李騰 ，張曉菊 ，韓迎春 ，王國平 ，熊世武 ，李亞兵 *

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學土地與環(huán)境學院,沈陽110866；2.棉花生物學國家重點實驗室/中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所，河南安陽455000；3.安陽市殷都區(qū)環(huán)境保護局，河南安陽455000）

麥棉兩熟種植是我國糧棉主產(chǎn)區(qū)一項成熟的種植制度[1]，在確保糧食安全和增加農(nóng)民收入中發(fā)揮著重要作用。1980年以來，在河南、河北、山東以及黃淮海平原，棉花的間套作種植面積增加了4倍之多，其中有超過65%的棉花與小麥進行間套作種植[2]。間套作種植在提升作物品質(zhì)以及作物產(chǎn)量[3]的同時，對地下部的土壤養(yǎng)分的吸收利用也產(chǎn)生了不同的影響[4]。

土壤是時空連續(xù)的變異體，具有高度的空間異質(zhì)性，不論在大尺度上還是在小尺度上，土壤的空間異質(zhì)性均存在[5]?？臻g異質(zhì)性是指變量在空間上的不均勻性和復雜性,表現(xiàn)為系統(tǒng)的綴塊性和環(huán)境的梯度變化[6]，廣泛存在于生態(tài)系統(tǒng)中，其普遍性和重要性毋庸置疑[7]。土壤作為時空連續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)，其形成受母質(zhì)、氣候、生物、地形及人為因素共同作用，這些因素在時空上具有不一致性，因此，土壤是具有高度時空變異的連續(xù)體[8]。土壤養(yǎng)分空間變異是由內(nèi)在因素和隨機性因素共同作用的結(jié)果，自然過程（地形、母質(zhì)、土壤類型）是土壤特性空間變異的內(nèi)在驅(qū)動力，它有利于土壤屬性空間變異結(jié)構(gòu)性的加強和相關(guān)性的提高，尤其是在較大的尺度水平上表現(xiàn)更為明顯[9]；而人為過程（施肥、耕作措施、作物種植制度）則是影響土壤特性變異的外在因素，表現(xiàn)為較大的隨機性，往往對變量空間變異的結(jié)構(gòu)性和相關(guān)性產(chǎn)生削弱作用，使土壤特性的空間分布朝均一方向發(fā)展[10]，尤其是在小尺度水平上表現(xiàn)更為強烈[9]。

半方差函數(shù)是研究土壤空間異質(zhì)性的有效工具，是地統(tǒng)計學中研究特征空間變異性的一個函數(shù)，反映了不同距離的觀測值之間的變化；所謂半方差函數(shù)就是點間差值的方差一半[11]。

李亞兵等[12]在棉花冠層光分布的研究中對半方差函數(shù)進行了較為系統(tǒng)的闡述。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地點位于河南省安陽縣白璧鎮(zhèn)（36°06'N，114°21'E）中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所東場試驗站，其海拔高度為76.4m，土壤類型為黏壤土，土壤肥力中等。試驗地氣候為大陸性季風氣候，年均降水量約為544mm。試驗用地為小麥、棉花兩熟長期定位試驗田，定位試驗起始于2014年。麥棉兩熟種植區(qū)面積為：120×50m2，棉花單作種植區(qū)面積為：100×120m2。

1.2 田間管理方式

田間管理采取當?shù)馗弋a(chǎn)栽培管理方式。兩熟種植下，在小麥播種前期，底施復合肥（N、P2O5、K2O含量分別為13%，17%，15%），養(yǎng)分含量為：N 78 kg·hm－2、P2O5102 kg·hm－2和 K2O 90 kg·hm－2，在小麥生長階段，總共追肥N 170 kg·hm－2。棉花生長階段，追肥 N 135 kg·hm－2。小麥、棉花生長期間，在3月和6月總共灌溉2次。小麥于2017年10月25日播種。單作棉田田間管理方式為：2017年棉花收獲后、翻地前，底施復合肥。2018年棉花生長階段，追肥 N 135 kg·hm－2。

