青海省互助县10年耕地土壤养分状况、变化趋势及肥力评价

邓晓倩, 马素娟, 曹晓萍, 王 攀, 安韶山

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨陵 712100; 2.青海省海东市互助县农业技术推广中心, 青海 互助 810599; 3.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨陵 712100)

陆地生态系统中，土壤养分对植物生长和养分循环具有重要的调节作用[1]。土壤碳、氮、磷和钾是生态系统中植物生长和生产的主要竞争性营养资源[2]。我国“十三五”规划提出了现代农业发展的“耕地储粮、减肥增效”国家战略。耕地储粮是指通过培育土壤质量，提高土壤肥力，实现粮食稳定高产[3]。在耕作过程中，随着时间的推移，农村的经营制度、耕作制度、有机肥和化肥施用总量与作物种植结构发生了变化[4]，耕地土壤肥力也会相应发生变化。土壤肥力决定作物的生长和产出，进而决定土地生产力和可持续性[5]。均衡施肥或有机无机肥料配施是维持作物高产、稳产的有效措施，施用化肥过少或过量都会引起土壤质量及生产力下降[6]。土壤肥力是衡量耕地质量的重要指标，与作物的生长状况有着密切的关系，土壤肥力评价能综合评价土壤的基本肥力状况，为作物的生长提供科学的理论指导。在现有评价方法中，常用土壤C，N，P来分析土壤养分情况，或直接将大田产量作为衡量土壤肥力的标准[7]。近年来，学者将聚类分析、因子分析和模糊数学应用于土壤肥力的综合评价[8-9]，其中模糊数学的方法可以通过隶属度描述土壤养分指标的渐变性和模糊性[10]，由于可操作性强、评价结果准确可靠，许多学者在评价土壤肥力时用到该方法[11-14]。

互助土族自治县是全国唯一的土族自治县[15]，总土地面积3 423.9 km2，2019年农业收入占各类产值总收入的59.89%，农业是当地居民收入的主要来源。互助县是青海省重要农业区，改善土壤，科学耕作以提高作物产量对提高当地居民的收入至关重要。自2007年全国第二次土壤调查以来，互助县农业技术推广中心每年进行采样分析，监测土壤理化指标的变化，本文在此基础上，研究互助县自2007年以来耕地中各养分指标的变化，用模糊综合评价的方法对土壤肥力进行评价，为耕地的合理耕种提出建议，对探究耕地可持续耕作、提高作物产量具有一定意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

互助土族自治县(101°46′—102°45′E，36°30′—37°09′N)是青海省海东市下辖县，位于青海省东部、海东市北部，北倚祁连山脉达坂山，与门源回族自治县相连，东北与甘肃省天祝藏族自治县和永登县毗邻，东南与乐都区接壤，西临大通县[16]，总面积3 423.9 km2，包含19个乡镇，294个村庄，总人口40.17万人[17]。互助县地处青藏高原和黄土高原的过渡地带祁连山东段南麓。地势北高南低，最高点为巴扎藏族乡的北沟脑岭，海拔4 484 m，最低点在高寨镇的曹家堡村，海拔2 200 m，县境地势起伏，高差悬殊，“三横三纵”的平行岭谷纵横交错[18]。县境内无湖泊，有大小天然河流8条，均属黄河流域、湟水水系，全长2 895 km，青石岭自西北向东南贯穿全境，把全县自然地分为两大地形单元。互助土族自治县属大陆寒温带气候，冬季受西伯利亚季风和寒流影响，夏季受东南沿海台风影响。年均温5.8℃，极端最高气温为30.3℃，极端最低气温为-26.9℃；年日照时数为2 581.7 h，无霜期114 d，年降水量477.4 mm，年蒸发量1 198.3 mm，年相对湿度63%，年平均风速0.9 m/s，雷暴日数39 d。

