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2020 , Vol. 36 >Issue 10: 102 - 108

DOI: https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb20191000781

Research article

Spatial Variability of Soil Nutrients in Cultivated Land in Typical County of Hetao Plain

  • Chen Qiang , 1, 2 ,
  • Yang Jingsong , 2 ,
  • Yao Rongjiang 2 ,
  • Wang Xiangping 2 ,
  • Xie Wenping 2 ,
  • Zheng Fule 2, 3 ,
  • Zhu Hai 2, 3 ,
  • Wang Shulin 2
Expand
  • (1) Hangjinhouqi Agricultural and Animal Husbandry Technology Extension Center, Shanba Inner Mongolia 0 15400
  • (2) State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture/ Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008
  • (3) University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049

Received date: 2019-10-31

  Request revised date: 2020-01-08

  Online published: 2020-03-19

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(2016YFC0501300)

(BKZ2017)

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Fold

Abstract

The paper aims to study the soil nutrient status in Hetao Plain and explore the spatial variability and distribution characteristics of soil nutrients at county scale. By taking the arable land in Hangjinhouqi County as the object, the content of soil organic matter, total soil nitrogen, available phosphorus and rapid available potassium in the cultivated soil were studied, the spatial variability and distribution characteristics of soil nutrients were analyzed by field investigation and geostatistics. The results showed that the average content of soil organic matter, total nitrogen, available phosphorus and available potassium in topsoil in the arable layer was 13.90 g/kg, 0.93 g/kg, 16.25 mg/kg and 170.79 mg/kg, respectively. The soil organic matter and total soil nitrogen in the arable layer were in a deficient state, the content of available phosphorus was moderate, and the rapid available potassium was abundant. From the perspective of spatial variation and correlation, the variation degree of soil nutrients was moderate, the organic matter and rapid available potassium were moderately correlated, and the total nitrogen and available phosphorus were weakly correlated. From the perspective of spatial distribution pattern, the soil organic matter came to a trend of high level in the northwest, low level in the southeast and northeast, and the distribution of soil total nitrogen was similar to that of soil organic matter. The overall distribution of available potassium in soil was relatively balanced; the spatial difference of available phosphorus was obvious, showing a pattern of east high and west low. Concerning the soil nutrient content and distribution in the region, the process of nutrient management should be as following: control the nitrogen, stabilize the phosphorus, stabilize the potassium, combine the planning of the whole district with the key response, and adhere to the organic fertilizer, organic and inorganic combined fertilization strategy. The investigation and statistical analysis of soil nutrient status at the county scale clarified the spatial distribution characteristics of regional soil nutrients and their relationship with land using patterns, providing a scientific basis for soil nutrient management, soil fertility and rational fertilization planning in Hetao Plain.

Key words： Hetao Plain; soil nutrient; spatial variability; grading evaluation; Hangjinhouqi

Cite this article

Chen Qiang , Yang Jingsong , Yao Rongjiang , Wang Xiangping , Xie Wenping , Zheng Fule , Zhu Hai , Wang Shulin . Spatial Variability of Soil Nutrients in Cultivated Land in Typical County of Hetao Plain[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2020 , 36(10) : 102 -108 . DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb20191000781

