长期连作棉田土壤养分空间分布

李腾 ，王国平 ，熊世武 ，李小飞 ，李亚兵 *

（1.棉花生物学国家重点实验室/中国农业科学院棉花研究所，河南安阳455000；2.沈阳农业大学土地与环境学院，沈阳110866）

土壤是作物生长的基础，土壤质量直接关系到作物的生长发育状况，土壤养分是土壤质量的核心因素[1]，科学家们对于土壤养分的研究从未间断。但土壤是时空连续的变异体，具有高度的空间异质性，不论在大尺度上还是在小尺度上，土壤的空间异质性均存在[2]，即使在土壤类型和质地相同的区域内，同一时刻土壤特性在空间上也有明显的差异[3]，这成为土壤养分研究的限制因素之一。因此，精确量化土壤养分的空间分布特征，准确定量在不同点、不同剖面上土壤养分含量，对于土壤养分的研究有重要的意义。同时，土壤养分的空间分布特征为精准农业的发展及生态建模的建立提供依据[4]，几乎所有的分布式水文模型[5]、气候变化模型[6]都需要土壤养分的空间信息。

目前，针对土壤养分的空间分布的相关研究主要从县域、地区等大尺度范围内开展，如李放等[7]以山东东阿县为研究区域，采用地统计学方法对东阿县范围内的土壤养分分布及其空间异质性进行了分析报道；王淑彬等[4]以广西省为研究对象，采用传统经典统计学方法和地统计学相结合的方法，描述了土壤氮、磷、钾的空间异质性和空间分布特征；梁佳辉等[8]探究了东北典型黑土区的土壤速效磷的空间分布规律。但针对农田尺度下的土壤养分垂直分布特征以及小范围内的水平分布特征的研究相对不足。由于高强度的农业用地和不合理的土地利用方式，以及人们对土壤养分肥力资源认识的不足，造成了我国的土壤有机质、氮磷养分失衡与下降[9]；同时，长期的作物连作种植也对土壤的养分含量和分布造成了很大的影响[10-11]。因此，研究农田尺度下的土壤养分的空间分布特征、量化农田中的养分分布情况，对于土壤质量评价，正确、全面地认识土壤营养状况，从而制定合理的施肥方式有重要意义。

本文是以空间统计学为基本研究方法，采用空间网格取样法，对长期连作棉田的土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾、可交换性钙、镁进行空间的量化分析。空间统计学是以区域化变量为基础，以Kriging插值为基本工具来研究那些分布于空间并呈现一定随机性和结构性的自然现象的统计科学[12]。其应用领域已经扩展到分析各种自然现象的空间格局[13]。李亚兵等[14]利用空间统计学理论和研究方法，研究了不同群体棉花冠层光合有效辐射的空间分布特征；冯益明等[15]综合阐述了空间统计学在林业中的应用。本文应用空间网格取样法，在棉田中进行分层取土，进一步研究在不同点、不同剖面上的土壤养分的分布情况，为田间土壤养分的相关研究提供依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年在中国农业科学院棉花研究所试验农场（河南省安阳县）进行。试验用地为棉花长期连作试验田。田间管理采取当地高产栽培管理方式，播前0～20 cm土层土壤养分含量为：有机质12.0 g·kg－1、全氮 0.8 g·kg－1、速效磷 31.9 mg·kg－1和速效钾272.3 mg·kg－1。试验设置4次重复。

供试棉花品种选用中棉所79[16-17]。小区面积57.6 m2。棉花行距0.7 m，种植密度为52 500株·hm－2，每个小区 9 行。

棉花收获后、翻地前，底施复合肥（N、P2O5、K2O 含量分别为 13%，17%，15%），N 78 kg·hm－2、P2O5102 kg·hm－2和 K2O 90 kg·hm－2。 棉花生长阶段，追肥 N 135 kg·hm－2。棉花于 2017年 4月 22日播种，棉花生长期间，在6月和8月进行灌溉。

1.2 取样和测定方法

棉花生长期内在田间取土，取样日期为2017年5月12日。土壤样品的采集采用空间网格取样法，具体方法：以棉行为坐标零点，在垂直于棉行的水平方向取样， 取样位置依次为－5、15、35、55、75 cm，共 5个取样点（图1）。 土壤取样分 0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 共 5 层进行，3 次重复，小区共计样品75个。取回土壤样品在自然条件下避光风干后，磨碎，过100目筛（0.15 mm），测定土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾，可交换性钙、镁含量。

土壤养分含量的测定参照鲍士旦[18]，有机质测定采用油浴加热-重铬酸钾氧化-容量法，全氮采用凯氏定氮法，速效磷采用分光光度计比色法，速效钾、可交换性钙、镁采用原子吸收法进行测定。

