山东省临沭县北部土壤养分特征及综合肥力评价

李莎 胡自远 张永帅 孙振洲 邓清海 李付全

摘要： 在山东省临沭县北部农耕区进行耕层土壤样品采集，并测定土壤pH、有机质、全量及速效氮磷钾等养分指标来表征土壤肥力，运用因子分析法、聚类分析法计算出所有样本土壤养分综合评价值并进行等级划分来评价土壤肥力。结果表明临沭县北部土壤酸化严重，有机质和全氮、速效钾含量较低，全钾、全磷、碱解氮、速效磷比较丰富。因子分析显示TN、OM、AK、AP、TP、pH是影响临沭县北部土壤养分综合状况的主要因素。临沭县北部土壤肥力水平偏低；土壤养分综合评价值（IFI）具体表现为：郑山街道>青云镇>玉山镇>临沭街道>蛟龙镇。

关键词： 土壤养分；综合肥力；土壤酸化；山东省临沭县

中图分类号： TN929.5     文献标识码： A    doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.03.013

引文格式： 李莎，胡自远，张永帅，等.山东省临沭县北部土壤养分特征及综合肥力评价［J］.山东国土资源，2023，39（3）：88 95.LI Sha， HU Ziyuan， ZHANG Yongshuai， et al. Soil Nutrient Characteristics and Comprehensive Fertility Evaluation in the North of Linshu County［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（3）：88 95.

0 引言

土壤肥力是土壤的本质属性， 是土壤各种性质的综合表现，土壤肥力反映了土壤为植物提供适宜条件的能力［1 3］。临沭县北部以农业为主，近年来随着有机肥、化肥等农作物营养物质的不合理施用，造成了农业面源污染有不断加重的趋势，受污染的农田比例逐步上升，农业面源污染造成土壤板结、水土流失，影响农产品质量安全，同时也是导致农业生态环境恶化和资源退化的重要因素［4］。因此，开展土壤养分特征研究和土壤肥力水平评价对于摸清土壤本底、掌握土壤质量变化、指导科学施肥管理、实现农业绿色可持续发展具有重要的意义。目前国内外在评价土壤肥力时采用的方法主要有因子分析法［5］、主成分分析法［6］、灰色关联度法［7］、聚类分析法［8］、模糊数学法［9］、内梅罗指数法［10］等。其中，因子分析可以通过降维的方式，通过提取少数公共因子就能够解释原始数据，从而简化数据，使得因子变量更具有可解释性，命名清晰性更高，利于对客观现象进行科学评价。在应用上，因子分析法侧重于信息贡献影响力综合评价，但若结合聚类分析法，可以实现对土壤养分质量进行较精确的评价，从而更好、更真实地反应土壤的养分综合状况［11］。因此，本文在充分分析前人研究的基础上，选取pH、OM、TN、TP、TK、AN、AK、AP为评价指标，分析临沭县北部土壤养分含量及分布，并基于因子 聚类分析法对研究区土壤肥力进行综合评价，可为临沭县北部农田土壤的改良、培肥提供基础数据资料，为土地资源高效利用、现代农业可持续发展和高标准农田建设等提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山东省临沂市的东南部，范围包括临沭街道、郑山街道2个街道，蛟龙镇、青云镇、玉山镇等3个镇。研究区属于暖温带季风气候，年日照时数为2459h，年平均气温在12.7℃，年均无霜期积温4238.1℃，全县多年平均降雨量为852mm，全县年均水面蒸发量1036.3mm。研究区属于剥蚀缓坡丘陵区，地势东北部高，西部和南部低，呈扇形倾斜状态，境内地貌以缓坡丘陵为主，大致分为低山、丘陵、平原3种类型。研究区大地构造位于秦岭 大別 苏鲁造山带（Ⅰ）胶南 威海隆起区（Ⅱ）胶南隆起（Ⅲ）胶南断隆（Ⅳ）洙边凸起和临沭断隆（Ⅳ）临沭凹陷。研究区土壤主要有粗骨土、棕壤、褐土、潮土和砂姜黑土5个土类。粗骨土分为酸性粗骨土、中性粗骨土、钙质粗骨土3个亚类；棕壤分为棕壤、白浆化棕壤、潮棕壤3个亚类，主要分布于临沭县东部、南部和东北部山区丘陵地带；褐土分为褐土、淋溶褐土、潮褐土3个亚类，主要分布在西部近沭河沿岸白旄西部同马岭斜向西南，经华山岭至南古的北部土岭；潮土分为潮土、湿潮土2个亚类，是直接在河流沉积物上发育、受地下水影响作用的一种土壤，养分含量高，主要分布在沭河沿岸较平坦地带；砂姜黑土一个亚类主要分布在牛腿沟两侧，包括青云镇的季岭，临沭镇的高湖，郑山街道西湖等低洼地带。

