大興安嶺南麓農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分空間異質(zhì)性分析

劉戰(zhàn)勇，張佳倩，孫鴻舉，張向前，厲雅華，武 迪，張德健

(1.內(nèi)蒙古大學生命科學學院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070；2.牧草與特色作物教育部重點實驗室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010031；4.退化農(nóng)田生態(tài)修復與污染治理重點實驗室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010031)

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的物質(zhì)基礎，直接影響作物生長和產(chǎn)量，土壤養(yǎng)分狀況是衡量土壤肥力和耕地地力評價的重要標準[1-2]。因此，土壤養(yǎng)分的有效積累和長期穩(wěn)定有利于農(nóng)田土壤肥力的提升和穩(wěn)定[3]。pH、速效鉀、速效磷等元素在土壤肥力評價中有極其重要的作用[4-7]。受不同空間尺度上環(huán)境因素的影響，不同土壤養(yǎng)分有不同的分布規(guī)律[8-9]。根據(jù)陶冶等[10]研究，坡向、降水和溫度對土壤養(yǎng)分含量影響很多。阿榮旗作為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價項目試點旗縣，耕地面積較大,但質(zhì)量較差，坡耕地多，無完善的水土保持措施，廣種薄收,掠奪性經(jīng)營,導致土壤養(yǎng)分失衡，地力下降[11]。因此，對阿榮旗農(nóng)田土壤養(yǎng)分分析及影響因素研究具有重要意義。地統(tǒng)計學是分析土壤空間變異特征最有效的方法之一，結(jié)合GIS技術能夠較好地研究土壤養(yǎng)分空間變異規(guī)律[12-14]。

為明確阿榮旗地區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性，筆者借助地理信息系統(tǒng)(GIS)、SPSS等技術，探究各樣點土壤養(yǎng)分差異性，以期充分掌握阿榮旗地區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分狀況，為耕地地力提升、田間管理、優(yōu)質(zhì)施肥提供科學依據(jù)，為構(gòu)建大興安嶺南麓阿榮旗地區(qū)耕地質(zhì)量評價體系提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況阿榮旗地處內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市東南部，屬于大興安嶺南麓地區(qū)，位于122°02′30″～124°05′40″E、47°56′54″～49°19′35″N，與大興安嶺、松嫩平原鄰近，屬溫帶大陸性半濕潤氣候，呈中低山-丘陵漫崗地形，地勢由西北向東南呈階梯式下降，年均氣溫1.7 ℃，無霜期90～130 d，年降水量458.4 mm，耕地31.44萬hm2，主要農(nóng)作物有玉米、大豆、水稻、小麥、馬鈴薯等，有黑土、暗棕壤、草甸土、沼澤土、粗骨土5種土地類型。

1.2 采樣方法2019年收獲后，在阿榮旗南部亞東鎮(zhèn)、六合鎮(zhèn)、霍爾奇鎮(zhèn)、向陽峪鎮(zhèn)、音河達斡爾鄂溫克民族鄉(xiāng)、新發(fā)朝鮮民族鄉(xiāng)、得力其爾鄂溫克民族鄉(xiāng)、查巴奇鄂溫克民族鄉(xiāng)、復興鎮(zhèn)、三岔河鎮(zhèn)、興安鎮(zhèn)11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，采用梅花布點法，布5個點混合后取樣，取 0～20 cm 的表層土樣，平均1個采樣點/666.67 hm2，共470個樣點、1 410份土樣，使用GPS定位儀記錄采樣點的經(jīng)緯度、海拔、坡度等信息。取樣點見圖1。

圖1 阿榮旗耕地采樣點分布Fig.1 Distribution of cultivated land sampling points in Arong Banner

