山東省臨沭縣北部土壤養分特征及綜合肥力評價

李莎 胡自遠 張永帥 孫振洲 鄧清海 李付全

摘要： 在山東省臨沭縣北部農耕區進行耕層土壤樣品采集，并測定土壤pH、有機質、全量及速效氮磷鉀等養分指標來表征土壤肥力，運用因子分析法、聚類分析法計算出所有樣本土壤養分綜合評價值并進行等級劃分來評價土壤肥力。結果表明臨沭縣北部土壤酸化嚴重，有機質和全氮、速效鉀含量較低，全鉀、全磷、堿解氮、速效磷比較豐富。因子分析顯示TN、OM、AK、AP、TP、pH是影響臨沭縣北部土壤養分綜合狀況的主要因素。臨沭縣北部土壤肥力水平偏低；土壤養分綜合評價值（IFI）具體表現為：鄭山街道>青云鎮>玉山鎮>臨沭街道>蛟龍鎮。

關鍵詞： 土壤養分；綜合肥力；土壤酸化；山東省臨沭縣

中圖分類號： TN929.5 ????文獻標識碼： A ???doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.03.013

引文格式： 李莎，胡自遠，張永帥，等.山東省臨沭縣北部土壤養分特征及綜合肥力評價［J］.山東國土資源，2023，39（3）：88 95.LI Sha， HU Ziyuan， ZHANG Yongshuai， et al. Soil Nutrient Characteristics and Comprehensive Fertility Evaluation in the North of Linshu County［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（3）：88 95.

0 引言

土壤肥力是土壤的本質屬性， 是土壤各種性質的綜合表現，土壤肥力反映了土壤為植物提供適宜條件的能力［1 3］。臨沭縣北部以農業為主，近年來隨著有機肥、化肥等農作物營養物質的不合理施用，造成了農業面源污染有不斷加重的趨勢，受污染的農田比例逐步上升，農業面源污染造成土壤板結、水土流失，影響農產品質量安全，同時也是導致農業生態環境惡化和資源退化的重要因素［4］。因此，開展土壤養分特征研究和土壤肥力水平評價對于摸清土壤本底、掌握土壤質量變化、指導科學施肥管理、實現農業綠色可持續發展具有重要的意義。目前國內外在評價土壤肥力時采用的方法主要有因子分析法［5］、主成分分析法［6］、灰色關聯度法［7］、聚類分析法［8］、模糊數學法［9］、內梅羅指數法［10］等。其中，因子分析可以通過降維的方式，通過提取少數公共因子就能夠解釋原始數據，從而簡化數據，使得因子變量更具有可解釋性，命名清晰性更高，利于對客觀現象進行科學評價。在應用上，因子分析法側重于信息貢獻影響力綜合評價，但若結合聚類分析法，可以實現對土壤養分質量進行較精確的評價，從而更好、更真實地反應土壤的養分綜合狀況［11］。因此，本文在充分分析前人研究的基礎上，選取pH、OM、TN、TP、TK、AN、AK、AP為評價指標，分析臨沭縣北部土壤養分含量及分布，并基于因子 聚類分析法對研究區土壤肥力進行綜合評價，可為臨沭縣北部農田土壤的改良、培肥提供基礎數據資料，為土地資源高效利用、現代農業可持續發展和高標準農田建設等提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于山東省臨沂市的東南部，范圍包括臨沭街道、鄭山街道2個街道，蛟龍鎮、青云鎮、玉山鎮等3個鎮。研究區屬于暖溫帶季風氣候，年日照時數為2459h，年平均氣溫在12.7℃，年均無霜期積溫4238.1℃，全縣多年平均降雨量為852mm，全縣年均水面蒸發量1036.3mm。研究區屬于剝蝕緩坡丘陵區，地勢東北部高，西部和南部低，呈扇形傾斜狀態，境內地貌以緩坡丘陵為主，大致分為低山、丘陵、平原3種類型。研究區大地構造位于秦嶺 大別 蘇魯造山帶（Ⅰ）膠南 威海隆起區（Ⅱ）膠南隆起（Ⅲ）膠南斷隆（Ⅳ）洙邊凸起和臨沭斷隆（Ⅳ）臨沭凹陷。研究區土壤主要有粗骨土、棕壤、褐土、潮土和砂姜黑土5個土類。粗骨土分為酸性粗骨土、中性粗骨土、鈣質粗骨土3個亞類；棕壤分為棕壤、白漿化棕壤、潮棕壤3個亞類，主要分布于臨沭縣東部、南部和東北部山區丘陵地帶；褐土分為褐土、淋溶褐土、潮褐土3個亞類，主要分布在西部近沭河沿岸白旄西部同馬嶺斜向西南，經華山嶺至南古的北部土嶺；潮土分為潮土、濕潮土2個亞類，是直接在河流沉積物上發育、受地下水影響作用的一種土壤，養分含量高，主要分布在沭河沿岸較平坦地帶；砂姜黑土一個亞類主要分布在牛腿溝兩側，包括青云鎮的季嶺，臨沭鎮的高湖，鄭山街道西湖等低洼地帶。

