棉田土壤养分分析与土壤墒情监测系统应用

董志强，冯小康，慈宝霞，文 帅，王 钊，刘 扬，马富裕

(新疆生产建设兵团绿洲生态重点实验室/石河子大学农学院，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意义】新疆石河子总场位于天山北麓，准噶尔盆地南部[1]。石河子总场农作物种植面积约1.57×104hm2，全部采用高新节水滴灌，其中，种植棉花1×104hm2，籽棉总产5.4×104t[2，3]。石河子总场六分场数字农业示范田设置的监测点为连年棉花种植。农田土壤墒情的监测和预报已经成为农田灌溉节水服务的重要组成部分[4，5]。2019年石河子总场六分场数字农业示范田应用了土壤墒情实时监测系统[6]，科学合理指导棉田灌溉。土壤相关空间变异性以及分布规律对提高棉田土壤肥料利用率、土壤分级管理以及维持土壤一定的肥力等有重要意义[8]。目前农业开发力度逐年加大[9]。选取土壤全氮、速效磷、速效3种主要养分进行研究，分析石河子总场六分场数字农业项目示范田土壤养分的空间变异特征，对土壤养分高效吸收利用与精确施肥有重要意义。【前人研究进展】刘洋等[10]在辽西地区利用土壤水分测定仪，对辽西太平庄监测站10、20、40 cm土层墒情监测数据与传统测量土壤含水量方法对比、分析及误差修正。3种不同深度土层利用土壤水分测定仪测定的绝对误差在±4%范围内。代海燕等[11]对内蒙古土壤墒情进行了调查评估，结果表明，内蒙古土壤水分湿度和田间持水量整体较高，主要集中在内蒙古东部地区、河套区域，较低区域主要集中在锡林郭勒地区和西部地区。李娜等[12]以新疆伊犁地区为土壤研究区域，运用GIS与地统计学相结合，研究该地区农田土壤养分的空间分布特征及变异规律，伊犁哈萨克自治州土壤养分含量分布总体呈现伊犁州南部区域高、北部区域低、东部区域高西部区域低的格局。【本研究切入点】了解土壤的养分和含水量状况，需要依靠对当地土壤墒情和样品的测试与分析。利用信息技术监测土壤墒情和养分，分析石河子总场棉花种植过程中养分和含水量信息，指导科学灌溉施肥。【拟解决的关键问题】采用GIS技术与地统计学相结合的方法，研究石河子总场六分场数字农业示范田耕层土壤3种养分(全氮、速效磷、速效钾)、土壤含水量和温度，分析棉田土壤肥力的空间相关分布特征差异性，为棉田施肥与土壤养分管理提供可科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

在石河子总场六分场数字农业项目示范田33.33 hm2(500亩)，利用GPS确定样点坐标，采集土壤表层(0～20 cm)土样。共计231个样点，将采集的231个土壤样品在实验室统一检测分析，测试3大养分指标:全氮、速效磷、速效钾。土壤样品经风干后，过网筛上面之后进行混匀。不同土壤养分的分析测试方法分别为:全氮含量采用凯氏定氮法；速效磷含量使用0.5 mol/L碳酸氢钠法—分光光度法测定；速效钾含量测定采用火焰光度法[13，14]。

1.2 方 法

土壤墒情监测系统基于无线数据传输，实现无线连接通讯，该终端包括实时数据采集软件以及监测软件，实时采集软件提供数据的接收、分析及存储的功能；监测软件提供数据展示和统计分析等功能[15]。系统客户端软件部分包括数据库设计与开发、系统相关功能设计与开发、数据模型设计、前台界面设计与开发等[16]。

按地块选择6处具有代表性监测区域，在该区域布设水分传感器、太阳能采集板、墒情信息采集传输设备等，采集(0～60 cm，每隔10 cm采集1次数据)土壤含水量和温度，每隔1 h采集1次数据，并实时更新至计算机客户端软件中。2019年4月18日开始到2019年8月31日截止，采集约4个月的土壤墒情信息。图1

将土壤样本测定结果变异程度分为3个等级：CV<10%为样本具有弱变异性，10%≤CV≤100%为样本具有中等程度变异性，CV>100%为样本具有很强变异性。

参数块金系数表示土壤养分空间变异程度，即由随机因素引起的土壤空间变异占系统总变异程度的比例。C0/(C0+C)表示系统变量的空间相关性程度，若该比例小于25%，变量具有很强的空间自相关性；在25%～75%，变量具有中等的空间自相关性；大于75%时，变量空间自相关性较弱。

1.3 数据处理

使用Origin 2018软件对土壤含水量和温度信息进行数据分析，使用ArcGIS10.3对土壤养分含量进行描述性统计特征分析和对其是否服从正态分布进行检验。使用软件GS+9.0地统计软件进行半方差分析。

2 结果与分析

2.1 石河子总场六分场数字农业示范田土壤养分变化

2.1.1 土壤养分含量

研究表明，全氮的含量为0.1～1.11 g/kg，平均值为0.79 g/kg；速效磷的含量为21.27～179.58 mg/kg，最大值与最小值相差比较悬殊，平均值为62.17 mg/kg；速效钾的含量为171.5～672.46 mg/kg，平均值为322.55 mg/kg。3种养分的所得土壤养分变异系数在20%～56%，都呈现出样本中等变异特性，其中速效磷的变异系数最高。速效磷、速效钾样本数据显示出一定偏态效应，经过数据对数转换后样本呈现正态分布特征。表1

