基于GIS的貴州省稻田土壤養分及pH時空演變特征

童倩倩，李莉婕，韓 峰，陳海燕，趙澤英*，彭志良

(1.貴州省農業科技信息研究所，貴州 貴陽 550006；2.貴州省土壤肥料工作站，貴州 貴陽 550002)

基于GIS的貴州省稻田土壤養分及pH時空演變特征

童倩倩1，李莉婕1，韓 峰2，陳海燕2，趙澤英1*，彭志良1

(1.貴州省農業科技信息研究所，貴州 貴陽 550006；2.貴州省土壤肥料工作站，貴州 貴陽 550002)

【目的】為貴州水稻田土地的合理利用和科學施肥管理提供參考?！痉椒ā恳?005-2015年貴州省9個地(州、市)水稻種植區采集的177 944個代表性耕層土壤養分測定數據為基礎，運用ArcGIS地統計方法和Kriging理論模型對貴州水稻土壤養分的時空演變特征進行分析?！窘Y果】在時間序列上，貴州省稻田土壤的有機質、全氮、速效鉀含量及pH 與 第二次(1991年)土壤普查數據相比均呈下降趨勢，有效磷呈上升趨勢。在空間分布上，貴州省稻田土壤有效磷、速效鉀含量及pH的差異較大，土壤有機質和全氮含量的差異較?。粬|南大部分地區的稻田土壤偏酸性，全氮、有機質含量較高，速效鉀含量較低；黔東北的思南、石阡一帶稻田土壤的有機質、全氮、有效磷含量偏低。在不同稻田土壤類型中，潴育型稻田土壤的各種養分含量均較高，潛育型稻田土壤的有機質、全氮含量較高，但有效磷和速效鉀含量最低?！窘Y論】貴州省稻田土壤的養分含量及pH與1991年普查數據相比呈下降趨勢，不同區域稻田土壤的養分含量存在一定差異，不同類型稻田土壤中以潴育型稻田土壤的各種養分含量均較高。

GIS；稻田；土壤養分；pH；貴州

【研究意義】水稻是貴州的主要糧食作物，常年播種面積68萬hm2左右，稻田土壤是水稻生長的基礎，其有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量是衡量稻田土壤肥力的重要指標，特別是氮、磷、鉀是水稻生長必需的大量元素，其含量高低反映了稻田土壤養分的供給水平，并直接影響到水稻的產量和品質。由于稻田土壤受其成土母質、氣候、耕作制度和施肥方式等因素影響，具有高度的空間異質性[1]，稻田土壤養分是稻田土壤的基本屬性和本質特征[2]。因此，充分了解稻田土壤養分的時空變化特征對其進行養分管理與決策施肥具有重要意義[3-4]?！厩叭搜芯窟M展】近年來,有關稻田土壤養分變化及分布特點的研究報道較多[5-9],邊武英等[5]研究浙江省水稻土四大土屬的土壤養分狀況及變化特征的結果表明，浙江水稻土的pH下降明顯，有機質含量變化不大，有效磷和速效鉀含量提高顯著，不同土屬間的有效磷含量差異較大，缺鉀現象普遍；計小江等[6]研究浙江省稻田土壤養分變化規律的結果顯示，連續25年種植水稻使浙江稻田土壤的pH下降明顯，全氮整體水平較高，有效磷含量大幅升高；熊艷等[7]對云南省水稻土壤養分豐缺指標及肥料利用率進行研究，建立了用水稻豐缺指標測算水稻肥料利用率模型；李建軍等[8]對長江中下游糧食主產區稻田土壤養分演變特征的研究結果表明，長江中下游地區稻田土壤有機質、全氮和堿解氮含量與監測初期相比均略有升高，有效磷、速效鉀總體上呈穩中有升變化趨勢，土壤pH總體呈緩慢下降趨勢；馬家斌等[9]對云南省新平縣稻田土壤耕層養分狀況的研究結果顯示，云南省新平縣稻田偏酸性土壤達53.8 %，偏低有機質土壤為23.4 %，堿解氮缺乏土壤為24.2 %，缺磷土壤為39.2 %，缺鉀土壤為65.8 %，缺硫土壤為22.6 %，缺鎂土壤為7.87 %，缺硼土壤為85.27 %，缺錳土壤為14.04 %，缺鋅土壤為37.67 %?！颈疚难芯壳腥朦c】前人多是對我國水稻主產區土壤進行研究，而針對我國西部貴州喀斯特地區稻田土壤養分變化進行研究的相關文獻未見報道，使貴州水稻生產在肥料施用上存在一定盲目性，不利于當地水稻產量和品質的提高?！緮M解決的關鍵問題】筆者依托貴州省測土配方施肥項目，以2005-2015年全省9個地(州、市)水稻種植區域采集的177 944個代表性稻田耕層土壤養分測定數據為基礎，運用ArcGIS地統計方法和Kriging理論模型對貴州喀斯特地區稻田土壤養分的時空演變特征進行分析，以期為貴州稻田土壤的合理利用和科學施肥管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 土樣采集