1.2 数据获取与分析

本研究的数据来源于互助县农业技术推广中心，样点位置见图1，土壤指标包括pH值、土壤有机质(Soil organic matter, SOM)、全氮(Total nitrogen，TN)、碱解氮(Available nitrogen，AN)、全磷(Total phosphorus，TP)、有效磷(Available phosphorus，AP)、全钾(Total potassium，TK)和速效钾(Available potassium，AK)。采样深度为0—20 cm的土壤耕层，将每个土样混合均匀，室内风干、过筛后进行测定，测定方法为土壤农化分析中常用方法[19]。

图1 研究区样点分布情况

1.3 统计分析

1.3.1 分析软件 首先将数据在SPSS中进行检验，验证其是否符合正态分布。由于数据量大，为了提高数据的准确度，采用3倍标准差法对数据进行初步筛选。用IBM SPSS 24进行数据分析，用Origin 2007及ArcGIS 10.1绘图。

1.3.2 土壤综合肥力指数 在土壤综合肥力指数的计算中，本研究中选用相关系数法确定土壤肥力指标权重，采用模糊数学综合评价法[10]，该评价法使用隶属函数表征指标肥力状况。具体步骤：1) 选取肥力指标与隶属函数；2) 确定隶属函数的转折点；3) 确定指标权重；4) 计算土壤肥力综合指数。

(1) 选取肥力指标与隶属函数。在土壤pH，SOM，TN，AN，TP，AP，TK，AK 8个指标中，由于各指标的量纲不同，没有可比性，故而引入隶属函数将指标归一化。隶属函数是评价指标与作为生长效应曲线相关关系的数学表达式，有“S”型(1)和“抛物线”型函数(2)两种类型[8]。由于SOM，TN，AN，TP，AP，TK，AK这类养分指标在一定范围内增大时，其对肥力的贡献增大，低于和高于一定范围，其贡献率维持在低水平和高水平，符合S型曲线的特征[20]，故这些指标使用“S”型函数。pH值适用于“抛物线”型函数，这类评价因素对作物的生长发育都有一个最适宜范围，超过此范围，偏离程度越大对作物的生长发育越不利[21]。

(1)

(2)

式中:f(x)为某指标的隶属度；x为该指标实测值；x1，x2，x3，x4分别对应该指标的隶属函数转折点。

(2) 确定隶属函数的转折点。结合全国第二次土地调查相关标准[22]及互助县耕地土壤特性，确定隶属函数转折点见表1。

表1 隶属函数转折点

(3)

(4) 计算土壤肥力综合指数。

IFI=∑(qi×wi)

(4)

式中：qi是第i项土壤肥力指标的隶属度；wi是第i项土壤肥力指标的权重系数；IFI值在0～1之间，值越大，表明土壤肥力质量越好[24]。

2 结果与分析

2.1 互助县耕地土壤养分状况描述性统计

由图2看出，2007互助县耕地土壤偏碱性，pH值为7.00～9.20，平均值8.03。SOM，TN，AN，TP，AP，TK和AK的范围分别为2.30～58.60 g/kg，0.33～3.49 g/kg，31.00～204.00 mg/kg，0.91～2.98 g/kg，1.8～51.5 mg/kg，9.40～36.70 g/kg，11.00～460.00 mg/kg；均值分别为26.11 g/kg，1.90 g/kg，112.28 mg/kg，2.05 g/kg，17.78 mg/kg，22.79 g/kg，188.41 mg/kg；其中pH值属于小变异，TN，AN，TP和TK属于中等变异，SOM，AP和AK属于高等变异。结合全国第二次土壤普查土壤养分分级标准[22]，大部分样点的等级都在前三级。

图2 互助县耕地各指标箱线图及土壤质量等级

2016年，互助县耕地土壤偏碱性，pH值为7.00～8.40，平均值7.69。SOM，TN，AN，TP，AP，TK和AK的范围分别为13.90～30.10 g/kg，0.90～3.65 g/kg，91.00～139.40 mg/kg，1.10～4.01 g/kg，2.90～50.30 mg/kg，2.00～28.30 g/kg，105.00～139.00 mg/kg；均值分别为23.93 g/kg，2.36 g/kg，121.97 mg/kg，2.52 g/kg，25.02 mg/kg，14.82 g/kg，127.13 mg/kg；其中pH，AN和AK属于小变异，SOM，TN和TP属于中等变异，AP和TK属于高等变异。大部分样点的等级在前三级。

