耕地肥力空间特征与提升策略研究

崔同华

摘 要：土壤是农作物生长的立地基础，对土壤的实际肥力进行全面客观的了解，可以促进肥料的合理施用、土壤养分的有效管理，最终实现农业资源的可持续发展。该研究以北京市平谷区为对象，经过实地调研，确定以土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾作为土壤肥力指标，对土壤肥力进行了多角度分析。结果表明：（1）研究区土壤有机质和全氮在空间上呈北部高、南部较低的变化趋势，速效钾含量在全区均较高，有效磷在重点区含量较高;（2）土壤肥力在土壤剖面中呈现自上而下逐渐递减的规律;（3）全区只有少部分地区存在缺磷限制型耕地;（4）根据研究区大量土壤数据资料，建立耕地质量管理信息系统，可为农业科技人员数据管理和决策提供有力的工具。

关键词：土壤肥力;空间变异;平谷区

中图分类号 S158文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）10-0089-08

Spatial Characteristics  and Improvement Strategies of Cultivated Land Fertility

CUI Tonghua

（Agricultural Technology Extension Station of Pinggu District， Beijing 101200， China）

Abstract： Soil is the site foundation of crop growth. A comprehensive and objective understanding of the actual fertility of soil can promote the rational application of fertilizer and the effective management of soil nutrients， and finally realize the sustainable development of agricultural resources. Taking Pinggu District of Beijing as the research object， this paper established soil organic matter， total nitrogen， available phosphorus and available potassium as soil fertility indexes through field investigation， and carried out multi-angle analysis on soil fertility. Result display：（1） Soil organic matter and total nitrogen in the study area were higher in the north and lower in the south. The content of available potassium was higher in the whole area， and the content of available phosphorus was higher in the key areas;（2） Soil fertility gradually decreases from top to bottom in the soil profile;（3） Only a small part of the whole region has phosphorus deficiency restricted cultivated land;（4） Based on a large amount of soil data in the study area， the cultivated land quality management information system is established to provide a powerful tool for data management and decision-making of agricultural scientists and technicians.

Key words： Soil fertility; Spatial variation; Pinggu district

1 引言

耕地是人类赖以生存的基本资源和条件。耕地除了具备提供粮食、蔬菜、水果等农产品的生产功能外，还具有净化空气、涵养水源、调节气候、防止水土流失、维护生物多样性等生态系统服务功能[1]。耕地质量的好坏不仅决定于耕地生产能力的高低，也包括其维持生态系统和动植物健康而不发生土壤退化以及其他生态环境问题的能力[2-5]。由于长期受到工业污染的影响以及过量施用化肥、农药、抗生素等不合理的生产方式，我国耕地污染呈日益加剧的趋势，耕地质量问题日益突出，区域性耕地退化日趋严重。因此，开展有关耕地质量保护与提升工作对于加强耕地资源保护具有极其重要的意义[5-8]。

目前，对耕地保护的研究主要集中在耕地数量的动态平衡方面，而有关耕地质量方面的关注则较少[9]。摸清耕地质量状况以及开展耕地质量保护与提升试点项目有助于支持化肥减施行动，发展生态循环型农业，提升农产品安全与品质，促进农业可持续发展[10]。本研究以北京市平谷区为对象，经过实地调研，确定以土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾作为土壤肥力指标，对平谷区土壤肥力进行多角度分析，为农业生产提供科学指导[11-13]。

2 材料与方法

2.1 研究区概况 北京市平谷区位于北京市东北部，地处东经116°55′20″～117°24′09″、北纬40°01′44″～40°22′39″之间。占据北京经济区规划的重要位置，南与河北省三河市为邻，北与北京市的密云区相邻，西与顺义区接壤，东南与天津市蓟州区接界，东北与河北省兴隆县毗连（见图1）。占地面积948.24km2，常住人口约45.6万人。位于华北平原北端与燕山南麓交界处[14]，辖2个街道、16个镇、273个村。地形由北、南、东山和中西部平原构成。主要地貌为山地，占平谷区地貌的2/3。山势险峻，地势主要呈西南倾向，且中部山地等高线较为稀疏，其海拔高度一般在11～1230m，因受人类干预少，成为该区域重要的生态涵养区[15]。该区地处季风性气候区，热雨季显著。年平均气温11.7℃，年平均降水量629.4mm，年均日照时数2519h。农业用地类型以果园和耕地为主，其中园地约占68%，耕地占27%左右，地势多为连绵平缓平原且水土條件优于其他部分区域，是北京市主要粮食和蔬菜的生产基地，且粮食作物有水稻、玉米及麦子。