按“測土配方施肥技術規范”[10]要求，采集全省9個地(州、市)水稻種植區域的稻田耕層土壤樣品177 944個。

1.2 基礎數據來源

為能與第二次土壤普查時期(1991年)貴州省的稻田土壤養分狀況進行科學對比分析，收集整理了第二次土壤普查的養分數據、1∶10 000土地利用現狀圖、1∶50 000土壤圖、稻田現狀圖和行政區劃圖等基礎數據與圖件，基礎數據均由貴州省88個縣(市、區)國土局提供。

1.3 土壤養分指標測定

有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量及pH分別采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法、凱氏蒸餾法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法、乙酸銨浸提-火焰光度計法和電位法(土液比=1∶2.5)測定。

1.4 土壤養分數據庫建立

1.4.1 屬性數據庫 為確保177 944個土樣能較好地反映貴州稻田土壤的肥力狀況，根據稻田區域信息，通過農業部“測土配方施肥數據管理系統”將采樣點稻田信息資料和實驗室檢測土樣的屬性、土壤類型、行政區劃等相關數據導出后采用ACCESS建立稻田采樣點土壤屬性數據庫。

1.4.2 對照數據庫 由于各縣市第二次土壤普查的土壤分類和命名不一致，導致同一土種在不同縣域的代碼和名稱不同，難以進行數據對比分析。因此，在第二次土壤普查結果基礎上根據貴州土壤分類系統又對9個地(州、市)88個縣(市、區)土壤圖和土壤志中的土種類型命名進行歸并，建立土種類型對照數據庫，使各縣(市、區)的土種類型代碼和名稱能與各地(州、市)、貴州省及國家的土壤分類系統對應一致。

1.4.3 空間數據庫 以貴州省稻田現狀圖、第二次土壤普查土壤圖、行政區劃圖為基礎圖件，采用ArcGIS提供的Ordinary Kriging方法，對土樣的有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量及pH等數據進行空間插值，建立貴州省稻田土壤養分及pH空間分布圖。

通過共建模塊下的區域統計功能提取土壤養分平均值，再將其賦值到全省稻田現狀圖上，實現空間數據庫與屬性數據庫的連接。

2 結果與分析

2.1 不同時段貴州稻田土壤養分含量的差異

2.1.1 有機質 從表1可知，2015年貴州稻田土壤的有機質含量為11.10～164.60 g/kg，平均35.28 g/kg。其中，有機質含量為20～40 g/kg的土壤面積占57.28 %，>40 g/kg的土壤面積占33.16 %，<20 g/kg的土壤面積占9.56 %。1991年(第二次土壤普查)貴州稻田土壤的有機質含量為5.40～252.00 g/kg，平均43.20 g/kg。其中，有機質含量為20～40 g/kg的土壤面積占60.09 %，>40 g/kg的土壤面積占35.01 %，<20 g/kg的土壤面積占4.90 %。說明，貴州稻田土壤有機質含量>40 g/kg和20～40 g/kg的面積有所下降，而有機質含量<20 g/kg的面積有所升高，可能與農戶重施無機肥、輕施有機肥有關。高產水稻適宜的土壤有機質含量為20～40 g/kg[8]，即當土壤有機質含量<20 g/kg 或>40 g/kg時，水稻較難獲得高產。因此，在水稻生產上應重視有機肥施用、秸稈還田和綠肥種植以提高土壤有機質含量，從而實現水稻優質高產目的。

