王斌, 黃盛怡, 閔慶文, 袁正, 張碧天, 李禾堯

高復(fù)種指數(shù)區(qū)成都市郫都區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分特征及其空間變異研究

王斌1, 黃盛怡1, 閔慶文2, *, 袁正3, 張碧天2, 李禾堯2

1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所, 杭州 311400 2. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101 3. 北京市科普研究中心, 北京 100000

成都平原屬典型的水田農(nóng)業(yè)區(qū), 復(fù)種指數(shù)高, 農(nóng)作物一年兩熟或三熟。為探究高土地利用率地區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分特征及其空間分布格局, 基于成都市郫都區(qū)2015年測(cè)土配方施肥數(shù)據(jù), 運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法揭示該區(qū)域農(nóng)田土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計(jì)特征及其空間變異。結(jié)果顯示: 郫都區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)、總氮(TN)、堿解氮(AN)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)含量均值分別為22.35 g·kg-1、1.15 g·kg-1、95.38 mg·kg-1、21.01 mg·kg-1和104.58 mg·kg-1, 不同土壤類(lèi)型及不同種植模式農(nóng)田土壤養(yǎng)分差異總體較小, 表明高強(qiáng)度的人類(lèi)活動(dòng)使郫都區(qū)土壤養(yǎng)分含量變得均一; 半方差分析顯示, SOM和AK的塊金系數(shù)分別為0.39和0.62, 其空間變異由土壤母質(zhì)、地形、氣候條件等結(jié)構(gòu)性因素和耕作制度、施肥條件等隨機(jī)性因素共同作用引起; TN、AN和AP的塊金系數(shù)分別為0.87、0.94和0.97, 其空間變異性主要受耕作制度、施肥條件等隨機(jī)性因素影響; 結(jié)合已有研究來(lái)看, 郫都區(qū)農(nóng)田SOM塊金系數(shù)呈下降趨勢(shì)而TN、AN和AP塊金系數(shù)呈增加趨勢(shì), 表明隨著郫都區(qū)作物產(chǎn)量與作物復(fù)種指數(shù)的不斷提高, 以蔬菜為主的旱作模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水旱輪作模式、復(fù)合肥代替農(nóng)家肥等生產(chǎn)方式的改變正在影響著郫都區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間分布格局。

農(nóng)田土壤; 養(yǎng)分含量; 種植模式; 空間分布; 郫都區(qū)

0 前言

成都平原是我國(guó)西南地區(qū)最大平原和河網(wǎng)稠密地區(qū)之一, 整個(gè)平原地表松散, 沉積物巨厚, 第四紀(jì)沉積物之上覆有粉砂和粘土, 結(jié)構(gòu)良好, 宜于耕作, 為四川省境內(nèi)最肥沃土壤。遠(yuǎn)在公元前250年的秦代就修建了舉世聞名的都江堰水利工程, 引岷江水灌溉平原上廣大農(nóng)田, 成為四川省種植業(yè)發(fā)展最早的地區(qū)之一, 也是我國(guó)水旱輪作的發(fā)源地之一。數(shù)千年的農(nóng)耕歷史, 形成了成都平原多樣的種植模式和耕作方式, 為研究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境影響提供了極好素材。近年來(lái), 不同學(xué)者從不同角度對(duì)成都平原的農(nóng)田土壤養(yǎng)分狀況進(jìn)行了研究, 包括水稻產(chǎn)量對(duì)基礎(chǔ)地力與施肥的響應(yīng)[1]、土壤養(yǎng)分豐缺狀況及變化情況[2]、基于農(nóng)田土壤中Pb、Zn的人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[3]、不同耕作模式對(duì)土壤性狀及產(chǎn)量的影響[4-5], 以及農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)、氮(N)、磷(P)、鉀(K)等的統(tǒng)計(jì)特征、空間變異及影響因素等[6-10]; 對(duì)耕地土壤重金屬時(shí)空變化與污染源分析也有一定研究[11-12]。

