红壤丘陵区市域设施菜地土壤肥力评价及其空间分布特征——以江西赣州为例

成 臣，易艳红，谢金招，刘建秀，刘佳慧，朱 博，肖鸿勇

（1.赣南师范大学 生命科学学院/赣州市设施蔬菜重点实验室，江西 赣州 341000；2.江西省宜春市气象局，江西 宜春 336000；3.江西省赣州市果业发展中心，江西 赣州 341000；4.江西省农业技术推广中心，江西 南昌 330046）

0 引言

蔬菜是我国种植业中仅次于粮食的第二大农作物，2020年全国的蔬菜播种面积已达2.2×107hm2，占总农作物种植面积的12.1%［1］。近年来，随着社会经济与农业科技的飞速发展，设施蔬菜栽培因其集约化程度较高、单产和品质优势明显、经济效益好、受季节影响小等优点，现已超过3.9×106hm2的耕地面积建成设施大棚，成为我国最具有活力的农业产业之一［2-3］。高质量发展设施蔬菜对平衡供应我国蔬菜市场和丰富人民群众的“菜篮子”作出了重要贡献，同时也是菜农增收致富的一种有效途径。

土壤质量是影响设施蔬菜高产、优质生产的关键因素，红壤是中国重要的土壤类型之一，其中南方红壤丘陵区土壤面积约1.1×108hm2，占中国土壤面积的11.8%［4-5］。然而红壤具有酸、黏、瘦等特征，且红壤还存在土壤酸化、养分贫瘠化等较为严重的土壤退化问题，因此，调查和评价红壤质量现状有助于耕地养分平衡管理［6-7］。张晗等［8］研究认为：近年来江西省耕地土壤全氮、全磷、有机质等含量有所增加，但全钾含量下降严重且严重酸化。全智等［9］研究表明，长沙市郊蔬菜基地土壤的氮、磷等养分累积量随着种植年限的增加而增加，应积极采用降低氮、磷来源，以及提高植物吸收等措施来降低氮、磷流失的风险。谢凯柳等［10］对赣南脐橙园种植区与背景区开展调查发现，两者均普遍存在严重的酸化问题，但种植区土壤的有效态氮、磷、钾等养分含量普遍过量。

目前，关于红壤丘陵区土壤质量的研究多集中于耕地土壤［8］、露天菜地［9］、果园［10］、茶园［11］、稻油轮作区［12］、典型景观单元［13］等，而以设施菜地土壤为研究对象的研究尚未见相关报道。另外，土壤盐分积累在设施栽培中普遍发生，而盐渍化现象是设施菜地土壤理化性质变劣、土壤退化的重要特征。因此，本文以红壤丘陵区江西赣州市的设施菜地为研究对象，从红壤酸化、盐渍化、养分丰缺程度等3个方面共7个评价指标出发，利用修正的内梅罗指数法计算了土壤综合肥力指数，并评价了土壤质量，以期为红壤丘陵区设施菜地的质量保护与提升，以及深入挖掘土壤资源潜力提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域为江西省赣州市，是中国南方典型的红壤丘陵区，位于赣江上游、江西省南部，介于113°54′～116°38′E、24°29′～27°09′N之间，其中，耕地保有面积43.743万hm2，截至2021年全市现有设施大棚蔬菜基地1.899万hm2。该区域年均气温19.8 ℃，年均降雨量1605 mm，年均日照时数1621.9 h，无霜期288 d，属亚热带季风气候区，比较有利于周年开展设施蔬菜的生产。赣南设施蔬菜以辣椒、茄子、番茄等茄果类、黄瓜、苦瓜、丝瓜等瓜果类、叶菜类等品种为主，并兼顾了地方名优特色蔬菜(如信丰萝卜、赣县黄芽白等)的协同发展，目前蔬菜产业发展逐步推进，即将打造成为江西省蔬菜产业化发展样板区和我国中部地区蔬菜发展中心。

1.2 样品的采集与处理

以研究区域的设施蔬菜大棚的分布及其面积为参考信息，样点根据代表性、均匀性等布设原则，共布设采样点位235个。于2021年6—8月，南方设施蔬菜大棚正处于拉秧、换茬、高温焖棚阶段（该时期取土壤样本，则可排除施肥等干扰因素），按照布设采样点的地理坐标应用GPS定位系统到实地进行采样，并结合实地调查情况，尽量使布设点与采样点相对一致（图1），由于设施大棚分布具有不均匀性、集中性特征，即采样点或布设点在图1中存在相邻或重叠现象。每个样点均采用“S”形取样法，采集设施菜地0～20 cm耕层土壤，之后采用四分法留约500 g土壤样品带回实验室内自然风干，去除样品中的砾石等杂质，分别研磨过1.00、0.15 mm筛制成待测样品，并保存于聚乙烯自封袋中备用。

