节水灌溉条件下稻田土壤肥力分布规律研究

1、节水灌溉条件下稻田土壤肥力分布规律研究摘要：为研究节水灌溉条件下灌区稻田土壤肥力分布规律,以我国南方水稻节水灌区湖北省漳河灌区的稻田土壤为研究对象,分a层025cmb层2550cm两个取样深度钻取土样,并进行肥力指标的分析.结果说明：各向同性条件下,a层的速效钾、pH值相关性弱,其余的属中等相关,b层四个指标均属中等相关；各向异性条件下,各指标的系统内的总变异有明显增强,系统变量的空间相关性属中等强度.克立格法插值图说明,a层的碱解氮、速效磷含量明显高于b层,且比b层分布均一,随着深度的增加,含量有所降低；a层碱解氮、速效磷在系统内的总变异性大于b层,但pH值没有明显的变化.本研究可以为探索节

2、水灌溉技术与优化施肥技术相结合,促进节水、减污、增产提供参考.关键词：水稻灌区；土壤肥力；空间变异；半方差1、研究背景土壤是不均一和变化的连续体,即时空连续变异体.田间实际情况说明,即使在土壤质地、类型相同的区域内,同一时刻土壤特性值物理、化学、生物性质等在不同空间位置上也具有明显差异,这种属性称为土壤特性的空间变异性.作为土壤特性主要指标的土壤肥力的空间变异也是普遍存在的,而且比拟复杂,成土母质、地形、人类活动等对土壤肥力的空间变异均有较大影响.对土壤特性,尤其是土壤肥力空间变异的充分了解是治理好土壤肥力和合理施肥的根底.本文以典型水稻节水灌区漳河灌区的稻田土壤为研究对象,分析其肥力的空间变

3、异性,确定土壤肥力特性,对促进节水、减轻农业面源污染,合理治理土壤养分,优化施肥,提升水稻产量和质量具有重要意义.2、材料和方法2.1试验区概况湖北省漳河灌区是一个大型灌区,灌区实施较严格的节水灌溉治理制度.本试验区位于该灌区团林镇双碑八组内一块面积为11.79万m2的水稻区东经11210.611210.8,北纬3051.43051.7,区域内地势北高南低,东西高中间低,平均海拔高程为96ml经统计,区域内共有132块农田,绝大局部田块种植水稻,种植制度为水稻一油菜/小麦一年两熟,灌溉制度采用浅、湿、晒节水灌溉技术.2.2土样采集与分析2021年5月上旬至中旬对试验区进行土样采集.对该区内的每

4、一块自然田块进行定点取样,采用人工土钻取样,然后用GP淀位.采样分两个土层深度进行：a上层025cm,b下层2550cm,共采集104个上层土样和104个下层土样,取样点分布如图2.土样经风干、磨碎及过筛后,进行理化性质的测定.有机质采用重铭酸钾容量法测定、总氮采用半微量凯氏法测定、总磷采用H2s04-HC104消化一铝镶抗比色法测定、碱解氮采用碱解扩散法测定、速效磷采用0.5mol/LNaHCQ浸提一铝镶抗比色法测定、速效钾采用醋酸镂浸提一火焰光度法测定、pH值采用电位法测定.2.3研究方法首先用SPSS计软件又t试验区2021年采样点进行常规的统计分析,再通过GS+中的PunctualKr

5、iging方法进行空间插值,利用Surfer8.0软件生成的grid插值图,结合2021年的试验区位置图进行空间分析模块SpatialAnalyst的叠加,得到土壤肥力指标的插值变化图,进而分析土壤在横向和纵向上微小尺度下的肥力分布差异,得出试验区内稻田的肥力分布规律.3、结果和分析3.1 试验区内土壤肥力指标的统计特征运用SPSS17.0对研究区内的a、b层土壤的有机质、总氮、总磷、碱解氮、速效磷、速效钾、pH值进行了描述性统计,统计结果如表1、表2所示.由表1中7种肥力指标的变异系数比照可知,各样点速效磷变异最大,其变异系数为62%呈中等强度变异性；pH值变异最小,其变异系数只有4%变异强

