劍河縣水田及旱地的土壤肥力特征與評價

黃先飛，王莉霞，龔 寧，曹磊芳，吳先亮，張珍明*

(1.貴州師范大學 貴州省山地環境信息系統與生態環境保護重點實驗室，貴州 貴陽 550001；2.貴州師范大學 機械與電氣工程學院，貴州 貴安 550025；3.貴州師范大學 生命科學學院，貴州 貴安 550025；4.貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

【研究意義】土壤為植物提供必需的營養及水分，且與社會經濟緊密聯系[1-2]。土壤的物理、化學和生物等性質影響土壤肥力，其肥力差異的大小與土壤母質、類型及農田的利用與管理方式有關[3]。長期以來，貴州社會經濟發展嚴重滯后，貧困問題特別突出，是全國最貧困的省份之一。其中，省內存在的地理制約因素，如巖溶地貌、水土流失及石漠化等造成生態環境比較脆弱，使得扶貧之路任重而道遠。貴州屬于亞熱帶濕潤季風氣候，物種豐富。深入研究山區土壤肥力，強化綠色作物生產和中藥材培育是推進貴州省偏遠山區精準扶貧政策的關鍵環節之一。劍河縣藥材資源豐富，主要有鉤藤、杜仲、厚樸和天麻等藥材[4]，但經濟發展緩慢。土壤環境對促進農業發展具有重要作用，而農業發展與社會經濟發展息息相關，故研究土壤肥力對促進當地經濟發展具有重要意義。【前人研究進展】宋剛等[5]研究表明，劍河縣土壤的有效硼及有效錳含量較低，可通過施用石灰調節土壤pH和施用硼肥與有機糞肥等對其進行改善。黨華美等[6]對貴州省劍河縣鉤藤基地的土壤主要重金屬安全性及鉤藤不同部位主要重金屬富集情況的調查結果得出，鉤藤對土壤重金屬Cd有明顯的富集作用，Cu在鉤藤各個部位吸收遷移能力最強的不同年份土壤重金屬含量均在安全范圍之內，均未受到污染。李金玲等[7]研究發現，貴州省不同產地鉤藤浸出物含量以劍河縣最高，表明劍河縣鉤藤藥材品質最好。【本研究切入點】受多指標共同影響，土壤各組分之間的相互作用綜合體現土壤的肥力，是指在一定條件下確保植物正常生長發育的能力，但對于不同土壤系統，目前并無統一的標準來確定土壤肥力質量指標，使其成為土壤質量評價的關鍵問題[8]。改進的內梅羅綜合指數法已在土壤肥力的綜合評價中得到大量的應用，與傳統的內梅羅綜合指數法相比較，改進后的內梅羅綜合指數法引入權重值概念，在一定程度上消除極大值的影響，能夠對土壤肥力進行較為合理的評價[9-10]。【擬解決的關鍵問題】采用相關分析法、變異系數法計算出的權重值運用到改進內梅羅綜合指數法中，對水田及旱地土壤肥力評價，旨在探明劍河縣田及旱地土壤肥力特征及含量差異，以期為劍河縣及類似地區生產上合理施肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于劍河縣柳川鎮、革東鎮和南加鎮，處于東經108°17′08″～109°04′12″，北緯26°20′42″～26°55′42″。境內屬中亞熱帶季風氣候，為山地性高原，最高海拔1623.3 m，最低海拔348 m。四季分明，冬無嚴寒，夏無酷署，水熱同季，雨量充沛，土壤肥沃，年平均氣溫16.7 ℃，年平均降雨量1220 mm，年平均日照時數1236.3 h，年無霜期300 d左右。屬長江水系，主要河流有清水江、巫密河、八卦河等，水能理論蘊藏量約12.2萬kW，可開發水電裝機容量約9.15萬kW。為農業生產發展提供了得天獨厚的地理條件和氣候資源優勢。

1.2 材料

土壤樣品10個，其中水田土樣4個(1～4號)，旱地土樣6個(5～10號)，于2018年7月采自研究區0～20 cm表層土壤。采用1.0 m×1.0 m的正方形采樣方塊，去除表層浮土，土樣混合均勻后使用梅花法選取1 kg，裝入干凈樣品袋并對其編號，同時采用GPS記錄坐標，采樣點信息見表1。

表1 土壤樣品采集的樣點及植被類型信息

1.3 方法

1.3.1 土壤pH及土壤養分主要指標的測定 土壤理化指標主要有有機質、全氮、全磷、速效磷、速效鉀和堿解氮等，消解及測定均做空白對照和加標試驗，所用燒杯及容量瓶在5 %(v/v)的硝酸溶液中浸泡至少48 h。