0 引言

土壤养分是植物营养的主要来源和土壤肥力的物质基础,是土壤的基本属性和本质特征[1]。土壤中有机质和氮、磷、钾无机盐的含量是决定土壤肥力、农产品产量及品质的重要因素[2]。土壤养分含量受多种因素,包括成土母质、气候、地形、生物、时间、人类活动等的影响,空间变异是普遍存在且复杂的,而养分的变异必然会引起作物生长的变异[3]。因此土壤养分空间变异及空间分布特征对于指导田间作物管理、科学施肥、精准农业和长期定位监测等具有重要意义。
河套灌区是中国西北重要的粮食产区,但该区地处内陆,降水稀少,蒸发强烈,长期的引黄漫灌再加上该区排水不畅,导致地下水埋深浅,土壤次生盐渍化程度重,生态极为脆弱。不合理的灌溉不仅造成农田养分的大量淋失和空间变异,同时次生盐渍化进一步影响土壤养分的迁移转化与作物吸收。目前,国内围绕着河套平原耕地土壤养分的背景分析、迁移转化、精准管理、空间分布与评价等方面已开展一定的研究工作。高红霞等[4]根据内蒙古河套地区多目标区域地球化学调查的表层土壤分析结果,分析了河套地区表层土壤中、微量营养元素背景值;朱阳春等[5]探讨了河套灌区荒地、林地、农田3种土地利用方式下盐碱化土壤剖面pH与土壤水分和养分之间的关系;梁建财等[6]研究了河套灌区不同覆盖下秋浇、冻融及玉米生育期3个阶段的土壤养分含量变化规律,表明土壤养分的转化、迁移伴随着灌溉、冻融以及土壤水-地下水的补给同时发生;杨芙蓉等[7]研究了内蒙古巴彦淖尔地区土壤养分状况及施肥现状,剖析了近年来该地区土壤肥力下降的原因;符鲜等[8]研究了河套灌区套作小麦/玉米不同施氮水平下土壤养分的动态变化规律,发现适宜的施氮量更能促进土壤中养分积累和微生物数量;李谟志等[9]研究了燕麦和施用脱硫石膏结合对内蒙古河套地区盐渍化土壤肥力的影响,表明种植燕麦对土壤养分的影响较小,施用脱硫石膏可提高有机质、有效氮磷钾含量。综上所述,目前国内研究主要集中于河套平原点尺度土壤养分含量、剖面分布与养分管理,对该区县域尺度下耕地土壤重要养分指标空间分布特征的研究尚少,而针对河套灌区典型县域土壤养分空间分布精细刻画及合理平衡施肥的研究鲜有报道。
笔者以河套平原耕地资源丰富、盐碱地分布面积较大且特色农业发展迅猛的杭锦后旗为例,对县域尺度下耕地表层土壤中的有机质、全氮、有效磷和速效钾的含量状况进行研究,分析土地利用方式对土壤养分含量的影响,探讨县域尺度土壤养分的空间变异性与分布特征,并以施氮量为例,通过效益比较确立优化的精量施肥方案。旨在系统掌握该区典型县域土壤养分现状及其与土地利用方式的关联性,掌握其空间分布规律,并获取实现土壤培肥、节肥增效的精量施肥策略,为河套平原耕地土壤养分管理、地力培育以及合理施肥运筹等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

杭锦后旗位于内蒙古河套平原西北部,南临黄河,北邻乌拉特后旗,西傍乌兰布和沙漠,与磴口县毗邻,东与临河区、乌拉特中旗接壤。地理位置介于106°34′—107°24′E、40°26′—41°13′N,县域东西宽约52 km,南北长约87 km,海拔1032~1050 m。由冲积平原、洪积平原和河漫滩3种地形构成冲积扇平原,地势呈西南高、东北低,土壤类型的分布趋势是由南往北土壤质地由砂土到粘壤土。研究区年平均气温8℃,年均降水量137.3 mm,无霜期135天左右,年均日照时数为3253.9 h。在杭锦后旗现有的91333.3 hm2耕地中,盐碱化耕地面积达53266.7 hm2,不合理的灌溉不仅引起养分淋失与次生盐渍化,还影响土壤养分的迁移转化并导致养分利用率低下。据报道,杭锦后旗耕地土壤养分除速效钾含量较高外,其余各养分含量均较低,四级以下的耕地占85%以上[10]。

1.2 样品采集与分析

1.2.1 样品采集与处理 根据杭锦后旗1:100000地形图、土地利用现状图、1:100000地下水埋深图、地下水矿化度分布图、耕层含盐量分布图等相关图件资料布设采样点。采用GPS定位技术,于2014年4月—2015年4月对杭锦后旗耕地土壤进行定点取样,取样深度为0~20 cm,总计3575个样点。取土样的方法有对角线采样法、棋盘式采样法和蛇形采样法等,取样方法的选择一般依据取样地块的形状与大小[11]。每个样点取10个重复,将土样混匀后用四分法留取1 kg土样装袋带回实验室备用。具体样点分布如图1所示。
图1 研究区（杭锦后旗）位置及采样点分布图
1.2.2 指标测定 对所采土样进行风干、磨碎及过筛处理,土壤有机质采用油浴加热重铬酸钾容量法测定,全氮采用凯氏蒸馏法测定,有效磷采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定,速效钾采用乙酸铵浸提-6400火焰光度法测定,具体方法详见《土壤农业化学分析方法》[12]。

