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2020 , Vol. 36 >Issue 10: 95 - 101

DOI: https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb18120066

Research article

The Soil Nutrient Status and Spatial Distribution Characteristics in Luonan Forsythia Planting Area

  • Zhang Jiao , 1 ,
  • Zhang Xiaohu , 2 ,
  • Yan Peiyun 2
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  • (1) College of Resources and Environment, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling Shaanxi 712100
  • ((2) College of Biology Pharmacy and Food Engineering, Shangluo University, Shangluo Shaanxi 726000

Received date: 2018-12-17

  Request revised date: 2019-01-07

  Online published: 2020-03-19

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(SK2016-49)

(SK2018-23)

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Fold

Abstract

The purpose is to reveal the spatial variability law of soil nutrients in Luonan County, and provide technical support for scientific fertilization in Forsythia suspensa planting and precision agriculture. We used geographic information technology and geostatistical principles, and based on the information collection of soil samples, analyzed the main nutrients’ status in soil and the spatial variation trend of main nutrients’ indicators. The results showed that soil pH value in Forsythia suspensa planting area was mostly neutral, organic matter was deficient as a whole, especially in the southeast region. Nitrogen decreased from north to south, and it was deficient in southeast region. Available phosphorus content was at a suitable level, decreased from west to east and increased from south to north. Available potassium content was higher, increased from west to east and from south to north. As to the available content of microelements, iron was rich, and manganese, copper and zinc were at suitable level, while boron was deficient. The results can be used for the rational fertilization on Forsythia suspense and its planting layout.

Key words： Forsythia suspense; planting; soil nutrient; spatial distribution; Luonan County

Cite this article

Zhang Jiao , Zhang Xiaohu , Yan Peiyun . The Soil Nutrient Status and Spatial Distribution Characteristics in Luonan Forsythia Planting Area[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2020 , 36(10) : 95 -101 . DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb18120066

0 引言

木犀科连翘属灌木植物连翘的干燥果实是常用中药材料,连翘作为园林绿化常用树种,亦是用于水土保持的植物类型,连翘果实提取物已被广泛用于食品防腐保鲜[1,2,3]。随着用途的拓展连翘用量增加,依靠科技提高增产增收效益是连翘种植亟待解决的问题。
连翘喜温暖湿润的气候,具有耐寒、耐涝、耐贫瘠、适应性较强的特点,能够在陡壁、悬崖、石缝处顽强生长,但以土层深厚、土质肥沃、背风向阳的山地更适于生长[4]。植物赖以生存的土壤受复杂的成土过程、长期的人类生产活动的影响,土壤养分状况表现出一定的空间变异特点,目前国内外施行的精准农业,正是以空间变异性作为理论指导的。因此,研究洛南县连翘种植区土壤养分状况及空间分布特征,揭示研究区土壤养分空间变异规律,旨在为指导该县连翘种植科学施肥和服务精准农业提供技术支撑[5,6,7]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

