紅壤丘陵區市域設施菜地土壤肥力評價及其空間分布特征
——以江西贛州為例

成 臣，易艷紅，謝金招，劉建秀，劉佳慧，朱 博，肖鴻勇

（1.贛南師范大學 生命科學學院/贛州市設施蔬菜重點實驗室，江西 贛州 341000；2.江西省宜春市氣象局，江西 宜春 336000；3.江西省贛州市果業發展中心，江西 贛州 341000；4.江西省農業技術推廣中心，江西 南昌 330046）

0 引言

蔬菜是我國種植業中僅次于糧食的第二大農作物，2020年全國的蔬菜播種面積已達2.2×107hm2，占總農作物種植面積的12.1%［1］。近年來，隨著社會經濟與農業科技的飛速發展，設施蔬菜栽培因其集約化程度較高、單產和品質優勢明顯、經濟效益好、受季節影響小等優點，現已超過3.9×106hm2的耕地面積建成設施大棚，成為我國最具有活力的農業產業之一［2-3］。高質量發展設施蔬菜對平衡供應我國蔬菜市場和豐富人民群眾的“菜籃子”作出了重要貢獻，同時也是菜農增收致富的一種有效途徑。

土壤質量是影響設施蔬菜高產、優質生產的關鍵因素，紅壤是中國重要的土壤類型之一，其中南方紅壤丘陵區土壤面積約1.1×108hm2，占中國土壤面積的11.8%［4-5］。然而紅壤具有酸、黏、瘦等特征，且紅壤還存在土壤酸化、養分貧瘠化等較為嚴重的土壤退化問題，因此，調查和評價紅壤質量現狀有助于耕地養分平衡管理［6-7］。張晗等［8］研究認為：近年來江西省耕地土壤全氮、全磷、有機質等含量有所增加，但全鉀含量下降嚴重且嚴重酸化。全智等［9］研究表明，長沙市郊蔬菜基地土壤的氮、磷等養分累積量隨著種植年限的增加而增加，應積極采用降低氮、磷來源，以及提高植物吸收等措施來降低氮、磷流失的風險。謝凱柳等［10］對贛南臍橙園種植區與背景區開展調查發現，兩者均普遍存在嚴重的酸化問題，但種植區土壤的有效態氮、磷、鉀等養分含量普遍過量。

目前，關于紅壤丘陵區土壤質量的研究多集中于耕地土壤［8］、露天菜地［9］、果園［10］、茶園［11］、稻油輪作區［12］、典型景觀單元［13］等，而以設施菜地土壤為研究對象的研究尚未見相關報道。另外，土壤鹽分積累在設施栽培中普遍發生，而鹽漬化現象是設施菜地土壤理化性質變劣、土壤退化的重要特征。因此，本文以紅壤丘陵區江西贛州市的設施菜地為研究對象，從紅壤酸化、鹽漬化、養分豐缺程度等3個方面共7個評價指標出發，利用修正的內梅羅指數法計算了土壤綜合肥力指數，并評價了土壤質量，以期為紅壤丘陵區設施菜地的質量保護與提升，以及深入挖掘土壤資源潛力提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域為江西省贛州市，是中國南方典型的紅壤丘陵區，位于贛江上游、江西省南部，介于113°54′～116°38′E、24°29′～27°09′N之間，其中，耕地保有面積43.743萬hm2，截至2021年全市現有設施大棚蔬菜基地1.899萬hm2。該區域年均氣溫19.8 ℃，年均降雨量1605 mm，年均日照時數1621.9 h，無霜期288 d，屬亞熱帶季風氣候區，比較有利于周年開展設施蔬菜的生產。贛南設施蔬菜以辣椒、茄子、番茄等茄果類、黃瓜、苦瓜、絲瓜等瓜果類、葉菜類等品種為主，并兼顧了地方名優特色蔬菜(如信豐蘿卜、贛縣黃芽白等)的協同發展，目前蔬菜產業發展逐步推進，即將打造成為江西省蔬菜產業化發展樣板區和我國中部地區蔬菜發展中心。

1.2 樣品的采集與處理

以研究區域的設施蔬菜大棚的分布及其面積為參考信息，樣點根據代表性、均勻性等布設原則，共布設采樣點位235個。于2021年6—8月，南方設施蔬菜大棚正處于拉秧、換茬、高溫燜棚階段（該時期取土壤樣本，則可排除施肥等干擾因素），按照布設采樣點的地理坐標應用GPS定位系統到實地進行采樣，并結合實地調查情況，盡量使布設點與采樣點相對一致（圖1），由于設施大棚分布具有不均勻性、集中性特征，即采樣點或布設點在圖1中存在相鄰或重疊現象。每個樣點均采用“S”形取樣法，采集設施菜地0～20 cm耕層土壤，之后采用四分法留約500 g土壤樣品帶回實驗室內自然風干，去除樣品中的礫石等雜質，分別研磨過1.00、0.15 mm篩制成待測樣品，并保存于聚乙烯自封袋中備用。