1.2 样品采集与分析

土壤样品采集遵循网格加图斑的原则，严格按照《土地质量地球化学评价规范》《山东省1 ∶ 50000土地质量地球化学调查评价技术要求》执行，以农用地为主，并兼顾少量建设用地，采样以GPS定位点为中心，向四周辐射15～50m确定4个分样点，等份组合成一个混合样，采样深度为20cm，单样均重大于1.5kg，共采集样品144件，平均采样密度为4个/km2，其分布如图1。

土壤样品分析测试由山东省第七地质大队实验室完成，分析指标为pH、OM、TN、AN、TP、AP、TK、AK 共8项。分析用到的仪器主要有PE600石墨炉原子吸收光谱仪、AvioTM 200全谱直读电感耦合等离子体发射光谱仪、AFS 9750型原子荧光光度计、K1100F全自动凯氏定氮仪、PHS 3C型pH计为主，辅以其他灵敏度较高的专项分析仪器，分析方法及检出限见表1。分析检测过程插入14件国家一级标准物质，质量水平为：一级标准物质总体合格率为100%，分别统计的各元素合格率均为100%。

1.3 评价方法

1.3.1 土壤养分描述性统计

对7项养分指标及pH数据进行分析整理，统计分析项目包括算数平均值、标准差、变异系数、最大值、最小值、极差等参数。

1.3.2 土壤养分分级评价

根据全国第二次土壤普查养分分级标准和现有文献［12 13］，将土壤中TN、TP、TK、OM、AN、AP、AK按元素含量划分为5个等级如表2。此外，土壤pH小于4.5为强酸性，4.5～5.5为酸性，5.5～6.5为弱酸性，6.5～7.5为中性，7.5～8.5为弱碱性，8.5～9.5为碱性。

1.3.3 因子 聚类分析法

本文采集了临沭北部地区的144个有效态监测数据，运用因子分析法、聚類分析法对临沭县北部土壤肥力进行综合评价。

首先利用公式（1）对数据进行标准化处理［14］，然后通过因子分析法计算出临沭县北部调查指标的因子特征值、特征向量和因子累计贡献率；

X1i= Xi-   S       （式1）

式中： Xi和  分别为原始数据和数据均值；  S  为数据标准差。

第二步，根据因子累计贡献率，选择公因子，计算各因子得分，即将因子得分系数矩阵与标准化数据相乘得到每个点位的因子得分F；然后根据模糊数学加乘法原则，利用式（2）求出反映土壤肥力的综合性指标值（Integrated fertility index， IFI）  ［15 16］；

IFI=∑niMiFi   （式2）

式中： Mi为第i个因子贡献率；Fi为第i 个因子得分。

第三步，根据得出的 IFI 值，采用组间连接法对土壤样品进行系统聚类分析，并划分评价其土壤肥力高低［11］。

具体评价时，因子分析和聚类分析的各个过程采用SPSS20.0软件实现。

2 结果与分析

2.1 土壤养分概况

通过对TN、TP、TK、OM、AN、AK、AP7种指标描述性分析得出临沭县北部土壤养分概况，从表3可看出，其均值分别为0.94、0.96、26.85、15.14、0.16、0.16、0.07，TK远高于其他指标。土壤特性空间变异性的大小通常用变异系数（CV）来表示，CV≤10%为变异性小，10%

2.2 土壤养分分级评价

对临沭县北部土壤养分进行分级评价如表4，临沭县北部区域内有65.07%的土壤TN处于中等以下水平，有20.55%的土壤AN处于中等以下水平，总体说明区域内氮元素含量较为缺乏；区域内TP、AP处于中等以下的占比分别为19.86%、2.74%，并且其处于中等以上丰富、较丰富水平的占比分别为80.14%、90.41%，说明研究区域内磷元素处于较丰富状态；区域内TK有98.63%的占比处于丰富状态，但是AK仅有23.03%处于丰富状态；整体来看区域内土壤处于酸性状态，酸性、强酸性总共占比87.67%，其中强酸性占比高达30.82%，说明此区域土壤酸化严重。

