中国是柑橘的原产地之一,尤其是南方,优良品种繁多,盛产柑橘,有4000多年的栽培历史。土壤是柑橘生长的基础,土壤肥力反映了土壤肥沃性,衡量着土壤供给柑橘生长所需的各种养分的能力[1-2]。对土壤肥力进行合理分析和客观评价,揭示土壤养分分布及肥力状况,才能科学合理施肥,提高柑橘产量及品质[3-4]。为此,不少学者已对柑橘土壤肥力状况进行了调查研究。例如,王彤等[5]研究显示,重庆柑橘园应重视调节土壤pH值,补充有机质含量;周利利等[6]研究得出,秭归县94%的柑橘种植区综合肥力处于中等及以下水平;韩健等[7]认为湖南省宽皮柑橘主产区需补充氮肥和硼肥,并改良酸性土壤。近年来,广安区依托柑橘产业形成了乡村旅游产业带,柑橘产业已成为当地的支柱产业。2018年广安区柑橘种植面积达到14000亩以上,且多集中成片分布,但目前对其土壤养分的研究较少,故配套的施肥体系较少,随意施肥现象普遍,导致柑橘常出现养分供应不均衡、产质下降等诸多问题[8]。为全面了解广安区柑橘土壤基础养分状况,于2018年在白马乡、崇望乡和龙安乡等13个乡镇进行调查采样,选取pH、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾6个肥力指标,分析土壤养分含量及分布状况,并采用模糊数学隶属函数模型来计算土壤肥力综合指数(IFI),进行肥力综合评价,以期为广安区柑橘土壤的养分管理提供理论依据。
于2018年10月,在四川省广安市广安区的白马乡等13个乡镇,选择典型柑橘种植基地采集土样。采样点经GPS定位,在柑橘树冠滴水线附近采集,每株对角采两点(避开施肥穴、滴灌头湿润区),并采用“S”型法采集0 ~ 20 cm的5个样点土壤,将5个样点土壤混合成一个土样,然后按四分法保留1 kg左右,共采样品109个(图1),具体为白马乡(20个)、崇望乡(12个)、大安镇(7个)、大龙乡(4个)、东岳乡(5个)、恒升镇(4个)、花桥镇(3个)、井河镇(4个)、龙安乡(16个)、龙台镇(5个)、彭家乡(6个)、石笋镇(4个)和兴平镇(19个)。土样经风干研磨后过筛,装瓶待测。
图 1 土壤样点分布图
Figure 1. Distribution map of soil sample points
1.2 测定方法及评价标准参考NY / T 1119—2019《耕地质量监测技术规程》及相关文献[9],本研究选取6项土壤肥力指标(pH值、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾)为评价指标,并按照国家和行业标准进行检测:pH - 玻璃电极法,水土比为2.5∶1;有机质-重铬酸钾容量法;全氮-半微量凯氏定氮法;碱解氮-碱解扩散法;有效磷-钼锑抗比色法;速效钾-火焰光度法。
1.3 评价方法 1.3.1 单因子肥力评价标准依据第二次全国土壤普查及相关文献[9],确定广安区柑橘土壤肥力养分分级标准(表1)。
表 1 土壤养分分级标准
Table 1. Classification standards of soil nutrient status
pH 等级(1)评价方法和及评价指标权重的确定:参考前人的研究[4, 9-10],建立评价体系,并采用相关系数法确定各个肥力指标的权重W,公式如下:
式中,ri均为评价指标i与其他各指标间相关系数的均值。
(2)隶属度计算:参照赵隽宇等[10]的研究方法,本研究采用模糊综合评判法确定各指标的隶属度函数,土壤pH值采用梯形函数,其余指标均采用戒上形函数。参照吴小芳等[9]的研究,结合研究区土壤状况,确定土壤各肥力指标在隶属度函数曲线中转折点的取值(表2)。并依据隶属度函数公式,计算出各指标隶属度值N。
表 2 隶属函数曲线转折点取值
Table 2. The turning point of membership function
转折点梯形函数:
Ni=f(x)={0.1x≤x1或x≥x40.9(x−x1)x2−x1+0.1x1<x<x21.0x2≤x≤x31.0−0.9(x−x3)x4−x3x3<x<x4" role="presentation">Ni=f(x)={0.1x≤x1或x≥x40.9(x−x1)x2−x1+0.1x1<x<x21.0x2≤x≤x31.0−0.9(x−x3)x4−x3x3<x<x4
戒上形函数:
