耕地肥力空間特征與提升策略研究

崔同華

摘 要：土壤是農作物生長的立地基礎，對土壤的實際肥力進行全面客觀的了解，可以促進肥料的合理施用、土壤養分的有效管理，最終實現農業資源的可持續發展。該研究以北京市平谷區為對象，經過實地調研，確定以土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀作為土壤肥力指標，對土壤肥力進行了多角度分析。結果表明：（1）研究區土壤有機質和全氮在空間上呈北部高、南部較低的變化趨勢，速效鉀含量在全區均較高，有效磷在重點區含量較高;（2）土壤肥力在土壤剖面中呈現自上而下逐漸遞減的規律;（3）全區只有少部分地區存在缺磷限制型耕地;（4）根據研究區大量土壤數據資料，建立耕地質量管理信息系統，可為農業科技人員數據管理和決策提供有力的工具。

關鍵詞：土壤肥力;空間變異;平谷區

中圖分類號 S158文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）10-0089-08

Spatial Characteristics? and Improvement Strategies of Cultivated Land Fertility

CUI Tonghua

（Agricultural Technology Extension Station of Pinggu District， Beijing 101200， China）

Abstract： Soil is the site foundation of crop growth. A comprehensive and objective understanding of the actual fertility of soil can promote the rational application of fertilizer and the effective management of soil nutrients， and finally realize the sustainable development of agricultural resources. Taking Pinggu District of Beijing as the research object， this paper established soil organic matter， total nitrogen， available phosphorus and available potassium as soil fertility indexes through field investigation， and carried out multi-angle analysis on soil fertility. Result display：（1） Soil organic matter and total nitrogen in the study area were higher in the north and lower in the south. The content of available potassium was higher in the whole area， and the content of available phosphorus was higher in the key areas;（2） Soil fertility gradually decreases from top to bottom in the soil profile;（3） Only a small part of the whole region has phosphorus deficiency restricted cultivated land;（4） Based on a large amount of soil data in the study area， the cultivated land quality management information system is established to provide a powerful tool for data management and decision-making of agricultural scientists and technicians.

Key words： Soil fertility; Spatial variation; Pinggu district

1 引言

耕地是人類賴以生存的基本資源和條件。耕地除了具備提供糧食、蔬菜、水果等農產品的生產功能外，還具有凈化空氣、涵養水源、調節氣候、防止水土流失、維護生物多樣性等生態系統服務功能[1]。耕地質量的好壞不僅決定于耕地生產能力的高低，也包括其維持生態系統和動植物健康而不發生土壤退化以及其他生態環境問題的能力[2-5]。由于長期受到工業污染的影響以及過量施用化肥、農藥、抗生素等不合理的生產方式，我國耕地污染呈日益加劇的趨勢，耕地質量問題日益突出，區域性耕地退化日趨嚴重。因此，開展有關耕地質量保護與提升工作對于加強耕地資源保護具有極其重要的意義[5-8]。

目前，對耕地保護的研究主要集中在耕地數量的動態平衡方面，而有關耕地質量方面的關注則較少[9]。摸清耕地質量狀況以及開展耕地質量保護與提升試點項目有助于支持化肥減施行動，發展生態循環型農業，提升農產品安全與品質，促進農業可持續發展[10]。本研究以北京市平谷區為對象，經過實地調研，確定以土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀作為土壤肥力指標，對平谷區土壤肥力進行多角度分析，為農業生產提供科學指導[11-13]。

