棉田土壤養分分析與土壤墑情監測系統應用

董志強，馮小康，慈寶霞，文 帥，王 釗，劉 揚，馬富裕

(新疆生產建設兵團綠洲生態重點實驗室/石河子大學農學院，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】新疆石河子總場位于天山北麓，準噶爾盆地南部[1]。石河子總場農作物種植面積約1.57×104hm2，全部采用高新節水滴灌，其中，種植棉花1×104hm2，籽棉總產5.4×104t[2，3]。石河子總場六分場數字農業示范田設置的監測點為連年棉花種植。農田土壤墑情的監測和預報已經成為農田灌溉節水服務的重要組成部分[4，5]。2019年石河子總場六分場數字農業示范田應用了土壤墑情實時監測系統[6]，科學合理指導棉田灌溉。土壤相關空間變異性以及分布規律對提高棉田土壤肥料利用率、土壤分級管理以及維持土壤一定的肥力等有重要意義[8]。目前農業開發力度逐年加大[9]。選取土壤全氮、速效磷、速效3種主要養分進行研究，分析石河子總場六分場數字農業項目示范田土壤養分的空間變異特征，對土壤養分高效吸收利用與精確施肥有重要意義。【前人研究進展】劉洋等[10]在遼西地區利用土壤水分測定儀，對遼西太平莊監測站10、20、40 cm土層墑情監測數據與傳統測量土壤含水量方法對比、分析及誤差修正。3種不同深度土層利用土壤水分測定儀測定的絕對誤差在±4%范圍內。代海燕等[11]對內蒙古土壤墑情進行了調查評估，結果表明，內蒙古土壤水分濕度和田間持水量整體較高，主要集中在內蒙古東部地區、河套區域，較低區域主要集中在錫林郭勒地區和西部地區。李娜等[12]以新疆伊犁地區為土壤研究區域，運用GIS與地統計學相結合，研究該地區農田土壤養分的空間分布特征及變異規律，伊犁哈薩克自治州土壤養分含量分布總體呈現伊犁州南部區域高、北部區域低、東部區域高西部區域低的格局。【本研究切入點】了解土壤的養分和含水量狀況，需要依靠對當地土壤墑情和樣品的測試與分析。利用信息技術監測土壤墑情和養分，分析石河子總場棉花種植過程中養分和含水量信息，指導科學灌溉施肥。【擬解決的關鍵問題】采用GIS技術與地統計學相結合的方法，研究石河子總場六分場數字農業示范田耕層土壤3種養分(全氮、速效磷、速效鉀)、土壤含水量和溫度，分析棉田土壤肥力的空間相關分布特征差異性，為棉田施肥與土壤養分管理提供可科學依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

在石河子總場六分場數字農業項目示范田33.33 hm2(500畝)，利用GPS確定樣點坐標，采集土壤表層(0～20 cm)土樣。共計231個樣點，將采集的231個土壤樣品在實驗室統一檢測分析，測試3大養分指標:全氮、速效磷、速效鉀。土壤樣品經風干后，過網篩上面之后進行混勻。不同土壤養分的分析測試方法分別為:全氮含量采用凱氏定氮法；速效磷含量使用0.5 mol/L碳酸氫鈉法—分光光度法測定；速效鉀含量測定采用火焰光度法[13，14]。

1.2 方 法

土壤墑情監測系統基于無線數據傳輸，實現無線連接通訊，該終端包括實時數據采集軟件以及監測軟件，實時采集軟件提供數據的接收、分析及存儲的功能；監測軟件提供數據展示和統計分析等功能[15]。系統客戶端軟件部分包括數據庫設計與開發、系統相關功能設計與開發、數據模型設計、前臺界面設計與開發等[16]。

按地塊選擇6處具有代表性監測區域，在該區域布設水分傳感器、太陽能采集板、墑情信息采集傳輸設備等，采集(0～60 cm，每隔10 cm采集1次數據)土壤含水量和溫度，每隔1 h采集1次數據，并實時更新至計算機客戶端軟件中。2019年4月18日開始到2019年8月31日截止，采集約4個月的土壤墑情信息。圖1

將土壤樣本測定結果變異程度分為3個等級：CV<10%為樣本具有弱變異性，10%≤CV≤100%為樣本具有中等程度變異性，CV>100%為樣本具有很強變異性。

參數塊金系數表示土壤養分空間變異程度，即由隨機因素引起的土壤空間變異占系統總變異程度的比例。C0/(C0+C)表示系統變量的空間相關性程度，若該比例小于25%，變量具有很強的空間自相關性；在25%～75%，變量具有中等的空間自相關性；大于75%時，變量空間自相關性較弱。

1.3 數據處理

使用Origin 2018軟件對土壤含水量和溫度信息進行數據分析，使用ArcGIS10.3對土壤養分含量進行描述性統計特征分析和對其是否服從正態分布進行檢驗。使用軟件GS+9.0地統計軟件進行半方差分析。

2 結果與分析

2.1 石河子總場六分場數字農業示范田土壤養分變化

2.1.1 土壤養分含量

研究表明，全氮的含量為0.1～1.11 g/kg，平均值為0.79 g/kg；速效磷的含量為21.27～179.58 mg/kg，最大值與最小值相差比較懸殊，平均值為62.17 mg/kg；速效鉀的含量為171.5～672.46 mg/kg，平均值為322.55 mg/kg。3種養分的所得土壤養分變異系數在20%～56%，都呈現出樣本中等變異特性，其中速效磷的變異系數最高。速效磷、速效鉀樣本數據顯示出一定偏態效應，經過數據對數轉換后樣本呈現正態分布特征。表1

