基于农场尺度的农田土壤养分空间分布特征

张楷悦，张晓光,3，王敬宽，贾龙，韩成刚,2，柳新伟,2,3

(1. 青岛农业大学资源与环境学院，山东青岛 266109； 2. 东营青农大盐碱地高效农业技术产业研究院，山东东营 257091；3. 青岛市农业遥感应用工程研究中心，山东青岛 266109)

土壤养分丰缺程度决定农作物的产量。受气候、母质、地形、生物等结构性因素和施肥、灌溉等随机性因素影响，即使在同一田块中，不同位置的土壤养分具有不同的空间异质性，土壤养分的空间分布特征也会有明显差异[1]。土壤养分对现代健康农业发展至关重要，土壤养分空间分布研究已经受到越来越多的关注[2]。国内外诸多学者利用多种方式方法研究发现，土壤养分空间异质性与自然因素、人为因素密切相关[3-5]。国内学者对县级及以上尺度农田土壤养分空间分布特征研究较多，而对农场尺度农田土壤养分空间分布特征研究较少。大尺度水平土壤性质的研究可以揭示研究区土壤养分空间异质性，对提高土壤测绘质量和土壤数字化具有重要意义；中尺度水平的研究可以通过合理的措施改善土壤养分，从而达到管理空间的目的，为土壤养分管理信息系统的建立提供数据支持；小尺度水平的研究便于分析微域环境下土壤特性的变化，可以弥补大尺度水平研究的不足。因此研究农场尺度农田土壤养分空间分布特征是实现“精准施肥”的基础[6-7]，对精确调控和定向培育土壤肥力、改善土壤生态环境、促进农业可持续发展具有重要意义。

本文以东营青农大盐碱地高效农业技术产业研究院园区为研究区，测定0～20 cm和20～40 cm土层土壤养分含量，分析、预测土壤空间异质性和土壤养分空间分布，以期为园区精确管理提供数据和理论支撑。同时，以农场尺度进行盐碱地土壤养分空间变异及分布研究，可为盐碱地农场尺度精确管理提供重要数据参考，有利于农业可持续发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山东省黄河三角洲农业高新技术产业示范区，面积72.3 hm2，属暖温带大陆性季风气候。年平均气温12.8 ℃，无霜期206 d，≥10 ℃积温约4 300 ℃，农作物可两年三熟。年平均降水量555.9 mm，其中65%集中在夏季，降水量年际变化大，易形成旱、涝灾害。研究区土壤是在河流沉积物上发育而成的，成土母质为冲积性黄土母质，成土年龄较晚。研究区地理位置独特，受地下高度矿化潜水影响，存在大面积盐碱地，土壤为典型盐碱土，盐碱化现象较为严重。

1.2 仪器与试剂

1.2.1 仪器

ST2100型pH计，奥豪斯仪器(常州)有限公司；V-1200可见分光光度计，上海美谱达仪器有限公司；FP6410火焰光度计，上海欣益仪器仪表有限公司。

1.2.2 试剂

硫酸钼锑抗显色剂，上海银典化工有限公司。

100 μg/mL钾标准溶液的配制：称取KCl 0.190 7 g溶于1 mol/L NH4OAc溶液中，定容至1 L。

1.3 取样方法

按50 m×50 m栅格划分，每个栅格内确定1个采样点，共有139个采样点，分布在12个作物种植区。采样点和种植区分布如图1所示，2020—2021年种植区施肥情况如表1所示。用S形3点混合采样法，在每个采样点分别取0～20 cm和20～40 cm土层的土壤。采样时，用GPS测量仪记录采样点的地理坐标。采集的土壤带回实验室，于通风阴凉处风干，去杂，研磨，过18目筛，装入自封袋中标号后，于阴凉处保存备用。

图1 采样点和种植区分布

1.4 测定方法

1.4.1 土壤pH值

将土样(可不必风干)剔除大颗粒，称取10 g放入小烧杯中，加入蒸馏水25 mL，搅拌使土壤颗粒充分分散，静置30 min。使用pH计测量溶液pH值，即为土壤pH值。

表1 2020—2021年种植区施肥情况

1.4.2 土壤盐分含量

采用重量法测量[8]187-188。取1∶5土壤浸出液或水样20～50 mL(使所得盐分质量为0.02～0.20 g)至已知烘干质量的100 mL瓷蒸发皿内，水浴蒸干，用滴管沿瓷蒸发皿内壁滴加150 g/L H2O2，残渣湿润后，继续蒸干。反复使用H2O2处理，直至有机质完全氧化，此时残渣为白色。将残渣和瓷蒸发皿置于105～110 ℃烘箱中1～2 h，冷却，称重。再次烘干残渣和瓷蒸发皿0.5 h，冷却，称重，直至相邻两次所测质量差不大于1 mg。

