江西省廣昌縣蓮田土壤中、微量元素含量及空間變異性評價

裴佳晨 楊良波 劉冬碧 趙 越 朱建強 吳茂前 余延豐 鄭興汶 唐記平 揭志輝

（1 長江大學農學院，湖北荊州 434025；2 湖北省農業科學院植保土肥研究所，國家農業環境潛江觀測實驗站，湖北省農業面源污染防治工程技術研究中心，農業農村部廢棄物肥料化利用重點實驗室，湖北武漢 430064；3 廣昌縣白蓮產業發展中心，江西廣昌 344900）

土壤養分評價是土壤質量評價的一個重要方面，對于耕地質量分等定級、形成區域性特定作物優化施肥技術模式等均具有十分重要的意義。在現代農業生產中，和大量元素一樣，中、微量元素在促進蔬菜生長發育（廖佳 等，2008；任士偉 等，2020）、提高蔬菜產量（沈志錦 等，2008；張冬明 等，2018）和改善蔬菜品質（王慧敏和王正銀，2006；王亮亮 等，2017）中也發揮著重要作用。從全國范圍來看，土壤有效鎂含量較低的區域主要集中在長江以南，包括福建、江西、廣東、廣西、貴州、湖北、湖南、海南等省份（黃鴻翔 等，2000；白由路 等，2004；陸志峰 等，2021）；有效硼、有效鉬含量較低的土壤主要是南方各地的紅壤（劉錚 等，1978，1982；張智 等，2016；余慧敏 等，2020）。由于土地利用、灌溉、施肥等人為因素，以及地形與地理位置、成土母質等自然條件的不同，即使同一區域的農田土壤養分也可能表現出較大的空間變異性（陳防 等，2006；江葉楓 等，2018；余慧敏 等，2020）。廣昌縣子蓮種植歷史悠久，是江西省子蓮的主產區，被譽為“中國白蓮之鄉”（謝克強，2010）。由于缺乏子蓮養分吸收特征與施肥效應相關方面的研究，目前仍沒有蓮田土壤養分豐缺程度分級標準，但一般認為菜園土壤有效養分要高于大田作物土壤（章永松 等，1997；魯劍巍，2006）。本試驗在對廣昌縣子蓮主產區開展產量和施肥現狀調查的基礎上（劉冬碧 等，2019），以蓮田土壤為研究對象，采集代表性土壤樣品，分析土壤中、微量元素養分含量，對蓮田土壤中、微量元素養分進行評價，并采用地統計學方法對中、微量元素養分進行空間變異性特征分析，以期為廣昌子蓮生產中制定合理的分區優化施肥方案提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區域概況

廣昌縣位于江西省東南部，隸屬于撫州市，地處北緯26°30′～26°59′、東經116°6′～116°34′ 之間，全縣東西寬45 km，南北長55 km，土地總面積約1 612 km，其中耕地面積15 630 hm，屬丘陵地形，海拔東西高，中部低，由南向北傾斜。廣昌縣水資源豐富，盱江發源于廣昌縣驛前鎮，為撫河源頭，共接納主要支流11 條，多年平均徑流總量14.95 億m。廣昌縣屬亞熱帶季風氣候區，雨量充沛，四季分明，年均降雨量1 750 mm，年均日照時數1 932 h，無霜期273 d。耕地土壤類型主要有水稻土、潮土、紅壤3 種。主要糧食作物為水稻，經濟作物為白蓮，廣昌縣白蓮種植面積超過7 530 hm，占全縣耕地面積的50%左右。

1.2 土壤樣品采集與項目測定及等級評價

2018 年3 月在廣昌縣選擇驛前鎮、赤水鎮、頭陂鎮、盱江鎮、甘竹鎮、長橋鄉等6 個子蓮主產鄉鎮，根據各鄉鎮子蓮產量及種植規模選擇2～3個村進行調查走訪采樣，盡可能調查種蓮大戶并在其代表性蓮田采樣。根據子蓮種植區的地形地貌、土壤類型、田塊大小等因素，對采樣點進行GPS定位，共采集土壤樣品56 份，在前期對土壤屬性和大量元素含量分析的基礎上，進一步分析測定土壤中、微量元素養分的有效含量，包括交換性鈣、交換性鎂、有效硫、有效硼、有效鋅、有效銅、有效鐵、有效錳和有效鉬。其中交換性鈣、交換性鎂含量采用醋酸銨浸提，原子吸收光譜（AAS）法測定；有效硫含量采用磷酸二氫鈣-乙酸溶液浸提，硫酸鋇比濁法測定；有效硼含量采用沸水浸提，姜黃素比色法測定；有效鐵和有效錳含量采用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）浸提，AAS 法測定；有效鋅和有效銅含量根據土壤pH 值呈酸性，采用0.1 mol·LHCl 浸提，AAS 法測定；有效鉬含量采用草酸-草酸銨溶液浸提，極譜儀測定（鮑士旦 等，2005）。