參照文獻[11]的方法測定土壤pH，參照文獻[12-13]的方法測定有機質含量，參照文獻[14]的方法測定全氮含量，參照文獻[15]的方法測定全磷含量，參照文獻[16]的方法測定速效磷含量，參照文獻[17]的方法測定速效鉀含量，參照文獻[18]的方法測定堿解氮含量。各土壤理化指標的回收率均在允許范圍內。土壤營養劃分參考全國第二次土壤普查分級標準(表2)進行。

表2 全國第2次土壤普查土壤營養劃分的分級標準

1.3.2 土壤肥力質量的綜合評價 為客觀和準確地對土壤肥力進行評價，首先需要確定評價指標[19]。研究采用土壤養分指標(全鉀、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮和全磷)等作為評價因子，綜合評價劍河縣水田及旱地土壤的肥力狀況。同時，采用相關分析法、加權平均法和變異系數法相結合，計算土壤肥力因子權重；根據最小因子率理論，采用隸屬函數法對實測數據進行標準化。

1.3.3 土壤綜合肥力指數的計算 統一量綱，需對數據進行標準化，常見方法有標準差標準化、極差標準化、均值標準化和初值標準化等[20]，但其缺點是可比性較差。因此，研究采用如下隸屬度函數計算。

(1)

式中，qi為土壤分肥力系數，ci為各土壤養分指標的實測值，xi為分級指標，土壤屬性值的分級標準(xa、xc及xp)參照第二次全國土壤普查標準(表3)及文獻[20]。

表3 土壤不同屬性的分級標準

1.3.4 土壤肥力因子權重的計算 為避免人為主觀因素的影響，研究分別采用相關分析法、加權平均法和變異系數法計算土壤肥力因子的權重。

(1) 相關分析法。相關分析法是研究隨機變量之間相互關系規律性的分析方法[21]。計算步驟：計算各單項肥力指標間的相關系數，再計算出各個單項肥力指標與其他肥力指標間相關系數的平均值，單項指標的相關分析法權重系數即為以其平均值占所有肥力指標的相關系數平均值總和之比。

(2) 加權平均法。采用土壤環境中評價因子的實測含量與其相應分級標準的比值計算權重，該方法可在一定程度上反映污染的程度對評價因子的影響。計算公式如下。

(2)

式中，Wi為第i個因子的權重，n為參與評價因子個數，ci為參評因子的實測值，Si為第i個因子對應的各土壤各屬性分級標準總和的平均值，即Si=(xa+xc+xp)/3。

(3) 變異系數法。變異系數主要用于衡量資料中各觀測值的離散程度[18]。計算步驟：計算出各指標的變異系數，單項肥力指標的權重系數即為某個變異系數占總指標變異系數和之比。

1.3.5 改進的內梅羅綜合指數法計算土壤肥力指數 為克服單項指標評價結果的片面性，研究采用改進的內梅羅綜合指數法綜合評價土壤整體肥力。改進的內梅羅綜合指數法可較客觀及全面地反映土壤肥力的真實水平。

Pi=qi×Wi×n

(3)

(4)

式中，P為土壤綜合肥力指數，Piaver為土壤各單項肥力指標系數的平均值，Pimin為單項肥力系數中最小值，Wi為土壤肥力因子權重值，n為參評因子數。土壤肥力分級標準：很肥沃，P≥2.12；肥沃，1.42

2 結果與分析

2.1 土壤養分的含量及其肥力水平

經測定，劍河縣(柳川鎮、革東鎮與南加鎮)水田土壤pH 5.2～5.4，旱地土壤pH 4.4～5.8。從表4可知，水田及旱地土壤的全氮、全鉀和全磷等主要養分含量及其肥力水平的變化。全氮：水田和旱地，平均含量分別為3.406和2.801 g/kg，變異系數分別為13.400 %和18.448 %；等級均為1級，肥力水平均為很高。全鉀：水田和旱地，平均含量分別為19.121和15.920 g/kg；變異系數分別為49.012 %和41.570 %；等級均為3級，肥力水平均為中上。全磷：水田和旱地，平均含量分別為0.602和0.535 g/kg，變異系數分別為24.118 %和48.765 %；等級分別為3級和4級，肥力水平分別為中上和中下。堿解氮：水田和旱地，平均含量分別為322.896和272.611 mg/kg，變異系數分別為8.247 %和18.392 %；等級均為1級，肥力水平均為很高。速效鉀：水田和旱地，平均含量分別為98.758和201.773 mg/kg，變異系數分別為16.349 %和69.596 %；等級均分別為4級和1級，肥力水平分別為中下和很高。有效磷：水田和旱地，平均含量分別為43.879和33.297 mg/kg，變異系數分別為97.443 %和88.704 %；等級分別為1級和2級，肥力水平分別為很高和高。有機質：平均含量分別為28.327和39.425 g/kg，變異系數分別為26.987 %和53.544 %；等級分別為3級和2級，肥力水平分別為中上和高。