表1 土壤养分描述性统计特征Table 1 Descriptive statistical characteristics of soil nutrient

2.1.2 土壤养分含量的空间变异特征

研究表明，土壤养养分全氮和速效磷表现为强烈的空间相关性，各指标基块比C0/(C0+C)分别为18.6%、8.1%。其主要受到土壤类型、母质、地形等结构性因素的影响；速效钾的块金系数C0/(C0+C)为49.7%，中等空间相关性，其受到结构性和随机性因素的共同影响。各观测调查点的空间相关距离在692～1 889 m，大于实际采样间437 m，各土壤取样点全部在空间变异的范围内。表2，图2

表2 土壤养分的半方差模型类型及其参数值Table 2 Type of soil nutrient half variance model and its parameter value

2.2 石河子总场六分场数字农业示范田土壤墒情

2.2.1 土壤含水量

研究表明，土壤含水量从苗前期至蕾期呈现递减趋势。在苗前期一号、二号和三号墒情监测点在4月25日左右有一个最低峰。各个监测点在苗前期和苗期10和20 cm土层含水量变化较为活跃且含量较高，进入蕾期以后30～60 cm土层土壤含水量开始慢慢升高。五号墒情监测点在各个月都表现出较高含水量，尤其是在蕾期和花铃期，显著高于其它月，这片区域土壤含水量丰富和保水量较强。棉花进入花铃期以后，随着灌水次数和灌水量加大，土壤含水量在0～60 cm土层内波动较大，且变化极为活跃。在棉花苗前期、苗期和蕾期生育阶段，随着大气温度的攀升，地膜覆盖在土层表面使膜内土壤水分蒸发减弱，并加速土壤深层水向上移动，至使0～20 cm土壤含水量保持在一定的范围内，土壤墒情变化趋势较缓；随着棉花生育期推进，在进入花铃期以后，由于滴灌频率逐渐加大，且每次灌水量也在不断加大，0～20 cm土层土壤补偿水分充足，由于棉花根系大多集中在40 cm内，0～20 cm土层水分大部分通过棉花根系对土壤中的水分不断吸收进而转移被利用。图3～8

2.2.2 土壤温度

研究表明，5、6月土壤温度在0～60 cm呈现急剧下降趋势，中间波动较小，气温和土壤温度相对低于其他月且随时间呈上升趋势，由于大气温度影响土壤各层温度波动较大。到7、8月，受棉花植株遮阴等影响，深层土壤温度受大气温度影响逐渐减弱，40 cm土壤温度达到最大，各层土壤温度逐渐趋于平稳，波动不大。初花期和结铃前期，10～30 cm处土壤温度随着大气温度继续上升，且波动较大。7、8月五号墒情点0～60 cm土层深度显著高于其它墒情点。土壤各层温度随着大气温度的升高而逐渐升高，随着大气温度的降低而逐渐降低，其影响广度随着土壤深度的不断增加而呈减弱趋势，滞后的时间伴随着土壤剖面深度增加而延长。图9

3 讨 论

木合塔尔·艾买提等[17]以湖北省广水市山地丘陵土壤为研究对象，现场调查采样和实验室检测获得200个土壤样点养分数据，分析土壤养分元素的空间分布规律，除全氮养分含量相对偏低，其余土壤养分的含量较高。根据石河子总场数字农业项目示范点土壤墒情监测分析，土壤含水量从苗前期至蕾期呈现递减趋势，在花铃期由于灌水次数密集，各个土层达到高峰。随着生育期推进和滴灌次数增加，土壤含水量在一定的区间内波动，土壤含水量在土层0～60 cm内变化较为活跃，其中土壤含水量在0～20 cm土层比20～60 cm土层变化趋势显著。在石河子地区滴灌棉花灌溉定额大约为260 m3/667 m2，应用土壤墒情实时监测系统及时了解土壤水分含量情况，进行科学合理灌溉。通过对0～60 cm土层的土壤温度进行分析，土壤温度受大气温度影响随着土壤深度的逐渐增加而呈现减弱态势，滞后时间随着土层深度的不断增加而逐渐延长；受棉花植株遮阴等影响，7月以后各土层温度逐渐持平，波动不大。

4 结 论

4.1该研究区域土壤全氮服从正态分布，速效磷、速效钾不服从正态分布。土壤全氮、速效磷和速效钾变异均属于中等水平变异，养分差异相对较大，需根据土壤养分丰缺状况合理施氮磷钾等肥料。全氮、速效磷表现为极强的空间相关性，其块基系数分别为0.186、0.081，其空间变异性主要受结构因素的影响;速效钾的块基系数为0.497，表现为中等强度的空间自相关性，其主要受结构和随机因素的共同作用影响。

4.2在不减产减质情况下，在棉花整个生育期内滴灌次数下降了1～3次，灌水总量大约节水20%左右。