董志強(qiáng)，馮小康，慈寶霞，文 帥，王 釗，劉 揚(yáng)，馬富裕

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】新疆石河子總場(chǎng)位于天山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地南部[1]。石河子總場(chǎng)農(nóng)作物種植面積約1.57×104hm2，全部采用高新節(jié)水滴灌，其中，種植棉花1×104hm2，籽棉總產(chǎn)5.4×104t[2，3]。石河子總場(chǎng)六分場(chǎng)數(shù)字農(nóng)業(yè)示范田設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為連年棉花種植。農(nóng)田土壤墑情的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)已經(jīng)成為農(nóng)田灌溉節(jié)水服務(wù)的重要組成部分[4，5]。2019年石河子總場(chǎng)六分場(chǎng)數(shù)字農(nóng)業(yè)示范田應(yīng)用了土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]，科學(xué)合理指導(dǎo)棉田灌溉。土壤相關(guān)空間變異性以及分布規(guī)律對(duì)提高棉田土壤肥料利用率、土壤分級(jí)管理以及維持土壤一定的肥力等有重要意義[8]。目前農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)力度逐年加大[9]。選取土壤全氮、速效磷、速效3種主要養(yǎng)分進(jìn)行研究，分析石河子總場(chǎng)六分場(chǎng)數(shù)字農(nóng)業(yè)項(xiàng)目示范田土壤養(yǎng)分的空間變異特征，對(duì)土壤養(yǎng)分高效吸收利用與精確施肥有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】劉洋等[10]在遼西地區(qū)利用土壤水分測(cè)定儀，對(duì)遼西太平莊監(jiān)測(cè)站10、20、40 cm土層墑情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測(cè)量土壤含水量方法對(duì)比、分析及誤差修正。3種不同深度土層利用土壤水分測(cè)定儀測(cè)定的絕對(duì)誤差在±4%范圍內(nèi)。代海燕等[11]對(duì)內(nèi)蒙古土壤墑情進(jìn)行了調(diào)查評(píng)估，結(jié)果表明，內(nèi)蒙古土壤水分濕度和田間持水量整體較高，主要集中在內(nèi)蒙古東部地區(qū)、河套區(qū)域，較低區(qū)域主要集中在錫林郭勒地區(qū)和西部地區(qū)。李娜等[12]以新疆伊犁地區(qū)為土壤研究區(qū)域，運(yùn)用GIS與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合，研究該地區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間分布特征及變異規(guī)律，伊犁哈薩克自治州土壤養(yǎng)分含量分布總體呈現(xiàn)伊犁州南部區(qū)域高、北部區(qū)域低、東部區(qū)域高西部區(qū)域低的格局?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】了解土壤的養(yǎng)分和含水量狀況，需要依靠對(duì)當(dāng)?shù)赝寥缐勄楹蜆悠返臏y(cè)試與分析。利用信息技術(shù)監(jiān)測(cè)土壤墑情和養(yǎng)分，分析石河子總場(chǎng)棉花種植過(guò)程中養(yǎng)分和含水量信息，指導(dǎo)科學(xué)灌溉施肥?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】采用GIS技術(shù)與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，研究石河子總場(chǎng)六分場(chǎng)數(shù)字農(nóng)業(yè)示范田耕層土壤3種養(yǎng)分(全氮、速效磷、速效鉀)、土壤含水量和溫度，分析棉田土壤肥力的空間相關(guān)分布特征差異性，為棉田施肥與土壤養(yǎng)分管理提供可科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

在石河子總場(chǎng)六分場(chǎng)數(shù)字農(nóng)業(yè)項(xiàng)目示范田33.33 hm2(500畝)，利用GPS確定樣點(diǎn)坐標(biāo)，采集土壤表層(0～20 cm)土樣。共計(jì)231個(gè)樣點(diǎn)，將采集的231個(gè)土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一檢測(cè)分析，測(cè)試3大養(yǎng)分指標(biāo):全氮、速效磷、速效鉀。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后，過(guò)網(wǎng)篩上面之后進(jìn)行混勻。不同土壤養(yǎng)分的分析測(cè)試方法分別為:全氮含量采用凱氏定氮法；速效磷含量使用0.5 mol/L碳酸氫鈉法—分光光度法測(cè)定；速效鉀含量測(cè)定采用火焰光度法[13，14]。

