• ISSN 1008-505X
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东北典型县域稻田土壤肥力评价及其空间变异

王远鹏 黄晶 柳开楼 韩天富 都江雪 马星竹 郝小雨 周宝库 刘彩文 蒋先军 张会民

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东北典型县域稻田土壤肥力评价及其空间变异

    作者简介: 王远鹏 E-mail:229580029@qq.com;;†黄晶与第一作者同等贡献 E-mail:huangjing@caas.cn;
    通讯作者: 蒋先军, E-mail:jiangxj@swu.edu.cn ; 张会民, E-mail:zhanghuimin@caas.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划重点专项(2016YFD0300901);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(161032019035,161032019020)。

Evaluation and spatial variability of paddy soil fertility in typical county of northeast China

    Corresponding author: JIANG Xian-jun, E-mail:jiangxj@swu.edu.cn ;ZHANG Hui-min, E-mail:zhanghuimin@caas.cn
  • 摘要:   【目的】  明确东北典型县域稻田土壤肥力空间变异特征,为该区域稻田土壤合理培肥管理提供科学依据。  【方法】  以黑龙江省方正县为研究区域,2017年在该研究区域采取114个代表性点位的稻田土壤,选取容重、pH、全氮含量、有效磷含量、速效钾含量、有机质含量和阳离子交换量作为土壤综合肥力评价指标,采用相关系数法确定各个指标的权重,根据东北稻田土壤特征,选择隶属度函数曲线,并确定隶属度函数转折点,依据模糊数学法的加乘原理,利用各土壤肥力指标的权重值和隶属度值计算土壤综合肥力指数;采用GIS和地统计学相结合的方法,确定各项肥力指标和综合肥力指数的空间变异特征和分布格局;通过主成分分析探究土壤肥力差异的主控因子。  【结果】  描述性统计分析表明,方正县稻田土壤综合肥力指数在0.18~0.99,平均值为0.60。土壤容重和pH的变异系数分别为9.15%和5.69%,属于弱变异强度,其他肥力指标的变异系数在20.01%~36.18%,属于中等变异强度。地统计学研究表明,土壤容重、全氮含量、有机质含量和阳离子交换量的块金系数在39%~50%,它们具有中等强度的空间自相关性,土壤pH、有效磷含量、速效钾含量和综合肥力指数的块金系数均在25%以下,它们具有强烈的空间自相关性。方正县土壤综合肥力指数值在0.70以上的稻田占16%,在0.60~0.70的稻田占45%。各个肥力指标中,土壤有效磷含量和速效钾含量的分布特征与综合肥力指数相似,呈南高北低的分布格局;土壤pH和阳离子交换量由稻区中部向南北方向逐渐降低;土壤容重由西北向东南呈逐渐降低的趋势;土壤有机质和全氮含量均表现为由东南向西北逐渐降低的趋势,土壤有机质含量在30 g/kg以上的稻田占比为97%,土壤全氮含量在1.5 g/kg以上的稻田占比为84%;其中北部蚂蚁河沿岸土壤全氮、有效磷、速效钾和有机质含量相对较低。利用主成分分析得到各项肥力指标的综合得分值由大到小依次为:土壤有效磷含量、速效钾含量、有机质含量、阳离子交换量、全氮含量、pH和容重。  【结论】  方正县61%的稻田土壤肥力处于中等及以上水平,稻田土壤肥力整体呈现出南高北低的分布格局。土壤有效磷和速效钾含量是造成土壤肥力差异的主要因子。
  • 图 1  方正县稻区地貌类型和土壤类型分布区

    Figure 1.  Distribution of geomorphological types and soil types in paddy region of Fangzheng County

    图 2  方正县稻田样点分布图

    Figure 2.  Sample sites in paddy fields of Fangzheng County

    图 3  土壤肥力指标及综合肥力指数分布图

    Figure 3.  Distribution map of soil fertility factors and integrated fertility index