Ni=f(x)={1.0x≥x20.9(x−x1)x2−x1+0.1x1<x<x20.1x≤x1" role="presentation">Ni=f(x)={1.0x≥x20.9(x−x1)x2−x1+0.1x1<x<x20.1x≤x1
(3)计算土壤肥力综合质量指数:
式中,Wi和Ni分别表示第i个指标的权重和隶属度值。
IFI取值在0到1之间,值越高,土壤质量越好。结合广安区的实际情况,本研究采用等间距法来划分柑橘土壤肥力等级[9]:1级(IFI > 0.80),土壤肥力高、质量好;2级(IFI 0.6 ~ 0.8),土壤肥力较高、质量良好;3级(IFI 0.4 ~ 0.6),土壤肥力一般、质量中等;4级(IFI 0.2 ~ 0.4),土壤肥力较低、质量较差;5级(IFI < 0.2),土壤肥力低、质量很差。乡镇和全区土壤综合肥力评价均在各点位计算IFI后进行。
1.4 数据处理与统计分析用Excel 2016和SPSS 19.0对样品数据进行统计分析。
土壤pH值变化范围为4.70 ~ 8.60,中值为6.97,属中性土壤(表3)。从中值来看,花桥镇土壤pH值最高,为 8.18,而东岳乡的土壤pH值最低,为4.98。从样点频率分布来看(图2),全区无强酸性土壤,在酸性、弱酸性、中性、弱碱性和碱性分布的土壤分别占17.43%、23.85%、22.94%、34.86%和0.92%。总体看,广安区柑橘土壤为中偏酸性,但也有三成土壤偏碱性。
表 3 土壤肥力指标的描述性统计
Table 3. The descriptive statistics of soil fertility factors
乡(镇)
图 2 土壤pH分布频率
Figure 2. Distribution frequency of soil pH
土壤有机质含量范围为0.32 ~ 40.90 g kg−1,均值9.34 g kg−1,属于很缺乏水平,变异系数为66.15%,中等程度变异(表3)。从均值来看,龙台镇土壤有机质含量最高,为20.98 g kg−1,而白马乡的土壤有机质含量最低,仅为5.30 g kg−1。全区有机质含量集中分布于缺乏及以下水平,缺乏、很缺和极缺乏的土壤分别占34.86%、26.61%和33.03%(图3)。总体看,广安区柑橘土壤有机质含量低,且各乡镇差异较大。
图 3 土壤养分分布频率
Figure 3. Distribution frequency of soil nutrients
2.1.2 土壤氮磷钾养分土壤全氮含量范围为0.34 ~ 1.83 g kg−1,均值0.97 g kg−1,属于缺乏水平(表3)。从均值来看,龙安乡土壤全氮含量最高,为1.24 g kg−1,而花桥镇的土壤全氮含量最低,仅为0.70 g kg−1。全区全氮含量为丰富、中等、缺乏、很缺乏、极缺乏的土壤分别占9.17%、28.44%、43.12%、17.43%和1.83%,集中分布于中等和缺乏水平(图3)。整体上,广安区柑橘土壤全氮含量偏低。
土壤碱解氮含量在22 ~ 166 mg kg−1之间,均值82 mg kg−1,属于缺乏水平(表3)。从均值来看,龙安乡和龙台镇土壤碱解氮含量最高,分别为102 mg kg−1和101 mg kg−1,而花桥镇和白马乡的土壤碱解氮含量最低,均为62 mg kg−1。全区土壤碱解氮含量主要分布于中等、缺乏和很缺乏水平,分别占22.02%、40.37%和24.77 %(图3)。整体上,广安区柑橘土壤碱解氮含量偏低,分布分散。
土壤有效磷含量在0.60 ~ 352.70 mg kg−1之间,均值36.22 mg kg−1,属于丰富水平,变异系数达152.61%,属强变异(表3),说明该区域土壤有效磷含量空间分布不均衡。彭家乡土壤有效磷均值高达130.72 mg kg−1,最低的花桥镇仅为10.73 mg kg−1,地区差异大;全区约70%的土壤有效磷含量为中等及以上水平(图3)。因此,广安区柑橘土壤有效磷含量总体丰富,但分布不均。
土壤速效钾含量在33 ~ 589 mg kg−1之间,均值为133 mg kg−1,属于中等水平(表3)。从均值来看,龙台镇和彭家乡土壤速效钾含量最高,200 mg kg−1左右,而东岳乡和白马乡的土壤速效钾含量均低于100 mg kg−1。全区土壤速效钾含量在极缺乏水平无分布,在极丰富、丰富、中等、缺乏和很缺乏水平分别占12.84 %、22.02%、24.77%、30.28 %和10.09%(图3)。因此,广安区柑橘土壤速效钾含量整体为中偏低,分布不均。
