甘肅省武山縣土壤養分特征及綜合肥力評價

吳科生，車宗賢*，包興國，張久東，盧秉林，楊蕊菊

（1.甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所，甘肅 蘭州 730070；2.農業農村部甘肅耕地保育與農業環境科學觀測實驗站，甘肅 武威 733017）

土壤作為植物生長的重要介質環境，農業的基本生產資料，與社會經濟緊密聯系，其主要功能就是土壤供肥能力。土壤肥力的高低直接關系到作物產量、農產品品質、農業生產布局和效益以及農業可持續發展等［1-3］。全面客觀地評價土壤肥力對科學合理制定區域農田施肥制度，提高化肥利用率，減少過量施肥造成的浪費和污染，指導農業生產意義重大。土壤肥力評價指標往往因評價對象和目的不同而存在差異。如選取土壤密度和含水率［4］、土壤物理性質指標［5］、土壤化學性質指標［6］、生物性質指標［7］和土壤養分指標等［8］。目前，國內外在評價土壤肥力時采用的方法主要有模糊數學法［9］、灰色關聯度法［10］、因子分析法［11］、聚類分析法［12］、主成分分析法等［13］，內梅羅指數法多用于土壤污染和水體質量的評價［14］。石常蘊等［15］通過建立評價指標與土壤功能間的關系模型，確定指標權重得到土壤肥力綜合指數。Abbott 等［16］認為土壤肥力由土壤物理肥力、化學肥力和生物肥力3 個方面構成，物理肥力為作物提供生長環境，化學肥力為作物生長提供營養元素，生物肥力則是微生物群落對土壤物理、化學肥力以及礦質營養供應的有力保障。本文以土壤化學肥力為主要評價對象，通過對武山縣代表性典型土壤進行取樣和測試分析，用頻數分布方法分析了單肥力指標土壤養分特征，各種養分指標的變幅區間，以及對各項單肥力指標進行了評判和界定。從土壤養分盈缺入手，采用改進的內梅羅綜合指數法評價了土壤綜合肥力等級，旨在摸清武山縣土壤肥力狀況、施肥制度和當地農業生產習慣施肥中存在的問題，為武山縣平衡施肥決策和土壤科學管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區隸屬甘肅省天水市武山縣（104°34′～108°08′E，34°25′～34°57′N），地處渭河上游，屬秦嶺西北坡與隴中黃土高原西南邊緣復合地帶。地勢西高東低，南高北低，均向河谷川區傾斜。縣內海拔在1340～3120 m 之間，屬溫帶大陸性半濕潤季風氣候，年平均氣溫10.3℃，年均日照2331 h，年降水量500 mm 左右，無霜期240 d，全縣森林覆蓋率19.6%，夏無酷暑，冬無嚴寒，四季分明，環境宜居。截止到2014 年末，武山縣耕地面積共740.13 km2，其中水澆地56.88 km2，旱地683.25 km2。土壤類型有黑壚土、黃綿土、新積土，土壤質地屬少礫質粘壤土，農化性狀優良，土壤肥沃，灌溉體系完善。主要種植的糧食作物有小麥、玉米、馬鈴薯、豆類等，經濟作物有辣椒、番茄、韭菜、胡蘿卜、洋蔥、蒜苗、萵筍、菜瓜、甘藍等一年兩熟或三熟制蔬菜。

1.2 土壤采集

采集土壤樣品前，對當地肥力等級、種植制度、種植作物種類等因素進行調查和綜合分析，確定以村為單位的土壤采集點，每村選取以小麥、玉米田為代表性地塊，分別在武山縣小麥、玉米、溫室大棚的土壤上，用GPS 定位每個檢驗點，記錄每個取樣點的經緯度、海拔、前茬作物、采樣深度、采樣地點、采樣時間、采樣名稱、采樣人等信息。每個采樣地塊在“S”形路線上依次取5 個點土壤（0～20 cm）組成代表該點的混合土樣，并將同一地塊5 個點上采集的土壤樣品混合均勻后，用“四分法”逐次減少土壤數量，最終保留約重1 kg 土壤樣品，裝于土壤樣品袋，寫好內外2 個標簽，帶回實驗室作為分析測試樣品待用，共采集土壤樣品62 個。

1.3 測定項目及方法

土壤養分的測定均采用常規的方法［17-19］。其中，pH 土水比為1∶2.5 采用PHS-25 數顯pH 計測定，土壤有機質的測定采用重鉻酸鉀氧化-油浴加熱法，土壤全氮的測定采用凱氏定氮法，堿解氮的測定采用堿解擴散法；全磷采用氫氧化鈉熔融法，721 型紫外分光光度計測定；有效磷采用碳酸鈉提取－鉬銻抗比色，紫外分光光度法TU-1901 測定；全鉀采用氫氧化鈉熔融，M410 型火焰光度計測定；速效鉀采用乙酸銨提取，M410 型火焰光度法測定。