1.3 試驗方法用1 mm孔徑的篩子篩取自然風干后土樣分別用于測定，pH采用玻璃電極法測定；土壤堿解氮采用堿解擴散法測定，速效磷采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用火焰光度計法[15]測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理采用Excel 2010對阿榮旗地區(qū)農(nóng)田速效養(yǎng)分數(shù)據(jù)進行處理，并利用SPSS 22.0中[分析(A)工具]下的相關模塊土壤速效養(yǎng)分進行Kolmogorov-Smirnov(K-S)檢驗(顯著性水平α設定為0.05，置信區(qū)間為95%)，并進行Pearson相關性分析和單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Kolmogorov-Smirnov 檢定由表1、2可知，依據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準和《DZ/T 0295—2016土地質(zhì)量地球化學評價規(guī)范》對阿榮旗農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分進行分析[16-19]，阿榮旗農(nóng)田土壤的pH在5.19～7.01，平均pH為6.02，六合鎮(zhèn)的土壤pH最大，其均值為6.68，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤為酸性，得力其爾鄉(xiāng)的土壤pH最小，阿榮旗農(nóng)田土壤以弱酸性為主；土壤速效鉀在77.67～662.71 mg/kg，均值為267.86 mg/kg，亞東鎮(zhèn)、六合鎮(zhèn)、向陽峪鎮(zhèn)、音河鄉(xiāng)、朝鮮民族鄉(xiāng)、查巴奇鄉(xiāng)、三岔河鎮(zhèn)、興安鎮(zhèn)的土壤速效鉀含量很豐富，霍爾奇鎮(zhèn)、得力其爾鄉(xiāng)土壤速效鉀含量豐富，復興鎮(zhèn)的土壤速效鉀含量適宜，其中音河鄉(xiāng)的土壤速效鉀含量最高，其均值為463.73 mg/kg，其次是朝鮮民族鄉(xiāng)，復興鎮(zhèn)的土壤速效鉀含量最低；土壤速效磷含量在2.07～10.13 mg/kg，均值為4.83 mg/kg，亞東鎮(zhèn)、音河鄉(xiāng)、復興鎮(zhèn)、三岔河鎮(zhèn)的速效磷含量缺乏，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤速效磷含量很缺乏，其中音河鄉(xiāng)的土壤速效磷含量最高，其均值為7.27 mg/kg，其次是復興鎮(zhèn)，查巴奇鄉(xiāng)的土壤速效磷含量最低；土壤堿解氮含量在11.86～38.00 mg/kg，均值為24.13 mg/kg，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤堿解氮極缺乏，其中三岔河鎮(zhèn)的土壤堿解氮含量最高，其均值為29.22 mg/kg，其次是音河鄉(xiāng)，亞東鎮(zhèn)的土壤堿解氮含量最低。綜上，阿榮旗地區(qū)農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分中pH和速效鉀都很適宜作物生長，速效磷和堿解氮含量很缺乏。

表1 農(nóng)田土壤養(yǎng)分分級標準Table 1 Analysis standard of farmland soil nutrients

表2 阿榮旗地區(qū)農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分值K-S檢驗Table 2 K-S test of available nutrients in farmland soil in Arong Banner Area

由楊國勝等[20]CV≤10%，為弱變異程度，10%

2.2 Pearson相關性分析由表3可知，根據(jù)皮爾森相關系數(shù)|r|在0.8～1.0表示極強相關；0.6～0.8表示強相關；0.4～0.6 表示中等程度相關；0.2～0.4表示弱相關；0～0.2表示極弱相關或無相關的分析標準[21]。土壤速效鉀、堿解氮、海拔與pH相關系數(shù)分別為0.337、-0.174、-0.206，說明土壤pH與速效鉀存在弱正相關關系，與海拔存在弱負相關關系，與堿解氮存在極弱負相關關系；土壤pH、速效磷、堿解氮、地下水埋深度與速效鉀相關系數(shù)分別為0.337、0.430、0.124、0.128，說明速效鉀與速效磷存在中等程度正相關，與pH存在弱的正相關關系，與海拔、地下水埋深度存在極弱正相關關系；土壤速效鉀、堿解氮與速效磷相關系數(shù)分別為0.430、0.186，說明土壤速效磷與速效鉀存在中等程度的正相關關系，與堿解氮存在極弱的正相關關系；土壤pH、速效鉀、速效磷、海拔、有效土層與堿解氮相關系數(shù)分別為-0.174、0.124、0.186、0.165、-0.120，說明土壤堿解氮與速效鉀、速效磷、海拔存在極弱的正相關關系，與pH、有效土層存在極弱的負相關關系。耕層厚度和田面坡度與土壤速效養(yǎng)分不存在顯著意義。

表3 阿榮旗農(nóng)田土壤養(yǎng)分 Pearson相關性分析Table 3 Pearson correlation analysis of farmland soil nutrients in Arong Banner

