張楷悅，張曉光,3，王敬寬，賈龍，韓成剛,2，柳新偉,2,3

(1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東青島 266109； 2. 東營(yíng)青農(nóng)大鹽堿地高效農(nóng)業(yè)技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究院，山東東營(yíng) 257091；3. 青島市農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用工程研究中心，山東青島 266109)

土壤養(yǎng)分豐缺程度決定農(nóng)作物的產(chǎn)量。受氣候、母質(zhì)、地形、生物等結(jié)構(gòu)性因素和施肥、灌溉等隨機(jī)性因素影響，即使在同一田塊中，不同位置的土壤養(yǎng)分具有不同的空間異質(zhì)性，土壤養(yǎng)分的空間分布特征也會(huì)有明顯差異[1]。土壤養(yǎng)分對(duì)現(xiàn)代健康農(nóng)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要，土壤養(yǎng)分空間分布研究已經(jīng)受到越來(lái)越多的關(guān)注[2]。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者利用多種方式方法研究發(fā)現(xiàn)，土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性與自然因素、人為因素密切相關(guān)[3-5]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)縣級(jí)及以上尺度農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間分布特征研究較多，而對(duì)農(nóng)場(chǎng)尺度農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間分布特征研究較少。大尺度水平土壤性質(zhì)的研究可以揭示研究區(qū)土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性，對(duì)提高土壤測(cè)繪質(zhì)量和土壤數(shù)字化具有重要意義；中尺度水平的研究可以通過(guò)合理的措施改善土壤養(yǎng)分，從而達(dá)到管理空間的目的，為土壤養(yǎng)分管理信息系統(tǒng)的建立提供數(shù)據(jù)支持；小尺度水平的研究便于分析微域環(huán)境下土壤特性的變化，可以彌補(bǔ)大尺度水平研究的不足。因此研究農(nóng)場(chǎng)尺度農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間分布特征是實(shí)現(xiàn)“精準(zhǔn)施肥”的基礎(chǔ)[6-7]，對(duì)精確調(diào)控和定向培育土壤肥力、改善土壤生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

本文以東營(yíng)青農(nóng)大鹽堿地高效農(nóng)業(yè)技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究院園區(qū)為研究區(qū)，測(cè)定0～20 cm和20～40 cm土層土壤養(yǎng)分含量，分析、預(yù)測(cè)土壤空間異質(zhì)性和土壤養(yǎng)分空間分布，以期為園區(qū)精確管理提供數(shù)據(jù)和理論支撐。同時(shí)，以農(nóng)場(chǎng)尺度進(jìn)行鹽堿地土壤養(yǎng)分空間變異及分布研究，可為鹽堿地農(nóng)場(chǎng)尺度精確管理提供重要數(shù)據(jù)參考，有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省黃河三角洲農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，面積72.3 hm2，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫12.8 ℃，無(wú)霜期206 d，≥10 ℃積溫約4 300 ℃，農(nóng)作物可兩年三熟。年平均降水量555.9 mm，其中65%集中在夏季，降水量年際變化大，易形成旱、澇災(zāi)害。研究區(qū)土壤是在河流沉積物上發(fā)育而成的，成土母質(zhì)為沖積性黃土母質(zhì)，成土年齡較晚。研究區(qū)地理位置獨(dú)特，受地下高度礦化潛水影響，存在大面積鹽堿地，土壤為典型鹽堿土，鹽堿化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

1.2 儀器與試劑

1.2.1 儀器

ST2100型pH計(jì)，奧豪斯儀器(常州)有限公司；V-1200可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海美譜達(dá)儀器有限公司；FP6410火焰光度計(jì)，上海欣益儀器儀表有限公司。

1.2.2 試劑

硫酸鉬銻抗顯色劑，上海銀典化工有限公司。

100 μg/mL鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：稱(chēng)取KCl 0.190 7 g溶于1 mol/L NH4OAc溶液中，定容至1 L。

1.3 取樣方法

按50 m×50 m柵格劃分，每個(gè)柵格內(nèi)確定1個(gè)采樣點(diǎn)，共有139個(gè)采樣點(diǎn)，分布在12個(gè)作物種植區(qū)。采樣點(diǎn)和種植區(qū)分布如圖1所示，2020—2021年種植區(qū)施肥情況如表1所示。用S形3點(diǎn)混合采樣法，在每個(gè)采樣點(diǎn)分別取0～20 cm和20～40 cm土層的土壤。采樣時(shí)，用GPS測(cè)量?jī)x記錄采樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)。采集的土壤帶回實(shí)驗(yàn)室，于通風(fēng)陰涼處風(fēng)干，去雜，研磨，過(guò)18目篩，裝入自封袋中標(biāo)號(hào)后，于陰涼處保存?zhèn)溆谩?/p>

