節(jié)水灌溉條件下稻田土壤肥力分布規(guī)律研究

1、節(jié)水灌溉條件下稻田土壤肥力分布規(guī)律研究摘要：為研究節(jié)水灌溉條件下灌區(qū)稻田土壤肥力分布規(guī)律,以我國(guó)南方水稻節(jié)水灌區(qū)湖北省漳河灌區(qū)的稻田土壤為研究對(duì)象,分a層025cmb層2550cm兩個(gè)取樣深度鉆取土樣,并進(jìn)行肥力指標(biāo)的分析.結(jié)果說(shuō)明：各向同性條件下,a層的速效鉀、pH值相關(guān)性弱,其余的屬中等相關(guān),b層四個(gè)指標(biāo)均屬中等相關(guān)；各向異性條件下,各指標(biāo)的系統(tǒng)內(nèi)的總變異有明顯增強(qiáng),系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性屬中等強(qiáng)度.克立格法插值圖說(shuō)明,a層的堿解氮、速效磷含量明顯高于b層,且比b層分布均一,隨著深度的增加,含量有所降低；a層堿解氮、速效磷在系統(tǒng)內(nèi)的總變異性大于b層,但pH值沒(méi)有明顯的變化.本研究可以為探索節(jié)

2、水灌溉技術(shù)與優(yōu)化施肥技術(shù)相結(jié)合,促進(jìn)節(jié)水、減污、增產(chǎn)提供參考.關(guān)鍵詞：水稻灌區(qū)；土壤肥力；空間變異；半方差1、研究背景土壤是不均一和變化的連續(xù)體,即時(shí)空連續(xù)變異體.田間實(shí)際情況說(shuō)明,即使在土壤質(zhì)地、類型相同的區(qū)域內(nèi),同一時(shí)刻土壤特性值物理、化學(xué)、生物性質(zhì)等在不同空間位置上也具有明顯差異,這種屬性稱為土壤特性的空間變異性.作為土壤特性主要指標(biāo)的土壤肥力的空間變異也是普遍存在的,而且比擬復(fù)雜,成土母質(zhì)、地形、人類活動(dòng)等對(duì)土壤肥力的空間變異均有較大影響.對(duì)土壤特性,尤其是土壤肥力空間變異的充分了解是治理好土壤肥力和合理施肥的根底.本文以典型水稻節(jié)水灌區(qū)漳河灌區(qū)的稻田土壤為研究對(duì)象,分析其肥力的空間變

3、異性,確定土壤肥力特性,對(duì)促進(jìn)節(jié)水、減輕農(nóng)業(yè)面源污染,合理治理土壤養(yǎng)分,優(yōu)化施肥,提升水稻產(chǎn)量和質(zhì)量具有重要意義.2、材料和方法2.1試驗(yàn)區(qū)概況湖北省漳河灌區(qū)是一個(gè)大型灌區(qū),灌區(qū)實(shí)施較嚴(yán)格的節(jié)水灌溉治理制度.本試驗(yàn)區(qū)位于該灌區(qū)團(tuán)林鎮(zhèn)雙碑八組內(nèi)一塊面積為11.79萬(wàn)m2的水稻區(qū)東經(jīng)11210.611210.8,北緯3051.43051.7,區(qū)域內(nèi)地勢(shì)北高南低,東西高中間低,平均海拔高程為96ml經(jīng)統(tǒng)計(jì),區(qū)域內(nèi)共有132塊農(nóng)田,絕大局部田塊種植水稻,種植制度為水稻一油菜/小麥一年兩熟,灌溉制度采用淺、濕、曬節(jié)水灌溉技術(shù).2.2土樣采集與分析2021年5月上旬至中旬對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行土樣采集.對(duì)該區(qū)內(nèi)的每