    图 4  主成分分布图

    Figure 4.  Distribution map of principal component

    图 5  土壤肥力指标综合得分值

    Figure 5.  General score of soil fertility factors

    表 1  土壤肥力指标之间的相关系数

    Table 1.  The correlation coefficient between soil fertility factors

    指标IndexBDpHTNAPAKOMCEC
    BD1
    pH 0.081
    TN–0.47–0.10 1
    AP–0.060.190.241
    AK–0.170.230.310.521
    OM–0.54–0.04 0.740.400.391
    CEC–0.3830.160.350.180.330.481
    注(Note):BD—容重 Bulk density; TN—全氮 Total N; AP—有效磷 Available P; AK—速效钾 Available K; OM—有机质 Organic matter; CEC—阳离子交换量 Cation exchange capacity.
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    表 2  土壤养分分级标准对照表

    Table 2.  Criteria for grading of soil nutrients

    等级 GradeTN (g/kg)AP (mg/kg)AK (mg/kg)OM (g/kg)CEC (cmol/kg)
    1 > 2.00 > 40 > 200 > 40 > 20.0
    21.50~2.0020~40150~20030~4015.4~20.0
    31.00~1.5010~20100~15020~3010.5~15.4
    40.75~1.00 5~10 50~10010~20 6.2~10.5
    50.50~0.753~530~50 6~10 < 6.2
    6 < 0.50 < 3 < 30 < 6
    注(Note):TN—全氮 Total N;AP—有效磷 Available P; AK—速效钾 Available K; OM—有机质 Organic matter; CEC—阳离子交换量 Cation exchange capacity.
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    表 3  隶属函数曲线转折点取值

    Table 3.  The turning point of membership function

    转折点
    Turning point
    BD
    (g/cm3)
    pHTN
    (g/kg)
    AP
    (mg/kg)
    AK
    (mg/kg)
    OM
    (g/kg)
    CEC
    (cmol/kg)
    x11 5.51 201302010
    x21.16.52.5402005020
    x31.27
    x41.47.5
    注(Note):BD—容重 Bulk density; TN—全氮 Total N; AP—有效磷 Available P; AK—速效钾 Available K; OM—有机质 Organic matter; CEC—阳离子交换量 Cation exchange capacity.
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    表 4  各项肥力指标及综合肥力指数的描述性统计

    Table 4.  The descriptive statistics of fertility factors and integrated fertility index

    项目
    Item
    样点数
    Samples
    极小值
    Min.
    极大值
    Max.
    均值
    Mean
    标准差
    SD
    变异系数 (%)
    CV
    偏度
    Skewness
    峰度
    Kurtosis
    K–S检验值
    K–S test value
    BD (g/cm3)1140.921.571.300.129.15–0.310.560.82
    pH1145.186.785.830.335.690.500.460.29
    TN (g/kg)1140.723.361.690.4426.070.731.110.67
    AP (mg/kg)11412.1078.1038.2313.8336.180.54–0.050.78
    AK (mg/kg)114101.00283.50171.7737.2321.670.710.440.15
    OM (g/kg)11415.7063.3036.469.5626.230.400.580.52
    CEC (cmol/kg)11414.4036.6423.224.6520.010.590.500.62
    IFI1140.180.990.600.1830.000.06–0.640.67
    注(Note):BD—容重 Bulk density; TN—全氮 Total N; AP—有效磷 Available P; AK—速效钾 Available K; OM—有机质 Organic matter; CEC—阳离子交换量 Cation exchange capacity; IFI—综合肥力指数 Integrated fertility index.
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    表 5  土壤肥力指标和综合肥力指数半方差函数模型及其相关参数

    Table 5.  Semi-variance model and related parameters of soil fertility factors and integrated fertility index