圖1 采樣點(diǎn)和種植區(qū)分布

1.4 測(cè)定方法

1.4.1 土壤pH值

將土樣(可不必風(fēng)干)剔除大顆粒，稱(chēng)取10 g放入小燒杯中，加入蒸餾水25 mL，攪拌使土壤顆粒充分分散，靜置30 min。使用pH計(jì)測(cè)量溶液pH值，即為土壤pH值。

表1 2020—2021年種植區(qū)施肥情況

1.4.2 土壤鹽分含量

采用重量法測(cè)量[8]187-188。取1∶5土壤浸出液或水樣20～50 mL(使所得鹽分質(zhì)量為0.02～0.20 g)至已知烘干質(zhì)量的100 mL瓷蒸發(fā)皿內(nèi)，水浴蒸干，用滴管沿瓷蒸發(fā)皿內(nèi)壁滴加150 g/L H2O2，殘?jiān)鼭駶?rùn)后，繼續(xù)蒸干。反復(fù)使用H2O2處理，直至有機(jī)質(zhì)完全氧化，此時(shí)殘?jiān)鼮榘咨堅(jiān)痛烧舭l(fā)皿置于105～110 ℃烘箱中1～2 h，冷卻，稱(chēng)重。再次烘干殘?jiān)痛烧舭l(fā)皿0.5 h，冷卻，稱(chēng)重，直至相鄰兩次所測(cè)質(zhì)量差不大于1 mg。

1.4.3 土壤堿解氮含量

采用堿解擴(kuò)散法測(cè)量[8]56-58。稱(chēng)取土樣2 g、研磨過(guò)的FeSO4粉末1 g，均勻鋪在擴(kuò)散皿外室，并向擴(kuò)散皿內(nèi)室加入2 mL 20 g/mL硼酸溶液。擴(kuò)散皿外室邊緣涂抹膠并蓋上毛玻璃，留適當(dāng)縫隙，在加入10 mL 1 mol/L NaOH溶液后立即蓋緊。輕輕旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散皿，使堿液浸沒(méi)所有土壤后，用橡皮筋固定毛玻璃，置于40 ℃恒溫箱中，24 h后使用半微量滴定管滴加0.01 mol/L HCL，至溶液由藍(lán)變紅為止。

1.4.4 土壤速效磷含量

采用鉬銻抗比色法測(cè)量[8]81-83。量取2.5 g土樣、50 mL 0.5 mol/L NaHCO3溶液于250 mL塑料瓶中，振蕩30 min后過(guò)濾。量取5 mL濾液、5 mL NaHCO3溶液、5 mL硫酸鉬銻抗顯色劑于50 mL三角瓶中顯色30 min，加入35 mL蒸餾水，用可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定波長(zhǎng)880 nm處吸光度。

1.4.5 土壤速效鉀含量

采用火焰光度法測(cè)量[8]106-107。分別量取鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液0 mL、2 mL、5 mL、10 mL、20 mL、40 mL于50 mL容量瓶中，使用1.0 mol/L NH4OAc溶液定容。取5 g土樣與50 mL 1 mol/L乙酸于100 mL塑料瓶中，振蕩30 min后過(guò)濾，使用火焰光度計(jì)測(cè)定土壤速效鉀含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 13.0軟件對(duì)土樣屬性進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)研究區(qū)域內(nèi)土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行空間分布預(yù)測(cè)?？臻g分布預(yù)測(cè)時(shí)，對(duì)各土壤養(yǎng)分含量指標(biāo)建立半方差函數(shù)理論模型[9]，然后使用ArcGis 10.0軟件空間分析模塊中的普通克里金法對(duì)未采樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行優(yōu)化，生成研究區(qū)域內(nèi)土壤養(yǎng)分含量的空間分布圖。

在地統(tǒng)計(jì)學(xué)中，半方差函數(shù)反映區(qū)域化變量的結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性變化[10]，在確定土壤取樣數(shù)目及應(yīng)用普通克里金法進(jìn)行插值計(jì)算時(shí)發(fā)揮極其重要的作用[10]，是分析研究區(qū)內(nèi)變量的空間變異結(jié)構(gòu)的重要工具。

塊金值C0表示取樣誤差和小于取樣尺度下的空間變異；基臺(tái)值(C0+C)表示變量在研究范圍內(nèi)總的空間變異強(qiáng)度；塊金系數(shù)為塊金值和基臺(tái)值之比，反映塊金值占總空間異質(zhì)性變異的比例大小，可用來(lái)描述系統(tǒng)變量空間相關(guān)性程度[11]。按照區(qū)域化變量空間相關(guān)性程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[12]：當(dāng)C0/(C0+C)<25%時(shí)，變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；當(dāng)25%75%時(shí)，變量的空間相關(guān)性很弱。

