三明市耕地土壤交换性镁含量空间分布特征及影响因素分析

范铭丰

（1三明市土肥站，福建三明 365000；2三明学院清洁生产技术福建省高校工程研究中心，福建三明 365000）

0 引言

土壤中镁的形态分为矿物态、非交换态、交换态、水溶态和有机复合态等5种形态[1]。镁是植物的必需营养元素，植物吸收的镁主要来自土壤交换态镁[2]，在植物的生理生化过程中镁作为叶绿素组分与多种酶的活化剂，参与作物光合作用，体内糖类、蛋白质与脂肪等的代谢。掌握土壤交换镁含量空间分布特征和影响因素是实现精准施肥和提高作物产量、品质的前提[3]。目前在已有的土壤交换性镁数据空间分布预测多采用克里格插值法[4-5]，但是克里格插值法平滑作用较强，较适用于变异系数较小的数据，在变异系数较大数据上，序贯高斯模拟要优于克里格插值法[6]。有关土壤交换性镁与土壤理化因子和地形因子的关系已有相关报道[7-10]，但有关土壤交换性镁和土壤质地的关系鲜有报道。有学者指出三明市耕地土壤缺镁现象比较普遍[11]，但未见对三明市土壤交换性镁含量空间分布和影响因素的分析。此外，不同地域土壤交换性镁的影响因素及其影响程度有所差异。本研究利用三明市各县（市、区）多年来取土化验数据，分析耕地土壤交换性镁含量空间分布特征和影响因素，以期为三明市合理利用土壤镁素资源、平衡施肥、促进农业可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

三明市地处福建省西北部，位于戴云山脉和武夷山脉两大山系之间，境内山峰林立，丘陵中低山面积大，千米以上的高山有155座。至2018年底全市耕地面积约为19.6万hm2，分布于建宁县、将乐县、大田县、尤溪县、永安市、宁化县、泰宁县、明溪县、沙县、三元区、梅列区和清流县12县（市、区）。耕地土壤类型主要有水稻土（潴育水稻土、潜育水稻土、渗育水稻土）和旱地土壤（黄泥土、红土、潮土、紫色土）。

1.2 土样的采集和测定

根据土地利用现状，土壤类型、地形地貌和空间分布均匀性等原则，选择最具有代表性的耕地地块作为取样点。在取样点采用“S”法或棋盘法均匀随机地在0～20 cm深度采集15～20个样点；混匀后，用四分法每个土样留取2 kg样品。2006—2018年间在三明各县（市、区）共采集耕地土样5011个土样。将土样登记编号并带回实验室，经风干、去杂、磨细、过筛、混匀、装瓶后，根据土壤化学分析法[12]对土样的pH和有机质含量、交换性镁含量进行测定。

1.3 数据分析

根据《福建省耕地土壤养分分级指标》[13]，将土壤交换性镁含量丰缺情况进行分级，土壤交换性镁含量＜50 mg/kg为缺乏，50～120 mg/kg为中等，＞120 mg/kg为丰富。

利用Excel 2010和SPSS19.0软件分析耕地土壤交换性镁数据统计学特征，并剔除土壤交换性镁的异常值，剔除异常值后剩余4833个土样。同时利用SPSS19.0软件检验数据正态性、数据正态转换和正态得分数据的逆转换。

采用GS+9.0软件拟合土壤交换性镁正态得分的最优变异函数，并对其进行贯高斯模拟进行插值。利用ArcGIS10.0中的栅格计算，通过正态得分逆变换的最佳拟合模型，计算出三明市土壤交换性镁含量空间分布图，并分析耕地的丰缺比例。

按照定量因素（海拔、坡度、土壤pH和土壤有机质含量）和定性因素（土壤质地、土地利用类型和土壤类型）将采4833个样点分成若干组，运用SPSS19.0软件分别进行定量因素和定性因素组间方差分析，并用Duncan法进行分组数据差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 总体描述统计分析