2.3 土壤养分分布特征

图2为各土壤养分分布特征图，从图中可看出各养分的分布特征：

TN分布特征：等级丰富和较丰富的土壤呈间杂状分布，面积局限，主要分布在沭河以东的郑山街道西北部和青云镇的西南部；等级中等的土壤呈块状在研究区内不均匀分布，整体分布于研究区的中西部及东南部；等级较缺乏的土壤基本分布在临沭街道的北部和南部、玉山镇的中西部大部分地区和东北部、蛟龙镇的北部和南部等地区；等级缺乏的土壤分布比较集中，主要分布在青云镇的中部和东部大部分地区及西部小部分地区、玉山镇中东部大部分地区和西北部地区、临沭街道的南部地区，其他地区零星分布。

TP分布特征：等级丰富和较丰富的土壤分布较广，在研究区内呈大面积分布，除临沭街道分布较少外，其他乡镇街道均有大量分布；等级中等的土壤呈块状在研究区内不均匀分布，主要分布在临沭街道的北部和南部、青云镇的东北部、东南部和西部小部分地区、玉山镇的东南部、蛟龙镇的北部和南部；等级缺乏和较缺乏的土壤分布较少，在研究区内呈块状零星分布，在临沭街道的北部、蛟龙镇的西南部和青云镇的西部分别较多。

TK分布特征：等级丰富和较丰富的土壤整体呈面状广泛分布，研究区北部土壤富钾水平明显高于南部，等级丰富的土壤主要集中分布在青云镇大部、临沭街道中部及北部、玉山镇中部及东部、郑山街道东部，呈带状分布，等级较丰富的土壤主要集中在郑山街道西部、玉山镇西部、蛟龙镇南部、临沭街道东南部和西南部；等级中等的土壤主要在研究区呈点状分布，主要分布在郑山街道西部少部分地区、玉山镇西部少部分地区；含量缺乏的土壤分布很少，在研究区内呈点状零星分布。

OM分布特征：等级丰富和较丰富的土壤分布总量较少，多呈间杂状分布郑山街道西北部、青云镇西南部小部分地区；等级中等的土壤分布面积在研究区内块状分布，主要在郑山街道中部大部分地区、青云镇西南部、临沭街道西部；等级较缺乏的土壤占据了研究区相当广泛的面积，主要在临沭街道大部分地区、蛟龙镇大部分地区、青云镇中部和南部大部分地区、玉山镇中西部大部分地区；等级缺乏的土壤分布主要集中在青云镇北部和东部、玉山镇东部和西北部，在其他地区呈块状零散分布。

AN分布特征：等级丰富和较丰富的区域互相伴生分布，主要分布在玉山镇大部分地区、蛟龙镇大部分地区、临沭街道中部和南部大部分地区、郑山街道大部分地区、青云镇中部大部分地区；等级中等的土壤在研究区的凌山头水库附近，主要分布在青云镇东部、临沭街道北部和玉山镇西部，其余地方间或分布；等级较缺乏和缺乏的土壤在研究区内呈点带状互相伴生分布，主要分布在青云镇东部、郑山街道东北部。

AP分布特征：等级丰富的区域较广，在研究区大部分地区呈大面积分布，除郑山街道外，其他乡镇街道均大量分布；等级较丰富的土壤主要分布在研究区中部，呈块状小面积分布，主要分布在郑山街道东北部、临沭街道东北部、玉山镇西部、青云镇东部；等级中等的土壤分布较少，主要在郑山街道东北部、临沭街道东北部、玉山镇西部呈点块状分布，其他地区分布很少；等级较缺乏的土壤在研究区内呈点状零星分布；全区无缺乏土壤分布。

AK分布特征：等级丰富和较丰富的土壤在研究区内呈面状分布，面积较广，主要分布在郑山街道中南部、临沭街道中南部、蛟龙镇中部、玉山镇南部和东北部、青云镇东部和南部；等级中等的土壤分布面积较广，主要分布在玉山镇中部和西部大部、青云镇中部和西部沿沭河地带、郑山街道北部、临沭街道北部、蛟龙镇东部和南部；等级较缺乏的土壤在研究区内呈块状集中分布，主要分布在玉山镇西南部、郑山街道东北部、蛟龙镇东部；等级缺乏的土壤在研究区内呈点状分布很少。