1.3 样品的测定与数据分析

1.3.1 土壤理化指标的测定方法 依照鲍士旦的《土壤农化分析》［14］分别对土壤pH值、电导率等物理和化学环境指标，以及土壤全氮、碱解氮、有机质、速效钾和有效磷等养分状况指标进行测定，并综合评价土壤肥力。其中，采用梅特勒—托利多FE28-Standard pH酸度计（水土比为2.5∶1）测定土壤pH值，采用上海仪电的雷磁DDSJ-308F型电导率仪测定土壤电导率，采用FOSS全自动凯氏定氮仪KJELTEC-8400测定土壤全氮含量，采用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量，采用重铬酸钾容量法—外加热法测定土壤有机质含量，采用乙酸铵溶液浸提—火焰光度法测定土壤速效钾含量，采用碳酸氢钠溶液浸提—钼锑抗分光光度法测定土壤有效磷含量。

1.3.2 土壤理化性质的分级标准 设施菜地土壤酸性分级、盐分(电导率)、土壤养分丰缺分级标准参考黄绍文等［15］和第二次中国土壤普查养分分级的标准（表1、表2）。

表2 设施菜地土壤养分丰缺的分级评价标准

1.3.3 土壤综合肥力指数的计算 土壤理化性质的各因子之间不具有加和性，需要对土壤肥力评价指标进行标准化处理，以消除各指标参数之间的量纲差异。本文根据全国第二次土壤普查分级标准、黄绍文等［15-16］的方法对土壤进行分级（表3），选取pH值、电导率、全氮、碱解氮、有机质、速效钾和有效磷等7个土壤肥力评价指标，分别通过公式（1）对数据进行标准化计算，得到各评价指标的分肥力系数(Pi)。

表3 土壤各理化因子的分级标准值

式（1）中，Pi为各因子的分肥力系数，x为各因子的实际测定值，xa、xc、xp分别为计算Pi时的分级标准的阈值。

本文采用改进后的内梅罗指数法评价土壤综合肥力指数(PN)：

式（2）中，PN为设施菜地土壤综合肥力指数，Piave为所有理化性质指标分肥力系数的平均值，Pimin为所有指标分肥力系数的最小值，n为评价因子个数，本文n取值7。PN值介于0～3之间，其值越大则表明土壤综合肥力越高。并将PN分级：PN＜0.9为贫瘠，0.9≤PN＜1.8为中等，1.8≤PN＜2.7为肥沃，PN≥2.7为很肥沃。

1.4 数据处理

采用Excel 2010软件对试验数据进行统计分析；SPSS软件对土壤理化指标进行描述性统计分析、正态分布或对数正态分布检验；Origin 9.0软件用于常规制图。土壤理化性质之间的关系采用Pearson相关性分析方法。利用ArcGIS软件中反距离权重(Inverse Distance Weighted, IDW)的插值方法进行空间插值运算，并绘制土壤pH值、电导率、养分的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值

研究区域设施菜地土壤pH值平均为5.3(3.7～6.9)，开展单样本K-S检验表明：pH值的Z值为0.03，对应的概率值Sig.均为0.20，大于α=0.05的显著水平，则不应拒绝原假设，设施菜地土壤pH值服从正态分布(表4)。

表4 赣南设施菜地土壤理化性质及其正态分布检验(n=235)

土壤pH值主要处于酸性（4.5≤pH值＜5.5）、微酸性（5.5≤pH值＜6.5）水平，分别占总样本数的51.9%、32.3%；其次为强酸性（pH值＜4.5）、中性水平（6.5≤pH值＜7.5），分别占总样本数的12.3%、3.4%；无碱性土壤（图2）。

