大寨海绵田土壤有机质、速效养分评价与空间分布

张华等

摘要：选取土壤有机质、速效磷、速效钾、水解氮4项指标，采用模糊隶属度函数（S型）计算隶属度值，用相关系数法确定各养分指标权重，确定养分评价综合指数值，进而对大寨典型海绵田土壤养分进行评价，并分析其空间分布特点。结果表明，研究区土壤水解氮含量较为贫乏，有机质含量总体上适量，速效磷和速效钾含量相对丰富。模糊综合评价结果表明，研究区土壤养分水平主要集中在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级，大寨海绵田土壤养分处于适量状态。从空间分布来看，土壤养分模糊综合评价值由南北中部地区向东北、西南两侧递减，与有机质含量分布一致，速效磷和速效钾随地势增高呈递减趋势，水解氮则呈现出高低值交叉分布的复杂格局。

关键词：大寨海绵田；土壤；速效养分；评价；空间分布

中图分类号：S155 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）17-4133-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.17.007

土壤是农业生产的基础，土壤肥力直接关系到作物产量[1]及农业可持续发展[2]。有机质和速效养分含量是土壤肥力的重要指标，在自然和人为因素的综合作用下处于不断变化与更新的状态。正确认识和科学评价土壤有机质和速效养分对于科学施肥、土壤管理及作物布局均具有重要的理论和实践意义[3，4]。随着灰色关联度法[5]、模糊综合评价法[6]、层析分析法[7]、克里金插值法[8]、神经网络法[9]等数值化评价方法的提出和应用，土壤养分评价逐步侧重于定量评价和多因素的综合评价。但前人的研究大多是针对大尺度范围土壤养分进行评价，例如吕苏丹等[10]对东阳万亩园区的土壤养分状况进行了评价，赵串串等[11]对玉树东南部森林土壤养分状况的评价，而关于小尺度上农田耕层土壤速效养分的评价尚不多见。

大寨海绵田是大寨人民自1953年开始，历经了20多年时间建设的梯田式基本农田，具有活土层厚、结构良好、蓄水保墒、微生物活跃等特点，曾是全国农田基本建设学习的榜样。历经60多年的变迁，大寨海绵田无论是在耕种管理方面还是环境方面都发生了巨大的变化，目前的养分状况鲜见报道。本研究以大寨典型海绵田为研究对象，对大寨典型海绵田小尺度范围内土壤有机质和速效养分进行评价及空间分布进行分析，旨在为当地作物区划、合理管理及精准施肥提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大寨位于山西省昔阳县城东5 km太行山脉的虎头山下，总面积约2 km2，海拔约1 000 m，全年无霜期150 d，年平均温度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，水土流失十分严重[12]，历经20多年的建设，大寨人民修梯田、改土质、种绿肥、培熟土，变“三跑田”为“三保田”，是当时全国农田基本建设学习的榜样。目前在大寨的主要农作物有玉米、大豆等。本研究选取大寨典型海绵田狼窝掌区，对其耕层土壤养分现状进行评价。

1.2 样品采集与处理

在对大寨海绵田进行历史资料查询、实地访谈及踏查的基础上，选定狼窝掌农田区海绵田为取样区，采用S型取样，在5 m范围内采耕层（0～20 cm）混合土壤，同时记录取样点坐标位置、海拔和环境因子数据，共采样101个。所取混合土样剔除植物根系及石砾等杂物后，在室内风干，并分别过20、60、100目筛备用。

1.3 检测方法

有机质采用0.4 mol/L重铬酸钾-外加热法[13]；水解氮采用碱解扩散法[13]；速效磷采用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法[13]；速效钾采用1 mol/L中性醋酸铵浸提-火焰光度法测定[13]。

1.4 土壤养分评价方法与标准

1.4.1 模糊综合评价法 以模糊数学中的加乘法原则为原理，利用各项养分指标的权重系数和隶属度值，计算出反映土壤养分肥力状况的综合指标值IFI（Integrated fertility index），其计算公式为：

