格局具有重要影响［2］。随着现代农业经济的快速发展，许多地区土壤有机质含量与其他土壤养分含量也都发生了明显变化［3-6］。土壤养分研究片面化且施肥管控方面研究相对落后，成为影响现代农业经济可持续发展的重要问题。云南省一直都是我国的农业大省，同时也是最重要的经济作物种植区域，因其自然水文条件复杂多样且各相邻地区差异明显，导致土地养分变异特征可能存在较大误差，因此对云南土壤养分状况进行了解是非常有必要的。近年来很多学者对云南省不同地区土壤养分分布情况进行了研究，王秀华等对云南省西双版纳州2县1市耕地土壤养分状况及时空变化情况进行了分析，研究结果发现西双版纳耕地土壤有机质含量中等偏上，整体上土壤肥力也处于中等偏上水平［7］；郝连奇等对云南勐海县主要古茶园土壤养分状况进行分析发现，整体上茶园土壤有机质和碱解氮含量较丰富，而速效磷和速效钾较缺乏［8］；李有芳等对云南玉溪柑橘园土壤养分状况差异与分布规律进行了研究，发现4个柑橘生态区存在土壤有机质含量极低，碱解氮含量缺乏，速效钾含量过量等现象［9］；马关润等對云南咖啡种植区土壤养分状况及影响咖啡品质的主要因素研究发现，云南主要咖啡产区的土壤综合肥力处于中等水平，但总体上适宜咖啡生长［10］。土壤结构具有自然复杂性，受多种自然因素和人为因素的共同影响［11］。即使在同一种土壤类型内，同一时间、不同区域土壤养分也会存在明显的差异和多样性［12］，为此，对特定区域土壤养分状况调查研究具有重要的指导意义与不可替代性。
大理白族自治州宾川县和祥云县作为云南省典型的2个果蔬种植区，其主要的经济作物为水果和蔬菜，其中水果以葡萄最为著名，近年来由于大量化肥农药的滥用，以及农户缺乏对果蔬区土壤养分状况的了解，导致该区域内存在化肥利用率低、耕地污染等问题，所造成的资源浪费和环境污染风险不容忽视［13］。因此，通过开展云南果蔬区土壤质量调查与综合评价研究，明确土壤养分的分布状况及规律，将对保护耕地和提升土壤质量起到至关重要的作用［14-15］。
本研究以宾川县主要葡萄园和祥云县主要蔬菜地为例，利用现代地统计学原理，选择样品测定土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量并对其进行探究。结合当地主栽作物，解析当地4种土壤养分空间变异规律，探明该区域内土壤养分分布情况及影响因素，分析土壤质量并作出评价，以期能为当地提高肥料利用率、合理管控土壤养分提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
宾川县（25°23′～34°44′ N，100°16′～100°59′ E）位于云南省西部、金沙江南岸干热河谷地区。年平均气温17.9 ℃，年均日照时数2 719.4 h，年均降水量559.4 mm，为省内最少。年均风速1.8 m/s，气候极其适宜农作物生长。境内独特的气候和地理位置，是全国闻名的水果之乡。目前，水果产业已经基本成为宾川农业的一项支柱产业，截至2021年，全县水果总产值达70.58亿元，占该县农业总产值的68.52%，其中以葡萄种植为主，占农业总产值的41.86%。
祥云县（25°12′～25°52′ N，100°25′～101°02′ E）位于云南省中部偏西。四季变化不明显，常年月平均气温仅14.7 ℃，冬春两季恒温，夏秋多雨，干湿季分明；年降水量较少，年均降水量810.8 mm，气候垂直分布明显，水平分布复杂。祥云县蔬菜大棚种植面积达10万余亩（1亩=667 m2），综合预计产值达5亿元，蔬菜种植业已成为推动当地农民经济增收富民的四大骨干产业之一。
1.2 样品采集与分析
土壤样点数据来源于2020年野外采样，在宾川县主要葡萄产区与祥云县主要蔬菜产区选取具有代表性的地方进行采样。采集表层0～20 cm部位土壤样点葡萄园54个、蔬菜地57个，共计111个。每个采样点详细记录其经纬度坐标、高程、作物类型等信息，用ArcGIS 10.0绘制样品采集示意图（图1）。土壤经自然风干后进行研磨，分别过0.149、1、2 mm尼龙筛备用。
