川芎主產區土壤養分空間變異及豐缺評價△

彭芳，吳宇，陶珊，袁燦，施田田，陳媛媛，沙秀芬，廖雪梅，廖緒紅，李生翠，張超*

1.四川省農業科學院 經濟作物育種栽培研究所，四川 成都 610399；2.四川農業大學 水稻研究所，四川 成都 611130；3.四川師范大學 生命科學學院，四川 成都 610101

川芎是我國特大宗常用藥材之一，具有活血行氣、祛風止痛的功能。成都平原是川芎的主產區。四川省中醫藥管理局發布的《四川省中藥材產業發展規劃(2018—2025年)》顯示，川芎種植面積常年保持在9萬畝(1畝≈666.67 m2)以上，年產量占全國總產量的90%以上。川芎傳統種植習慣是施用豬糞水、草木灰等農家肥和油枯。近年來，川芎種植區內施用肥料種類極為單一，氮磷鉀復合肥投入比例高(>90%)，每畝平均施肥量為67 kg，且農戶間用量差異大(每畝施用量為5～113 kg)，極易導致土壤養分失衡，不利于川芎藥材品質的穩定可控[1]。適宜的土壤pH和養分含量直接影響川芎的生長發育，進而影響川芎藥材的產量及品質。因此，進行川芎土壤的營養診斷是實現科學精準施肥的關鍵。本研究在川芎主產區進行科學取樣，利用地質統計學技術分析土壤pH和7個養分指標的空間變異規律，結合土壤外觀色度進行相關性分析，了解川芎主產區土壤的元素豐缺狀況及人為栽培管理活動對其影響，以期為川芎種植區的合理規劃和平衡施肥等提供參考。

1 材料

1.1 試藥

2018年4—8月，參考目前各產區川芎的實際栽培面積，采用全球定位系統(GPS)開展川芎產區土壤定點取樣工作，共取樣173個(表1)。選取農戶種植面積在1畝以上的川芎田塊進行土壤取樣，用手持GPS測量田塊中心的經緯度、海拔高度，取樣方法根據田塊形狀不同而采取不同取樣方法(5點取樣法或“W”形取樣法)，每個田塊至少取5點以上，取耕層土壤(0～20 cm)，用4分法取土樣約1 kg，經風干、研磨、過100目篩后制成待測土樣。

表1 川芎主產區土壤取樣點

磷酸二氫鉀、氯化鉀均為基準試劑，購于天津科密歐化學試劑公司；銅、鋅、錳、鐵標準溶液(國家有色金屬及電子材料分析測試中心)；土壤有效態HTSB-5(標準物質，陜西省地質礦產實驗研究所)；硫酸、高錳酸鉀、鹽酸、氨水、三乙醇胺、二乙烯三胺五乙酸、氟化銨、碳酸氫鈉均為分析純，購于成都市科隆化學品有限公司；氫氧化鈉(分析純，天津市大陸化學試劑廠)；硼酸(分析純，天津市致遠化學試劑有限公司)；鉬酸銨、乙酸銨、酒石酸銻鉀、2，4-二硝基酚均為分析純，甲基紅、溴甲酚綠均為指示劑，購于國藥集團化學試劑有限公司；硝酸(優級純，成都金山化學試劑有限公司)；抗壞血酸(分析純，北京索萊寶科技有限公司)；還原鐵粉(分析純，天津市鼎盛鑫化工有限公司)；二水合氯化鈣(分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；水為經過和泰smart-suvf水處理系統處理后的去離子水。

1.2 儀器

雷磁PHS-3E型pH計(上海儀電科學儀器股份有限公司)；XMTA-4T型消化爐(上海喬躍電子有限公司)；K1100型全自動凱氏定氮儀(海能未來技術集團股份有限公司)；Lambda25型紫外-可見分光光度計(珀金埃爾默企業管理有限公司)；SAN++型連續流動分析儀(荷蘭SKALAR分析儀器公司)；ICPE-9820型電感耦合等離子體發射光譜儀(日本島津公司)；CM-700D型手持分光測色計、CM-A184型粉末測試裝置(日本柯尼卡美能達公司)；ZD-85型氣浴恒溫振蕩器(江蘇金壇市醫療儀器廠)；T-214型分析天平(北京賽多利斯儀器系統有限公司)；Avanti J-E型多用途高效離心機(美國貝克曼庫爾特有限公司)。