表1 1991年和2015年貴州省稻田土壤的養分含量

2.1.2 全氮 由表1看出，2015年貴州稻田土壤的全氮含量為0.33～6.90 g/kg，平均2.07 g/kg。其中，全氮含量>2 g/kg的土壤面積占53.41 %，1～2 g/kg的土壤面積占41.24 %，<1 g/kg的土壤面積占5.35 %。1991年貴州稻田土壤的全氮含量為0.29～7.96 g/kg，平均2.37 g/kg。其中，全氮含量>2 g/kg、1～2 g/kg和<1 g/kg的土壤面積分別占53.78 %、41.55 %和4.67 %。說明，稻田土壤的全氮含量較穩定。

2.1.3 有效磷和速效鉀 從表1可知，2015年貴州稻田土壤的有效磷含量為1.50～89.70 mg/kg，平均16.06 mg/kg；速效鉀含量為6.00～596.00 mg/kg，平均119.48 mg/kg。1991年貴州稻田土壤的有效磷含量為0～48.00 mg/kg，平均10.0 mg/kg；速效鉀含量為6.00～831.00 mg/kg，平均134 mg/kg。說明，貴州稻田土壤的有效磷含量呈上升趨勢，由1991年的10.00 mg/kg上升到2015年的16.06 mg/kg，升高37.73 %；而速效鉀含量則呈下降趨勢，由1991年的134 mg/kg下降至2015年的119.48 mg/kg，下降12.15 %。造成有效磷含量升高和速效鉀含量降低的原因，可能是磷肥相對其他無機肥價格較便宜，農戶輕施磷肥的習慣逐步得到改善，在水稻大田生產中，多用磷肥作底肥，從而提高了有效磷含量；而鉀肥價格較高，不少地區農戶仍然不愿購買價格較高的鉀肥用于農業生產。因此，稻田土壤中的速效鉀含量得不到有效補充，呈逐漸下降趨勢。

2.2 不同時段貴州稻田土壤pH的變化

土樣分析結果(表1)顯示，2015年貴州稻田土壤的pH為4.06～8.50，平均6.17。其中，pH為 6.0～7.5的稻田土壤面積占37.19 %，比1991年的44.88 %下降7.69百分點；pH<6.0的面積占36.29 %，比1991年的29.73 %上升6.56百分點；pH>7.5的面積占26.51 %，與第二次土壤普查時的25.39 %相當[11]。說明，貴州稻田土壤隨著時間的推移呈現酸化趨勢?？赡芘c水稻種植過程中，農戶偏施過磷酸鈣使土壤受到磷肥中游離酸性物質影響有關。

2.3 貴州稻田土壤養分含量的空間變化

2.3.1 有機質 從圖1可知，貴州省稻田有機質含量為10～30 g/kg的土壤主要集中在黔北和黔西北一帶，<10 g/kg的土壤主要集中在黔東北的思南縣，>30 g/kg的土壤面積較大，在全省各地均有分布。

2.3.2 全氮 從圖1看出，貴州省稻田土壤全氮含量為1～2 g/kg的土壤主要集中在黔北、黔西北及黔南，<1 g/kg的土壤面積較少，>2 g/kg的土壤主要分布在黔東南和黔中地區。

2.3.3 有效磷 由圖1可知，貴州省稻田的有效磷含量為5～20 mg/kg的土壤全省各地均有分布，>20 mg/kg的土壤主要集中在黔北和黔東南，<5 mg/kg的土壤主要集中在黔東北思南、石阡一帶。造成黔東北一帶稻田土壤有效磷含量低的原因，可能與該區域的水淹育型稻田較集中、占比較大有關。

2.3.4 速效鉀 從圖1看出，貴州省稻田速效鉀含量為100～200 mg/kg，<100 mg/kg的土壤主要集中在黔東南黎平、從江和黔南的平塘、羅甸、望謨一帶。造成部分地區土壤速效鉀含量低的原因，可能與該地區海拔較低、光熱條件較好、土壤復種指數大和鉀肥施用較少有關。