從已有研究來(lái)看, 關(guān)于成都平原農(nóng)田土壤養(yǎng)分狀況及其空間變異研究, 考慮單個(gè)養(yǎng)分因子的研究多, 綜合考慮土壤有機(jī)質(zhì)、N、P和K的研究少; 利用采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)基于地統(tǒng)計(jì)軟件分析土壤養(yǎng)分空間變異的研究多, 但從不同土壤類(lèi)型及不同種植模式深入探討農(nóng)田土壤養(yǎng)分差異的研究少。郫都區(qū)地處成都平原腹心, 農(nóng)田耕作條件優(yōu)越, 加上該地區(qū)農(nóng)民種植水平較高, 無(wú)論從農(nóng)田化肥施用量、復(fù)種指數(shù), 還是從農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)出水平、產(chǎn)出價(jià)值等方面分析, 都處于高強(qiáng)度開(kāi)發(fā)狀態(tài)。隨著郫都區(qū)全國(guó)蔬菜標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)示范區(qū)的建設(shè), 傳統(tǒng)以稻麥輪作為主的種植方式逐步被高效的蔬菜輪作或連作取代。在農(nóng)田生產(chǎn)效率不斷提高的同時(shí), 農(nóng)田土壤養(yǎng)分狀況及其與人類(lèi)活動(dòng)的關(guān)系越來(lái)越引起人們的重視。為此, 本文利用郫都區(qū)2015年測(cè)土配方施肥數(shù)據(jù), 探討該區(qū)域高強(qiáng)度土地利用背景下土壤養(yǎng)分含量特征及空間變異, 旨在掌握區(qū)域農(nóng)田土壤肥力的差異, 為區(qū)域土壤施肥及農(nóng)業(yè)布局提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

郫都區(qū)位于成都市西北部, 地理位置東經(jīng)103°42'—104°2', 北緯30°43'—30°52'之間, 總面積438 km2。該地屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候, 年平均氣溫16℃, 年平均降水量979.4 mm, 具有春早、夏長(zhǎng)、秋雨、冬暖、無(wú)霜期長(zhǎng)、雨量充沛、冬季多霧、日照偏少和四季分明的特點(diǎn)。地貌類(lèi)型分區(qū)屬四川盆地西平原區(qū), 具有川西壩區(qū)的典型特點(diǎn), 是岷江沖洪積扇狀平原, 由西北向東南傾斜, 具有“大平小不平”的特點(diǎn), 因古河道的沖擊和近代河流的沖刷切割, 形成眾多成扇形狀展開(kāi), 微地貌呈凸凹狀的條堤形地, 相對(duì)高度不超過(guò)2 m。全區(qū)平原地表皆為岷江新沖積灰色水稻土細(xì)沙粒泥層, 下伏洪積物黃泥層或黃泥夾沙層, 適宜各種農(nóng)作物生長(zhǎng)。成土母質(zhì)為河流沖積物、河湖相沉積物及丘陵崗地殘坡積物。

1.2 樣品采集與分析

成都市郫都區(qū)自2008年列入農(nóng)業(yè)部測(cè)土配方施肥補(bǔ)貼項(xiàng)目縣后, 每年都進(jìn)行測(cè)土配方施肥土壤樣品采集, 以及農(nóng)戶土壤條件、作物種植、產(chǎn)量及施肥等情況調(diào)查, 為測(cè)土配方施肥提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。本研究選取郫都區(qū)2015年測(cè)土配方施肥調(diào)查數(shù)據(jù), 包括土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)、全氮(TN)、堿解氮(AN)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)、土壤條件、種植作物、施肥量等, 共300個(gè)數(shù)據(jù)。

土壤樣品采集按照《測(cè)土配方施肥技術(shù)規(guī)范(試行)》要求, 根據(jù)郫都區(qū)的土種劃分采樣單元, 平均每個(gè)采樣單元為100—200畝。采樣集中在每個(gè)單元相對(duì)中心位置的典型田(地)塊, 面積1—5畝。按照郫都區(qū)土壤類(lèi)型和土壤肥力高、中、低, 在土壤圖上布點(diǎn)采樣, 采樣點(diǎn)以“S形”分布, 盡量做到“隨機(jī)”,“等量”和“多點(diǎn)混合”。采樣時(shí)間選擇在大春作物收獲后至小春作物播栽施肥前(9月中下旬), 采樣地點(diǎn)采用GPS定位; 采樣深度為0—20 cm; 每個(gè)土壤樣品采樣點(diǎn)數(shù)量10—20個(gè); 每個(gè)采樣點(diǎn)將不銹鋼取土器垂直于地面入土, 取土深度及采樣數(shù)量盡量均勻一致; 每個(gè)混合樣重約1 kg。

采集的土壤樣品放入統(tǒng)一的樣品袋, 袋內(nèi)外各裝一張用鉛筆填寫(xiě)好的采樣標(biāo)簽; 土壤樣品采集回來(lái)后, 在室內(nèi)及時(shí)風(fēng)干、研磨、過(guò)篩、裝瓶、貼標(biāo)簽; 供室內(nèi)化驗(yàn)測(cè)試。

