青海省互助縣10年耕地土壤養分狀況、變化趨勢及肥力評價

鄧曉倩, 馬素娟, 曹曉萍, 王 攀, 安韶山

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊陵 712100; 2.青海省海東市互助縣農業技術推廣中心, 青海 互助 810599; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊陵 712100)

陸地生態系統中，土壤養分對植物生長和養分循環具有重要的調節作用[1]。土壤碳、氮、磷和鉀是生態系統中植物生長和生產的主要競爭性營養資源[2]。我國“十三五”規劃提出了現代農業發展的“耕地儲糧、減肥增效”國家戰略。耕地儲糧是指通過培育土壤質量，提高土壤肥力，實現糧食穩定高產[3]。在耕作過程中，隨著時間的推移，農村的經營制度、耕作制度、有機肥和化肥施用總量與作物種植結構發生了變化[4]，耕地土壤肥力也會相應發生變化。土壤肥力決定作物的生長和產出，進而決定土地生產力和可持續性[5]。均衡施肥或有機無機肥料配施是維持作物高產、穩產的有效措施，施用化肥過少或過量都會引起土壤質量及生產力下降[6]。土壤肥力是衡量耕地質量的重要指標，與作物的生長狀況有著密切的關系，土壤肥力評價能綜合評價土壤的基本肥力狀況，為作物的生長提供科學的理論指導。在現有評價方法中，常用土壤C，N，P來分析土壤養分情況，或直接將大田產量作為衡量土壤肥力的標準[7]。近年來，學者將聚類分析、因子分析和模糊數學應用于土壤肥力的綜合評價[8-9]，其中模糊數學的方法可以通過隸屬度描述土壤養分指標的漸變性和模糊性[10]，由于可操作性強、評價結果準確可靠，許多學者在評價土壤肥力時用到該方法[11-14]。

互助土族自治縣是全國唯一的土族自治縣[15]，總土地面積3 423.9 km2，2019年農業收入占各類產值總收入的59.89%，農業是當地居民收入的主要來源。互助縣是青海省重要農業區，改善土壤，科學耕作以提高作物產量對提高當地居民的收入至關重要。自2007年全國第二次土壤調查以來，互助縣農業技術推廣中心每年進行采樣分析，監測土壤理化指標的變化，本文在此基礎上，研究互助縣自2007年以來耕地中各養分指標的變化，用模糊綜合評價的方法對土壤肥力進行評價，為耕地的合理耕種提出建議，對探究耕地可持續耕作、提高作物產量具有一定意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

互助土族自治縣(101°46′—102°45′E，36°30′—37°09′N)是青海省海東市下轄縣，位于青海省東部、海東市北部，北倚祁連山脈達坂山，與門源回族自治縣相連，東北與甘肅省天祝藏族自治縣和永登縣毗鄰，東南與樂都區接壤，西臨大通縣[16]，總面積3 423.9 km2，包含19個鄉鎮，294個村莊，總人口40.17萬人[17]。互助縣地處青藏高原和黃土高原的過渡地帶祁連山東段南麓。地勢北高南低，最高點為巴扎藏族鄉的北溝腦嶺，海拔4 484 m，最低點在高寨鎮的曹家堡村，海拔2 200 m，縣境地勢起伏，高差懸殊，“三橫三縱”的平行嶺谷縱橫交錯[18]。縣境內無湖泊，有大小天然河流8條，均屬黃河流域、湟水水系，全長2 895 km，青石嶺自西北向東南貫穿全境，把全縣自然地分為兩大地形單元。互助土族自治縣屬大陸寒溫帶氣候，冬季受西伯利亞季風和寒流影響，夏季受東南沿海臺風影響。年均溫5.8℃，極端最高氣溫為30.3℃，極端最低氣溫為-26.9℃；年日照時數為2 581.7 h，無霜期114 d，年降水量477.4 mm，年蒸發量1 198.3 mm，年相對濕度63%，年平均風速0.9 m/s，雷暴日數39 d。