陕西省商洛市洛南县地处秦岭东段南麓、洛河源头,介于东经109°44′00″—110°40′17″、北纬33°51′30"—34°26′00″之间,东西最长约85 km,南北最宽约64 km,全县土地总面积2830.16 km2。境内地势西北高、东南低,海拔最高点为2646 m、最低点为690 m,相对高差为1956 m;地形复杂、梁峁起伏、沟壑纵横、地表支离破碎,水土流失比较严重,根据地面起伏程度、海拔高度、相对高差、坡度大小等地貌成因划分为河谷川塬、浅山丘陵和中山3个地貌类型区,构成“八山一水一分田”的自然地理景观。
洛南县属暖温带南缘半湿润季节性山地气候类型区,年平均气温11.1℃,夏季平均气温21.8℃,历年平均≥0℃积温4152.3℃,持续285天,≥10℃积温3463.8℃,持续187天,年平均无霜期195天,初霜期最早出现在10月中旬。年平均降水量760 mm,受季风影响,年内降水量变化较大,夏秋降水量较多,冬春降水量较少,且受地形地貌的影响,降水量随海拔高度的升高而增大,呈现西北多、东南少,在河谷川塬、浅山丘陵、中山地区有增大的趋势,干旱、暴雨、连阴雨、冰雹、霜冻等灾害性天气对种植业生产造成一定危害[8,9]。
土壤普查资料表明,洛南县有8个土类、18个亚类、31个土属、100个土种,土壤总面积占土地总面积的94.8%;8个土类占土壤总面积分别为水稻土0.03%、潮土0.78%、新积土7.90%、褐土14.24%、黄棕壤37.46%、棕壤35.60%、山地草甸土0.31%、紫色土3.68%;土壤以垂直分布为主,海拔1300 m以上的山地主要为棕壤,1000~1300 m主要地带性土壤是黄棕壤兼有褐土,1000 m以下地区主要是褐土中的淋溶褐土及黄棕壤中的黄褐土,在河谷川塬地区以新积土为主兼有潮土和少量的水稻土。
复杂多变的地形、典型的山地气候、众多的土壤类型为洛南县植物多样性提供了天然生态环境。该县有粮食作物23种、经济作物200多种、常见树种160余种,以连翘、丹参、桔梗为主的中药材300余种。其中连翘为该县的传统优势产业,产量居全国之首,面积及年收购量居陕西省、商洛市第一[10]。“因土制宜”科学管理抚育野生连翘及科学布局连翘种植基地,进而促进连翘产量质量的提高,在该县县域经济发展中具有举足轻重的作用。

1.2 研究方法

1.2.1 研究区土壤样品及信息采集 2017年在洛南县连翘种植区采集78个0~20 cm的土壤样品。鉴于山区地形崎岖不平,采用“S”型路线布点随机多点采样,尽可能使样品具有代表性,利用土钻取样并等量混合多点深度相同样品,以“四分法”留存各点土样1 kg置于土样袋中。采样的同时用手持GPS仪记录各土壤样点的经纬度、海拔高度等地理坐标信息,统一编号并填写土样标签一式两份,分别放入土样袋中及粘贴于土样袋上[11]。采样地点分布见图1。
1.2.2 土壤样品分析项目及测定方法 所采土壤样品经风干、磨碎、过筛后供实验室检测备用,分析项目包括pH值、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾及有效铁、锰、铜、锌、硼等微量元素。采用土壤常规测试方法以3次测定平均值作为分析指标[12],随批附加实验室标准土样进行误差检验（表1）。
图1 采样地点分布图
表1 样品分析项目及测定方法
分析项目 测定方法
pH值 酸度计法
有机质 重铬酸钾容量-外加热法
全氮 凯氏法
碱解氮 碱解扩散法
速效磷 0.5 mol/L碳酸氢钠浸提-钼蓝法
速效钾 乙酸铵浸提-火焰光度法
有效铁、锰、铜、锌 DTPA浸提-原子吸收分光光度法
有效硼 沸水浸提-姜黄色比色法
1.2.3 数据处理方法 利用Excel 2013进行数据整理,采用Arc Map 10.2软件（普通克里格法）对各分析指标进行空间插值图的绘制。