土壤樣品分析項(xiàng)目包括SOM、N、P、K, 土樣分析均用常規(guī)方法進(jìn)行。其中, SOM采用高溫外熱-重鉻酸鉀氧化容量法; TN采用凱氏定氮法; AN采用堿解擴(kuò)散法; AP用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法; AK用1 mol·L-1中性醋酸銨提取, 火焰光度法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用閾值法(3倍的標(biāo)準(zhǔn)差)處理異常值[9, 13], 剔除異常值數(shù)據(jù)后獲得有效數(shù)據(jù)287個(gè)。使用SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)、K-S檢驗(yàn)和方差分析。利用ArcGIS地理統(tǒng)計(jì)模塊選擇最優(yōu)半方差函數(shù)模型, 模型選取遵循以下原則: 標(biāo)準(zhǔn)誤差平均值(ME)最接近0; 均方根預(yù)測(cè)誤差(RMS)最小且與平均標(biāo)準(zhǔn)誤差(ASE)最接近; 標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測(cè)誤差(RMSS)最接近于1[14]。半方差分析結(jié)果參數(shù)中, 變程表示空間變量自相關(guān)范圍; 塊金系數(shù)[0/(+0)]用以描述土壤屬性的空間自相關(guān)程度, 比值﹤25%表明具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性; 比值在25%—75%之間為中等程度的空間自相關(guān); 比值﹥75%說(shuō)明空間自相關(guān)性較弱[15]。空間插值選用普通克里格方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量描述性統(tǒng)計(jì)及分級(jí)比例

郫都區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示(表1), SOM、TN、AN、AP和AK含量均值分別為22.35 g·kg-1、1.15 g·kg-1、95.38 mg·kg-1、21.01 mg·kg-1和104.58 mg·kg-1。5個(gè)土壤指標(biāo)的中位數(shù)均低于其均值, 偏度均大于0, 分布屬于右偏態(tài)。TN含量的變異系數(shù)小于0.25, 呈低變異性, 表明其在區(qū)域內(nèi)變化較小; SOM、AN、AP和AK含量的變異系數(shù)介數(shù)轉(zhuǎn)化后也符合正態(tài)分布, 滿足統(tǒng)計(jì)分析和空間插值需要。

圖1 郫都區(qū)農(nóng)田土壤采樣點(diǎn)空間分布

Figure 1 Spatial distribution of farmland soil sampling sites in Pidu District

表1 郫都區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分元素含量描述性統(tǒng)計(jì)特征

依據(jù)第二次全國(guó)土壤普查養(yǎng)分等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn), 統(tǒng)計(jì)郫都區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量不同分級(jí)比例情況(表2), 農(nóng)田土壤AP含量較高, 較豐富以上(AP>20 mg·kg-1)的樣點(diǎn)比例達(dá)到45.33%, 中等水平以上達(dá)100%; TN、AN含量一般, 中等水平以上(TN>1 g·kg-1; AN> 90 mg·kg-1)的樣點(diǎn)比例約占65%左右; 相對(duì)而言, AK含量較低, 中等以上水平(AK>100 mg·kg-1)僅占44%左右。可見(jiàn)郫都區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分不算優(yōu)越, 土壤養(yǎng)分缺乏的比例還不少。

2.2 不同土壤類(lèi)型養(yǎng)分含量比較

郫都區(qū)農(nóng)田土壤在四川省土壤分類(lèi)系統(tǒng)中屬于水稻土, 包括潛育潮田、滲育灰棕潮田、潴育灰潮田3個(gè)土屬, 8個(gè)不同土壤類(lèi)型, 不同土壤類(lèi)型養(yǎng)分含量見(jiàn)表3。從不同土屬來(lái)看, 潛育潮田的SOM和TN含量最高, 分別為22.90 g·kg-1和1.18 g·kg-1; 滲育灰棕潮田的AK含量最高, 為105.15 mg·kg-1; 潴育灰潮田的AN和AP含量最高, 分別為98.07 mg·kg-1和21.50 mg·kg-1, 但不同土屬的SOM、TN、AN、AP和AK含量無(wú)顯著差異(<0.05)。