1.3 数据处理

变异函数模型利用地统计分析软件GS+for windows 5.3进行拟合,并用ArcGIS 9.3软件中的地统计分析模块与普通Kriging插值法绘制有机质、全氮、有效磷和速效钾的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 土壤养分含量统计特征分析

研究区土壤养分指标的统计结果（表1）显示,研究区土壤中有机质均值为13.90 g/kg,全氮均值为0.93 g/kg,有效磷均值为16.25 mg/kg,速效钾均值为170.79 mg/kg。参照已发布的全国第二次土壤普查中规定的养分分级标准将各土壤养分指标分为6级（表2）,1~6级所代表的含义分别为很丰富、丰富、中等、缺乏、很缺乏和极度缺乏。
表1 土壤养分指标统计特征值
养分指标 有机质/(g/kg) 全氮/(g/kg) 有效磷/(mg/kg) 速效钾/(mg/kg)
最小值 3.21 0.31 1.50 43.10
最大值 34.90 2.10 98.70 480.20
平均值 13.90 0.93 16.25 170.79
标准差 4.05 0.27 11.25 73.32
偏度 1.23 1.05 1.98 1.60
峰度 4.508 1.969 5.299 3.499
变异系数/% 29.16 29.61 69.21 42.93
表2 土壤养分分级标准对照表
等级 有机质/(g/kg) 全氮/(g/kg) 有效磷/(mg/kg) 速效钾/(mg/kg)
1级 [40,+∞) [2, +∞) [40, +∞) [2000, +∞)
2级 [30,40) [1.5,2) [20,40) [150,200)
3级 [20,30) [1,1.5) [10,20) [100,150)
4级 [10,20) [0.75,1) [5,10) [50,100)
5级 [6,10) [0.5,0.75) [3,5) [30,50)
6级 [0,6) [0,0.5) [0,3) [0,30)

注：本分级标准由内蒙古土壤肥料和节水农业工作站提供。

有机质含量的均值为13.90 g/kg,属于有机质分级的第4级,表明研究区有机质缺乏,含量较低;全氮含量也位于第4级,土壤全氮含量也较低,属于缺乏状态;速效磷含量属于第3级,含量中等;而速效钾的含量较高,达到170.79 mg/kg,位于第2级,含量丰富。从变异系数看,4种土壤养分变异系数为 29.16%~69.21%,属于中等程度变异。在变异系数中,速效磷最大,达到69.21%。全氮和有机质较小,均为29%左右。

2.2 土壤养分指标空间变异结构特征

利用GS+软件对各养分指标的半方差函数模型进行拟合,综合考虑养分指标的趋势性与各向异性,通过反复模拟从而选取最优拟合函数,得出半方差函数图（图2）添加图（拟合图）和结构参数（表3）。通过以上分析可知,该研究区域的各土壤养分指标都存在着良好的半方差结构,就其拟合模型看,4种养分指标均符合指数模型。
图2 研究区养分空间分布图
表3 土壤养分指标半方差函数模型参数
养分指标 土层/cm 理论模型 块金值 基台值 块金系数 变程/m 决定系数 残差
有机质 0~20 指数 0.050 0.077 35.10 1990 0.123 0.0045
全氮 0~20 指数 0.005 0.078 94.00 1440 0.164 0.0065
有效磷 0~20 指数 0.037 0.365 89.90 1530 0.192 0.1000
速效钾 0~20 指数 0.074 0.148 50.30 3510 0.344 0.0109
块金值一般指的是由随机因素所造成的变异,基台值一般指的是系统内总的变异,而块金系数（块金值/基台值）则代表由随机因素引起的异质性所占总空间异质性的程度[13]。块金系数可反映土壤属性空间的依赖性,因此经常被当作研究某些变量空间相关性的分类根据[14]。空间相关性的强弱是根据块金值与基台值的比值大小确定的,当比值小于 25%时,呈现为强空间相关性;当比值在25%~75%范围内时,呈现为中等空间相关性;当比值大于75%时,则呈现为弱空间相关性。有机质和速效钾表现出中等空间相关性,其变异受结构因素（气候、地形、土壤类型等）和随机因素（灌溉、施肥、耕作措施等）共同影响[15,16,17]。全氮和有效磷均表现弱空间相关性,表明其受随机因素影响较大。这可能与研究区的耕地多为散户种植有关,农户的经营管理方式（尤其是在氮肥的追施上）具有一定的差异性,导致随机因素造成的影响更为显著。而对于土壤速效磷,相关研究[18,19]已表明其主要受随机因素影响。变程即空间最大相关距离,用于指示变量空间的自相关范围。在本研究中,4种养分指标的变程在1.99~3.51 km之间,数值较大,表示空间相关性在比较大的范围内存在。然而,其空间自相关范围的差异较小,表示土壤中的有机质、全氮、速效磷和速效钾等养分的生态过程大致在相同的尺度上起作用。