4、一塊自然田塊進(jìn)行定點(diǎn)取樣,采用人工土鉆取樣,然后用GP淀位.采樣分兩個(gè)土層深度進(jìn)行：a上層025cm,b下層2550cm,共采集104個(gè)上層土樣和104個(gè)下層土樣,取樣點(diǎn)分布如圖2.土樣經(jīng)風(fēng)干、磨碎及過(guò)篩后,進(jìn)行理化性質(zhì)的測(cè)定.有機(jī)質(zhì)采用重銘酸鉀容量法測(cè)定、總氮采用半微量凱氏法測(cè)定、總磷采用H2s04-HC104消化一鋁鑲抗比色法測(cè)定、堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定、速效磷采用0.5mol/LNaHCQ浸提一鋁鑲抗比色法測(cè)定、速效鉀采用醋酸鏤浸提一火焰光度法測(cè)定、pH值采用電位法測(cè)定.2.3研究方法首先用SPSS計(jì)軟件又t試驗(yàn)區(qū)2021年采樣點(diǎn)進(jìn)行常規(guī)的統(tǒng)計(jì)分析,再通過(guò)GS+中的PunctualKr

5、iging方法進(jìn)行空間插值,利用Surfer8.0軟件生成的grid插值圖,結(jié)合2021年的試驗(yàn)區(qū)位置圖進(jìn)行空間分析模塊SpatialAnalyst的疊加,得到土壤肥力指標(biāo)的插值變化圖,進(jìn)而分析土壤在橫向和縱向上微小尺度下的肥力分布差異,得出試驗(yàn)區(qū)內(nèi)稻田的肥力分布規(guī)律.3、結(jié)果和分析3.1 試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤肥力指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)特征運(yùn)用SPSS17.0對(duì)研究區(qū)內(nèi)的a、b層土壤的有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷、堿解氮、速效磷、速效鉀、pH值進(jìn)行了描述性統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1、表2所示.由表1中7種肥力指標(biāo)的變異系數(shù)比照可知,各樣點(diǎn)速效磷變異最大,其變異系數(shù)為62%呈中等強(qiáng)度變異性；pH值變異最小,其變異系數(shù)只有4%變異強(qiáng)

6、度弱；其他幾個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)都在20溢右.說(shuō)明該區(qū)表層土壤中的速效磷在水平空間上的變化很大,而pH值根本維持在同一狀態(tài),土壤略偏酸性.其余幾個(gè)指標(biāo)在水平空間上同樣具有變異性,但變化程度不大.由表2可知,7個(gè)肥力指標(biāo)的變異系數(shù)同樣是速效磷最大,具有強(qiáng)變異性；pH值的CV值最小,變異強(qiáng)度弱；其余各指標(biāo)屬中等變異強(qiáng)度.這與本地區(qū)土壤類型和土壤質(zhì)地有關(guān).由表1與表2比照可知,土壤肥力縱向空間上也具有變異性.沿垂直方向向下,堿解氮的含量有明顯的減少,速效鉀最大值有明顯增大,最小值有所減小,其余各因子含量均有不同程度的減少,土壤的pH值變化不大,下層土壤呈中性.該區(qū)的7個(gè)土壤肥力因子中除pH值外,其余6個(gè)

7、都是下層的變異性大于上層,尤其是速效磷的變異系數(shù)變化較大,已超出了1.原因是下層土壤各指標(biāo)值較之于上層偏小,所以同樣的濃度變化對(duì)下層土壤引起的變異性更大.3.2 半方差分析法測(cè)定試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤肥力空間變異性半方差分析是為了明確土壤肥力各指標(biāo)的區(qū)域變量在距離與方向上不同的所有成對(duì)點(diǎn)之間的觀測(cè)值的空間相關(guān)性.對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤變異性的分析也分為在土壤各向同性條件下的變異函數(shù)分析和在土壤各向異性條件下變異函數(shù)分析.土地統(tǒng)計(jì)學(xué)中用來(lái)擬合實(shí)際變異曲線圖的理論模型有很多種,如球狀模型、指數(shù)模型、高斯模型、線性有基臺(tái)臺(tái)值模型和線性無(wú)基臺(tái)值模型等.而在擬合過(guò)程中,具體采用哪種模型,需要根據(jù)判斷選擇最優(yōu)擬合模型,即先