2 材料與方法

2.1 研究區概況 北京市平谷區位于北京市東北部，地處東經116°55′20″～117°24′09″、北緯40°01′44″～40°22′39″之間。占據北京經濟區規劃的重要位置，南與河北省三河市為鄰，北與北京市的密云區相鄰，西與順義區接壤，東南與天津市薊州區接界，東北與河北省興隆縣毗連（見圖1）。占地面積948.24km2，常住人口約45.6萬人。位于華北平原北端與燕山南麓交界處[14]，轄2個街道、16個鎮、273個村。地形由北、南、東山和中西部平原構成。主要地貌為山地，占平谷區地貌的2/3。山勢險峻，地勢主要呈西南傾向，且中部山地等高線較為稀疏，其海拔高度一般在11～1230m，因受人類干預少，成為該區域重要的生態涵養區[15]。該區地處季風性氣候區，熱雨季顯著。年平均氣溫11.7℃，年平均降水量629.4mm，年均日照時數2519h。農業用地類型以果園和耕地為主，其中園地約占68%，耕地占27%左右，地勢多為連綿平緩平原且水土條件優于其他部分區域，是北京市主要糧食和蔬菜的生產基地，且糧食作物有水稻、玉米及麥子。

2.2 土壤樣品采集與數據處理 本研究共采集土樣樣品2783個（含剖面樣點85個）;其中，重點區（大華山鎮、劉家店鎮、峪口鎮）共采集土樣1147個，一般區（其余鄉鎮）共采集土樣1636個（見圖2）。在考慮研究區樣品的空間代表性和均勻性等實際情況的基礎上，在平谷區設置采樣點，該采樣應盡量避免施肥對土壤樣品的干擾，于10—11月農作物已經收獲的時間進行采樣，并盡量選擇在雨后至少3～5d的晴好天氣進行，避免其他環境干擾因素。使用GPS精準定位后，先去除土壤表面的枯枝落葉層，用鋼制土壤鉆，采用“S”法采取5處0～20cm的表層土壤充分混合均勻后，使用四分法裝入塑料袋內低溫保留土樣，低溫保存是為了避免其他環境因子引起的實驗誤差[16]。土樣采集完成后，對采樣點進行編號并記錄位置、耕地利用方式、作物名稱等基本信息，本次采樣共采集2783個土樣。土樣約200g左右塊狀土壤，根據各檢測項目方法要求，采用木槌捶打、白色瓷研缽研磨等方法將樣品粗磨到-10目（過10目尼龍篩）并混勻。經粗磨后的樣品用四分法分成2份，分別裝入樣品袋中，一份交樣品庫存放，另一份采用無污染瑪瑙罐球磨機細磨到-100目或-200目并混勻裝袋備用。粗磨樣用于有效磷和速效鉀含量分析;-100目的土樣用于土壤有機質、土壤全氮分析。本研究對土壤有機質含量的測定方法是采用重鉻酸鉀外加熱法[17];對土壤全氮含量的測定依據《森林土壤氮的測定LY/T1228-2015》測定，并設置重復樣來保證實驗精度;土壤有效磷依據《土壤檢測第7部分：土壤有效磷的測定NY/T1121.7-2014》用ICP-AES法測定;土壤速效鉀依據《土壤速效鉀和緩效鉀的測定NY/T889-2004》，采用乙酸銨浸提-電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-AES）法測定。將所得數據加載到SPPS24中進行描述性分析。

3 結果與分析

3.1 耕地肥力空間分布 對研究區土壤有機質、全氮、速效磷和有效鉀進行測定，結果見表1。由表1可知，土壤有機質（SOC）在黃松峪鄉黑豆峪村含量最高為113.85g/kg，在馬坊鎮二條街村含量最低為2.30g/kg，兩處用地類型均為果園，全區土壤有機質均值為21.69g/kg;土壤全氮在大華山鎮泉水峪村含量最高為10.84g/kg，在馬坊鎮二條街村含量最低為0.16g/kg，兩處用地類型均為果園，全區土壤全氮均值為1.52g/kg;土壤速效鉀在峪口鎮三白山村含量最高為1250mg/kg，在鎮羅營鎮西寺峪村含量最低為38.00mg/kg，兩處用地類型均為果園，全區土壤速效鉀平均值為238.02mg/kg;全區土壤有效磷在峪口鎮北楊家橋村含量最高為1349.00mg/kg，在劉家店鎮北吉山村含量最低為0.4mg/kg，兩處用地類型均為果園，全區土壤有效磷平均值為165.25mg/kg。

