基于農場尺度的農田土壤養分空間分布特征

張楷悅，張曉光,3，王敬寬，賈龍，韓成剛,2，柳新偉,2,3

(1. 青島農業大學資源與環境學院，山東青島 266109； 2. 東營青農大鹽堿地高效農業技術產業研究院，山東東營 257091；3. 青島市農業遙感應用工程研究中心，山東青島 266109)

土壤養分豐缺程度決定農作物的產量。受氣候、母質、地形、生物等結構性因素和施肥、灌溉等隨機性因素影響，即使在同一田塊中，不同位置的土壤養分具有不同的空間異質性，土壤養分的空間分布特征也會有明顯差異[1]。土壤養分對現代健康農業發展至關重要，土壤養分空間分布研究已經受到越來越多的關注[2]。國內外諸多學者利用多種方式方法研究發現，土壤養分空間異質性與自然因素、人為因素密切相關[3-5]。國內學者對縣級及以上尺度農田土壤養分空間分布特征研究較多，而對農場尺度農田土壤養分空間分布特征研究較少。大尺度水平土壤性質的研究可以揭示研究區土壤養分空間異質性，對提高土壤測繪質量和土壤數字化具有重要意義；中尺度水平的研究可以通過合理的措施改善土壤養分，從而達到管理空間的目的，為土壤養分管理信息系統的建立提供數據支持；小尺度水平的研究便于分析微域環境下土壤特性的變化，可以彌補大尺度水平研究的不足。因此研究農場尺度農田土壤養分空間分布特征是實現“精準施肥”的基礎[6-7]，對精確調控和定向培育土壤肥力、改善土壤生態環境、促進農業可持續發展具有重要意義。

本文以東營青農大鹽堿地高效農業技術產業研究院園區為研究區，測定0～20 cm和20～40 cm土層土壤養分含量，分析、預測土壤空間異質性和土壤養分空間分布，以期為園區精確管理提供數據和理論支撐。同時，以農場尺度進行鹽堿地土壤養分空間變異及分布研究，可為鹽堿地農場尺度精確管理提供重要數據參考，有利于農業可持續發展。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于山東省黃河三角洲農業高新技術產業示范區，面積72.3 hm2，屬暖溫帶大陸性季風氣候。年平均氣溫12.8 ℃，無霜期206 d，≥10 ℃積溫約4 300 ℃，農作物可兩年三熟。年平均降水量555.9 mm，其中65%集中在夏季，降水量年際變化大，易形成旱、澇災害。研究區土壤是在河流沉積物上發育而成的，成土母質為沖積性黃土母質，成土年齡較晚。研究區地理位置獨特，受地下高度礦化潛水影響，存在大面積鹽堿地，土壤為典型鹽堿土，鹽堿化現象較為嚴重。

1.2 儀器與試劑

1.2.1 儀器

ST2100型pH計，奧豪斯儀器(常州)有限公司；V-1200可見分光光度計，上海美譜達儀器有限公司；FP6410火焰光度計，上海欣益儀器儀表有限公司。

1.2.2 試劑

硫酸鉬銻抗顯色劑，上海銀典化工有限公司。

100 μg/mL鉀標準溶液的配制：稱取KCl 0.190 7 g溶于1 mol/L NH4OAc溶液中，定容至1 L。

1.3 取樣方法

按50 m×50 m柵格劃分，每個柵格內確定1個采樣點，共有139個采樣點，分布在12個作物種植區。采樣點和種植區分布如圖1所示，2020—2021年種植區施肥情況如表1所示。用S形3點混合采樣法，在每個采樣點分別取0～20 cm和20～40 cm土層的土壤。采樣時，用GPS測量儀記錄采樣點的地理坐標。采集的土壤帶回實驗室，于通風陰涼處風干，去雜，研磨，過18目篩，裝入自封袋中標號后，于陰涼處保存備用。