2.4 土壤各养分间相关性分析

土壤各指标间存在一定程度的相关性是进行因子分析的重要前提。因此， 在进行因子分析前， 先对各土壤养分相应指标进行相关性检验。土壤各养分以及pH间的相关性分析如表5，可看出，土壤pH与TN、TP、OM、AK、AP呈正相关，相关系数分别为0.165、0.203、0.164、0.016、0.006，OM与TN、TP、pH、AN、AK、AP均呈显著正相关，相关系数分别为0.922、0.422、0.164、0.299、0.160、0.237；TK与其他养分之间均为负相关，pH与TK、AN之间呈负相关。可以看出研究区各土壤养分指标之间存在一定的相关性，所有指标均未被剔除，符合因子分析的前提条件。经过KMO（Kaiser Meyer Olkin）和Bartlett球形度检验，可以得到原有数据KMO值为0.671，大于0.6； Bartlett球形度检验近似卡方455.027，伴随概率sig＜0.001，表明原有数据之间具有相关性，可以进行因子分析。

2.5 土壤养分因子分析

对临沭县北部土壤中的TN、TP、TK、OM、pH、AN、AK、AP进行因子分析，得到旋转因子载荷矩阵及其因子贡献率，如表6，前5个公因子的贡献率分别为38.133%、17.035%、12.328%、10.362%、9.517%，累积贡献率为87.374%（>85%），说明前5个公因子可以表征临沭北土壤所有肥力指标87.374%的信息。

各因子所对应的指标载荷值大小与其反映该指标信息的多少成正比，由表6可以看出，公因子1对应TN、OM，其在公因子1上的载荷值分别为0.934、0.949；公因子2对应AK、AP，其在公因子2上的载荷值分别为0.904、0.693；公因子3对应TK、AN，其在公因子3上的载荷值分别为 0.899、0.607；公因子4对应TP、AP，其在公因子4上的載荷为0.890、0.544，公因子5对应pH，其在公因子5上的载荷为0.984。所以可以得出，影响临沭县北部土壤肥力的主要指标为TN、OM、AK、AP、TP、pH。

2.6 土壤肥力评价

通过公因子除以其对应的特征根的方法消除公因子的权重不平等，得到公因子得分矩阵。5个公因子载荷矩阵除以公因子特征根后得到公因子得分系数如表7：

结合土壤样品数据、因子贡献率、因子得分系数，通过公式（1）和公式（2）便可计算出每个土壤采样点的 IFI 值。然后，以欧氏距离为判断样本间差异大小的依据，采用组间连接的聚类方法对临沭北土壤肥力水平进行聚类分析，将临沭县北部144个采样点土壤样本的 IFI 值划分为5个等级，等级划分标准为：极高肥力（≥1.973），高肥力（0.721～1.222），中等肥力（0.220～0.598），低肥力（ 0.142～0.186），极低肥力（ 0.748～ 1.159）。

对临沭县北部5个镇的土壤肥力指标分别进行统计，统计结果如表8，可看出，蛟龙镇土壤肥力整体处于中等及以下；郑山街道25%土壤处于高肥力水平，20%处于中等肥力水平；青云镇2.5%处于极高肥力水平，12.5%处于高肥力水平，15%处于中等肥力水平；临沭街道16%处于高肥力水平，4%处于中等肥力水平；玉山镇13.16%处于高肥力水平，2.63%处于中等肥力水平。区域内24.06%的土壤处于中等及以上肥力，临沭县北部整体肥力水平低下。综合来看，土壤综合肥力水平郑山街道>青云镇>临沭街道>玉山镇>蛟龙镇。