2 结果与分析

2.1 洛南连翘种植区主要土壤养分指标描述性分析

依据洛南县连翘种植区土壤养分测定分析结果进行的有关描述性分析见表2,研究参照的全国第二次土壤普查农田养分分级标准见表3。
由表2可见,研究区样点的有关土壤养分指标的平均值分别为：pH 6.79、有机质13.52 g/kg、全氮0.87 g/kg、碱解氮57.24 mg/kg、速效磷19.71 mg/kg、速效钾162.65 mg/kg。国内目前尚无用于药用植物种植基地的土壤养分评价指标体系,参考表3分级标准可见,研究区总体上pH值为中性、有机质较缺乏、全氮较缺乏、碱解氮缺乏、速效磷处于正常水平、速效钾较为丰富。根据土壤数据的变异系数值(CV)可将土壤指标参数划分成强变异(CV>100%)、中等变异(CV 10%~100%)、弱等变异(CV<10%)3类[13,14],通过表2可以看出各养分数据呈正态分布,CV值分别为pH值54.02%、有机质17.86%、全氮15.10%、碱解氮20.42%、速效磷24.74%、速效钾20.63%,处于中等变异;变异性最小的是全氮,变异性最大的是pH值。
表2 土壤养分描述性分析
土壤养分 最大值 最小值 平均值 标准差 峰度 偏度 变异系数/%
pH 7.60 6.1 6.79 0.37 -0.15 0.33 54.02
有机质/(g/kg) 19.78 9.90 13.52 2.54 -0.26 0.64 17.86
全氮/(mg/kg) 1.17 0.56 0.87 0.13 -0.22 -0.25 15.10
碱解氮/(mg/kg) 95.00 34.00 57.24 11.69 0.80 0.66 20.42
速效磷/(mg/kg) 32.00 9.00 19.71 4.88 -0.009 0.55 24.74
速效钾/(mg/kg) 240.00 83.00 162.65 33.55 -0.09 0.26 20.63
有效铁/(mg/kg) 14.70 6.70 10.26 2.48 -1.46 0.19 24.17
有效锰/(mg/kg) 18.50 7.10 11.55 4.04 -1.44 0.60 35.02
有效铜/(mg/kg) 1.32 0.50 0.76 0.14 5.87 1.91 17.71
有效锌/(mg/kg) 1.20 0.37 0.66 0.19 -0.69 0.12 29.10
有效硼/(mg/kg) 0.5 0.18 0.33 0.11 -1.63 0.04 33.15
表3 土壤养分分级标准
级别 丰富 较丰富 正常 较缺乏 缺乏
有机质/(g/kg) >40 30~40 20~30 10~20 <10
全氮/(g/kg) >2 1.5~2 1~1.5 0.7~1 <0.7
碱解氮/(mg/kg) >150 120~150 90~120 60~90 <60
速效磷/(mg/kg) >40 20~40 10~20 5~10 <5
速效钾/(mg/kg) >200 150~200 100~150 50-100 <50
有效铁/(mg/kg) 20 10~20 4.5-10 2.5~4.5 <2.5
有效锰/(mg/kg) 30 15~30 5~15 1~5 <1
有效铜/(mg/kg) 1.8 1.0~1.8 0.2~1.0 0.1~0.2 <0.1
有效锌/(mg/kg) 3.0 1.0~3.0 0.5~1.0 0.3~0.5 <0.3
有效硼/(mg/kg) 2 1.0~2.0 0.5~1.0 0.2~0.5 <0.2
pH >8.5强碱性 7.5~8.5碱性 6.5~7.5中性 5.5~6.5微酸性 4.5~5.5酸性
表2中研究区土壤微量元素的平均值分别为有效铁10.26 mg/kg、有效锰11.55 mg/kg、有效铜0.76 mg/kg、有效锌0.66 mg/kg、有效硼0.33 mg/kg,对照表3可见,总体上土壤有效铁较丰富,有效锰、有效铜、有效锌含量正常,有效硼较缺乏。各微量元素处于中等变异水平,其中变异性最大的有效锰CV值为35.02%,变异性最小的有效铜CV值为17.71%。

