楊詩貴， 洪 寧， 李 鑄， 鄒德強， 文勇立， 艾 鹥， 澤讓東科

(1.西南民族大學青藏高原研究院，四川成都 610041； 2.西南民族大學生命科學與技術學院，四川成都 610041)

沼液施用背景下稻田土壤養(yǎng)分的含量特征

楊詩貴1， 洪 寧2， 李 鑄1， 鄒德強1， 文勇立1， 艾 鹥1， 澤讓東科1

(1.西南民族大學青藏高原研究院，四川成都 610041； 2.西南民族大學生命科學與技術學院，四川成都 610041)

分析長期施用沼液對春、秋2季水稻—油菜輪作地土壤養(yǎng)分含量的特征。采用SPSS、MapGIS與GS+等方法對試驗區(qū)與對照區(qū)2季土壤pH值、有機質(SOM)、全氮(TN)、堿解氮(AN)、全鉀(TK)、有效鉀(AK)、全磷(TP)、有效磷(AP)等含量8個指標進行偏相關、模糊綜合評判以及空間格局分析。結果表明，長期施用沼液后，試驗區(qū)土壤SOM、AN、TK、AK、TN、TP、AP含量增加，而pH值無顯著變化；2季之間8個指標變化不顯著；試驗區(qū)各養(yǎng)分因子與綜合肥力指數(shù)Pi的偏相關系數(shù)大小序列為AP>SOM>AK>TP等，而對照區(qū)為AP>AK>TP>SOM等，施用沼液改變了土壤養(yǎng)分因子之間的關系；養(yǎng)分模糊綜合評分試驗區(qū)高于對照區(qū)；除春、秋2季pH值、TK含量與秋季AK含量的空間變異主要受結構性因素(一般為成土母質、地形等)影響外，其他因子變異則受結構性與隨機性因素(一般為施肥、種植管理等)共同影響；在空間格局圖上，各養(yǎng)分含量高值區(qū)主要分布于試驗區(qū)所處的西側。研究結果證實長期施用沼液能改變水稻—油菜輪作地土壤養(yǎng)分空間格局，提高土壤綜合肥力。

種養(yǎng)結合；；沼液土壤；養(yǎng)分；模糊綜合評判；空間格局

沼液除含有豐富的氮、磷、鉀外，還含有17種氨基酸、腐殖酸、赤霉素、吲哚乙酸、玉米素等生物活性物質，是一種速效、清潔、安全的高品質有機肥[1]。稻田土壤廣泛分布于成都平原，并且該地區(qū)畜牧業(yè)發(fā)達，沼液產(chǎn)量很高，施用沼肥是該地區(qū)改良土壤的重要途徑。對一種土壤長期施用沼液，因土壤的物理、化學及生物特異性，其養(yǎng)分含量的某些特性可能逐步發(fā)生改變，直至形成相對穩(wěn)定的模式。因此，研究沼液施用背景下稻田土壤的養(yǎng)分含量特征，對于維持土壤健康、提高土壤質量具有重要意義。研究表明，養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達的種養(yǎng)結合系統(tǒng)，為農(nóng)田土壤投入有機N、P2O5、K2O的總量高達 1 377 kg/hm2[2]。施用沼液能調節(jié)土壤養(yǎng)分要素[3]，改善土壤脫氫酶、脲酶及過氧化氫酶的活性[4]，并減少土壤重金屬的積累或降低重金屬的危害[5]。施用沼液還能提高果蔬等農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量[6]。高紅莉研究認為，施用沼液能減少土壤和作物的硝酸鹽含量[7]。但以往的研究多集中于施用沼肥對土壤養(yǎng)分的影響，而未見施用沼液后水稻土養(yǎng)分特征的相關研究，且研究區(qū)域相對較小，也未見對施用沼液后土壤養(yǎng)分空間格局的分析。本試驗以連續(xù)4年施用沼液的四川成都平原稻田土為研究對象，測定春季、秋季氮、磷、鉀及有機質等養(yǎng)分含量，采用MapGIS和GS+等方法，分析土壤養(yǎng)分含量變化及空間格局特征，為土壤的改良和管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗區(qū)在四川省雙流縣公興鎮(zhèn)吞拿養(yǎng)殖場進行，位于103°57′36″～103°58′37″E、30°26′49″～30°27′19″N，海拔 500 m。年均溫16.8 ℃，降水量921 mm，年日照時數(shù) 1 104.0～1 297.4 h，屬亞熱帶濕潤季風氣候。土壤類型為紫色性水稻土，研究區(qū)土壤0～15 cm層pH值及養(yǎng)分背景值為：pH值(H2O)為5.6，全氮(TN)含量為1.35 g/kg、全磷(TP)含量為0.45 mg/kg、全鉀(TK)含量為11.13 mg/kg；為水稻—油菜2季輪作地，每年5—9月種植水稻，10月至次年4月種植油菜。養(yǎng)殖場養(yǎng)殖區(qū)面積為70 hm2，現(xiàn)存欄種豬800余頭、商品豬4 000余頭，建有儲糞池10個，3 700 m2，厭氧發(fā)酵池500 m2，輸糞管道1 800 m，養(yǎng)殖場產(chǎn)生的糞污通過干濕分離，液體經(jīng)厭氧技術處理后灌溉周圍農(nóng)田，共約1 200 hm2[8]。豬沼液養(yǎng)分含量：pH值(H2O)為7.31、全鉀含量為 1 317.70 mg/L、銨態(tài)氮含量為139.87 mg/L、全磷含量為 141.55 mg/L、全氮含量為13 988.73 mg/L。