2.3 土壤养分含量的空间分布格局

分析不同养分的空间分布格局,根据其差异有针对性地制定区域施肥政策和指导意见,有利于提高肥料利用率,进而实现精准农业和地区可持续发展。参照已发布的全国第二次土壤普查中规定的养分分级标准,可利用ArcGIS 9.3软件地统计分析模块中的普通克里格法绘制土壤中有机质、全氮、有效磷和速效钾的空间分布格局图。
由图2可知,研究区土壤中的有机质整体上处于缺乏状态,西北部地区为高值区,而低值区处于东南部及东北部地区。究其原因,可能是研究区西北部是冲积平原地区,该地区的土壤水分比较充足,灌溉条件也相对优越,因此对于有机质的积累比较有利;而研究区的东南部和东北部气温相对较高导致蒸发强烈,并且该地区灌溉保证率较低,相比之下对有机质的积累不利。研究区土壤中全氮含量的分布规律和有机质含量的分布规律大体一致,同样是西北部地区全氮含量较高,而低值出现在东南部和东北部。究其原因,可能与研究区土壤中有机质的碳氮比有一定的关系。研究区土壤中的速效钾含量比较丰富,在研究区的含量分布也较为均衡。究其原因,可能速效钾的变异受到非人为自然性因素（母质、地形、气候等）的影响[20,21],并且农田在耕种时钾肥的施用量较小,速效钾含量的分布规律受到人为因素影响相对小。此外,速效钾易流失,其含量与区域坡度关系较大[22],也与速效钾的块金系数较小的表现和研究区地处冲积平原的情况相符。速效磷整体上处于中等含量状态,其空间差异明显,呈东高西低格局,这种分布差异可能与东西部地区农业耕作方式的差异相关。