1.2 樣品采集與分析

土壤樣品采集遵循網格加圖斑的原則，嚴格按照《土地質量地球化學評價規范》《山東省1 ∶ 50000土地質量地球化學調查評價技術要求》執行，以農用地為主，并兼顧少量建設用地，采樣以GPS定位點為中心，向四周輻射15～50m確定4個分樣點，等份組合成一個混合樣，采樣深度為20cm，單樣均重大于1.5kg，共采集樣品144件，平均采樣密度為4個/km2，其分布如圖1。

土壤樣品分析測試由山東省第七地質大隊實驗室完成，分析指標為pH、OM、TN、AN、TP、AP、TK、AK 共8項。分析用到的儀器主要有PE600石墨爐原子吸收光譜儀、AvioTM 200全譜直讀電感耦合等離子體發射光譜儀、AFS 9750型原子熒光光度計、K1100F全自動凱氏定氮儀、PHS 3C型pH計為主，輔以其他靈敏度較高的專項分析儀器，分析方法及檢出限見表1。分析檢測過程插入14件國家一級標準物質，質量水平為：一級標準物質總體合格率為100%，分別統計的各元素合格率均為100%。

1.3 評價方法

1.3.1 土壤養分描述性統計

對7項養分指標及pH數據進行分析整理，統計分析項目包括算數平均值、標準差、變異系數、最大值、最小值、極差等參數。

1.3.2 土壤養分分級評價

根據全國第二次土壤普查養分分級標準和現有文獻［12 13］，將土壤中TN、TP、TK、OM、AN、AP、AK按元素含量劃分為5個等級如表2。此外，土壤pH小于4.5為強酸性，4.5～5.5為酸性，5.5～6.5為弱酸性，6.5～7.5為中性，7.5～8.5為弱堿性，8.5～9.5為堿性。

1.3.3 因子 聚類分析法

本文采集了臨沭北部地區的144個有效態監測數據，運用因子分析法、聚類分析法對臨沭縣北部土壤肥力進行綜合評價。

首先利用公式（1）對數據進行標準化處理［14］，然后通過因子分析法計算出臨沭縣北部調查指標的因子特征值、特征向量和因子累計貢獻率；

X1i= Xi- ??S ??????（式1）

式中： Xi和 ?分別為原始數據和數據均值； ?S ?為數據標準差。

第二步，根據因子累計貢獻率，選擇公因子，計算各因子得分，即將因子得分系數矩陣與標準化數據相乘得到每個點位的因子得分F；然后根據模糊數學加乘法原則，利用式（2）求出反映土壤肥力的綜合性指標值（Integrated fertility index， IFI） ?［15 16］；

IFI=∑niMiFi ??（式2）

式中： Mi為第i個因子貢獻率；Fi為第i 個因子得分。

第三步，根據得出的 IFI 值，采用組間連接法對土壤樣品進行系統聚類分析，并劃分評價其土壤肥力高低［11］。

具體評價時，因子分析和聚類分析的各個過程采用SPSS20.0軟件實現。

2 結果與分析

2.1 土壤養分概況

通過對TN、TP、TK、OM、AN、AK、AP7種指標描述性分析得出臨沭縣北部土壤養分概況，從表3可看出，其均值分別為0.94、0.96、26.85、15.14、0.16、0.16、0.07，TK遠高于其他指標。土壤特性空間變異性的大小通常用變異系數（CV）來表示，CV≤10%為變異性小，10%

2.2 土壤養分分級評價

對臨沭縣北部土壤養分進行分級評價如表4，臨沭縣北部區域內有65.07%的土壤TN處于中等以下水平，有20.55%的土壤AN處于中等以下水平，總體說明區域內氮元素含量較為缺乏；區域內TP、AP處于中等以下的占比分別為19.86%、2.74%，并且其處于中等以上豐富、較豐富水平的占比分別為80.14%、90.41%，說明研究區域內磷元素處于較豐富狀態；區域內TK有98.63%的占比處于豐富狀態，但是AK僅有23.03%處于豐富狀態；整體來看區域內土壤處于酸性狀態，酸性、強酸性總共占比87.67%，其中強酸性占比高達30.82%，說明此區域土壤酸化嚴重。