1.2 樣地設置

研究區(qū)分為沼液灌溉試驗區(qū)(T)、對照區(qū)(C)、中間設置緩沖帶(D)。試驗區(qū)面積為405 000 m2，對照區(qū)面積為 205 000 m2。采用GPS測量面積和定點，共設置78個樣點，試驗區(qū)47個，對照區(qū)31個，并編號(圖1)。試驗區(qū)連續(xù)4年施用豬沼液55 m3/hm2，不施用化肥和農(nóng)藥。對照區(qū)采用常規(guī)水稻耕作制度，施用化肥，不用農(nóng)藥?；适┯昧糠謩e為氮肥 150 kg/hm2，磷肥75 kg/hm2[9]。研究區(qū)內(nèi)成土母質、環(huán)境條件一致，遠離交通要道，周圍沒有工礦企業(yè)。地貌平坦，地勢由東北向西南略傾斜，傾斜度小于0.5°，西、南、北邊為淺丘相圍。

1.3 樣品采集與預處理

借助Trimble-GPS系統(tǒng)于2013年4—9月進行定點采樣，使用圓狀取土鉆取樣，采集0～20 cm的耕層土壤，土樣混勻后用四分法棄去部分土壤，保留2～3 kg裝入相應編號的塑料袋中帶回實驗室備用。除去土壤中殘留植物根、莖、葉及蟲體等雜質后，自然風干約14～20 d，研磨過20、100目篩，然后收集并編號以備測定。按文獻資料[8]測定土壤pH值、有機質(SOM)含量、全氮含量、堿解氮(AN)含量、全磷含量、有效磷(AP)含量、全鉀含量、有效鉀(AK)含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0進行模糊綜合評判以及土壤養(yǎng)分含量與內(nèi)梅羅綜合指數(shù)Pi的偏相關分析。采用GS+7.0進行半方差分析，SURFER軟件生成克里格插值圖。Pi作為土壤質量評價指標[10]，是一種綜合土壤肥力系數(shù)，計算公式如下：

式中：Pi為土壤養(yǎng)分綜合肥力指數(shù)；(Pi)平均為土壤各養(yǎng)分要素的平均值；(Pi)最小為土壤各養(yǎng)分要素的最小值，n為土壤養(yǎng)分屬性的個數(shù)。

2 結果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分比較

試驗區(qū)、對照區(qū)春、秋2季土壤pH值及養(yǎng)分因子測定結果見表1。pH值試驗區(qū)與對照區(qū)差異不顯著，秋季TN、TP含量試驗區(qū)顯著低于對照區(qū)，試驗區(qū)2季土壤SOM、AN、TK、AK、TN、TP、AP含量均高于對照區(qū)。其中，試驗區(qū)2季土壤SOM、AN、TK、AK含量與對照區(qū)差異極顯著，TN、TP、AP含量與對照區(qū)差異顯著。整體來看，試驗區(qū)土壤養(yǎng)分含量高于對照區(qū)。