图2 赣州市设施菜地土壤pH值的分布频率

从土壤酸化空间分布来看，设施菜地土壤以酸性水平（4.5≤pH值＜5.5）为主，酸化程度总体较严重，其中仅赣南地区东北地区的土壤酸化程度相对较轻（图3）。

图3 赣州市土壤pH值的空间分布

2.2 土壤电导率

土壤电导率（EC）均值为329.0（25.9～1889.0）μS/cm，其中位数239.0，小于均值，且偏度、峰度和变异系数均较大，并服从对数正态分布，说明赣南设施菜地土壤的电导率为右偏/尖峰分布，并存在少量较大值(表4)。随着土壤电导率的增加，其样本数降低，设施菜地土壤电导率主要处于极低（EC＜250）和低（250≤EC＜600）盐度水平，分别占总样本数的52.8%和34.0%；其次为中盐度水平（600≤EC＜800），占总样本数的7.2%；而高（800≤EC＜1000）和超高（EC≥1000）盐度水平的较少，均占总样本数的3.0%（图4）。

图4 赣州市设施菜地土壤电导率的分布频率

从地域分布来看，赣南设施菜地土壤盐渍化不明显，土壤的电导率以极低盐度（EC＜250）和低盐度（250≤EC＜600）水平为主，仅安远县中部区域和赣县北部—章贡区北部等局部小区域存在土壤盐渍化现象（图5）。

图5 赣州市土壤电导率的空间分布

2.3 土壤养分含量

土壤养分全氮、碱解氮、有机质、速效钾、有效磷含量均值分别为1.5（0.4～2.9）g/kg、139.2（42.7～319.1）mg/kg、26.8（10.0～42.2）g/kg、250.0（32.9～763.9）mg/kg、53.6（14.5～171.1）mg/kg（表4）。速效钾和有效磷含量的变异系数较大（55.9%～61.3%），而全氮、碱解氮、有机质数值波动较小（27.5%～35.3%）。对各指标开展单样本K-S检验表明，全氮的Z值为0.05，对应的概率值Sig.为0.20，大于α=0.05的显著水平，则不应拒绝原假设，土壤全氮含量服从正态分布，而其他指标服从对数正态分布。

赣南设施菜地土壤全氮和碱解氮含量总体较为丰富，均以较高和中等含量水平为主，其次为高含量水平，处于中等、中等以上含量水平的样本总数分别占83.0%和88.1%，而处于低和极低含量水平均有少量样本（图6）。土壤有机质养分丰缺状况总体为中等，亦以较高和中等含量水平为主，但其高含量水平的样本数仅占0.9%，而低含量水平的样本数占20.4%，尚无极低含量水平的样本，其中，中等及以上含量水平的样本数占79.6%。速效钾和有效磷含量总体相对较为亏缺，土壤速效钾含量高和较高水平的样本数占比略高，其他等级的样本数差异不大，其中，中等及以上含量水平的样本数占67.7%，而土壤有效磷以中等和低的含量水平为主，其次为极低和较好的含量水平，而高含量水平的样本数仅占0.4%，中等及以上含量水平的样本数仅占48.9%。

从地域性分布分析，赣南设施菜地土壤全氮、速效钾、有机质、速效钾整体上均以中等及以上的含量水平分布，土壤全氮、速效钾、有机质均在赣南中部地区有低和极低含量水平小区域的零散分布。而土壤速效钾低和极低含量水平主要集中分布在赣南西北和东北部区域局部地区，速效钾含量较高的地区主要集中在赣南正南和正北部部分区域，土壤有效磷含量在赣南西北部和东北部较大区域处于低或较低的含量水平（图7）。

图7 设施菜地土壤养分含量的分布频率

2.4 土壤综合肥力指数

赣南设施菜地土壤综合肥力指数均值为1.51（0.78～2.34），变异系数为18.1%，服从正态分布（图8A）。设施菜地土壤综合肥力指数以中等水平为主，占总样本数的83.8%；其次为土壤肥沃水平，占总样本数的15.7%；而处于贫瘠水平的样本数仅占0.4%；不存在土壤很肥沃水平（图8B）。

图8 设施菜地土壤综合肥力指数的正态分布和分布频率

从空间分布来看，赣南设施菜地土壤综合肥力指数以中等水平为主，极小区域的土壤处于肥沃或贫瘠水平（图9）。

图9 赣州市土壤综合肥力指数的空间分布

2.5 相关性分析

相关分析表明（表5），土壤电导率、全氮、碱解氮、有机质、速效钾与有效磷之间均呈极显著正相关，其中有机质与全氮的相关系数最高，为0.926；而pH值除了与碱解氮呈极显著负相关外，与其他因子的相关性均不显著。