1.3 数据分析

使用MS Excel 2013、Sufer 13等软件，采用空间统计学方法对土壤速效磷含量的垂直、水平分布特征进行描述、分析。

图1 土壤取样示意图

2 结果与分析

2.1 棉田土壤有机质、全氮空间分布

图2 a、图3 a分别为土壤有机质、土壤全氮含量的空间分布等值线图，颜色深浅代表养分含量的高低，棉行位于水平方向0 cm、70 cm位置处。从等值线图中可以看出，表层土壤（0～20 cm）有机质、全氮含量最高，分别在10.5～13.5 g·kg－1和1.5～1.8 g·kg－1之间；在垂直方向上，从 0 到 100 cm，土壤有机质、全氮含量均呈现下降的趋势，且两种养分分布主要集中在0～60 cm土层，60 cm以下土层含量较低。在土壤深度0～60 cm范围内，两种养分在棉行附近（水平0 cm、70 cm位置）高于棉行中部（水平30～50 cm范围），说明棉花的存在对土壤有机质、全氮的分布起到了一定作用，此种分布情况在土壤有机质含量分布等值线图中一直延伸到80～100 cm土层范围，但在土壤全氮含量分布等值线图中体现并不明显。

为了进一步准确地说明土壤有机质、全氮的水平分布差异情况，了解二者在不同剖面上的变化趋势，本研究又分析了在垂直深度10 cm、30 cm、50 cm、70 cm、90 cm处土壤有机质、全氮含量水平方向的变化趋势。如图2 b、图3 b所示，在深度为10 cm、30 cm、50 cm处，棉行上的有机质、全氮含量均高于棉行间；在深度为50 cm处，曲线在水平位置40 cm处上出现明显降低；在深度为70 cm和90 cm处，这种现象减弱。可见，随着土壤深度的增加，棉花对于土壤有机质、全氮的水平分布情况的影响逐渐减弱，这可能与棉花根系的分布有关。

图2 棉田土壤有机质空间分布特征

图3 棉田土壤全氮空间分布特征

2.2 棉田土壤速效磷、速效钾空间分布

如图4 a、5 a所示，在垂直方向上，从0到100 cm，土壤速效磷、速效钾含量均呈现下降的趋势。与土壤有机质和全氮含量等值线分布图相似，土壤速效磷含量在棉行附近（水平0 cm、70 cm）高于棉行中部位置（水平30～50 cm范围），这种现象在深度为50 cm处体现的最为明显，在70 cm、90 cm深度处也有体现，但不明显（图4 b）。从土壤速效钾的空间分布等值线图中可以看出，在表层土壤（0～20 cm）上，水平方向的各个位置土壤速效钾的含量差别不大，分布相对较为平均，受棉花影响不明显；在20～80 cm土层上，土壤速效钾的空间分布等值线图与速效磷相似，受棉花影响较为明显。

图4 棉田土壤速效磷空间分布特征

图5 棉田土壤速效钾空间分布特征

2.3 棉田土壤可交换态钙、镁空间分布

与土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾空间分布等值线图不同，在垂直方向上，从0到100 cm，土壤可交换性钙含量变化不大（图6），土壤可交换性镁在表层（0～20 cm）和下层（60～80 cm）含量较高，中间土层（40～60 cm）含量较低（图7）。水平方向上，两者均没有明显的规律性变化。可见，棉花对土壤可交换性钙、镁的空间分布影响不大。

3 结论与讨论

图6 棉田土壤可交换性钙空间分布特征

图7 棉田土壤可交换性镁空间分布特征特征

在长期连作棉田土壤中，土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾的空间分布具有一定的相似性，这与棉花根系的分布有关，根系分布区域增加了土壤残留物，从而增加了根系所在范围内的土壤养分含量[19-20]。棉花是根系较长的作物，所以，即使在较深的土层中，依然存在棉行位置上的养分高于棉行中部位置的现象。根系也可以对土壤养分起到一定的汇聚作用，吕贻忠等[21]研究表明，油蒿灌丛群落下表层有机质、有效磷的分布具有明显的以灌丛群落为中心的同心圆结构，形成典型的“肥岛”。棉花在生长发育过程中，对周围养分进行汇集，从而形成了棉行处养分高于棉行中部的分布格局。另一方面，土壤有机质对土壤养分也有对汇聚作用，很多养分以与有机质结合的形式存在于土壤中；土壤有机质含量与土壤全氮、速效磷、速效钾含量存在明显的正相关关系，但土壤有效钙、镁与有机质相关性较弱[22-23]，土壤有机质的空间分布与土壤氮、磷、钾含量的空间分布相互影响。

本文采用空间网格取样法，精确定量田间土壤养分的空间分布，对于了解长期连作下的棉田土壤质量有重要的意义。研究结果可为改善棉田土壤质量、棉田精准施肥提供相应参考，为土壤养分的进一步研究提供理论依据。

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