土壤测定项目：pH值、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量。pH值：蒸馏水浸提－电位法（水土比为2.5 ∶1）；有机质含量：重铬酸钾氧化容量法（NY/T 1121.6—2006）；碱解氮含量：碱解扩散法（DB51/T 1875—2014）；速效磷含量：NaHCO3法（NY/T 1121.7—2014）；速效钾含量：乙酸铵浸提，火焰分光光度法［16］。
1.3 土壤质量评价方法
本研究选取宾川县与祥云县2个主要果蔬区土壤pH值、有机质、碱解氮、速效磷及速效钾含量等5项土壤养分指标，采用隶属度函数来进行土壤质量评价，其中，有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量均属于S型函数，pH值属于抛物线型函数。
S型函数：
式中：f（x）为该分级指标隶属度函数；x为测定值；x1与x2为该分级标准最小值和最大值；x3、x4介于分级标准的最小值和最大值之间；根据已有的相关研究成果以及研究区蔬菜、葡萄土壤环境的实际情况，5个指标的隶属度函数曲线中转折点的相应取值如表1所示。
本研究中各指标的权重取值（wi）通过变异系数（vi）分析得到，wi表示为：
SQI为土壤质量指数，主要是根据土壤养分分级标准，确定各养分指标的权重和单项养分指标的隶属度函数，得到土壤质量指数（SQI）。计算公式如下：
通过计算出的研究区实际土壤质量指数及参考相关文献，本研究将SQI划分为5个等级：SQI≥0.8为Ⅰ级，0.6≤SQI<0.8为Ⅱ级，0.4≤SQI<0.6为Ⅲ级，0.2≤SQI<0.4为Ⅳ级，SQI<0.2为Ⅴ级，数值越大表明土壤质量越高。
1.4 数据处理与分析方法
本研究采用域值法［17］对离群值进行剔除，剔除后总样点为99个。根据Minitab 18软件对数据进行统计分析。采用K-S方法检验正态分布特性；采用ArcGIS 10.0软件空间分析模块中的反距离权重方法插值绘制土壤质量综合评价图；采用R语言软件对土壤环境因子与土壤养分进行RDA分析；运用相关分析确定土壤养分含量之间的相关关系（α=0.01），并用Graphpad prism 8.4.3软件作图。
2 结果与分析
2.1 土壤养分的统计特征分析
根据第二次全国土壤普查土壤养分分级标准，由图2可以看出，葡萄园有机质含量处于3级（20～30）中等水平，均值为22.06 g/kg，碱解氮含量处于2级（120～150 mg/kg）丰富水平，均值为 122.79 mg/kg，速效磷、速效钾含量处于1级（>40 mg/kg、>200 mg/kg）极高水平，均值分别为129.22 mg/kg、768.7 mg/kg。蔬菜地有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量均处于1级（>40 g/kg、>150 mg/kg、>40 mg/kg、>200 mg/kg）极高水平，均值分别为43.97g/kg、202.31 mg/kg、111.25 mg/kg、790.0 mg/kg。
变异系数表示各项指标变异性的大小，CV<10%表示弱变异性，10%
2.2 土壤质量综合评价
宾川县主要产区葡萄园（图3-A）土壤SQI整体上由北向南逐渐升高，较高的区域多集中在西南侧，SQI在0.36～0.96之间，大部分葡萄园土壤均处于Ⅰ级和Ⅱ级水平，分别占54.90%和35.29%，土壤养分状况总体相对良好，仅有7.84%的土壤样本SQI土壤综合质量指数较差，这一小部分葡萄园需要继续改善土壤肥力水平和改进配方施肥策略。祥云县主要蔬菜地（图3-B）土壤SQI整体上由南向北逐渐升高，SQI在0.74～1.00之间，绝大部分蔬菜地土壤养分远高于Ⅰ级水平，占92.68%，存在养分过量现象，总体上蔬菜地土壤养分高于葡萄园。