    项目
    Item
    理论模型
    Model
    块金值
    C0
    基台值
    C + C0
    块金系数 (%)
    C0/(C + C0)
    变程 (m)
    Range
    R2预测误差 Prediction error
    MSERMSSE
    BDG0.00820.021139334460.8260.00251.1868
    pHE0.01410.110213 63600.3470.00011.2196
    TNS0.10880.218650215500.622–0.0077 1.0547
    APS35.80 197.70 18 84500.658–0.0144 1.2290
    AKG262 1469 18 56400.552–0.0072 1.2347
    OMS54.20 132.30 41310730.856–0.0099 1.1046
    CECS13.99 28.58 49396600.8670.01021.1129
    IFIE0.00520.032416 35100.4220.00690.9687
    注(Note):BD—容重 Bulk density; TN—全氮 Total N; AP—有效磷 Available P; AK—速效钾 Available K; OM—有机质 Organic matter; CEC—阳离子交换量 Cation exchange capacity; IFI—综合肥力指数 Integrated fertility index. G—高斯模型 Gaussian model; E—指数模型 Exponential model; S—球状模型 Spherical model; MSE—均方误差 Mean square error; RMSSE—标准化均方根误差 Root mean square standardizd error.
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    表 6  土壤肥力主成分分析

    Table 6.  Principal component analysis of soil fertility

    肥力指标
    Fertility factor
    主成分 Principal component
    PC1PC2PC3PC4PC5
    BD–0.33–0.03–0.160.920.04
    pH–0.070.140.080.030.98
    TN0.910.120.12–0.18–0.06
    AP0.270.84–0.060.110.10
    AK0.070.840.26–0.160.09
    OM0.800.300.25–0.27–0.05
    CEC0.240.130.93–0.150.10
    Ei1.701.551.051.021.00
    CR (%)24.3422.1814.9614.5014.30
    CCR (%)24.3446.5261.4875.9890.28
    注(Note):BD—容重 Bulk density; TN—全氮 Total N; AP—有效磷 Available P; AK—速效钾 Available K; OM—有机质 Organic matter; CEC—阳离子交换量 Cation exchange capacity; Ei—特征值 Eigenvalue; CR—贡献率 Contribution rate; CCR—累计贡献率 Cumulative contribution rate.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-09
  • 网络出版日期:  2020-03-27
  • 刊出日期:  2020-02-01

东北典型县域稻田土壤肥力评价及其空间变异

    作者简介:王远鹏 E-mail:229580029@qq.com;
    作者简介:†黄晶与第一作者同等贡献 E-mail:huangjing@caas.cn
    通讯作者: 蒋先军, jiangxj@swu.edu.cn
    通讯作者: 张会民, zhanghuimin@caas.cn
  • 1. 西南大学资源环境学院,重庆 400715
  • 2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室,北京 100081
  • 3. 祁阳农田生态系统国家野外试验站,湖南祁阳 426182
  • 4. 江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心/农业农村部江西耕地保育科学观测实验站,江西南昌 330046
  • 5. 黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所/黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室,黑龙江哈尔滨 150086
  • 6. 黑龙江省方正县农业技术推广中心,黑龙江方正 150800
  • 基金项目: 国家重点研发计划重点专项(2016YFD0300901);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(161032019035,161032019020)。
  • 摘要:   【目的】  明确东北典型县域稻田土壤肥力空间变异特征,为该区域稻田土壤合理培肥管理提供科学依据。  【方法】  以黑龙江省方正县为研究区域,2017年在该研究区域采取114个代表性点位的稻田土壤,选取容重、pH、全氮含量、有效磷含量、速效钾含量、有机质含量和阳离子交换量作为土壤综合肥力评价指标,采用相关系数法确定各个指标的权重,根据东北稻田土壤特征,选择隶属度函数曲线,并确定隶属度函数转折点,依据模糊数学法的加乘原理,利用各土壤肥力指标的权重值和隶属度值计算土壤综合肥力指数;采用GIS和地统计学相结合的方法,确定各项肥力指标和综合肥力指数的空间变异特征和分布格局;通过主成分分析探究土壤肥力差异的主控因子。  【结果】  描述性统计分析表明,方正县稻田土壤综合肥力指数在0.18~0.99,平均值为0.60。土壤容重和pH的变异系数分别为9.15%和5.69%,属于弱变异强度,其他肥力指标的变异系数在20.01%~36.18%,属于中等变异强度。地统计学研究表明,土壤容重、全氮含量、有机质含量和阳离子交换量的块金系数在39%~50%,它们具有中等强度的空间自相关性,土壤pH、有效磷含量、速效钾含量和综合肥力指数的块金系数均在25%以下,它们具有强烈的空间自相关性。方正县土壤综合肥力指数值在0.70以上的稻田占16%,在0.60~0.70的稻田占45%。各个肥力指标中,土壤有效磷含量和速效钾含量的分布特征与综合肥力指数相似,呈南高北低的分布格局;土壤pH和阳离子交换量由稻区中部向南北方向逐渐降低;土壤容重由西北向东南呈逐渐降低的趋势;土壤有机质和全氮含量均表现为由东南向西北逐渐降低的趋势,土壤有机质含量在30 g/kg以上的稻田占比为97%,土壤全氮含量在1.5 g/kg以上的稻田占比为84%;其中北部蚂蚁河沿岸土壤全氮、有效磷、速效钾和有机质含量相对较低。利用主成分分析得到各项肥力指标的综合得分值由大到小依次为:土壤有效磷含量、速效钾含量、有机质含量、阳离子交换量、全氮含量、pH和容重。  【结论】  方正县61%的稻田土壤肥力处于中等及以上水平,稻田土壤肥力整体呈现出南高北低的分布格局。土壤有效磷和速效钾含量是造成土壤肥力差异的主要因子。