6、度弱；其他几个指标的变异系数都在20溢右.说明该区表层土壤中的速效磷在水平空间上的变化很大,而pH值根本维持在同一状态,土壤略偏酸性.其余几个指标在水平空间上同样具有变异性,但变化程度不大.由表2可知,7个肥力指标的变异系数同样是速效磷最大,具有强变异性；pH值的CV值最小,变异强度弱；其余各指标属中等变异强度.这与本地区土壤类型和土壤质地有关.由表1与表2比照可知,土壤肥力纵向空间上也具有变异性.沿垂直方向向下,碱解氮的含量有明显的减少,速效钾最大值有明显增大,最小值有所减小,其余各因子含量均有不同程度的减少,土壤的pH值变化不大,下层土壤呈中性.该区的7个土壤肥力因子中除pH值外,其余6个

7、都是下层的变异性大于上层,尤其是速效磷的变异系数变化较大,已超出了1.原因是下层土壤各指标值较之于上层偏小,所以同样的浓度变化对下层土壤引起的变异性更大.3.2 半方差分析法测定试验区内土壤肥力空间变异性半方差分析是为了明确土壤肥力各指标的区域变量在距离与方向上不同的所有成对点之间的观测值的空间相关性.对试验区内土壤变异性的分析也分为在土壤各向同性条件下的变异函数分析和在土壤各向异性条件下变异函数分析.土地统计学中用来拟合实际变异曲线图的理论模型有很多种,如球状模型、指数模型、高斯模型、线性有基台台值模型和线性无基台值模型等.而在拟合过程中,具体采用哪种模型,需要根据判断选择最优拟合模型,即先

8、考虑决定系数R2的大小,其次考虑残差RSS勺大小,最后再考虑变程和块金值的大小来判断不同的理论模型在拟合实际变异曲线图时的优劣程度.一般选取决定系数R2最大,残差RSS最小的模型,此模型即为最正确模型.3.2.1 土壤肥力指标的正态检验利用半方差分析法计算变异函数一般要求数据符合正态分布或近正态分布偏度值在-11之间,否那么可能存在比例效应,会使实验方差函数产生畸变.现采用SPSS17.瞰件的K-S检验,对t验区的a、b层土壤进行统计分析,发现a层的速效磷不服从正态分布,其余6个指标服从正态分布；b层除pH值外,其余的6个指标均不服从正态分布.因此在对这几个指标进行变异函数计算时须进行对数转换

9、,再分析其分布是否服从正态分布,分布检验结果如表3、表4所示.由表3和表4可知,经对数转换后,a层土壤的7个肥力指标均服从正态分布.b层的有机质、TNTP不服从正态分布,碱解氮、速效磷、速效钾均服从正态分布.服从正态分布的指标均能用半方差分析法得到其变异函数.3.2.2 各向同性条件下的变异性分析半方差分析是通过分析半方差函数来进行的,半方差函数是描述土壤性质空间变异的一个函数,反映不同距离的观测值之间的变化,表示一定范围内的变量属性的空间依赖性.通过半方差函数,结合地统计软件GS+forwindows可以得到在各向同性下a层、b层土壤肥力指标的参数值,如表5、表6所不.通过各理论模型的决定系

10、数和残差可以看出,用指数模型来模拟a层的TN速效磷以及用半球模型模拟pH值的空间变异分布效果较好,其它的4个指标模拟效果不佳；b层半球模型模拟碱解氮、指数模型模拟pH值的空间变异分布效果较好,速效磷和速效钾模拟模型较差.从表5、表6可以看出：块金值是半方差函数在原点处的数值,表示在小于最小取样尺度引起的土壤随机变异和测量分析过程中引的误差,较大的块金值,说明较小尺度上的某种过程不容无视,如a层的碱解氮、速效钾、速效磷,b层的碱解氮；基台值表示系统内的总变异,所以基台值越高表示系统总的空间变异性越大,a层的空间变异性是碱解氮速效轿速效钾有机质pH值TNTpb层的是速效钾碱解氮速效磷pH值；变程是