1.2 數據獲取與分析

本研究的數據來源于互助縣農業技術推廣中心，樣點位置見圖1，土壤指標包括pH值、土壤有機質(Soil organic matter, SOM)、全氮(Total nitrogen，TN)、堿解氮(Available nitrogen，AN)、全磷(Total phosphorus，TP)、有效磷(Available phosphorus，AP)、全鉀(Total potassium，TK)和速效鉀(Available potassium，AK)。采樣深度為0—20 cm的土壤耕層，將每個土樣混合均勻，室內風干、過篩后進行測定，測定方法為土壤農化分析中常用方法[19]。

圖1 研究區樣點分布情況

1.3 統計分析

1.3.1 分析軟件 首先將數據在SPSS中進行檢驗，驗證其是否符合正態分布。由于數據量大，為了提高數據的準確度，采用3倍標準差法對數據進行初步篩選。用IBM SPSS 24進行數據分析，用Origin 2007及ArcGIS 10.1繪圖。

1.3.2 土壤綜合肥力指數 在土壤綜合肥力指數的計算中，本研究中選用相關系數法確定土壤肥力指標權重，采用模糊數學綜合評價法[10]，該評價法使用隸屬函數表征指標肥力狀況。具體步驟：1) 選取肥力指標與隸屬函數；2) 確定隸屬函數的轉折點；3) 確定指標權重；4) 計算土壤肥力綜合指數。

(1) 選取肥力指標與隸屬函數。在土壤pH，SOM，TN，AN，TP，AP，TK，AK 8個指標中，由于各指標的量綱不同，沒有可比性，故而引入隸屬函數將指標歸一化。隸屬函數是評價指標與作為生長效應曲線相關關系的數學表達式，有“S”型(1)和“拋物線”型函數(2)兩種類型[8]。由于SOM，TN，AN，TP，AP，TK，AK這類養分指標在一定范圍內增大時，其對肥力的貢獻增大，低于和高于一定范圍，其貢獻率維持在低水平和高水平，符合S型曲線的特征[20]，故這些指標使用“S”型函數。pH值適用于“拋物線”型函數，這類評價因素對作物的生長發育都有一個最適宜范圍，超過此范圍，偏離程度越大對作物的生長發育越不利[21]。

(1)

(2)

式中:f(x)為某指標的隸屬度；x為該指標實測值；x1，x2，x3，x4分別對應該指標的隸屬函數轉折點。

(2) 確定隸屬函數的轉折點。結合全國第二次土地調查相關標準[22]及互助縣耕地土壤特性，確定隸屬函數轉折點見表1。

表1 隸屬函數轉折點

(3)

(4) 計算土壤肥力綜合指數。

IFI=∑(qi×wi)

(4)

式中：qi是第i項土壤肥力指標的隸屬度；wi是第i項土壤肥力指標的權重系數；IFI值在0～1之間，值越大，表明土壤肥力質量越好[24]。

2 結果與分析

2.1 互助縣耕地土壤養分狀況描述性統計

由圖2看出，2007互助縣耕地土壤偏堿性，pH值為7.00～9.20，平均值8.03。SOM，TN，AN，TP，AP，TK和AK的范圍分別為2.30～58.60 g/kg，0.33～3.49 g/kg，31.00～204.00 mg/kg，0.91～2.98 g/kg，1.8～51.5 mg/kg，9.40～36.70 g/kg，11.00～460.00 mg/kg；均值分別為26.11 g/kg，1.90 g/kg，112.28 mg/kg，2.05 g/kg，17.78 mg/kg，22.79 g/kg，188.41 mg/kg；其中pH值屬于小變異，TN，AN，TP和TK屬于中等變異，SOM，AP和AK屬于高等變異。結合全國第二次土壤普查土壤養分分級標準[22]，大部分樣點的等級都在前三級。

圖2 互助縣耕地各指標箱線圖及土壤質量等級

2016年，互助縣耕地土壤偏堿性，pH值為7.00～8.40，平均值7.69。SOM，TN，AN，TP，AP，TK和AK的范圍分別為13.90～30.10 g/kg，0.90～3.65 g/kg，91.00～139.40 mg/kg，1.10～4.01 g/kg，2.90～50.30 mg/kg，2.00～28.30 g/kg，105.00～139.00 mg/kg；均值分別為23.93 g/kg，2.36 g/kg，121.97 mg/kg，2.52 g/kg，25.02 mg/kg，14.82 g/kg，127.13 mg/kg；其中pH，AN和AK屬于小變異，SOM，TN和TP屬于中等變異，AP和TK屬于高等變異。大部分樣點的等級在前三級。

