江蘇省域農田土壤速效鉀含量變化及其影響因子研究①

全思懋，管曉進，王緒奎，胡 鋒*

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江蘇省域農田土壤速效鉀含量變化及其影響因子研究①

全思懋1，管曉進2，王緒奎3，胡 鋒1*

(1 南京農業大學資源與環境科學學院，南京 210095；2環境保護部南京環境科學研究所，南京 210042； 3 江蘇省耕地質量與農業環境保護站，南京 210036)

為研究江蘇省域農田土壤速效鉀含量的變化特征及其影響因子，根據2008年和2015年江蘇省基本農田質量長期監測點實測數據，運用經典統計學和地統計學分析了土壤速效鉀的時空變化，運用多因素方差分析探明了成土母質、氣候、種植制度、化肥因子對土壤速效鉀含量變化的影響及不同影響因子間的交互效應。結果表明：①2015年江蘇農田土壤速效鉀平均含量為107.9 mg/kg，與2008年相比無顯著變化；②與2008年相比，2015年江蘇沿海地區農田土壤速效鉀含量下降明顯，其中鹽城部分地區下降最多，達10.0 ~ 30.5 mg/kg；徐淮部分地區土壤速效鉀含量增加較多，達10.1 ~ 20.5 mg/kg；③成土母質、氣候、鉀肥對2008—2015年江蘇農田土壤速效鉀含量的變化存在顯著影響。在鉀肥超低投入下速效鉀含量的變化主要受成土母質和氣候影響，在鉀肥低投入及以上水平，速效鉀含量的變化主要受鉀肥投入影響，說明施用鉀肥是提高土壤速效鉀含量的主要途徑。

江蘇省；農田土壤；速效鉀；時空變化；影響因子

鉀與氮、磷是植物生長必需的三大營養元素。速效鉀作為植物能夠直接吸收的鉀素形態，通常被視作衡量土壤供肥能力的重要指標之一。土壤速效鉀主要來源于土壤礦物的釋放、鉀肥投入以及植物秸稈中鉀的返還，植物吸收和鉀素徑流是土壤速效鉀減少的主要途徑[1-2]。長期以來，學術界通過實驗或統計分析研究了成土母質、氣候、土壤質地、土壤pH、施肥、種植制度等影響因子與土壤速效鉀轉化循環的關系[3-6]，為提升土壤鉀素的有效性，增加土壤速效鉀含量提供了科學依據。但這些研究大多是針對土壤鉀素有效性或土壤速效鉀含量變化的單一影響因子研究，對不同影響因子之間交互作用，特別是自然因素與施肥等人為因素之間的交互效應探討較少。

研究表明，第二次土壤普查后江蘇省農田土壤速效鉀含量一直處于下降趨勢，直到20世紀90年代中期推廣“補鉀工程”，這一趨勢才得到遏制[7-9]。為了對土壤鉀素資源進行科學管理，不少學者圍繞江蘇農田土壤速效鉀的時空變異及其影響因子開展了大量研究。徐茂[10]研究發現，江蘇環太湖地區21世紀初的土壤速效鉀含量與第二次土壤普查相比總體持平，自然因素和人為因素對該地區土壤速效鉀的影響力相當；楊艷麗等[11]和沈德福等[12]分別對江蘇北部和沿江地區的土壤養分空間變異進行研究，認為土壤速效鉀受成土母質影響顯著，同時受生物、氣候等條件影響深刻。孫瑞娟等[13]研究認為，鉀肥投入不足是導致蘇南地區土壤速效鉀含量下降的重要原因。這些研究大多集中于較小的行政區域或特定流域，研究方式一般為近年來的肥力數據與第二次土壤普查的結果進行對比，缺乏對近年來全省農田土壤速效鉀含量變化的長期定位監測研究，對土壤速效鉀的各影響因子交互效應也較少涉及。

本文基于江蘇基本農田質量長期監測點土壤速效鉀的實測數據，分析了2008—2015年全省農田土壤速效鉀的時空變異特征，并運用多因素方差探明了成土母質、氣候、種植制度、化肥對土壤速效鉀含量變化的影響及不同影響因子間的交互效應，為提升江蘇農田土壤鉀素資源的功能潛力和利用效率提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