為了反映平谷區土壤肥力空間變異特征，本研究采用地統計分析的方法，獲取平谷區耕地各土壤肥力指標空間分布情況（見圖3）。

根據圖3和表2，對各土壤肥力指標空間分布特征分析如下：

（1）土壤有機質。土壤有機質在全區范圍內含量均很高，空間上呈中北部高，南部較低的趨勢，其中南獨樂河鎮中上部、黃松峪鄉東北部與西南部以及劉家店鎮西部、大華山鎮北部含量最高，其他地區如夏各莊鎮、金海湖鎮、鎮羅營鎮含量也很高，馬坊鎮、馬昌營鎮、東高村鎮交界處的含量較低，重點區內含量較高。

（2）土壤全氮。土壤全氮在空間上呈中北部高南部低的趨勢，在大華山鎮北部、東部以及東南部含量最高，南獨樂河鎮中部、黃松峪鄉與金海湖鎮交界處含量很高，全區南部鄉鎮如平谷鎮、大興莊鎮等含量較低，重點區含量很高。

（3）土壤速效鉀。土壤速效鉀在全區范圍內含量均很高，其中南獨樂河鎮中部、劉家店鎮中部以及劉家店鎮與大華山鎮交界處、峪口鎮西北部含量最高，其他地區如夏各莊鎮、馬昌營鎮西南部與馬坊鎮西北部含量很高，鎮羅營鎮、平谷鎮與馬昌營鎮、東高村鎮等鎮交界處含量較低，重點區中部含量很高，南部與北部含量較高。

（4）土壤有效磷。土壤有效磷含量在大華山鎮中部、大華山鎮與劉家店鎮交界處、南獨樂河鎮中部以及南獨樂河鎮、黃松峪鄉、金海湖鎮3鎮交界處含量最高，除鎮羅營鎮中部、峪口鎮西北部等少數地區含量較高外其余鄉鎮含量較低，重點區中部含量很高，北部與南部含量較高。

由表2可知，研究區土壤有機質面積加權平均值為21.43g/kg，土壤有機質在黃松峪鄉面積加權平均值最高，為26.12g/kg，在馬坊鎮最低，為17.61g/kg;土壤全氮面積加權平均值為1.48g/kg，在大華山鎮面積加權平均值最高，為1.90g/kg，在東高村鎮面積加權平均值最低，為1.22g/kg;土壤速效鉀面積加權平均值為182.71mg/kg，在劉家店鎮與夏各莊鎮面積加權平均值最高，分別為217.79mg/kg與208.48mg/kg，在平谷鎮最低，為148.26mg/kg;土壤有效磷面積加權平均值為84.22mg/kg，在劉家店鎮面積加權平均值最高，為146.31mg/kg，在大華山鎮、南獨樂河鎮、峪口鎮面積加權平均值很高，均超過100mg/kg，在金海湖鎮最低，僅為38.68mg/kg。各指標含量均屬較高水平，表明平谷區土壤肥力水平較高。

3.2 耕地不同層面肥力分布 根據平谷區地貌特征，共采剖面樣點85個，其中，果園57個，菜地28個。果園剖面分3層，分別為0～40cm，40～60cm和60～80cm，菜地分0～25cm，25～50cm和50～75cm3層。分別對其土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀進行分析。土壤有機質是土壤固相部分的重要組成成分，盡管土壤有機質的含量只占土壤總量的很小一部分，但其對土壤形成、土壤肥力、環境保護及農林業可持續發展等方面都有著極其重要的作用的意義。平谷區果園剖面土壤有機質含量表層為15.86g/kg，40～60cm層有機質含量為10.5g/kg，相對于表層而言明顯降低，在60～80cm層次土壤的含量為8.2g/kg，層次方差分析為0.00，表明土壤有機質含量在0～40cm，40～60cm和60～80cm不同土壤層次間存在顯著性差異，土壤層次越深，有機質含量越小（見圖4）。菜地不同層次土壤有機質含量同樣存在顯著性差異，層次方差分析得到sig=0.014<0.05。土壤層次越深，有機質含量越低。表層土壤有機質含量達到14.842g/kg，在25～50cm和50～75cm層次的有機質含量為11.321g/kg、10.038g/kg（見圖4）。