1.3 采樣點布設及采樣方法

田間試驗于2018年3月12日取樣，取樣時小麥處于返青階段。本試驗為雙因素設計，分別在兩熟棉田、單作棉田中以30×50m2以及10×10m2為取樣尺度進行取土（圖1），具體操作方法為分別在兩種種植方式下的種植區(qū)中選取地勢平整地塊，各取一個30×50m2樣方，內(nèi)含10×10m2網(wǎng)格15個；在確定好的30×50m2樣方內(nèi)隨機設置一個10×10m2樣方，內(nèi)含2.5×2.5m2網(wǎng)格16個，分別在每個網(wǎng)格結(jié)點取樣，每個取樣點分兩層取土，即0～20 cm、20～40 cm土層，每種種植方式下每30×50m2樣方尺度取樣24個，每10×10m2樣方取樣25個，計98個樣品。試驗共采集樣品196個。取樣示意圖如圖1。取回土壤樣品在自然條件下避光風干后，磨碎，過100目篩，測定速效磷、速效鉀以及可交換性鎂含量，測定方法參照文獻[13]。

1.4 半方差分析模型

圖1 兩熟種植以及棉花單作種植不同取樣尺度下田間取樣示意圖

對測定的樣品數(shù)據(jù)，用半方差分析方法計算其空間異質(zhì)性特征，根據(jù)半方差函數(shù)參數(shù)進行最佳模型的擬合，常見的半方差函數(shù)模型主要有：一種是有基臺值的模型，例如球狀模型、指數(shù)模型、線性有基臺值模型、高斯模型、純塊金效應模型；另一種是無基臺值的模型，如冪函數(shù)模型、拋物線模型、線性無基臺值模型[14-15]。常見的半方差函數(shù)曲線的參數(shù)有 C0，C，以及 A0，其中，C0表示塊金方差（間距為 0時的半方差），C為結(jié)構(gòu)方差，C0＋C為基臺值（半方差函數(shù)隨間距遞增到一定程度后出現(xiàn)的平穩(wěn)值），表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異；A0為變程。 C0/（C0＋C）可表示空間相關(guān)性程度，如果方差比值＞75%，說明變量空間相關(guān)性很弱；如果在25%～75%，變量具有中等的空間相關(guān)性；方差比值＜25%時，變量具有強烈的空間相關(guān)性[16]。本文采用GS＋軟件對土壤P、K、Mg的空間異質(zhì)性進行研究。

2 結(jié)果

2.1 單作棉田土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性

由表1可見，單作棉田中土壤可交換性鎂在20～40 cm土層30×50m2取樣尺度下為有基臺值的球狀模型，C0/（C＋C0）＜25%，表現(xiàn)為強空間相關(guān)性，R2為0.98，說明該模型能夠較好地描述土壤可交換性鎂的空間結(jié)構(gòu)；其余K、P、Mg在0～20 cm、20～40 cm 兩個土層，10×10m2、30×50m2取樣尺度下都是線性模型，C0/（C＋C0）均大于 74%，空間相關(guān)性較弱，R2為0～0.79，曲線的擬合程度較差。

表1 單作棉田土壤速效鉀、速效磷、可交換性鎂空間變化半方差函數(shù)參數(shù)

2.2 兩熟棉田土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性

由表2可見，在兩熟棉田中，不同土壤深度下不同取樣尺度的半方差函數(shù)最佳擬合模型與單作棉田相比差異明顯。土壤速效鉀在10×10m2的取樣尺度下，0～20 cm 土層為球狀模型，C0/（C＋C0）為0.08，小于25%，有強烈的空間相關(guān)性，R2為0.87，擬合模型能夠較好地描述在該土層內(nèi)土壤速效鉀的空間結(jié)構(gòu)；20～40 cm土層為高斯模型，C0/（C＋C0）為 0.26，介于 25%到 75%之間，表現(xiàn)為中等空間相關(guān)性，R2為0.93。在30×50m2取樣尺度下的兩個土層，土壤速效鉀的最佳擬合模型均為線性模型，C0/（C＋C0）值均為 1。土壤速效磷在 0～20 cm土層深度、10×10m2取樣尺度下的半方差函數(shù)擬合模型為指數(shù)模型，C0/（C＋C0）＜25%，R2為0.98，說明指數(shù)模型能夠較好地描述在該土層深度以及取樣尺度下的土壤速效磷的空間結(jié)構(gòu)；然而，在0～20m土層、30×50m2取樣尺度以及20～40 cm土層下的兩個取樣尺度內(nèi)，土壤速效磷的半方差函數(shù)擬合模型均為線性模型。與土壤速效磷、速效鉀不同，土壤可交換性鎂在10×10m2取樣尺度下的兩個土層中均為線性模型；在30×50m2的取樣尺度下的兩個土層中均符合高斯模型，且C0/（C＋C0）值均小于 25%，R2均為 1。

