滇中東部典型巖溶區農田土壤肥力評價①

范茂攀，周 鋒，吳開賢，安瞳昕，吳伯志

滇中東部典型巖溶區農田土壤肥力評價①

范茂攀1，周 鋒2，吳開賢2，安瞳昕2，吳伯志2*

(1 云南農業大學資源與環境學院，昆明 650201；2 云南農業大學農學與生物技術學院，昆明 650201)

云南省巖溶面積分布廣，評價云南不同縣域土壤肥力，可為巖溶區土壤資源的利用、改良和農業生產布局提供基礎。通過對滇中、滇東巖溶區宣威、石林和硯山農耕地土壤及其剖面調查，采集土壤樣品248份，測定土壤全氮、有效磷、速效鉀、有機質和pH，采用主成分分析(PCA)法對研究區土壤肥力進行綜合評價。結果表明：宣威、石林、硯山土壤5項指標屬中等變異程度，土壤剖面AB層與A層(A1和A2)土壤全氮、有效磷、速效鉀、有機質含量差異顯著，AB層和B層土壤全氮、有效磷、速效鉀、有機質含量差異不顯著。通過主成分分析法提取出3個主成分，反映了原信息量的82.954%，第一主成分以有機質和全氮貢獻最大，第二主成分以有效磷貢獻最大，第三主成分以速效鉀貢獻最大，土壤肥力綜合得分為宣威(0.231)>石林(–0.289)>硯山(–0.335)。這一結果可為巖溶區土壤養分調控和發展高原特色農業提供參考依據。

巖溶區；土壤養分；土壤剖面；空間變異；主成分分析

大陸巖石的化學風化作用在碳酸鹽巖地區稱為巖溶作用[1]。云南巖溶地貌分布面積110 875.7 km2，占全省面積的28.14%[2-3]。由于受自然因素和人為因素的影響，土壤具有高度的空間異質性[4]，在特定的研究區域內，人類活動的干擾和小尺度生態環境變化將影響土壤養分含量[5]。巖溶區不同的土地利用對土壤基本特性產生顯著影響，其中常綠闊葉林土壤質量最優，耕地土壤質量最低，退耕地土壤質量得到部分恢復[6]。不同土地利用變化對土壤性質影響不同，林地、未利用地轉變為旱耕地后，碳酸鹽巖地層中土壤的有機質、全氮、全磷等指標降低的量和降低幅度明顯大于砂頁巖地層中土壤相應指標[7]。耕作和收獲對土壤環境的長期作用，降低了土壤有機質，改變了土壤結構，使土壤更易板結，降低了養分有效性和抗旱能力[8]。合理的土地利用可以改善土壤結構，提高土壤質量；不合理的土地利用會增加土壤侵蝕，導致土壤質量下降[9]。巖溶區農耕地長期耕種后土壤肥力顯著下降，糧食產量對化肥的依賴性增強[10]。很多學者基于主成分分析法選取土壤養分指標評價農田土壤肥力[11-15]，而針對巖溶區不同區域農田土壤養分評價鮮見報道。因此，開展巖溶區土壤養分綜合評價對巖溶區土壤養分調控和農業生產發展具有重要的理論意義和實用價值。

云南省128個縣(市、區)中117個有巖溶地貌分布。巖溶區人口密度大，耕地比重高，土壤肥力低下，廣種薄收，>15°的坡耕地面積占耕地總面積的41.82%，低產田占64.67%，人均耕地均低于全省平均水平[16]。滇東是云南巖溶地貌分布最集中的區域，包括昆明、昭通、曲靖、玉溪、紅河、文山等6個州市，48個縣有巖溶地貌分布，占全省巖溶縣總數的75% 以上[17]。本文選取滇東巖溶區3個縣(市)代表滇東區：宣威位于滇東北，宣威巖溶面積占土地總面積的56.8%，選取宣威代表曲靖和昭通；石林位于滇中，巖溶面積占土地總面積的47.1%，選取石林代表昆明和玉溪；硯山位于滇東南，巖溶面積占土地總面積的67.4%，選取硯山代表紅河和文山。3個縣均是有農業的巖溶縣，為滇中東部巖溶區典型代表區域。對3個縣取樣進行農耕地土壤及土壤剖面調查，分析評價不同區域土壤養分狀況，以期針對不同區域采取不同的培肥措施，提升地力，增加農作物產量和品質，改善生態環境，加快巖溶區脫貧攻堅步伐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