1.4 數據分析及評價方法

試驗數據采用Excel 2016 軟件對數據進行處理，土壤養分頻數分布采用SPSS 20.0 軟件作圖并進行統計分析，依據全國第二次土壤普查技術規程規定的養分分級標準［20］（表1），土壤綜合肥力評價方法采用修正后的內梅羅指數評價法，對武山縣土壤肥力綜合評價。

表1 土壤養分含量分級標準

表2 為標準化處理分級標準。選擇評價的土壤肥力主要因子：有機質、pH、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀8 項指標。按照全國第二次土壤普查的土壤養分分級標準，對大量元素分為6 級。其中，土壤pH＜4.5 為強酸性，4.5～5.5 之間為酸性，5.5～6.5 之間為弱酸性，6.5～7.5 之間為中性，7.5～8.5 之間為弱堿性，8.5～9.5 之間為堿性。大量元素的參數分別進行標準化消除各參數之間的量綱差別，標準化處理方法如下：

表2 土壤大量元素各屬性分級標準

當屬性值屬于差一級時，即Ci ≤Xa 時：Pi=Ci/Xa，（Pi ≤1）；

當屬性值屬于中等一級時，即Xa＜Ci ≤Xb，Pi=1+（Ci-Xa）/（Xb-Xa），（1＜ Pi ≤2）；

當屬性值屬于較好一級時，即Xb＜Ci ≤Xc，Pi=2+（Ci-Xb）/（Xc-Xb），（2＜ Pi ≤3）；

當屬性值屬于好一級時，即Xc＜Ci ≤Xd，Pi=3+（Ci-Xc）/（Xd-Xc），（3＜ Pi ≤4）；

當屬性值屬于優一級時，即Xd＜Ci＜Xe，Pi=4+（Ci-Xd）/（Xe-Xd），（4＜ Pi＜5）；

當屬性值屬于豐富一級時，即Ci＞Xe，Pi=5。

以上各式中，Pi 為分肥力系數，Ci 為該屬性測定值，Xi 為分級指標（表2）。通過標準化后，同一級別的各屬性分肥力系數比較接近，便于對比分析，當某屬性測定值超過優一級的標準時，分肥力系數不再提高，真實反映出植物對某屬性的要求并不是越高越好，與生產實踐相符，如某養分達到豐富級別后，繼續施肥提高其含量對植物的生長并沒有好處。

修正的內梅羅公式計算綜合肥力系數：P綜=（n-1）/n×{［（Pi平均）2+（Pi最小）2］/2}1/2

式中：P綜為土壤綜合肥力系數，Pi平均為土壤各屬性分肥力系數的平均值，Pi最小為各分肥力系數中最小值。采用Pi最小代替原內梅羅公式中的Pi最大是為了突出土壤屬性中最差一項指標對肥力的影響，即突出限制性因子；增加修正項（n-1）/n是為了反映可信度，即參評土壤屬性項目n 越多，可信度越高。本項目采用有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀7 項指標進行評價，故而n=7。根據計算的大量元素的綜合肥力系數給出土壤的肥力評價。土壤綜合肥力系數P綜在3.2～4.0 之間為土壤很肥沃，在2.4～3.2 之間為肥沃，在1.6～2.4 之間為一般，在0.80～1.6之間為貧瘠，＜0.80 為非常貧瘠。

2 結果與分析

2.1 武山縣土壤養分描述性統計

頻數分布圖可以直觀反映樣本在總體中的分布情況。對武山縣土壤養分進行統計分析（圖1）可以看出，不同養分指標的頻數分布不同。8 項養分指標的大多指標都呈現對稱或不對稱單峰分布。其中，全鉀和堿解氮含量近乎正態分布，土壤pH 呈現負偏（左偏），其它養分指標含量呈正偏（不對稱，右偏），且具有比正態分布曲線更尖峭的峰態。土壤pH、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量的平均值分別為8.35、14.86 g·kg-1、1.04 g·kg-1、1.01 g·kg-1、25.07 g·kg-1、85.59 mg·kg-1、44.64 mg·kg-1和247.50 mg·kg-1，且從變異系數來看，除pH 和全鉀含量的變異系數小于10%，屬于弱變異，其余6 項指標變異系數在10%～100%，均屬于中等變異。