2.2 土壤肥力质量等级 2.2.1 单项肥力质量指标的隶属度和权重各评价指标隶属度范围为[0,1],值越大,表示肥力越高(图4)。pH的平均隶属度值最高,达0.63,最接近于理想值1;而有机质和全氮的平均隶属度值均低于0.4,数值最低。
图 4 土壤肥力各指标平均隶属度雷达图
Figure 4. Radar plot of average membership degree of each indicator
土壤肥力指标相关性分析表明(表4),速效钾与各指标极显著正相关(P < 0.01),有机质和全氮、碱解氮、速效钾极显著正相关(P < 0.01),pH与碱解氮极显著负相关(P < 0.01),其他指标间相关性均不显著。表明,土壤有机质和氮含量间关系密切,速效钾与各指标联系紧密,而有效磷具有很好的独立性。
表 4 土壤肥力质量指标间的相关性
Table 4. Correlation coefficient matrix between soil fertility quality indicators
乡(镇)由表5可知,土壤各养分指标的权重差异较大。其中,权重值最大的是全氮,为0.25;其次为碱解氮和有机质,分别为0.23和0.21,值接近;而有效磷和pH的权重均低于0.1。说明土壤肥力的提升更依赖于有机质和氮含量的增加。
表 5 各肥力质量指标权重系数
Table 5. Correlation weight coefficient of each fertility quality index
指标由表6可知,广安区柑橘土壤肥力综合指数(IFI)范围为0.14 ~ 0.91,平均值为0.43,综合肥力处于中等水平(3级)。各乡镇土壤IFI 均值由大到小为:龙台镇(0.57)> 龙安乡(0.56)> 大龙乡(0.50)> 彭家乡、恒升镇(0.47)> 石笋镇、大安镇(0.45)> 井河镇(0.44)> 兴平镇(0.41)> 东岳乡、崇望乡(0.39)> 花桥镇(0.37)> 白马乡(0.33),均属于3级和4级肥力水平。从全部样点分布来看,广安区柑橘土壤肥力等级为3级和4级的样点高达80%以上,2级肥力占比12.84%(图5)。综上,研究区土壤综合肥力总体中偏低,土壤质量中偏下。
表 6 土壤肥力综合指数及评价等级
Table 6. Comprehensive index and evaluation grade of soil fertility
乡(镇)
图 5 广安区柑橘土壤综合肥力评价等级频率分布
Figure 5. Distribution frequency of Citrus soil evaluation grade comprehensive fertility in Guang’an District
2.3 土壤肥力主成分分析土壤IFI与各肥力指标间的相关性较强(表4):IFI与有机质、全氮、碱解氮、速效钾极显著正相关(P < 0.01),与有效磷显著正相关(P < 0.05),表明有机质、全氮、碱解氮和速效钾与土壤肥力关系紧密。利用主成分分析方法(PCA)探讨影响广安区柑橘土壤肥力差异的主要指标,共提取出2个有效主成分(特征值大于1),累积贡献率69.78%(表7)。第一主成分中全氮、有机质和碱解氮的载荷值大,分别为0.94、0.88和0.87,反映了土壤养分的蓄积和供应能力;第二主成分中pH的载荷值为0.81,表征的是土壤酸碱度对肥力的影响。因此,广安区柑橘土壤中全氮、有机质、碱解氮和pH对土壤肥力的影响较大。
表 7 土壤肥力主成分分析
Table 7. Principal component analysis of soil fertility
指标土壤pH影响着土壤微生物的活性、矿物质及有机质的转化,进而影响植物的生长发育[11]。一般认为,柑橘可在pH 4.5 ~ 8.5的土壤上生长,但是最适宜的pH为5.5 ~ 6.5[12]。广安区柑橘土壤pH大部分在4.5 ~ 8.5之间,可以种植柑橘,但最适宜的土壤仅占23.85%,且有0.92%的土壤pH值高于8.5,不宜种植柑橘,而在17.43%的酸性和34.86%的弱碱性区域,应注意采取相应改良措施防止土壤继续酸化或碱化。