由表1可知，三明市耕地土壤样品交换性镁平均含量处于中等水平，平均值为62.7 mg/kg，变幅为1.1～194.7 mg/kg，变异系数为61.40%，属中等强度变异。从三明市各县（市、区）来看，三明市耕地土壤交换性镁含量平均值变化范围31.1～100.3 mg/kg，按从高到低依次为：建宁县、将乐县、大田县、尤溪县、永安市、宁化县、泰宁县、明溪县、沙县、三元区、梅列区和清流县，其中建宁县、将乐县、大田县、尤溪县、永安市、宁化县、泰宁县、明溪县和沙县等9县（市）耕地土壤交换性镁含量属中等水平，三元区、梅列区和清流县等3县（区）土壤交换性镁含量属缺乏水平。方差分析结果表明，不同县（市、区）之间的土壤样品交换性镁含量差异达到显著水平(F=163.504；sig.=0.000)，经 Duncan 多重比较，除建宁县和将乐县之间，永安市和尤溪县之间，宁化县、泰宁县、明溪县和沙县之间，沙县和三元区之间土壤交换性镁含量不存在显著性差异外，其他县（市、区）际间土壤交换性镁平均含量都存在显著性差异。各县（市、区）土壤交换性镁含量的变异系数均为中等强变异[14-15]。土壤交换性镁含量缺乏样本比例在0%～83.29%，县际之间差异较大，按从缺乏比例高到低依次为：清流县、梅列区、三元区、沙县、明溪县、泰宁县、永安市、宁化县、尤溪县、大田县、建宁县、将乐县。

表1 三明市各县（市、区）土壤样品交换性镁含量分布统计表

2.2 土壤交换性镁含量的空间分布

2.2.1 数据正态得分转换和逆转换 经K-S法检测，三明市耕地土壤交换性镁值不属于正态分布。因为只有当数据符合正态分布时，才能满足地统计学分析的假设条件[16]，因此需要将非正态的土壤交换性镁数据转化成正态的数据，经SPSS软件正态得分变换后土壤交换性镁值符合正态分布，同时以土壤交换性镁值为因变量和对应的正态得分值为自变量计算出回归方程。决定系数(R2)越接近1说明方程拟合效果越好，通过拟合结果表明，最优拟合模型为5次多项式方程(1)。

2.2.2 变异函数的筛选 利用GS+软件计算出决定系数(R2)最大且残差平方和(RSS)最小的土壤交换性镁正态得分最优变异函数模型[14-15,17]，见表2，结果表明：指数模型为土壤交换性镁正态得分变异函数最优模型，模型的F检验P值小于0.05，说明模型是可靠的。

表2 土壤交换性镁正太得分变异函数最优模型参数表

2.2.3 土壤交换性镁值的插值和分级 有学者提出50次以上的序贯高斯模拟可提高数据精度[6]。本研究运用三明市土壤交换性镁正态得分最优变异函数和50次的序贯高斯模拟进行插值，插值结果表明：三明市耕地土壤交换性镁插值结果标准平均误差和标准均方根误差本别接近于0和1，说明插值模型具有无偏性，且插值结果误差在可以接受范围内，最后利用交换性镁正态得分插值结果、交换性镁正态得分逆转换回归方程和福建省土壤交换性镁分级标准，计算得到三明市土壤交换性镁含量分级图。

统计三明市及各县（市、区）耕地土壤交换性镁含量面积的分级比例，结果见图1和表3。结果表明：（1）三明市土壤交换性镁含量缺乏等级耕地比例达40.72%，其中清流县、梅列区和三元区缺镁耕地的比例均超70%。（2）三明市土壤交换性镁含量丰富等级耕地比例仅为4.51%，主要分布在建宁县中北部地区、将乐县和大田县的北部地区、永安市的东部地区，丰富的比例分别达23.34%、9.46%、9.02%、4.03%。