根據土壤養分分級標準（表1），對8 項指標的頻數分布進行分析。土壤pH 在7.5～8.0 之間的樣點占3.2%（弱堿性），在8.0～8.5 之間的占79.0%（弱堿性），在8.5～9.0 之間的占17.8%（堿性）。有機質含量在10～20 g·kg-1之間的樣點占96.8%（缺乏），在20～30 g·kg-1之間的僅占3.2%（中等）。全氮含量在0.5～0.75 g·kg-1之間的樣點占9.7%（較缺），0.75～1.0 g·kg-1之間的占37.1%（缺乏），1.0～1.5 g·kg-1之間的占51.6%（中等），1.5～2.0 g·kg-1之間的僅占1.6%（較豐富）。堿解氮含量在40～60 mg·kg-1之間的樣點占6.5%（較缺），在60.0～90.0 mg·kg-1之間的占54.8%（缺乏），90～120.0 mg·kg-1之間的占30.6%（中等），在120～150 mg·kg-1之間的占6.5%（較豐富），大于150 mg·kg-1的僅占1.6%（豐富）。全磷含量在0.4～0.6 g·kg-1之間的占9.8%（缺乏），在0.6～0.8 g·kg-1之間的占45.2%（中等），在0.8～1.0 g·kg-1之間的占21.0%（較豐富），大于1.0 g·kg-1的占24.0%（豐富）。有效磷含量在10～20 mg·kg-1之間的樣點占16.1%（中等），20～40 mg·kg-1之間的占46.8%（較豐富），大于40 mg·kg-1的占37.1%（豐富）。全鉀含量在20～25 g·kg-1之間的樣點占46.8%（較豐富），其余全部大于25 g·kg-1的占53.2%。速效鉀含量在100～150 mg·kg-1之間的樣點占12.9%（中等），150～200 mg·kg-1之間的樣點占25.8%（較豐富），其余全部大于200 mg·kg-1的占61.3%（豐富）。

2.2 土壤肥力綜合評價

通過標準化計算處理后，同一級別的各屬性養分肥力系數比較接近，便于對比分析。從表3 可以看出，標準化后各養分指標的變異系數較小，變幅在0.03～0.25 之間。其中土壤全磷含量的變異系數最小，為0.03，土壤有效磷含量的變異系數最大，為0.25。其它養分的變異系數都集中在0.10～0.18之間。

表3 大量元素標準化處理指數

土壤有機質含有植物生長發育所需要的各種營養元素，是土壤肥力最為重要的指標。研究區耕層土壤有機質含量測定值變幅為10.55～23.38 g·kg-1，平均值為14.82 g·kg-1。根據全國第二次土壤普查技術規程規定的養分分級標準評價結果表明該區土壤有機質狀況處于較缺等級。土壤全氮含量是土壤氮素養分的儲備指標，在一定程度上能夠說明土壤氮的供應能力。研究區的耕層土壤全氮含量測定值變幅為0.67～1.69 g·kg-1，平均值為1.04 g·kg-1。根據養分分級標準評價結果表明該區土壤全氮含量狀況處于中等。土壤全磷含量是土壤磷素養分的儲備指標，在一定程度上能說明土壤磷的供應能力。研究區的耕層土壤全磷含量測定值變幅為0.69～3.17 g·kg-1，平均值為1.01 g·kg-1。根據養分分級標準評價結果表明該區土壤全磷含量狀況均處于豐富等級。土壤全鉀是土壤鉀素養分的儲備指標，在一定程度上說明土壤鉀的供應能力。研究區的耕層土壤全鉀含量測定值變幅為23.0～28.0 g·kg-1，平均值為25.04 g·kg-1。根據養分分級標準評價結果表明該區土壤全鉀含量狀況均處于豐富等級。土壤中的堿解氮直接能被植物吸收利用，其含量的高低決定了土壤的供氮能力。研究區的耕層土壤堿解氮含量測定值變幅為44.4～166.3 mg·kg-1，平均值為85.41 mg·kg-1。根據全國養分分級標準評價結果表明該區土壤堿解氮含量狀況處于缺乏等級。土壤有效磷能或易被植物吸收利用，可用以表示近期內（1 個生長季）植物可利用磷的多少。研究區的耕層土壤有效磷含量測定值變幅為13.1～248.2 mg·kg-1，平均值為45.07 mg·kg-1。根據全國養分分級標準評價結果表明該區土壤有效磷含量狀況處于豐富等級。土壤速效鉀可以判斷土壤鉀供應情況以及確定是否需要鉀肥及其施用量的重要指標。研究區的耕層土壤速效鉀含量測定值變幅為111.0～510.0 mg·kg-1，平均值為248.77 mg·kg-1。根據全國養分分級標準評價結果表明該區土壤速效鉀含量狀況均處于豐富等級。土壤pH 是土壤酸度和堿度的總稱，用以衡量土壤酸堿反應的強弱，主要有氫離子和氫氧根離子在土壤溶液中的濃度決定，其值一般都較為穩定。研究區的耕層土壤pH的變幅在7.81～8.67之間，平均值為8.35。根據全國養分分級標準評價結果表明該區土壤狀況為弱堿性等級。通過對各單項指標進行標準化處理，采用改進的內梅羅綜合指數法對研究區土壤養分狀況進行綜合計算，評價結果是研究區的大量元素綜合肥力指數為2.28，對照肥力評價等級狀況處于肥沃等級。