從不同土壤類(lèi)型來(lái)看, 灰潮大泥田的SOM和TN含量最高, 分別為23.89 g·kg-1和1.21 g·kg-1; 灰棕潮泥田的AN含量最高, 為100.36 mg·kg-1; 灰潮油砂田AP和AK含量最高, 分別為22.17 mg·kg-1和122.79 mg·kg-1; 灰潮砂田的SOM和TN含量較低, 分別為20.29 g·kg-1和1.05 g·kg-1; 鈣質(zhì)下濕潮砂田的AN和AK含量較低, 分別為78.50 mg·kg-1和80.50 mg·kg-1; 灰潮大土油砂田的AP含量較低, 為19.98 mg·kg-1。方差分析結(jié)果表明(<0.05), 不同土壤類(lèi)型間AN、AP含量無(wú)顯著性差異; 灰潮大泥田的SOM、TN和AK含量顯著高于灰潮砂田; 鈣質(zhì)下濕潮田的TN含量顯著高于灰潮砂田; 不同土壤類(lèi)型間AK含量變化較大, 除鈣質(zhì)下濕潮砂田和鈣質(zhì)下濕潮田外, 其它土壤類(lèi)型間或多或少存在一些差異。

2.3 不同種植模式土壤養(yǎng)分含量比較

研究區(qū)目前主要的水旱輪作模式有水稻-油菜、水稻-蔬菜(棒菜、兒菜等)、水稻-大蒜、水稻-圓根蘿卜等; 主要的旱作模式有韭菜連作(主要生產(chǎn)韭黃, 連作4年之后種一季水稻)、蔬菜連作或輪作(主要有生菜連作, 空心菜-菜薹、兒菜等秋冬季菜輪作)、油菜-蔬菜和油菜-玉米等。韭菜、大蒜和圓根蘿卜單列, 主要是因?yàn)檫@三種蔬菜均是當(dāng)?shù)氐牡乩順?biāo)志產(chǎn)品, 有一定的種植歷史并且種植面積較大, 具有一定的代表性。

郫都區(qū)不同種植模式土壤養(yǎng)分含量見(jiàn)表4。不同種植模式中, 韭菜連作模式的SOM、TN和AP含量最高, 分別為25.00 g·kg-1、1.23 g·kg-1和23.71 mg·kg-1;水稻-圓根蘿卜的AN含量以及水稻-大蒜的AK含量最高, 分別為105.69 mg·kg-1和119.54 mg·kg-1。油菜-玉米的SOM和TN含量較低, 分別為20.57 g·kg-1和1.05 g·kg-1; 油菜-蔬菜的AN、AP和AK含量較低, 分別為87.00 mg·kg-1、17.90 mg·kg-1和84.50 mg·kg-1。方差分析結(jié)果表明(<0.05), 不同種植模式的SOM、TN和AN含量無(wú)顯著差異; 韭菜連作模式的AP含量顯著高于油菜-蔬菜、水稻-油菜、水稻-大蒜和水稻-圓根蘿卜模式; 蔬菜連作或輪作模式的AP含量顯著高于水稻-圓根蘿卜模式; 水稻-大蒜模式的AK顯著高于水稻-油菜模式?？傮w來(lái)看, 韭菜連作模式對(duì)土壤養(yǎng)分含量, 特別是對(duì)AP含量要求較高; 水稻-圓根蘿卜對(duì)AN含量要求較高; 而水稻-大蒜對(duì)AK含量要求較高。相對(duì)來(lái)說(shuō), 油菜-蔬菜和油菜-玉米對(duì)土壤養(yǎng)分含量的要求比其它模式要低。

表2 郫都區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量分級(jí)與比例統(tǒng)計(jì)

表3 郫都區(qū)不同土壤類(lèi)型養(yǎng)分含量比較

注: 表中元素含量統(tǒng)計(jì)值為樣本均值±標(biāo)準(zhǔn)差; 同列數(shù)字(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)后不同小寫(xiě)字母表示不同土壤類(lèi)型間差異顯著(<0.05), 不同大寫(xiě)字母表示不同土屬間差異顯著(<0.05)。

