黄土丘陵区空心村土地复垦后不同年限土壤肥力评价

程 杰, 马增辉, 张 露,3, 魏 静,3, 师晨迪,3

(1.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司, 西安 710075; 2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司, 西安 710075;3.自然资源部 退化及未利用土地整治工程重点实验室, 西安 710000; 4. 西安理工大学 水利水电学院, 西安 710048)

随着工业化、城镇化和农村产业化的深入推进，农村劳动力大量转移，废弃空心村不断涌现，造成了土地资源的大量浪费。空心村往往地理位置条件较好，地势平坦，水源丰富，整治潜力巨大，开展空心村宅基地复垦，不仅能够增加可用耕地的面积，更能够改善农业生产条件、促进乡村区域经济社会的协调发展，是推进乡村振兴的有力措施之一[1-4]。空心村土地因人为活动频繁，土壤紧实度较高[5]，且复垦过程中存在大量的土方推垫，导致重构土体结构性不良、理化性质较差、养分等营养物质贫瘠，整体肥力水平较差[6]。土壤肥力是土壤生产力的基础，是土壤各方面性质的综合表现[7]，直接影响着作物生长及农业生产结构和效益等。因此，探明复垦后新增耕地土壤质量变化，尤其是科学、合理地评价新增耕地土壤肥力，对于区域土地整治后新增耕地土壤质量改良，肥力提升具有一定的现实意义，同时可为指导农业生产提供一定的理论依据[8]。

近年来，土壤肥力评价研究较多，在评价因子上，从单一的作物产量或植物生长状况指标、土壤养分指标到土壤养分、理化性状、生物特征和土壤环境条件等综合性指标研究[8-10]；在评价方法上，主要有数学方法，如因子分析法、层次分析法、神经网络法、聚类分析法等[11-12]，此外，利用GIS技术分析土壤肥力空间变异特征成为了一种新趋势[13]；在评价范围上，主要集中东北黑土区、河西走廊灌溉农业区、关中平原台塬区等成熟的高质量农田[14-16]。结合已有研究发现，在以低肥力为特点的新增耕地，尤其是以空心村土地复垦后的新增耕地肥力研究及评价较少。因此，本研究以陕西省澄城县8个村庄复垦前、后及周边荒草地为研究对象，采用层次分析法计算评价因子权重，构建土壤肥力评价模型，探讨复垦前后及不同复垦年限土壤肥力变化、不同土地利用类型土壤肥力，为土壤肥力恢复与改良，土地的高效利用及可持续利用发展提供理论依据。

1 研究区概况

澄城县位于陕西省关中平原东北部(109°46′30″—110°05′50″E，34°55′45″—35°27′05″N)。地处秦晋豫黄河金三角经济协作区腹地，东邻合阳，南接大荔，西连蒲城、白水，北靠延安市，海拔470～1 285 m。属大陆性季风气候，四季分明，春季温暖干燥，昼夜温差较大，年均气温12℃，年降水量680 mm，无霜期204 d，年日照时数2 616 h，是陕西延安以南热能辐射量最高值中心[17]。土壤主要为黄土，质地、结构较为均一。该区域空心村主要为地上窑村落，因人为活动影响，土壤紧实，容重较大，作物根系难以伸展，且养分水平总体较低，难以满足作物生长所需。通过废弃庄基拆除与清理、老墙土还田、耕作层重建、土地平整工程、田块划分等工程，构建40 cm深的耕作层，以期增加新增耕地，达到玉米、小麦等作物生长要求。

2 材料与方法

2.1 采样与分析

经实地勘察，选择地理条件相对一致、复垦年限各不相同的8个村庄。考虑到耕作层土壤肥力状况对农作物的生长状况最为明显，本研究仅对研究区耕作层(0—30 cm)土壤进行采样分析。为保证样点布置的科学合理性，每个样点根据地块大小和形状按S型布点，随机混合采样，样品在实验室风干后碾磨过0.149，1，2 mm筛备用。采样村庄及复垦年限见表1。根据本文肥力评价因子，选取8个指标进行化验分析，测定指标及方法见表2。

表1 村庄复垦年限

表2 土壤肥力测定指标及方法

2.2 土壤肥力评价模型构建

合适的评价方法是保证评价结果准确、可靠、科学的关键所在，本研究通过参考已有的研究成果，实地走访、咨询相关专家意见，采用层次分析法对空心村及荒草地土壤肥力的权重进行分配，再构建评价模型计算土壤综合肥力指数，进行土壤肥力评价。

2.2.1 评价指标权重确定 (1) 指标选取与判断矩阵。根据稳定性、主导性、可操作性及独立性原则，结合研究区实际情况，选取容重、质地、pH值、电导率、有效磷、速效钾、全氮、有机质8项指标作为土壤肥力评价因子。本文采用层次分析法确定各评价因子权重，因空心村废弃宅基地一般具有小而散的特点，故将每个村庄土壤综合肥力为目标层(A)，土壤物理因子和养分因子为准则层(B)，指标层为容重(C1)、质地(C2)等8项指标(C1—C8)，构成评价指标体系(图1)。采用1—9标度法来定义判断矩阵A=(aij)n×n(表3)[18]，判别矩阵见公式(1)。

(1)

图1 土壤综合肥力评价体系

表3 判断矩阵标度及含义

(2) 权重向量计算与一致性检验。首先采用算术平均值计算权重向量(公式2)，然后进行一致性检验CR=CI/RI。RI值见表4。当CR<0.1时，表明判断矩阵一致性较好。

(2)