1.3 樣品的測定與數據分析

1.3.1 土壤理化指標的測定方法 依照鮑士旦的《土壤農化分析》［14］分別對土壤pH值、電導率等物理和化學環境指標，以及土壤全氮、堿解氮、有機質、速效鉀和有效磷等養分狀況指標進行測定，并綜合評價土壤肥力。其中，采用梅特勒—托利多FE28-Standard pH酸度計（水土比為2.5∶1）測定土壤pH值，采用上海儀電的雷磁DDSJ-308F型電導率儀測定土壤電導率，采用FOSS全自動凱氏定氮儀KJELTEC-8400測定土壤全氮含量，采用堿解擴散法測定土壤堿解氮含量，采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定土壤有機質含量，采用乙酸銨溶液浸提—火焰光度法測定土壤速效鉀含量，采用碳酸氫鈉溶液浸提—鉬銻抗分光光度法測定土壤有效磷含量。

1.3.2 土壤理化性質的分級標準 設施菜地土壤酸性分級、鹽分(電導率)、土壤養分豐缺分級標準參考黃紹文等［15］和第二次中國土壤普查養分分級的標準（表1、表2）。

表2 設施菜地土壤養分豐缺的分級評價標準

1.3.3 土壤綜合肥力指數的計算 土壤理化性質的各因子之間不具有加和性，需要對土壤肥力評價指標進行標準化處理，以消除各指標參數之間的量綱差異。本文根據全國第二次土壤普查分級標準、黃紹文等［15-16］的方法對土壤進行分級（表3），選取pH值、電導率、全氮、堿解氮、有機質、速效鉀和有效磷等7個土壤肥力評價指標，分別通過公式（1）對數據進行標準化計算，得到各評價指標的分肥力系數(Pi)。

表3 土壤各理化因子的分級標準值

式（1）中，Pi為各因子的分肥力系數，x為各因子的實際測定值，xa、xc、xp分別為計算Pi時的分級標準的閾值。

本文采用改進后的內梅羅指數法評價土壤綜合肥力指數(PN)：

式（2）中，PN為設施菜地土壤綜合肥力指數，Piave為所有理化性質指標分肥力系數的平均值，Pimin為所有指標分肥力系數的最小值，n為評價因子個數，本文n取值7。PN值介于0～3之間，其值越大則表明土壤綜合肥力越高。并將PN分級：PN＜0.9為貧瘠，0.9≤PN＜1.8為中等，1.8≤PN＜2.7為肥沃，PN≥2.7為很肥沃。

1.4 數據處理

采用Excel 2010軟件對試驗數據進行統計分析；SPSS軟件對土壤理化指標進行描述性統計分析、正態分布或對數正態分布檢驗；Origin 9.0軟件用于常規制圖。土壤理化性質之間的關系采用Pearson相關性分析方法。利用ArcGIS軟件中反距離權重(Inverse Distance Weighted, IDW)的插值方法進行空間插值運算，并繪制土壤pH值、電導率、養分的空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 土壤pH值

研究區域設施菜地土壤pH值平均為5.3(3.7～6.9)，開展單樣本K-S檢驗表明：pH值的Z值為0.03，對應的概率值Sig.均為0.20，大于α=0.05的顯著水平，則不應拒絕原假設，設施菜地土壤pH值服從正態分布(表4)。

表4 贛南設施菜地土壤理化性質及其正態分布檢驗(n=235)

土壤pH值主要處于酸性（4.5≤pH值＜5.5）、微酸性（5.5≤pH值＜6.5）水平，分別占總樣本數的51.9%、32.3%；其次為強酸性（pH值＜4.5）、中性水平（6.5≤pH值＜7.5），分別占總樣本數的12.3%、3.4%；無堿性土壤（圖2）。