1.4.3 土壤碱解氮含量

采用碱解扩散法测量[8]56-58。称取土样2 g、研磨过的FeSO4粉末1 g，均匀铺在扩散皿外室，并向扩散皿内室加入2 mL 20 g/mL硼酸溶液。扩散皿外室边缘涂抹胶并盖上毛玻璃，留适当缝隙，在加入10 mL 1 mol/L NaOH溶液后立即盖紧。轻轻旋转扩散皿，使碱液浸没所有土壤后，用橡皮筋固定毛玻璃，置于40 ℃恒温箱中，24 h后使用半微量滴定管滴加0.01 mol/L HCL，至溶液由蓝变红为止。

1.4.4 土壤速效磷含量

采用钼锑抗比色法测量[8]81-83。量取2.5 g土样、50 mL 0.5 mol/L NaHCO3溶液于250 mL塑料瓶中，振荡30 min后过滤。量取5 mL滤液、5 mL NaHCO3溶液、5 mL硫酸钼锑抗显色剂于50 mL三角瓶中显色30 min，加入35 mL蒸馏水，用可见分光光度计测定波长880 nm处吸光度。

1.4.5 土壤速效钾含量

采用火焰光度法测量[8]106-107。分别量取钾标准溶液0 mL、2 mL、5 mL、10 mL、20 mL、40 mL于50 mL容量瓶中，使用1.0 mol/L NH4OAc溶液定容。取5 g土样与50 mL 1 mol/L乙酸于100 mL塑料瓶中，振荡30 min后过滤，使用火焰光度计测定土壤速效钾含量。

1.5 数据分析

利用SPSS 13.0软件对土样属性进行描述性统计分析，利用地统计学方法对研究区域内土壤养分含量进行空间分布预测。空间分布预测时，对各土壤养分含量指标建立半方差函数理论模型[9]，然后使用ArcGis 10.0软件空间分析模块中的普通克里金法对未采样点土壤养分含量进行优化，生成研究区域内土壤养分含量的空间分布图。

在地统计学中，半方差函数反映区域化变量的结构性和随机性变化[10]，在确定土壤取样数目及应用普通克里金法进行插值计算时发挥极其重要的作用[10]，是分析研究区内变量的空间变异结构的重要工具。

块金值C0表示取样误差和小于取样尺度下的空间变异；基台值(C0+C)表示变量在研究范围内总的空间变异强度；块金系数为块金值和基台值之比，反映块金值占总空间异质性变异的比例大小，可用来描述系统变量空间相关性程度[11]。按照区域化变量空间相关性程度分级标准[12]：当C0/(C0+C)<25%时，变量具有强烈的空间相关性；当25%75%时，变量的空间相关性很弱。

2 结果与分析

2.1 描述性统计分析

由表2可知：0～20 cm和20～40 cm两土层土壤盐分含量均大于1.2 mg/kg，说明土壤为强盐渍化土壤；碱解氮含量45～100 mg/kg，速效钾含量均大于160 mg/kg。pH值和盐分含量均呈现为下层土壤大于上层，碱解氮、速效磷和速效钾含量均呈现为下层土壤小于上层。0～20 cm土层土壤速效磷含量10～20 mg/kg，而20～40 cm土层土壤速效磷含量小于10 mg/kg。

变异系数越大说明土壤养分空间分布越不均匀，受外界影响程度越大。由表2可知：0～20 cm和20～40 cm两土层土壤pH值变异系数较小，说明土壤养分空间分布较为均匀；0～20 cm土层土壤速效钾、碱解氮、盐分含量变异系数分别为35.18%、44.20%和56.29%，均为中等变异，20～40 cm土层三者的变异系数与0～20 cm土层相近，也为中等变异；0～20 cm和20～40 cm两土层土壤速效磷含量变异系数分别为158.94%和243.28%，均为强变异。土壤养分空间变异性与养分本身的特性有关，速效磷成分稳定，水溶性差，不易随水迁移，因此土壤速效磷含量空间变异性强。

表2 土壤养分含量的描述性统计特征

2.2 半方差函数分析

由表3可知，对0～20 cm土层：与其他土壤养分相比，速效钾含量的块金系数最小，为0.170 4，空间相关性最强，主要受结构性因素影响；速效磷含量、盐分含量的块金系数分别为0.298 3、0.303 4，具有中等程度空间相关性，受结构性因素和随机性因素共同影响；pH值和碱解氮含量的空间相关性较弱，块金系数分别为0.572 6、0.627 9，而pH值的变异系数较小(表2)，碱解氮含量的空间相关性较弱说明碱解氮含量受随机性因素影响较大。对20～40 cm土层：与其他土壤养分相比，速效磷含量的空间相关性最强，受结构性因素影响大；速效钾和盐分含量空间相关性弱，与其他土壤养分相比，受随机性因素影响更大。与0～20 cm土层相比，20～40 cm土层土壤pH值空间相关性强，说明受随机性因素影响较弱，受结构性因素影响较强。

表3 0～20 cm和20～40 cm土层土壤养分半方差函数参数

2.3 空间局部插值法分析

2.3.1 土壤碱解氮含量空间分布特征分析

由图2可知：0～20 cm土层土壤碱解氮含量为3.50～226.10 mg/kg，均值68.61 mg/kg，碱解氮含量呈由中间向四周递增趋势；20～40 cm土层土壤碱解氮含量为9.80～145.60 mg/kg，均值62.28 mg/kg，碱解氮含量呈由中间向东西两侧递增趋势，西侧最高。比较两土层可以发现，土壤碱解氮含量空间分布特征相似，20～40 cm土层土壤碱解氮含量空间分布更复杂。