式中：w为权重向量；aij为因素i与因素j的重要性之比；akj为因素k与因素j的重要性之比；n为因素个数。

(3)

式中：CI为一致性指标；λmax为判断矩阵最大特征值。

通过上述步骤计算，指标层C对目标层A的排序权重向量分别为0.028，0.75，0.076，0.041，0.303，0.159，0.159，0.159。CR<0.1，符合一致性检验。

2.2.2 模型构建 根据评价因子各级别分值(Fi)与权重值(Ci)建立评价模型[19]：

(4)

式中：Fi为评价因子各级别分值，参照全国第二次土壤普查分级标准进行取值，Fi值为1～6；Hi为评价因子权重。A为各项目土壤肥力综合指数，将A值换算到0～100。

表4 层次分析法的平均随机一致性指标值

3 结果与分析

3.1 空心村土地复垦后肥力改良效果

根据上述评价模型，计算出各土地利用类型下土壤肥力指数A值。空心村土地复垦前后土壤综合肥力改良效果见表5。复垦前A值介于50.57～69.32，复垦后A值介于61.63～72.91，空心村土地复垦后，改良指数表现为段庄村>山头村>沟西村>柳家垣>义合村>高槐村>塔冢村>柳泉村，基本表现为复垦年限越长，改良指数越高，而塔冢村、柳泉村因复垦前土壤肥力指数较高，所以复垦后改良指数提升较小，各村庄平均改良指数20.08%，2006年复垦的段庄村改良指数达到32.76%，改良效果明显，与刘畅等人在山西省泽州县西部郜村空心村复垦后改良指数为27.32%相似[20]。澄县空心村主要为地上窑，地上窑的老墙土具有较高肥力，复垦时通常将老墙土推碎后回填至耕作层中，改善了土壤的结构与组分，增加了有机肥，因而空心村土地复垦后土壤综合肥力较好，改良效果较好。此外，2011年与2012年复垦的沟西村和山头村改良指数均高于25%，其他空心村改良效果与复垦年限呈正相关，表现出随复垦年限的增加，肥力指数、改良指数越高，这可能因为2010年后空心村复垦工艺的提高从而改善了改良效果。

3.2 不同土地利用类型土壤肥力指数分布特征

参照综合评分5级分类法，A≥80为1级，土壤综合肥力质量好；80>A≥60为2级，较好；60>A≥50为3级，中等；50>A≥40为4级，较差；<40为5级，土壤综合肥力质量差[21]。由图2可知，空心村土地复垦后土壤综合肥力质量校好，A值均≥60，为2级，且复垦年限越长肥力指数越高。而空心村土地复垦前，仅塔冢村、柳泉村土壤综合肥力指数较高为2级，其他均为中等水平。村庄附近的荒草地土壤综合肥力水平均≥50，平均值为64.7，表明肥力水平较好，适宜进行土地整治。从不同土地利用类型来看，土壤综合肥力表现为空心村土地复垦后>荒草地>复垦前。空心村土地复垦前由于人类活动频繁，土壤紧实，土层中微生物含量低，土壤有机物少，因而各村庄复垦前肥力水平相对较差；荒草地累积了多年杂草，提高了土壤有机物含量，因而肥力水平均值达到2级水平。

表5 空心村土地复垦后土壤肥力改良评价结果

3.3 影响土壤肥力的主要因子分析

一般常以N，P，K和有机质等养分含量来衡量土壤肥力高低，由于肥力因素众多，很难全面清楚地看出土壤肥力真正的水平高低[22]。图3分析了pH值、电导率、有机质、全氮、有效磷、速效钾与土壤综合肥力指数的相关性，每组24个样本。土壤pH值是土壤主要化学性质之一，反映土层中的酸碱环境，影响微生物活性。由图3可知，土壤pH值与土壤综合肥力指数相关性R2=0.0144，这是由于本研究土壤pH值在6.74～7.69范围内，酸碱环境适中，因而对肥力高低影响较小。电导率与土壤综合肥力指数相关性R2=0.0271，对肥力影响也较小。全氮、有效磷、速效钾与土壤综合肥力指数的相关性R2分别为0.081 9，0.211 2，0.456 1。氮元素是构成土壤肥力的重要物质基础，由于人类居住产生的生活污水及生活垃圾增加了土壤氮的富集，村庄附近全氮含量较高，含量为0.67～1.77 mg/g，因而R2较低。磷、钾元素也是作物生长必不可少的元素之一，提高土壤中磷、钾的含量可显著提高土壤肥力水平[5]。有机质是土壤肥力评价的重要指标，其相关性R2=0.5246，对肥力的影响最大，有机质的积累与转化是土壤内物质能量循环的核心环节，其分解产生的有机酸还能促进土壤矿物质的分解，提高土壤肥力，并可改善土壤结构与水热环境。

图2 不同土地利用类型下土壤肥力指数

图3 评价因子与土壤综合肥力指数的相关性

4 结 论

(1) 空心村土地复垦后，土壤肥力得到明显提升，土壤肥力指数表现为空心村复垦后>荒草地>空心村复垦前，空心村复垦后的土壤肥力改良指数显著高于复垦前及荒草地；(2) 空心村土地复垦后土壤肥力与复垦年限呈正相关，随着复垦年限的增加，肥力指数、改良指数越高；(3) 从有机质、电导率等6个评价因子与土壤综合肥力指数的相关性来看，有机质与土壤综合肥力相关性最高，在后期的空心村整治中可通过提高土壤有机质含量快速提高土壤肥力；(4) 由于时间和精力有限，本研究评价因子未涉及生物指标，后续可优化评价因子体系，分层研究土壤肥力等。