2 方法

2.1 研究區概況

研究區域位于四川省成都平原的33個鄉鎮103個村，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，全年平均氣溫18 ℃，年平均降水量>1000 mm，川芎種植面積>9萬畝。土壤類型主要為水稻土、紫色土，種植制度為水稻與川芎輪作，施肥以氮磷鉀復合化肥為主。

2.2 樣品測定

土壤pH采用玻璃電極法測定[2]；土壤全氮采用凱氏定氮法測定[3]；土壤有效磷采用鉬銻抗比色法測定[4]；土壤速效鉀采用火焰光度法測定[5]；土壤中4種有效態元素銅、鋅、錳、鐵用二乙烯三胺五乙酸浸提-電感耦合等離子體發射光譜法測定[6]。

土壤色度測定利用手持分光測色計進行[7]。測量方式為鏡面反射光和漫反射光測量模式，照明光源D65，視場選擇10°，孔徑選擇8 mm目標罩(含穩定片，CM-A178)。以CIE(L*a*b*)顏色空間來定量描述土壤粉末顏色值。其中，L*軸代表明暗度，其值越大就感覺越白，其值越小就感覺越黑；a*軸代表紅綠方向，+a*為紅方向，-a*為綠方向；b*軸代表黃藍方向，+b*為黃方向，-b*為藍方向。

2.3 數據處理和分析

采用地質統計學軟件GS+7.0對經過異常值替換處理后的數據進行半方差函數分析和模型選擇(主要包括球狀、指數、高斯和線性模型)，隨后，采用ArcGIS 10.2軟件中普通克里格法對土壤營養元素含量進行基于區域化理論的多元回歸分析，得到營養元素的空間變異圖，將區域內的點信息轉化為面信息。半方差函數主要模型的表達式如下。

球狀模型：

(1)

指數模型：

(2)

高斯模型：

(3)

線性模型：

(4)

上式中，h表示采樣點間距；C0為塊金值，是由隨機因素(耕作、施肥、管理水平等)引起的變異；C1是由結構性因素(母質、地形、氣候等)引起的變異；C(C=C0+C1)為基臺值，是半方差隨間距遞增到一定程度后出現的平穩值，即系統內的總變異；塊基比C0/C表示由隨機因素引起的空間變異占系統總變異的比例，即空間變異程度，塊基比<25%表示系統具有強烈空間自相關，25%<塊基比<75%表示系統具有中等程度空間自相關，塊基比>75%表示系統空間相關性弱；A為常數，表示直線的斜率；a為變程，是土壤養分的空間相關性范圍，h≥a時，樣品間是相互獨立的，h

2.4 評價標準

土壤分級評價參考《四川土種志》的分級標準[8]，見表2。

表2 不同級別土壤養分評價標準

3 結果

3.1 川芎土壤主要養分的基本特征

川芎主產區土壤主要養分的基本特征見表3。根據不同級別土壤養分評價標準，川芎主產區分別有60.12%土壤中全氮質量分數屬于極豐富水平，77.46%土壤中有效磷質量分數屬于極豐富水平，兩者均值分別為2.18、72.07 mg·kg-1，提示在川芎配方施肥時要適當控制外源氮和磷的加入量。速效鉀質量分數均值為182.54 mg·kg-1，仍有17.92%的川芎主產區土壤速效鉀缺乏，可見，川芎主產區土壤經過長期的耕作存在一定程度的鉀元素缺失，這與周斯建[9]對彭州地區川芎土壤調查結果一致。同時，由于川芎本身對鉀元素的需求較大[10]，配方施肥時應考慮適當加大鉀肥的比例。川芎主產區90%以上土壤中有效銅、有效鋅、有效鐵含量都屬于極豐富水平，三者質量分數均值分別為5.82、8.83、371.33 mg·kg-1，提示要注意重金屬污染。有效錳質量分數均值為17.09 mg·kg-1，有45.09%主產區土壤中有效錳屬于適量水平，14.45%有效錳含量缺乏，需要適量補充。

表3 川芎主產區土壤指標特征(n=173)

從變異程度上看，有效鋅和有效錳表現為高等程度變異，變異系數分別為139.50%和102.22%。其余指標均表現為中等程度變異，pH的變異系數為12.67%，速效鉀的變異系數為59.20%。pH、全氮、有效磷、有效銅、有效鐵的峰度值接近0，提示數據符合或接近正態分布。pH、全氮、有效銅、有效鐵的偏度值接近0，提示其頻數分布較對稱。