2 結(jié)果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析

由表2可知：0～20 cm和20～40 cm兩土層土壤鹽分含量均大于1.2 mg/kg，說(shuō)明土壤為強(qiáng)鹽漬化土壤；堿解氮含量45～100 mg/kg，速效鉀含量均大于160 mg/kg。pH值和鹽分含量均呈現(xiàn)為下層土壤大于上層，堿解氮、速效磷和速效鉀含量均呈現(xiàn)為下層土壤小于上層。0～20 cm土層土壤速效磷含量10～20 mg/kg，而20～40 cm土層土壤速效磷含量小于10 mg/kg。

變異系數(shù)越大說(shuō)明土壤養(yǎng)分空間分布越不均勻，受外界影響程度越大。由表2可知：0～20 cm和20～40 cm兩土層土壤pH值變異系數(shù)較小，說(shuō)明土壤養(yǎng)分空間分布較為均勻；0～20 cm土層土壤速效鉀、堿解氮、鹽分含量變異系數(shù)分別為35.18%、44.20%和56.29%，均為中等變異，20～40 cm土層三者的變異系數(shù)與0～20 cm土層相近，也為中等變異；0～20 cm和20～40 cm兩土層土壤速效磷含量變異系數(shù)分別為158.94%和243.28%，均為強(qiáng)變異。土壤養(yǎng)分空間變異性與養(yǎng)分本身的特性有關(guān)，速效磷成分穩(wěn)定，水溶性差，不易隨水遷移，因此土壤速效磷含量空間變異性強(qiáng)。

表2 土壤養(yǎng)分含量的描述性統(tǒng)計(jì)特征

2.2 半方差函數(shù)分析

由表3可知，對(duì)0～20 cm土層：與其他土壤養(yǎng)分相比，速效鉀含量的塊金系數(shù)最小，為0.170 4，空間相關(guān)性最強(qiáng)，主要受結(jié)構(gòu)性因素影響；速效磷含量、鹽分含量的塊金系數(shù)分別為0.298 3、0.303 4，具有中等程度空間相關(guān)性，受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同影響；pH值和堿解氮含量的空間相關(guān)性較弱，塊金系數(shù)分別為0.572 6、0.627 9，而pH值的變異系數(shù)較小(表2)，堿解氮含量的空間相關(guān)性較弱說(shuō)明堿解氮含量受隨機(jī)性因素影響較大。對(duì)20～40 cm土層：與其他土壤養(yǎng)分相比，速效磷含量的空間相關(guān)性最強(qiáng)，受結(jié)構(gòu)性因素影響大；速效鉀和鹽分含量空間相關(guān)性弱，與其他土壤養(yǎng)分相比，受隨機(jī)性因素影響更大。與0～20 cm土層相比，20～40 cm土層土壤pH值空間相關(guān)性強(qiáng)，說(shuō)明受隨機(jī)性因素影響較弱，受結(jié)構(gòu)性因素影響較強(qiáng)。

表3 0～20 cm和20～40 cm土層土壤養(yǎng)分半方差函數(shù)參數(shù)

2.3 空間局部插值法分析

2.3.1 土壤堿解氮含量空間分布特征分析

由圖2可知：0～20 cm土層土壤堿解氮含量為3.50～226.10 mg/kg，均值68.61 mg/kg，堿解氮含量呈由中間向四周遞增趨勢(shì)；20～40 cm土層土壤堿解氮含量為9.80～145.60 mg/kg，均值62.28 mg/kg，堿解氮含量呈由中間向東西兩側(cè)遞增趨勢(shì)，西側(cè)最高。比較兩土層可以發(fā)現(xiàn)，土壤堿解氮含量空間分布特征相似，20～40 cm土層土壤堿解氮含量空間分布更復(fù)雜。

2.3.2 土壤速效磷含量空間分布特征分析

由圖3可知：0～20 cm土層土壤速效磷含量為0.24～116.66 mg/kg，均值10.38 mg/kg，速效磷含量空間分布呈斑塊狀，速效磷含量較大的區(qū)域多集中在東北側(cè)；20～40 cm土層土壤速效磷含量為0.24～158.96 mg/kg，均值7.55 mg/kg，速效磷含量空間分布也呈斑塊狀。比較兩土層可以發(fā)現(xiàn)，土壤速效磷含量空間分布特征相似，均呈斑塊狀，但0～20 cm土層土壤速效磷含量均值更大。

2.3.3 土壤速效鉀含量空間分布特征分析

由圖4可知：0～20 cm土層土壤速效鉀含量為131.30～810.70 mg/kg，均值295.53 mg/kg，整體上速效鉀含量由中間向四周逐漸升高；20～40 cm土層土壤速效鉀含量為108.10～810.60 mg/kg，均值251.63 mg/kg，整體上速效鉀含量由中間向東西兩側(cè)逐漸升高。比較兩土層可以發(fā)現(xiàn)，速效鉀含量空間分布特征相似，0～20 cm土層土壤速效鉀含量均值更大。