調查區為云南省典型的巖溶區，石林位于云南省中部，103°10′ ~ 103°40′ E，24°30′~ 25°03′ N，年平均氣溫17.2℃，年平均降雨量為1 069.4 mm；宣威位于云南省東北部，103°35′ ~ 104°40′ E，25°53′ ~ 26°44′ N，年平均氣溫14.9℃，年平均降雨量為997.2 mm；硯山位于云南省東南部，103°35′ ~ 104°45′ E，23°18′ ~ 23°59′ N，年平均氣溫17.1℃，年平均降雨量為1 255.0 mm[18]。

1.2 樣品采集及分析方法

采集巖溶區農田土壤，根據主要農作物種植和分布地點的代表性進行采樣，作物覆蓋水稻、玉米、馬鈴薯、烤煙等主要農作物，分布地點覆蓋各縣(市)所有鄉鎮，采用“S”形采樣法采集耕作層土壤樣品，每份樣品采集5個點進行混合。農作物播種面積，石林為3.35×104hm2，宣威為19.06×104hm2，硯山為6.88×104hm2[18]。依據農作物播種面積，每份土樣代表相應區域面積，宣威采集土壤樣品144份，石林采集土壤樣品36份，硯山采集土壤樣品68份。土壤剖面觀察選擇在宣威、石林和硯山項目試驗示范基地進行，沿坡向挖掘土壤剖面(長2 m，寬1 m，深1.5 m)，分別在上坡、中坡、下坡各挖掘1 個土壤剖面，采用常規方法劃分土壤層次，采集各層土壤(約500 g)帶回實驗室進行分析測定。

土壤有機質含量測定采用重鉻酸鉀容量法，全氮含量測定采用凱氏法，有效磷含量測定采用碳酸氫鈉浸提比色法，速效鉀含量測定采用醋酸銨火焰光度法，pH測定采用pH計法[19]。

數據處理與統計分析采用SPSS19.0和Excel 2010進行。

2 結果與分析

2.1 調查區土壤養分含量

由表1可知，土壤全氮含量為宣威>石林>硯山，差異顯著(<0.05)，變異系數為12.6% ~ 13.9%；土壤有效磷含量為石林>宣威>硯山，差異顯著(<0.05)，變異系數為20.9% ~ 48.7%；土壤速效鉀含量為宣威>硯山>石林，宣威顯著高于石林、硯山(<0.05)，變異系數為14.1% ~ 20.3%；土壤有機質含量為宣威>石林>硯山，宣威顯著高于石林、硯山(<0.05)，變異系數為8.8% ~ 18.6%；土壤pH為硯山>宣威>石林，硯山顯著高于石林(<0.05)，變異系數為5.7% ~ 6.1%。

土壤特征空間變異性的大小通常用變異系數(CV)來表示，CV≤10% 為小變異，10%

表1 調查區土壤養分含量

注：表中小寫字母不同表示調查區間差異達到<0.05顯著水平。

2.2 調查區土壤養分分級評價

采用第二次全國土壤普查土壤養分分級指標進行評價(表2)，結合當前生產，六級指標中將三級定為中等[21]，分別對宣威、石林和硯山的土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀進行分級，結果見表3。宣威土壤有機質含量主要分布為二、三級水平，分別占33.3% 和25.7%；石林主要分布為三級水平，占61.1%；硯山主要分布為三級水平，占86.6%。宣威土壤有機質含量整體屬于中上水平，石林、硯山屬于中等水平。宣威土壤全氮含量主要分布為一、二級水平，分別占31.3% 和47.9%；石林主要分布為一、二級水平，分別占22.2% 和66.7%；硯山主要分布為二、三級水平，分別占70.6% 和20.6%。宣威、石林土壤全氮含量整體屬于上等水平，硯山屬于中上水平。宣威土壤有效磷含量主要分布為三級水平，占89.6%；石林主要分布為二、三級水平，分別占75.0% 和25.0%；硯山主要分布為三、四級水平，分別占39.7% 和57.4%。宣威土壤速效磷含量整體屬于中等水平，石林屬于中上水平，硯山屬于中下水平。宣威土壤速效鉀含量主要分布為二、三級水平，分別占27.1% 和67.4%；石林主要分布為三、四級水平，分別占75.0% 和16.7%；硯山主要分布為三級水平，占85.3%。宣威、石林、硯山土壤速效鉀含量整體屬于中等水平。