1.2 方 法

土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接通訊，該終端包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集軟件以及監(jiān)測(cè)軟件，實(shí)時(shí)采集軟件提供數(shù)據(jù)的接收、分析及存儲(chǔ)的功能；監(jiān)測(cè)軟件提供數(shù)據(jù)展示和統(tǒng)計(jì)分析等功能[15]。系統(tǒng)客戶端軟件部分包括數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)相關(guān)功能設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)、前臺(tái)界面設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)等[16]。

按地塊選擇6處具有代表性監(jiān)測(cè)區(qū)域，在該區(qū)域布設(shè)水分傳感器、太陽(yáng)能采集板、墑情信息采集傳輸設(shè)備等，采集(0～60 cm，每隔10 cm采集1次數(shù)據(jù))土壤含水量和溫度，每隔1 h采集1次數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)更新至計(jì)算機(jī)客戶端軟件中。2019年4月18日開(kāi)始到2019年8月31日截止，采集約4個(gè)月的土壤墑情信息。圖1

將土壤樣本測(cè)定結(jié)果變異程度分為3個(gè)等級(jí)：CV<10%為樣本具有弱變異性，10%≤CV≤100%為樣本具有中等程度變異性，CV>100%為樣本具有很強(qiáng)變異性。

參數(shù)塊金系數(shù)表示土壤養(yǎng)分空間變異程度，即由隨機(jī)因素引起的土壤空間變異占系統(tǒng)總變異程度的比例。C0/(C0+C)表示系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性程度，若該比例小于25%，變量具有很強(qiáng)的空間自相關(guān)性；在25%～75%，變量具有中等的空間自相關(guān)性；大于75%時(shí)，變量空間自相關(guān)性較弱。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Origin 2018軟件對(duì)土壤含水量和溫度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，使用ArcGIS10.3對(duì)土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)特征分析和對(duì)其是否服從正態(tài)分布進(jìn)行檢驗(yàn)。使用軟件GS+9.0地統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行半方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 石河子總場(chǎng)六分場(chǎng)數(shù)字農(nóng)業(yè)示范田土壤養(yǎng)分變化

2.1.1 土壤養(yǎng)分含量

研究表明，全氮的含量為0.1～1.11 g/kg，平均值為0.79 g/kg；速效磷的含量為21.27～179.58 mg/kg，最大值與最小值相差比較懸殊，平均值為62.17 mg/kg；速效鉀的含量為171.5～672.46 mg/kg，平均值為322.55 mg/kg。3種養(yǎng)分的所得土壤養(yǎng)分變異系數(shù)在20%～56%，都呈現(xiàn)出樣本中等變異特性，其中速效磷的變異系數(shù)最高。速效磷、速效鉀樣本數(shù)據(jù)顯示出一定偏態(tài)效應(yīng)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后樣本呈現(xiàn)正態(tài)分布特征。表1

表1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Descriptive statistical characteristics of soil nutrient

2.1.2 土壤養(yǎng)分含量的空間變異特征

研究表明，土壤養(yǎng)養(yǎng)分全氮和速效磷表現(xiàn)為強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，各指標(biāo)基塊比C0/(C0+C)分別為18.6%、8.1%。其主要受到土壤類型、母質(zhì)、地形等結(jié)構(gòu)性因素的影響；速效鉀的塊金系數(shù)C0/(C0+C)為49.7%，中等空間相關(guān)性，其受到結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性因素的共同影響。各觀測(cè)調(diào)查點(diǎn)的空間相關(guān)距離在692～1 889 m，大于實(shí)際采樣間437 m，各土壤取樣點(diǎn)全部在空間變異的范圍內(nèi)。表2，圖2

表2 土壤養(yǎng)分的半方差模型類型及其參數(shù)值Table 2 Type of soil nutrient half variance model and its parameter value