江蘇省位于我國東部，地處長江、淮河下游，介于116°22'~ 121°55'E、30°46'~ 35°07'N，東濱黃海，西鄰安徽省，北接山東省，南與上海市和浙江省毗鄰，主要由蘇南平原、江淮平原、黃淮平原和東部濱海平原組成。全省成土母質按其成因可分為9類，分別為殘積母質、坡積母質、河流沖積母質、黃土和黃土狀堆積母質、第四紀紅土母質、火山噴發堆積母質、瀉湖相沉積母質、三角洲相沉積母質和海相沉積母質[14-15]。根據熱量和降水量的地區分布差異，全省農業氣候區劃可劃分為濕潤亞熱帶、濕潤暖溫帶和半濕潤暖溫帶3個氣候帶類型[16]。江蘇經濟發達，耕地資源約束矛盾突出，農業集約化程度高，化肥單位面積投入是全國平均水平的1.5倍[17]；隨著現代農業發展，全省農業種植結構發生了顯著變化，糧食種植面積比重有所下降，蔬菜、瓜果種植面積比重上升較快，2000年以來蔬菜類成為江蘇除水稻和小麥以外的第三個種植面積最多的作物[18]。

1.2 數據來源

數據來自于300個江蘇省基本農田質量長期監測點2008年和2015年的監測數據(圖1)。監測點設在永久性耕地的典型地塊上，中心點用GPS定位。每年最后一季作物收獲后，在監測地塊采集土壤樣品進行測試分析，每個樣品由20個以上取樣點采土混合。土壤速效鉀含量采用醋酸銨浸提-火焰光度計法進行測定。

圖1 江蘇省基本農田質量監測點分布

每個監測點的采集內容還包括成土母質、種植制度、氣候類型和化肥投入等肥力影響因子信息(表1、表2)。全省300個監測點的主要成土母質可分為瀉湖相沉積母質、三角洲相沉積母質、黃土和黃土狀堆積物、河流沖擊母質和海相沉積母質5類(殘積母質、坡積母質、第四紀紅土母質、火山堆積母質發育的土壤監測點均少于3個，予以舍去)，種植制度分為稻麥輪作、棉玉旱作、蔬菜、茶果4類；氣候類型依據監測點的GPS經緯度，參照買苗等[16]對江蘇省氣候帶劃分及其地理分布的研究，將300個監測點歸類為濕潤亞熱帶、濕潤暖溫帶和半濕潤暖溫帶。化肥投入的等級以全省稻麥輪作化肥投入量為參考，運用統計軟件SPSS“可視分箱”對監測點的化肥投入量進行等級自動劃分。

表1 研究區成土母質、氣候類型、種植制度

表2 研究區化肥投入種類及等級劃分

1.3 數據分析

為保證分析結果的可靠性，用“平均值加二倍標準差法”剔除異常值，最終用于分析的樣點數為298個。

利用GS+9.0軟件對速效鉀含量進行半方差分析，運用ArcGIS10.1軟件進行基本克里金插值。采用多因素方差分析對土壤速效鉀時空變異的影響因子進行研究。以實測點2008—2015年速效鉀含量的變化值為因變量，以成土母質、氣候類型、種植制度、化肥為自變量，運用SPSS 23.0中一般線性模型TypeⅢ平方和分析模型，在全變量模型的基礎上，依據測驗，采用顯著水平= 0.05，逐步淘汰不顯著的影響因子，直至模型中所含因子均顯著為止，得到最終的優化模型。

2 結果與分析

2.1 土壤速效鉀含量變化特征

統計結果顯示，2008年、2015年江蘇省農田土壤速效鉀含量均呈偏態分布，經對數變換后符合正態分布。2008年、2015年土壤速效鉀含量分別為106.4 mg/kg和107.9 mg/kg，二者差異不顯著，兩個年份變異系數分別為42.67% 和36.43%(表3)。

表3 江蘇省農田土壤速效鉀含量統計特征(2008年和2015年)

2.2 土壤速效鉀空間變異特征

采用對數轉換數據對土壤速效鉀含量進行半方差分析，2008年土壤速效鉀的半方差擬合模型為球狀模型，2015年為指數模型，兩個模型的擬合決定系數均達到顯著水平(表4)。與2008年相比，2015年土壤速效鉀的塊金值(0)和基臺值(0+)均有所下降，說明速效鉀的隨機變異和總變異在強度上均有較大程度的減小。就塊金值占基臺值比(0/(0+))而言，速效鉀在兩個時期均具有中等的空間自相關性，但2015年的空間自相關性有所降低，變程也有所減小。

表4 土壤速效鉀含量對數值半方差函數理論模型及相關參數(2008年和2015年)

注：塊金值占基臺值比(0/(0+))表明系統變量的空間相關性的程度。比值＜25%，說明系統具有強烈的空間相關性；比值在25% ~ 75% 之間，表明系統具有中等的空間相關性；比值＞75%，說明系統空間相關性很弱。