借鑒我國其他地區菜園土壤養分分級標準和江西土壤養分分級標準（劉錚 等，1982；江西省土地利用管理局和江西省土壤普查辦公室，1991；章永松 等，1997；魯劍巍，2006），對廣昌縣蓮田土壤中、微量元素養分進行等級評價。

1.3 數據處理與分析

采用Excel 2007 軟件對試驗數據進行描述性統計分析，統計最小值、最大值、平均值、標準差、變異系數和偏移量，其中偏移量（）=（中值-平均值）/平均值 × 100%。

采用GS+7.0 軟件進行半變異函數擬合，并根據擬合程度的高低建立最佳擬合模型，以反映目標值在不同距離觀測值的變化，假設采樣點數據變量符合二階平穩和本征假設，則可以計算出半變異函數。

利用ArcGIS 10.2 軟件對基礎數據進行處理，并運用其中的克里格插值（Kriging）、繪圖及面積統計功能實現土壤中、微量元素含量空間變異分析。

2 結果與分析

2.1 土壤中、微量元素含量的描述性統計與評價

由表1 可知，土壤中量元素交換性鈣和交換性鎂含量分別為409～2 989 mg·kg和51.6～125.1 mg·kg，平均值分別為834 mg·kg和88.4 mg·kg；土壤有效硫含量為14.1～62.0 mg·kg，平均值為28.9 mg·kg；有效硼含量為0.07～0.50 mg·kg，平均值為0.19 mg·kg；有效鋅和有效銅含量分別為2.58～16.65 mg·kg和2.11～12.87 mg·kg，平均值分別為6.42 mg·kg和5.02 mg·kg；有效鐵和有效錳含量分別為209～708 mg·kg和22.1～123.0 mg·kg，平均值分別為529 mg·kg和71.5 mg·kg；有效鉬含量為0.02～1.12 mg·kg，平均值為0.12 mg·kg。借鑒我國其他地區菜園土壤養分分級標準和江西土壤養分分級標準（劉錚 等，1982；江西省土地利用管理局和江西省土壤普查辦公室，1991；章永松 等，1997；魯劍巍，2006），綜合提出廣昌縣蓮田土壤中量元素4 級評價標準和微量元素5 級評價標準（表2）；根據這一標準，對各元素進行分級統計。結果表明（圖1），廣昌縣蓮田土壤中量元素的含量均較低，交換性鈣含量從平均值來看雖處于中等（即適宜，下同）級別，但由于交換性鈣含量不是正態分布，缺乏和極缺級別的占比達到60.0%，所以從整體看交換性鈣含量處于缺乏級別；交換性鎂含量普遍較低，處于缺乏（即施肥有效的臨界值，下同）級別，與極缺級別共占比例達93.3%；有效硫含量也處于缺乏級別，與極缺級別共占比例達66.7%。微量元素中，有效硼和有效鉬的含量也普遍較低，處于極缺到缺乏級別的比例分別達98.2%和86.7%，且主要處于極缺級別；有效鋅、有效銅、有效鐵和有效錳的含量總體上均較高，其中有效鋅和有效銅的含量處于中等到較高級別的比例分別為39.3%和73.2%，處于過量級別的比例分別為60.7%和26.8%，且過量級別的有效鋅和有效銅平均含量分別為中等級別含量的3.0 倍和2.6 倍；有效鐵的含量100%處于過量級別，且其平均含量為中等級別最高值（10 mg·kg）的52.9 倍；有效錳的含量與有效鐵類似，86.7%的樣本含量處于過量級別，且其平均含量為中等級別最高值（15 mg·kg）的4.8 倍。由此可見，廣昌縣蓮田土壤的交換性鈣、交換性鎂、有效硫和有效硼、有效鉬的含量較低，在子蓮施肥中應加以考慮；而有效鋅、有效銅、有效鐵和有效錳的含量較高，尤其是有效鐵，過量級別的含量超出適宜值的50 倍以上，因此應注意是否有鐵中毒的問題（柴娟娟 等，2012）。

