不同滴灌年限小麥土壤速效養分空間變異特征

李亞莉，賴 寧，喬江飛，耿慶龍，陳署晃

(1.塔城地區農業技術推廣中心，新疆塔城 834700；2.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】應用地統計學和克里格內插法是目前分析土壤養分空間變異的主要做法，通過研究滴灌土壤養分積累時空變異，為確定合理試驗田間采樣尺度和釆樣數目，劃分最小施肥單元、提高土壤調查和制圖精度提供理論和數據參考。近年來，不少研究者采用此方法研究不同作物的土壤養分空間變異，建立最優施肥模型以實現農作物的精準施肥。【前人研究進展】雷詠雯等[1]研究了不同尺度條件下的土壤養分含量分布，得出在大尺度條件下土壤中有效磷均呈正態分布，而中尺度和小尺度則呈偏態分布。趙彥峰等[2]研究江蘇省無錫市小尺度的土壤養分空間變異，得出土壤速效養分空間變異在不同程度上依賴于相應全量養分的變化，它們之間存在顯著相關關系。饒江等[3]對廣西蔗區土壤養分進行了小尺度的空間變異研究，表明土壤養分含量空間變異強度均為中等，堿解氮空間變異主要由結構性因素引起，速效磷和速效鉀則為結構性因素和隨機性因素共同引起。自由路等[4]得出不同尺度下的土壤養分變異主要影響因素均不同，在中小尺度下對土壤養分空間變異的主要影響因素為土壤養分管理，而大尺度下的主要影響是區域因素。劉付程等[7-9]則表明各要素的空間變異均與人為因素有關[5]。還有研究者得出某一尺度的系統過程和性質受約于該尺度。賀敬謹、路鵬等[10-11]研究得出小尺度的空間變異程度更有利于精細農業的發展。【本研究切入點】目前，滴灌技術大部分都應用在果樹、棉花等經濟價值較高的作物上，對于小麥、玉米等經濟價值較低的糧食作物上應用滴灌灌溉的實例極少。目前針對滴灌小麥的研究主要集中在灌溉制度和產量上，密植條件下中小尺度的土壤養分空間格局及變異特征研究較少。研究小麥不同滴灌年限土壤速效養分積累的變化規律。【擬解決的關鍵問題】以滴灌小麥為研究對象，采取時空互換的方法，對滴灌根區小尺度土壤養分積累空間變異進行研究，為滴灌小麥土壤調查和施肥技術體系提供理論和數據依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究區位于新疆奇臺縣西地鎮(89°13′～91°22′E，42°25′～45°29′N)，屬于中溫帶大陸性半荒漠干旱性氣候。氣溫年變化和日變化較大，年平均氣溫5.2℃，極端最高氣溫41℃，極端最低氣溫-40℃，年日照時數>3 000 h。風向盛行南風，無霜期年平均153 d(4月下旬～10月上旬)。年降水量190 mm左右，而年蒸發量則高達2 100 mm。土壤類型為鹽漬草甸土，主要種植的農作物有甜菜、小麥、番茄和油葵等，滴灌為主要的灌溉方式。

1.2 方 法

1.2.1 小尺度土壤采樣

在新疆奇臺縣小麥滴灌種植區選擇耕作年限為1、3、5和7年(1、3、5、7 a)的滴灌農田。于2015年7月(小麥收獲)，基于時間及位置分辨率大小，分別對1、3、5、7 a滴灌年限的農田進行小尺度的取樣分析，采用時空互代的方法進行土壤養分空間變異分析。

在田間管理、滴灌帶布設、施肥上一致的基礎上，布設1管4行的種植方式，以支管為界限，設置40 m×40 m的采樣區域，各采樣點東西和南北間距均為10 m，樣點均處于滴灌帶毛管旁，每個點土樣按三層(0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm)取樣。每種滴灌年限麥田樣點數為25個，每個樣點3次重復，共計225個土壤樣品。圖1

圖1 采樣點分布示意
Fig.1 The sampling point distribution diagram

1.2.2 土樣分析

參照土壤農化分析[12]方法，分別測定各處理土壤層中速效氮(Available N, AN)、速效磷(Available P, AP)、速效鉀(Available K, AK)的含量。速效氮(AN)采用堿解擴散法測定，速效磷(AP)采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法測定，速效鉀(AK)采用1 mol/L NH4Ac浸提火焰光度法測定。