2.2 互助县2007年、2016年各乡镇土壤养分基本状况

互助县共有19个乡镇，各个乡镇的土壤养分状况不同。2007年各乡镇pH值呈碱性，最小值7.72出现在台子乡，最大值8.2出现在西山乡；SOM的最小值16.16 g/kg出现在蔡家堡乡，最大值47.83 g/kg出现在南门峡镇。由图3看出，SOM的分布呈现出西南低，东北高的趋势；TN的最小值1.34 g/kg出现在西山乡，最大值2.89 g/kg出现在巴扎乡，分布规律与SOM类似；AN最小值78.55 mg/kg出现在西山乡，最大值147.9 mg/kg出现在巴扎乡；TP的最小值1.66 g/kg出现在蔡家堡乡，最大值2.39 g/kg出现在松多藏族乡，乡镇间分布无明显规律；AP的最小值6.77 mg/kg出现在东和乡，最大值29.59 mg/kg出现在红崖子沟乡；TK的最小值18.40 g/kg出现在台子乡，最大值29.50 g/kg出现在丹麻镇，乡镇间分布无明显规律；AK的最小值80.15 mg/kg出现在南门峡镇，最大值378.62 mg/kg出现在哈拉直沟乡。

图3 2007年、2016年互助县各乡镇SOM，TN，TP，TK情况

2016年各乡镇pH最小值7.3出现在哈拉直沟乡，最大值8.01出现在威远镇；SOM的最小值19.70 g/kg出现在哈拉直沟乡，最大值26.23 g/kg出现在东沟乡，与2007年的情况相似，SOM的分布呈现出西南低，东北高的趋势；TN的最小值1.36 g/kg出现在塘川镇，最大值2.74 g/kg出现在东和乡，分布规律与SOM类似；AN最小值110.14 mg/kg出现在五十镇，最大值135.50 mg/kg出现在加定镇；TP的最小值2.09 g/kg出现在塘川乡，最大值2.93 g/kg出现在哈拉直沟乡，乡镇间分布无明显规律；AP的最小值16.55 mg/kg出现在东山乡，最大值31.30 mg/kg出现在林川乡；TK的最小值7.94 g/kg出现在西山乡，最大值24.30 g/kg出现在哈拉直沟乡，各乡镇的TK分布无明显规律；AK的最小值122.29 mg/kg出现在红崖子沟乡，最大值135.00 mg/kg出现在哈拉直沟乡。

由图4看出，2007年互助县各乡镇的碳氮比为4.69～13.33，平均值8.042，2016年，碳氮比为4.85～8.93，平均值5.848。从2007—2016年，大部分乡镇的碳氮比都呈现出下降的趋势，仅有威远镇耕地的碳氮比上升了2.7，所有乡镇平均下降了2.194(27.28%)。

图4 2007年、2016年互助县各乡镇土壤碳氮比

2.3 互助县10年耕地土壤养分的变化

2007—2016年，互助县耕地土壤养分变化见图5，土壤酸碱度变低，各乡镇的酸碱度降低0.09～0.76，所有乡镇平均降低了0.42。SOM，TK和AK分别降低0.06～22.65 g/kg，0.22～18.045 g/kg，16.203～243.615 mg/kg，平均降低2.51 g/kg，7.389 g/kg，63.87 mg/kg；TN，AN，TP和AP分别增加0.14～1.12 g/kg，7.27～43.03 mg/kg，0.02～0.76 g/kg，3.21～20.17 mg/kg平均增加0.52 g/kg，10.92 mg/kg，0.50 g/kg，6.67 mg/kg。土壤肥力指数在这10年中呈现增加的趋势，其中降低的乡镇有6个，降低的值为0.001～0.075，增加的乡镇有10个，增加的值为0.039～0.238，所有乡镇在10年中平均增加0.047。