IFI=∑（Wi×Ni）

式中，Ni和Wi分别表示第i种养分指标的隶属度值和权重系数。

隶属度值表示各养分指标的状态值，根据参评养分元素本研究选择S型隶属度函数，并将曲线型函数转化为相应的折线型函数，以利于计算。

f（x）=0.1 x

权重表示评价指标对评价对象的影响程度或贡献率，目前确定权重系数的方法主要有经验打分法、多元统计相关系数法、主因子分析法、层次分析法、回归分析法。本研究选取相关系数分析法[10，14]。

1.4.2 评价标准 采用全国第二次土壤普查的土壤养分评价分级标准[15]，如表1所示。

与表1土壤养分分级标准相对应，本研究将土壤养分模糊综合评价分级也划分为5级，如表2所示。

1.5 数据处理

运用SPSS 17.0和EXCEL 2003进行统计学分析，运用ArcGIS10.0进行土地统计学分析并制图。

2 结果与分析

2.1 描述性统计分析

研究区各土壤养分指标的统计特征值与分级结果（表3）表明，各土壤养分指标的变异系数均在20%～60%，表现为中等程度变异。其中有机质的变异强度最大，为55%；其次是速效磷和水解氮，分别为39%、38%；速效钾变异强度最小，仅为27%。究其原因可能与农民受“山西土壤缺氮、少磷、钾充足”的观念影响，在施肥时只注重氮、磷肥的施用，而一般不施钾肥有关。不同的农户施肥量可能有所不同，因此也就造成了氮、磷及有机质在土壤中的含量变异程度高于钾的现状。

养分分级结果表明，57.4%的点位土壤有机质含量达到适量水平，19.7%的点位达到丰富水平；所有点位的土壤速效磷含量均达到了丰富水平；速效钾含量全部达到了适量水平；但水解氮含量仅有23.8%的点位达到了适量水平，75.2%的土壤水解氮含量处于贫乏或极贫乏状态。有机质、速效磷、速效钾和水解氮含量的平均值分别为15.90 g/kg、36.28 mg/kg、137.98 mg/kg和47.15 mg/kg，总体上表现为土壤水解氮含量偏低，有机质含量适量，速效磷和速效钾含量相对丰富。为此，建议注重各类氮肥的施用，同时，可以考虑在施肥时少施，甚至不施磷肥。

2.2 土壤养分的模糊综合评价

2.2.1 单项养分指标权重的确定 单项养分指标权重表示各养分指标对作物的影响程度或贡献率。由表4可知，速效磷和有机质对作物的影响程度较大，贡献率达到26%、25%；其次是速效钾和水解氮。

2.2.2 单项养分指标隶属度值的确定 本研究选取土壤有机质、速效磷、速效钾、水解氮4项养分指标作为参评因素，选取S型隶属度函数计算各养分指标的隶属度值。根据前期研究结果，结合大寨地区实际情况确定隶属度函数曲线转折点的取值（表5）。

根据隶属度函数计算得到研究区各样点4项养分指标隶属度函数值（表6）。由表6可知，101个样点指标的隶属度函数值变异系数都比较小，故101个样点可估计研究区4项参评指标的特性及对土壤肥力质量的影响。速效钾和有机质隶属度值最小，表明速效钾和有机质对土壤肥力的作用分值较小；水解氮隶属度值在0.7以上，处于中间状态；速效磷隶属度值为0.98，处于较好的状态。

2.2.3 土壤肥力指数评价 本研究采用土壤肥力指数法中的权重加权求和指数模型[16]法定量化评价大寨海绵田土壤肥力，将评价结果转化成0.1～1.0的数值，得出所有样点的土壤养分模糊综合指数IFI。

