程 杰, 馬增輝, 張 露,3, 魏 靜,3, 師晨迪,3

(1.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責任公司, 西安 710075; 2.陜西省土地工程建設集團有限責任公司, 西安 710075;3.自然資源部 退化及未利用土地整治工程重點實驗室, 西安 710000; 4. 西安理工大學 水利水電學院, 西安 710048)

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)村產(chǎn)業(yè)化的深入推進，農(nóng)村勞動力大量轉(zhuǎn)移，廢棄空心村不斷涌現(xiàn)，造成了土地資源的大量浪費?？招拇逋乩砦恢脳l件較好，地勢平坦，水源豐富，整治潛力巨大，開展空心村宅基地復墾，不僅能夠增加可用耕地的面積，更能夠改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、促進鄉(xiāng)村區(qū)域經(jīng)濟社會的協(xié)調(diào)發(fā)展，是推進鄉(xiāng)村振興的有力措施之一[1-4]?？招拇逋恋匾蛉藶榛顒宇l繁，土壤緊實度較高[5]，且復墾過程中存在大量的土方推墊，導致重構(gòu)土體結(jié)構(gòu)性不良、理化性質(zhì)較差、養(yǎng)分等營養(yǎng)物質(zhì)貧瘠，整體肥力水平較差[6]。土壤肥力是土壤生產(chǎn)力的基礎，是土壤各方面性質(zhì)的綜合表現(xiàn)[7]，直接影響著作物生長及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和效益等。因此，探明復墾后新增耕地土壤質(zhì)量變化，尤其是科學、合理地評價新增耕地土壤肥力，對于區(qū)域土地整治后新增耕地土壤質(zhì)量改良，肥力提升具有一定的現(xiàn)實意義，同時可為指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)[8]。

近年來，土壤肥力評價研究較多，在評價因子上，從單一的作物產(chǎn)量或植物生長狀況指標、土壤養(yǎng)分指標到土壤養(yǎng)分、理化性狀、生物特征和土壤環(huán)境條件等綜合性指標研究[8-10]；在評價方法上，主要有數(shù)學方法，如因子分析法、層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡法、聚類分析法等[11-12]，此外，利用GIS技術(shù)分析土壤肥力空間變異特征成為了一種新趨勢[13]；在評價范圍上，主要集中東北黑土區(qū)、河西走廊灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)、關(guān)中平原臺塬區(qū)等成熟的高質(zhì)量農(nóng)田[14-16]。結(jié)合已有研究發(fā)現(xiàn)，在以低肥力為特點的新增耕地，尤其是以空心村土地復墾后的新增耕地肥力研究及評價較少。因此，本研究以陜西省澄城縣8個村莊復墾前、后及周邊荒草地為研究對象，采用層次分析法計算評價因子權(quán)重，構(gòu)建土壤肥力評價模型，探討復墾前后及不同復墾年限土壤肥力變化、不同土地利用類型土壤肥力，為土壤肥力恢復與改良，土地的高效利用及可持續(xù)利用發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

澄城縣位于陜西省關(guān)中平原東北部(109°46′30″—110°05′50″E，34°55′45″—35°27′05″N)。地處秦晉豫黃河金三角經(jīng)濟協(xié)作區(qū)腹地，東鄰合陽，南接大荔，西連蒲城、白水，北靠延安市，海拔470～1 285 m。屬大陸性季風氣候，四季分明，春季溫暖干燥，晝夜溫差較大，年均氣溫12℃，年降水量680 mm，無霜期204 d，年日照時數(shù)2 616 h，是陜西延安以南熱能輻射量最高值中心[17]。土壤主要為黃土，質(zhì)地、結(jié)構(gòu)較為均一。該區(qū)域空心村主要為地上窯村落，因人為活動影響，土壤緊實，容重較大，作物根系難以伸展，且養(yǎng)分水平總體較低，難以滿足作物生長所需。通過廢棄莊基拆除與清理、老墻土還田、耕作層重建、土地平整工程、田塊劃分等工程，構(gòu)建40 cm深的耕作層，以期增加新增耕地，達到玉米、小麥等作物生長要求。