3.2 川芎土壤指標的空間變異特征

3.2.1空間結構分析 如表4所示，土壤中的全氮服從正態分布，其他指標經過轉化后均服從正態分布。所有指標的擬合系數均較低，其中，有效錳和有效鐵的擬合系數分別為0.71、0.62，具有一定的漸變性分布規律。空間相關性為0.06～6.00 km，表明這些指標均在較小的空間范圍內具有相關性。

表4 川芎主產區土壤元素半方差函數模型參數

對半方差分析擬合結果較好的有效錳和有效鐵采用普通克里格法進行插值分析，繪制其空間分布圖(圖2)。川芎主產區土壤有效錳呈現不連續分布的特點，有效錳的最高值分布在眉山的東北部區域，其質量分數為24.15～34.73 mg·kg-1；最低值呈零散斑塊，分布在彭州、什邡和都江堰等區域，其質量分數為6.02～13.08 mg·kg-1，整體而言，有效錳在川芎主產區的南部較為豐富，北部部分地區較為缺乏。川芎產區土壤有效鐵質量分數分布比較復雜，最高值分布在彭州、什邡的條帶狀區域，高達394.98～518.13 mg·kg-1，并以此為中心向外有效鐵含量逐漸降低，最低值散布在都江堰、崇州、邛崍等區域。有效錳和有效鐵含量分布均呈現出中等程度的空間自相關性，表明小區域的施肥等人為活動是影響土壤中有效錳和有效鐵含量的一個重要因素。

圖2 川芎主產區土壤錳和鐵元素的空間分布

3.2.2川芎土壤pH和大量元素的空間分布 川芎各產區土壤酸堿度如表5和圖3所示，pH處于中性和微酸性是川芎最適宜的土壤，廣漢和新都的土壤均在適宜pH范圍內。其他產區土壤均存在不同程度的強酸性或微堿性。其中，強酸性土壤占比遠高于微堿性土壤。老產區彭州土壤pH為5.61，50.68%呈強酸性；什邡土壤pH為5.58，47.62%呈強酸性。新產區眉山土壤pH為6.05，33.33%呈強酸性；邛崍土壤pH為6.01，22.22%呈強酸性。土壤酸度過大會加重川芎對重金屬鎘的吸收[11-12]。因此，為保證川芎的安全生產，應在施用肥料和土壤調理劑等過程中適當提高土壤的pH，更好地滿足川芎生長需求。

川芎土壤全氮含量在縣域之間差異明顯(圖3、表5)。眉山和邛崍的土壤全氮質量分數偏高，分別為2.67、2.43 g·kg-1；德陽和廣漢的土壤全氮質量分數相對偏低，分別為1.43、1.90 g·kg-1；什邡的土壤全氮質量分數跨度最大，為0.99～3.63 g·kg-1。所有產區的有效磷變異系數均較大，即土樣間個體差異較大，推測其主要原因是芎農間施肥管理技術差異導致。都江堰和彭州的有效磷質量分數過高，40 mg·kg-1以上的土樣占比分別高達85.71%、89.04%；邛崍市的有效磷含量較低，66.67%的土樣磷質量分數<40 mg·kg-1?？梢?，川芎各產區的全氮和有效磷含量均處于偏高水平。因此，在施肥中應因地制宜控制氮和磷的施入量，提高肥料的利用率。川芎是典型的喜鉀植物[13]，速效鉀的供應情況直接影響著川芎藥材的產量和品質。如圖3和表5所示，速效鉀在土樣間的個體差異也較大，核心產區彭州和什邡的土壤速效鉀質量分數分別為62.98～505.66、60.15～382.12 mg·kg-1。除了邛崍和綿竹，其他市均存在不同程度的速效鉀缺乏狀態，彭州和什邡分別有13.70%、21.43%的土壤速效鉀質量分數<100 mg·kg-1。都江堰有效鉀缺乏比例則高達35.71%。因此，考慮適量的施入鉀肥是優質川芎生產的重要措施之一。