1.3 數據處理

使用Microsoft Office Excel 2007(Microsoft公司，美國)進行數據的預處理及描述性統計分析，GS+9.0和ArcGIS9.3分析土壤養分含量的半方差函數模型(土壤變異性函數)以及克里格插值。

2 結果與分析

2.1 描述性統計

研究表明，1、3、5、7 a的滴灌小麥的AN、AP和AK含量的平均值均隨土層深度的增加呈下降趨勢，最大值在0～20 cm土層，最小值在40～60 cm土層，土壤速效養分聚集在土壤表層。

1年AN含量的最大值為158.67 mg/kg，最小值為17.2 mg/kg；AP的含量最大值為33.54 mg/kg，最小值為3.92 mg/kg；AK的含量最大值為652 mg/kg，最小值為240 mg/kg。表1

3年AN含量的最大值為98.2 mg/kg，最小值為26.52 mg/kg；AP含量的最大值27.28 mg/kg，最小值4.02 mg/kg；AK含量的最大值724 mg/kg，最小值281 mg/kg。表2

5年AN含量的最大值為121.74 mg/kg，最小值為20.07 mg/kg；AP含量的最大值23.42 mg/kg，最小值1.09 mg/kg；AK含量的最大值790 mg/kg，最小值338 mg/kg。表3

7年AN含量的最大值為108.7 mg/kg，最小值為11.4 mg/kg；AP含量的最大值32.7 mg/kg，最小值2.9 mg/kg；AK含量的最大值469 mg/kg，最小值156 mg/kg。表4

變異系數(C.V.)是反映離散程度的大小，C.V.<10%為弱變異程度，變異系數在10%≤C.V.≤100%屬于中等變異程度，C.V.>100%為強變異程度[8]。各處理的變異系數均在10%～100%。不同滴灌年限速效養分均呈中等程度變異。表1～4

表1 滴灌1年土壤養分描述性統計
Table 1 Descriptive statistics of soil nutrients for one year of drip irrigation

土壤養分Soil nutrient(cm)土層Layer(cm)最大值Max(mg/kg)最小值Min(mg/kg)中值 Middle(mg/kg)平均值Mean(mg/kg)標準差SD變異系數C.V.(%)AN0～20158.6754.1269.1874.8522.1129.53AP33.547.7912.4818.46.635.84AK652274.5357.5390.16103.8726.62AN20～4091.0331.8951.6154.7212.9623.68AP21.315.2512.0812.23.7230.49AK485250.5321352.0275.5921.47AN40～6094.2617.235.8438.1516.7343.85AP13.113.926.277.782.9437.79AK430240272307.0866.0421.51

表2 滴灌3年土壤養分描述性統計
Table 2 Descriptive statistics of soil nutrients for three years of drip irrigation

土壤養分Soil nutrient(cm)土層Layer(cm)最大值Max(mg/kg)最小值Min(mg/kg)中值Middle(mg/kg)平均值Mean(mg/kg)標準差SD變異系數C.V.(%)AN0～2098.243.3762.1265.4915.8524.2AP27.287.313.613.924.4131.69AK724356.551654092.7817.18AN20～4084.7628.3249.8250.7628.9657.05AP16.825.939.8410.062.7227.05AK795353.5527531.95115.8921.78AN40～6063.826.5237.9938.8710.5327.09AP16.534.027.548.453.6443.08AK720281485478.55104.6921.88

表3 滴灌5年土壤養分描述性統計
Table 3 Descriptive statistics of soil nutrients for five years of drip irrigation

土壤養分Soil nutrient(cm)土層Layer(cm)最大值Max(mg/kg)最小值Min(mg/kg)中值Middle(mg/kg)平均值Mean(mg/kg)標準差SD變異系數C.V.(%)AN0～20121.7448.0366.9568.2916.3423.92AP23.426.0310.0811.144.0236.11AK790342472492.999.6920.23AN20～4075.9826.5244.2146.9130.1564.27AP10.423.547.056.991.9227.29AK672.5348460463.470.7115.26AN40～6049.720.0732.9732.538.3925.79AP11.351.094.324.682.1345.51AK496338428425.0442.8710.08

