汉南区土壤养分的空间结构特征和时间演变
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土壤是一个自然综合体，其形态和发生过程相当复杂，在成土过程中由于母质、生物、气候和地形等因素的影响，土壤属性具有高度的空间异质性，同时人类活动也增强了这种变异性。土壤高度的空间异质性，导致土壤养分也具有空间异质性。 20 多年来肥料的种类、施用量和作物轮作方式的改变，导致汉南区土壤养分的分布发生了变化，可以从汉南区的地力评价得到证实，因此研究土壤养分的空间结构特征和时间演变，为汉南区施肥方案的制定、农作物种植结构的调整及农业的可持续发展提供理论依据。 1 材料与方法 1. 1 研究区概况 本研究区域是整个汉南区，位于武汉市西南部，耕地面积10 582 hm2，境内大致可分为冲积平原区、淤积平原区和低垄岗区，分别占境内总面积的61. 2%、19. 0%和19. 8%。主要土类有3 种，分别为潮土、水稻土和黄棕壤，以潮土为主，占所调查田块面积的 97. 0%。境内地表结构，孤丘一般为石灰岩、页岩，以及多种异源物质的叠合物组成;岗岭、岗石为第四纪黄褐色亚黏土。地处中低纬度，属北亚热带东亚季风湿润气候区。年平均气温为 16. 8℃，境内年平均降水量为1 276. 2 mm，现以玉米 － 棉花 － 蔬菜种植方式为主。 1. 2 野外采样与研究方法 1. 2. 1 野外采样 将汉南区的土壤图与土地利用现状图叠加，按照形成评价单元的个数和各单元面积大小以及采样密度要求，于 2009 ～2010 年采样 1 436 个，剔除不合格的样点，有效采样点数 1 301 个 ( 图 1) 。取样时兼顾代表性和均匀性，平均间距 450 m，用 GPS确定样点，在样点附近采用 “S”法均匀采取 10 份耕层土样，混合后，用四分法留取 1 kg 作为分析样。【图1略】 1. 2. 2 分析测试方法 碱解氮: 碱解扩散法测定; 有效磷: 0. 5 mol/LNaHCO3提 取，钼 锑 抗 比 色 法 测 定; 速 效 钾:1 mol / L NH4OAc 提取，火焰光度法测定; 有机质:重铬酸钾 － 硫酸容量法测定; pH 值: 蒸馏水提取( 水∶ 土 =2. 5∶ 1) ，酸度计测定。1. 2. 3 研究方法统计学是通过半方差函数来描述区域化变量理论特征，半方差函数一定程度上体现了区域化变量的空间变异，是估计未知点区域化变量的关键; 半方差分析的前提要求是原始数据满足正态或近似正态分布; 不满足条件，则需进行数据转换。 半方差函数是描述不同距离采样点之间土壤性质空间变异的函数。【1】 上式中 r ( h) 为半方差; xi为土壤养分指标值; h 为采样距离; N( h)为以 h 为间距的所有采样点的成对数目。Z ( xi) 、Z ( xi+ h) 分别为采样点xi、xi+ h 处的测定值。 1. 3 软件平台 描述性统计和 K － S 检验利用 SPSS 15. 0 统计软件进行; 变异函数的计算在地统计软件 GS +9. 0上进行; 空间插值在 ArcGis 9. 3 软件中进行。 2 结果与分析 2. 1 土壤有机质和养分的描述性统计特征 表 1 为土壤碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量的统计值及正态分布检验结果。按照全国第二次土壤普查的分级标准，碱解氮和有机质的均值分别为 72. 0 mg/kg 和 17. 7 g/kg，属于四级水平; 有效磷和速效钾均值分别为 16. 5 mg/kg和 141. 5 mg/kg，属于三级水平。土壤有机质和养分的变异系数均在 10% ～ 100% 之间，属于中等变异。有机质变异系数最小，有效磷变异系数最大。通过单样本 K － S 方法的正态分布检验，均服从正态分布。【表1】 2. 2 土壤有机质和养分的空间变异 2. 2. 1 变异函数分析 运用 GS +9. 0 软件对研究区土壤碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量进行变异函数拟合 ( 表2) 。碱解氮和有机质符合球形模型，块金效应在25% ～ 75% 之间，表明具有中等空间相关性; 有效磷和速效钾符合指数模型，块金效应≤25%，表明具有强烈的空间自相关性。【表2】 2. 2. 2 土壤有机质和养分空间分布格局 根据变异函数的理论模型 ( 表 2) ，参照全国第二次土壤普查的分级标准，利用 ArcGis 9. 3 软件，在土壤图和土地利用现状图叠加形成的耕地评价单元上，利用普通克里格法插值形成有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的空间分布( 图2) 。【图2略】 碱解氮的分布较分散，含量 ＞ 100. 0 mg/kg 的碱解氮分布范围小，主要在东荆街办的东城垸农场，该农场以正土为主，以及湘口街办的银莲湖农场，该农场以湖板土为主。含量在 50. 0 ～ 100. 0mg / kg 范围的碱解氮主要分布在邓南街办的大嘴乡和东荆街办的乌金农场，以油砂土为主; 纱帽街办以正土为主。含量 ＜50. 0 mg/kg 的碱解氮主要分布在邓南街办的水洪乡和邓家口镇，以次油砂土为主。 有效磷的分布分散，含量 ＞15. 0 mg/kg 的有效磷主要分布在东荆街办的东城垸农场和纱帽街办的纱帽街，以正土为主; 含量在 7. 5 ～ 15. 0 mg/kg 范围的有效磷分布在湘口街办和邓南街办以及纱帽街办的南部，质地以壳土为主。含量 ＜ 7. 5 mg/kg 的有效磷分布在邓南街办的水洪乡和附近村落，主要是油砂土和次油砂土。 