3.2.3川芎土壤中微量元素的空間分布 從川芎土壤中微量元素含量空間分布結果分析(表5、圖4)，四川川芎土壤有效銅鋅錳鐵的空間分布規律不明顯，各等級穿插分布。川芎土壤有效銅質量分數偏高，最小值出現在彭州市，為1.50 mg·kg-1。其中，眉山、崇州、都江堰、綿竹、新都、樂山的所有土樣有效銅質量分數均大于5 mg·kg-1。川芎土壤中有效鋅和有效鐵質量分數同樣極度偏高且個體間差異大，有效鋅最小值出現在邛崍市，為0.85 mg·kg-1。彭州和什邡分別有43.84%和42.86%的土樣有效鋅質量分數>7 mg·kg-1。除邛崍市外，其余產地的土壤中有效鐵質量分數>20 mg·kg-1，其中什邡、新都和廣漢的川芎所有土樣中有效鐵質量分數均大于200 mg·kg-1，彭州市也有95%的土壤樣有效鐵質量分數>200 mg·kg-1。

圖4 川芎主產區土壤中樣品有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳含量分布

有效錳的分布在有些縣域充足，有些縣域缺乏。彭州、邛崍、什邡、都江堰、新都、德陽和綿竹都有缺乏，彭州和什邡的有效錳缺乏比例分別為19.18%和11.90%。眉山的有效錳質量分數均值為42.93 mg·kg-1，所有樣品均大于5 mg·kg-1。周斯建[9]研究發現，彭州的川芎土壤中錳缺乏，土壤中本身的錳元素含量較低是導致其有效態含量較低的重要原因，提示在施用微肥時可適當補充錳元素。

3.3 土壤指標之間的相關性

土壤粉末色度、pH和主要營養成分指標相關性分析結果見表6。有效銅、有效鋅與土壤色度沒有明顯相關性。土壤L值與全氮、有效鐵質量分數呈極顯著正相關(P<0.01)，土壤a、b值與有效錳呈極顯著正相關(P<0.01)，與有效磷呈極顯著負相關(P<0.01)，說明土壤越明亮，其土壤中全氮和有效鐵的質量分數越高；土壤的顏色越靠近紅色和黃色端，其錳的有效態質量分數增加，磷的有效態質量分數降低。提示通過對土壤的無損快速檢測可以預測相關元素質量分數的高低。pH與元素質量分數相關性分析顯示，pH越高，鐵的有效態質量分數越低，表明川芎土壤從強酸—弱酸性—中性的轉變會降低鐵的有效態質量分數，從而減少金屬元素鐵的污染。大量元素與中微量元素相關性分析顯示，全氮質量分數與有效銅質量分數呈極顯著正相關(P<0.01)，有效磷與速效鉀呈現極顯著正相關(P<0.01)，速效鉀與有效錳呈現極顯著正相關(P<0.01)。表明施氮肥可促進土壤中銅的有效態質量分數增加，施鉀肥可促進土壤磷和錳的有效態質量分數增加。而有效鋅和有效鐵的質量分數受土壤氮、磷、鉀養分的影響較小。

表6 川芎主產區土壤各指標之間的相關性分析

4 結論與討論

土壤是川芎生長發育營養供給的主要來源，直接影響川芎質量形成。筆者通過對川芎主產區土壤養分測定發現，7個營養元素(全氮、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效錳、有效鐵)的空間自相關性均較低，說明其質量分數受土壤母質等結構性因素的影響較小，受施肥等人為因素的影響較大，這也與川芎栽培歷史悠久，主產區耕作等農事活動頻繁的現狀相符。除全氮外，6個元素質量分數的變異系數均大于40%，提示芎農間的栽培管理水平參差不齊。除邛崍和綿竹外，其他川芎產區均存在不同程度的速效鉀缺乏；除眉山外，其余川芎產區均存在不同程度的有效錳缺乏。其他5個元素質量分數在川芎主產區均為豐富：眉山和邛崍全氮為極其豐富，都江堰和彭州地區有效磷極其豐富。提示芎農在施肥中應控制氮磷肥的用量，可施入適量鉀肥，同時由于速效鉀與有效磷、有效錳均呈現極顯著正相關(P<0.01)，故鉀肥的施入也能促進土壤中有效磷和有效錳的質量分數增加。另外，川芎主產區土壤酸堿度基本適宜(pH=5.77)，存在的主要問題是強酸性土壤占比較大，彭州等老產區的強酸性土壤分布比例明顯高于眉山等新產區。因此，強酸性土壤的區域需采取一定措施提高土壤pH值，鑒于土壤pH與土壤中有效鐵質量分數呈極顯著負相關(P<0.01)，提高pH能間接降低重金屬鐵的污染風險。因此，在后續川芎的施肥管理中需分縣域進行精準的測土配方，同時，配合進一步規范化的川芎栽培管理措施，才能保證川芎藥材質量的安全穩定。