11、指半方差到达基台值时的样本间距,代表了各变异点之间存在相关的最大间距,在这里变程的单位是度位置是以经纬度定位的；块金值与基台值的比值可以说明系统变量的空间相关性的程度.当比值小于25%寸,说明系统变量具有强烈的空间相关性；当比值在25%J75%1间,说明系统变量具有中等的空间相关性；大于75%寸说明系统变量相关fi很弱.从而得到a层的速效钾、pH值相关性弱,其余的属中等相关；b层4个指标均属中等相关.由于系统的空间变异包括结构变异和随机变异,结构性因素至少包括气候、母质、地表、土壤类型等可以导致土壤肥力强的空间相关性；随机性因素有施肥、耕作举措、种植制度等各种人为活动使土壤肥力的空间自相关性减

12、弱,朝均一化开展.所以在湖北漳河水稻灌区,试验区内土壤a、b层均具有中等或弱相关性即较强的变异性很大程度是人为造成的.3.2.3 各向异性条件下的变异性分析各向异性是指变异函数的变量在空间方位上有变化时要考虑在不同方向上的变化.分析方法与各向同性条件下的相同,不同的是要分析0、45、90、135、180四个方向上的变异函数,得到四个方向不同的模型,其相关参数如表7、表8所示.综合表5表8可知,在各向异性条件下,对于a层各指标的块金值都明显大于在各向同性条件下的块金值,说明在各向异性条件下,较小尺度上的某种过程是不容无视的；同样较之于各向同性,各指标的基台值也有大幅度的增大,说明在此条件下各指标

13、的系统内的总变异有明显增强,各指标的总变异性强弱关系与各向同性相同.块金值与基台值之比与各向同性相比,TNpH值有很小的增加,其余均有减小,但在各向同性和各向异性条件下的比值均处于同一区间,系统变量的空间相关性属中等程度.b层较之与各向同性条件下,速效磷、速效钾的块金值有较大增加,碱解氮减小,pH值没有变；基台值均增加了,各指标总变异性在各向异性条件下都增加了,变异强度的顺序与各向同性相同.但两者的比值变化不大,系统变量的空间相关性属中等强度.3.3 克立格法插值图分析克立格法Kriging是利用区域化变量原始数据和半方差函数的结构性,对没有采样点的区域化变量的取值进行线性无偏量最正确估值的方

14、法.它是根据待估样点有限邻域内假设干已测的样点数据,在认真考虑样点形状、大小和空间相互位置关系、它们与待估样点相互空间位置关系,以及变异函数提供的结构信息之后,对该待估样点进行的一种线性无偏最优估计.Kriging插值图,可以以更为直观的方式展示相同指标在不同深度上的差异与预测在非精确程度上的变化趋势.但如果变异函数和相关分析说明土壤肥力变量不存在空间相关系时,就不能用Kriging插值了,所以这里只给出了a、b层的碱解氮、速效磷、pH值的插值图由图3可知,a层的碱解氮、速效磷含量明显高于b层,且比b层分布均一,随着深度的增加,含量有所降低；a层碱解氮、速效磷在系统内的总变异性大于b层,但pH值没有明显的变化.主要是由于上层a层土壤更易受外界因素的影响,包括：农田施肥、灌溉、耕作等,尤其是对速效磷的影响更加明显,而pH值变化不大是由于对于气候半湿润的湖北地区,在同一尺度上pH值根本不变,一般呈中性.4、结论4.1 根据上述分析,得出浅、湿、晒节水灌溉条件下试验区内稻田土壤的肥力分布规律：a层的有机质、总氮、总磷、碱解氮、速效磷含量明显高于b层,且比b层分布均一,随着深度的增加,含量有所降低；a层碱解氮、速效磷在系统内的总变异性大于b层,但pH值没有明显的变