2.2 土壤样品采集与数据处理 本研究共采集土样样品2783个（含剖面样点85个）;其中，重点区（大华山镇、刘家店镇、峪口镇）共采集土样1147个，一般区（其余乡镇）共采集土样1636个（见图2）。在考虑研究区样品的空间代表性和均匀性等实际情况的基础上，在平谷区设置采样点，该采样应尽量避免施肥对土壤样品的干扰，于10—11月农作物已经收获的时间进行采样，并尽量选择在雨后至少3～5d的晴好天气进行，避免其他环境干扰因素。使用GPS精准定位后，先去除土壤表面的枯枝落叶层，用钢制土壤钻，采用“S”法采取5处0～20cm的表层土壤充分混合均匀后，使用四分法装入塑料袋内低温保留土样，低温保存是为了避免其他环境因子引起的实验误差[16]。土样采集完成后，对采样点进行编号并记录位置、耕地利用方式、作物名称等基本信息，本次采样共采集2783个土样。土样约200g左右块状土壤，根据各检测项目方法要求，采用木槌捶打、白色瓷研钵研磨等方法将样品粗磨到-10目（过10目尼龙筛）并混匀。经粗磨后的样品用四分法分成2份，分别装入样品袋中，一份交样品库存放，另一份采用无污染玛瑙罐球磨机细磨到-100目或-200目并混匀装袋备用。粗磨样用于有效磷和速效钾含量分析;-100目的土样用于土壤有机质、土壤全氮分析。本研究对土壤有机质含量的测定方法是采用重铬酸钾外加热法[17];对土壤全氮含量的测定依据《森林土壤氮的测定LY/T1228-2015》测定，并设置重复样来保证实验精度;土壤有效磷依据《土壤检测第7部分：土壤有效磷的测定NY/T1121.7-2014》用ICP-AES法测定;土壤速效钾依据《土壤速效钾和缓效钾的测定NY/T889-2004》，采用乙酸铵浸提-电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）法测定。将所得数据加载到SPPS24中进行描述性分析。

3 结果与分析

3.1 耕地肥力空间分布 对研究区土壤有机质、全氮、速效磷和有效钾进行测定，结果见表1。由表1可知，土壤有机质（SOC）在黄松峪乡黑豆峪村含量最高为113.85g/kg，在马坊镇二条街村含量最低为2.30g/kg，两处用地类型均为果园，全区土壤有机质均值为21.69g/kg;土壤全氮在大华山镇泉水峪村含量最高为10.84g/kg，在马坊镇二条街村含量最低为0.16g/kg，两处用地类型均为果园，全区土壤全氮均值为1.52g/kg;土壤速效钾在峪口镇三白山村含量最高为1250mg/kg，在镇罗营镇西寺峪村含量最低为38.00mg/kg，两处用地类型均为果园，全区土壤速效钾平均值为238.02mg/kg;全区土壤有效磷在峪口镇北杨家桥村含量最高为1349.00mg/kg，在刘家店镇北吉山村含量最低为0.4mg/kg，两处用地类型均为果园，全区土壤有效磷平均值为165.25mg/kg。

为了反映平谷区土壤肥力空间变异特征，本研究采用地统计分析的方法，获取平谷区耕地各土壤肥力指标空间分布情况（见图3）。

根据图3和表2，对各土壤肥力指标空间分布特征分析如下：

（1）土壤有机质。土壤有机质在全区范围内含量均很高，空间上呈中北部高，南部较低的趋势，其中南独乐河镇中上部、黄松峪乡东北部与西南部以及刘家店镇西部、大华山镇北部含量最高，其他地区如夏各庄镇、金海湖镇、镇罗营镇含量也很高，马坊镇、马昌营镇、东高村镇交界处的含量较低，重点区内含量较高。

（2）土壤全氮。土壤全氮在空间上呈中北部高南部低的趋势，在大华山镇北部、东部以及东南部含量最高，南独乐河镇中部、黄松峪乡与金海湖镇交界处含量很高，全区南部乡镇如平谷镇、大兴庄镇等含量较低，重点区含量很高。

（3）土壤速效钾。土壤速效钾在全区范围内含量均很高，其中南独乐河镇中部、刘家店镇中部以及刘家店镇与大华山镇交界处、峪口镇西北部含量最高，其他地区如夏各庄镇、马昌营镇西南部与马坊镇西北部含量很高，镇罗营镇、平谷镇与马昌营镇、东高村镇等镇交界处含量较低，重点区中部含量很高，南部与北部含量较高。