速效钾的分布比较零散，含量在 150.0 ～ 175.1mg / kg 范围的速效钾主要分布在湘口街办的银莲湖农场和进洪大队、都湾大队等，以湖板土为主; 东荆街办的西部以及纱帽街办的南部，以壳土为主; 在100. 0 ～150. 0 mg / kg 范围的速效钾主要分布在邓南街办的大嘴乡，以油砂土为主; 在 77.5 ～100.0 mg/kg范围的速效钾也分布在邓南街办，以次油砂土为主。 有机质的分布依然分散，含量 ＞25.0 g/kg 的有机质主要分布在东荆街办的东城垸农场的局部，以壳土为主; 含量在20.0 ～25.0 g/kg 范围的有机质分布在东荆街办的大部分地区以及纱帽街办的东部小范围内，以正土为主; 含量在15.0 ～20.0 g/kg 范围的有机质分布在湘口街办和邓南街办以及纱帽街办的大部分，以油砂土为主; 含量在10.0 ～15.0 g/kg 范围的有机质主要分布在邓南街办，以次油砂土为主。 汉南区农业综合开发中长期建设规划，将有机质和养分高的东荆街办和湘口街办作为蔬菜基地主体，有机质和养分较低的为粮食产地; 因此施肥措施主要是维持东荆街办养分现状，稳中提升湘口街办和纱帽街办养分含量，加大邓南街办养分的投入。针对地力现状和种植方式，结合测土配方施肥，确定了氮 － 磷－ 钾 ( N － P2O5－ K2O) 施肥配方是: 玉米，28 －10 －7; 棉花，24 －7 －14; 蔬菜，21 －7 －16。 2. 3 土壤有机质和养分时间演变 从表 3 看出，土壤 pH 值平均值基本没有变化，呈现微碱性，但是 2010 年 pH 值分布较分散，pH值 ＞8. 0 占耕地面积的 16. 7%，有碱化的趋势。有机质有所降低，2010 年比 2005 年平均值降低了4. 9 g / kg; 含量 ＞ 20. 0 g / kg 的有机质，2010 年比2005 年面积减少了 14. 0% ，可能与农民重施复合肥，鲜施有机肥有关，应加大土壤培肥措施的力度，尤其是加大有机质的补充。【表3】 有效 磷 有 大 幅 提 高，2010 年 比 1980 年 和2005 年，平均值分别提高 8. 9 mg / kg 和 7. 7 mg /kg; 1980 年和 2005 年有效磷变化大体接近，大部分土壤仍然缺磷; 有效磷在 10. 0 ～ 20. 0 mg/kg范围，2010 年比 2005 年面积增加了 43. 1% ; 有效磷在 ＞ 20. 0 mg/kg 范围，2010 年比 2005 年面积增加了 15. 1% 。因为近年来农民施用氮磷钾比例为 N∶ P2O5∶ K2O = 1 ∶ 0. 5 ∶ 0. 5，1980 年的氮磷钾施用比例为 N∶ P2O5∶ K2O = 1 ∶ 0. 2 ∶ 0. 1，有效磷的大幅提升，与农民加大磷肥使用量有关，同时也与磷肥在土壤中富集有关。 速效钾含量从1980 到2005 年大幅降低，幅度达37. 9 mg / kg，从 2005 到 2010 年，含量有所回升。但2010 年相对于 1980 年，速效钾在 ＞ 150. 0 mg / kg 范围，面积仍然减少 23. 0%。这可能与汉南区种植需钾量高的棉花有关，氮磷钾补充比例为N∶ P2O5∶ K2O =1∶ 0. 2∶ 0. 1，基本属于掠夺式生产，钾素消耗严重，补充少。虽然近年来氮磷钾使用比例为N∶ P2O5∶ K2O =1∶ 0. 5∶ 0. 5，钾肥的施用量有了很大提升，但是仍没有达到 80 年代的水平。 3 结论 碱解氮和有机质符合球形模型，具有中等空间相关性; 有效磷和速效钾符合指数模型，具有强烈的空间自相关性。养分分布较分散，大体趋势是东荆街办养分含量高，湘口街办和纱帽街办次之，邓南街办最低。 按照全国第二次土壤普查的分级标准，碱解氮和有机质属于四级水平; 有效磷和速效钾属于三级水平。30 年来，pH 值基本没有变化，有机质有降低的趋势，有效磷则大幅提升，与农民加大磷肥用量以及磷肥在土壤中富集有很大关系。速效钾含量从 1980 到 2005 年大幅降低，幅度达 37. 9 mg/kg，从 2005 到 2010 年有所回升。因此，为了合理利用和培肥耕地土壤，提高耕地产出率和农业生产效率，继续补施有机肥，稳施氮肥，优化推荐施氮磷钾肥，尽量选用酸性肥料，并配合其它措施改良碱性土壤。 参考文献: ［1］ 李子忠，龚元石． 农田土壤水分和电导率空间变异性及确定其采样数的方法 ［J］． 中国农业大学学报，2000，5( 5) : 59 －60． ［2］ Mcbratney A B，Pringle M J． Estimating average and propor-tional variograms of soil properties and their potential use in pre-cision agriculture ［J］． Precision Agriculture，1999，1 ( 2 ) :125 － 152． ［3］ Dai W H，Huang Y． Relation of soil organic matter concentra-tion to climate and altitude in zonal soils of China ［J］． Catena，2006，65: 87 － 94． ［4］ 连纲，郭旭东，傅伯杰，等． 黄土高原县域土壤养分空间变异特征及预测—以陕西省横山县为例 ［J］． 土壤学报，2008，45 ( 4) : 577 － 584．
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