农产品地理标志保护区土壤养分特征评估——以山西省翼城县苹果园为例

姚钧丰，吴艳艳

（1.山西省应用化学研究所/山西省化肥农药产品质量监督检验站，太原030027；2.东北师范大学地理科学学院，长春130024）

20世纪60年代以来，学者们开始对苹果果园土壤展开深入研究。土壤肥力是土壤质量的重要组成部分［1］。近年来，有关土壤养分的研究甚多，刘洪坤等［2］采用大田控制试验和室内分析相结合方法，研究不同耕作方式对果园土壤养分的影响；王根旺等［3］、居玛汗·卡斯木等［4］、陈翠霞等［5］集中研究黄土高原地区苹果连片栽培区土壤肥力评价。还有学者基于实地调查研究，通过土壤样品采集测定分析多种微量元素含量及土壤养分水平［6-10］。目前已有的研究方法有传统统计学方法、隶属度函数、地统计方法、土壤养分分级指标评价、主成分分析法等［11-13］。果园土壤的养分消耗远高于农田，随着种植年限的延长，致使其土壤养分含量普遍偏低，果园减产严重［14-16］。因此，综合测定、分析具有农产品地理标志的翼城苹果地域标志保护区内土壤养分含量及丰富度，对增加果园产量、提升品牌知名度、指导科学施肥具有重大意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

根据《农产品地理标志登记管理办法》的规定，2020年山西省地理标志农产品数量155个，2017年翼城苹果（AGI02163）正式划定翼城苹果地理标志地域保护范围，即翼城县的隆化镇、王庄乡、南梁镇、里砦镇、南唐乡、中卫乡、浇底乡、唐兴镇8个乡镇，位于山西省临汾市东南，属暖温带大陆性气候，111°34'48″—112°01'29″E，35°37'10″—35°50'35″N。翼城苹果种植面积10 000 hm2，年产量45万t。

1.2 数据来源

土壤样品采集参照《NYT1121.1—2006土壤检测》进行选取采集，本次共采集样品点300处，其中，里砦25份、隆化228份、南唐6份、唐兴6份、王庄26份、中卫9份，在地域范围上包含保护区内的6个镇区所辖32个村（图1）。其中，全氮采用半微量开氏法测定；碱解氮、有效磷、速效钾养分检测均采用联合浸提比色法测定；有机质采用硫酸重铬酸钾氧化（油裕）-滴定法测定；有效硫采用磷酸盐乙酸溶液浸提法测定；有效铜、有效锌、有效铁、有效锰采用火焰原子吸收分光光度法测定；有效钼采用草酸-草酸铵（1∶10）-极谱法测定；水溶硼采用甲亚胺-H比色法测定。

图1 采样点分布范围

2 研究方法

2.1 果园土壤肥力单项指标评价

基于国内外土壤肥力评价已有研究成果，结合华北地区、黄土高原地区土壤基本特征，本研究选取全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质、有效硫、有效铜、有效锌、有效铁、有效锰、有效钼和水溶硼12个指标。借助SPSS 22.0软件和ArcGIS空间分析软件对试验数据处理结果进行统计分析［17-19］。SPSS 22.0软件主要进行样本的数据收集整理及描述性统计分析、相关性检验分析等，ArcGIS空间分析主要是进行样本点空间分布分析及土壤养分含量空间分异呈现等。主要应用密度分析（Density）及克里金法（Kriging）。密度分析主要是利用某函数根据点要素计算每单位面积的量值，以求达到将各个点拟合为光滑圆锥表面。克里金法是基于已有的观测样点值以及某种半变异函数对观测样点插值的地统计学方法，可以对空间插值样点做出最优无偏估计。

2.2 确定指标权重

各种土壤因子对土壤肥力水平的贡献和作用不同，为避免人为主观因素影响，本研究采用相关系数法确定各肥力指标的权重。各指标相关系数的计算通过SPSS 22.0软件完成，再求其均值，各指标权重取相关系数均值与均值综合的比值。

2.3 果园土壤养分标准化

土壤养分标准化可以消除量纲影响，是农田和林地土壤养分比较研究中常用有效指标之一［4］。其计算公式如下：

式中，Si为各养分指标的隶属度值；Ni为各养分指标的原始值；Nimin、Nimax分别为第i项养分指标原始值的最小值和最大值。

2.4 果园土壤肥力综合评价

构建果园土壤肥力综合指数（Integrated fertility index，IFI）测定土壤肥力，具体公式为：

式中，IFI为果园土壤肥力综合指数；wi为第i个评价指标权重；Si为果园土壤养分指数；i的取值范围为1～12。基于翼城县土壤肥力综合指数实际状况，本研究采用自然断点法［20］将果园土壤肥力空间分布进行等级划分（1级至5级肥力区），以实现群组内差异最小化，群组间不同最大化。

3 结果与分析

3.1 果园土壤肥力指标统计特征分析

3.1.1 各指标权重确定由表1可知，全氮与碱解氮、有效磷的相关系数分别为0.999、0.273，分别呈极显著和显著正相关；碱解氮与有效磷呈极显著正相关；有效磷与速效钾、有机质呈显著正相关，相关系数分别为0.142、0.155，与有效铁呈显著负相关，相关系数为-0.158；有效硫与有效锌相关系数为0.179，呈显著正相关，与水溶硼的相关系数为-0.169，呈显著负相关；有效铜与有效铁呈显著负相关，与水溶硼呈显著负相关，相关系数分别为-0.207、-0.145；有效锌与有效锰呈显著负相关，与水溶硼呈显著正相关，相关系数分别为-0.260、0.141；有效铁与水溶硼呈显著正相关，相关系数为0.146。