表2 全國第二次土壤普查土壤養分分級標準

2.3 調查區土壤養分綜合評價

為綜合評價土壤養分，應用SPSS19.0統計軟件對3個調查區土壤的5個養分指標進行主成分分析，明確各養分指標的相對重要性。利用Bartlett進行球形度檢驗(＝0.00)，其中KMO檢驗值為0.707，可以對原始數據進行主成分分析。

2.3.1 指標間相關性檢驗 在進行主成分分析時，首先對土壤全氮(1)、有效磷(2)、速效鉀(3)、有機質(4)和pH(5)5個指標進行相關性檢驗(表4)，結果顯示，土壤pH與全氮、有機質之間相關性不顯著；有效磷與速效鉀、有機質，有效磷與pH之間均呈顯著正相關(<0.05)；全氮與有效磷、速效鉀、有機質，有效磷與pH，速效鉀與有機質之間均呈極顯著正相關(<0.01)，符合因子分析的前提條件。其中，相關性最高的是全氮與有機質，其相關系數為0.748。

表3 調查區土壤養分等級劃分狀況

表4 各指標相關系數矩陣

注：表中*、**分別表示在<0.05、<0.01水平顯著相關。

2.3.2 土壤養分主成分提取 標準化處理5項養分指標，利用主成分分析計算各主成分的特征值和貢獻率(表5)。特征值表示主成分影響力度大小，特征值>1作為主成分個數的提取原則。由表5可知，本研究第1主成分(PC1)特征值為1.884，第2主成分(PC2)特征值為1.221，第3主成分(PC3)特征值為1.043。3個主成分的方差貢獻率分別為37.671%、24.426% 和20.858%，累積貢獻率達到82.954%，表明3個主成分涵蓋了原始數據信息總量的82.954%，3個主成分信息足以代表原始數據信息。因此，將3個主成分作為綜合變量來評價3個區域的土壤養分狀況。其中，第1主成分有機質和全氮主成分載荷相對較高，主成分載荷分別為0.924和0.887，說明第1主成分是有機質和全氮的綜合反映；第2主成分是有效磷主成分載荷最高，達到了0.825，說明第2主成分反映了農耕區有效磷含量對土壤養分的供給狀況；第3主成分中速效鉀主成分載荷最高，為0.695，說明第3主成分是對土壤速效鉀供給的描述。從3個主成分的方差貢獻率和特征值來看，評價土壤肥力的影響力為主成分1(PC1)>主成分2(PC2)>主成分3 (PC3)。

表5 主成分特征向量及累積貢獻

2.3.3 主成分得分和綜合得分 對選取的3個主成分進行載荷值旋轉計算，分析所得的各變量在相應主成分上的因子負荷，可得主成分得分系數矩陣(表6)，可分別獲得各主成分的函數表達式：1＝0.5131+ 0.1492+0.0723+0.5044–0.1005，2＝–0.1281+ 0.3712+0.2583+0.0084+0.8065，3＝–0.0401– 0.5992+0.7153–0.0014+0.1125，將標準化處理的5項養分指標數據代入上述3個公式，可得3個調查區土壤養分評價分別在3個主成分上的得分(表7)。再根據=ΣbF=11+22+33+…+bF(為貢獻率)，獲得函數表達式：綜＝0.376711+0.244262+ 0.208583，從而求得綜合得分綜(表7)。對各主成分進行排名，第1主成分(PC1)得分(F1)和第2主成分(PC2)得分(F2)為宣威>石林>硯山，第3主成分(PC3)得分(F3)為硯山>宣威>石林，由于第1主成分(PC1)和第2主成分(PC2)的貢獻率大于第3主成分(PC3)，綜合得分為宣威(0.231)>石林(–0.289)>硯山(–0.335)。因此對于選取評價的5項養分指標作為土壤肥力狀況，3個縣的土壤肥力則為宣威>石林>硯山。