氮是土壤養分中最重要的三大元素之一，土壤中的氮素分為有機氮和無機氮，總稱為全氮，對土壤及植物起著極其重要的作用。平谷區土壤全氮在表層含量最高，達到1.2g/kg。隨著土壤剖面越深，土壤全氮含量逐漸降低，在40～60cm層為0.79g/kg，在60～80cm層為0.62g/kg。層間方差分析得到sig為0.00，說明全氮含量在不同層次間存在顯著差異性。同樣，菜地不同層次的土壤全氮含量存在極顯著性差異，方差分析得到sig=0.00，土壤層次越深，土壤全氮含量越小。在0～25cm層土壤全氮含量為0.997g/kg，25～50cm層含量為0.725g/kg，50～75cm層為0.603g/kg。果園土壤全氮含量高于菜地全氮含量（見圖5）。

磷素是土壤養分三要素之一，土壤中有效磷含量與全磷含量之間雖不是直線相關，但當土壤全磷含量低于0.03%時，土壤往往表現缺少有效磷。土壤有效磷是土壤磷素養分供應水平高低的指標，土壤磷素含量高低在一定程度反映了土壤中磷素的貯量和供應能力。平谷區果園剖面土壤有效磷含量呈現出隨深度增加逐漸下降的趨勢，在0～40cm處的表層土壤有效磷含量為86.91mg/kg，在40～60cm層含量最低，為42.51mg/kg。在60～80cm層土壤有效磷含量為74.91mg/kg。層間方差分析為sig=0.452，遠大于0.05，表明不同果園剖面層次之間無顯著性差異。菜地剖面土壤有效磷含量的趨勢為深度越大，含量越低。其中25～50cm層次的有效磷含量最高，為50.046mg/kg，表層土壤含量為23.7mg/kg，50～75cm處層次的含量為13.689mg/kg，含量最低。方差分析結果位sig=0.571，不同土壤層次無顯著性差異（見圖6）。

鉀是土壤養分三要素之一，土壤中鉀分為速效鉀和緩效鉀。通常土壤中存在水溶性鉀，因為這部分鉀能很快地被植物吸收利用，故稱為速效鉀，對植物生長有著非常重要的作用。平谷區果園剖面0～40cm層土壤速效鉀含量為155mg/kg，40～60cm層含量為110mg/kg，60～80cm為138.1mg/kg。剖面土壤速效鉀含量整體上存在隨著深度增加而減小的趨勢。層間方差分析得到sig=0.09>0.05，表明不同土壤層次差異性不顯著。菜地剖面同樣存在土壤速效鉀含量隨著土壤剖面深度增加而減小的趨勢。層間方差sig=0.089>0.05，菜地不同層次土壤速效鉀含量差異性不顯著（見圖7）。

3.3 耕地質量障礙與提升策略

3.3.1 耕地質量障礙 土壤中的障礙因子是指土體中妨礙植物正常生長發育的性質或形態特征，其具有種類復雜、原因多樣的特點。針對平谷區的土壤特點和利用情況，將限制植物生長的障礙因子分為3類限制因素和限制指標進行分析，具體分類見表3。

通過對平谷區土地進行調查，可以看出全區大部分土壤狀態良好，土壤肥力較高，保水保肥能力較強，無缺鉀限制和脊瘦限制，只有少部分地區存在缺磷限制（見表4）。從表4可以看出，平谷區的障礙類型主要有1類即缺磷限制。