表5 设施菜地土壤各理化性质之间的相关性分析

3 讨论

土壤酸化会降低土壤微生物数量和活性，抑制矿质营养元素的溶解性和有效性，以及降低作物对矿质养分的吸收，造成Al3+对作物的毒害作用，进而导致作物产量降低［17-18］。而在自然条件下红壤脱硅富铝化过程既是其缓慢酸化的重要因素之一，也是红壤的基本属性，同时由于耕地存在被酸雨浇灌、过度施用化肥等因素，导致红壤酸化呈逐年加剧的趋势［4］。张晗等［19］研究表明，江西省内水旱轮作、一季旱地或水田、两季旱地或水田等不同农田利用方式的土壤pH值在5.12～5.52之间，其中，旱地土壤pH值高于水旱轮作和水田土壤。

本研究结果发现，赣南设施菜地土壤pH值为5.3（3.7～6.9），处于强酸性（pH＜4.5）和酸性（4.5≤pH＜5.5）水平的样本数分别占12.3%和51.9%，赣州市的土壤酸化程度总体较严重，仅赣南地区东北区域的土壤酸化程度相对较轻，说明目前赣南设施菜地土壤酸化改良与修复迫在眉睫。因此，针对红壤区酸性设施菜地土，应科学、合理地使用无机化肥、生理酸性肥料、半腐熟或酸性（鸡粪）有机肥等肥料，以延缓红壤酸化速率，并通过施用石灰、有机物料和生物炭等方式改良土壤，以使红壤的pH值保持在微酸性至中性水平。

土壤盐渍化作为土壤退化的第二大形式，由盐渍化导致农田生态系统退化的深度和广度均有所增加，其中，土壤盐度是评价土壤水中所有可溶性矿物盐离子浓度的方法，常以电导率来表示［20-21］。黄昭文等［15］研究认为，全国设施菜地高于蔬菜正常生长发育的土壤电导率临界值（600 μS/cm）的样本数约占1/3，盐渍化现象严重，主要由于重施氮肥氮素盈余和其他蔬菜作物吸收较少的离子，在高温、蒸发强烈的小气候条件下土壤盐分快速积聚至地表。而本研究表明，赣南设施菜地土壤电导率为329.0（25.9～1889.0）μS/cm，处于极低盐度（EC＜250）、低盐度（250≤EC＜600）水平的样本数分别占52.8%、34.0%，研究区土壤盐渍化风险较小，仅安远县中部区域、赣县北部—章贡区北部等局部小区域的设施菜地土壤存在盐渍化现象。这主要由于江西赣州设施大棚绝大多数为近几年陆续建成，建成前的耕地多为水稻田或露天旱地，土壤盐渍化问题尚不突出。建议局部盐渍化区域通过改进施肥、灌溉方式，并结合大水洗盐、压盐等多种措施降低盐渍化危害，且定期、全面地监测和评估赣南设施菜地土壤盐渍化特征，以期为盐渍化土壤修复提供依据。

土壤养分贫瘠化是中国南方红壤丘陵区较为普遍的土壤问题，主要由于土壤自然属性、生态气候条件和耕作管理不科学等因素共同导致了红壤耕地养分平衡与循环失调，进而使得红壤耕地养分贫瘠化和土壤肥力降低［22］。本研究表明，赣南设施菜地土壤养分全氮、碱解氮、有机质、速效钾、有效磷含量的平均值分别为1.5 g/kg、139.2 mg/kg、26.8 g/kg、250.0 mg/kg、53.6 mg/kg，除速效钾含量较高于辽宁设施菜地土壤外，其他养分指标均较低，尤其是有效磷含量较为匮乏［23］。从区域性分布来看，赣南设施菜地土壤全氮、速效钾、有机质、有效磷均主要以中等及以上的含量水平分布，这可能与近年来国家大力主推有机肥替代化肥、绿色种养循环农业等土壤改良技术有关，这在一定程度上以点带面地改善红壤耕地质量，但耕地质量总体在广度与深度均仍有较大的提升空间。土壤速效钾含量在赣南正南和正北部部分区域较高，蔬菜种植过程中可适当控制外源钾肥输入，并种植豆科作物、甜菜等喜钾作物以降低土壤钾素流失风险，而速效钾低或极低含量水平主要集中分布在赣南西北或东北部区域的局部，土壤有效磷含量在赣南西北部和东北部较大区域处于低或较低的含量水平，上述区域土壤养分总体处于失衡状态，这可能与江西省耕地重施氮肥、磷钾肥施用不足有关［8］，可通过加强钾素或磷素投入，并建议短期内种植白菜、白萝卜、芹菜等耐低钾蔬菜，或食用甜菜、萝卜菜等耐低磷作物。另外，上述养分指标尤其是全氮、有机质等指标均在江西于都县内较大区域表现为匮乏。这与吴忌等［24］的研究结果相似，他认为主要由于江西于都县位于赣江流域，土壤供钾能力不足以及高温多雨和水土侵蚀严重的生态条件造成氮磷元素的流失，最终共同导致了耕地养分的不足。