2.4 土壤養(yǎng)分空間變異特征及其分布格局

利用ArcGIS地理統(tǒng)計(jì)模塊選擇最優(yōu)半方差函數(shù)模型, 從選擇結(jié)果可以看出(表5), 郫都區(qū)農(nóng)田SOM和TN最優(yōu)半方差模型分別為球面模型和高斯模型; AN、AP和AK最優(yōu)半方差模型為指數(shù)模型; SOM和AK的塊金系數(shù)分別為0.39和0.62, 按區(qū)域化變量空間相關(guān)性程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)均表現(xiàn)為中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性, 其空間變異由土壤母質(zhì)、地形、氣候條件等結(jié)構(gòu)性因素和耕作制度、施肥條件等隨機(jī)性因素共同作用引起, 且結(jié)構(gòu)性因素對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)影響相對(duì)較大。TN、AN和AP的塊金系數(shù)分別為0.87、0.94和0.97, 表現(xiàn)為弱空間相關(guān)性, 其空間變異主要受耕作制度、施肥條件等隨機(jī)性因素影響。從變程來(lái)看, SOM、TN和AK在空間上的變異尺度相對(duì)較小, AN和AP在空間上的變異尺度相對(duì)較大。

表4 郫都區(qū)不同種植模式土壤養(yǎng)分含量比較

注: 表中元素含量統(tǒng)計(jì)值為樣本均值±標(biāo)準(zhǔn)差; 同列數(shù)字(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)后不同小寫(xiě)字母表示不同類(lèi)型間差異顯著(<0.05)。

表5 郫都區(qū)不同土壤養(yǎng)分最優(yōu)半方差函數(shù)理論模型及相關(guān)參數(shù)

為直觀反映土壤養(yǎng)分含量空間分布格局, 在半方差函數(shù)模型擬合的基礎(chǔ)上運(yùn)用普通克里格法對(duì)研究區(qū)不同土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行空間插值, 得到其空間分布(圖2); 同時(shí), 結(jié)合不同種植模式的空間分布, 分析土壤養(yǎng)分含量空間分布與不同種植模式之間的耦合關(guān)系。郫都區(qū)SOM與TN空間分布大體相似, 局部地區(qū)較高, 東南部整體偏低; AN以新民場(chǎng)鎮(zhèn)至高新西區(qū)一帶較高, 左右兩側(cè)偏低; AP以花園鎮(zhèn)、友愛(ài)鎮(zhèn)到唐元鎮(zhèn)一帶較高, 南部德源鎮(zhèn)、犀浦鎮(zhèn)和高新西區(qū)整體偏低; AK以德源鎮(zhèn)、友愛(ài)鎮(zhèn)和郫筒街道區(qū)域較高, 其它地區(qū)相對(duì)較低。研究區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分的這種分布格局, 與郫都區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)傳統(tǒng)的種植模式有著一定的相關(guān)性。唐元韭黃(主產(chǎn)區(qū)唐元鎮(zhèn))、云橋圓根蘿卜(主產(chǎn)區(qū)新民場(chǎng)鎮(zhèn))和德源大蒜(主產(chǎn)區(qū)德源鎮(zhèn))均為郫都區(qū)地理標(biāo)志產(chǎn)品, 都有著一定的歷史淵源; 結(jié)合不同土壤元素分布的高值區(qū), 以及表4中不同種植模式土壤養(yǎng)分含量比較分析可以看出, 唐元鎮(zhèn)AP含量與韭菜連作、新民場(chǎng)鎮(zhèn)AN含量與水稻-圓根蘿卜、德源鎮(zhèn)AK含量與水稻-大蒜種植模式具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 討論

3.1 郫都區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分狀況

研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量除AP較豐富外, 其它養(yǎng)分含量一般, AK相對(duì)缺乏, 這與該地區(qū)獨(dú)特的成土母質(zhì)、長(zhǎng)期的水旱輪作和較高的復(fù)種指數(shù)有一定關(guān)系。成都平原是沖積形成的河流沉積物, 加上長(zhǎng)期實(shí)行水旱輪作, 土壤元素易隨水和泥沙流失; 同時(shí), 隨著近幾年高產(chǎn)品種的引進(jìn)和科學(xué)栽培技術(shù)的應(yīng)用, 郫都區(qū)作物產(chǎn)量與復(fù)種指數(shù)不斷提高, 進(jìn)一步加大了農(nóng)田土壤養(yǎng)分的輸出; 特別是大面積種植蔬菜, 對(duì)鉀的吸收量相對(duì)較大, 導(dǎo)致鉀含量較氮、磷相對(duì)偏低。為保持農(nóng)田土壤肥力, 郫都區(qū)近幾年的肥料使用量呈顯著上升趨勢(shì), 根據(jù)2008年和2015年兩期測(cè)土配方施肥數(shù)據(jù)的分析, 郫都區(qū)農(nóng)田N、P2O5和K2O的使用量分別由2008年的190.65 kg·hm-2、74.85 kg·hm-2和82.8 kg·hm-2上升到2015年的321.15 kg·hm-2、220.80 kg·hm-2和286.80 kg·hm-2, 近10年P(guān)2O5和K2O的使用量增加了3—4倍。由于成都平原土壤保肥能力較差, 可以看出, 目前郫都區(qū)的農(nóng)田高產(chǎn), 很大一部分是建立在肥料的大量使用上。