2.4 調查區土壤剖面養分特征

選取巖溶區典型的坡耕地紅壤進行剖面觀察，結果顯示土壤全氮、有效磷、速效鉀、有機質含量隨土壤剖面深度的增加而減少(表8)，土壤pH隨著剖面深度的增加而降低。在土壤剖面的A1和A2層，宣威、石林和硯山的土壤有效磷、速效鉀含量差異顯著(<0.05)，全氮含量差異不顯著；有機質含量在宣威為差異顯著，而在石林和硯山為差異不顯著。在土壤剖面A1、A2與AB、B層，宣威、石林、硯山的土壤全氮、有效磷、速效鉀、有機質含量均為差異顯著(<0.05)。在土壤剖面AB和B層，宣威、石林、硯山的土壤全氮、有效磷、速效鉀含量均為差異不顯著，有機質含量在宣威為差異顯著(<0.05)，在石林和硯山為差異不顯著。在土壤剖面A1、A2、AB、B層，宣威、石林和硯山土壤pH均為差異不顯著。因此，在土壤剖面AB層與A層(A1和A2)土壤全氮、有效磷、速效鉀、有機質含量顯著下降，而在土壤剖面AB層以下、AB層和B層土壤全氮、有效磷、速效鉀、有機質含量變化較小，趨于穩定。

表6 主成分得分系數矩陣

表7 不同區域土壤養分主成分得分及綜合得分

從土壤剖面土層深度來看(表8)，坡耕地A1層即耕作層，宣威和石林大于硯山，而AB層以上的深度，則為硯山大于宣威和石林，土層厚而耕層淺在硯山表現更突出。

3 討論

農田土壤在被人們長期利用的過程中，由于耕作、施肥、種植不同農作物等因素的影響，農田土壤養分呈現出一定的空間變異性。測土配方施肥時，既要考慮農田的平均養分含量，也要考慮土壤養分的空間變異性[22]。調查分析農田土壤的空間變異性對土壤養分的管理和合理施肥起關鍵作用。本文通過對云南典型巖溶區 3 個縣(市)農田土壤養分調查，發現石林、宣威、硯山的土壤全氮、有效磷、速效鉀均屬中等變異程度，宣威、石林的土壤有機質屬中等變異程度。大比例尺下，土壤養分空間變異較小，中小比例尺下，空間變異增加[23]。齊雁冰等[24]及陶睿等[25]對縣域農田土壤養分空間變異研究，發現各土壤養分均存在中等強度空間變異。而不同作物種植、不同生態區土壤也表現中等空間變異[11-14,26]。

表8 調查區典型土壤剖面養分

注：表中小寫字母不同表示相同調查區不同土壤剖面層間差異達<0.05顯著水平。

人類對土壤資源的不合理利用，加劇了土壤的退化[27]。巖溶地區土層淺薄，土壤總量少，水土流失嚴重，人為活動將會加劇水土流失而使土壤肥力下降[28]。通過評價土壤肥力，可有效地指導不同區域農田的利用和施肥[29-30]。目前，我國常用綜合評價法中的指數法對土壤質量進行評價，建立各個元素的評價標準，利用簡單乘法運算計算出土壤質量的大小，其中主成分分析法可簡化因子，具有較好的準確性[31]。很多學者采用主成分分析法，對土壤肥力進行綜合評價[11-15,32-34]。黃婷等[12]通過比較兩種不同的方法計算土壤綜合質量指數，發現利用主成分分析法進行土壤質量綜合評價是客觀可行的。本文利用主成分分析法選取土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀和pH 五個指標對石林、宣威和硯山的土壤進行評價，綜合得分為宣威(0.231)>石林(–0.289)>硯山(–0.335)。因此，對于選取評價的5項養分指標作為土壤肥力狀況，3個縣的土壤肥力則為宣威>石林>硯山。綜合得分結果與3個區域的年平均降雨量(硯山>石林>宣威)相反，降雨量大的縣區綜合得分低，降雨量小的縣區綜合得分高，充分反映了評價結果的客觀性。

調查區土壤全氮、有效磷、速效鉀、有機質含量等均隨土壤剖面深度的增加而減少，這與前人研究結果相一致[35-37]。在土壤剖面的A1和A2層，宣威、石林和硯山的土壤有效磷、速效鉀含量為差異顯著(<0.05)；在土壤剖面A1、A2與AB、B層，宣威、石林、硯山的全氮、有效磷、速效鉀、有機質含量均為差異顯著(<0.05)；在土壤剖面AB層與A層(A1和A2)，土壤全氮、有效磷、速效鉀、有機質含量顯著下降，而土壤剖面AB層以下、AB層和B層的土壤全氮、有效磷、速效鉀、有機質含量變化較小，趨于穩定。主要是A(A1和A2)層受人為耕作和施肥等影響，而AB層受到作物根系的影響，AB層以下受人為因素和作物根系影響很小，從而養分變化較小。