变异系数是衡量研究区域所有样点土壤理化性质的离散程度或变异程度的统计量，本研究表明，土壤理化性质各指标的变异系数范围为12.5%～84.2%，位于10%～100%中等变异范围之间［25］。其中，电导率的变异系数最大，这可能与赣南设施大棚建立年限不一且差异较大有关；速效钾和有效磷的变异系数次之，分别为61.3%和55.9%。这与李放等［26］的研究结果较为一致，他认为相比于有机质和全氮等指标，山东省东阿县耕地土壤有效磷和速效钾的变异系数最高，为47.0%～61.7%，这可能与设施菜地利用方式不同、蔬菜作物种类不同有关，部分蔬菜作物如番茄、黄瓜等磷钾肥往往过量施用，进而造成部分土壤磷钾积累现象明显［27］。而pH值、全氮、碱解氮、有机质的变异系数较小（12.5%～35.3%），说明空间变化相对较为稳定。

通过对土壤各理化性状之间的相关性分析可知，土壤电导率、全氮、碱解氮、有机质、速效钾与有效磷之间均呈极显著正相关，其中有机质与全氮的相关系数最大（r=0.926）。这与张晗等［19,28］的研究结果一致，认为土壤存在高养分高肥力的典型特征，且土壤有机质与全氮相关性最高，有机质是土壤养分的关键来源，是土壤肥力和质量的衡量指标。土壤pH值与碱解氮呈极显著负相关外，与其他因子相关性均不显著，这与曹建军等［29］的研究结果较为一致，但徐新朋等［28］还认为pH值与有机质、碱解氮、速效钾呈极显著正相关，与有效磷呈极显著负相关的研究报道，这可能与黑土、红壤土的土壤类型差异有关。

赣南设施菜地土壤综合肥力指数为1.51（0.78～2.34），从空间分布来看，赣南设施菜地土壤综合肥力指数以中等水平为主，极小区域为土壤肥沃或贫瘠区域。红壤区设施菜地土壤质量一般，主要由于酸性红壤有机质含量不高、生物可利用养分含量较低、土壤淋溶强、氧化势高，使得该区域土壤肥力普遍不高，另外，设施蔬菜种植具有单一化、规模化和多年连茬等特点，土壤营养元素平衡失调、酸化严重、土壤质量逐年降低并具有累积效应。需因地制宜开展具有针对性的土壤改良和地力提升的措施，而土壤各项理化指标是组成土壤质量“木桶原理——最小养分律”的关键因子［30］，应注重各指标的协同提升，进而推动红壤耕地的地力提升。建议始终以土壤保持养分平衡与良性循环为目标，因地制宜合理输入养分含量及其比例，合理地应用化肥、配施有机肥、兼种绿肥和秸秆还田等措施改良土壤，开展耐酸、耐盐、耐贫瘠蔬菜品种选育和推广，加快土壤养分重建与减缓土壤退化进程的双调控，并通过定期监测红壤质量开展养分平衡动态管理，实现耕地质量提升与保护，促进设施菜地土壤质量可持续发展。

4 结论

（1）总体上，赣南设施菜地土壤酸化严重，但盐渍化风险较小，建议加强土壤酸化改良，局部盐渍化地区开展洗盐、排盐等降盐措施。

（2）土壤全氮、碱解氮、有机质以中等及以上含量水平为主，速效钾存在钾素流失风险区域或匮乏区域，需因地制宜、分区施策开展外源钾肥控施或增施实现土壤钾素平衡，而有效磷在赣南西北部和东北部较大区域处于低或较低的含量水平，应加强补充外源磷素。

（3）设施菜地土壤综合肥力指数均值为1.51，肥力中等，土壤各理化因子服从木桶定律，应加强各因子质量的协同提升与动态平衡。