单作和两熟棉田土壤速效磷、速效钾和可交换性镁空间异质性

李腾 ，张晓菊 ，韩迎春 ，王国平 ，熊世武 ，李亚兵 *

（1.沈阳农业大学土地与环境学院,沈阳110866；2.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；3.安阳市殷都区环境保护局，河南安阳455000）

麦棉两熟种植是我国粮棉主产区一项成熟的种植制度[1]，在确保粮食安全和增加农民收入中发挥着重要作用。1980年以来，在河南、河北、山东以及黄淮海平原，棉花的间套作种植面积增加了4倍之多，其中有超过65%的棉花与小麦进行间套作种植[2]。间套作种植在提升作物品质以及作物产量[3]的同时，对地下部的土壤养分的吸收利用也产生了不同的影响[4]。

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[5]。空间异质性是指变量在空间上的不均匀性和复杂性,表现为系统的缀块性和环境的梯度变化[6]，广泛存在于生态系统中，其普遍性和重要性毋庸置疑[7]。土壤作为时空连续的生态系统，其形成受母质、气候、生物、地形及人为因素共同作用，这些因素在时空上具有不一致性，因此，土壤是具有高度时空变异的连续体[8]。土壤养分空间变异是由内在因素和随机性因素共同作用的结果，自然过程（地形、母质、土壤类型）是土壤特性空间变异的内在驱动力，它有利于土壤属性空间变异结构性的加强和相关性的提高，尤其是在较大的尺度水平上表现更为明显[9]；而人为过程（施肥、耕作措施、作物种植制度）则是影响土壤特性变异的外在因素，表现为较大的随机性，往往对变量空间变异的结构性和相关性产生削弱作用，使土壤特性的空间分布朝均一方向发展[10]，尤其是在小尺度水平上表现更为强烈[9]。

半方差函数是研究土壤空间异质性的有效工具，是地统计学中研究特征空间变异性的一个函数，反映了不同距离的观测值之间的变化；所谓半方差函数就是点间差值的方差一半[11]。

李亚兵等[12]在棉花冠层光分布的研究中对半方差函数进行了较为系统的阐述。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于河南省安阳县白璧镇（36°06'N，114°21'E）中国农业科学院棉花研究所东场试验站，其海拔高度为76.4m，土壤类型为黏壤土，土壤肥力中等。试验地气候为大陆性季风气候，年均降水量约为544mm。试验用地为小麦、棉花两熟长期定位试验田，定位试验起始于2014年。麦棉两熟种植区面积为：120×50m2，棉花单作种植区面积为：100×120m2。

1.2 田间管理方式

田间管理采取当地高产栽培管理方式。两熟种植下，在小麦播种前期，底施复合肥（N、P2O5、K2O含量分别为13%，17%，15%），养分含量为：N 78 kg·hm－2、P2O5102 kg·hm－2和 K2O 90 kg·hm－2，在小麦生长阶段，总共追肥N 170 kg·hm－2。棉花生长阶段，追肥 N 135 kg·hm－2。小麦、棉花生长期间，在3月和6月总共灌溉2次。小麦于2017年10月25日播种。单作棉田田间管理方式为：2017年棉花收获后、翻地前，底施复合肥。2018年棉花生长阶段，追肥 N 135 kg·hm－2。

1.3 采样点布设及采样方法

田间试验于2018年3月12日取样，取样时小麦处于返青阶段。本试验为双因素设计，分别在两熟棉田、单作棉田中以30×50m2以及10×10m2为取样尺度进行取土（图1），具体操作方法为分别在两种种植方式下的种植区中选取地势平整地块，各取一个30×50m2样方，内含10×10m2网格15个；在确定好的30×50m2样方内随机设置一个10×10m2样方，内含2.5×2.5m2网格16个，分别在每个网格结点取样，每个取样点分两层取土，即0～20 cm、20～40 cm土层，每种种植方式下每30×50m2样方尺度取样24个，每10×10m2样方取样25个，计98个样品。试验共采集样品196个。取样示意图如图1。取回土壤样品在自然条件下避光风干后，磨碎，过100目筛，测定速效磷、速效钾以及可交换性镁含量，测定方法参照文献[13]。

1.4 半方差分析模型

图1 两熟种植以及棉花单作种植不同取样尺度下田间取样示意图

对测定的样品数据，用半方差分析方法计算其空间异质性特征，根据半方差函数参数进行最佳模型的拟合，常见的半方差函数模型主要有：一种是有基台值的模型，例如球状模型、指数模型、线性有基台值模型、高斯模型、纯块金效应模型；另一种是无基台值的模型，如幂函数模型、抛物线模型、线性无基台值模型[14-15]。常见的半方差函数曲线的参数有 C0，C，以及 A0，其中，C0表示块金方差（间距为 0时的半方差），C为结构方差，C0＋C为基台值（半方差函数随间距递增到一定程度后出现的平稳值），表示系统内总的变异；A0为变程。 C0/（C0＋C）可表示空间相关性程度，如果方差比值＞75%，说明变量空间相关性很弱；如果在25%～75%，变量具有中等的空间相关性；方差比值＜25%时，变量具有强烈的空间相关性[16]。本文采用GS＋软件对土壤P、K、Mg的空间异质性进行研究。