土壤有機(jī)質(zhì)是植物養(yǎng)分的主要來(lái)源, 與其它研究結(jié)論相比, 郫都區(qū)2015年農(nóng)田SOM平均含量為22.35 g·kg-1, 低于楊剛[8]等以成都平原彭州市為例的研究結(jié)果(彭州市水田SOM平均含量由1982年的25.65 g·kg-1增加到2007年的33.04 g·kg-1), 一方面本研究土壤采樣是在大春作物收獲后即沒(méi)有淹水的條件下進(jìn)行, 而水田有機(jī)質(zhì)平均含量通常較同一景觀的旱地要高11.5%—57.5%[16-17], 因?yàn)檠退畻l件下土壤中新鮮有機(jī)質(zhì)的礦化速率較低、腐殖化系數(shù)較高, 有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累[8]; 另一方面可能與郫都區(qū)近幾年多施復(fù)合肥, 少施農(nóng)家肥有關(guān)。氮是蛋白質(zhì)、核酸和葉綠素等的重要成分, 對(duì)作物生長(zhǎng)具有重要作用。郫都區(qū)農(nóng)田土壤TN和AN的平均含量分別為1.15 g·kg-1和95.38 mg·kg-1, 與陳肖[18]等對(duì)成都平原土壤氮素的研究結(jié)果相比(2002年TN和AN的平均含量分別為1.29 g·kg-1和72.2 mg·kg-1), TN含量略低, AN含量稍高; 但明顯低于張浩[9]等對(duì)成都平原西部土壤氮素的研究結(jié)果(2016年TN和AN的平均含量分別為1.94 g·kg-1和138.70 mg·kg-1), 這主要與郫都區(qū)農(nóng)田土壤TN和AN含量在西部地區(qū)相對(duì)較低有關(guān)[9]。磷是植物體中許多重要化合物的成分, 而且以多種方式參與植物的新陳代謝過(guò)程; 鉀是許多酶的活化劑, 能促進(jìn)糖分和淀粉的生成。郫都區(qū)農(nóng)田土壤AP和AK的平均含量分別為21.01 mg·kg-1和104.58 mg·kg-1, 明顯高于肖鵬飛[6]等對(duì)成都平原速效磷的研究結(jié)果(AP平均含量由1982年的7.1 mg·kg-1增至2002年的14.3 mg·kg-1); 也高于秦魚(yú)生[7]等對(duì)成都平原廣漢市速效磷和速效鉀的研究結(jié)果(2004年AP和AK平均含量分別為8.23 mg·kg-1和72.2 mg·kg-1),說(shuō)明為追求更高的經(jīng)濟(jì)效益, 郫都區(qū)農(nóng)田土壤近幾年的施肥量有著顯著增加。

注: 種植模式圖中, 1-“韭菜連作”; 2-“蔬菜連作或輪作”; 3-“水稻-大蒜”; 4-“水稻-圓根蘿卜”; 5-“水稻-蔬菜”; 6-“油菜-玉米”; 7-“油菜-蔬菜”; 8-“水稻-油菜”。圖中紅色區(qū)域?yàn)檑汲菂^(qū)建設(shè)用地。

Figure 2 Planting patterns of farmland and spatial distribution of soil nutrients in Pidu District

3.2 郫都區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間變異與分布

郫都區(qū)農(nóng)田SOM的空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素影響, 其塊金系數(shù)為0.39, 低于秦魚(yú)生[7]等對(duì)成都平原水旱輪作SOM的研究結(jié)果(2004年塊金系數(shù)為0.64), 也低于楊剛[8]等對(duì)成都平原水田SOM的研究結(jié)果(1982年和2007年塊金系數(shù)分別為0.81和0.72), 綜合不同學(xué)者的研究時(shí)間和結(jié)論來(lái)看, 郫都區(qū)農(nóng)田SOM的塊金系數(shù)整體呈下降趨勢(shì), 這應(yīng)該與該地區(qū)農(nóng)家肥逐步被復(fù)合肥及氮、磷、鉀肥代替, 農(nóng)田SOM得不到及時(shí)補(bǔ)充有一定關(guān)系。表3中代表結(jié)構(gòu)性因素的不同土壤類(lèi)型SOM存在一定差異, 表4中代表隨機(jī)性因素的不同種植模式SOM無(wú)顯著差異, 也反映出SOM的空間變異受結(jié)構(gòu)性因素影響要多一些。