圖1 采樣點和種植區分布

1.4 測定方法

1.4.1 土壤pH值

將土樣(可不必風干)剔除大顆粒，稱取10 g放入小燒杯中，加入蒸餾水25 mL，攪拌使土壤顆粒充分分散，靜置30 min。使用pH計測量溶液pH值，即為土壤pH值。

表1 2020—2021年種植區施肥情況

1.4.2 土壤鹽分含量

采用重量法測量[8]187-188。取1∶5土壤浸出液或水樣20～50 mL(使所得鹽分質量為0.02～0.20 g)至已知烘干質量的100 mL瓷蒸發皿內，水浴蒸干，用滴管沿瓷蒸發皿內壁滴加150 g/L H2O2，殘渣濕潤后，繼續蒸干。反復使用H2O2處理，直至有機質完全氧化，此時殘渣為白色。將殘渣和瓷蒸發皿置于105～110 ℃烘箱中1～2 h，冷卻，稱重。再次烘干殘渣和瓷蒸發皿0.5 h，冷卻，稱重，直至相鄰兩次所測質量差不大于1 mg。

1.4.3 土壤堿解氮含量

采用堿解擴散法測量[8]56-58。稱取土樣2 g、研磨過的FeSO4粉末1 g，均勻鋪在擴散皿外室，并向擴散皿內室加入2 mL 20 g/mL硼酸溶液。擴散皿外室邊緣涂抹膠并蓋上毛玻璃，留適當縫隙，在加入10 mL 1 mol/L NaOH溶液后立即蓋緊。輕輕旋轉擴散皿，使堿液浸沒所有土壤后，用橡皮筋固定毛玻璃，置于40 ℃恒溫箱中，24 h后使用半微量滴定管滴加0.01 mol/L HCL，至溶液由藍變紅為止。

1.4.4 土壤速效磷含量

采用鉬銻抗比色法測量[8]81-83。量取2.5 g土樣、50 mL 0.5 mol/L NaHCO3溶液于250 mL塑料瓶中，振蕩30 min后過濾。量取5 mL濾液、5 mL NaHCO3溶液、5 mL硫酸鉬銻抗顯色劑于50 mL三角瓶中顯色30 min，加入35 mL蒸餾水，用可見分光光度計測定波長880 nm處吸光度。

1.4.5 土壤速效鉀含量

采用火焰光度法測量[8]106-107。分別量取鉀標準溶液0 mL、2 mL、5 mL、10 mL、20 mL、40 mL于50 mL容量瓶中，使用1.0 mol/L NH4OAc溶液定容。取5 g土樣與50 mL 1 mol/L乙酸于100 mL塑料瓶中，振蕩30 min后過濾，使用火焰光度計測定土壤速效鉀含量。

1.5 數據分析

利用SPSS 13.0軟件對土樣屬性進行描述性統計分析，利用地統計學方法對研究區域內土壤養分含量進行空間分布預測?？臻g分布預測時，對各土壤養分含量指標建立半方差函數理論模型[9]，然后使用ArcGis 10.0軟件空間分析模塊中的普通克里金法對未采樣點土壤養分含量進行優化，生成研究區域內土壤養分含量的空間分布圖。

在地統計學中，半方差函數反映區域化變量的結構性和隨機性變化[10]，在確定土壤取樣數目及應用普通克里金法進行插值計算時發揮極其重要的作用[10]，是分析研究區內變量的空間變異結構的重要工具。

塊金值C0表示取樣誤差和小于取樣尺度下的空間變異；基臺值(C0+C)表示變量在研究范圍內總的空間變異強度；塊金系數為塊金值和基臺值之比，反映塊金值占總空間異質性變異的比例大小，可用來描述系統變量空間相關性程度[11]。按照區域化變量空間相關性程度分級標準[12]：當C0/(C0+C)<25%時，變量具有強烈的空間相關性；當25%75%時，變量的空間相關性很弱。