2.2 互助縣2007年、2016年各鄉鎮土壤養分基本狀況

互助縣共有19個鄉鎮，各個鄉鎮的土壤養分狀況不同。2007年各鄉鎮pH值呈堿性，最小值7.72出現在臺子鄉，最大值8.2出現在西山鄉；SOM的最小值16.16 g/kg出現在蔡家堡鄉，最大值47.83 g/kg出現在南門峽鎮。由圖3看出，SOM的分布呈現出西南低，東北高的趨勢；TN的最小值1.34 g/kg出現在西山鄉，最大值2.89 g/kg出現在巴扎鄉，分布規律與SOM類似；AN最小值78.55 mg/kg出現在西山鄉，最大值147.9 mg/kg出現在巴扎鄉；TP的最小值1.66 g/kg出現在蔡家堡鄉，最大值2.39 g/kg出現在松多藏族鄉，鄉鎮間分布無明顯規律；AP的最小值6.77 mg/kg出現在東和鄉，最大值29.59 mg/kg出現在紅崖子溝鄉；TK的最小值18.40 g/kg出現在臺子鄉，最大值29.50 g/kg出現在丹麻鎮，鄉鎮間分布無明顯規律；AK的最小值80.15 mg/kg出現在南門峽鎮，最大值378.62 mg/kg出現在哈拉直溝鄉。

圖3 2007年、2016年互助縣各鄉鎮SOM，TN，TP，TK情況

2016年各鄉鎮pH最小值7.3出現在哈拉直溝鄉，最大值8.01出現在威遠鎮；SOM的最小值19.70 g/kg出現在哈拉直溝鄉，最大值26.23 g/kg出現在東溝鄉，與2007年的情況相似，SOM的分布呈現出西南低，東北高的趨勢；TN的最小值1.36 g/kg出現在塘川鎮，最大值2.74 g/kg出現在東和鄉，分布規律與SOM類似；AN最小值110.14 mg/kg出現在五十鎮，最大值135.50 mg/kg出現在加定鎮；TP的最小值2.09 g/kg出現在塘川鄉，最大值2.93 g/kg出現在哈拉直溝鄉，鄉鎮間分布無明顯規律；AP的最小值16.55 mg/kg出現在東山鄉，最大值31.30 mg/kg出現在林川鄉；TK的最小值7.94 g/kg出現在西山鄉，最大值24.30 g/kg出現在哈拉直溝鄉，各鄉鎮的TK分布無明顯規律；AK的最小值122.29 mg/kg出現在紅崖子溝鄉，最大值135.00 mg/kg出現在哈拉直溝鄉。

由圖4看出，2007年互助縣各鄉鎮的碳氮比為4.69～13.33，平均值8.042，2016年，碳氮比為4.85～8.93，平均值5.848。從2007—2016年，大部分鄉鎮的碳氮比都呈現出下降的趨勢，僅有威遠鎮耕地的碳氮比上升了2.7，所有鄉鎮平均下降了2.194(27.28%)。

圖4 2007年、2016年互助縣各鄉鎮土壤碳氮比

2.3 互助縣10年耕地土壤養分的變化

2007—2016年，互助縣耕地土壤養分變化見圖5，土壤酸堿度變低，各鄉鎮的酸堿度降低0.09～0.76，所有鄉鎮平均降低了0.42。SOM，TK和AK分別降低0.06～22.65 g/kg，0.22～18.045 g/kg，16.203～243.615 mg/kg，平均降低2.51 g/kg，7.389 g/kg，63.87 mg/kg；TN，AN，TP和AP分別增加0.14～1.12 g/kg，7.27～43.03 mg/kg，0.02～0.76 g/kg，3.21～20.17 mg/kg平均增加0.52 g/kg，10.92 mg/kg，0.50 g/kg，6.67 mg/kg。土壤肥力指數在這10年中呈現增加的趨勢，其中降低的鄉鎮有6個，降低的值為0.001～0.075，增加的鄉鎮有10個，增加的值為0.039～0.238，所有鄉鎮在10年中平均增加0.047。