（4）土壤有效磷。土壤有效磷含量在大华山镇中部、大华山镇与刘家店镇交界处、南独乐河镇中部以及南独乐河镇、黄松峪乡、金海湖镇3镇交界处含量最高，除镇罗营镇中部、峪口镇西北部等少数地区含量较高外其余乡镇含量较低，重点区中部含量很高，北部与南部含量较高。

由表2可知，研究区土壤有机质面积加权平均值为21.43g/kg，土壤有机质在黄松峪乡面积加权平均值最高，为26.12g/kg，在马坊镇最低，为17.61g/kg;土壤全氮面积加权平均值为1.48g/kg，在大华山镇面积加权平均值最高，为1.90g/kg，在东高村镇面积加权平均值最低，为1.22g/kg;土壤速效钾面积加权平均值为182.71mg/kg，在刘家店镇与夏各庄镇面积加权平均值最高，分别为217.79mg/kg与208.48mg/kg，在平谷镇最低，为148.26mg/kg;土壤有效磷面积加权平均值为84.22mg/kg，在刘家店镇面积加权平均值最高，为146.31mg/kg，在大华山镇、南独乐河镇、峪口镇面积加权平均值很高，均超过100mg/kg，在金海湖镇最低，仅为38.68mg/kg。各指标含量均属较高水平，表明平谷区土壤肥力水平较高。

3.2 耕地不同层面肥力分布 根据平谷区地貌特征，共采剖面样点85个，其中，果园57个，菜地28个。果园剖面分3层，分别为0～40cm，40～60cm和60～80cm，菜地分0～25cm，25～50cm和50～75cm3层。分别对其土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾进行分析。土壤有机质是土壤固相部分的重要组成成分，尽管土壤有机质的含量只占土壤总量的很小一部分，但其对土壤形成、土壤肥力、环境保护及农林业可持续发展等方面都有着极其重要的作用的意义。平谷区果园剖面土壤有机质含量表层为15.86g/kg，40～60cm层有机质含量为10.5g/kg，相对于表层而言明显降低，在60～80cm层次土壤的含量为8.2g/kg，层次方差分析为0.00，表明土壤有机质含量在0～40cm，40～60cm和60～80cm不同土壤层次间存在显著性差异，土壤层次越深，有机质含量越小（见图4）。菜地不同层次土壤有机质含量同样存在显著性差异，层次方差分析得到sig=0.014<0.05。土壤层次越深，有机质含量越低。表层土壤有机质含量达到14.842g/kg，在25～50cm和50～75cm層次的有机质含量为11.321g/kg、10.038g/kg（见图4）。

氮是土壤养分中最重要的三大元素之一，土壤中的氮素分为有机氮和无机氮，总称为全氮，对土壤及植物起着极其重要的作用。平谷区土壤全氮在表层含量最高，达到1.2g/kg。随着土壤剖面越深，土壤全氮含量逐渐降低，在40～60cm层为0.79g/kg，在60～80cm层为0.62g/kg。层间方差分析得到sig为0.00，说明全氮含量在不同层次间存在显著差异性。同样，菜地不同层次的土壤全氮含量存在极显著性差异，方差分析得到sig=0.00，土壤层次越深，土壤全氮含量越小。在0～25cm层土壤全氮含量为0.997g/kg，25～50cm层含量为0.725g/kg，50～75cm层为0.603g/kg。果园土壤全氮含量高于菜地全氮含量（见图5）。

磷素是土壤养分三要素之一，土壤中有效磷含量与全磷含量之间虽不是直线相关，但当土壤全磷含量低于0.03%时，土壤往往表现缺少有效磷。土壤有效磷是土壤磷素养分供应水平高低的指标，土壤磷素含量高低在一定程度反映了土壤中磷素的贮量和供应能力。平谷区果园剖面土壤有效磷含量呈现出随深度增加逐渐下降的趋势，在0～40cm处的表层土壤有效磷含量为86.91mg/kg，在40～60cm层含量最低，为42.51mg/kg。在60～80cm层土壤有效磷含量为74.91mg/kg。层间方差分析为sig=0.452，远大于0.05，表明不同果园剖面层次之间无显著性差异。菜地剖面土壤有效磷含量的趋势为深度越大，含量越低。其中25～50cm层次的有效磷含量最高，为50.046mg/kg，表层土壤含量为23.7mg/kg，50～75cm处层次的含量为13.689mg/kg，含量最低。方差分析结果位sig=0.571，不同土壤层次无显著性差异（见图6）。