2.2 石河子總場(chǎng)六分場(chǎng)數(shù)字農(nóng)業(yè)示范田土壤墑情

2.2.1 土壤含水量

研究表明，土壤含水量從苗前期至蕾期呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。在苗前期一號(hào)、二號(hào)和三號(hào)墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)在4月25日左右有一個(gè)最低峰。各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在苗前期和苗期10和20 cm土層含水量變化較為活躍且含量較高，進(jìn)入蕾期以后30～60 cm土層土壤含水量開(kāi)始慢慢升高。五號(hào)墑情監(jiān)測(cè)點(diǎn)在各個(gè)月都表現(xiàn)出較高含水量，尤其是在蕾期和花鈴期，顯著高于其它月，這片區(qū)域土壤含水量豐富和保水量較強(qiáng)。棉花進(jìn)入花鈴期以后，隨著灌水次數(shù)和灌水量加大，土壤含水量在0～60 cm土層內(nèi)波動(dòng)較大，且變化極為活躍。在棉花苗前期、苗期和蕾期生育階段，隨著大氣溫度的攀升，地膜覆蓋在土層表面使膜內(nèi)土壤水分蒸發(fā)減弱，并加速土壤深層水向上移動(dòng)，至使0～20 cm土壤含水量保持在一定的范圍內(nèi)，土壤墑情變化趨勢(shì)較緩；隨著棉花生育期推進(jìn)，在進(jìn)入花鈴期以后，由于滴灌頻率逐漸加大，且每次灌水量也在不斷加大，0～20 cm土層土壤補(bǔ)償水分充足，由于棉花根系大多集中在40 cm內(nèi)，0～20 cm土層水分大部分通過(guò)棉花根系對(duì)土壤中的水分不斷吸收進(jìn)而轉(zhuǎn)移被利用。圖3～8

2.2.2 土壤溫度

研究表明，5、6月土壤溫度在0～60 cm呈現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)，中間波動(dòng)較小，氣溫和土壤溫度相對(duì)低于其他月且隨時(shí)間呈上升趨勢(shì)，由于大氣溫度影響土壤各層溫度波動(dòng)較大。到7、8月，受棉花植株遮陰等影響，深層土壤溫度受大氣溫度影響逐漸減弱，40 cm土壤溫度達(dá)到最大，各層土壤溫度逐漸趨于平穩(wěn)，波動(dòng)不大。初花期和結(jié)鈴前期，10～30 cm處土壤溫度隨著大氣溫度繼續(xù)上升，且波動(dòng)較大。7、8月五號(hào)墑情點(diǎn)0～60 cm土層深度顯著高于其它墑情點(diǎn)。土壤各層溫度隨著大氣溫度的升高而逐漸升高，隨著大氣溫度的降低而逐漸降低，其影響廣度隨著土壤深度的不斷增加而呈減弱趨勢(shì)，滯后的時(shí)間伴隨著土壤剖面深度增加而延長(zhǎng)。圖9

3 討 論

木合塔爾·艾買提等[17]以湖北省廣水市山地丘陵土壤為研究對(duì)象，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查采樣和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)獲得200個(gè)土壤樣點(diǎn)養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，分析土壤養(yǎng)分元素的空間分布規(guī)律，除全氮養(yǎng)分含量相對(duì)偏低，其余土壤養(yǎng)分的含量較高。根據(jù)石河子總場(chǎng)數(shù)字農(nóng)業(yè)項(xiàng)目示范點(diǎn)土壤墑情監(jiān)測(cè)分析，土壤含水量從苗前期至蕾期呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，在花鈴期由于灌水次數(shù)密集，各個(gè)土層達(dá)到高峰。隨著生育期推進(jìn)和滴灌次數(shù)增加，土壤含水量在一定的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，土壤含水量在土層0～60 cm內(nèi)變化較為活躍，其中土壤含水量在0～20 cm土層比20～60 cm土層變化趨勢(shì)顯著。在石河子地區(qū)滴灌棉花灌溉定額大約為260 m3/667 m2，應(yīng)用土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及時(shí)了解土壤水分含量情況，進(jìn)行科學(xué)合理灌溉。通過(guò)對(duì)0～60 cm土層的土壤溫度進(jìn)行分析，土壤溫度受大氣溫度影響隨著土壤深度的逐漸增加而呈現(xiàn)減弱態(tài)勢(shì)，滯后時(shí)間隨著土層深度的不斷增加而逐漸延長(zhǎng)；受棉花植株遮陰等影響，7月以后各土層溫度逐漸持平，波動(dòng)不大。

4 結(jié) 論

4.1該研究區(qū)域土壤全氮服從正態(tài)分布，速效磷、速效鉀不服從正態(tài)分布。土壤全氮、速效磷和速效鉀變異均屬于中等水平變異，養(yǎng)分差異相對(duì)較大，需根據(jù)土壤養(yǎng)分豐缺狀況合理施氮磷鉀等肥料。全氮、速效磷表現(xiàn)為極強(qiáng)的空間相關(guān)性，其塊基系數(shù)分別為0.186、0.081，其空間變異性主要受結(jié)構(gòu)因素的影響;速效鉀的塊基系數(shù)為0.497，表現(xiàn)為中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性，其主要受結(jié)構(gòu)和隨機(jī)因素的共同作用影響。

4.2在不減產(chǎn)減質(zhì)情況下，在棉花整個(gè)生育期內(nèi)滴灌次數(shù)下降了1～3次，灌水總量大約節(jié)水20%左右。