圖2 贛州市設施菜地土壤pH值的分布頻率

從土壤酸化空間分布來看，設施菜地土壤以酸性水平（4.5≤pH值＜5.5）為主，酸化程度總體較嚴重，其中僅贛南地區東北地區的土壤酸化程度相對較輕（圖3）。

圖3 贛州市土壤pH值的空間分布

2.2 土壤電導率

土壤電導率（EC）均值為329.0（25.9～1889.0）μS/cm，其中位數239.0，小于均值，且偏度、峰度和變異系數均較大，并服從對數正態分布，說明贛南設施菜地土壤的電導率為右偏/尖峰分布，并存在少量較大值(表4)。隨著土壤電導率的增加，其樣本數降低，設施菜地土壤電導率主要處于極低（EC＜250）和低（250≤EC＜600）鹽度水平，分別占總樣本數的52.8%和34.0%；其次為中鹽度水平（600≤EC＜800），占總樣本數的7.2%；而高（800≤EC＜1000）和超高（EC≥1000）鹽度水平的較少，均占總樣本數的3.0%（圖4）。

圖4 贛州市設施菜地土壤電導率的分布頻率

從地域分布來看，贛南設施菜地土壤鹽漬化不明顯，土壤的電導率以極低鹽度（EC＜250）和低鹽度（250≤EC＜600）水平為主，僅安遠縣中部區域和贛縣北部—章貢區北部等局部小區域存在土壤鹽漬化現象（圖5）。

圖5 贛州市土壤電導率的空間分布

2.3 土壤養分含量

土壤養分全氮、堿解氮、有機質、速效鉀、有效磷含量均值分別為1.5（0.4～2.9）g/kg、139.2（42.7～319.1）mg/kg、26.8（10.0～42.2）g/kg、250.0（32.9～763.9）mg/kg、53.6（14.5～171.1）mg/kg（表4）。速效鉀和有效磷含量的變異系數較大（55.9%～61.3%），而全氮、堿解氮、有機質數值波動較小（27.5%～35.3%）。對各指標開展單樣本K-S檢驗表明，全氮的Z值為0.05，對應的概率值Sig.為0.20，大于α=0.05的顯著水平，則不應拒絕原假設，土壤全氮含量服從正態分布，而其他指標服從對數正態分布。

贛南設施菜地土壤全氮和堿解氮含量總體較為豐富，均以較高和中等含量水平為主，其次為高含量水平，處于中等、中等以上含量水平的樣本總數分別占83.0%和88.1%，而處于低和極低含量水平均有少量樣本（圖6）。土壤有機質養分豐缺狀況總體為中等，亦以較高和中等含量水平為主，但其高含量水平的樣本數僅占0.9%，而低含量水平的樣本數占20.4%，尚無極低含量水平的樣本，其中，中等及以上含量水平的樣本數占79.6%。速效鉀和有效磷含量總體相對較為虧缺，土壤速效鉀含量高和較高水平的樣本數占比略高，其他等級的樣本數差異不大，其中，中等及以上含量水平的樣本數占67.7%，而土壤有效磷以中等和低的含量水平為主，其次為極低和較好的含量水平，而高含量水平的樣本數僅占0.4%，中等及以上含量水平的樣本數僅占48.9%。

從地域性分布分析，贛南設施菜地土壤全氮、速效鉀、有機質、速效鉀整體上均以中等及以上的含量水平分布，土壤全氮、速效鉀、有機質均在贛南中部地區有低和極低含量水平小區域的零散分布。而土壤速效鉀低和極低含量水平主要集中分布在贛南西北和東北部區域局部地區，速效鉀含量較高的地區主要集中在贛南正南和正北部部分區域，土壤有效磷含量在贛南西北部和東北部較大區域處于低或較低的含量水平（圖7）。

圖7 設施菜地土壤養分含量的分布頻率

2.4 土壤綜合肥力指數

贛南設施菜地土壤綜合肥力指數均值為1.51（0.78～2.34），變異系數為18.1%，服從正態分布（圖8A）。設施菜地土壤綜合肥力指數以中等水平為主，占總樣本數的83.8%；其次為土壤肥沃水平，占總樣本數的15.7%；而處于貧瘠水平的樣本數僅占0.4%；不存在土壤很肥沃水平（圖8B）。

圖8 設施菜地土壤綜合肥力指數的正態分布和分布頻率

從空間分布來看，贛南設施菜地土壤綜合肥力指數以中等水平為主，極小區域的土壤處于肥沃或貧瘠水平（圖9）。

圖9 贛州市土壤綜合肥力指數的空間分布

2.5 相關性分析

相關分析表明（表5），土壤電導率、全氮、堿解氮、有機質、速效鉀與有效磷之間均呈極顯著正相關，其中有機質與全氮的相關系數最高，為0.926；而pH值除了與堿解氮呈極顯著負相關外，與其他因子的相關性均不顯著。