2.3 土壤養分分布特征

圖2為各土壤養分分布特征圖，從圖中可看出各養分的分布特征：

TN分布特征：等級豐富和較豐富的土壤呈間雜狀分布，面積局限，主要分布在沭河以東的鄭山街道西北部和青云鎮的西南部；等級中等的土壤呈塊狀在研究區內不均勻分布，整體分布于研究區的中西部及東南部；等級較缺乏的土壤基本分布在臨沭街道的北部和南部、玉山鎮的中西部大部分地區和東北部、蛟龍鎮的北部和南部等地區；等級缺乏的土壤分布比較集中，主要分布在青云鎮的中部和東部大部分地區及西部小部分地區、玉山鎮中東部大部分地區和西北部地區、臨沭街道的南部地區，其他地區零星分布。

TP分布特征：等級豐富和較豐富的土壤分布較廣，在研究區內呈大面積分布，除臨沭街道分布較少外，其他鄉鎮街道均有大量分布；等級中等的土壤呈塊狀在研究區內不均勻分布，主要分布在臨沭街道的北部和南部、青云鎮的東北部、東南部和西部小部分地區、玉山鎮的東南部、蛟龍鎮的北部和南部；等級缺乏和較缺乏的土壤分布較少，在研究區內呈塊狀零星分布，在臨沭街道的北部、蛟龍鎮的西南部和青云鎮的西部分別較多。

TK分布特征：等級豐富和較豐富的土壤整體呈面狀廣泛分布，研究區北部土壤富鉀水平明顯高于南部，等級豐富的土壤主要集中分布在青云鎮大部、臨沭街道中部及北部、玉山鎮中部及東部、鄭山街道東部，呈帶狀分布，等級較豐富的土壤主要集中在鄭山街道西部、玉山鎮西部、蛟龍鎮南部、臨沭街道東南部和西南部；等級中等的土壤主要在研究區呈點狀分布，主要分布在鄭山街道西部少部分地區、玉山鎮西部少部分地區；含量缺乏的土壤分布很少，在研究區內呈點狀零星分布。

OM分布特征：等級豐富和較豐富的土壤分布總量較少，多呈間雜狀分布鄭山街道西北部、青云鎮西南部小部分地區；等級中等的土壤分布面積在研究區內塊狀分布，主要在鄭山街道中部大部分地區、青云鎮西南部、臨沭街道西部；等級較缺乏的土壤占據了研究區相當廣泛的面積，主要在臨沭街道大部分地區、蛟龍鎮大部分地區、青云鎮中部和南部大部分地區、玉山鎮中西部大部分地區；等級缺乏的土壤分布主要集中在青云鎮北部和東部、玉山鎮東部和西北部，在其他地區呈塊狀零散分布。

AN分布特征：等級豐富和較豐富的區域互相伴生分布，主要分布在玉山鎮大部分地區、蛟龍鎮大部分地區、臨沭街道中部和南部大部分地區、鄭山街道大部分地區、青云鎮中部大部分地區；等級中等的土壤在研究區的凌山頭水庫附近，主要分布在青云鎮東部、臨沭街道北部和玉山鎮西部，其余地方間或分布；等級較缺乏和缺乏的土壤在研究區內呈點帶狀互相伴生分布，主要分布在青云鎮東部、鄭山街道東北部。

AP分布特征：等級豐富的區域較廣，在研究區大部分地區呈大面積分布，除鄭山街道外，其他鄉鎮街道均大量分布；等級較豐富的土壤主要分布在研究區中部，呈塊狀小面積分布，主要分布在鄭山街道東北部、臨沭街道東北部、玉山鎮西部、青云鎮東部；等級中等的土壤分布較少，主要在鄭山街道東北部、臨沭街道東北部、玉山鎮西部呈點塊狀分布，其他地區分布很少；等級較缺乏的土壤在研究區內呈點狀零星分布；全區無缺乏土壤分布。