缺磷限制在平谷區占比極少僅為0.08%，且分布位置相對集中都位于夏各莊鎮（見圖8）。

3.3.2 提升策略 （1）平谷區玉米的直接還田比例達到63.54%，還田率偏低。因此，今后應全面落實小麥、玉米秸稈直接還田技術，增加土壤有機質含量。

（2）搞好堆肥、漚肥、沼氣肥、壓綠肥，從根本上增加農家肥的用量，加大有機肥的施用量。增施有機肥可以適當減少無機肥料的投入。以雞糞、豬糞與牛糞為主要有機肥料，按其含氮磷鉀平均值，作為有機肥用量依據，每施加100kg有機肥，可為土壤提供氮肥0.65kg，磷肥0.58kg，鉀肥0.5kg，同時可以提供多種作物必需的微量元素。在春玉米收獲前，7—8月前，將二月蘭種子撒于玉米行間，或在春玉米收獲后播種。在翌年4—5月，將二月蘭旋耕翻壓做綠肥，補充土壤有機質、提高土壤肥力，再進行春玉米播種。形成春玉米—二月蘭的輪套作模式，充分利用秋季及早春的光熱水資源，提高土地利用率;在冬季及早春起到覆蓋裸露土壤、防風固沙、美化田園的作用。

（3）推進土壤深耕深松技術，深翻厚度為30cm，有效改善土壤物理性質，按照區域布局合理調節種植制度，部分地區推廣一年兩熟改為一年一熟，減少復種指數合理養地。

3.4 耕地肥力信息管理系統 為更方便歸納海量的土壤數據資料，改變長期以來土肥資料儲存、管理和分析傳統手段的落后面貌，利用地理信息系統技術、數據庫技術，結合已有數據，建立平谷區耕地質量管理信息系統，采用現代技術手段提高數據管理、分析的效率和可視化程度，為農業科技人員數據管理和決策提供有力工具。該系統的建立為促進數字農業的發展，建立智能化、綜合性農業空間信息管理提供技術平臺。

系統可以實現基礎數據庫管理、查詢和動態更新，基于地塊的土壤質量評價，區域尺度的土壤質量預警評價，專題圖件和決策報表的打印輸出，指導縣域內土壤資源管理決策。

系統利用平谷區的土壤和作物信息作為原始數據，以面向對象的編程語言Delphi建立應用框架，以Access作為后臺數據庫，將GIS軟件的功能組件和作物管理知識模型構件緊密地結合在統一的界面下，實現系統各功能部件間的高效通訊和無縫集成，建立了一個集土壤信息管理與查詢、耕地質量評價、預警和GIS圖形信息管理于一體的養分資源綜合管理信息系統。系統實現流程如圖9所示。

3.4.1 系統開發環境 系統開發硬件環境：高檔微機，內存256M以上，CPU1.7GHz以上，硬盤存貯空間20G以上，可選掃描儀、繪圖儀等輸入輸出設備。系統開發軟件環境：Windows XP/Window 7/sever 2010，數據庫Access2003、SQL Server2000，SuperMap Objects+SuperMap IS.NET。編程語言采用Delphi 7.0+;數據庫連接采用ADO（ADO.NET）數據庫訪問對象。

3.4.2 系統運行環境 客戶端運行環境：高檔微機，內存256M以上，CPU1.7GHz以上，硬盤存貯空間20G以上，Windows XP/Windows 7系統，Access2003以上版本，SuperMap Objects Runtime。

3.4.3 數據庫建設 （1）數據庫類型：數據庫設計充分參考現有農業部“縣域土壤資源管理信息系統數據字典”“土地利用數據庫標準”，并結合北京市實際情況進行適當擴展，從而確保數據庫的標準化和模型庫、方法庫與數據庫的相對獨立性。具體數據庫的建立流程如圖10所示。