表5 設施菜地土壤各理化性質之間的相關性分析

3 討論

土壤酸化會降低土壤微生物數量和活性，抑制礦質營養元素的溶解性和有效性，以及降低作物對礦質養分的吸收，造成Al3+對作物的毒害作用，進而導致作物產量降低［17-18］。而在自然條件下紅壤脫硅富鋁化過程既是其緩慢酸化的重要因素之一，也是紅壤的基本屬性，同時由于耕地存在被酸雨澆灌、過度施用化肥等因素，導致紅壤酸化呈逐年加劇的趨勢［4］。張晗等［19］研究表明，江西省內水旱輪作、一季旱地或水田、兩季旱地或水田等不同農田利用方式的土壤pH值在5.12～5.52之間，其中，旱地土壤pH值高于水旱輪作和水田土壤。

本研究結果發現，贛南設施菜地土壤pH值為5.3（3.7～6.9），處于強酸性（pH＜4.5）和酸性（4.5≤pH＜5.5）水平的樣本數分別占12.3%和51.9%，贛州市的土壤酸化程度總體較嚴重，僅贛南地區東北區域的土壤酸化程度相對較輕，說明目前贛南設施菜地土壤酸化改良與修復迫在眉睫。因此，針對紅壤區酸性設施菜地土，應科學、合理地使用無機化肥、生理酸性肥料、半腐熟或酸性（雞糞）有機肥等肥料，以延緩紅壤酸化速率，并通過施用石灰、有機物料和生物炭等方式改良土壤，以使紅壤的pH值保持在微酸性至中性水平。

土壤鹽漬化作為土壤退化的第二大形式，由鹽漬化導致農田生態系統退化的深度和廣度均有所增加，其中，土壤鹽度是評價土壤水中所有可溶性礦物鹽離子濃度的方法，常以電導率來表示［20-21］。黃昭文等［15］研究認為，全國設施菜地高于蔬菜正常生長發育的土壤電導率臨界值（600 μS/cm）的樣本數約占1/3，鹽漬化現象嚴重，主要由于重施氮肥氮素盈余和其他蔬菜作物吸收較少的離子，在高溫、蒸發強烈的小氣候條件下土壤鹽分快速積聚至地表。而本研究表明，贛南設施菜地土壤電導率為329.0（25.9～1889.0）μS/cm，處于極低鹽度（EC＜250）、低鹽度（250≤EC＜600）水平的樣本數分別占52.8%、34.0%，研究區土壤鹽漬化風險較小，僅安遠縣中部區域、贛縣北部—章貢區北部等局部小區域的設施菜地土壤存在鹽漬化現象。這主要由于江西贛州設施大棚絕大多數為近幾年陸續建成，建成前的耕地多為水稻田或露天旱地，土壤鹽漬化問題尚不突出。建議局部鹽漬化區域通過改進施肥、灌溉方式，并結合大水洗鹽、壓鹽等多種措施降低鹽漬化危害，且定期、全面地監測和評估贛南設施菜地土壤鹽漬化特征，以期為鹽漬化土壤修復提供依據。

土壤養分貧瘠化是中國南方紅壤丘陵區較為普遍的土壤問題，主要由于土壤自然屬性、生態氣候條件和耕作管理不科學等因素共同導致了紅壤耕地養分平衡與循環失調，進而使得紅壤耕地養分貧瘠化和土壤肥力降低［22］。本研究表明，贛南設施菜地土壤養分全氮、堿解氮、有機質、速效鉀、有效磷含量的平均值分別為1.5 g/kg、139.2 mg/kg、26.8 g/kg、250.0 mg/kg、53.6 mg/kg，除速效鉀含量較高于遼寧設施菜地土壤外，其他養分指標均較低，尤其是有效磷含量較為匱乏［23］。從區域性分布來看，贛南設施菜地土壤全氮、速效鉀、有機質、有效磷均主要以中等及以上的含量水平分布，這可能與近年來國家大力主推有機肥替代化肥、綠色種養循環農業等土壤改良技術有關，這在一定程度上以點帶面地改善紅壤耕地質量，但耕地質量總體在廣度與深度均仍有較大的提升空間。土壤速效鉀含量在贛南正南和正北部部分區域較高，蔬菜種植過程中可適當控制外源鉀肥輸入，并種植豆科作物、甜菜等喜鉀作物以降低土壤鉀素流失風險，而速效鉀低或極低含量水平主要集中分布在贛南西北或東北部區域的局部，土壤有效磷含量在贛南西北部和東北部較大區域處于低或較低的含量水平，上述區域土壤養分總體處于失衡狀態，這可能與江西省耕地重施氮肥、磷鉀肥施用不足有關［8］，可通過加強鉀素或磷素投入，并建議短期內種植白菜、白蘿卜、芹菜等耐低鉀蔬菜，或食用甜菜、蘿卜菜等耐低磷作物。另外，上述養分指標尤其是全氮、有機質等指標均在江西于都縣內較大區域表現為匱乏。這與吳忌等［24］的研究結果相似，他認為主要由于江西于都縣位于贛江流域，土壤供鉀能力不足以及高溫多雨和水土侵蝕嚴重的生態條件造成氮磷元素的流失，最終共同導致了耕地養分的不足。

