大寨海綿田土壤有機質(zhì)、速效養(yǎng)分評價與空間分布

張華等

摘要：選取土壤有機質(zhì)、速效磷、速效鉀、水解氮4項指標，采用模糊隸屬度函數(shù)（S型）計算隸屬度值，用相關系數(shù)法確定各養(yǎng)分指標權重，確定養(yǎng)分評價綜合指數(shù)值，進而對大寨典型海綿田土壤養(yǎng)分進行評價，并分析其空間分布特點。結果表明，研究區(qū)土壤水解氮含量較為貧乏，有機質(zhì)含量總體上適量，速效磷和速效鉀含量相對豐富。模糊綜合評價結果表明，研究區(qū)土壤養(yǎng)分水平主要集中在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，大寨海綿田土壤養(yǎng)分處于適量狀態(tài)。從空間分布來看，土壤養(yǎng)分模糊綜合評價值由南北中部地區(qū)向東北、西南兩側遞減，與有機質(zhì)含量分布一致，速效磷和速效鉀隨地勢增高呈遞減趨勢，水解氮則呈現(xiàn)出高低值交叉分布的復雜格局。

關鍵詞：大寨海綿田；土壤；速效養(yǎng)分；評價；空間分布

中圖分類號：S155 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）17-4133-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.17.007

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎，土壤肥力直接關系到作物產(chǎn)量[1]及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[2]。有機質(zhì)和速效養(yǎng)分含量是土壤肥力的重要指標，在自然和人為因素的綜合作用下處于不斷變化與更新的狀態(tài)。正確認識和科學評價土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分對于科學施肥、土壤管理及作物布局均具有重要的理論和實踐意義[3，4]。隨著灰色關聯(lián)度法[5]、模糊綜合評價法[6]、層析分析法[7]、克里金插值法[8]、神經(jīng)網(wǎng)絡法[9]等數(shù)值化評價方法的提出和應用，土壤養(yǎng)分評價逐步側重于定量評價和多因素的綜合評價。但前人的研究大多是針對大尺度范圍土壤養(yǎng)分進行評價，例如呂蘇丹等[10]對東陽萬畝園區(qū)的土壤養(yǎng)分狀況進行了評價，趙串串等[11]對玉樹東南部森林土壤養(yǎng)分狀況的評價，而關于小尺度上農(nóng)田耕層土壤速效養(yǎng)分的評價尚不多見。

大寨海綿田是大寨人民自1953年開始，歷經(jīng)了20多年時間建設的梯田式基本農(nóng)田，具有活土層厚、結構良好、蓄水保墑、微生物活躍等特點，曾是全國農(nóng)田基本建設學習的榜樣。歷經(jīng)60多年的變遷，大寨海綿田無論是在耕種管理方面還是環(huán)境方面都發(fā)生了巨大的變化，目前的養(yǎng)分狀況鮮見報道。本研究以大寨典型海綿田為研究對象，對大寨典型海綿田小尺度范圍內(nèi)土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分進行評價及空間分布進行分析，旨在為當?shù)刈魑飬^(qū)劃、合理管理及精準施肥提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大寨位于山西省昔陽縣城東5 km太行山脈的虎頭山下，總面積約2 km2，海拔約1 000 m，全年無霜期150 d，年平均溫度9.1℃，年降水量500～700 mm，大部分集中在7～9月，春季干旱少雨，夏季多暴雨。1953年前，水土流失十分嚴重[12]，歷經(jīng)20多年的建設，大寨人民修梯田、改土質(zhì)、種綠肥、培熟土，變“三跑田”為“三保田”，是當時全國農(nóng)田基本建設學習的榜樣。目前在大寨的主要農(nóng)作物有玉米、大豆等。本研究選取大寨典型海綿田狼窩掌區(qū)，對其耕層土壤養(yǎng)分現(xiàn)狀進行評價。

1.2 樣品采集與處理

在對大寨海綿田進行歷史資料查詢、實地訪談及踏查的基礎上，選定狼窩掌農(nóng)田區(qū)海綿田為取樣區(qū)，采用S型取樣，在5 m范圍內(nèi)采耕層（0～20 cm）混合土壤，同時記錄取樣點坐標位置、海拔和環(huán)境因子數(shù)據(jù)，共采樣101個。所取混合土樣剔除植物根系及石礫等雜物后，在室內(nèi)風干，并分別過20、60、100目篩備用。

1.3 檢測方法

有機質(zhì)采用0.4 mol/L重鉻酸鉀-外加熱法[13]；水解氮采用堿解擴散法[13]；速效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法[13]；速效鉀采用1 mol/L中性醋酸銨浸提-火焰光度法測定[13]。

1.4 土壤養(yǎng)分評價方法與標準

1.4.1 模糊綜合評價法 以模糊數(shù)學中的加乘法原則為原理，利用各項養(yǎng)分指標的權重系數(shù)和隸屬度值，計算出反映土壤養(yǎng)分肥力狀況的綜合指標值IFI（Integrated fertility index），其計算公式為：