表4 水田及旱地表層土壤主要養分的含量及其水平

2.2 不同種植物旱地土壤各樣點的養分含量

從表5可知，5號樣點、6號樣點、7號樣點、8號樣點、9號樣點和10號樣點的種植物分別為李樹(雜草)、梨樹(雜草)、辣椒、辣椒/西紅柿/白菜、紅薯(雜草)和辣椒，各樣點土壤全氮、堿解氮、全磷和有效磷等養分含量的變化。全氮：7號樣點最高，為3.621 g/kg；6號樣點其次，為3.172 g/kg；5號樣點最低，為2.317 g/kg。堿解氮：10號樣點最高，為314.407 mg/kg；5號樣點其次，為310.364 mg/kg；9號樣點最低，為206.951 mg/kg。全磷：5號樣點最高，為0.889 g/kg；7號樣點其次，為0.719 g/kg；10號樣點最低，為0.199 g/kg。有效磷：5號樣點最高，為92.549 mg/kg；8號樣點其次，為31.890 mg/kg；9號樣點最低，為16.109 mg/kg。全鉀：7號樣點最高，為22.512 g/kg；8號樣點其次，為18.884 g/kg；10號樣點最低，為3.409 g/kg。速效鉀：5號樣點最高，為466.290 mg/kg；9號樣點其次，為211.520 mg/kg；6號樣點最低，為88.001 mg/kg。有機質：6號樣點最高，為71.532 g/kg；7號樣點其次，為59.779 g/kg；5號樣點最低，為22.542 g/kg。總體看，不同樣點間全磷及速效鉀含量波動較大，有機質含量則波動不大；所有樣點堿解氮含量均很高。

表5 不同作物旱地土壤各樣點的養分含量

2.3 土壤肥力因子的權重系數

從表6可見，不同計算方法水田及旱地土壤肥力因子的權重系數存在差異。變異系數法：水田的有效磷和全鉀權重系數較大，分別為0.4137和0.2081；旱地的有效磷和速效鉀權重系數較大，分別為0.2616和0.2053。相關系數法：水田的全鉀和有機質權重系數較大，分別為0.1934和0.2782；旱地的有效磷和全鉀權重系數較大，分別為0.2358和0.2521。加權平均法：水田及旱地均是全氮、堿解氮和有效磷的權重系數較大，分別為0.2207、0.2267、0.2641和0.1901、0.2005、0.2099。從3種方法權重系數的平均值看，水田及旱地均是有效磷的權重系數最大，分別為0.2710和0.2358；水田的有機質和旱地速效鉀其次，分別為0.1641和0.1621；水田的全磷和旱地的全氮權重系數最小，分別為0.0551和0.0937。

表6 3種方法土壤肥力因子的權重系數

2.4 土壤肥力評價

從表7看出，未加權和改進的內梅羅方法加權后的土壤肥力指數變化。未加權：水田及旱地的土壤肥力指數分別為1.52和1.62。加權后的變異系數法、相關性系數法和加權平均法：水田及旱地的土壤肥力指數分別為1.58和1.63、1.48和1.50、1.66和1.74，3種加權法水田及旱地的平均土壤肥力指數分別為1.52和1.63。均值與未加權的土壤綜合肥力指數相差不大，且3種加權方法的土壤綜合肥力指數也相差不大。根據土壤肥力分級標準，水田土壤和旱地土壤綜合肥力均為肥沃水平。