    English Abstract

    • 东北是我国单季稻主产区之一,水稻种植面积达到5.26 × 106 hm2,水稻年产量为3.93 × 107 t[1]。但是由于不合理的化肥施用导致东北地区土壤肥力下降,土壤有机质含量降低,土壤酸化严重[2-4]。要维持农业生产力的可持续发展,保持或改善土壤肥力质量显得至关重要。因此,正确评价稻田土壤肥力,掌握土壤肥力空间分布格局,探明土壤肥力驱动因素是科学管理稻田的重要前提。

      土壤肥力评价是稻田培肥管理的基础,目前土壤肥力评价体系趋于成熟,肥力指标和评价方法的选择趋于多样化和综合化[5-9]。土壤肥力综合评价的方法主要有基于权重的综合肥力指数法[10-13]、内梅罗指数法[14]、主成分分析–聚类分析结合法[15-16]等。土壤肥力由于受到自然因素和人为因素的作用具有复杂的空间变异性,而地统计学方法和克里格插值法在土壤属性空间变异的研究中广泛应用[11-12, 17-24],该方法基于半方差函数利用自相关性对土壤属性的空间结构进行量化分析。Sun等[17]利用地统计学方法探究江西余江红壤丘陵区土壤养分的时空变异特征,发现土地利用的变化能够改变土壤养分空间自相关性的范围。张庆利等[18]将地统计学方法与地理信息系统 (geographic information system,GIS) 技术相结合,研究金坛市土壤肥力的时空演变规律,结果表明地形地势是影响金坛市土壤养分空间分布的主要原因。吕真真等[23]利用克里格插值方法,探究环渤海沿海区域不同土层土壤养分空间分布格局。叶回春等[11]发现,北京延庆盆地土壤有机质和全氮含量主导土壤肥力空间格局,局部地区分布还受有效铜、有效锌等微量元素养分含量的影响。不同地区的农田生态系统中,环境条件、土壤属性和田间管理制度在一定程度上影响土壤养分的转化、吸收、固定和迁移过程,从而影响农田土壤养分的平衡,最终导致不同区域土壤中养分含量变化的不一致[25]。东北地区水稻种植制度为单季稻,黑龙江省方正县是东北地区单季稻良种工程示范区,研究该区域稻田肥力状况对于研究东北稻田肥力状况具有代表性意义。以方正县为研究区域,运用模糊数学法对稻田土壤进行综合肥力评价,结合GIS和地统计学方法,探究稻田土壤养分的空间变异性及土壤综合肥力指数的分布规律及其主控因子,为东北稻田土壤培肥与改良提供依据。