2 材料與方法

2.1 采樣與分析

經(jīng)實地勘察，選擇地理條件相對一致、復墾年限各不相同的8個村莊?？紤]到耕作層土壤肥力狀況對農(nóng)作物的生長狀況最為明顯，本研究僅對研究區(qū)耕作層(0—30 cm)土壤進行采樣分析。為保證樣點布置的科學合理性，每個樣點根據(jù)地塊大小和形狀按S型布點，隨機混合采樣，樣品在實驗室風干后碾磨過0.149，1，2 mm篩備用。采樣村莊及復墾年限見表1。根據(jù)本文肥力評價因子，選取8個指標進行化驗分析，測定指標及方法見表2。

表1 村莊復墾年限

表2 土壤肥力測定指標及方法

2.2 土壤肥力評價模型構(gòu)建

合適的評價方法是保證評價結(jié)果準確、可靠、科學的關(guān)鍵所在，本研究通過參考已有的研究成果，實地走訪、咨詢相關(guān)專家意見，采用層次分析法對空心村及荒草地土壤肥力的權(quán)重進行分配，再構(gòu)建評價模型計算土壤綜合肥力指數(shù)，進行土壤肥力評價。

2.2.1 評價指標權(quán)重確定 (1) 指標選取與判斷矩陣。根據(jù)穩(wěn)定性、主導性、可操作性及獨立性原則，結(jié)合研究區(qū)實際情況，選取容重、質(zhì)地、pH值、電導率、有效磷、速效鉀、全氮、有機質(zhì)8項指標作為土壤肥力評價因子。本文采用層次分析法確定各評價因子權(quán)重，因空心村廢棄宅基地一般具有小而散的特點，故將每個村莊土壤綜合肥力為目標層(A)，土壤物理因子和養(yǎng)分因子為準則層(B)，指標層為容重(C1)、質(zhì)地(C2)等8項指標(C1—C8)，構(gòu)成評價指標體系(圖1)。采用1—9標度法來定義判斷矩陣A=(aij)n×n(表3)[18]，判別矩陣見公式(1)。

(1)

圖1 土壤綜合肥力評價體系

表3 判斷矩陣標度及含義

(2) 權(quán)重向量計算與一致性檢驗。首先采用算術(shù)平均值計算權(quán)重向量(公式2)，然后進行一致性檢驗CR=CI/RI。RI值見表4。當CR<0.1時，表明判斷矩陣一致性較好。

(2)

式中：w為權(quán)重向量；aij為因素i與因素j的重要性之比；akj為因素k與因素j的重要性之比；n為因素個數(shù)。

(3)

式中：CI為一致性指標；λmax為判斷矩陣最大特征值。

通過上述步驟計算，指標層C對目標層A的排序權(quán)重向量分別為0.028，0.75，0.076，0.041，0.303，0.159，0.159，0.159。CR<0.1，符合一致性檢驗。

2.2.2 模型構(gòu)建 根據(jù)評價因子各級別分值(Fi)與權(quán)重值(Ci)建立評價模型[19]：

(4)

式中：Fi為評價因子各級別分值，參照全國第二次土壤普查分級標準進行取值，F(xiàn)i值為1～6；Hi為評價因子權(quán)重。A為各項目土壤肥力綜合指數(shù)，將A值換算到0～100。

表4 層次分析法的平均隨機一致性指標值

3 結(jié)果與分析

3.1 空心村土地復墾后肥力改良效果

根據(jù)上述評價模型，計算出各土地利用類型下土壤肥力指數(shù)A值?？招拇逋恋貜蛪ㄇ昂笸寥谰C合肥力改良效果見表5。復墾前A值介于50.57～69.32，復墾后A值介于61.63～72.91，空心村土地復墾后，改良指數(shù)表現(xiàn)為段莊村>山頭村>溝西村>柳家垣>義合村>高槐村>塔冢村>柳泉村，基本表現(xiàn)為復墾年限越長，改良指數(shù)越高，而塔冢村、柳泉村因復墾前土壤肥力指數(shù)較高，所以復墾后改良指數(shù)提升較小，各村莊平均改良指數(shù)20.08%，2006年復墾的段莊村改良指數(shù)達到32.76%，改良效果明顯，與劉暢等人在山西省澤州縣西部郜村空心村復墾后改良指數(shù)為27.32%相似[20]。澄縣空心村主要為地上窯，地上窯的老墻土具有較高肥力，復墾時通常將老墻土推碎后回填至耕作層中，改善了土壤的結(jié)構(gòu)與組分，增加了有機肥，因而空心村土地復墾后土壤綜合肥力較好，改良效果較好。此外，2011年與2012年復墾的溝西村和山頭村改良指數(shù)均高于25%，其他空心村改良效果與復墾年限呈正相關(guān)，表現(xiàn)出隨復墾年限的增加，肥力指數(shù)、改良指數(shù)越高，這可能因為2010年后空心村復墾工藝的提高從而改善了改良效果。