有學者依據第二次全國土壤普查土壤養分分級指標進行土壤養分含量等級分類[21,35-36]，據此標準，本研究3個調查區的土壤有機質宣威為中上水平，石林、硯山為中等水平，主要是宣威在很多區域輪作綠肥，從而提高有機質含量。近年來，大量化學氮肥的使用，使調查區土壤全氮上升為中上水平以上，而有效磷在宣威、石林和硯山分別為中等、中上和中下水平，有效鉀含量均為中等水平。這是因為在當前生產中磷鉀肥的增產作用不如氮肥明顯[21,38]，從而導致農戶過度注重氮肥施用，輕視磷鉀肥施用。針對滇東典型巖溶區土壤養分調查情況，巖溶區要充分挖掘養分資源，促進養分資源循環利用，減少對化肥的依賴[39]，建議通過秸稈還田、畜禽糞便無害化和輪作制度等提高農田有機養分投入比例，穩步提升土壤肥力。近年來，由于農民為了獲得高產，盲目過量施肥現象普遍，特別是氮肥的施用，從而導致肥料利用率低下。宣威、石林和硯山應根據土壤肥力調整養分比例，采取“控氮增磷補鉀”的土壤養分管理措施，有針對性地開發與作物需求相匹配的專用肥、與農學措施結合的套餐肥等，簡化施肥技術，多途徑提高肥料利用率。

4 結論

1) 調查區石林、宣威、硯山的土壤全氮、有效磷、速效鉀含量均屬中等程度變異，石林、宣威和硯山的土壤pH及硯山土壤有機質的變異系數小于10%，變異性小，宣威、石林的土壤有機質屬中等程度變異。

2) 通過主成分分析法提取出3個主成分，反映了原信息量的82.954%，第一主成分以有機質和全氮貢獻最大，第二主成要以有效磷貢獻最大，第三主成分以速效鉀貢獻最大，土壤肥力綜合得分為宣威(0.231)>石林(–0.289)>硯山(–0.335)。

3) 宣威和石林的耕作層大于硯山，而AB層以上的深度，則表現為硯山大于宣威和石林。土壤剖面AB層與A層(A1和A2)土壤全氮、有效磷、速效鉀及有機質含量差異顯著，AB層和B層的土壤全氮、有效磷、速效鉀及有機質含量差異不顯著。

4) 滇中東部3個典型巖溶區土壤有機質含量中等，要充分挖掘養分資源，提高有機肥的施用比例。且應根據土壤肥力調整養分比例，采取“控氮增磷補鉀”的土壤養分管理措施。

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Evaluation of Farmland Fertility of Typical Karst Area in Central and Eastern Yunnan

FAN Maopan1, ZHOU Feng2, WU Kaixian2, AN Tongxin2, WU Bozhi2*

(1 College of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 2 College of Agriculture and Biotechnology, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China)

The karst area is widely distributed in Yunnan Province, the evaluation of farmland fertility in different counties in karst areas can provide scientific bases for the utilization, improvement and agricultural production layout of soil resources. In this study, 248 soil samples were collected from farmland profiles in Xuanwei, Shilin and Yanshan in the karst areas of central and eastern Yunnan, total nitrogen, available phosphorus, available potassium, organic matter and pH of the samples were determined, and then soil fertilities of farmlands were assessed by the principal component analysis (PCA) method. The results showed that the determined five soil indexes were moderately variable in tillage layers in the three regions. Total nitrogen, available phosphorus, available potassium and organic matter were significantly different between AB layers and A (A1 and A 2) layers, but weren’t significantly different between AB layers and B layers. Three principal components were extracted by PCA which reflected 82.954% of the original information. The first principal component was organic matter and total nitrogen, the second one was available phosphorus, the third one was available potassium, the comprehensive scores of soil fertility was in order of Xuanwei (0.231) > Shilin (–0.289) > Yanshan (–0.335). The above results can provide reference for soil nutrient regulation and developing plateau characteristic agriculture in karst areas.

Karst areas; Soil nutrient; Soil profile; Spatial variation; Principal component analysis(PCA)

公益性行業(農業)科研專項(201503119)和國家自然科學基金項目(41661063，41461059)資助。

bozhiwu@outlook.com)

范茂攀(1977—)，男，云南宣威人，博士，副教授，主要從事土壤培肥與水土保持方面的工作。E-mail: mpfan@126.com

S158

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.06.007