IFI=∑（Wi×Ni）

式中，Ni和Wi分別表示第i種養(yǎng)分指標的隸屬度值和權重系數(shù)。

隸屬度值表示各養(yǎng)分指標的狀態(tài)值，根據(jù)參評養(yǎng)分元素本研究選擇S型隸屬度函數(shù)，并將曲線型函數(shù)轉(zhuǎn)化為相應的折線型函數(shù)，以利于計算。

f（x）=0.1 x

權重表示評價指標對評價對象的影響程度或貢獻率，目前確定權重系數(shù)的方法主要有經(jīng)驗打分法、多元統(tǒng)計相關系數(shù)法、主因子分析法、層次分析法、回歸分析法。本研究選取相關系數(shù)分析法[10，14]。

1.4.2 評價標準 采用全國第二次土壤普查的土壤養(yǎng)分評價分級標準[15]，如表1所示。

與表1土壤養(yǎng)分分級標準相對應，本研究將土壤養(yǎng)分模糊綜合評價分級也劃分為5級，如表2所示。

1.5 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS 17.0和EXCEL 2003進行統(tǒng)計學分析，運用ArcGIS10.0進行土地統(tǒng)計學分析并制圖。

2 結果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計分析

研究區(qū)各土壤養(yǎng)分指標的統(tǒng)計特征值與分級結果（表3）表明，各土壤養(yǎng)分指標的變異系數(shù)均在20%～60%，表現(xiàn)為中等程度變異。其中有機質(zhì)的變異強度最大，為55%；其次是速效磷和水解氮，分別為39%、38%；速效鉀變異強度最小，僅為27%。究其原因可能與農(nóng)民受“山西土壤缺氮、少磷、鉀充足”的觀念影響，在施肥時只注重氮、磷肥的施用，而一般不施鉀肥有關。不同的農(nóng)戶施肥量可能有所不同，因此也就造成了氮、磷及有機質(zhì)在土壤中的含量變異程度高于鉀的現(xiàn)狀。

養(yǎng)分分級結果表明，57.4%的點位土壤有機質(zhì)含量達到適量水平，19.7%的點位達到豐富水平；所有點位的土壤速效磷含量均達到了豐富水平；速效鉀含量全部達到了適量水平；但水解氮含量僅有23.8%的點位達到了適量水平，75.2%的土壤水解氮含量處于貧乏或極貧乏狀態(tài)。有機質(zhì)、速效磷、速效鉀和水解氮含量的平均值分別為15.90 g/kg、36.28 mg/kg、137.98 mg/kg和47.15 mg/kg，總體上表現(xiàn)為土壤水解氮含量偏低，有機質(zhì)含量適量，速效磷和速效鉀含量相對豐富。為此，建議注重各類氮肥的施用，同時，可以考慮在施肥時少施，甚至不施磷肥。

2.2 土壤養(yǎng)分的模糊綜合評價

2.2.1 單項養(yǎng)分指標權重的確定 單項養(yǎng)分指標權重表示各養(yǎng)分指標對作物的影響程度或貢獻率。由表4可知，速效磷和有機質(zhì)對作物的影響程度較大，貢獻率達到26%、25%；其次是速效鉀和水解氮。

2.2.2 單項養(yǎng)分指標隸屬度值的確定 本研究選取土壤有機質(zhì)、速效磷、速效鉀、水解氮4項養(yǎng)分指標作為參評因素，選取S型隸屬度函數(shù)計算各養(yǎng)分指標的隸屬度值。根據(jù)前期研究結果，結合大寨地區(qū)實際情況確定隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點的取值（表5）。

根據(jù)隸屬度函數(shù)計算得到研究區(qū)各樣點4項養(yǎng)分指標隸屬度函數(shù)值（表6）。由表6可知，101個樣點指標的隸屬度函數(shù)值變異系數(shù)都比較小，故101個樣點可估計研究區(qū)4項參評指標的特性及對土壤肥力質(zhì)量的影響。速效鉀和有機質(zhì)隸屬度值最小，表明速效鉀和有機質(zhì)對土壤肥力的作用分值較小；水解氮隸屬度值在0.7以上，處于中間狀態(tài)；速效磷隸屬度值為0.98，處于較好的狀態(tài)。

2.2.3 土壤肥力指數(shù)評價 本研究采用土壤肥力指數(shù)法中的權重加權求和指數(shù)模型[16]法定量化評價大寨海綿田土壤肥力，將評價結果轉(zhuǎn)化成0.1～1.0的數(shù)值，得出所有樣點的土壤養(yǎng)分模糊綜合指數(shù)IFI。