表4 滴灌7年土壤速效養分描述性統計
Table 4 Descriptive statistics of soil nutrients for seven years of drip irrigation

土壤養分Soil nutrient(cm)土層Layer(cm)最大值Max(mg/kg)最小值Min(mg/kg)中值Middle(mg/kg)平均值Mean(mg/kg)標準差SD變異系數C.V.(%)AN0～20108.740.855.959.414.624.5AP32.711.716.7184.826.7AK469205290.829048.716.8AN20～40119.111.441.244.219.243.4AP23.9511.211.43.833.2AK342167249.5245.945.118.3AN40～6058.711.428.129.513.746.3AP17.32.95.67.64.153.7AK300156193.5206.535.717.3

2.2 半方差函數模型

研究表明，塊金系數(表達式為C0/C0+C(%))是塊金值(Nugget，用Co表示)與基臺值(Sill)的比，C0/C0+C(%)<25%表現為強烈空間相關性，25%≤C0/C0+C(%)<50%表現為明顯的空間自相關，50%≤C0/C0+C(%)<75%表現為中等空間自相關，75%≤X<100%表現為自相關性微弱。)變異主要由隨機變異組成，不適合采用空間插值的方法進行空間預測[13]。

滴灌1 a，土壤層0～60 cm的AK的含量均呈中等空間相關性，土壤層20～40 cm的AN、AP含量均呈明顯空間自相關，土壤層40～60 cm的AP含量呈強烈空間相關性。滴灌3 a，土壤層0～20 cm的AN、AP的含量均呈中等空間相關性，AK呈明顯空間自相關；土壤層20～40 cm的AN、AP呈明顯的空間自相關，AK呈中等空間相關性；土壤層40～60 cm的AN、AP、AK呈明顯空間自相關。滴灌5 a，土壤層0～20 cm的AN、AK呈中等空間自相關，AP呈明顯空間自相關；土壤層20～40 cm AN呈中等空間自相關，AP、AK呈明顯的空間自相關；土壤層40～60 cm AN呈中等空間自相關，AP呈空間自相關。滴灌7 a，AN含量在土壤層0～20 cm、40～60 cm呈中等空間自相關，土壤層20～40 cm呈空間自相關；土壤層0～20 cm AP呈空間自相關，土壤層20～60 cm呈中等空間自相關；土壤層0～20 cm、40～60 cm AK呈空間自相關，土壤層20～40 cm呈中等空間自相關。表5～8

表5 滴灌1年不同土層深度土壤小尺度半方差函數模型
Table 5 Small-scale semivariogram model of different soil depths under drip irrigation for one year

土壤養分Soil nutrient土層深度Soil layer (cm)模型ModelC0/C0+C(%)R2變程Variation殘差RSSDAN0～20高斯59.440.712.152.681.83AP球形43.680.473.833.921.03AK球形64.480.748.914.680.59AN20～40高斯42.170.671.172.561.22AP球形42.190.643.261.721.28AK球形58.620.583.091.651.65AN40～60球形48.560.712.260.191.48AP球形23.310.784.150.280.46AK球形52.310.582.140.351.62

表6 滴灌3年不同土層深度土壤小尺度半方差函數模型
Table 6 Soil semivariogram model of different soil depths under drip irrigation for 3 years

土壤養分Soil nutrient土層深度Soil layer (cm)模型ModelC0/C0+C(%)R2變程Variation殘差RSSDAN0～20高斯63.450.853.243.180.94AP高斯56.250.421.724.071.11AK高斯45.580.650.781.191.98AN20～40高斯45.680.583.761.041.88AP高斯46.790.576.448.060.69AK球形57.450.678.241.151.29AN40～60高斯38.190.764.563.381.78AP高斯45.140.529.523.871.43AK高斯15.280.694.321.210.78

表7 滴灌5年不同土層深度小尺度半方差函數模型
Table 7 Soil semivariogram model of different soil depths under drip irrigation for 5 years

土壤養分Soil nutrient土層深度Soil layer (cm)模型ModelC0/C0+C(%)R2變程Variation殘差RSSDAN0～20球形65.150.681.052.431.36AP球形39.650.804.321.621.15AK高斯69.270.628.233.561.29AN20-40高斯54.290.871.436.411.56AP球形36.450.765.821.651.93AK高斯45.440.692.311.340.98AN40-60高斯52.240.662.562.351.27AP高斯28.690.414.500.291.98AK高斯28.820.682.243.151.12