2 結果與分析

2.1 描述性統計分析

由表2可知：0～20 cm和20～40 cm兩土層土壤鹽分含量均大于1.2 mg/kg，說明土壤為強鹽漬化土壤；堿解氮含量45～100 mg/kg，速效鉀含量均大于160 mg/kg。pH值和鹽分含量均呈現為下層土壤大于上層，堿解氮、速效磷和速效鉀含量均呈現為下層土壤小于上層。0～20 cm土層土壤速效磷含量10～20 mg/kg，而20～40 cm土層土壤速效磷含量小于10 mg/kg。

變異系數越大說明土壤養分空間分布越不均勻，受外界影響程度越大。由表2可知：0～20 cm和20～40 cm兩土層土壤pH值變異系數較小，說明土壤養分空間分布較為均勻；0～20 cm土層土壤速效鉀、堿解氮、鹽分含量變異系數分別為35.18%、44.20%和56.29%，均為中等變異，20～40 cm土層三者的變異系數與0～20 cm土層相近，也為中等變異；0～20 cm和20～40 cm兩土層土壤速效磷含量變異系數分別為158.94%和243.28%，均為強變異。土壤養分空間變異性與養分本身的特性有關，速效磷成分穩定，水溶性差，不易隨水遷移，因此土壤速效磷含量空間變異性強。

表2 土壤養分含量的描述性統計特征

2.2 半方差函數分析

由表3可知，對0～20 cm土層：與其他土壤養分相比，速效鉀含量的塊金系數最小，為0.170 4，空間相關性最強，主要受結構性因素影響；速效磷含量、鹽分含量的塊金系數分別為0.298 3、0.303 4，具有中等程度空間相關性，受結構性因素和隨機性因素共同影響；pH值和堿解氮含量的空間相關性較弱，塊金系數分別為0.572 6、0.627 9，而pH值的變異系數較小(表2)，堿解氮含量的空間相關性較弱說明堿解氮含量受隨機性因素影響較大。對20～40 cm土層：與其他土壤養分相比，速效磷含量的空間相關性最強，受結構性因素影響大；速效鉀和鹽分含量空間相關性弱，與其他土壤養分相比，受隨機性因素影響更大。與0～20 cm土層相比，20～40 cm土層土壤pH值空間相關性強，說明受隨機性因素影響較弱，受結構性因素影響較強。

表3 0～20 cm和20～40 cm土層土壤養分半方差函數參數

2.3 空間局部插值法分析

2.3.1 土壤堿解氮含量空間分布特征分析

由圖2可知：0～20 cm土層土壤堿解氮含量為3.50～226.10 mg/kg，均值68.61 mg/kg，堿解氮含量呈由中間向四周遞增趨勢；20～40 cm土層土壤堿解氮含量為9.80～145.60 mg/kg，均值62.28 mg/kg，堿解氮含量呈由中間向東西兩側遞增趨勢，西側最高。比較兩土層可以發現，土壤堿解氮含量空間分布特征相似，20～40 cm土層土壤堿解氮含量空間分布更復雜。

2.3.2 土壤速效磷含量空間分布特征分析

由圖3可知：0～20 cm土層土壤速效磷含量為0.24～116.66 mg/kg，均值10.38 mg/kg，速效磷含量空間分布呈斑塊狀，速效磷含量較大的區域多集中在東北側；20～40 cm土層土壤速效磷含量為0.24～158.96 mg/kg，均值7.55 mg/kg，速效磷含量空間分布也呈斑塊狀。比較兩土層可以發現，土壤速效磷含量空間分布特征相似，均呈斑塊狀，但0～20 cm土層土壤速效磷含量均值更大。

2.3.3 土壤速效鉀含量空間分布特征分析

由圖4可知：0～20 cm土層土壤速效鉀含量為131.30～810.70 mg/kg，均值295.53 mg/kg，整體上速效鉀含量由中間向四周逐漸升高；20～40 cm土層土壤速效鉀含量為108.10～810.60 mg/kg，均值251.63 mg/kg，整體上速效鉀含量由中間向東西兩側逐漸升高。比較兩土層可以發現，速效鉀含量空間分布特征相似，0～20 cm土層土壤速效鉀含量均值更大。