表7 水田及旱地土壤的綜合肥力指數

3 討 論

研究結果表明，水田土壤的速效鉀及旱地土壤的全磷水平較低，其余養分指標均為中上、高及很高水平，水田及旱地土壤的肥力狀況良好。但水田及旱地土壤的全氮含量較高，水田土壤可能與人為施肥有關，旱地土壤人為干擾較少，可能是與氮素循環過程中的大氣沉降、植物落葉及土壤中固氮微生物等因素有關[23]。水田及旱地土壤的堿解氮含量遠超出最高標準值，土壤中氮含量豐富，尤其是農田種植水稻時，全氮含量過高使得水稻易伏倒和產生蟲害，建議減少水田對氮肥的施用，以降低土壤中全氮含量。水田及旱地土壤全磷與有效磷含量差異不明顯，可通過混合施用速效磷肥與有機肥料提高磷肥的肥效，減少磷與土壤的接觸面。水田及旱地土壤全鉀與速效鉀含量差異不大，但水田土壤速效鉀含量較低，速效鉀易被作物吸收利用，水田土壤速效鉀含量較低不利于水稻的生長。可能原因：中國最貧鉀的土壤之一即為貴州黃壤或者黃壤與石灰性混合土壤[24]，土壤閉結，加上農田種植作物需鉀量大，會發生土壤供鉀能力嚴重不足的現象，可通過補充含鉀素的有機肥料改善。水田及旱地土壤有機質含量適中，有機質可改善土壤物理性質，改變土壤孔隙度，提高土壤蓄水能力，其具有絡合作用，有助于消除土壤的污染。水田土壤有機質含量低于旱地，可能與旱地土壤受人為影響較小及土壤中腐殖質較高有關。

研究結果表明，7號樣點全氮和全鉀含量最高，有機質含量較高，10號樣點堿解氮含量最高，這2個樣點號點主要種植辣椒。羅意等[25]對貴州百宜鎮辣椒產地土壤養分狀況評價與分析發現，有機質含量整體處于中等偏高水平，全氮整體豐富，全磷處于中等水平，全鉀中等偏低，堿解氮豐富，有效磷中等偏上，土壤速效鉀普遍缺乏。與該研究結果一致，可能是由于在生長發育階段，辣椒需求的氮、磷和鉀元素較多有關，缺氮時導致植株矮小，葉片和果實小。

采用變異系數法、相關性系數法及加權平均法研究影響土壤肥力的各項指標權重計算結果的不同，使得計算出的土壤肥力因子結果不同。若多重共線性存在于選定指標中會產生多余的計算量和分析量，從而影響評價結論的客觀性，為避免這一問題，可對選取的指標采用獨立性方式分析[26]。因此，采用上述3種方法計算肥力單因子權重值的算術平均值作為土壤肥力綜合指數計算的權重，可一定程度上排除了人為干擾。根據算數平均值計算得出的土壤肥力因子權重可得出對水田及旱地土壤綜合肥力指數貢獻較大的因子為土壤有效磷。結果表明，土壤有效磷是水田及旱地土壤主要的肥力指標，其含量高低直接影響其綜合肥力指數。有效磷是土壤中可被植物吸收的磷組分[27]，可根據實際情況對土壤有效磷進行調控，如通過調節土壤酸堿度來增加土壤磷的有效性。一般來說，土壤中有機質含量較高，說明土壤固磷作用較弱。原因：有機陰離子與磷酸根競爭固相表面專性吸附點位，從而減少土壤對磷的吸附；有機物分解產生的有機酸和其他螯合劑，將部分固定態磷釋放為可溶態；腐殖質可在鐵、鋁氧化物等膠體表面形成保護膜，減少對磷酸根的吸附[28]。

利用改進的內梅羅綜合評價法加入的權重值對水田及旱地土壤肥力進行評價，其土壤肥力均處于肥沃水平，評價結果與全國第二次土壤普查分級標準相比較基本一致。采用算術均數賦值法將相關分析法、加權平均法和變異系數法相結合，計算土壤肥力因子的權重，3種評價方法相互補充，使結果更加客觀、合理。許多學者已提出多種關于土壤質量評價方法，主要有土壤質量綜合評分法[29]、土壤質量動力學方法和土壤質量多變量指標方法等[30]，但不管采用哪種評價方法，需確定有效、可靠、敏感、可重復及可接受的指標，以確保得出客觀的評價結果。研究中考慮了評價指標權重、指標隸屬度值和指標之間的交互作用對土壤肥力的共同影響，建立土壤肥力評價模型，并采用相關分析法、加權平均法和變異系數法對水田及旱地土壤土壤肥力進行綜合評價，評價結果能夠客觀準確地反映水田土壤及旱地土壤的肥力狀況，研究探明了解劍河縣水田及旱地土壤的肥力狀況，可為建立土壤質量評價標準及土壤可持續利用提供參考依據，但不同方法對3種權重的差異性和適用性仍待進一步深入研究。

4 結 論

劍河縣(柳川鎮、革東鎮與南加鎮)水田及旱地土壤肥力均為肥沃水平，有效磷是影響水田及旱地土壤肥力的主要因素；水田及旱地土壤的氮含量均較高，可滿足農作物生產需求，生產上應減少氮肥的施用量；水田土壤的鉀含量較低，應采取相應施肥措施提高水田土壤的鉀素供應水平。