從春季到秋季試驗區(qū)與對照區(qū)土壤pH值以及SOM、TN、AN、TP、AP、TK、AK的含量8個指標差異均不顯著。

2.2 土壤養(yǎng)分因子與綜合指數(shù)Pi間的相關分析

土壤養(yǎng)分綜合肥力指數(shù)Pi與各養(yǎng)分因子間的偏相關系數(shù)見表2。從表2可以看出，春、秋2季試驗區(qū)養(yǎng)分因子與Pi均呈正相關，其中SOM、TP、AP、AK的含量分別與Pi呈極顯著正相關，AN的含量與Pi呈顯著正相關。按偏相關系數(shù)大小排序，春秋2季均為AP含量>SOM含量>AK含量>TP含量>AN含量>TN含量>pH值>TK含量。表明AP、SOM、AK、TP、AN等養(yǎng)分的含量與試驗區(qū)土壤肥力相關。春、秋2季，除pH值外，對照區(qū)土壤養(yǎng)分因子均與Pi呈正相關，其中TP、AP、AK含量與Pi呈極顯著相關，SOM與Pi呈顯著相關。按偏相關系數(shù)大小排序，春、秋2季均為AP含量>AK含量>TP含量>SOM含量>AN含量>TK含量>TN含量>pH值，表明AP、AK、TP、SOM等養(yǎng)分含量與對照區(qū)土壤肥力相關。綜合以上分析結果，AP、AK、TP、SOM含量與Pi的偏相關系數(shù)為0.446～0.876，表明這4個指標與土壤肥力具有更重要的相關關系。

表1 春季、秋季試驗區(qū)與對照區(qū)養(yǎng)分含量比較

注：T、C分別代表試驗區(qū)、對照區(qū)，表2同；同列數(shù)據(jù)后不同小寫、大寫字母分別表示差異顯著(P<0.05)、極顯著(P<0.05)。

2.3 土壤養(yǎng)分模糊綜合評價

2.3.1 因子權重的確定 根據(jù)文獻[11]，以試驗區(qū)、對照區(qū)土壤養(yǎng)分為評價對象，采用主成分分析法確定權重，以土壤養(yǎng)分因子的權重為因素，評價土壤養(yǎng)分綜合實際貢獻率的大小。將pH值以及SOM、TN、AN、TP、AP、TK、AK含量等8個指標值帶入隸屬函數(shù)，算出相應的隸屬函數(shù)度，得到土壤養(yǎng)分權重系數(shù)(表3)。從表3可看出，根據(jù)公因子方差賦予各因子的權重分別：pH值為0.097、SOM含量為0.13、TN含量為0.11、AN含量為0.12、TP含量為0.14、AP含量為0.15、TK含量為0.16、AK含量為0.093?？梢钥闯鰪拇蟮叫〉捻樞驗椋篢K含量>AP含量>TP含量>SOM含量>AN含量>TN含量>pH值>AK含量。

表2 春季、秋季試驗區(qū)與對照區(qū)土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)Pi與各養(yǎng)分因子的偏相關分析

表3 土壤養(yǎng)分權重系數(shù)

2.3.2 土壤養(yǎng)分因子綜合評價 基于表3并參照文獻[12-13]，獲得試驗區(qū)與對照區(qū)土壤養(yǎng)分綜合評分(表4)。試驗區(qū)綜合評分高于對照區(qū)，表明施用沼液后土壤養(yǎng)分的整體狀況獲得明顯提升。

表4 試驗區(qū)與對照區(qū)土壤養(yǎng)分因子模糊綜合評價結果

注：含春季、秋季數(shù)據(jù)。

2.4 土壤養(yǎng)分因子空間格局

2.4.1 土壤養(yǎng)分因子的半方差分析 對春、秋2季土壤各養(yǎng)分因子進行最優(yōu)模型擬合(表5)。半方差函數(shù)測算與Kriging插值的詳細數(shù)學過程[14]。確定系數(shù)(R2)表示該模型所擬合的理論曲線精度，越趨近1，精準度越高。從表5可以看出，除pH值、TK含量及秋季SOM、AN含量外，其他因子的確定系數(shù)為0.216～0.964(P<0.01或P<0.05)，表明模型擬合效果較好。殘差值表示模型擬合的效果，其值越趨近0，擬合效果越好[15]。