2.2 洛南连翘种植区主要土壤养分指标空间分布变异特征

将研究区土壤pH值、有机质、氮素、速效磷、速效钾等主要养分指标采用ArcGIS软件地统计分析模块,根据普通克里格法插值分析得到土壤养分空间变异趋势分析图和土壤养分含量空间分布图,以直观显现养分指标的空间变异趋势及其变化规律。
2.2.1 土壤pH值空间变异趋势 由图2所示土壤pH值空间变异趋势分析可见,研究区pH值由西向东（X轴方向）、从北到南（Y轴方向）呈现增加趋势;结合图3土壤pH值空间分布来看,洛南县北部地区整体偏酸性、而南部地区整体处于中性,中部及南部个别区域偏碱性。雷立等[15]的研究表明,在近碱性土壤条件下有利于连翘果实中有效成分连翘苷的积累而不利于连翘酯苷A的生成,进而造成商洛山区不同土壤酸碱度下连翘质量的差异,影响了连翘的售价,因此有必要对种植区土壤pH值合理调节,以适合连翘生长、提高种植效益。
2.2.2 土壤有机质空间变异趋势 由图4所示土壤有机质空间变异趋势分析可见,研究区土壤有机质呈现出从西向东递减、自南到北递增的趋势,且南北方向递增趋势明显。从图5土壤有机质含量空间分布来看,高值区域斑块主要集中在洛南县西部地区,中值区域斑块主要集在该县中东部地区,而东南部则是低值区域斑块的集中分布地区。在商洛山区不同地貌类型中,沟谷台地农田较为集中,因长期施用农家肥料使土壤有机质含量最高;浅山丘陵区植被较为稀疏,土壤有机质含量为最低;一般海拔1200 m以下,有机质含量差异不大,但随海拔的升高,林草覆盖度提高,土壤有机质含量随之增加。土壤中氮素含量与有机质含量呈显著正相关,连翘种植区应重视有机肥料投入,以提高土壤有机质含量并进而提高土壤氮素水平。
2.2.3 土壤氮素空间变异趋势 土壤氮素状况是土壤肥力的一项重要指标,土壤全氮量约为土壤有机质含量的5%~10%,土壤碱解氮含量能够反映近期内土壤氮素的供应水平,对指导合理使用氮肥有一定的意义。研究区土壤全氮含量为0.56~1.17 g/kg整体比较缺乏。由图6所示的土壤全氮空间变异趋势分析可见,土壤全氮含量从南到北呈增加趋势,北部地区整体较南部地区含量高。从图7所示土壤碱解氮空间变异趋势分析来看,土壤碱解氮含量表现从北到南呈减少的趋势,基本与全氮趋势一致。总体而言,土壤氮素含量随海拔、植被覆盖度、土壤有机质含量的升高而递增。结合图8、图9亦可以看出洛南县土壤氮素含量较缺乏的地区位于东南地区,氮素较缺乏的地区应该合理增施氮肥,以保证连翘生长发育所必需的氮素营养。
图2 土壤pH值空间变异趋势分析
图3 土壤pH值空间分布
图4 土壤有机质空间变异趋势分析
图5 土壤有机质含量空间分布
2.2.4 土壤速效磷空间变异趋势 土壤中的磷素有多种形态,但植物能吸收利用的通常为磷酸盐形式,生产实践中往往以速效磷测定结果作为判断土壤供磷水平及合理使用磷肥的依据。研究区土壤速效磷含量为9~32 mg/kg,基本处于正常供磷水平。由图10所示的土壤速效磷空间变异趋势分析可见,从西向东土壤速效磷呈减少趋势,自南向北呈增加趋势。结合图11土壤速效磷含量空间分布可以看出,洛南县土壤速效磷含量高值区域斑块主要分布在西南、东北区域,与海拔无明显相关性。因此,该县部分土壤速效磷水平较低地区应考虑磷肥的使用,以满足连翘生长期间对磷素的需求。
2.2.5 土壤速效钾空间变异趋势 土壤中的钾绝大部分以难溶性的矿物形态存在,而能被植物利用的只占全量的1%~2%,因此,土壤速效钾含量测定结果是用作判断土壤供钾能力和合理使用钾肥的依据。由于研究区成土母质富含钾素,土壤速效钾测定值较高[16]。由图12所示的土壤速效钾空间变异趋势分析可见,从西向东、自南向北土壤速效钾均呈增加趋势且趋势明显。结合图13土壤速效钾含量空间分布可以看出,洛南县土壤速效钾含量高值区分布于东北地区,但与海拔高度的相关性不大。尽管该县土壤速效钾水平较高,但所测土样最低值为83 mg/kg,表明个别区域钾素供应较缺乏,对缺钾地块及喜钾植物进行施用钾肥的研究及推广仍有必要。
图6 土壤全氮空间变异趋势分析
图7 土壤碱解氮空间变异趋势分析
图8 土壤全氮含量空间分布
图9 土壤碱解氮含量空间分布
图10 土壤速效磷空间变异趋势分析
图11 土壤速效磷含量空间分布
图12 土壤速效钾空间变异趋势分析
图13 土壤速效钾含量空间分布