8、考慮決定系數(shù)R2的大小,其次考慮殘差RSS勺大小,最后再考慮變程和塊金值的大小來(lái)判斷不同的理論模型在擬合實(shí)際變異曲線圖時(shí)的優(yōu)劣程度.一般選取決定系數(shù)R2最大,殘差RSS最小的模型,此模型即為最正確模型.3.2.1 土壤肥力指標(biāo)的正態(tài)檢驗(yàn)利用半方差分析法計(jì)算變異函數(shù)一般要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布或近正態(tài)分布偏度值在-11之間,否那么可能存在比例效應(yīng),會(huì)使實(shí)驗(yàn)方差函數(shù)產(chǎn)生畸變.現(xiàn)采用SPSS17.瞰件的K-S檢驗(yàn),對(duì)t驗(yàn)區(qū)的a、b層土壤進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)a層的速效磷不服從正態(tài)分布,其余6個(gè)指標(biāo)服從正態(tài)分布；b層除pH值外,其余的6個(gè)指標(biāo)均不服從正態(tài)分布.因此在對(duì)這幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行變異函數(shù)計(jì)算時(shí)須進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換

9、,再分析其分布是否服從正態(tài)分布,分布檢驗(yàn)結(jié)果如表3、表4所示.由表3和表4可知,經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后,a層土壤的7個(gè)肥力指標(biāo)均服從正態(tài)分布.b層的有機(jī)質(zhì)、TNTP不服從正態(tài)分布,堿解氮、速效磷、速效鉀均服從正態(tài)分布.服從正態(tài)分布的指標(biāo)均能用半方差分析法得到其變異函數(shù).3.2.2 各向同性條件下的變異性分析半方差分析是通過(guò)分析半方差函數(shù)來(lái)進(jìn)行的,半方差函數(shù)是描述土壤性質(zhì)空間變異的一個(gè)函數(shù),反映不同距離的觀測(cè)值之間的變化,表示一定范圍內(nèi)的變量屬性的空間依賴性.通過(guò)半方差函數(shù),結(jié)合地統(tǒng)計(jì)軟件GS+forwindows可以得到在各向同性下a層、b層土壤肥力指標(biāo)的參數(shù)值,如表5、表6所不.通過(guò)各理論模型的決定系

10、數(shù)和殘差可以看出,用指數(shù)模型來(lái)模擬a層的TN速效磷以及用半球模型模擬pH值的空間變異分布效果較好,其它的4個(gè)指標(biāo)模擬效果不佳；b層半球模型模擬堿解氮、指數(shù)模型模擬pH值的空間變異分布效果較好,速效磷和速效鉀模擬模型較差.從表5、表6可以看出：塊金值是半方差函數(shù)在原點(diǎn)處的數(shù)值,表示在小于最小取樣尺度引起的土壤隨機(jī)變異和測(cè)量分析過(guò)程中引的誤差,較大的塊金值,說(shuō)明較小尺度上的某種過(guò)程不容無(wú)視,如a層的堿解氮、速效鉀、速效磷,b層的堿解氮；基臺(tái)值表示系統(tǒng)內(nèi)的總變異,所以基臺(tái)值越高表示系統(tǒng)總的空間變異性越大,a層的空間變異性是堿解氮速效轎速效鉀有機(jī)質(zhì)pH值TNTpb層的是速效鉀堿解氮速效磷pH值；變程是

11、指半方差到達(dá)基臺(tái)值時(shí)的樣本間距,代表了各變異點(diǎn)之間存在相關(guān)的最大間距,在這里變程的單位是度位置是以經(jīng)緯度定位的；塊金值與基臺(tái)值的比值可以說(shuō)明系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性的程度.當(dāng)比值小于25%寸,說(shuō)明系統(tǒng)變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；當(dāng)比值在25%J75%1間,說(shuō)明系統(tǒng)變量具有中等的空間相關(guān)性；大于75%寸說(shuō)明系統(tǒng)變量相關(guān)fi很弱.從而得到a層的速效鉀、pH值相關(guān)性弱,其余的屬中等相關(guān)；b層4個(gè)指標(biāo)均屬中等相關(guān).由于系統(tǒng)的空間變異包括結(jié)構(gòu)變異和隨機(jī)變異,結(jié)構(gòu)性因素至少包括氣候、母質(zhì)、地表、土壤類型等可以導(dǎo)致土壤肥力強(qiáng)的空間相關(guān)性；隨機(jī)性因素有施肥、耕作舉措、種植制度等各種人為活動(dòng)使土壤肥力的空間自相關(guān)性減