表5 土壤養(yǎng)分半方差函數(shù)參數(shù)及模型

注：*、**表示差異顯著(P<0.05)、極顯著(P<0.01)。

2.4.2 土壤養(yǎng)分因子克里格(Kriging)分析 采用SPSS軟件對春、秋2季土壤養(yǎng)分因子進行W檢驗。結果顯示，春季土壤pH值、SOM含量、TN含量與秋季pH值、SOM含量、TN含量、TP含量、AP含量均符合正態(tài)分布；而春季土壤AN含量、TP含量、AP含量、TK含量、AK含量、秋季AN含量、TK含量、AK含量均不符合正態(tài)分布，對其進行對數(shù)轉換，結果均符合該分布。克立格插值分析見圖2(x軸為東西方向，y軸為南北方向)。從圖2可見，春、秋2季土壤8個養(yǎng)分指標在空間分布上主要呈現(xiàn)出斑塊與梯度相結合的分布格局，各養(yǎng)分指標在研究區(qū)內(nèi)有高值或低值的分布中心，且高值中心呈現(xiàn)一定的方向性。除2季TK含量外，其他養(yǎng)分高值中心均集中于西側，養(yǎng)分含量呈現(xiàn)由東向西逐漸上升的趨勢，西側為試驗區(qū)，東側為對照區(qū)，表明試驗區(qū)土壤養(yǎng)分含量總體高于對照區(qū)。

3 結論與討論

3.1 施用沼液后土壤養(yǎng)分含量

對比春、秋2季試驗區(qū)與對照區(qū)土壤養(yǎng)分含量，試驗區(qū)總體比對照區(qū)高，這可能與糞便得到厭氧發(fā)酵有關，發(fā)酵后的沼液有助于改善土壤的團粒結構，從而提高有機質在土壤中的效應。試驗區(qū)與對照區(qū)土壤pH值差異不大， 但呈弱酸性，有

利于土壤有機質的保持。有研究認為，較低的pH值會增大土壤磷的可溶性，從而加快磷的流失[16]。但也有研究表明，酸性土壤環(huán)境可能改變微生物的優(yōu)勢群落結構，有益于固氮、解磷、解鉀微生物的大量繁殖，從而在長期施用沼液的土壤中使氮、磷、鉀養(yǎng)分及其有效成分獲得顯著提高[17]。

3.2 土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)Pi與相關養(yǎng)分因子的關系

試驗區(qū)和對照區(qū)分別與Pi的相關性序列在春、秋2季差異不顯著，但試驗區(qū)2季的相關性序列與對照區(qū)對比，存在明顯差異，表明施用沼液對土壤養(yǎng)分因子關聯(lián)結構產(chǎn)生了一定影響。長期施用沼液的試驗區(qū)春、秋季土壤SOM含量與Pi的相關性比對照區(qū)明顯增強，表明長期施用沼液的試驗區(qū)土壤的SOM獲得了一定程度的改善，這與李學東等研究結果[18-19]一致。試驗區(qū)與對照區(qū)春、秋2季土壤養(yǎng)分因子的4種序列均顯示AP、AK、TP、SOM含量與Pi的相關性相對較強，而TN含量、TK含量、pH值相對較弱，表明AP、AK、TP、SOM含量在土壤養(yǎng)分構成方面具有更為重要的影響。武廣云等研究認為，有機質是土壤可持續(xù)經(jīng)營的核心，決定了土壤的穩(wěn)定性和彈性，TN、TP、TK含量能夠反映該土壤的供肥潛力[20]。而AN、AP、AK含量則能直接說明土壤肥力的狀況，表明本研究試驗區(qū)土壤的肥力獲得了改善。

3.3 土壤養(yǎng)分因子的模糊綜合評價

近年來，有關施用沼液后對土壤養(yǎng)分及農(nóng)作物的影響研究較多，范玉貞研究了沼肥對梨園土壤中養(yǎng)分及梨果品質的影響，結果顯示，沼肥提高了梨園土壤的SOM、TP、AP、TN、AN、TK、AK的含量，并且對梨果的品質具有改善作用[21]。李艷麗等研究認為，灌溉沼液對玉米種植的影響，給出了沼肥的施用方式、數(shù)量及增產(chǎn)效果[22]。樊文華等研究施用沼肥對土壤養(yǎng)分的影響，認為施用沼液可以提高土壤中氮、磷、鉀及有機質的含量，施用沼液比施用化肥更能提高土壤有機質含量[23]。上述研究并未涉及水稻—油菜輪作土，也未見采用綜合評價法對眾多因子進行整體性評判的相關報道。

本研究采用模糊綜合評價方法，對長期施加豬沼液后水稻稻—油菜輪作土壤養(yǎng)分8個因子進行整體性評價，通過公因子方差分析，權重大小順序為TK含量>AP含量>TP含量>SOM含量>AN含量>TN含量>pH值>AK含量。TK、AP、TP含量的權重值為0.14～0.16，表明在土壤養(yǎng)分中磷、鉀具有一定主導作用。據(jù)報道，當土壤中氮、磷、鉀含量相對較高時，土壤肥力得到改善，有利于植物的生長[24]。通過權重與隸屬函數(shù)矩陣的乘積得出模糊綜合評價試驗區(qū)與對照區(qū)積分，然后進行歸一化處理得出試驗區(qū)的評價結果是0.616，對照區(qū)評判結果0.384。表明長期施用沼液，土壤養(yǎng)分整體狀況、養(yǎng)分結構等都可以獲得進一步優(yōu)化。