圖2A、圖2B分別是2015年和2008年江蘇農田土壤速效鉀含量的空間分布圖，兩個年份的空間分布規律基本一致，總體而言，東部高于西部、蘇北高于蘇南。速效鉀含量高于130 mg/kg的土壤集中分布在蘇北沿海地區；蘇中泰州、如皋等地的土壤速效鉀含量最低，低于80 mg/kg。與2008年相比，2015年江蘇農田土壤速效鉀含量下降的地區主要集中在沿海地區，其中鹽城部分地區下降最多，達10.0 ~ 30.5 mg/kg；土壤速效鉀含量增加較多的區域主要集中在徐淮部分地區，達10.1 ~ 20.5 mg/kg(圖2C)。

(A. 2015年土壤速效鉀分布；B. 2008年土壤速效鉀分布；C. 土壤速效鉀含量變化(2008—2015年))

2.3 土壤速效鉀含量變化的影響因子

表5是 2008—2015年江蘇農田土壤速效鉀含量變化影響因子的多因素優化模型。結果顯示，成土母質、氣候、鉀肥、鉀肥×成土母質、鉀肥×氣候對速效鉀的含量變化存在顯著影響，氮肥、磷肥、種植制度以及作為協變量的土壤有機質對速效鉀的含量變化影響不顯著。從模型中各因子的III類平方和來看，各因子對土壤速效鉀含量變化的影響力依次為：鉀肥>鉀肥×成土母質>成土母質>鉀肥×氣候>氣候，鉀肥是土壤速效鉀含量變化的主要影響因素。

表5 2008—2015年土壤速效鉀含量變化影響因子多因素優化模型

注：在全變量模型分析結果的基礎上，依據測驗，采用顯著水平= 0.05，逐步淘汰不顯著的影響因子，直至模型中所含因子均顯著為止。

鉀肥分別與成土母質、氣候存在交互效應，說明在不同的成土母質和氣候類型下，鉀肥使用量的不同對土壤速效鉀含量的變化存在顯著差異。總體而言，在鉀肥超低投入和低投入下土壤速效鉀含量呈現下降，在鉀肥中等投入和高投入下土壤速效鉀含量呈現上升，說明江蘇農田鉀肥投入只有達到中等投入以上，才能實現土壤速效鉀含量的增加。

圖3顯示，鉀肥超低投入時，河流沖擊物母質土壤的速效鉀含量幾乎沒有變化，海相沉積母質土壤有所下降，其他3種成土母質發育的土壤速效鉀含量下降較多；在鉀肥低投入、中等投入和高投入下，不同成土母質條件下土壤速效鉀含量的變化差異不顯著。圖4顯示，鉀肥超低投入時，濕潤亞熱帶土壤速效鉀的減少含量顯著低于濕潤暖溫帶和半濕潤暖溫帶；在鉀肥低投入、中等投入和高投入下，不同氣候類型下土壤速效鉀含量的變化差異不顯著。

(估算邊際平均值是指因變量受多個自變量交互影響的情況下，控制其他自變量，單純在一個自變量作用下的因變量均值[19])

3 討論

研究結果顯示，2008—2015年江蘇農田土壤速效鉀含量無顯著性變化，這與郁潔等人[20]的研究結果較為一致。2008年和2015年江蘇農田土壤速效鉀均具有中等的空間自相關性，說明成土母質、氣候等自然因素和施肥等人為因素對速效鉀空間變異的影響大致相當，這與該地區土壤速效鉀含量變化影響因子的多因素方差分析結果較為吻合。與2008年相比，2015年江蘇農田土壤速效鉀的空間自相關性有所降低，表明人為因素對土壤速效鉀含量的影響在增加，自然因素的影響在下降，這與孫永健等[21]的研究結果一致。

圖4 鉀肥和氣候對2008—2015年土壤速效鉀含量變化的影響

鉀肥與成土母質存在交互效應，是影響江蘇省農田速效鉀變化的主要因素。鉀肥超低投入時，成土母質是影響土壤鉀含量的主要因子[22-23]。土壤礦物中鉀長石、微斜長石、水云母富含鉀素[24]，含有這幾類礦物的成土母質發育的土壤鉀含量均較高。如蘇北地區河流沖擊母質以富含鉀素的水云母為主；蘇南地區主要為三角洲相、瀉湖相、黃土和黃土狀堆積母質，水云母含量較低，這是蘇南、蘇北土壤速效鉀含量差異的主要原因之一[14]。隨著鉀肥投入量的逐步增加，不同成土母質和氣候帶土壤速效鉀含量的變化差異不明顯，且所有成土母質和氣候帶土壤的速效鉀含量均隨鉀肥的投入量增加而上升，而鉀肥投入低的地區土壤速效鉀含量低，因此鉀肥成為影響土壤速效鉀含量變化的主要因素。本研究中，2008—2015年間江蘇鹽城地區土壤速效鉀含量下降較多，這與鉀肥投入不足相關。如鹽城建湖縣域范圍，同期鉀肥年均投入折純僅為0.36 kg/hm2，遠遠低于全省0.51 kg/hm2的平均水平。