2.4 貴州稻田土壤pH的空間變化

從圖2看出，在貴州省水稻種植區，pH<5.5的微酸性土壤主要集中在貴州東南部的天柱、錦屏、榕江、從江、黎平一帶，pH為5.5～6.5的偏酸性土壤主要集中在貴州西南部及北部，pH為6.5～7.5的中性土壤及pH>7.5的堿性土壤零星分布在全省各地。

圖1 貴州稻田土壤養分含量的空間分布Fig.1 Spatial distribution of paddy soil nitrient content in Guizhou

2.5 貴州稻田土壤類型及pH差異

2.5.1 稻田土壤類型 根據貴州土壤系統分類規范，將貴州稻田分為滲育型、潴育型、淹育型、潛育型、漂洗型和脫潛型6個亞類土壤，33個土屬，97個土種。其中，面積最大的稻田土壤類型是滲育型，占全省稻田面積的40.47 %；其次是潴育型，占36.39 %；淹育型和潛育型分別占15.46 %和5.12 %；漂洗型占2.31 %；脫潛型面積最少，僅占0.23 %(表2)。因此，對貴州稻田土壤養分含量及pH進行分析時，一般以滲育型、潴育型、淹育型和潛育型4種土壤類型為主。

圖2 貴州稻田土壤pH的空間分布Fig.2 Spatial distribution of paddy soil pH in Guizhou

2.5.2 pH差異 由表2看出，在4種稻田土壤類型中，潛育型、滲育型和淹育型稻田的pH因土壤發育母質類型不同而異。其中，石灰土發育而來的大泥田土屬、大土泥田土屬及鴨屎泥田土屬的pH較大(pH>7.5)，土壤均偏堿性；黃壤發育來的黃泥田土屬、幼黃泥田土屬的pH較小(pH<5.5)，土壤均偏酸性；由石灰性紫色巖發育來的羊肝泥田土種的pH也較大(pH7.5)，土壤偏堿性；酸性紫色頁巖發育來的血砂泥田土種的pH較小(pH5.9)，土壤偏酸性；淺腳爛泥田土種的母質較復雜，多為沼澤土，土壤pH受環境影響較大。由于長期的水耕熟化作用，潴育型稻田土壤的pH受母巖影響稍弱，pH為5.9～7.5，土壤多為中性。

表2 貴州稻田土壤的類型、養分含量及pH

2.6 不同稻田土壤類型的養分變化

由表2可知，在4種稻田土壤的12種土屬中，以淺腳爛泥田和鴨屎泥田土種(潛育型稻田)的有機質及全氮含量最高，分別為57.78和79.81、2.94和3.31 g/kg；有效磷和速效鉀含量最低，分別為5.18和5.26、98.97和109.20 mg/kg?？赡芘c該分布于貴州各地巖溶洼池的2種稻田多為泡冬田，其排水能力較差、有機質分解緩慢、不利于有效磷和速效鉀積累有關。

在滲育型稻田中，黃砂泥田的機質和全氮含量最高，分別為39.29和2.24 g/kg；有效磷和速效鉀含量合適，分別為17.13和119.28 mg/kg。黃砂泥田是貴州稻田面積最大土種之一，按第二次土壤普查養分分級標準看，其有機質含量處于豐富水平，全氮含量處于極豐富水平，有效磷和速效鉀含量處于合適水平。

在淹育型稻田土壤的6個土種中，除幼黃扁砂田的養分含量較低外，其余土種養分含量差異不大。該土種的有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量分別為15.29 g/kg、1.02 g/kg、9.13 mg/kg 和85.15 mg/kg，其土質地輕而粗糙，翻耕多耙易凝漿板結，保水保肥力差，養分轉化快，秧苗返青快，但后期易出現脫肥翻黃現象，屬低產稻田。

在潴育型稻田土壤的9個土種中，有機質平均含量為39.98 g/kg，全氮平均含量為2.22 g/kg，有效磷含量為16.85 mg/kg，速效鉀含量為127.59 mg/kg。說明，潴育型稻田土壤的有機質含量均較高，土壤肥力較好，生產中須注意合理輪作、用養結合。