钾是土壤养分三要素之一，土壤中钾分为速效钾和缓效钾。通常土壤中存在水溶性钾，因为这部分钾能很快地被植物吸收利用，故称为速效钾，对植物生长有着非常重要的作用。平谷区果园剖面0～40cm层土壤速效钾含量为155mg/kg，40～60cm层含量为110mg/kg，60～80cm为138.1mg/kg。剖面土壤速效钾含量整体上存在随着深度增加而减小的趋势。层间方差分析得到sig=0.09>0.05，表明不同土壤层次差异性不显著。菜地剖面同样存在土壤速效钾含量随着土壤剖面深度增加而减小的趋势。层间方差sig=0.089>0.05，菜地不同层次土壤速效钾含量差异性不显著（见图7）。

3.3 耕地质量障碍与提升策略

3.3.1 耕地质量障碍 土壤中的障碍因子是指土体中妨碍植物正常生长发育的性质或形态特征，其具有种类复杂、原因多样的特点。针对平谷区的土壤特点和利用情况，将限制植物生长的障碍因子分为3类限制因素和限制指标进行分析，具体分类见表3。

通过对平谷区土地进行调查，可以看出全区大部分土壤状态良好，土壤肥力较高，保水保肥能力较强，无缺钾限制和脊瘦限制，只有少部分地区存在缺磷限制（见表4）。从表4可以看出，平谷区的障碍类型主要有1类即缺磷限制。

缺磷限制在平谷区占比极少仅为0.08%，且分布位置相对集中都位于夏各庄镇（见图8）。

3.3.2 提升策略 （1）平谷区玉米的直接还田比例达到63.54%，还田率偏低。因此，今后应全面落实小麦、玉米秸秆直接还田技术，增加土壤有机质含量。

（2）搞好堆肥、沤肥、沼气肥、压绿肥，从根本上增加农家肥的用量，加大有机肥的施用量。增施有机肥可以适当减少无机肥料的投入。以鸡粪、猪粪与牛粪为主要有机肥料，按其含氮磷钾平均值，作为有机肥用量依据，每施加100kg有机肥，可为土壤提供氮肥0.65kg，磷肥0.58kg，钾肥0.5kg，同时可以提供多种作物必需的微量元素。在春玉米收获前，7—8月前，将二月兰种子撒于玉米行间，或在春玉米收获后播种。在翌年4—5月，将二月兰旋耕翻压做绿肥，补充土壤有机质、提高土壤肥力，再进行春玉米播种。形成春玉米—二月兰的轮套作模式，充分利用秋季及早春的光热水资源，提高土地利用率;在冬季及早春起到覆盖裸露土壤、防风固沙、美化田园的作用。

（3）推进土壤深耕深松技术，深翻厚度为30cm，有效改善土壤物理性质，按照区域布局合理调节种植制度，部分地区推广一年两熟改为一年一熟，减少复种指数合理养地。

3.4 耕地肥力信息管理系统 为更方便归纳海量的土壤数据资料，改变长期以来土肥资料储存、管理和分析传统手段的落后面貌，利用地理信息系统技术、数据库技术，结合已有数据，建立平谷区耕地质量管理信息系统，采用现代技术手段提高数据管理、分析的效率和可视化程度，为农业科技人员数据管理和决策提供有力工具。该系统的建立为促进数字农业的发展，建立智能化、综合性农业空间信息管理提供技术平台。

系统可以实现基础数据库管理、查询和动态更新，基于地块的土壤质量评价，区域尺度的土壤质量预警評价，专题图件和决策报表的打印输出，指导县域内土壤资源管理决策。

系统利用平谷区的土壤和作物信息作为原始数据，以面向对象的编程语言Delphi建立应用框架，以Access作为后台数据库，将GIS软件的功能组件和作物管理知识模型构件紧密地结合在统一的界面下，实现系统各功能部件间的高效通讯和无缝集成，建立了一个集土壤信息管理与查询、耕地质量评价、预警和GIS图形信息管理于一体的养分资源综合管理信息系统。系统实现流程如图9所示。

3.4.1 系统开发环境 系统开发硬件环境：高档微机，内存256M以上，CPU1.7GHz以上，硬盘存贮空间20G以上，可选扫描仪、绘图仪等输入输出设备。系统开发软件环境：Windows XP/Window 7/sever 2010，数据库Access2003、SQL Server2000，SuperMap Objects+SuperMap IS.NET。编程语言采用Delphi 7.0+;数据库连接采用ADO（ADO.NET）数据库访问对象。