图5 2007-2016年互助县耕地土壤各养分变化

在10年的耕作中，耕地酸碱度降低了0.418(5.20%)；SOM处于被消耗的状态，SOM的含量降低了2.509 g/kg(9.69%)，TN处于积累的过程中，含量增加了0.516 g/kg(27.45%)，TP处于积累的过程，含量增加了0.498 g/kg(24.41%)，TK处于消耗的过程，含量降低了7.389 g/kg(32.02%)。在后续的耕作过程中，应注重有机肥和钾肥的添加，尤其是丹麻镇。

2.4 互助县耕地土壤肥力评估

各指标隶属度的雷达图可以直接反映单一指标的肥力水平，平均隶属度越大，指标的肥力水平越高。图6为互助县2007年、2016年耕地个肥力指标所对应的平均隶属度雷达图值，其中，2007年和2016年的TN，AN，TP，AP的平均隶属度较高，均在0.800以上，2007年的pH和2016年的TK平均隶属度较低，均在0.500以下，其他肥力指标介于这两个值之间。从2007—2016年，pH，TN，AN，TP，AP的平均隶属度均有明显的上升，而TK和AK的平均隶属度明显下降，这表明在这10年中，全县耕地土壤的碱性情况有明显的改善，TN，AN，TP，AP的肥力水平有所提高，而TK和AK的肥力水平有所下降，在后续的耕作过程中，应注重钾肥的添加。

图6 各肥力指标平均隶属度雷达图

从图7互助县各乡镇土壤肥力指数可以看出，2007年各乡镇土壤肥力的值为0.581～0.915，平均值0.763，各乡镇的肥力指数分布呈现西南低，东北高的趋势。2016年各乡镇土壤肥力的值为0.731～0.848，平均值0.807。2007—2016年，土壤肥力指数整体呈现出增加的趋势，增加的值为0.039～0.238，但在南门峡镇、台子乡、威远镇、丹麻镇、加定镇、松多藏族乡6个乡镇出现了降低的情况，降低的值为0.001～0.075，其中以丹麻镇降低0.075下降的最多，所有乡镇在10年中平均增加了0.044(5.77%)。

图7 各乡镇土壤综合肥力指数

2.5 2007年、2016年各指标关系

如表2所示，在2007年各指标的主成分分析中，各养分指标间相关性显著，除了AN和AP，AN和TK，TP和AP、以及AP和TK，其他养分指标的相关性均达到极显著级别。而在2016年各养分指标之间的关系中(表3)，SOM与TN，AN，TK，AK之间的相关性显著，TN与AP，TP与AP之间的相关性显著。如表4所示，2007年，前两个主成分的贡献率达到73.45%，由图8可知，在前两个主成分中，AN和AP的作用突出。2016年，前两个主成分的贡献率达到79.43%，由图9可知，前两个主成分中，AK和AP的作用突出。

图8 2007年各样点PCA分析

图9 2016年各样点PCA分析

表2 2007年各指标斯皮尔曼相关性系数

表3 2016年各指标斯皮尔曼相关性系数

表4 主成分分值贡献率

3 讨 论

3.1 土壤养分空间变化特征及原因

互助县土壤养分呈现出西南低、东北高的特点。肥力大小的差异是自然成土因素和人为活动长期作用的结果[26-28]，由于成土母质、气候、生物、地形以及土地利用方式等在空间尺度上的不同，导致了土壤肥力状况在空间上的变化[29]。互助县耕地成土母质主要为黄土和黑土，土壤类型以黑钙土、栗钙土、潮土和高山草甸土为主，成土母质和土类是造成土壤养分空间变化的根本原因，通常，成土母质为黑土的土壤SOM高于成土母质为黄土的土壤。互助县种植作物为小麦、青稞、马铃薯、蚕豆等，其中蚕豆因其大且多的根瘤被誉为“生物固氮之王”，种植蚕豆可减少因大量施用化肥而造成的水资源的污染和土壤结构破坏，还可改良土壤肥力[30]，建议在耕作过程中将蚕豆与其他作物轮作，从而改善土壤环境。