A. 0～20 cm土層；B. 20～40 cm土層。

A. 0～20 cm土層；B. 20～40 cm土層。

A. 0～20 cm土層；B. 20～40 cm土層。

2.3.4 土壤pH值空間分布特征分析

由圖5可知：0～20 cm土層土壤pH值為7.92～8.96，均值8.54，呈堿性，土壤pH值空間分布呈大斑塊狀，西南側和東南側土壤pH值較高；20～40 cm土層土壤pH值為8.15～9.09，均值8.68，呈堿性，土壤pH值空間分布也呈斑塊狀，東南側和西側土壤pH值較高。對比兩土層可以發現，20～40 cm土層土壤pH值均值較高。

A. 0～20 cm土層；B. 20～40 cm土層。

2.3.5 土壤鹽分含量空間分布特征分析

由圖6可知：0～20 cm土層土壤鹽分含量為0.02～2.92 g/kg，均值1.21 g/kg，土壤鹽分含量空間分布呈插花狀；20～40 cm土層土壤鹽分含量為0.02～2.78 g/kg，均值1.31 g/kg，土壤鹽分含量空間分布呈大斑塊狀。對比兩土層可以看出，20～40 cm土層土壤鹽分含量異質性更強。

A. 0～20 cm土層；B. 20～40 cm土層。

3 討論與結論

3.1 不同土層土壤屬性空間分布差異

根據空間局部插值法分析，與20～40 cm土層相比，0～20 cm土層土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和鹽分含量較高，土壤pH值較低。由于研究區地下水位高，年平均水位5.32 m，鹽含量24.6 g/L，所以表現為下層土壤鹽分明顯高于上層，下層土壤pH值高于上層。圖1中種植區⑩的土壤堿解氮和速效鉀含量明顯低于其他種植區，這可能是因為種植區⑩長期未施肥(表1)，而苜蓿的定期產出使土壤中的氮元素和鉀元素不斷流失[13]。另外，該種植區土壤速效磷含量分布呈斑塊狀，可能是因為磷元素在土壤中移動性較小，擴散能力較低，難以被作物吸收利用。

土壤屬性的空間變異性受結構性因素和隨機性因素組成的塊金效應影響，尤其是在不同土層之間，土壤塊金效應表現并不一致。0～20 cm土層土壤pH值和速效磷含量的塊金系數均大于20～40 cm土層，說明上層pH值和速效磷含量的變異主要是由隨機性因素引起，下層土壤受隨機性因素影響較弱。然而，0～20 cm土層土壤鹽分含量和速效鉀含量的塊金系數較小，說明上層土壤受結構性因素的影響非常大，遠超過隨機性因素的影響。受雨水、灌溉等淋溶作用影響，隨土壤深度的增加，鹽分和速效鉀含量受結構性因素影響逐漸減弱，受隨機性因素影響逐漸增強。0～20 cm和20～40 cm兩土層土壤的堿解氮塊金系數相近，說明結構性因素和隨機性因素的影響程度相近。

3.2 相同土層土壤屬性變異性與塊金效應差異

土壤不同養分的空間變異性因土壤本身屬性、研究尺度的不同而具有較大差別[14]。研究區內土壤鹽分、堿解氮和速效鉀含量為中等變異，土壤pH值為弱變異，這與該地區已有研究結果一致[15]，主要原因是黃河三角洲位于華北地臺區濟陽坳陷的東北部，長期受地面沉降和黃河河流作用影響[16-17]。土壤速效磷含量為強變異，主要是因為速效磷含量與土壤質地、日常管理、水分含量等多種因素有關。復雜的化學、生物轉化作用使磷素容易被土壤固化，導致磷肥利用效率偏低，土壤速效磷含量升高[16]。中等及以上程度的變異說明土壤屬性空間異質性比較強，有必要進行差異化管理。因此，本文結果支持在園區內實施精確管理。