2.3 环境因子对土壤养分的影响
本研究采用冗余分析（RDA）方法，将各点土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量作为响应变量，pH值、海拔2个环境因子作为解释变量，通过分析得到两者相关的双序图（图4）。葡萄园与蔬菜地中RDA第1排序轴的解释变量都明显高于第2排序轴的解释变量，可见在本研究中第1排序轴是解释土壤养分含量的主体。葡萄园中海拔与RDA第1排序轴之间的相关性较高，而pH值与RDA第2排序轴之间的相关性较高，蔬菜地中pH值与RDA第1排序轴之间的相关性较高，海拔与RDA第2排序轴之间的相关性较高。其次，葡萄园海拔与有机质、速效磷、速效钾含量呈正相关关系，与碱解氮含量呈负相关关系，pH值与速效钾含量呈正相关关系，与速效磷、碱解氮含量呈负相关关系。蔬菜地海拔与有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量呈负相关关系，pH值与速效磷含量呈正相关关系，与有机质、速效钾、碱解氮含量呈负相关关系。
2.4 土壤养分含量之间的相关分析
2个研究区土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量之间均为极显著相关关系（P<0.01）（图5）。其中，宾川县主要葡萄园有机质与碱解氮含量的相关系数最高，达到0.824。其次为速效磷与速效钾含量，祥云县主要蔬菜地速效磷与速效钾含量相关系数为0.535，宾川县主要葡萄园速效磷与速效钾含量的相关系数为0.728。最低的为有机质与速效磷含量，祥云县主要蔬菜地有机质与速效磷含量的相关系数仅为0.375。总体上，宾川县主要葡萄园的有机质与碱解氮、速效磷、速效钾含量，碱解氮与速效磷、速效钾含量，速效磷与速效钾含量的相关性均要比祥云县主要蔬菜地的更好。
3 讨论
3.1 土壤质量状况综合评价
不同地区土壤系统差异很大，土壤肥力质量好坏受土壤各成分因素的共同影响，如何评价土壤质量的好坏，至今仍没有一种比较严格统一且有效可靠的标准［18］。而模糊综合评价法实际上是基于根据在模糊综合数学过程研究基础中所提出来的隶属度理论模型来逐步将土壤定性分析综合评价的过程模型转化为模糊综合定量评价，对土壤做出一个总体的评价，在土壤质量分析评价中应用较为广泛［19］，范晓辉等使用土壤综合评价模型对福建省福安市22个葡萄园的土壤样品进行综合评价，结果发现福安市葡萄园土壤质量整体偏低［20］。张楚楚等通过建立蔬菜质量评价层次模型及隶属函数模型，对合肥市肥东县蔬菜地质量进行调查并做了一次全面分析评价，发现肥东县蔬菜地整体土壤养分处于中等水平［21］。本研究选取土壤pH值、有机质、碱解氮、速效磷及速效钾含量5项土壤常规养分指标进行土壤质量评价，结果发现，研究区葡萄园与蔬菜地整体上养分含量较高。结合前人的调查研究与本研究的结果，表明采用土壤主要养分为指标，通过模糊数学模型和隶属度函数计算土壤质量综合指数（SQI）对果蔬区土壤肥力质量做出评价显然是科学可行的。
3.2 环境因子对土壤养分空间分布的影响