AK分布特征：等級豐富和較豐富的土壤在研究區內呈面狀分布，面積較廣，主要分布在鄭山街道中南部、臨沭街道中南部、蛟龍鎮中部、玉山鎮南部和東北部、青云鎮東部和南部；等級中等的土壤分布面積較廣，主要分布在玉山鎮中部和西部大部、青云鎮中部和西部沿沭河地帶、鄭山街道北部、臨沭街道北部、蛟龍鎮東部和南部；等級較缺乏的土壤在研究區內呈塊狀集中分布，主要分布在玉山鎮西南部、鄭山街道東北部、蛟龍鎮東部；等級缺乏的土壤在研究區內呈點狀分布很少。

2.4 土壤各養分間相關性分析

土壤各指標間存在一定程度的相關性是進行因子分析的重要前提。因此， 在進行因子分析前， 先對各土壤養分相應指標進行相關性檢驗。土壤各養分以及pH間的相關性分析如表5，可看出，土壤pH與TN、TP、OM、AK、AP呈正相關，相關系數分別為0.165、0.203、0.164、0.016、0.006，OM與TN、TP、pH、AN、AK、AP均呈顯著正相關，相關系數分別為0.922、0.422、0.164、0.299、0.160、0.237；TK與其他養分之間均為負相關，pH與TK、AN之間呈負相關。可以看出研究區各土壤養分指標之間存在一定的相關性，所有指標均未被剔除，符合因子分析的前提條件。經過KMO（Kaiser Meyer Olkin）和Bartlett球形度檢驗，可以得到原有數據KMO值為0.671，大于0.6； Bartlett球形度檢驗近似卡方455.027，伴隨概率sig＜0.001，表明原有數據之間具有相關性，可以進行因子分析。

2.5 土壤養分因子分析

對臨沭縣北部土壤中的TN、TP、TK、OM、pH、AN、AK、AP進行因子分析，得到旋轉因子載荷矩陣及其因子貢獻率，如表6，前5個公因子的貢獻率分別為38.133%、17.035%、12.328%、10.362%、9.517%，累積貢獻率為87.374%（>85%），說明前5個公因子可以表征臨沭北土壤所有肥力指標87.374%的信息。

各因子所對應的指標載荷值大小與其反映該指標信息的多少成正比，由表6可以看出，公因子1對應TN、OM，其在公因子1上的載荷值分別為0.934、0.949；公因子2對應AK、AP，其在公因子2上的載荷值分別為0.904、0.693；公因子3對應TK、AN，其在公因子3上的載荷值分別為 0.899、0.607；公因子4對應TP、AP，其在公因子4上的載荷為0.890、0.544，公因子5對應pH，其在公因子5上的載荷為0.984。所以可以得出，影響臨沭縣北部土壤肥力的主要指標為TN、OM、AK、AP、TP、pH。

2.6 土壤肥力評價

通過公因子除以其對應的特征根的方法消除公因子的權重不平等，得到公因子得分矩陣。5個公因子載荷矩陣除以公因子特征根后得到公因子得分系數如表7：

結合土壤樣品數據、因子貢獻率、因子得分系數，通過公式（1）和公式（2）便可計算出每個土壤采樣點的 IFI 值。然后，以歐氏距離為判斷樣本間差異大小的依據，采用組間連接的聚類方法對臨沭北土壤肥力水平進行聚類分析，將臨沭縣北部144個采樣點土壤樣本的 IFI 值劃分為5個等級，等級劃分標準為：極高肥力（≥1.973），高肥力（0.721～1.222），中等肥力（0.220～0.598），低肥力（ 0.142～0.186），極低肥力（ 0.748～ 1.159）。

對臨沭縣北部5個鎮的土壤肥力指標分別進行統計，統計結果如表8，可看出，蛟龍鎮土壤肥力整體處于中等及以下；鄭山街道25%土壤處于高肥力水平，20%處于中等肥力水平；青云鎮2.5%處于極高肥力水平，12.5%處于高肥力水平，15%處于中等肥力水平；臨沭街道16%處于高肥力水平，4%處于中等肥力水平；玉山鎮13.16%處于高肥力水平，2.63%處于中等肥力水平。區域內24.06%的土壤處于中等及以上肥力，臨沭縣北部整體肥力水平低下。綜合來看，土壤綜合肥力水平鄭山街道>青云鎮>臨沭街道>玉山鎮>蛟龍鎮。