12、弱,朝均一化開(kāi)展.所以在湖北漳河水稻灌區(qū),試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤a、b層均具有中等或弱相關(guān)性即較強(qiáng)的變異性很大程度是人為造成的.3.2.3 各向異性條件下的變異性分析各向異性是指變異函數(shù)的變量在空間方位上有變化時(shí)要考慮在不同方向上的變化.分析方法與各向同性條件下的相同,不同的是要分析0、45、90、135、180四個(gè)方向上的變異函數(shù),得到四個(gè)方向不同的模型,其相關(guān)參數(shù)如表7、表8所示.綜合表5表8可知,在各向異性條件下,對(duì)于a層各指標(biāo)的塊金值都明顯大于在各向同性條件下的塊金值,說(shuō)明在各向異性條件下,較小尺度上的某種過(guò)程是不容無(wú)視的；同樣較之于各向同性,各指標(biāo)的基臺(tái)值也有大幅度的增大,說(shuō)明在此條件下各指標(biāo)

13、的系統(tǒng)內(nèi)的總變異有明顯增強(qiáng),各指標(biāo)的總變異性強(qiáng)弱關(guān)系與各向同性相同.塊金值與基臺(tái)值之比與各向同性相比,TNpH值有很小的增加,其余均有減小,但在各向同性和各向異性條件下的比值均處于同一區(qū)間,系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性屬中等程度.b層較之與各向同性條件下,速效磷、速效鉀的塊金值有較大增加,堿解氮減小,pH值沒(méi)有變；基臺(tái)值均增加了,各指標(biāo)總變異性在各向異性條件下都增加了,變異強(qiáng)度的順序與各向同性相同.但兩者的比值變化不大,系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性屬中等強(qiáng)度.3.3 克立格法插值圖分析克立格法Kriging是利用區(qū)域化變量原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)性,對(duì)沒(méi)有采樣點(diǎn)的區(qū)域化變量的取值進(jìn)行線性無(wú)偏量最正確估值的方

14、法.它是根據(jù)待估樣點(diǎn)有限鄰域內(nèi)假設(shè)干已測(cè)的樣點(diǎn)數(shù)據(jù),在認(rèn)真考慮樣點(diǎn)形狀、大小和空間相互位置關(guān)系、它們與待估樣點(diǎn)相互空間位置關(guān)系,以及變異函數(shù)提供的結(jié)構(gòu)信息之后,對(duì)該待估樣點(diǎn)進(jìn)行的一種線性無(wú)偏最優(yōu)估計(jì).Kriging插值圖,可以以更為直觀的方式展示相同指標(biāo)在不同深度上的差異與預(yù)測(cè)在非精確程度上的變化趨勢(shì).但如果變異函數(shù)和相關(guān)分析說(shuō)明土壤肥力變量不存在空間相關(guān)系時(shí),就不能用Kriging插值了,所以這里只給出了a、b層的堿解氮、速效磷、pH值的插值圖由圖3可知,a層的堿解氮、速效磷含量明顯高于b層,且比b層分布均一,隨著深度的增加,含量有所降低；a層堿解氮、速效磷在系統(tǒng)內(nèi)的總變異性大于b層,但pH值沒(méi)有明顯的變化.主要是由于上層a層土壤更易受外界因素的影響,包括：農(nóng)田施肥、灌溉、耕作等,尤其是對(duì)速效磷的影響更加明顯,而pH值變化不大是由于對(duì)于氣候半濕潤(rùn)的湖北地區(qū),在同一尺度上pH值根本不變,一般呈中性.4、結(jié)論4.1 根據(jù)上述分析,得出淺、濕、曬節(jié)水灌溉條件下試驗(yàn)區(qū)內(nèi)稻田土壤的肥力分布規(guī)律：a層的有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷、堿解氮、速效磷含量明顯高于b層,且比b層分布均一,隨著深度的增加,含量有所降低；a層堿解氮、速效磷在系統(tǒng)內(nèi)的總變異性大于b層,但pH值沒(méi)有明顯的變