海拔是一个重要的地形因子，其变化通常会引起气候、植被和土壤养分等要素发生显著变化［22］。类似的许多研究发现，土壤肥力会受海拔变化的影响，出现波动且有异化的分布范围［23-24］，如：赵超在江西省大岗山选取了5个不同海拔的毛竹林样地，研究发现不同海拔毛竹林土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量随海拔的升高而增加［25］。林建平等研究发现，有机质含量随海拔高度的逐步升高而明显增加，速效磷含量随海拔的升高而减少，但速效钾含量随海拔的变化无明显规律性［24］。在本研究中土壤各养分未随海拔升降呈相同趋势的变化，其中葡萄地中土壤有机质、速效磷、速效钾含量随海拔的升高而增加，碱解氮含量随着海拔的升高而减少。蔬菜地中有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量随海拔的升高而减少。目前各地有关海拔对土壤养分含量影响机制的对比研究结论不一，进一步表明当地耕作制度、耕作方式及施肥管理方式等的不同也很可能是造成土壤养分含量差异变化的原因［26-27］。其次，土壤pH值作为衡量土壤酸碱性的重要指标，过高或过低的土壤pH值都会不同程度地降低土壤养分的有效性，同时导致植物生长所需养分的有效性发生改变。因此，了解土壤pH值与土壤养分的关系，对高效合理施肥具有一定的指导意义［28-29］。
3.3 有机质对土壤养分含量的影响
研究区耕地土壤的有机质与土壤碱解氮、速效磷、速效钾之间具有极显著的正相关关系（P<0.01）（图5），这可能是由于土壤中富含有机质，而有机质是土壤中重要的组成部分，其含量和迁移影响着土壤的其他理化性质，同时也是植物汲取营养的主要来源［30］。高莹等、阿丽娅·阿力木等的研究发现土壤有机质含量是影响氮素供应的主导因素［31-32］。有机质的矿化是提供氮素的主要来源之一，土壤有机质含量的增加可能会促进氮素供应量水平［33］；同时，许多试验研究亦表明，在不添加外源肥料时，土壤养分中所有的氮以及接近一半的磷都是由土壤有机质来提供，并且有机质中所含有的水溶性的养分和小分子的氮磷还可被作物根系直接吸收利用［34-35］；此外，大量相關研究也发现，提高土壤有机质含量可能同时提升土壤其他养分含量，土壤有机质还可以储存一定的矿质元素以及少部分速效养分，土壤有机质分解可明显促进氮、磷、钾等养分元素的释放，有利于土壤肥力的显著增加［36-37］。从上述研究结果可知，土壤有机质对土壤碱解氮、速效磷、速效钾具有一定的调控功能。
4 结论
研究果蔬区土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量均远高于一级标准，存在化肥施用量超标现象。大部分葡萄园与蔬菜地土壤质量指数（SQI）达到Ⅰ级和Ⅱ级标准，存在土壤养分过剩现象。其次，自然环境因子与4种养分含量均存在相关性，且每种土壤养分不受单一环境因子的影响。土壤有机质通过有效利用能提高对土壤氮、磷、钾离子的养分固存，还能为作物生长提供丰富的营养，节约化肥用量。但若长期过量施用化肥，未被吸收的氮磷钾等养分长期保存在农田土壤中，可能会造成地表水富营养化和地下水的污染、土壤板结、酸化、土壤质量下降、降低农产品产量及健康等一系列问题。因此，在该研究区域应该合理减少水溶肥、复合肥等的施用或用适量的有机肥代替水溶肥及复合肥，提高有机质含量的同时控制氮、磷、钾含量。另外，合理减量施肥还能够帮助减少养分过量累积、维持地表土壤养分稳定、减少肥料损耗以及对环境的污染。
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收稿日期：2023-01-20
基金项目：云南农业大学科研启动基金（编号：KY2019-21）；云南省基础研究专项（编号：202101AU070100）；云南省重大科技专项计划（编号：202002AE320005）；NSFC-云南联合基金地质高背景及人为污染土壤重金属迁移转化规律与阻控机理研究（编号：U200220167）。
作者简介：泽尔拉都（1996—），女，云南丽江人，硕士研究生，研究方向为土壤重金属污染与修复。E-mail：ZELD196725@163.com。
通信作者：张继来，博士，讲师，主要从事环境地学研究。E-mail：zhangjilai@ynau.edu.cn。