指标权重反映参评因子影响大小，评价结果是否准确关键在于指标权重的确定。目前，权重的确定方法有很多，如主成分分析法、层次分析法、灰色关联度法等。在本研究中，采用相关系数法确定评价指标的权重，可以有效避免人为主观因素对评价结果的影响。首先计算单项评价指标之间的相关系数，构建相关系数矩阵如表1所示，再根据相关系数矩阵将单项肥力指标的相关系数平均值占所有指标相关系数平均值总和的比作为该项指标的权重，由此计算得到各项肥力指标权重值。

3.1.2 各指标肥力统计由表2可知，全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质、有效硫、有效铜、有效锌、有效铁、有效锰、水溶硼和有效钼的平均值分别为137.03、126.19、2.88、219.75、653.00、46.28、0.99、1.14、7.02、13.91、0.42、0.09 mg/kg。有效磷的最大值是最小值的114倍。有机质和全氮最大值分别为1 200.00、425.90 mg/kg，两者皆属于贫瘠水平。

变异系数表示土壤特性空间变异性大小，当CV≤10%时为弱变异，10%＜CV＜100%时为中等变异，CV≥100%时为强变异。从变异系数来看，有效硫、有效锰、有效铜、有效锌的变异系数分别为2.08%、6.51%、9.66%、10.00%，为弱变异，在空间分布上较稳定；中等变异表现为有效铁（13.89%）＜水溶硼（15.93%）＜有效钼（19.16%）＜有机质（26.87%）＜全氮（37.58%）＜碱解氮（40.92%）＜速效钾（48.82%）；有效磷变异系数为110.39%，表现在空间分布上极不均匀，为强变异，这可能与土壤中物理化学反应及磷肥施用有关。

表1 各肥力指标相关系数及指标权重

表2 各肥力指标及综合肥力指标描述性统计

结合表2和图2的趋势分析，区域土壤属性在空间分布上共有的趋势性特征源于地形、母质等多因素的相互作用。在东北-西南方向上，全氮、有效磷、速效钾表现出一阶趋势效应，肥力指数变化相对缓和，碱解氮、有机质、有效铜、有效铁、有效锰、水溶硼表现为二阶趋势效应变化，有效硫、有效锌、有效钼表现为“U型”趋势分布。在西北-东南方向上，水溶硼为一阶趋势效应，全氮、碱解氮、有效磷、有机质、有效锌表现为二阶趋势效应变化，有效硫、有效铜、有效铁、有效钼为“U型”分布，速效钾、有效锰为“倒U型”分布。

图2 各肥力指标趋势分析

3.2 果园土壤肥力综合评价

基于以上12种肥力指标，通过土壤肥力综合指数，采用自然断点法将研究区范围内果园土壤肥力划分为5级（图3），达到群组内差异最小化，群组间不同最大化。

图3 土壤肥力空间分布

土壤肥力分布范围为0.23～0.72，依据自然断裂点分别划分为：1级肥力区［0.48～0.72）、2级肥力区［0.40～0.48）、3级肥力区［0.35～0.40）、4级肥力区［0.30～0.35）和5级肥力区［0.23～0.30）。由图3、图4可知，研究区域内土壤肥力水平呈斑块状或条带状分布。1级肥力区占比为4.68%，主要分布在隆华镇的牢寨村、上石门、下石门及北捍；2级肥力区占比为19.73%，主要分布在隆化村、北卫村、南卫村等；3级肥力区占比为35.12%，主要分布在隆华镇上吴村，王庄乡北治村，里砦镇老官庄、南韩村，唐兴镇南官庄，南唐镇北塘村；4级肥力区占比为28.43%，主要分布在里砦镇北史村、北唐村，隆华镇上吴村，中卫乡东上卫村等；其余斑块为5级肥力区，占比为12.04%。通过地统计学分析，在东北-西南方向上呈稳定分布，在西北-东南方向上呈先增后减的二阶变化趋势（图5）。

图4 不同肥力等级土壤占比

图5 土壤肥力空间变异趋势分析

4 小结与讨论

以翼城县苹果园为研究对象，本研究对12项土壤肥力指标及土壤肥力综合水平进行空间测度。结果表明，在翼城县果园中，有效硫、有效锰、有效铜、有效锌为弱变异，全氮、碱解氮、速效钾、有机质、有效铁、水溶硼、有效钼为中等变异，有效磷为强变异。果园土壤肥力分布范围为0.23～0.72，以3级肥力区［0.35～0.40）和4级肥力区［0.30～0.35）为主，占比分别为35.12%、28.43%，总体上属于贫瘠水平。在各肥力指标变异规律的研究中，缺少土壤肥力指标的时间变化特征分析；对于土壤肥力评价的研究仅基于表层土壤，缺乏更多土层的研究。在今后的研究中，可以纳入生物学指标来测度土壤肥力，更精确测度有机肥代替化肥施用对果园土壤养分的贡献，以此来指导生产实践。