郫都區(qū)農(nóng)田TN、AN和AP的空間變異主要受隨機(jī)性因素影響, 其塊金系數(shù)均在0.87以上, 其中TN和AN的塊金系數(shù)明顯高于陳肖[18]等對(duì)成都平原土壤氮素的研究結(jié)果(2002年TN和AN塊金系數(shù)分別為0.436和0.377), 也高于張浩[9]等對(duì)成都平原西部土壤TN、AN的研究結(jié)果(2016年TN和AN塊金系數(shù)分別為0.524和0.639); AP的塊金系數(shù)高于肖鵬飛[6]等對(duì)成都平原速效磷的研究結(jié)果(AP塊金系數(shù)由1982年的0.70增至2002年的0.79), 也高于秦魚(yú)生[7]等對(duì)成都平原水旱輪作速效磷的研究結(jié)果(2004年AP塊金系數(shù)為0.633)。綜合不同研究來(lái)看, 郫都區(qū)農(nóng)田TN、AN和AP的塊金系數(shù)整體呈增加趨勢(shì), 說(shuō)明近幾年高強(qiáng)度的人類(lèi)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)正在改變這一地區(qū)TN、AN和AP的空間分布格局。

郫都區(qū)農(nóng)田AK的塊金系數(shù)為0.62, 低于秦魚(yú)生[7]等對(duì)成都平原水旱輪作速效鉀的研究結(jié)果(2004年AK塊金系數(shù)為0.836)?？紤]到成都平原是一個(gè)扇狀的平原, 水系發(fā)達(dá), 地下水埋深淺, 地表水與地下水相互交換密切, 土壤速效鉀在水循環(huán)過(guò)程中容易淋濾、交換、貧化, 因此, 結(jié)構(gòu)性因素對(duì)AK的影響不容忽視; 同時(shí), 由于近幾年郫都區(qū)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整, 農(nóng)田AK的輸入也因種植作物的不同而隨時(shí)發(fā)生變化。綜合來(lái)看, 現(xiàn)階段郫都區(qū)AK的空間變異應(yīng)是結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)因素共同作用的結(jié)果。

人類(lèi)長(zhǎng)期耕作及其耕作方式對(duì)農(nóng)田土壤會(huì)產(chǎn)生顯著影響。研究表明, 自然過(guò)程(地形、母質(zhì)、土壤類(lèi)型)是土壤特性空間變異的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力, 它有利于土壤屬性空間變異結(jié)構(gòu)性的加強(qiáng)和相關(guān)性的提高; 而人為過(guò)程如施肥、耕作措施、作物種植制度則是影響土壤特性變異的外在因素, 表現(xiàn)為較大的隨機(jī)性, 往往對(duì)變量空間變異的結(jié)構(gòu)性和相關(guān)性產(chǎn)生削弱作用, 使土壤特性的空間分布朝均一方向發(fā)展[19]。本研究區(qū)不同土壤類(lèi)型及不同種植模式農(nóng)田土壤養(yǎng)分差異總體較小, 土壤養(yǎng)分含量相對(duì)均一, 且不同土壤養(yǎng)分含量的空間分布與該地區(qū)不同種植模式的空間分布具有一定的相關(guān)性, 正說(shuō)明種植制度、肥料使用等人類(lèi)高強(qiáng)度活動(dòng)顯著影響著郫都區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量及其空間分布格局。

4 結(jié)論

1)郫都區(qū)農(nóng)田SOM、TN、AN、AP和AK含量均值分別為22.35 g·kg-1、1.15 g·kg-1、95.38 mg·kg-1、21.01 mg·kg-1和104.58 mg·kg-1, 依據(jù)第二次全國(guó)土壤普查養(yǎng)分等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn), 土壤養(yǎng)分含量總體不高; 盡管農(nóng)田肥料投入近幾年顯著增加, 但隨著郫都區(qū)作物產(chǎn)量與復(fù)種指數(shù)的不斷提高, 土壤養(yǎng)分輸出相對(duì)增加, 特別是蔬菜種植增加土壤鉀素消耗量, 區(qū)域鉀肥相對(duì)缺乏。方差分析表明, 郫都區(qū)不同土壤類(lèi)型及不同種植模式農(nóng)田土壤養(yǎng)分差異總體較小, 說(shuō)明受高強(qiáng)度人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)影響, 郫都區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量變得相對(duì)一致。