      • 方正县属黑龙江省哈尔滨市辖县,位于松花江中游南岸,长白山支脉张广才岭北段西麓 (N45°32′46″~46°09′00″、E128°13′41″~129°33′20″),地处寒温带大陆性季风气候区,年均气温2.6℃,年均降水量为579.70 mm。该县总面积3.00 × 105 hm2,为丘陵–低山区地形,中部为冲积平原,东西两侧为低山丘陵 (图1);耕地面积8.40 × 104 hm2,其中稻田面积6.70 × 104 hm2,主要分布在蚂蚁河两侧,包括天门乡和会发镇的东部、德善乡的西部以及松南乡、方正镇、宝兴乡。水稻种植制度为一年一熟,水稻年产量30万t,是黑龙江省水稻主产区之一。研究稻区土壤成土母质包括坡积物、冲积物、冲洪积物等,土壤类型有草甸土、白浆土、黑土、新积土等 (图1)。

        图  1  方正县稻区地貌类型和土壤类型分布区

        Figure 1.  Distribution of geomorphological types and soil types in paddy region of Fangzheng County

      • 以方正县第二次土壤普查的点位为基础,考虑稻田分布格局,兼顾高、中、低产量的合理布设,遵循空间上相对均匀的原则,在研究稻区共设114个具有代表性的采样点 (图2)。用GPS定位,在半径500 m范围内采集3~5点耕作层土样,充分混合后以四分法取混合土样,并记录稻田肥料投入情况。样品自然风干,剔除动植物残渣等杂质并过筛,用于土壤理化性质的测定。根据《土壤质量指标与评价》提出的主导性、生产性和稳定性的肥力指标选取原则[26],参照前人稻田肥力评价的指标[9, 14],充分考虑稻田土壤的功能及其特定的环境状况,选取土壤容重、pH、全氮含量、有效磷含量、速效钾含量、有机质含量和阳离子交换量为评价指标,测定方法参见《土壤农化分析》[27]

        图  2  方正县稻田样点分布图

        Figure 2.  Sample sites in paddy fields of Fangzheng County

      • 利用Excel 2010进行数据整理。离群值的存在影响土壤变量的空间分布,采用阈值法[23, 28]对离群值进行剔除。土壤肥力指标和土壤综合肥力指数描述统计分析、正态分布检验 (Kolmogorov–Smirnov,简称K–S)、Pearson相关性分析和主成分分析均在SPSS 19.0软件完成。半方差函数在GS + 9.0软件进行模拟,根据决定系数R2最大即最优的原则选择理论模型。克里格 (kriging) 空间插值图在ArcGIS 10.2的地统计分析模块 (geostatistical analyst) 中完成,对预测误差进行比较,比较标准为:标准平均值 (MSE) 最接近于0,标准均方根预测误差 (RMSSE) 最接近于1[29]。利用Origin 9.0作图。

      • 采用相关系数法[13-14]确定各个肥力指标的权重。首先计算各项肥力指标之间的相关系数 (表1),获得某一肥力指标与其他肥力指标相关系数的平均值 (不包括肥力指标自身的相关系数),将该平均值与所有肥力指标相关系数平均值总和的比值作为该肥力指标的权重,土壤容重、pH、全氮含量、有效磷含量、速效钾含量、有机质含量和阳离子交换量的权重值分别为:0.18、0.06、0.12、0.17、0.18、0.16和0.13。

        表 1  土壤肥力指标之间的相关系数

        Table 1.  The correlation coefficient between soil fertility factors

        指标IndexBDpHTNAPAKOMCEC
        BD1
        pH 0.081
        TN–0.47–0.10 1
        AP–0.060.190.241
        AK–0.170.230.310.521
        OM–0.54–0.04 0.740.400.391
        CEC–0.3830.160.350.180.330.481
        注(Note):BD—容重 Bulk density; TN—全氮 Total N; AP—有效磷 Available P; AK—速效钾 Available K; OM—有机质 Organic matter; CEC—阳离子交换量 Cation exchange capacity.