A. 0～20 cm土層；B. 20～40 cm土層。

A. 0～20 cm土層；B. 20～40 cm土層。

A. 0～20 cm土層；B. 20～40 cm土層。

2.3.4 土壤pH值空間分布特征分析

由圖5可知：0～20 cm土層土壤pH值為7.92～8.96，均值8.54，呈堿性，土壤pH值空間分布呈大斑塊狀，西南側(cè)和東南側(cè)土壤pH值較高；20～40 cm土層土壤pH值為8.15～9.09，均值8.68，呈堿性，土壤pH值空間分布也呈斑塊狀，東南側(cè)和西側(cè)土壤pH值較高。對(duì)比兩土層可以發(fā)現(xiàn)，20～40 cm土層土壤pH值均值較高。

A. 0～20 cm土層；B. 20～40 cm土層。

2.3.5 土壤鹽分含量空間分布特征分析

由圖6可知：0～20 cm土層土壤鹽分含量為0.02～2.92 g/kg，均值1.21 g/kg，土壤鹽分含量空間分布呈插花狀；20～40 cm土層土壤鹽分含量為0.02～2.78 g/kg，均值1.31 g/kg，土壤鹽分含量空間分布呈大斑塊狀。對(duì)比兩土層可以看出，20～40 cm土層土壤鹽分含量異質(zhì)性更強(qiáng)。

A. 0～20 cm土層；B. 20～40 cm土層。

3 討論與結(jié)論

3.1 不同土層土壤屬性空間分布差異

根據(jù)空間局部插值法分析，與20～40 cm土層相比，0～20 cm土層土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和鹽分含量較高，土壤pH值較低。由于研究區(qū)地下水位高，年平均水位5.32 m，鹽含量24.6 g/L，所以表現(xiàn)為下層土壤鹽分明顯高于上層，下層土壤pH值高于上層。圖1中種植區(qū)⑩的土壤堿解氮和速效鉀含量明顯低于其他種植區(qū)，這可能是因?yàn)榉N植區(qū)⑩長(zhǎng)期未施肥(表1)，而苜蓿的定期產(chǎn)出使土壤中的氮元素和鉀元素不斷流失[13]。另外，該種植區(qū)土壤速效磷含量分布呈斑塊狀，可能是因?yàn)榱自卦谕寥乐幸苿?dòng)性較小，擴(kuò)散能力較低，難以被作物吸收利用。

土壤屬性的空間變異性受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素組成的塊金效應(yīng)影響，尤其是在不同土層之間，土壤塊金效應(yīng)表現(xiàn)并不一致。0～20 cm土層土壤pH值和速效磷含量的塊金系數(shù)均大于20～40 cm土層，說(shuō)明上層pH值和速效磷含量的變異主要是由隨機(jī)性因素引起，下層土壤受隨機(jī)性因素影響較弱。然而，0～20 cm土層土壤鹽分含量和速效鉀含量的塊金系數(shù)較小，說(shuō)明上層土壤受結(jié)構(gòu)性因素的影響非常大，遠(yuǎn)超過(guò)隨機(jī)性因素的影響。受雨水、灌溉等淋溶作用影響，隨土壤深度的增加，鹽分和速效鉀含量受結(jié)構(gòu)性因素影響逐漸減弱，受隨機(jī)性因素影響逐漸增強(qiáng)。0～20 cm和20～40 cm兩土層土壤的堿解氮塊金系數(shù)相近，說(shuō)明結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素的影響程度相近。

3.2 相同土層土壤屬性變異性與塊金效應(yīng)差異

土壤不同養(yǎng)分的空間變異性因土壤本身屬性、研究尺度的不同而具有較大差別[14]。研究區(qū)內(nèi)土壤鹽分、堿解氮和速效鉀含量為中等變異，土壤pH值為弱變異，這與該地區(qū)已有研究結(jié)果一致[15]，主要原因是黃河三角洲位于華北地臺(tái)區(qū)濟(jì)陽(yáng)坳陷的東北部，長(zhǎng)期受地面沉降和黃河河流作用影響[16-17]。土壤速效磷含量為強(qiáng)變異，主要是因?yàn)樗傩Я缀颗c土壤質(zhì)地、日常管理、水分含量等多種因素有關(guān)。復(fù)雜的化學(xué)、生物轉(zhuǎn)化作用使磷素容易被土壤固化，導(dǎo)致磷肥利用效率偏低，土壤速效磷含量升高[16]。中等及以上程度的變異說(shuō)明土壤屬性空間異質(zhì)性比較強(qiáng)，有必要進(jìn)行差異化管理。因此，本文結(jié)果支持在園區(qū)內(nèi)實(shí)施精確管理。