3 讨论

环境因素和人为因素的耦合作用影响着临沭县北部土壤养分含量。调研发现土壤酸碱度、地形和土壤质地是影响临沭县北部土壤养分含量的主要环境因素。土壤酸碱性是影响土壤养分有效性和土壤肥力的关键因素之一，农田土壤过酸容易引起土壤板结，养分流失加剧，不利于农作物的生长发育［18］。临沭县北部土壤pH均值为5.53，变异系数14.45%，强酸性土壤占比高达30.82%，这与李频道等［19］研究结果相一致。导致研究区土壤酸化的原因可能是大气环境降尘中的酸性物质增加，使受酸沉降影响地区的土壤酸化速度加快。研究发现在地势较低且平坦的区域内，更有利用农业生产，土壤养分较为充足。在高海拔、地形起伏较大区域养分含量相对较低，郑山街道、青云镇地形相对平坦，土壤肥力较高；玉山镇、蛟龙镇地势有起伏，土壤肥力相对较低。不同土壤类型也会导致土壤养分指标的差异［20］，如郑山街道分布有大面积的潮土，其土壤肥力综合值也确实高于其他地区。耕种方式是影响临沭县北部土壤养分含量的主要人为因素，调查发现，当地农民存在不科学的农业措施：大面积种植豆科植物，这使得生物固氮过程中增加了有机氮水平，经矿化、硝化及硝酸盐化后，会导致土壤酸化；而且，常年频繁种植同种作物，会致使作物将土壤中的碱性物质移走，从而导致土壤逐步酸化；此外，氮肥不加限制的滥用，尤其是铵态氮肥的使用，最终造成N素转为硝酸盐，使得土壤酸化。为使土地资源高效率的运用，必须从环境因素和人为因素两方面同时采取措施。

因子分析可用多个指标对事物进行综合评价，通过因子分析可了解各个因子的实际意义［21］。本研究中，临沭县北部土壤各养分间表现出很好的的相关关系，其也说明土壤中一种养分含量的变化会影响其他养分含量。本文通过因子分析提取出5个公因子，总贡献率87.374%，可见采用因子分析效果较好。但本文研究计算的土壤综合肥力指数是根据土壤中养分含量计算出来指标，它仅能体现土壤一种潜在的肥力，不能完全表示土壤供养作物的能力，更完善的土壤肥力评价还需结合土壤物理、化学性质、生物学性质及实际生产能力等进行评价［22 23］，需从农作物营养 土壤养分 产品品质方面进一步深入研究，为制定更好的农田养分管理对策提供依据［24］。

4 結论

（1）临沭县北部地区土壤养分特征中，土壤AN、OM含量偏低，TK、TP含量较为丰富。TN、TP、TK、OM、AN、AK、AP均属于中等变异。土壤酸化现象严重。

（2）因子相关性分析表明，土壤各养分之间有很好的相关性。根据因子载荷值确定TN、OM、AK、AP、TP、pH为影响临沭县北部土壤肥力综合状况的主要因素。

（3）建立了土壤肥力综合评价体系，并据此评价了临沭县北部土壤的肥力水平，结果表明区域内仅有24.06%的土壤处于中等及以上肥力，整体处于偏低水平；区域上表现为：郑山街道>青云镇>临沭街道>玉山镇>蛟龙镇。

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Soil Nutrient Characteristics and Comprehensive   Fertility Evaluation in the North of Linshu County

LI Sha1，HU Ziyuan1，ZHANG Yongshuai1，SUN Zhenzhou2，DENG Qinghai2，LI Fuquan1

（1. No. 7 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources， Shandong Linyi 276000， China；2. Earth Science and Engineering College of Shandong University of Science and Technology， Shandong Qingdao 266590，China）

Abstract： The topsoil samples are collected in the northern farming area in Linshu county in Shandong province， and pH， organic matter， total amount and available nitrogen， phosphorus and potassium of soil have been measured to characterize the soil fertility. The comprehensive evaluation values of soil nutrients of all samples are calculated by factor analysis and cluster analysis， and the soil fertility is evaluated by grading. It is showed that the soil acidification in the north of Linshu county is serious， the contents of organic matter， total nitrogen and available potassium are low， and the contents of total potassium， total phosphorus， alkali-hydrolyzable nitrogen and available phosphorus are relatively rich. Factor analysis shows that TN， OM， AK， AP， TP and pH are main factors affecting comprehensive status of soil nutrients in the north of Linshu county. The soil fertility level in the north of Linshu county is low. The comprehensive evaluation value of soil nutrients （IFI） is as follows： Zhengshan Street>Qingyun Town>Yushan Town>Linshu Street>Jiaolong Town.

Key words： Soil nutrients; comprehensive fertility; soil acidification; Linshu county， Shandong province