土壤養(yǎng)分模糊綜合指數(shù)IFI特征值（表7）變異系數(shù)為0.152，變異強度較弱。且所有樣點的IFI值介于0.42～0.79之間，均值為0.61，其偏度值為0.125，呈明顯右偏分布，表明其在高值區(qū)具有較高的頻數(shù)分布。根據(jù)模糊綜合評價分級標準對所有樣點養(yǎng)分狀況進行進一步分級表明，研究區(qū)101個采樣點土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)值分布在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，分別為13、37、27和24個，占總樣點的12%、37%、27%和24%，且主要集中在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，全區(qū)沒有Ⅴ級土壤，表明研究區(qū)土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分狀況總體上處于適量偏高狀態(tài)。

2.4 土壤養(yǎng)分空間分布

運用ArcGIS10.0中的克里格最優(yōu)內(nèi)插法繪出大寨海綿田土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分及綜合評價的空間分布圖（圖1）。由圖1可知，大寨典型海綿田耕層土壤養(yǎng)分由南北貫通的中部向東西兩側遞減；有機質(zhì)含量最高值集中在研究區(qū)的中心位置，東北、西南向是其低值區(qū)，呈現(xiàn)出由中心向四周遞減的趨勢；速效磷、速效鉀的分布呈現(xiàn)出由西北向東南隨地勢增高而遞減的趨勢，且速效鉀局部地區(qū)呈現(xiàn)出高低值交錯分布空間格局；土壤水解氮的分布由南北向東北、西南兩側遞減，且在南北貫通的中部，局部地區(qū)出現(xiàn)水解氮的高值區(qū)。

3 小結與討論

土壤養(yǎng)分的科學評價及分布規(guī)律研究一直深受土壤及農(nóng)學工作者的關注，眾多的研究結果表明，土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分含量是土壤肥力的重要指標，且在自然和人為因素的綜合作用下處于不斷變化與更新的狀態(tài)[1-4]。本研究結果表明，經(jīng)歷了60多年的歷史變遷和風風雨雨之后，大寨海綿田土壤所有樣點養(yǎng)分水平分布均為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，且主要分布在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，沒有Ⅴ級土壤，可認為其養(yǎng)分狀況處于適量狀態(tài)。但與1975年土壤測定數(shù)據(jù)相比[17]，速效磷含量有所增加，水解氮含量有所減少。從各項養(yǎng)分指標的變異系數(shù)來看，有機質(zhì)變異最大，其次是速效磷、水解氮，速效鉀的變異系數(shù)最小。這可能與農(nóng)民受“山西土壤缺氮、少磷、鉀充足”的觀念影響較大，磷肥、氮肥施用較多，鉀肥施用較少有關。眾所周知，磷肥當季利用率低，在土壤中殘留較多，因此多年累積的結果使得研究區(qū)內(nèi)速效磷含量較為豐富。研究區(qū)內(nèi)速效氮含量沒有隨施氮肥而表現(xiàn)出累積的原因可能與所用氮肥的種類有關，據(jù)調(diào)查近年來當?shù)厮玫识酁榛?，有機肥的施用量明顯減少，而化學氮肥在土壤中易受土壤水熱條件和生物活動的影響，還容易淋失或揮發(fā)，故雖然施入較多氮肥，但水解氮含量還是比以前有所降低且處于缺乏狀態(tài)。為此，建議今后應注重各類氮肥，尤其是有機氮肥的施用，同時，可以考慮少施或隔年施用磷肥，以免造成經(jīng)濟效益不佳，甚至誘發(fā)其他微量元素的缺乏。

土壤養(yǎng)分綜合評價圖顯示，大寨海綿田土壤總養(yǎng)分呈現(xiàn)由南北貫穿的中部向東西兩側遞減。這可能與東西兩側地勢相對較高，南北貫通的中部地區(qū)地勢相對較低且平坦有關，這與張慶利等[18]研究的土壤質(zhì)量指數(shù)分布是低洼圩區(qū)>平原區(qū)>丘陵區(qū)相一致。同時，研究區(qū)不同部位有機質(zhì)與土壤速效養(yǎng)分也存在著空間差異，有機質(zhì)的含量與總養(yǎng)分評價空間分布相似，這可能是由于中心地區(qū)地勢較低且平坦，氣溫較低，微生物分解速度減慢，礦化作用減弱，導致有機質(zhì)的富集[13]，同時也說明有機質(zhì)是土壤養(yǎng)分的重要來源，土壤肥力高低在一定范圍內(nèi)與土壤有機質(zhì)含量呈正相關；速效磷與速效鉀總體上呈現(xiàn)由西北向東南隨地勢增高遞減的趨勢，與劉國順等[19]研究結果一致；水解氮與有機質(zhì)的空間分布總體上一致，這與馬大龍等[20]研究結果一致。而速效鉀和水解氮局部地區(qū)出現(xiàn)的高低值交叉分布可能與當?shù)鼐用竦氖┓使芾硭接幸欢ǖ年P系。

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