圖5 2007-2016年互助縣耕地土壤各養分變化

在10年的耕作中，耕地酸堿度降低了0.418(5.20%)；SOM處于被消耗的狀態，SOM的含量降低了2.509 g/kg(9.69%)，TN處于積累的過程中，含量增加了0.516 g/kg(27.45%)，TP處于積累的過程，含量增加了0.498 g/kg(24.41%)，TK處于消耗的過程，含量降低了7.389 g/kg(32.02%)。在后續的耕作過程中，應注重有機肥和鉀肥的添加，尤其是丹麻鎮。

2.4 互助縣耕地土壤肥力評估

各指標隸屬度的雷達圖可以直接反映單一指標的肥力水平，平均隸屬度越大，指標的肥力水平越高。圖6為互助縣2007年、2016年耕地個肥力指標所對應的平均隸屬度雷達圖值，其中，2007年和2016年的TN，AN，TP，AP的平均隸屬度較高，均在0.800以上，2007年的pH和2016年的TK平均隸屬度較低，均在0.500以下，其他肥力指標介于這兩個值之間。從2007—2016年，pH，TN，AN，TP，AP的平均隸屬度均有明顯的上升，而TK和AK的平均隸屬度明顯下降，這表明在這10年中，全縣耕地土壤的堿性情況有明顯的改善，TN，AN，TP，AP的肥力水平有所提高，而TK和AK的肥力水平有所下降，在后續的耕作過程中，應注重鉀肥的添加。

圖6 各肥力指標平均隸屬度雷達圖

從圖7互助縣各鄉鎮土壤肥力指數可以看出，2007年各鄉鎮土壤肥力的值為0.581～0.915，平均值0.763，各鄉鎮的肥力指數分布呈現西南低，東北高的趨勢。2016年各鄉鎮土壤肥力的值為0.731～0.848，平均值0.807。2007—2016年，土壤肥力指數整體呈現出增加的趨勢，增加的值為0.039～0.238，但在南門峽鎮、臺子鄉、威遠鎮、丹麻鎮、加定鎮、松多藏族鄉6個鄉鎮出現了降低的情況，降低的值為0.001～0.075，其中以丹麻鎮降低0.075下降的最多，所有鄉鎮在10年中平均增加了0.044(5.77%)。

圖7 各鄉鎮土壤綜合肥力指數

2.5 2007年、2016年各指標關系

如表2所示，在2007年各指標的主成分分析中，各養分指標間相關性顯著，除了AN和AP，AN和TK，TP和AP、以及AP和TK，其他養分指標的相關性均達到極顯著級別。而在2016年各養分指標之間的關系中(表3)，SOM與TN，AN，TK，AK之間的相關性顯著，TN與AP，TP與AP之間的相關性顯著。如表4所示，2007年，前兩個主成分的貢獻率達到73.45%，由圖8可知，在前兩個主成分中，AN和AP的作用突出。2016年，前兩個主成分的貢獻率達到79.43%，由圖9可知，前兩個主成分中，AK和AP的作用突出。

圖8 2007年各樣點PCA分析

圖9 2016年各樣點PCA分析

表2 2007年各指標斯皮爾曼相關性系數

表3 2016年各指標斯皮爾曼相關性系數

表4 主成分分值貢獻率

3 討 論

3.1 土壤養分空間變化特征及原因

互助縣土壤養分呈現出西南低、東北高的特點。肥力大小的差異是自然成土因素和人為活動長期作用的結果[26-28]，由于成土母質、氣候、生物、地形以及土地利用方式等在空間尺度上的不同，導致了土壤肥力狀況在空間上的變化[29]。互助縣耕地成土母質主要為黃土和黑土，土壤類型以黑鈣土、栗鈣土、潮土和高山草甸土為主，成土母質和土類是造成土壤養分空間變化的根本原因，通常，成土母質為黑土的土壤SOM高于成土母質為黃土的土壤。互助縣種植作物為小麥、青稞、馬鈴薯、蠶豆等，其中蠶豆因其大且多的根瘤被譽為“生物固氮之王”，種植蠶豆可減少因大量施用化肥而造成的水資源的污染和土壤結構破壞，還可改良土壤肥力[30]，建議在耕作過程中將蠶豆與其他作物輪作，從而改善土壤環境。