2 结果

2.1 单作棉田土壤养分空间异质性

由表1可见，单作棉田中土壤可交换性镁在20～40 cm土层30×50m2取样尺度下为有基台值的球状模型，C0/（C＋C0）＜25%，表现为强空间相关性，R2为0.98，说明该模型能够较好地描述土壤可交换性镁的空间结构；其余K、P、Mg在0～20 cm、20～40 cm 两个土层，10×10m2、30×50m2取样尺度下都是线性模型，C0/（C＋C0）均大于 74%，空间相关性较弱，R2为0～0.79，曲线的拟合程度较差。

表1 单作棉田土壤速效钾、速效磷、可交换性镁空间变化半方差函数参数

2.2 两熟棉田土壤养分空间异质性

由表2可见，在两熟棉田中，不同土壤深度下不同取样尺度的半方差函数最佳拟合模型与单作棉田相比差异明显。土壤速效钾在10×10m2的取样尺度下，0～20 cm 土层为球状模型，C0/（C＋C0）为0.08，小于25%，有强烈的空间相关性，R2为0.87，拟合模型能够较好地描述在该土层内土壤速效钾的空间结构；20～40 cm土层为高斯模型，C0/（C＋C0）为 0.26，介于 25%到 75%之间，表现为中等空间相关性，R2为0.93。在30×50m2取样尺度下的两个土层，土壤速效钾的最佳拟合模型均为线性模型，C0/（C＋C0）值均为 1。土壤速效磷在 0～20 cm土层深度、10×10m2取样尺度下的半方差函数拟合模型为指数模型，C0/（C＋C0）＜25%，R2为0.98，说明指数模型能够较好地描述在该土层深度以及取样尺度下的土壤速效磷的空间结构；然而，在0～20m土层、30×50m2取样尺度以及20～40 cm土层下的两个取样尺度内，土壤速效磷的半方差函数拟合模型均为线性模型。与土壤速效磷、速效钾不同，土壤可交换性镁在10×10m2取样尺度下的两个土层中均为线性模型；在30×50m2的取样尺度下的两个土层中均符合高斯模型，且C0/（C＋C0）值均小于 25%，R2均为 1。

表2 两熟棉田土壤速效钾、速效磷、可交换性镁空间变化半方差函数参数

3 讨论

3.1 种植方式对不同土壤元素的空间异质性的影响

在本研究中，土壤速效磷、速效钾与土壤可交换性镁在不同的取样尺度下表现出了不同的空间依赖性（表2）。土壤可交换性镁在两熟棉田较大尺度上表现出空间依赖性，在单作棉田的20～40 cm土层中也存在空间依赖性。而土壤速效磷、速效钾只在较小尺度上的两熟棉田中存在空间依赖性。研究结果与 Schlesinger 等[17]、Jobbágy 等[18]针对植物生长所必需的营养元素与非必需营养元素的空间异质性的相关研究相一致。土壤是时空连续变异的复杂体，即使在同一地区内也会受种植方式、地形等因素影响[19-20]。在本研究中，种植方式对土壤速效磷、速效钾的空间异质性有明显的影响，但对土壤可交换性镁的影响相比而言不明显（表1、表2）。白永飞等[21]针对自然生态系统下的草原生态系统的土壤养分空间异质性的研究表明，地上部植物群落的改变可以显著影响地下部土壤养分的空间异质性。

3.2 采样尺度对土壤养分空间异质性的影响

块金值与基台值的比值C0/（C＋C0）表示随机部分引起的空间变异性占系统总变异的比例，如果比值高，则说明随机因素引起的空间异质性程度较高，结构性因素较低，系统空间相关性较弱[22]，同时也说明对这些指标进行研究应适当减小采样距离[8]。在本研究中，两熟棉田下的土壤速效磷、速效钾在30×50m2取样尺度下的半方差函数最佳拟合模型均为线性模型，且C0/（C＋C0）均较高（接近或等于1）（表2），说明在该取样尺度下土壤P、K空间异质性强，相关性较弱，随机因素引起土壤速效磷、速效钾的空间异质性程度较高，并且应该适当降低取样尺度；在10×10m2取样尺度下0－20 cm土层内，土壤速效磷、速效钾的半方差函数最佳拟合模型分别是球状模型、高斯模型以及指数模型，C0/（C＋C0）＜26%，空间异质性较弱，相关性强，说明土壤自身结构因素对土壤速效磷、速效钾的空间异质性影响更大，受随机因素影响较小；而土壤可交换性镁则在30×50m2的取样尺度下的空间相关性较强。

4 结论

麦棉两熟种植改变了棉田土壤速效磷、速效钾的空间异质性格局，使这两种元素在较小尺度（10×10m2）的空间依赖性增加，但对土壤可交换性镁的影响不大。土壤速效磷、速效钾的空间异质性的取样尺度在10×10m2时的空间相关性较高，30×50m2下无空间相关性。不同的种植方式对植物生长必需元素K、P的影响大于非必需元素Mg。