圖1 廣昌縣蓮田土壤中、微量元素在不同級別所占比例

表1 廣昌縣蓮田土壤中、微量元素含量

表2 廣昌縣蓮田土壤中、微量元素臨時分級標準 mg·kg-1

2.2 土壤中、微量元素含量的一般變異性分析

變異系數的大小反映總體內部各樣本之間變異的程度。表1 表明，交換性鎂含量和有效鐵含量的變異較小，變異系數介于22%～26%之間；交換性鈣含量、有效硫含量、有效硼含量、有效鋅含量、有效銅含量和有效錳含量的變異系數較高，在42%～60%之間；土壤有效鉬的含量較低，但其變異最大，變異系數高達158.0%。

偏移量（）指中值偏離平均值的百分數。當土壤養分服從正態分布時，中值等于平均值（=0）。有研究提出（白由路 等，2001），以=5%為分界線，大于5%為偏斜元素，小于5%為不偏斜元素。根據此標準，交換性鈣、有效硫、有效鋅、有效銅和有效鉬為偏斜元素，且均為正偏斜；交換性鎂、有效硼、有效鐵和有效錳為不偏斜元素。偏移量與變異系數的相關分析表明，廣昌縣蓮田土壤中、微量元素的變異系數與偏移量呈顯著或極顯著正相關（=0.837，=9），表明土壤養分間的變異是平均數發生偏移的主要原因，兩者在表達土壤養分的變異程度上是基本一致的（陳防 等，2006）。

2.3 土壤中、微量元素半變異函數分析

利用GS+7.0 軟件，對廣昌縣蓮田土壤56 個樣點的中、微量元素各指標進行半變異分析。結果顯示（表3），各項指標的半變異模型擬合度（決定系數）均較低，表明在本試驗條件下中、微量元素各樣點之間不存在顯著的空間相關性。雖然交換性鎂和有效鐵的變異系數和偏移量均較小，但其漸變性分布規律較差，在小范圍內忽高忽低。各項指標的最大相關距離（變程）都在1 100 m 以上，表明它們在較大的范圍內存在著一定的漸變性分布規律。

表3 廣昌縣蓮田土壤中、微量元素的半變異擬合參數

塊金值（）、偏基臺值（）、基臺值（+）分別表示空間變異中的隨機變異、結構變異和系統總變異。根據區域化變量空間相關性程度的分級標準（Cambardella et al.，1994），/（+）小于25%時，變量具有密切的空間相關性；在25%～75%之間時，變量具有中等的空間相關性；大于75%時，變量的空間相關性很弱。交換性鈣、交換性鎂、有效硼、有效銅和有效鐵等元素的塊金值與基臺值的比值（塊金效應）介于7.26%～17.50%，表明其空間變異主要受結構性因素的影響，如成土母質、土壤類型等；有效鋅和有效鉬的塊金效應均為50.00%，表明其空間變異同時受結構性因素和人為隨機因素的共同影響；有效硫和有效錳的塊金效應均為100.00%，表明其空間相關性很弱，而受施肥、灌溉等人為隨機因素的影響較大。

2.4 土壤中、微量元素的空間分布特征

根據克里格插值法，對廣昌縣蓮田土壤9 種中、微量元素含量進行空間插值分析，以揭示其空間分布特點。從圖2 可見，土壤交換性鈣的含量在廣昌縣頭陂鎮中部和盱江鎮西側較高，驛前鎮和赤水鎮東部較低；交換性鎂的含量以頭陂鎮較高，驛前鎮南部較低；有效硫的含量以甘竹鎮東部和赤水鎮南部較高，頭陂鎮中部和盱江鎮西側較低；有效硼的含量以驛前鎮南部和長橋鄉北部較高，頭陂鎮和盱江鎮西側較低；有效鋅的含量以盱江鎮東部較高，甘竹鎮較低；有效銅的含量以頭陂鎮較高，甘竹鎮較低；有效鐵的含量以甘竹鎮和驛前鎮較高，赤水鎮較低；有效錳的含量以甘竹鎮和驛前鎮較高，頭陂鎮較低；有效鉬的含量區域性變化規律明顯，以頭陂鎮、盱江鎮和赤水鎮西側較高，其他區域較低。由此可見，在驛前鎮子蓮產區要重點關注土壤有效鈣、鎂的缺乏和有效鐵、錳過量的問題，在頭陂鎮和盱江鎮子蓮產區，需重點關注土壤有效硫、硼的缺乏問題。