3 结论

本研究首次利用地统计学原理和地理信息技术,在洛南县连翘种植区土壤样品及信息采集的基础上,对该县土壤养分状况进行探讨并分析了主要养分指标的空间变异趋势,得到以下结论：（1）洛南县连翘种植区总体上pH值为中性,有机质、全氮较缺乏,碱解氮缺乏,速效磷为正常水平,速效钾较为丰富,且主要指标处于中等变异;土壤微量元素有效含量中铁较丰富,锰、铜、锌正常,硼较缺乏,且均处于中等变异水平。（2）洛南县连翘种植区土壤养分空间分布不平衡,北部地区偏酸,南部处于中性,中部及南部个别区域偏碱性;土壤有机质和氮素的缺乏以东南部地区表现明显;土壤速效磷的高值区主要在西南、东北区域;土壤速效钾的高值区主要分布于东北地区。（3）研究结果能够为洛南县依据土壤养分状况及空间分布变异特征,指导布局连翘种植基地,对野生连翘进行科管抚育及人工种植连翘进行精确施肥提供技术支持。

4 讨论

（1）土壤是药用植物赖以生长的基地,虽然通过土壤普查及土地调查等取得了洛南县有关土壤类型、土地利用状况等基础资料,但是针对该县连翘种植区的土壤养分状况的研究尚不够系统、全面,且未采用地理信息技术进行空间分布方面的研究。因此,建议洛南县在对现有连翘基地采用科学有效的管理措施或规划布局新建连翘基地时,能够综合考虑县域土壤养分状况及空间分布变异特征对连翘生长的影响,尽可能避免基地的盲目发展。
（2）针对土壤养分之不足,辅以人工施肥是药用植物高产优质栽培的关键技术环节之一,研究表明合理施肥能够提高收获物产量、促进有效成分累积,增加药农种植效益[17,18,19,20]。洛南县的种植者在连翘栽培中基本上是凭经验施肥,造成施肥效益低下;特别是药农多通过增施氮肥获得连翘高产,导致植物营养体徒长而使连翘果实贪青晚熟,严重影响了连翘的产量和品质。由于研究区地处秦岭山区,土壤类型复杂,土壤性状及肥力水平差异较大;同时鉴于经费、时间和人力的问题,笔者在洛南县连翘种植区采集的土壤样点较少,研究结果不能完全满足实际生产需要。建议在本研究初步成果的基础上,深入研究连翘需肥规律,并具体分析不同区域、田间地块的土壤肥力,为精准有效施肥、促进县域连翘产业持续发展提供科学依据。
（3）连翘系多年生灌木植物,苗期生长缓慢,但生产期较长,一般3~4年挂果,8~12年为结果盛期,而后产量明显下降[21]。基于连翘种植周期长的生物学特性,同时考虑到连翘种植区为多山地区水土流失较为严重的实际,为了提高肥料使用的集约化程度,省工增效,建议洛南县研发适合该县连翘种植区土壤养分状况的缓控释连翘专用复合肥料,专用肥研究的重点应放在补足养分短板、减少氮素淋失、延长氮肥的肥效等方面[22]。

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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