3.4.2 系统运行环境 客户端运行环境：高档微机，内存256M以上，CPU1.7GHz以上，硬盘存贮空间20G以上，Windows XP/Windows 7系统，Access2003以上版本，SuperMap Objects Runtime。

3.4.3 数据库建设 （1）数据库类型：数据库设计充分参考现有农业部“县域土壤资源管理信息系统数据字典”“土地利用数据库标准”，并结合北京市实际情况进行适当扩展，从而确保数据库的标准化和模型库、方法库与数据库的相对独立性。具体数据库的建立流程如图10所示。

第1类是空间数据初始空间数据，包括第二次土壤普查系列专题图件。通过扫描仪将纸质地图转换为柵格图像后，经过矢量化和拓扑处理生成，包括土壤类型图、土壤理化采样点分布图;技术生成具有正确拓扑关系的矢量数据结构地图，也可以使用GPS采集农田坐标和采样点坐标形成地图。本系统中土壤图、土地利用图、农田地块图、采样点图、基础地理要素图等均属空间数据，输入模式按其性质分别选用Polygon、line和Point。

第2类是属性数据，这类数据一般与地理要素相关，都有索引字段记录所在的要素，以进行地图要素与属性数据的匹配，本系统主要包括土壤（土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量、有效态微量元素含量、重金属含量、pH值、容重、质地、剖面构型、障碍层等数据）、农田基本信息（地块编号、地块面积、地面高程、坡度、权属、土地利用类型、农田管理措施、投入产出情况、水利配套设施等资料）、作物生长状况等。对采样点数据采用地统计学插值方法进行最优无偏插值，可获得土壤属性的等值线图，并在此基础上采用ArcGIS的区统计功能（Zonal Statistics）获取图斑的属性并添加到属性数据库中，从而能更精确地完成采样点数据由点到面的扩展。

第3类是运行系统模型所需的数据（作物品种、目标产量、生长季节的气象数据、土壤环境质量的相关评价标准和模型运算的参数等）和模型运行结果的数据。

（2）数据库标准化：为了实现数据库的标准化和规范化，使其具有较强的可操作性和完整的容错性，便于与其他常用格式转换进行数据共享，并实现开发和维护并重。本项目参照农业部制定的《县域耕地资源管理信息系统数据字典》，制定了属性数据系列标准化格式，包括：行政区划属性数据标准化格式;土地利用现状属性数据标准化格式;道路和水系属性数据标准化格式;土壤属性数据标准化格式等。

3.4.4 模块设计 在标准化数据库和模型参数数据库基础上，采用组件化模型库设计方法，在规定的接口标准条件下，实现模型的动态更新以及模型与数据库系统的相对独立性。

4 结论

（1）研究区土壤有机质在全区范围内含量均很高，空间上呈中北部高、南部较低的趋势，在黄松峪乡黑豆峪村含量最高可达到113.85g/kg;土壤全氮在空间上呈中北部高南部低的趋势，在大华山镇北部、东部以及东南部含量最高达到10.84g/kg;土壤速效钾在全区范围内含量均很高，平均值为238.02mg/kg;土壤有效磷含量在大华山镇中部、大华山镇与刘家店镇交界处、南独乐河镇中部以及南独乐河镇、黄松峪乡、金海湖镇3镇交界处含量最高，除镇罗营镇中部、峪口镇西北部等少数地区含量较高外其余乡镇含量较低，最低值仅为0.41mg/kg。

（2）土壤有机质含量从表层到低层呈现明显降低的趋势;全氮在表层含量最高，随着土壤剖面越深，全氮含量逐渐降低;剖面土壤速效钾含量整体上呈现随着深度增加而减小的趋势;土壤有效磷含量呈现随着深度增加逐渐下降的趋势。

（3）平谷区的障碍类型主要为缺磷限制。缺磷限制在平谷区占比极少仅为0.08%，且分布位置相对集中都位于夏各庄镇。

（4）根据平谷土壤质量调查结果，土壤质量提升应结合作物需肥情况，坚持以有机肥为主，并配以适当的化肥，调节土壤中养分和微量元素的结构。缺磷限制区以鸡粪、猪粪与牛粪为主要有机肥料，为土壤提供磷肥。多种技术联合使用，提升土壤质量。

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