氣候也是影響土壤速效鉀含量的重要因子，土壤鉀的影響主要體現在氣溫和降水對土壤交換性鉀釋放。金繼運等[25]研究表明，在5、25和40℃3種溫度下，隨著溫度的升高，土壤供鉀能力增加、緩沖性能下降。有研究認為，在淹水條件下土壤溶液中有大量的可溶性Fe2+能從黏土復合體中取代出交換性鉀，使交換性鉀保持在較高的水平[4-5]；吳利杰等[26]定量分析了近萬年以來氣候變化與土壤鉀素演變規律，發現年均降水量越大或年均氣溫越高，土壤中速效鉀、緩效鉀含量也越高。本研究中，鉀肥超低投入下氣候對土壤速效鉀含量變化的影響顯著，其中濕潤亞熱帶土壤速效鉀減少量顯著低于濕潤暖溫帶和半濕潤暖溫帶，這可能是因為濕潤亞熱帶高溫高濕環境更有利于土壤緩效鉀的釋放，當土壤供鉀能力無法滿足作物需求時，土壤中難溶性礦物鉀及緩效鉀會逐漸轉化為速效鉀，這一現象與金繼運等[25]和吳利杰等[26]的研究結果比較吻合。此外，江蘇濕潤亞熱帶地區以稻麥輪作制度為主，在干濕交替條件下，由于無定型鋁硅酸鹽或鐵鋁氧化物結晶度的提高和水化度的降低，土壤對速效鉀的固鉀量會降低[1]。徐國華等[3]報道，經過干濕交換處理能促進低鉀水平的土壤中交換性鉀的釋放。這可能也是江蘇濕潤亞熱帶地區在鉀肥超低投入下土壤速效鉀含量下降較少的原因之一。

4 結論

與2008年相比，2015年江蘇省域農田土壤速效鉀平均含量無明顯變化；就不同地區而言，同期江蘇沿海地區農田土壤速效鉀含量下降明顯，其中鹽城部分地區下降最多。

成土母質、氣候、鉀肥對2008—2015年江蘇農田土壤速效鉀含量的變化存在顯著影響，其中成土母質與氣候、鉀肥分別存在交互效應。總體而言，土壤速效鉀含量的變化值隨著鉀肥投入量的增加而增加。在鉀肥超低投入下速效鉀含量的變化主要受成土母質和氣候影響，在鉀肥低投入及以上水平，速效鉀含量的變化主要受鉀肥投入影響，說明鉀肥是土壤速效鉀含量變化的主要影響因素。

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Changes of Soil Available Potassium Content in Farmland in Jiangsu Province and Its Influential Factors

QUAN Simao1, GUAN Xiaojin2, WANG Xukui3, HU Feng1*

(1 College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2 Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China; 3 Jiangsu Station of Farmland Quality and Agro-Environmental Protection, Nanjing 210036, China)

In order to investigate the change of soil available potassium in farmlands in Jiangsu Province and its influential factors, the data of the long-term monitoring points of farmlands in 2008 and 2015 were used to analyse the temporal and spatial variation of soil available potassium by classical statistical and geostatistical methods, and multifactor analysis was used to study the effects of parent material, climate, cropping system, fertilizer and their interaction on the change of soil available potassium. The results showed that the average content of soil available potassium was 107.9 mg/kg in 2015, insignificantly different with 2008. The contents of soil available potassium in coastal areas decreased obviously in 2015 compared with 2008, and the largest decrease appeared in Yancheng city, decreased by 10.0-30.5 mg/kg; While the largest increase appeared in Xuhuai region, increased by 10.1-20.5 mg/kg. Soil parent material, climate and potash fertilization had significant effects on the content of soil available potassium from 2008 to 2015. Soil parent material and climate dominated the change of soil available potassium under the extreme-low input level of potassium fertilizer, but potash fertilization dominated that under the low and higher input levels of potassium fertilizer, indicating potash fertilization is the main measure to improve soil available potassium content.

Jiangsu Province; Farmland soil; Available potassium; Temporal and spatial variation; Influential factors

公益性行業(農業)科研專項(201503121)資助。

(fenghu@njau.edu.cn)

全思懋(1978—)，男，江蘇泰州人，副研究員，博士研究生，主要從事土壤生態研究。E-mail: smquan@njau.edu.cn

10.13758/j.cnki.tr.2019.02.007

S158

A