表2 兩熟棉田土壤速效鉀、速效磷、可交換性鎂空間變化半方差函數(shù)參數(shù)

3 討論

3.1 種植方式對不同土壤元素的空間異質(zhì)性的影響

在本研究中，土壤速效磷、速效鉀與土壤可交換性鎂在不同的取樣尺度下表現(xiàn)出了不同的空間依賴性（表2）。土壤可交換性鎂在兩熟棉田較大尺度上表現(xiàn)出空間依賴性，在單作棉田的20～40 cm土層中也存在空間依賴性。而土壤速效磷、速效鉀只在較小尺度上的兩熟棉田中存在空間依賴性。研究結(jié)果與 Schlesinger 等[17]、Jobbágy 等[18]針對植物生長所必需的營養(yǎng)元素與非必需營養(yǎng)元素的空間異質(zhì)性的相關(guān)研究相一致。土壤是時空連續(xù)變異的復雜體，即使在同一地區(qū)內(nèi)也會受種植方式、地形等因素影響[19-20]。在本研究中，種植方式對土壤速效磷、速效鉀的空間異質(zhì)性有明顯的影響，但對土壤可交換性鎂的影響相比而言不明顯（表1、表2）。白永飛等[21]針對自然生態(tài)系統(tǒng)下的草原生態(tài)系統(tǒng)的土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的研究表明，地上部植物群落的改變可以顯著影響地下部土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性。

3.2 采樣尺度對土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的影響

塊金值與基臺值的比值C0/（C＋C0）表示隨機部分引起的空間變異性占系統(tǒng)總變異的比例，如果比值高，則說明隨機因素引起的空間異質(zhì)性程度較高，結(jié)構(gòu)性因素較低，系統(tǒng)空間相關(guān)性較弱[22]，同時也說明對這些指標進行研究應適當減小采樣距離[8]。在本研究中，兩熟棉田下的土壤速效磷、速效鉀在30×50m2取樣尺度下的半方差函數(shù)最佳擬合模型均為線性模型，且C0/（C＋C0）均較高（接近或等于1）（表2），說明在該取樣尺度下土壤P、K空間異質(zhì)性強，相關(guān)性較弱，隨機因素引起土壤速效磷、速效鉀的空間異質(zhì)性程度較高，并且應該適當降低取樣尺度；在10×10m2取樣尺度下0－20 cm土層內(nèi)，土壤速效磷、速效鉀的半方差函數(shù)最佳擬合模型分別是球狀模型、高斯模型以及指數(shù)模型，C0/（C＋C0）＜26%，空間異質(zhì)性較弱，相關(guān)性強，說明土壤自身結(jié)構(gòu)因素對土壤速效磷、速效鉀的空間異質(zhì)性影響更大，受隨機因素影響較??；而土壤可交換性鎂則在30×50m2的取樣尺度下的空間相關(guān)性較強。

4 結(jié)論

麥棉兩熟種植改變了棉田土壤速效磷、速效鉀的空間異質(zhì)性格局，使這兩種元素在較小尺度（10×10m2）的空間依賴性增加，但對土壤可交換性鎂的影響不大。土壤速效磷、速效鉀的空間異質(zhì)性的取樣尺度在10×10m2時的空間相關(guān)性較高，30×50m2下無空間相關(guān)性。不同的種植方式對植物生長必需元素K、P的影響大于非必需元素Mg。