土壤养分模糊综合指数IFI特征值（表7）变异系数为0.152，变异强度较弱。且所有样点的IFI值介于0.42～0.79之间，均值为0.61，其偏度值为0.125，呈明显右偏分布，表明其在高值区具有较高的频数分布。根据模糊综合评价分级标准对所有样点养分状况进行进一步分级表明，研究区101个采样点土壤养分综合指数值分布在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级，分别为13、37、27和24个，占总样点的12%、37%、27%和24%，且主要集中在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级，全区没有Ⅴ级土壤，表明研究区土壤有机质和速效养分状况总体上处于适量偏高状态。

2.4 土壤养分空间分布

运用ArcGIS10.0中的克里格最优内插法绘出大寨海绵田土壤有机质和速效养分及综合评价的空间分布图（图1）。由图1可知，大寨典型海绵田耕层土壤养分由南北贯通的中部向东西两侧递减；有机质含量最高值集中在研究区的中心位置，东北、西南向是其低值区，呈现出由中心向四周递减的趋势；速效磷、速效钾的分布呈现出由西北向东南随地势增高而递减的趋势，且速效钾局部地区呈现出高低值交错分布空间格局；土壤水解氮的分布由南北向东北、西南两侧递减，且在南北贯通的中部，局部地区出现水解氮的高值区。

3 小结与讨论

土壤养分的科学评价及分布规律研究一直深受土壤及农学工作者的关注，众多的研究结果表明，土壤有机质和速效养分含量是土壤肥力的重要指标，且在自然和人为因素的综合作用下处于不断变化与更新的状态[1-4]。本研究结果表明，经历了60多年的历史变迁和风风雨雨之后，大寨海绵田土壤所有样点养分水平分布均为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级，且主要分布在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级，没有Ⅴ级土壤，可认为其养分状况处于适量状态。但与1975年土壤测定数据相比[17]，速效磷含量有所增加，水解氮含量有所减少。从各项养分指标的变异系数来看，有机质变异最大，其次是速效磷、水解氮，速效钾的变异系数最小。这可能与农民受“山西土壤缺氮、少磷、钾充足”的观念影响较大，磷肥、氮肥施用较多，钾肥施用较少有关。众所周知，磷肥当季利用率低，在土壤中残留较多，因此多年累积的结果使得研究区内速效磷含量较为丰富。研究区内速效氮含量没有随施氮肥而表现出累积的原因可能与所用氮肥的种类有关，据调查近年来当地所用氮肥多为化肥，有机肥的施用量明显减少，而化学氮肥在土壤中易受土壤水热条件和生物活动的影响，还容易淋失或挥发，故虽然施入较多氮肥，但水解氮含量还是比以前有所降低且处于缺乏状态。为此，建议今后应注重各类氮肥，尤其是有机氮肥的施用，同时，可以考虑少施或隔年施用磷肥，以免造成经济效益不佳，甚至诱发其他微量元素的缺乏。

土壤养分综合评价图显示，大寨海绵田土壤总养分呈现由南北贯穿的中部向东西两侧递减。这可能与东西两侧地势相对较高，南北贯通的中部地区地势相对较低且平坦有关，这与张庆利等[18]研究的土壤质量指数分布是低洼圩区>平原区>丘陵区相一致。同时，研究区不同部位有机质与土壤速效养分也存在着空间差异，有机质的含量与总养分评价空间分布相似，这可能是由于中心地区地势较低且平坦，气温较低，微生物分解速度减慢，矿化作用减弱，导致有机质的富集[13]，同时也说明有机质是土壤养分的重要来源，土壤肥力高低在一定范围内与土壤有机质含量呈正相关；速效磷与速效钾总体上呈现由西北向东南随地势增高递减的趋势，与刘国顺等[19]研究结果一致；水解氮与有机质的空间分布总体上一致，这与马大龙等[20]研究结果一致。而速效钾和水解氮局部地区出现的高低值交叉分布可能与当地居民的施肥管理水平有一定的关系。

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