互助县以小农经济为主，由于认识水平、家庭经济能力的不同，施肥习惯存在明显的差异，这是造成耕地肥力情况不同的重要原因。2019年，青海省推行“有机肥替代化肥”[31]，在此之前，当地的肥料以尿素、二铵和复合肥等为主，施肥量和肥料配施存在明显区别。在南门峡镇、台子乡、威远镇、丹麻镇、松多藏族乡5个乡镇中，氮肥的施加不到位，导致土壤肥力水平的下降。在后续的耕作活动中，应当注重钾肥的添加，南门峡镇、台子乡、威远镇、丹麻镇、松多藏族乡5个乡镇在注重钾肥添加的同时，应注重氮肥和有机肥的添加。

3.2 土壤养分年份变化特征及原因

10年来，土壤的酸碱性降低，这与张水生[32]和白建忠等[4]的研究结果相同。土壤酸碱性是土壤的一项重要属性，对作物的生长有一定的影响，根据第二次普查农田肥力数据库，互助县耕地土壤的pH值为7.9～8.9，因耕作过程中长期使用酸性复合肥[32-33]，耕地平均酸碱度降低明显。酸碱度变化太大会对作物产生负面影响，所以在日后耕作过程中，要注意平衡土壤的酸碱度，使作物的生长环境良好。10年来，SOM的含量呈现出下降的趋势，随之下降的是土壤碳氮比，一般情况下，耕层的碳氮比在8∶1～15∶1之间[34]，互助县的碳氮比明显偏低，且10年间下降至5.848，这与当地农民的耕种习惯密切相关。土壤TN和AN均呈现出增加趋势，为增加产量，不断施加氮肥，逐年积累，使得氮素的收支处于盈余的状态，多余的氮素被土壤吸附固定，造成土壤的氮含量增加。磷肥的施用能改善土壤有效磷水平，随着施入土壤中的磷肥迅速增加，而植物对施入土壤中的磷肥当季利用率只有5%～15%[35-36]，绝大部分的磷积累于土壤中，造成磷在土壤中的富集，当累积超过一定限度，磷可通过径流、渗透、淋溶等途径向水体迁移，对水体环境产生危害[37]，还可能降低土壤中碳储量[38]。建议后续耕作活动中，减少磷肥的使用，降低环境污染的风险。

耕作过程中，轻钾肥，重氮、磷肥，且存在轻基肥重追肥的情况。科学施肥应当重视基肥的施加，确定合适的基肥追肥比例，提高肥料利用率。作为基肥，氮肥、磷肥和钾肥的比例应当分别控制在60%～70%，100%和50%；作为追肥，氮肥控制在30%～40%，钾肥控制在50%[32]。10年间钾肥的减少量高达32.02%，一方面是因为农民在耕作过程中偏施氮、磷肥，少施或不施钾肥；另一方面是因为作物本身从土壤中带走的钾肥较多，投入和产出不平衡导致土壤钾素不断降低，因此在后续的耕作过程中，应注重钾肥的施加。过多过少的使用化肥都不利于土壤养分补充和粮食生产，确保作物需求量和施肥量之间的养分平衡才是改善土壤性质的必要条件[39]。

4 结 论

互助县的耕地土壤养分状况整体较好，单个指标质量等级均在前三级。由于长期使用酸性复合肥，耕地酸碱度降低5.20%；长期耕种导致耕地肥力消耗，消耗的元素不及时补充，使得SOM含量降低9.69%；TK降低32.02%；土壤碳氮比降低27.28%。互助县耕地土壤的肥力情况呈现西南低，东北高的趋势。土壤综合肥力指数上升5.77%，主要是氮、磷元素升高引起，存在环境污染的风险。在后续的耕作过程中，应注重有机肥和钾肥的添加，秸秆还田，蚕豆与其他作物轮作，少施或不施磷肥，降低环境污染风险，确保耕作环境良好，作物可持续生长。