3 討 論

(1)高產水稻田土壤適宜的pH為7.0左右。因此，針對貴州稻田土壤pH偏酸性的特點，在插秧前應適量施用石灰，既可中和水田土壤酸性，又可促進有機肥料腐熟分解，促進土壤養分平衡[12-13]，且不同地區不同土壤的施用量不同[14]，此外避免施用酸性肥料，如過磷酸鈣、硫酸銨等，推薦使用堿性肥料，如硝酸鈉、硝酸鈣等。另外，我省水稻的有些肥料施用不足，特別是有機肥施用量較低，同時肥料施用比例不合理，且沒有施用鉀肥習慣[15]，在今后的生產中，要注意改進施肥方式以提高水稻產量。

(2)針對貴州不同區域稻田養分狀況，根據土壤實際養分含量進行合理施肥，高雪等[16]研究表明，在貴州省全氮含量較高、速效鉀含量較低的地區，建議水稻施肥比例為N∶ P2O5∶K2O =0.8～0.9∶1 ∶1.2～1.4。貴州省不同區域稻田土壤的有效磷和速效鉀含量差異較大，而不同農戶對稻田的肥料投入量差異也較大。因此，生產過程中要指導農戶進行科學施肥。

(3)貴州是典型的喀斯特山區省，地勢地貌復雜，成土母質類型多樣，立體氣候顯著，水稻種植分布廣泛，因而形成了類型眾多的稻田土壤。不同類型稻田由于其土壤的起源不同，熟化程度、障礙層次以及施肥情況不同，使土壤的養分含量也存在差異。針對潛育型水稻土，可在田中開“+”“艸”型溝排水提升地溫，合理灌溉，科學曬田。針對淹育型水稻土pH較低的情況，可以通過合理種植模式提高水稻土的熟化程度，如通過冬閑田套種綠肥等措施，進而提高土壤養分含量。

4 結 論

研究結果表明，貴州稻田土壤的有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量及pH的時空變化較明顯。時間序列上，2015年貴州省的有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量分別為35.28 g/kg、2.07 g/kg、16.06 mg/kg和119.48 mg/kg，pH為6.17。與第二次土壤普查(1991年)相比，其有機質、全氮和速效鉀含量呈下降趨勢；而有效磷含量呈上升趨勢，pH變化不大。在空間分布上，養分含量和pH的分布差異較大。其中，黔東南大部分地區稻田土壤的pH較小，土壤偏酸性，全氮、有機質含量較高，速效鉀含量較低；黔東北的思南、石阡一帶土壤的有機質、全氮、有效磷含量偏低。在不同稻田土壤類型中，潴育型稻田土壤的養分含量均較高；潛育型稻田土壤的有機質、全氮含量較高，但有效磷和速效鉀含量最低，且長期漬水、水溫土溫均較低。因此，潛育型稻田土壤不適宜水稻生長。pH受耕作時間的影響較大，耕作時間長的潴育型稻田土壤的pH為6.5～7.5，而耕作時間較短的淹育型稻田土壤受其土壤母巖的影響較大。因此，研究顯示貴州省稻田土壤的養分含量及pH與1991年普查數據相比呈下降趨勢，不同區域稻田土壤的養分含量存在一定差異，不同類型稻田土壤中以潴育型稻田土壤的各種養分含量均較高。

[1]關 焱,宇萬太,李建東.長期施肥對土壤養分庫的影響[J].生態學雜志,2004,23(6):131-137．

[2]孔祥斌,張鳳榮,齊 偉,等.集約化農區土地利用變化對土壤養分的影響 以河北省曲周縣為例[J].地理學報,2003,58(3):333-342．

[3]齊 義,李加加,張黎明,等.基于GIS技術的南方水土流失區耕地土壤養分豐缺分區[J].江西農業大學學報,2014,36(3)：684-691.

[4]呂富華.冬小麥土壤養分豐缺狀況分析[J].山東省農業管理干部學院學報,2011,28(1):155．

[5]邊武英,董越勇,周江明.浙江省水稻土四大土屬土壤養分狀況及變化特征[J].浙江農業學報,2009,21(4)：354-357.