表3 三明市耕地土壤交换性镁面积分级比例 %

2.3 土壤交换性镁影响因素分析

2.3.1 土壤质地 经统计分析，由图2可知，质地分组的交换性镁平均含量具有统计学上的差异，除粉砂壤土和粉砂质黏壤土之间，粉砂质黏壤土和壤质黏土之间，壤土、砂壤土和砂质黏壤土之间，砂质黏壤土和砂土及壤质砂土之间不存在显著性差异外，其他任意2组间都存在显著性差异。从整体来看，黏土类质地的交换性镁含量＞黏壤土类质地的交换性镁含量＞壤土类质地的交换性镁含量＞砂土类质地交换性镁含量。同时，9个质地分组交换性镁含量在缺乏水平的样本占到3.12%～63.20%，其中粉砂质黏土组最低，砂土及壤质砂土组最高。

图2 不同质地土壤交换性镁含量

2.3.2 土地利用类型 经统计分析，由图3可知，土地利用类型分组的交换性镁平均含量具有统计学上的差异，其中菜地组交换性镁含量要显著高于灌溉水田组、旱地组、水浇地组、望天田组交换性镁含量；灌溉水田组、旱地组、水浇地组、望天田组之间交换性镁含量差异不显著。同时5个土地利用类型分组中，菜地缺乏的样本比例最低为0%，水田缺乏的样本比例最高为44.5%。

图3 不同耕地利用类型土壤交换性镁含量

2.3.3 土壤类型 经统计分析，由图4可知，土壤类型分组的交换性镁平均含量并不具有统计学上的差异，同时7种土壤类型对应的交换性镁含量在缺乏水平的样本占到22.22%～57.14%，由高到低依次为紫色土、潴育水稻土、潜育水稻土、渗育水稻土、黄泥土、红土、潮土。

图4 不同土壤类型土壤交换性镁含量

2.3.4 海拔高度 经统计分析，由图5可知，海拔高度分组的交换性镁平均含量具有统计学上的差异，其中海拔高度＞1000 m交换性镁平均含量要显著低于其他分组交换性镁平均含量，且其他分组间交换性镁平均含量不存在显著性差异。同时9个海拔高度分组交换性镁含量在缺乏水平的样本占到36.3%～73.1%，海拔高度分组中＞1000 m交换性镁平均含量缺乏比例最高，≤200 m分组交换性镁平均含量缺乏比例最低。

图5 不同海拔高度土壤交换性镁含量

2.3.5 坡度 经统计分析，由图6可知，坡度分组的交换性镁平均含量具有统计学上的差异，其中坡度＞25°交换性镁平均含量要显著低于其他分组交换性镁平均含量，且其他分组间交换性镁平均含量不存在显著性差异。同时5个坡度分组交换性镁含量在缺乏水平的样本占到43.3%～83.3%，坡度分组中＞25°交换性镁平均含量缺乏比例最高，6°～15°分组交换性镁平均含量缺乏比例最低。

图6 不同坡度土壤交换性镁含量

2.3.6 土壤pH经统计分析，由图7可知，随着土壤pH的升高，土壤交换性镁平均含量也升高，且土壤pH分组的交换性镁平均含量具有统计学上的差异，其中＜pH 4.5分组显著低于pH 5.5～6.5分组和pH 6.5～7.5分组，pH 4.5～5.5分组显著低于pH 6.5～7.5分组。同时随着土壤pH的升高，土壤pH分组在土壤交换性镁缺乏水平的样本比例逐步降低，在缺乏水平的样本占到22.6%～56.1%，最高的为pH＜4.5的分组，最低的为pH 6.5～7.5分组。

图7 不同土壤pH土壤交换性镁含量

2.3.7 土壤有机质含量 经统计分析，由图8可知，随着土壤有机质含量的升高，土壤交换性镁平均含量也升高，且土壤有机质含量分组的交换性镁平均含量具有统计学上的差异，3个土壤有机质含量分组中，任意2组间交换性镁平均含量存在显著性差异。同时随着有机质含量的升高，土壤有机质分组的土壤交换性镁缺乏水平的样本比例逐步降低，在缺乏水平的样本占到40.7%～49.1%，由高到低依次为＜20 mg/kg分组、20～30 mg/kg分组、＞30 mg/kg分组。