互助縣以小農經濟為主，由于認識水平、家庭經濟能力的不同，施肥習慣存在明顯的差異，這是造成耕地肥力情況不同的重要原因。2019年，青海省推行“有機肥替代化肥”[31]，在此之前，當地的肥料以尿素、二銨和復合肥等為主，施肥量和肥料配施存在明顯區別。在南門峽鎮、臺子鄉、威遠鎮、丹麻鎮、松多藏族鄉5個鄉鎮中，氮肥的施加不到位，導致土壤肥力水平的下降。在后續的耕作活動中，應當注重鉀肥的添加，南門峽鎮、臺子鄉、威遠鎮、丹麻鎮、松多藏族鄉5個鄉鎮在注重鉀肥添加的同時，應注重氮肥和有機肥的添加。

3.2 土壤養分年份變化特征及原因

10年來，土壤的酸堿性降低，這與張水生[32]和白建忠等[4]的研究結果相同。土壤酸堿性是土壤的一項重要屬性，對作物的生長有一定的影響，根據第二次普查農田肥力數據庫，互助縣耕地土壤的pH值為7.9～8.9，因耕作過程中長期使用酸性復合肥[32-33]，耕地平均酸堿度降低明顯。酸堿度變化太大會對作物產生負面影響，所以在日后耕作過程中，要注意平衡土壤的酸堿度，使作物的生長環境良好。10年來，SOM的含量呈現出下降的趨勢，隨之下降的是土壤碳氮比，一般情況下，耕層的碳氮比在8∶1～15∶1之間[34]，互助縣的碳氮比明顯偏低，且10年間下降至5.848，這與當地農民的耕種習慣密切相關。土壤TN和AN均呈現出增加趨勢，為增加產量，不斷施加氮肥，逐年積累，使得氮素的收支處于盈余的狀態，多余的氮素被土壤吸附固定，造成土壤的氮含量增加。磷肥的施用能改善土壤有效磷水平，隨著施入土壤中的磷肥迅速增加，而植物對施入土壤中的磷肥當季利用率只有5%～15%[35-36]，絕大部分的磷積累于土壤中，造成磷在土壤中的富集，當累積超過一定限度，磷可通過徑流、滲透、淋溶等途徑向水體遷移，對水體環境產生危害[37]，還可能降低土壤中碳儲量[38]。建議后續耕作活動中，減少磷肥的使用，降低環境污染的風險。

耕作過程中，輕鉀肥，重氮、磷肥，且存在輕基肥重追肥的情況。科學施肥應當重視基肥的施加，確定合適的基肥追肥比例，提高肥料利用率。作為基肥，氮肥、磷肥和鉀肥的比例應當分別控制在60%～70%，100%和50%；作為追肥，氮肥控制在30%～40%，鉀肥控制在50%[32]。10年間鉀肥的減少量高達32.02%，一方面是因為農民在耕作過程中偏施氮、磷肥，少施或不施鉀肥；另一方面是因為作物本身從土壤中帶走的鉀肥較多，投入和產出不平衡導致土壤鉀素不斷降低，因此在后續的耕作過程中，應注重鉀肥的施加。過多過少的使用化肥都不利于土壤養分補充和糧食生產，確保作物需求量和施肥量之間的養分平衡才是改善土壤性質的必要條件[39]。

4 結 論

互助縣的耕地土壤養分狀況整體較好，單個指標質量等級均在前三級。由于長期使用酸性復合肥，耕地酸堿度降低5.20%；長期耕種導致耕地肥力消耗，消耗的元素不及時補充，使得SOM含量降低9.69%；TK降低32.02%；土壤碳氮比降低27.28%。互助縣耕地土壤的肥力情況呈現西南低，東北高的趨勢。土壤綜合肥力指數上升5.77%，主要是氮、磷元素升高引起，存在環境污染的風險。在后續的耕作過程中，應注重有機肥和鉀肥的添加，秸稈還田，蠶豆與其他作物輪作，少施或不施磷肥，降低環境污染風險，確保耕作環境良好，作物可持續生長。