表1 土壤養分描述性統計特征Table 1 Descriptive statistical characteristics of soil nutrient

2.1.2 土壤養分含量的空間變異特征

研究表明，土壤養養分全氮和速效磷表現為強烈的空間相關性，各指標基塊比C0/(C0+C)分別為18.6%、8.1%。其主要受到土壤類型、母質、地形等結構性因素的影響；速效鉀的塊金系數C0/(C0+C)為49.7%，中等空間相關性，其受到結構性和隨機性因素的共同影響。各觀測調查點的空間相關距離在692～1 889 m，大于實際采樣間437 m，各土壤取樣點全部在空間變異的范圍內。表2，圖2

表2 土壤養分的半方差模型類型及其參數值Table 2 Type of soil nutrient half variance model and its parameter value

2.2 石河子總場六分場數字農業示范田土壤墑情

2.2.1 土壤含水量

研究表明，土壤含水量從苗前期至蕾期呈現遞減趨勢。在苗前期一號、二號和三號墑情監測點在4月25日左右有一個最低峰。各個監測點在苗前期和苗期10和20 cm土層含水量變化較為活躍且含量較高，進入蕾期以后30～60 cm土層土壤含水量開始慢慢升高。五號墑情監測點在各個月都表現出較高含水量，尤其是在蕾期和花鈴期，顯著高于其它月，這片區域土壤含水量豐富和保水量較強。棉花進入花鈴期以后，隨著灌水次數和灌水量加大，土壤含水量在0～60 cm土層內波動較大，且變化極為活躍。在棉花苗前期、苗期和蕾期生育階段，隨著大氣溫度的攀升，地膜覆蓋在土層表面使膜內土壤水分蒸發減弱，并加速土壤深層水向上移動，至使0～20 cm土壤含水量保持在一定的范圍內，土壤墑情變化趨勢較緩；隨著棉花生育期推進，在進入花鈴期以后，由于滴灌頻率逐漸加大，且每次灌水量也在不斷加大，0～20 cm土層土壤補償水分充足，由于棉花根系大多集中在40 cm內，0～20 cm土層水分大部分通過棉花根系對土壤中的水分不斷吸收進而轉移被利用。圖3～8

2.2.2 土壤溫度

研究表明，5、6月土壤溫度在0～60 cm呈現急劇下降趨勢，中間波動較小，氣溫和土壤溫度相對低于其他月且隨時間呈上升趨勢，由于大氣溫度影響土壤各層溫度波動較大。到7、8月，受棉花植株遮陰等影響，深層土壤溫度受大氣溫度影響逐漸減弱，40 cm土壤溫度達到最大，各層土壤溫度逐漸趨于平穩，波動不大。初花期和結鈴前期，10～30 cm處土壤溫度隨著大氣溫度繼續上升，且波動較大。7、8月五號墑情點0～60 cm土層深度顯著高于其它墑情點。土壤各層溫度隨著大氣溫度的升高而逐漸升高，隨著大氣溫度的降低而逐漸降低，其影響廣度隨著土壤深度的不斷增加而呈減弱趨勢，滯后的時間伴隨著土壤剖面深度增加而延長。圖9

3 討 論

木合塔爾·艾買提等[17]以湖北省廣水市山地丘陵土壤為研究對象，現場調查采樣和實驗室檢測獲得200個土壤樣點養分數據，分析土壤養分元素的空間分布規律，除全氮養分含量相對偏低，其余土壤養分的含量較高。根據石河子總場數字農業項目示范點土壤墑情監測分析，土壤含水量從苗前期至蕾期呈現遞減趨勢，在花鈴期由于灌水次數密集，各個土層達到高峰。隨著生育期推進和滴灌次數增加，土壤含水量在一定的區間內波動，土壤含水量在土層0～60 cm內變化較為活躍，其中土壤含水量在0～20 cm土層比20～60 cm土層變化趨勢顯著。在石河子地區滴灌棉花灌溉定額大約為260 m3/667 m2，應用土壤墑情實時監測系統及時了解土壤水分含量情況，進行科學合理灌溉。通過對0～60 cm土層的土壤溫度進行分析，土壤溫度受大氣溫度影響隨著土壤深度的逐漸增加而呈現減弱態勢，滯后時間隨著土層深度的不斷增加而逐漸延長；受棉花植株遮陰等影響，7月以后各土層溫度逐漸持平，波動不大。

4 結 論

4.1該研究區域土壤全氮服從正態分布，速效磷、速效鉀不服從正態分布。土壤全氮、速效磷和速效鉀變異均屬于中等水平變異，養分差異相對較大，需根據土壤養分豐缺狀況合理施氮磷鉀等肥料。全氮、速效磷表現為極強的空間相關性，其塊基系數分別為0.186、0.081，其空間變異性主要受結構因素的影響;速效鉀的塊基系數為0.497，表現為中等強度的空間自相關性，其主要受結構和隨機因素的共同作用影響。

4.2在不減產減質情況下，在棉花整個生育期內滴灌次數下降了1～3次，灌水總量大約節水20%左右。