[6]計小江,陳 義,吳春艷,等.浙江省稻田土壤養分現狀及演變趨勢[J].浙江農業學報,2014,26(3):775-778.

[7]熊 艷,王平華,何曉濱,等.云南省水稻土壤養分豐缺指標及肥料利用率研究[J].西南農業學報,2012,25(3):930-934.

[8]李建軍,辛景樹,張會民,等.長江中下游糧食主產區25年來稻田土壤養分演變特征[J].植物營養與肥料學報,2015,21(1):92-103.

[9]馬家斌,田旺海,蘇 龍,等.云南省新平縣稻田土壤耕層養分狀況[J].西南農業學報,2015,28(2):621-624.

[10]張德才，徐能海，魯明星，等.測土配方施肥技術規范 NY/1118-2006[S].北京:中華人民共和國農業部,2006.

[11]貴州省土壤普查辦公室.貴州省土壤[M].貴陽:貴州科技出版社,1994.

[12]朱 紅,陳 敏,潘儀賓.遵義市水稻土養分狀況與變化趨勢[J].貴州農業科學,2007,35(4)：56-57.

[13]林祚棋.尤溪縣水田土壤肥力現狀及培肥對策[J].福建農業科技,2013,44(1):96．

[14]貴州省地方志編輯委員會.貴州省志·農業志[M].貴陽:貴州人民出版社,2001.

[15]高維潔,李兆芬,趙 明.貴州省水稻土定位監測初報[J].耕作與栽培,1996(9):49-52.

[16]高 雪,陳海燕,童倩倩.貴州耕地耕層土壤養分狀況評價[J].貴州農業科學,2013,41(12):87-91.

TemporalandSpatialEvolutionCharacteristicsofPaddySoilNutrientsandpHBasedonGIS

TONG Qian-qian1, lI Li-jie1, HAN Feng2, CHEN Hai-yan2, ZHAO Ze-ying1*, PENG Zhi-liang1

(1.Guizhou Institute of Agricultural Science and Technology Information, Guizhou Guiyang 550006,China; 2.Guizhou Work Station of Soil and Fertilizer, Guizhou Guiyang 550002, China)

【Objective】The present paper aims to provide a reference for rational utilization and scientific fertilization of paddy soil in Guizhou. 【Method】The temporal and spatial evolution characteristics of paddy soil nutrients was analyzed by ArcGIS geostatistics method and Kriging theoretical model based on the determination data of 177 944 representative topsoil samples from rice-growing areas of nine regions,Guizhou.【Result】The organic matter, total nitrogen and rapidly available potassium content and pH of paddy soil present the declining trends and available phosphorus content shows a rising trend compared with the data from the second national soil survey (1991) from angle of time series. There are quite differences in available phosphorus and rapidly available potassium content and pH of paddy soil but less difference in organic matter and total nitrogen content from angle of spatial distribution. The acidic paddy soil of most regions in Southeastern Guizhou has a higher total nitrogen and organic matter content and lower rapidly available potassium content. The organic matter, total nitrogen and available phosphorus content of paddy soil in Sinan and Shiqian county is low. The water-logging paddy soil has higher nutrient content but the gleyed paddy soil has higher organic matter and total nitrogen content and the lowest available phosphorus and rapidly available potassium content. 【Conclusion】The nutrient content and pH of paddy soil show a declining trend compared with in 1991. There is a certain difference in soil nutrients among different regions. The nutrients’ content of water-logging paddy soil is the highest among four different paddy soil types.

GIS; Paddy field; Soil nutrient; pH; Guizhou

1001-4829(2017)5-1121-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.5.024

2016-07-02

貴州省農業科學院研究生科研創新基金項目“基于GIS的水稻土壤養分豐缺指標數據庫建設”[黔農科合(創新基金)2012009]；貴州省農業科學院專項項目“基于模型的數字化水稻生產管理”[黔農科院院專項(2010)040]

童倩倩(1986-)，女，助理研究員，碩士，從事農業信息技術研究，E-mail：172899499@qq.com,*為通訊作者: 趙澤英(1975-), 男，研究員,碩士,從事農業信息技術研究，E-mail: 605538133@qq.com。

S158

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(責任編輯 陳 靜)