表8 滴灌7年不同土層深度土壤小尺度半方差函數模型
Table 8 Soil semivariogram model of different soil depths under drip irrigation for 7 years

土壤養分Soil nutrient土層深度Soil layer (cm)模型ModelC0/C0+C(%)R2變程Variation殘差RSSDAN0～20高斯58.120.643.181.992.21AP高斯42.140.452.184.621.06AK球形45.170.767.243.151.28AN20～40高斯45.160.691.081.144.14AP球形36.190.76.441.520.98AK球形59.680.481.283.321.7AN40～60球形52.150.581.090.842.43AP高斯65.190.665.480.761.04AK球形46.030.653.112.921.97

2.3 克里格插值

研究表明，滴灌1年，AN、AP、AK含量在土壤層0～20 cm和40～60 cm分別呈片狀、破碎狀和片狀分布，AN、AK高值分布在北部，AP含量南部高于北部。

滴灌3年，土壤層0～20 cm養分含量分布主要呈現層狀、點狀和破碎狀，空間變異明顯；AN含量在土壤層0～40 cm主要分布在中部、南部，且隨土壤層深度的增加而逐漸降低，土壤層40～60 cm的養分含量由東北部和西南部向中心遞減；土壤層0～40 cm的AP含量高值區在西北部，依次向東南部遞減，土壤層40～60 cm的養分含量呈明顯的點狀和片狀分布；AK含量隨著土壤層深度的增加而含量逐漸降低，均由東南部向西北部遞減。

滴灌5年，AN、AP、AK含量總體上呈層狀分布，土壤層0～20 cm的AN含量的高值區主要分布在西南部，由西南部向東北部遞減，土壤層20～60 cm的AN含量的高值區主要分布在東部，由東部向西部遞減；AP含量在耕層(0～20 cm)空間變化顯著，主要是因為作物的吸收方式以及和人為施入的磷素有關，隨著土層深度的增加含量急速遞減，高值區主要分布在南部；土壤層0～20 cm、40～60 cm的AK含量最高值分布在東南部，土壤層20～40 cm的最高值分布在東部。

滴灌7年，AN的含量呈片狀、破碎狀分布，高值區在中部和南部；AP的含量呈現片狀、點狀分布，土壤層0～20 cm含量由北向南遞減，土壤層20～40 cm含量由西向東遞減；AK的含量呈現片狀分布，各土層由西向東遞減。圖2～5

圖2 滴灌1年土壤速效養分空間分布
Fig.2 Spatial distribution of soil available nutrients in drip irrigation for 1 years

圖3 滴灌3年土壤速效養分空間分布
Fig.3 Spatial distribution of soil available nutrients in drip irrigation for 3 years

圖4 滴灌5年土壤速效養分空間分布

Fig.4Spatialdistributionofsoilavailablenutrientsindripirrigationfor5years

圖5 滴灌7年土壤速效養分空間分布
Fig.5 Spatial distribution of soil available nutrients in drip irrigation for 7 years

3 討 論

研究結果表明，在滴灌耕作過程中，隨著耕地年限的變化，小尺度上土壤養分含量的累積和分布也發生了變化。Schlesinger等[14]研究表明，土壤養分含量空間變異性與土壤種植方式密切相關。王海江等[15]研究表明，小尺度土壤養分含量空間變異程度下降，在空間上趨于均一。該文基于小尺度分析了滴灌1 a、3 a、5 a、7 a的AN、AP、AK的含量分布特征，描述性統計表明，隨著土層深度的增加速效養分平均值呈現下降趨勢，各速效養分最大值在土壤層0～20 cm，最小值在土壤層40～60 cm。土壤速效養分含量大部分都聚集于表層，且不同滴灌年限速效養分均為中等程度變異(10%～100%)。