        肥力指标的隶属度值的确定:确立各项肥力指标的隶属度函数模型[10],计算隶属度值。土壤有机质含量、全氮含量、有效磷含量、速效钾含量和阳离子交换量的隶属度采用S型隶属函数公式 (1) 确定,土壤容重和pH采用抛物线型隶属函数公式 (2) 确定。

        $ \begin{split} f\left( x \right) = \left\{ {\begin{aligned} &{1.0}\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad{x \geqslant {x_2}}\\ &{0.9\left( {x - {x_1}} \right)/\left( {{x_2} - {x_1}} \right) + 0.1}\quad{{x_1} < x < {x_2}}\\ &{0.1}\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad{x \leqslant {x_1}} \end{aligned}} \right. \end{split} $

        $ \begin{split} f\left( x \right) = \left\{ {\begin{aligned} & {1.0 - 0.9\left( {x - {x_3}} \right)/\left( {{x_4} - {x_3}} \right)}\quad{{x_3} < x < {x_4}}\\ & {1.0}\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad{{x_2} < x < {x_3}}\\ & {0.9\left( {x - {x_1}} \right)/\left( {{x_2} - {x_1}} \right) + 0.1}\quad{{x_1} < x < {x_2}}\\ & {0.1}\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad{x \leqslant {x_1}{\text{或}}x \geqslant {x_4}} \end{aligned}} \right. \end{split} $

        参考全国第二次土壤普查的养分分级标准[30] (表2) 和《土壤质量指标与评价》[26] 中推荐的关于稻田土壤肥力指标隶属度函数的阈值范围,在掌握方正县稻田土壤养分状况的基础上,确定隶属度函数曲线转折点的值 (表3)。

        表 2  土壤养分分级标准对照表

        Table 2.  Criteria for grading of soil nutrients

        等级 GradeTN (g/kg)AP (mg/kg)AK (mg/kg)OM (g/kg)CEC (cmol/kg)
        1 > 2.00 > 40 > 200 > 40 > 20.0
        21.50~2.0020~40150~20030~4015.4~20.0
        31.00~1.5010~20100~15020~3010.5~15.4
        40.75~1.00 5~10 50~10010~20 6.2~10.5
        50.50~0.753~530~50 6~10 < 6.2
        6 < 0.50 < 3 < 30 < 6
        注(Note):TN—全氮 Total N;AP—有效磷 Available P; AK—速效钾 Available K; OM—有机质 Organic matter; CEC—阳离子交换量 Cation exchange capacity.

        表 3  隶属函数曲线转折点取值

        Table 3.  The turning point of membership function

        转折点
        Turning point
        BD
        (g/cm3)
        pHTN
        (g/kg)
        AP
        (mg/kg)
        AK
        (mg/kg)
        OM
        (g/kg)
        CEC
        (cmol/kg)
        x11 5.51 201302010
        x21.16.52.5402005020
        x31.27
        x41.47.5
        注(Note):BD—容重 Bulk density; TN—全氮 Total N; AP—有效磷 Available P; AK—速效钾 Available K; OM—有机质 Organic matter; CEC—阳离子交换量 Cation exchange capacity.

        土壤综合肥力评价指数的计算:以模糊数学中的加乘原则为原理,利用各土壤肥力指标的权重值和隶属度值计算土壤综合肥力指数 (integrated fertility index,IFI),具体计算公式如下:

        $ {\rm{IFI}} = \mathop \sum \limits_{i = 1}^n {F_i} \times {W_i} $

        式中,Fi为第i项评价指标的隶属度值,Wi为第i项评价指标的权重。IFI取值范围在0~1,该值越接近于1,土壤肥力越高。