2)郫都區(qū)農(nóng)田土壤SOM和AK的塊金系數(shù)分別為0.39和0.62, 其空間變異由土壤母質(zhì)、地形、氣候條件等結(jié)構(gòu)性因素和耕作制度、施肥條件等隨機(jī)性因素共同作用引起; TN、AN和AP的塊金系數(shù)分別為0.87、0.94和0.97, 其空間變異主要受耕作制度、施肥條件等隨機(jī)性因素影響; 結(jié)合不同時(shí)期不同學(xué)者的研究來(lái)看, 郫都區(qū)農(nóng)田SOM塊金系數(shù)呈下降趨勢(shì)而TN、AN和AP塊金系數(shù)呈增加趨勢(shì), 說(shuō)明以蔬菜為主的旱作代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水旱輪作、復(fù)合肥代替農(nóng)家肥等生產(chǎn)方式的改變正在影響著郫都區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間分布格局。此外, 研究區(qū)不同土壤養(yǎng)分含量的空間分布與該地區(qū)不同種植模式的空間分布具有一定的相關(guān)性, 說(shuō)明農(nóng)田作物對(duì)養(yǎng)分的需求也在一定程度上影響著土壤養(yǎng)分的空間分布格局。

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Soil nutrient characteristics and spatial variability of farmland in high multiple cropping index area of Pidu District, Chengdu City.

WANG Bin1, HUANG Shengyi1, MIN Qingwen2, *, YUAN Zheng3, Zhang Bitian2, LI Heyao2

1. Institute of Subtropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Hangzhou 311400, China 2.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China 3.Beijing Science Research Center, Beijing 100000, China

Chengdu Plain is a typical paddy agricultural area with a high multiple cropping index, where crops could be harvested for two or three times per year. In order to explore the soil nutrient characteristics and spatial distribution pattern of farmland in high land use area, this study used the classical statistics and geostatistical methods to analyze the 2015 soil testing and fertilization data in Pidu District and try to reveal the descriptive statistical characteristics and spatial variability of farmland soil nutrients in this region. The results show that, the average contents of soil organic matter (SOM), total nitrogen (TN), available nitrogen (AN), available phosphorus (AP) and available potassium (AK) in Pidu District were 22.35 g·kg-1, 1.15 g·kg-1, 95.38 mg·kg-1, 21.01 mg·kg-1and 104.58 mg·kg-1, respectively. There were less differences in soil nutrients of different soil types and planting patterns, indicating that the soil nutrient content of farmland in Pidu District was relatively consistent due to the high-intensity human production activities. Semi-variogram analysis showed that the nugget coefficients of SOM and AK were0.39 and 0.62, respectively, indicating that their spatial variations were caused by the combination of structural factors such as soil parent material, topography and climatic conditions, and random factors such as farming system and fertilization conditions. Combined with the existing research, the nugget coefficient of SOM in the farmland of Pidu District showed a declining trend, while TN, AN and AP showed an increasing trend. It indicated that with the continuous increasing of crop yield and crop multiple cropping index, the changes of the vegetable-based dry farming model replaced the traditional paddy-upland rotation model and compound fertilizer instead of farmyard manure were happening, which had an impact on the spatial distribution pattern of farmland soil nutrients in Pidu District.

farmland soil; nutrient content; planting pattern; spatial distribution; Pidu District

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.03.021

S151.9

A

1008-8873(2020)03-151-09

2019-08-08;

2019-10-10

“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFC0505403); 成都市郫都區(qū)水旱輪作與川西林盤(pán)農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)保護(hù)研究

王斌(1978—), 男, 湖北荊州人, 博士, 副研究員, 主要從事農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)保護(hù)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)研究, E-mail: ylwangbin@sina.com.cn

閔慶文(1963—), 男, 博士, 研究員, 主要從事生態(tài)農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)補(bǔ)償、資源生態(tài)與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展等方面研究, E-mail: minqw@igsnrr.ac.cn

王斌, 黃盛怡, 閔慶文, 等. 高復(fù)種指數(shù)區(qū)成都市郫都區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分特征及其空間變異研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2020, 39(3): 151–159.

WANG Bin, HUANG Shengyi, MIN Qingwen, et al. Soil nutrient characteristics and spatial variability of farmland in high multiple cropping index area of Pidu District, Chengdu City.[J]. Ecological Science, 2020, 39(3): 151–159.