3 討論

環境因素和人為因素的耦合作用影響著臨沭縣北部土壤養分含量。調研發現土壤酸堿度、地形和土壤質地是影響臨沭縣北部土壤養分含量的主要環境因素。土壤酸堿性是影響土壤養分有效性和土壤肥力的關鍵因素之一，農田土壤過酸容易引起土壤板結，養分流失加劇，不利于農作物的生長發育［18］。臨沭縣北部土壤pH均值為5.53，變異系數14.45%，強酸性土壤占比高達30.82%，這與李頻道等［19］研究結果相一致。導致研究區土壤酸化的原因可能是大氣環境降塵中的酸性物質增加，使受酸沉降影響地區的土壤酸化速度加快。研究發現在地勢較低且平坦的區域內，更有利用農業生產，土壤養分較為充足。在高海拔、地形起伏較大區域養分含量相對較低，鄭山街道、青云鎮地形相對平坦，土壤肥力較高；玉山鎮、蛟龍鎮地勢有起伏，土壤肥力相對較低。不同土壤類型也會導致土壤養分指標的差異［20］，如鄭山街道分布有大面積的潮土，其土壤肥力綜合值也確實高于其他地區。耕種方式是影響臨沭縣北部土壤養分含量的主要人為因素，調查發現，當地農民存在不科學的農業措施：大面積種植豆科植物，這使得生物固氮過程中增加了有機氮水平，經礦化、硝化及硝酸鹽化后，會導致土壤酸化；而且，常年頻繁種植同種作物，會致使作物將土壤中的堿性物質移走，從而導致土壤逐步酸化；此外，氮肥不加限制的濫用，尤其是銨態氮肥的使用，最終造成N素轉為硝酸鹽，使得土壤酸化。為使土地資源高效率的運用，必須從環境因素和人為因素兩方面同時采取措施。

因子分析可用多個指標對事物進行綜合評價，通過因子分析可了解各個因子的實際意義［21］。本研究中，臨沭縣北部土壤各養分間表現出很好的的相關關系，其也說明土壤中一種養分含量的變化會影響其他養分含量。本文通過因子分析提取出5個公因子，總貢獻率87.374%，可見采用因子分析效果較好。但本文研究計算的土壤綜合肥力指數是根據土壤中養分含量計算出來指標，它僅能體現土壤一種潛在的肥力，不能完全表示土壤供養作物的能力，更完善的土壤肥力評價還需結合土壤物理、化學性質、生物學性質及實際生產能力等進行評價［22 23］，需從農作物營養 土壤養分 產品品質方面進一步深入研究，為制定更好的農田養分管理對策提供依據［24］。

4 結論

（1）臨沭縣北部地區土壤養分特征中，土壤AN、OM含量偏低，TK、TP含量較為豐富。TN、TP、TK、OM、AN、AK、AP均屬于中等變異。土壤酸化現象嚴重。

（2）因子相關性分析表明，土壤各養分之間有很好的相關性。根據因子載荷值確定TN、OM、AK、AP、TP、pH為影響臨沭縣北部土壤肥力綜合狀況的主要因素。

（3）建立了土壤肥力綜合評價體系，并據此評價了臨沭縣北部土壤的肥力水平，結果表明區域內僅有24.06%的土壤處于中等及以上肥力，整體處于偏低水平；區域上表現為：鄭山街道>青云鎮>臨沭街道>玉山鎮>蛟龍鎮。

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Soil Nutrient Characteristics and Comprehensive ??Fertility Evaluation in the North of Linshu County

LI Sha1，HU Ziyuan1，ZHANG Yongshuai1，SUN Zhenzhou2，DENG Qinghai2，LI Fuquan1

（1. No. 7 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources， Shandong Linyi 276000， China；2. Earth Science and Engineering College of Shandong University of Science and Technology， Shandong Qingdao 266590，China）

Abstract： The topsoil samples are collected in the northern farming area in Linshu county in Shandong province， and pH， organic matter， total amount and available nitrogen， phosphorus and potassium of soil have been measured to characterize the soil fertility. The comprehensive evaluation values of soil nutrients of all samples are calculated by factor analysis and cluster analysis， and the soil fertility is evaluated by grading. It is showed that the soil acidification in the north of Linshu county is serious， the contents of organic matter， total nitrogen and available potassium are low， and the contents of total potassium， total phosphorus， alkali-hydrolyzable nitrogen and available phosphorus are relatively rich. Factor analysis shows that TN， OM， AK， AP， TP and pH are main factors affecting comprehensive status of soil nutrients in the north of Linshu county. The soil fertility level in the north of Linshu county is low. The comprehensive evaluation value of soil nutrients （IFI） is as follows： Zhengshan Street>Qingyun Town>Yushan Town>Linshu Street>Jiaolong Town.

Key words： Soil nutrients; comprehensive fertility; soil acidification; Linshu county， Shandong province