3 讨论

杭锦后旗作为河套平原的典型灌溉农区与次生盐渍化地区,其土壤养分含量的空间分布与评价对指导该地区的作物布局、提出有针对性的地力培育措施具有重要意义。本研究选择与作物生长密切相关的土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾为评价指标,重点分析了县域尺度上耕地养分空间变异性及分布特征。研究表明该区耕地土壤有机质含量较低,且呈现缺氮、中磷、富钾的特征,这与目前国内关于干旱区、半干旱区的研究结果较为一致[23]。苗恒录等[25]研究表明内蒙古乌审旗地区毛乌素沙地土壤全氮、速效磷和速效钾含量均极低,属于六级,整体较贫瘠;王雪梅等[26]对干旱荒漠绿洲区耕层土壤养分的研究表明该区土壤有机质含量中等,速效磷和速效钾较富余;此外,马玉峰等[27]研究亦发现,半干旱农牧交错区土壤养分含量整体较低,有机质和速效磷、速效钾均较为贫瘠。大量研究结果表明,耕地土壤养分元素的含量、形态分布和迁移转化不仅与气候、成土母质、成土过程以及土壤质地有关,还受耕作制度、施用化肥和种植作物类型等人为因素影响[24]。
从研究区耕地土壤养分的变异状况来看,4种土壤养分变异系数均属中等程度变异,结果与研究区多数位于冲积平原区域、海拔高度变化较小和当地的耕种方式比较单一等情况表现一致[12]。马媛等[28]在干旱区开展的研究结果显示,土壤速效磷的变异系数最高。刘国顺等[3]研究结果也显示,土壤速效磷的变异程度最大。王永旭等[29]对南疆岳普湖县开展研究同样认为速效磷的变异程度最大。综合前人与笔者研究成果,土壤中速效磷的变异程度一般比有机质、全氮和速效钾大。造成这种现象的原因可能是磷素进入土壤中,极易被土壤固定[30],区域内不同地块土壤性质的细微差异即可造成固定磷量的差异,进而影响到土壤速效磷含量。同时,土壤有机质亦是受自然因素和人为因素综合控制的土壤属性,土壤质地、土地利用方式、耕作强度、肥料类型、人为活动（离居民区距离）等因素均显著影响土壤有机质的形成与转化[31]。胡克林等[32]研究发现近20年来北京郊区土壤有机质尽管不断增加,但变异强度亦逐渐增强,城市化和土地利用方式的差异成为最主要的因素。本研究中,土壤有机质的变异除与种植方式、施肥管理、灌溉条件相关外,还与局部土壤盐碱化密不可分。
研究区土壤养分空间分布表现出明显的地带性分布规律,且受结构因素和随机因素的共同影响,其中有机质和速效钾表现出中等空间相关性,全氮和有效磷均表现弱空间相关性,这表明全氮和有效磷更易受局部小尺度的人为管理措施的影响。当地农户的施肥习惯与设施农业种植是导致该现象的最主要因素,同时局部耕地-荒漠交错的景观格局亦是不可忽视的重要因素。根据当地的耕地质量的实地调查结果,研究区西临乌兰布和沙漠,由南向北方向呈河漫滩、洪积平原和山前冲积平原,西部为耕地-沙荒地交错,北部为农牧交错区南缘,同时杭锦后旗近年来设施农业迅猛发展,局部大量的有机肥料投入增强其空间异质性[33]。胡克林等[32]研究发现,设施农业、畜禽粪便、居民点等人为因素是控制城市周边土壤有机质空间变异的主要因素;张娜等[34]研究表明,内蒙古河套灌区土壤有机质空间分布受灌排格局、地形和土壤类型等因素影响,且不同尺度下的主导因子存在差别;武悦等[35]研究显示,巴彦淖尔市耕地土壤养分状况除与人为因素密切相关外,土壤盐碱化导致的养分局部差异也是其空间不均一的重要因素。
综合上述分析结果,在具体指导该典型县域农业施肥过程中,在考虑空间异质性的前提下,应该以“控氮、稳磷、稳钾”为原则,全区规划与重点应对相结合。在保护环境的前提下,确保区域农业的可持续发展,达到增收节支目的。考虑到全区有机质整体水平处于缺乏状态,且全氮与有机质分布规律一致的特征,应该坚持以有机肥为主,有机与无机相结合的施肥策略,在提升全旗土壤有机质水平、控制氮肥用量的同时减少化肥用量,实现农业可持续发展。针对速效钾含量较为丰富且整体分布较为均衡的特点,应该在稳定土壤钾肥供应的同时,充分考虑当地大力发展青红椒、西甜瓜等经济作物种植对钾素的高量需求,适时适量调整施肥水平和策略。针对有效磷区域分布不均及易受耕作措施影响的特征,加强测土配方施肥工作,同时提升施肥技术,提高磷肥利用效率。

4 结论

（1）研究区各养分指标分布水平为有机质和全氮处于缺乏状态,速效磷含量中等,而速效钾的含量较为丰富。从空间分布格局看,土壤有机质和全氮呈现西北部含量高、东南部和东北部含量低的趋势;速效磷含量呈东高西低格局;速效钾整体分布较为均衡。从变异系数看,4种土壤养分都属于中等程度变异,速效磷最大,有机质和全氮较小。
（2）从土壤养分指标空间变异结构特征看,4种养分指标均符合指数模型;有机质和速效钾呈现出中等空间相关性,而全氮和有效磷则呈现弱空间相关性;4种养分指标变程在1.99~3.51 km的范围内,自相关范围的差异较小,表示土壤中的有机质、全氮、速效磷和速效钾等养分的生态过程大致在相同的尺度上起作用。
（3）针对土壤中各养分含量及分布规律,在进行养分管理、地力培育和农业施肥过程中应做到坚持以有机肥为主,有机与无机相结合的施肥策略;充分考虑经济作物对钾素的高量需求,适时适量调整施肥水平和策略;加强测土配方施肥工作,提升施肥技术,提高磷肥利用效率。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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