3.2 不同土地利用類型土壤肥力指數(shù)分布特征

參照綜合評分5級分類法，A≥80為1級，土壤綜合肥力質(zhì)量好；80>A≥60為2級，較好；60>A≥50為3級，中等；50>A≥40為4級，較差；<40為5級，土壤綜合肥力質(zhì)量差[21]。由圖2可知，空心村土地復墾后土壤綜合肥力質(zhì)量校好，A值均≥60，為2級，且復墾年限越長肥力指數(shù)越高。而空心村土地復墾前，僅塔冢村、柳泉村土壤綜合肥力指數(shù)較高為2級，其他均為中等水平。村莊附近的荒草地土壤綜合肥力水平均≥50，平均值為64.7，表明肥力水平較好，適宜進行土地整治。從不同土地利用類型來看，土壤綜合肥力表現(xiàn)為空心村土地復墾后>荒草地>復墾前?？招拇逋恋貜蛪ㄇ坝捎谌祟惢顒宇l繁，土壤緊實，土層中微生物含量低，土壤有機物少，因而各村莊復墾前肥力水平相對較差；荒草地累積了多年雜草，提高了土壤有機物含量，因而肥力水平均值達到2級水平。

表5 空心村土地復墾后土壤肥力改良評價結(jié)果

3.3 影響土壤肥力的主要因子分析

一般常以N，P，K和有機質(zhì)等養(yǎng)分含量來衡量土壤肥力高低，由于肥力因素眾多，很難全面清楚地看出土壤肥力真正的水平高低[22]。圖3分析了pH值、電導率、有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀與土壤綜合肥力指數(shù)的相關(guān)性，每組24個樣本。土壤pH值是土壤主要化學性質(zhì)之一，反映土層中的酸堿環(huán)境，影響微生物活性。由圖3可知，土壤pH值與土壤綜合肥力指數(shù)相關(guān)性R2=0.0144，這是由于本研究土壤pH值在6.74～7.69范圍內(nèi)，酸堿環(huán)境適中，因而對肥力高低影響較小。電導率與土壤綜合肥力指數(shù)相關(guān)性R2=0.0271，對肥力影響也較小。全氮、有效磷、速效鉀與土壤綜合肥力指數(shù)的相關(guān)性R2分別為0.081 9，0.211 2，0.456 1。氮元素是構(gòu)成土壤肥力的重要物質(zhì)基礎，由于人類居住產(chǎn)生的生活污水及生活垃圾增加了土壤氮的富集，村莊附近全氮含量較高，含量為0.67～1.77 mg/g，因而R2較低。磷、鉀元素也是作物生長必不可少的元素之一，提高土壤中磷、鉀的含量可顯著提高土壤肥力水平[5]。有機質(zhì)是土壤肥力評價的重要指標，其相關(guān)性R2=0.5246，對肥力的影響最大，有機質(zhì)的積累與轉(zhuǎn)化是土壤內(nèi)物質(zhì)能量循環(huán)的核心環(huán)節(jié)，其分解產(chǎn)生的有機酸還能促進土壤礦物質(zhì)的分解，提高土壤肥力，并可改善土壤結(jié)構(gòu)與水熱環(huán)境。

圖2 不同土地利用類型下土壤肥力指數(shù)

圖3 評價因子與土壤綜合肥力指數(shù)的相關(guān)性

4 結(jié) 論

(1) 空心村土地復墾后，土壤肥力得到明顯提升，土壤肥力指數(shù)表現(xiàn)為空心村復墾后>荒草地>空心村復墾前，空心村復墾后的土壤肥力改良指數(shù)顯著高于復墾前及荒草地；(2) 空心村土地復墾后土壤肥力與復墾年限呈正相關(guān)，隨著復墾年限的增加，肥力指數(shù)、改良指數(shù)越高；(3) 從有機質(zhì)、電導率等6個評價因子與土壤綜合肥力指數(shù)的相關(guān)性來看，有機質(zhì)與土壤綜合肥力相關(guān)性最高，在后期的空心村整治中可通過提高土壤有機質(zhì)含量快速提高土壤肥力；(4) 由于時間和精力有限，本研究評價因子未涉及生物指標，后續(xù)可優(yōu)化評價因子體系，分層研究土壤肥力等。