3 討論

土壤養分是指氮磷鉀等植物需要的營養元素在土壤中的不同存在形態及數量，并能夠被作物生長發育吸收利用。土壤肥力是土壤各方面性質的綜合反映，包括土壤養分、土壤物理性質、生物化學性質及環境條件等綜合性指標，不同的研究者對土壤肥力有不同的理解［13］。土壤肥力是在適宜的光照、溫度、濕度、土壤物理性狀條件下，土壤向植物以一定量和比例供應養分的性能［21］。陳恩鳳［22］認為土壤肥力是土壤的自動調節能力，是對水、肥、氣、熱等因素的儲存和供應能力，肥沃的土壤其吸收容量大、轉化釋放供應量也大，能較大程度適應植物生長需要和抵抗不良生長條件。侯光炯等［23］把土壤肥力分為母質肥力、層次肥力、田塊肥力、耕作肥力、氣候肥力、地貌肥力、水文肥力和植被肥力。章家恩等［24］認為土壤肥力是與生物群落（包括動物和微生物）之間長期協同進化、相互適應、相互作用的一種供需平衡狀態。熊毅［25］認為土壤肥力是土壤為植物供應養分和協調營養條件和環境條件的能力，評價土壤肥力要考慮土壤整體的綜合因素。隨著人們對土壤研究水平和科學手段的不斷提高，土壤肥力概念的外延在不斷擴大，內涵不斷縮小，學者們還傾向于將地貌、水文、氣候、植物等環境因子，以及人類活動等社會因子作為土壤肥力系統的組成部分。

土壤肥力綜合評價是土壤肥力高低的評判和鑒定，因此不能通過單一的土壤養分氮、磷、鉀、有機質等指標進行評價［26］。目前，通常采用的土壤評價方法有聚類分析法、因子分析法、主分量分析法（主成分分析法、主因素分析法）、判別分析法、因子加權綜合法等。本研究應用修正的內梅羅指數法評價土壤綜合肥力發現，武山縣的土壤有機質含量在10.55～23.38 g·kg-1之間，平均值為14.82 g·kg-1，處于缺乏等級；全氮含量在0.67～1.69 g·kg-1之間，平均值為1.04 g·kg-1，處于中等等級。可見，研究區的土壤有機質含量較低，主要原因是有機肥料投入過少，建議進一步增加有機肥、秸稈等有機物質的投入，為提高土壤綜合肥力提供有力保障。土壤全磷、全鉀、有效磷、速效鉀平均含量分別為1.01 g·kg-1、25.04 g·kg-1、45.07 mg·kg-1、248.77 mg·kg-1，均處于豐富等級，說明土壤供磷和供鉀能力較強，土壤磷素和鉀素投入有盈余，造成磷鉀素在土壤中累積殘留量較多，在今后的施肥過程中應該增氮控磷限鉀，甚至可以少施或不施用鉀肥。通過改進的內梅羅綜合指數法對武山縣區土壤肥力綜合計算的評價結果是大量元素綜合肥力指數為2.28，對照肥力評價等級狀況處于一般等級，主要原因是雖然土壤有機質和全氮含量缺乏，但全磷、全鉀、有效磷和速效鉀含量處于豐富范疇，所以綜合肥力系數處于一般偏上范圍。

4 結論

甘肅省武山縣土壤堿解氮和全鉀含量接近正態分布，土壤有機質、全氮、全磷、有效磷、速效鉀含量是正偏（不對稱，右偏），而pH 呈現負偏（左偏）。土壤有機質含量有96.8%的樣點處于缺乏范圍。全氮和堿解氮含量有46.8%和61.3%在缺乏以下，51.6%和30.6%處于中等范圍，全磷和有效磷含量在中等及豐富以上的樣點分別達到45.2%、45.0%和16.1%、83.9%。全鉀和速效鉀含量在較豐富以上范圍的樣點分別達到100%和87.1%。

通過改進的內梅羅綜合指數法對武山縣區土壤肥力綜合計算評價結果是大量元素綜合肥力指數為2.28，對照綜合肥力評價等級標準處于一般等級。建議武山縣未來施肥應堅持增加有機肥施用量，并在作物生長關鍵生育期適當增加氮肥用量，減少施磷量，少施或不施鉀肥的施肥策略。