图8 不同土壤有机质含量土壤交换性镁含量

3 讨论与结论

三明市耕地土壤样品交换性镁平均含量处于中等水平，平均值为62.7 mg/kg，按从高到低依次为：建宁县、将乐县、大田县、尤溪县、永安市、宁化县、泰宁县、明溪县、沙县、三元区、梅列区和清流县。分析结果表明：除建宁县和将乐县之间，永安市和尤溪县之间，宁化县、泰宁县、明溪县和沙县之间，沙县和三元区之间土壤交换性镁含量不存在显著性差异外，其他县（市、区）际间土壤交换性镁平均含量都存在显著性差异。主要是受成土母质、气候条件、土壤形成过程中迁移过程和人为等因素的影响所致[18-20]。

三明市土壤交换性镁含量缺乏、中等和丰富样品所占比例分别为44.15%、46.89%和8.96%。经过插值和分级得出的土壤交换性镁缺乏、中等和丰富耕地面积所占比例为40.72%、54.77%和4.51%，其中土壤交换性镁含量达到丰富水平的耕地主要分布在建宁县中北部地区、将乐县和大田县的北部地区、永安市的东部地区。后者（耕地面积）与前者（土壤样品）相比缺乏和丰富水平所占比例约减少了4%，各县（市、区）也略有差异，但基本一致，能反应耕地土壤交换性镁的丰缺水平。

影响土壤交换性镁含量的因素很多，研究报道如海拔、成土母质、土壤类型、土地利用类型、有机质含量、pH等对土壤交换性镁含量均有影响[10,21-24]。本研究通过分析可知土壤质地、耕地利用类型、海拔高度、坡度、pH、有机质含量对耕地土壤交换性镁质量分数有显著影响。在土壤质地分组里，除粉砂壤土和粉砂质黏壤土之间，粉砂质黏壤土和壤质黏土之间，壤土、砂壤土和砂质黏壤土之间，砂质黏壤土和砂土及壤质砂土之间不存在显著性差异外，其他任意2组间都存在显著性差异。从整体来看，黏土类质地的交换性镁含量较高，砂土类质地交换性镁含量较低。这主要是由于土壤质地影响交换性镁在土壤中的移动，因为黏粒与有机质形成复合体降低了镁的淋失[23]，一般质地黏的土壤，镁不易淋失，能保持较多的交换性镁；而质地较轻土壤镁易遭淋失。在海拔分组和坡度分组里，其他海拔分组和坡度分组的交换性镁含量要分别显著高于海拔高度＞1000 m分组和坡度＞25°分组交换性镁平均含量，这是因为高海拔地区中的土壤中交换性镁易随流水迁移至海拔低地区，坡度陡地区中的土壤中交换性镁易随流水迁移坡度较缓且平坦的地区，这与前人研究结果[10,23]基本一致。在土地利用类型分组里，灌溉水田分组、旱地分组、水浇地分组和望天田分组交换性镁含量要显著低于土地利用类型中菜地分组交换性镁含量，主要由于菜地复种指数较高，大量施用钙镁磷肥[25]，致使菜地分组土壤交换性镁含量显著高于其他利用类型耕地土壤。土壤类型分组的交换性镁平均含量并不具有统计学上的差异，这与曹榕彬研究结果一致[10]，而与黎娟等[21]的研究结果不一致。在土壤pH和有机质含量分组中，在土壤pH和有机质含量较低的土壤中，交换性镁含量也较低，且土壤pH分组之间和有机质含量分组之间土壤交换性镁含量存在显著性差异，这主要是因为土壤pH土和土壤有机质含量越高，土壤胶体所带的负电荷越多，表现为对钾、钙、镁等阳离子吸附越多[25]。

因此，三明市各县（市、区）可以根据耕地土壤交换性镁的空间分布特征和影响因素，针对不同地区采取镁肥差异化管理方案。对于土壤交换性镁处于缺乏的耕地，可以通过增施有机肥、调节土壤pH、客土改良砂土类质地土壤、同时适当补充镁肥等措施，改善土壤理化特性和土壤微生物活力，提高耕地土壤交换性镁含量，有利于提升农作物产量和品质，从而促进三明市种植业的可持续发展。