變異系數是衡量研究區域所有樣點土壤理化性質的離散程度或變異程度的統計量，本研究表明，土壤理化性質各指標的變異系數范圍為12.5%～84.2%，位于10%～100%中等變異范圍之間［25］。其中，電導率的變異系數最大，這可能與贛南設施大棚建立年限不一且差異較大有關；速效鉀和有效磷的變異系數次之，分別為61.3%和55.9%。這與李放等［26］的研究結果較為一致，他認為相比于有機質和全氮等指標，山東省東阿縣耕地土壤有效磷和速效鉀的變異系數最高，為47.0%～61.7%，這可能與設施菜地利用方式不同、蔬菜作物種類不同有關，部分蔬菜作物如番茄、黃瓜等磷鉀肥往往過量施用，進而造成部分土壤磷鉀積累現象明顯［27］。而pH值、全氮、堿解氮、有機質的變異系數較小（12.5%～35.3%），說明空間變化相對較為穩定。

通過對土壤各理化性狀之間的相關性分析可知，土壤電導率、全氮、堿解氮、有機質、速效鉀與有效磷之間均呈極顯著正相關，其中有機質與全氮的相關系數最大（r=0.926）。這與張晗等［19,28］的研究結果一致，認為土壤存在高養分高肥力的典型特征，且土壤有機質與全氮相關性最高，有機質是土壤養分的關鍵來源，是土壤肥力和質量的衡量指標。土壤pH值與堿解氮呈極顯著負相關外，與其他因子相關性均不顯著，這與曹建軍等［29］的研究結果較為一致，但徐新朋等［28］還認為pH值與有機質、堿解氮、速效鉀呈極顯著正相關，與有效磷呈極顯著負相關的研究報道，這可能與黑土、紅壤土的土壤類型差異有關。

贛南設施菜地土壤綜合肥力指數為1.51（0.78～2.34），從空間分布來看，贛南設施菜地土壤綜合肥力指數以中等水平為主，極小區域為土壤肥沃或貧瘠區域。紅壤區設施菜地土壤質量一般，主要由于酸性紅壤有機質含量不高、生物可利用養分含量較低、土壤淋溶強、氧化勢高，使得該區域土壤肥力普遍不高，另外，設施蔬菜種植具有單一化、規模化和多年連茬等特點，土壤營養元素平衡失調、酸化嚴重、土壤質量逐年降低并具有累積效應。需因地制宜開展具有針對性的土壤改良和地力提升的措施，而土壤各項理化指標是組成土壤質量“木桶原理——最小養分律”的關鍵因子［30］，應注重各指標的協同提升，進而推動紅壤耕地的地力提升。建議始終以土壤保持養分平衡與良性循環為目標，因地制宜合理輸入養分含量及其比例，合理地應用化肥、配施有機肥、兼種綠肥和秸稈還田等措施改良土壤，開展耐酸、耐鹽、耐貧瘠蔬菜品種選育和推廣，加快土壤養分重建與減緩土壤退化進程的雙調控，并通過定期監測紅壤質量開展養分平衡動態管理，實現耕地質量提升與保護，促進設施菜地土壤質量可持續發展。

4 結論

（1）總體上，贛南設施菜地土壤酸化嚴重，但鹽漬化風險較小，建議加強土壤酸化改良，局部鹽漬化地區開展洗鹽、排鹽等降鹽措施。

（2）土壤全氮、堿解氮、有機質以中等及以上含量水平為主，速效鉀存在鉀素流失風險區域或匱乏區域，需因地制宜、分區施策開展外源鉀肥控施或增施實現土壤鉀素平衡，而有效磷在贛南西北部和東北部較大區域處于低或較低的含量水平，應加強補充外源磷素。

（3）設施菜地土壤綜合肥力指數均值為1.51，肥力中等，土壤各理化因子服從木桶定律，應加強各因子質量的協同提升與動態平衡。