加拿大东部免耕农田磷肥分区管理策略：基于电导率与磷饱和度指数的精准施肥研究

《Canadian Journal of Soil Science》：Management zone delineation strategies for phosphorus fertilizer recommendations under a no-till field in Eastern Canada

本文推荐研究人员针对免耕农田土壤磷素空间变异性高、传统均匀施肥导致环境风险的问题，在加拿大东部开展了一项田间尺度研究。该研究通过划定管理分区（MZs），结合土壤表观电导率（ECa）与磷铝比（(P/Al)M3）指数，旨在降低土壤磷的空间变异性并为精准磷肥推荐提供依据。结果表明，基于(P/Al)M3划分2-3个管理分区是实现磷肥减量（40-74 kg P2O5）的最佳农艺策略，为区域面源污染防控和农业可持续发展提供了重要参考。

　　

在北美东部，尤其是加拿大魁北克省，玉米和大豆是主导的粮豆轮作作物，占据了大部分耕地和农业产量。为了保护土壤、促进农业可持续发展，保护性耕作如免耕（No-Tillage, NT）技术被广泛采用。然而，长期免耕也带来了一系列农艺与环境问题，其中最突出的便是土壤磷素（P）在表层（0-5 cm）的显著积累和分层现象。这种磷素的不均匀分布，加之其随地表径流迁移的风险，加剧了水体富营养化的潜在威胁，成为当地重要的环境关切。另一方面，传统的基于田间平均值的均匀磷肥推荐策略，往往忽略了田间实际存在的磷素空间变异性。对于大面积农田，这种“一刀切”的施肥方式可能导致部分区域磷肥过量，增加环境风险，而另一些区域则施肥不足，影响作物产量。同时，传统的密集网格土壤采样结合实验室分析来绘制土壤养分图的方法成本高昂，对于普通农户而言难以承受。因此，如何经济、有效地管理免耕农田中磷素的空间变异性，制定精准的施肥方案，从而实现作物高产与环境保护的双赢，成为当前农业管理中的一个紧迫问题。

本研究主要采用了田间网格采样、地统计学分析、管理分区划分和空间回归模型等关键技术方法。研究在加拿大魁北克省蒙特雷吉地区一个长期（20年）免耕的玉米-大豆轮作田（9.5公顷）进行。于2014年秋季按35米×35米网格采集了134个0-5厘米深度的土壤样品。使用Veris-3100电阻率传感器测量了0-30厘米（ECa₃₀）和0-100厘米（ECa₁₀₀）深度的土壤表观电导率。同时，结合激光雷达（LiDAR）数据获取了地形信息，并收集了多年作物产量数据。

强度变异分析

对土壤化学性质和辅助性质的分析表明，土壤磷指数（P_M3和(P/Al)_M3）的变异系数（CV）为32%至36%，属于中等偏高变异强度。这表明在该免耕大田中，土壤磷的空间分布很不均匀，传统的均匀施肥策略并不适用。相比之下，表观电导率ECa₃₀和ECa₁₀₀的变异系数较低（9%-16%），显示出更强的空间稳定性。

空间结构分析

通过地统计学分析（半变异函数拟合）发现，土壤磷指数（(P/Al)_M3）的空间依赖性为中等（43%-46%），其空间相关范围约为55-77米，大于采样间距，说明采样设计合理。而ECa测量值和部分年份的作物产量则表现出强烈的空间结构（空间依赖性>78%），表明这些属性主要受土壤内在性质的控制，适合用于空间插值和分区管理。

空间关系分析

皮尔逊相关分析和空间回归模型显示，土壤(P/Al)_M3指数与土壤钙（Ca_M3）、pH值和总碳（TC）含量有显著相关性，其空间变异的13%-35%可由这些因素解释。然而，ECa测量值（尤其是ECa₃₀）与(P/Al)_M3指数仅存在弱至中等的显著相关（r = 0.22-0.23），空间回归模型的解释度较低（R2 < 0.05）。这表明，尽管ECa与某些土壤性质有关，但其直接预测土壤磷饱和度的能力在该研究田中有限。作物产量与土壤磷或ECa的关系因年份和气候条件而异，显示出时空动态变化的特点。

管理分区划定与评估

研究采用了三种管理分区划定策略（MZDS）：策略1，单独使用(P/Al)_M3指数；策略2，单独使用ECa₃₀测量值；策略3，结合使用(P/Al)_M3和ECa₃₀。通过ISOData非监督分类和方差减少法确定最优分区数量。结果表明，对于策略1（(P/Al)_M3），将田间划分为2个管理分区时，能最大程度地降低(P/Al)_M3的区内方差（减少45%），划分3个分区时效果次之。统计验证表明，基于策略1划定的2个或3个分区能有效区分(P/Al)_M3及其他关键土壤性质（如Ca_M3、pH）的均值。而对于策略2和3，虽然也能划定分区，但其在降低土壤磷空间变异性和区分磷水平方面的效果不如策略1。视觉比较也发现，随着分区数量增加，基于(P/Al)_M3和基于ECa₃₀划定的分区图相似度逐渐降低。

实际应用与农艺意义

将分区结果应用于磷肥推荐。根据魁北克省当地的磷肥推荐标准（基于(P/Al)_M3指数），对整个田间进行均匀施肥（即视为1个分区），玉米需施用380 kg P₂O₅，大豆无需施磷肥。然而，基于策略1划定的2个和3个管理分区进行分区施肥后，玉米的总磷肥用量分别降至306 kg和341 kg P₂O₅，相当于分别减少了74 kg和40 kg P₂O₅。而基于策略2和3的分区施肥推荐量与均匀施肥相同，未能实现磷肥减量。因此，研究得出结论：在该特定免耕田中，基于土壤磷饱和度指数(P/Al)_M3直接划定2个或3个管理分区，是实现精准磷肥管理、减少磷肥用量（从而降低环境风险）的最佳农艺策略。

本研究首次在加拿大东部免耕条件下，系统评估了利用土壤表观电导率与磷素关系来划定管理分区以控制磷素空间变异的可行性。研究证实，即使在没有显著土壤类型差异的田间，磷素仍存在可观的空间变异性，凸显了分区管理的必要性。尽管ECa测量因其快速、经济的特点被认为是理想的辅助分区工具，但在此案例中，其与目标变量（(P/Al)_M3）的直接相关性较弱，限制了其单独使用的效果。最终，研究强调了基于直接土壤测试（如(P/Al)_M3）进行分区在实现精准施肥和环境保护方面的优势。该研究为加拿大东部及其他类似农业生态区推广精准农业技术，特别是在免耕体系下优化磷素管理、协调农业生产与环境保护提供了重要的科学依据和实践路径。未来的研究需要关注不同耕作方式、土壤湿度条件对ECa-土壤磷关系的影响，并纳入时间动态分析，以进一步提升分区管理的准确性和普适性。