滴灌1年，土壤層0～20 cm AN的含量空間分布主要受隨機因素的影響，土壤層0～60 cm的AK都呈中等空間相關性，土壤層20～40 cm AN、AP含量呈明顯空間自相關，土壤層40～60 cm AP則呈強烈的空間相關性。滴灌3年，土壤層0～20 cm的速效氮和速效磷為中等空間自相關，這表明該土層土壤養分空間分布主要由施肥、灌溉等人為因素和地理因素(成土母質和成土過程)共同作用形成，速效鉀為明顯的空間自相關，主要受地理因素的影響；土壤層20～40 cm的AN、AP呈明顯的空間自相關，AK含量呈中等空間相關性；土壤層40～60 cm AN、AP、AK呈明顯空間自相關。說明隨著土層深度的增加，地理因素為主要因素。滴灌5年，土壤層0～20 cm的AN、AK含量呈中等空間自相關，AP則呈明顯的空間自相關，土壤層20～40 cm的AN呈中等空間自相關，AP和AK則呈明顯的空間自相關，土壤層40～60 cm的AN含量呈中等空間自相關，AN、AK呈空間自相關。滴灌5年，AN、AP、AK的含量隨著土層深度的增加，塊金系數逐漸降低，說明耕層土壤養分分布主要受人為因素的影響，隨著土層深度的增加地理因素影響更顯著。滴灌7年，土壤層0～20 cm、40～60 cm的AN含量呈中等空間自相關，表明速效養分含量分布主要受自然因素和隨機因素的共同影響；土壤層20～40 cm呈空間自相關；土壤層0～20 cm的AP含量呈空間自相關，土壤層20～60 cm呈中等空間自相關；土壤層0～20 cm、40～60 cm的AK含量呈空間自相關，土壤層20～40 cm呈中等空間自相關。

克里格插值表明，滴灌1 a、3 a、5 a和7 a土壤速效養分均呈現層狀、點狀和破碎狀分布，小尺度上養分空間變異較明顯，這可能與研究區生境復雜多樣、作物的吸收方式和施肥管理有關。滴灌3年，磷元素可移動性較差，其含量變化與采樣點位置密切相關。滴灌5年，在土壤層0～20 cm土層中，AN的高值區主要分布在西南部，由西南部向東北部遞減，土壤層20～60 cm的AN含量高值區主要分布在東部，由東部向西部遞減，這是因為0～20 cm為耕作層，AN含量的空間分布受人為耕作，作物生長、氣候環境和吸收方式的共同影響；AP含量在耕層(0～20 cm)空間變化顯著，主要是因為作物的吸收方式以及和人為施入的磷素有關，隨著土層深度的增加含量急速遞減，高值區主要分布在南部；AP含量在耕層(0～20 cm)空間變化顯著，主要是因為作物的吸收方式以及和人為施入的磷素有關，隨著土層深度的增加含量急速遞減，高值區主要分布在南部；AK在土壤層0～20 cm、40～60 cm最高值分布在東南部，土壤層20～40 cm的最高值分布在東部，說明AK的養分空間分布也受土壤黏粒的影響[7]。在不同年限的滴灌耕作過程中，距離滴灌帶的土壤養分片狀分布越明顯，這是由于土壤養分通過小麥的生物富集，與周圍的裸地相比，在小麥種植區形成一個個養分富集區，即距離滴灌帶越遠土壤養分含量明顯較低。土壤中生長的植物及其生長格局的不同會引起土壤中鹽分、有機質和養分分布格局的變化[16]。而在內蒙古濕地離植物群落中心越遠，土壤中的養分含量逐漸降低[17]。

基于以上研究結果，為了充分說明不同滴灌年限小麥土壤養分的空間變異的差異，應延長種植年限，并且在較大的尺度上進一步研究，以全面剖析滴灌小麥土壤養分空間變異的特征。

4 結 論

4.1 不同滴灌年限小麥的土壤速效養分(速效氮、速效磷和速效氮)含量的最大值均在耕層(0～20 cm)，且隨著土層深度的增加而逐漸降低；不同滴灌年限土壤的速效氮、速效磷和速效鉀變異系數為弱變異和中等變異程度。

4.2 不同滴灌年限的土壤速效養分在小尺度空間異質性程度不同，呈明顯空間自相關和中等空間相關性。說明，不同滴灌年限的土壤養分的空間分布主要受人為因素和隨機因素的共同影響。

4.3 不同滴灌年限土壤的速效氮、速效磷和速效鉀含量主要呈現片狀、塊狀和點狀分布，耕層(0～20 cm)的速效養分空間分布主要受人為因素，氣候環境、作物吸收方式和地形的共同影響，底層(40～60 cm)的土壤養分空間分布則與地理因素有關。

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