有机质与土壤养分供给、物理特性及理化过程有着密切的关系,主要源于人工施肥和植物凋落物的分解。根据土壤肥力分级标准,广安区柑橘土壤有机质含量整体匮乏,主要原因可能有以下几点:一是研究区处丘陵地带,基础肥力较弱;二是研究区高温多雨,土壤微生物对有机质的矿化和分解作用较强,不利于有机质的积累;三是当地柑橘种植中有机质补充不足。尤其是白马乡、崇望乡、东岳乡、井河镇及兴平镇等地方,在柑橘施肥管理中,需注重增施有机肥,且有机质与氮钾含量极显著正相关,有机质含量增加会显著提高其他养分的含量[13]。
全氮是土壤氮素的容量指标,而碱解氮则反映了土壤短期供应氮素的能力。研究区土壤全氮及碱解氮含量均较低,主要与柑橘生长消耗大量氮素、有机质含量低导致有机氮匮乏和氮肥随雨水流失或通过反硝化作用损失较强有关[14-16]。本研究中碱解氮与pH值极显著负相关,说明施用过多氮肥可能导致土壤酸化[17-18],大量施用氮肥后,土壤硝化作用强烈,会释放大量H+,从而加剧土壤pH的下降[19]。因此,酸性土壤柑橘种植区不宜直接大量增施氮肥,可通过增施有机肥来改善土壤缺氮情况。
土壤有效磷含量丰富,部分地方达到极丰富水平,但同刘娟等[20]的研究相同,土壤有效磷的变异系数大,这是由肥料施用不均衡造成的。全国二次普查后,基于土壤磷素的匮乏,磷肥施用加重,而磷在土壤中的移动性较差,固定率可达70%以上[21],直接导致了研究区土壤磷累积较多。当土壤有效磷含量高于20 mg kg−1时,磷补给充足,但彭家乡土壤有效磷均值高达130.72 mg kg−1,过量的磷会引发一系列的环境风险[22-23]。位高生等[24]研究显示,琯溪蜜柚磷肥减量35%,不仅不会减产,而且能提高果实品质。因而土壤磷含量较高的地区,建议少施或不施磷肥,减少磷肥浪费和环境污染。
土壤中速效钾可被植物直接吸收利用,反映土壤供钾能力。研究区土壤速效钾含量整体处于中等偏低水平,部分地区需补充钾素。速效钾与pH极显著正相关,因为K+的增加可以替换土壤中H+从而将活性酸转化成潜性酸,使得pH升高[17-18]。弱碱性区域土壤若缺钾,可适当增施叶面钾肥,减少钾肥与土壤的直接接触,避免土壤进一步碱化。
模糊综合评价法可以通过隶属度描述土壤肥力因子的渐变性和模糊性,使评价结果更加准确可靠,因而在土壤肥力评价中应用广泛[25],其原理是先计算各指标隶属度值和权重,然后将各指标的权重与隶属度相乘后再相加得到IFI[20],最后通过IFI值判断肥力等级。土壤综合肥力评价得出研究区土壤肥力等级平均为3级,肥力水平一般,但在白马乡、花桥镇、东岳乡和崇望乡,土壤平均肥力等级为4级,土壤养分总体供应不足。
PCA将一组变量转换为较小的一组不相关变量,从而降低维数提取主成分(PC),而PC的特征值代表其对解释变异的贡献,因此常选择特征值 > 1的PC来定义[26]。土壤全氮、有机质、碱解氮和速效钾四个指标在PC1中贡献度较高,与IFI极显著正相关,其中有机质、全氮及碱解氮含量较低,权重大,因而可能是土壤肥力的主要限值因子。PC2主要表征土壤pH,虽然pH所占权重较小,但它是隶属度值最接近理想值的指标,且同碱解氮、速效钾的相关性较好,因而也是影响土壤肥力的重要指标。综上,研究区肥力的提升主要依靠增施有机肥、配合增施氮肥和调节土壤pH来实现。
广安区柑橘种植区弱酸性至弱碱性土壤占80%以上,最适宜土壤仅20%左右;土壤有机质、全氮和碱解氮含量整体缺乏,尤其是白马乡和花桥镇等地;土壤有效磷含量丰富,但变异系数大,且彭家乡有效磷含量过高;速效钾含量缺乏至中等土壤约占65%,总体中偏低。全区IFI平均为0.43,属3级肥力水平,肥力中等,且土壤肥力等级为3级和4级的样点高达80%以上。而乡镇IFI均值:龙台镇 > 龙安乡 > 大龙乡 > 彭家乡、恒升镇 > 石笋镇、大安镇 > 井河镇 > 兴平镇 > 东岳乡、崇望乡 > 花桥镇 > 白马乡,其中仅白马乡、花桥镇、崇望乡和东岳乡平均肥力等级为4级,肥力较低,其他均为3级。
土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾与IFI极显著正相关,其中有机质、全氮和碱解氮的权重较大,贡献率高,是土壤肥力最主要的限制因子;土壤pH与碱解氮、速效钾极显著相关,隶属度高,对土壤肥力的影响较大。柑橘种植中应加强这些养分指标的调控管理。
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