3.4 土壤養(yǎng)分因子空間分布特征

不同的塊金值/基臺值可表示系統(tǒng)變量的空間相關性的不同程度[25]。土壤是由母質、地形、生物、氣候、時間和人為因素共同作用形成的非均質的和變化的時空連續(xù)變異體[26]，具有高度的空間異質性，不論是在大尺度上還是小尺度上，均有異質性存在[27]。自然過程(一般包括地形、母質、土壤類型等)是土壤養(yǎng)分變異的內(nèi)在驅動力，它有利于土壤養(yǎng)分空間變異結構性的加強和相關性的提高，尤其是在較大水平尺度上表現(xiàn)更為明顯；而人為過程，一般如施肥、耕作措施和種植制度等則是土壤養(yǎng)分變異的外在因素，表現(xiàn)為較大的隨機性，它往往對變量空間變異的結構性和相關性具有削弱作用，使土壤特性的空間分布朝均一方向發(fā)展，尤其是在小尺度上表現(xiàn)更為明顯[28]。春、秋2季的pH值，春季的TK含量，秋季的TN、TP、AP、AK含量的塊金值/基臺值均小于0.25，表明這些指標具有極強的空間相關性，其變異主要是由結構性因素引起的。前人研究認為，這可能與成土母質、地形地貌等有關[29]。除此之外，春季、秋季其余指標的塊金值/基臺值處于0.294 1～0.679 0之間，表明這些指標為中等自相關，空間變異受隨機和結構兩方面因素的影響，由于試驗區(qū)域是水稻—油菜輪作地，推測引起土壤屬性空間變異的隨機性因素主要來自輪作地的人為活動，諸如施肥、除草活動、土壤管理等。

克里格插值法可通過已知樣品點數(shù)據(jù)來估算臨近未知點的數(shù)據(jù)[30]。春、秋2季土壤pH值和秋季AK含量在空間上呈連續(xù)變化梯度，表明其變異是均勻的，這與半方差分析結果一致，即上述指標主要受結構性因素的影響。春季pH值東西兩側基本無差異；春季SOM、AP、TP幾個養(yǎng)分因子的含量明顯西側高于東側，除pH值外，各養(yǎng)分含量明顯秋季高于春季，但方差分析差異不顯著。本試驗西側為試驗區(qū)，東側為對照區(qū)。半方差分析結果表明，秋季AK含量的塊金值/基臺值小于0.25，可推測其空間變異主要受地形、成土母質等結構性因素影響。一般來說，若無人為因素的影響，土壤中的養(yǎng)分含量與母質有關，但在特定區(qū)域內(nèi)，由于氣候條件差異不大，景觀長期較為一致的種植和管理后，土壤養(yǎng)分空間變異將趨于緩和，即由于與母質差異等引起的變異逐漸減小，可形成表面上較為一致的區(qū)域[31]。因此，這可能是人為春、秋2季水稻—油菜輪作管理之后，引起的秋季AK含量高于春季的原因。

施用沼液后，土壤SOM、AN、TK、AK含量明顯提升，各養(yǎng)分因子與土壤肥力綜合指數(shù)Pi均呈正相關，綜合肥力得到改善；春、秋2季pH值與秋季AK含量的變異受結構性因素影響，其余受結構性因素與隨機性因素的共同影響。

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10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.068

2015-12-02

四川省科技支撐計劃(編號：2011FZ0054)；西南民族大學創(chuàng)新型科研項目(編號：CX2014SZ115)；西南民族大學優(yōu)秀學生培養(yǎng)工程項目(編號：13ZYXS79)；西南民族大學青年教師基金(編號：13NZYQN20)；

楊詩貴(1984—)，男，湖北黃岡人，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)推廣工作。E-mail：515971391@qq.com。

文勇立，博士，教授，主要從事家畜生態(tài)與生產(chǎn)及動物遺傳育種與繁殖等研究。E-mail：wansit@163.com。

S158.3

A

1002-1302(2017)02-0239-06

楊詩貴，洪 寧，李 鑄，等. 沼液施用背景下稻田土壤養(yǎng)分的含量特征[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2017，45(2)：239-244.