2.3 單因素方差分析由表4、5可知，根據(jù)單因素方差分析，獲得阿榮旗農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分方差齊性檢驗的顯著性均為P<0.05；單因素 ANOVA分析獲得土壤養(yǎng)分單因素顯著性均為P=0.000<0.05；說明在阿榮旗地區(qū)土壤養(yǎng)分下，在一定程度上阿榮旗農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分各樣點間存在顯著的空間差異性。

表4 阿榮旗地區(qū)耕地土壤養(yǎng)分方差齊性檢驗Table 4 Variance homogeneity test of cultivated land soil nutrients in Arong Banner Area

3 討論

土壤肥力是土壤生產(chǎn)力的基礎，土壤養(yǎng)分隨著時間空間的變化呈現(xiàn)出空間異質(zhì)性，氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素可能影響植株的正常生長[22-24]。從描述統(tǒng)計特征看，阿榮旗各鄉(xiāng)鎮(zhèn)間土壤整體屬于弱酸性，且變異度較弱。說明阿榮旗農(nóng)田土壤pH空間差異性較小且大部分處于張超博等[25-26]研究的土壤pH最適宜范圍5.5～6.5，過酸(<3)或過堿(>8)會引起土壤肥效下降。土壤速效鉀、速效磷、堿解氮的整體變異度均為中等變異，說明阿榮旗農(nóng)田的這些土壤養(yǎng)分空間差異性相對較大，這可能是成土母質(zhì)、地形、土壤類型等自然因素和耕作方式、施肥等人為因素共同作用的結(jié)果[27]。其中速效磷、堿解氮的含量缺乏，可能是因為速效磷在土壤中的擴散、吸附、解吸、沉積、埋藏積累等遷移轉(zhuǎn)化，影響土壤速效磷的含量[28]。堿解氮極缺乏可能與作物對氮的需求大、氮肥易揮發(fā),采樣時間為剛下過大雪，導致土壤中的硝態(tài)氮淋溶[29]。土壤速效鉀含量豐富，這可能與農(nóng)田土壤管理和施肥方式等人為干擾因素有關[30-31]。

表5 阿榮旗地區(qū)耕地土壤養(yǎng)分單因素 ANOVA分析Table 5 Single factor ANOVA analysis of cultivated land soil nutrients in Arong Banner

從相關性分析看，土壤pH與速效鉀存在弱的正相關關系，與海拔存在弱的負相關關系，與堿解氮存在極弱的負相關關系；土壤速效鉀與速效磷存在中等程度的正相關，與pH存在弱的正相關關系，與海拔、地下水埋深度存在極弱的正相關關系；土壤速效磷與速效鉀存在中等程度的正相關關系，與堿解氮存在極弱的正相關關系；土壤堿解氮與速效鉀、速效磷、海拔存在極弱的正相關關系，與pH、有效土層存在極弱的負相關關系。可以利用海拔、地下水埋深度等自然因素和田間管理、科學施肥等人為因素的共同作用提供土壤速效磷、堿解氮的含量，實現(xiàn)速效養(yǎng)分平衡，提供土壤肥力。從單因素方差分析看，阿榮旗地區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分不成方差齊性，在一定程度上各樣點間存在顯著差異。這可能是各鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同氣候、土壤類型等結(jié)構(gòu)因素和種植制度、耕作措施等隨機因素共同作用的結(jié)果[32-33]。

4 結(jié)論

大興安嶺南麓阿榮旗地區(qū)農(nóng)田土壤除速效磷、堿解氮很缺乏外，土壤總體呈弱酸性，土壤速效鉀含量總體很豐富，均適宜作物生長，能提高作物的產(chǎn)量，符合二次土壤普查以來阿榮旗地區(qū)缺磷少氮鉀有余的情況，且在一定程度上各樣點土壤速效養(yǎng)分總體均呈顯著的空間異質(zhì)性，可以作為優(yōu)化施肥方式、科學管理耕地、實現(xiàn)養(yǎng)分平衡、提升地力的數(shù)據(jù)依據(jù)。為進一步提高土壤肥效，提高土壤養(yǎng)分利用效率，應根據(jù)阿榮旗農(nóng)田各養(yǎng)分的空間差異性合理優(yōu)化施肥方案，充分利用地形、氣候等客觀條件改善土壤管理，注重提高土壤堿解氮、速效磷含量的積累，實現(xiàn)養(yǎng)分平衡，提升土壤地力。