圖2 廣昌縣蓮田土壤中、微量元素的空間分布

3 討論與結論

隨著高產優質作物品種的普及，農業生產水平的不斷提高，以及氮磷鉀肥料用量的增加，土壤中、微量元素不平衡的問題日益嚴重，在不少區域已成為提高作物產量與改善品質的限制因素，因此對作物中微量元素營養特性、中微量元素肥料施用技術的研究，受到越來越多研究者的重視（黃鴻翔 等，2000；白由路 等，2004；張智 等，2016；林小兵 等，2020；余慧敏 等，2020；陸志峰 等，2021；張明來，2021）。張明來（2021）在福建酸化紅壤上證實了對花椰菜施用鈣鎂型土壤調理劑，具有良好的土壤改良和增產提質效果。黃鴻翔等（2000）采集了江西、廣西、廣東、湖南和海南7 種不同類型的土壤共126 個樣品，分析了土壤有效鎂的含量，結果表明幾種土壤類型供鎂能力大小為：水稻土＞棕色石灰土＞暗泥質磚紅壤＞泥質紅壤＞麻硅質紅壤＞硅質紅壤＞紅土質紅壤；紅壤旱地上作物施鎂的效果，黃豆和花生最好（增產25%～40%），茶葉和烤煙次之（增產20%～25%），水稻增產幅度較?。ㄔ霎a6%左右）。陸志峰等（2021）研究表明，鎂是我國長江流域及其以南的冬油菜種植中繼氮、磷、鉀、硼之后，第5 種需要通過施肥方式進行補充的必需營養元素。張智等（2016）研究發現，長江中游湖南、湖北、江西三省農田土壤微量元素含量以鐵的差異最大，水田有效鐵含量為旱地的2 倍以上，且高含量的鐵（＞130 mg·kg）主要分布在江西省中部以南區域，有效錳、有效銅、有效鋅的含量也是水田高于旱地，有效硼含量水田和旱地無明顯差異，其低值區（＜0.2 mg·kg）主要分布在江西省南部和北部兩端。余慧敏等（2020）研究了江西鄱陽湖平原區農田土壤微量元素空間分異特征及其影響因素，結果顯示研究區域土壤硼和鉬的含量總體較高，硼含量受耕層質地的影響最大，錳和鉬的含量主要受pH 影響。林小兵等（2020）研究表明，江西省茶園土壤有效鋅、有效銅、有效鐵和有效錳均較豐富，但有效硼嚴重缺乏；土壤養分以贛中地區最高，其次是贛東北地區和贛西北地區，贛南地區最低。

以上對南方紅壤區和江西省不同區域、不同利用方式下土壤中、微量元素的評價，與本試驗結果是基本一致的。筆者最近的試驗結果（未發表資料）表明，廣昌縣子蓮施用鎂肥和硼肥具有良好的增產效果，但其他中、微量元素肥料如鈣肥、硫肥、鉬肥等在子蓮上的改土、增產、提質效應，還需要進行進一步驗證。通過施用石灰，可以同時解決土壤降酸、消毒和補鈣的問題（劉冬碧 等，2019）；硫的缺乏，可通過施用硫酸鉀型復混肥進行解決；微量元素尤其是鐵、錳的過量問題，需加強蓮田水分管理、合理灌溉，冬季適度曬田，或者實行子蓮與其他作物輪作換茬，改善土壤氧化還原狀況，降低還原性物質尤其是亞鐵的總量。此外，因地制宜地施用不同形式的有機肥，可調整蓮田土壤綜合肥力的同時，也可增強土壤的中、微量元素供應 能力。

綜上所述，廣昌縣蓮田土壤交換性鈣、交換性鎂和有效硫等中量元素的含量均較低，并以交換性鎂的缺乏最突出；微量元素以有效硼和有效鉬的含量較低，有效鋅、有效銅、有效鐵和有效錳的含量總體上較高，鐵、錳過量的問題應引起重視。