2.3.2 土壤速效磷含量空间分布特征分析

由图3可知：0～20 cm土层土壤速效磷含量为0.24～116.66 mg/kg，均值10.38 mg/kg，速效磷含量空间分布呈斑块状，速效磷含量较大的区域多集中在东北侧；20～40 cm土层土壤速效磷含量为0.24～158.96 mg/kg，均值7.55 mg/kg，速效磷含量空间分布也呈斑块状。比较两土层可以发现，土壤速效磷含量空间分布特征相似，均呈斑块状，但0～20 cm土层土壤速效磷含量均值更大。

2.3.3 土壤速效钾含量空间分布特征分析

由图4可知：0～20 cm土层土壤速效钾含量为131.30～810.70 mg/kg，均值295.53 mg/kg，整体上速效钾含量由中间向四周逐渐升高；20～40 cm土层土壤速效钾含量为108.10～810.60 mg/kg，均值251.63 mg/kg，整体上速效钾含量由中间向东西两侧逐渐升高。比较两土层可以发现，速效钾含量空间分布特征相似，0～20 cm土层土壤速效钾含量均值更大。

A. 0～20 cm土层；B. 20～40 cm土层。

A. 0～20 cm土层；B. 20～40 cm土层。

A. 0～20 cm土层；B. 20～40 cm土层。

2.3.4 土壤pH值空间分布特征分析

由图5可知：0～20 cm土层土壤pH值为7.92～8.96，均值8.54，呈碱性，土壤pH值空间分布呈大斑块状，西南侧和东南侧土壤pH值较高；20～40 cm土层土壤pH值为8.15～9.09，均值8.68，呈碱性，土壤pH值空间分布也呈斑块状，东南侧和西侧土壤pH值较高。对比两土层可以发现，20～40 cm土层土壤pH值均值较高。

A. 0～20 cm土层；B. 20～40 cm土层。

2.3.5 土壤盐分含量空间分布特征分析

由图6可知：0～20 cm土层土壤盐分含量为0.02～2.92 g/kg，均值1.21 g/kg，土壤盐分含量空间分布呈插花状；20～40 cm土层土壤盐分含量为0.02～2.78 g/kg，均值1.31 g/kg，土壤盐分含量空间分布呈大斑块状。对比两土层可以看出，20～40 cm土层土壤盐分含量异质性更强。

A. 0～20 cm土层；B. 20～40 cm土层。

3 讨论与结论

3.1 不同土层土壤属性空间分布差异

根据空间局部插值法分析，与20～40 cm土层相比，0～20 cm土层土壤碱解氮、速效磷、速效钾和盐分含量较高，土壤pH值较低。由于研究区地下水位高，年平均水位5.32 m，盐含量24.6 g/L，所以表现为下层土壤盐分明显高于上层，下层土壤pH值高于上层。图1中种植区⑩的土壤碱解氮和速效钾含量明显低于其他种植区，这可能是因为种植区⑩长期未施肥(表1)，而苜蓿的定期产出使土壤中的氮元素和钾元素不断流失[13]。另外，该种植区土壤速效磷含量分布呈斑块状，可能是因为磷元素在土壤中移动性较小，扩散能力较低，难以被作物吸收利用。

土壤属性的空间变异性受结构性因素和随机性因素组成的块金效应影响，尤其是在不同土层之间，土壤块金效应表现并不一致。0～20 cm土层土壤pH值和速效磷含量的块金系数均大于20～40 cm土层，说明上层pH值和速效磷含量的变异主要是由随机性因素引起，下层土壤受随机性因素影响较弱。然而，0～20 cm土层土壤盐分含量和速效钾含量的块金系数较小，说明上层土壤受结构性因素的影响非常大，远超过随机性因素的影响。受雨水、灌溉等淋溶作用影响，随土壤深度的增加，盐分和速效钾含量受结构性因素影响逐渐减弱，受随机性因素影响逐渐增强。0～20 cm和20～40 cm两土层土壤的碱解氮块金系数相近，说明结构性因素和随机性因素的影响程度相近。

3.2 相同土层土壤属性变异性与块金效应差异

土壤不同养分的空间变异性因土壤本身属性、研究尺度的不同而具有较大差别[14]。研究区内土壤盐分、碱解氮和速效钾含量为中等变异，土壤pH值为弱变异，这与该地区已有研究结果一致[15]，主要原因是黄河三角洲位于华北地台区济阳坳陷的东北部，长期受地面沉降和黄河河流作用影响[16-17]。土壤速效磷含量为强变异，主要是因为速效磷含量与土壤质地、日常管理、水分含量等多种因素有关。复杂的化学、生物转化作用使磷素容易被土壤固化，导致磷肥利用效率偏低，土壤速效磷含量升高[16]。中等及以上程度的变异说明土壤属性空间异质性比较强，有必要进行差异化管理。因此，本文结果支持在园区内实施精确管理。