第1類是空間數據初始空間數據，包括第二次土壤普查系列專題圖件。通過掃描儀將紙質地圖轉換為柵格圖像后，經過矢量化和拓撲處理生成，包括土壤類型圖、土壤理化采樣點分布圖;技術生成具有正確拓撲關系的矢量數據結構地圖，也可以使用GPS采集農田坐標和采樣點坐標形成地圖。本系統中土壤圖、土地利用圖、農田地塊圖、采樣點圖、基礎地理要素圖等均屬空間數據，輸入模式按其性質分別選用Polygon、line和Point。

第2類是屬性數據，這類數據一般與地理要素相關，都有索引字段記錄所在的要素，以進行地圖要素與屬性數據的匹配，本系統主要包括土壤（土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量、有效態微量元素含量、重金屬含量、pH值、容重、質地、剖面構型、障礙層等數據）、農田基本信息（地塊編號、地塊面積、地面高程、坡度、權屬、土地利用類型、農田管理措施、投入產出情況、水利配套設施等資料）、作物生長狀況等。對采樣點數據采用地統計學插值方法進行最優無偏插值，可獲得土壤屬性的等值線圖，并在此基礎上采用ArcGIS的區統計功能（Zonal Statistics）獲取圖斑的屬性并添加到屬性數據庫中，從而能更精確地完成采樣點數據由點到面的擴展。

第3類是運行系統模型所需的數據（作物品種、目標產量、生長季節的氣象數據、土壤環境質量的相關評價標準和模型運算的參數等）和模型運行結果的數據。

（2）數據庫標準化：為了實現數據庫的標準化和規范化，使其具有較強的可操作性和完整的容錯性，便于與其他常用格式轉換進行數據共享，并實現開發和維護并重。本項目參照農業部制定的《縣域耕地資源管理信息系統數據字典》，制定了屬性數據系列標準化格式，包括：行政區劃屬性數據標準化格式;土地利用現狀屬性數據標準化格式;道路和水系屬性數據標準化格式;土壤屬性數據標準化格式等。

3.4.4 模塊設計 在標準化數據庫和模型參數數據庫基礎上，采用組件化模型庫設計方法，在規定的接口標準條件下，實現模型的動態更新以及模型與數據庫系統的相對獨立性。

4 結論

（1）研究區土壤有機質在全區范圍內含量均很高，空間上呈中北部高、南部較低的趨勢，在黃松峪鄉黑豆峪村含量最高可達到113.85g/kg;土壤全氮在空間上呈中北部高南部低的趨勢，在大華山鎮北部、東部以及東南部含量最高達到10.84g/kg;土壤速效鉀在全區范圍內含量均很高，平均值為238.02mg/kg;土壤有效磷含量在大華山鎮中部、大華山鎮與劉家店鎮交界處、南獨樂河鎮中部以及南獨樂河鎮、黃松峪鄉、金海湖鎮3鎮交界處含量最高，除鎮羅營鎮中部、峪口鎮西北部等少數地區含量較高外其余鄉鎮含量較低，最低值僅為0.41mg/kg。

（2）土壤有機質含量從表層到低層呈現明顯降低的趨勢;全氮在表層含量最高，隨著土壤剖面越深，全氮含量逐漸降低;剖面土壤速效鉀含量整體上呈現隨著深度增加而減小的趨勢;土壤有效磷含量呈現隨著深度增加逐漸下降的趨勢。

（3）平谷區的障礙類型主要為缺磷限制。缺磷限制在平谷區占比極少僅為0.08%，且分布位置相對集中都位于夏各莊鎮。

（4）根據平谷土壤質量調查結果，土壤質量提升應結合作物需肥情況，堅持以有機肥為主，并配以適當的化肥，調節土壤中養分和微量元素的結構。缺磷限制區以雞糞、豬糞與牛糞為主要有機肥料，為土壤提供磷肥。多種技術聯合使用，提升土壤質量。

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（上接95頁）

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