姜 彬,閆板瑞,李家鑫,劉 蓉

(1.西北大學 城市與環(huán)境學院/陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點實驗室,陜西 西安 710127;2.西北大學 陜西省黃河研究院,陜西 西安 710127)

黃河流域是中華民族農耕文明重要的發(fā)源地,也是我國重要的生態(tài)屏障和經濟地帶[1]。2019年9月，習近平總書記在鄭州主持召開的座談會上將黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略,攜手鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略,積極挖掘潛力耕地資源,提升耕地質量,全面推進黃河流域農業(yè)高質量和可持續(xù)發(fā)展[2]。陜西省關中地區(qū)作為黃河流域的“心臟地帶”,其農業(yè)發(fā)展正處于糧食量變轉向質變的關鍵節(jié)點,承擔著保障國家糧食安全的重要任務。近年來,受氣候變化以及人類生產活動的影響,黃河中游自然生態(tài)環(huán)境脆弱,水土大量流失導致土壤鹽堿化面積不斷擴張,使流域內農業(yè)生產發(fā)展面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)[3]。土壤鹽堿化會嚴重抑制農作物生長,降低農業(yè)高質量生產以及破壞生態(tài)環(huán)境安全。與此同時,鹽堿地也是一種可恢復利用的耕地資源,對糧食增產有著巨大的潛力。為解決全球糧食資源短缺問題,保護生態(tài)環(huán)境安全,充分利用鹽堿地這一重要的潛在耕地資源進行產糧具有重要意義[4]。據(jù)聯(lián)合國教科文組織和糧農組織不完全統(tǒng)計,全球鹽堿地總面積約為9.5×109hm2,中國共有9.913×107hm2鹽堿地,占國土總面積的10%,其中5億畝具有開發(fā)利用潛力。陜西省地處黃河中游,其鹽堿地面積為15.320 hm2,集中分布在陜北榆林地區(qū)和關中鹵泊灘地區(qū)[5]。鹵泊灘地區(qū)由于特定的氣候和地勢等原因,土壤鹽堿化問題一直阻礙著當?shù)剞r業(yè)經濟的發(fā)展。盡管當?shù)卣蛧鴥韧鈱W者開展了相關治理措施,但鹽堿化的形成是一個多方面因素相互作用的結果,導致對其改良效果并不理想。所以,為了在生產過程中合理協(xié)調灌水與施肥,更加高效地開發(fā)和利用鹽堿地,準確評估該地區(qū)的土壤肥力狀況是至關重要的[6]。

土壤肥力是對土壤物理、化學和生物學理化性質的綜合評價,客觀科學掌握土壤肥力狀況,是決定農業(yè)生產高質量和土壤資源利用可持續(xù)性的關鍵因素[7]。鹵泊灘地區(qū)土壤肥力形成受到氣候、水文、地形及人類活動等眾多因素和變量的影響,如果僅從單一指標上對其進行綜合評估則難以反映出其真實肥力狀況,故需要將反映土壤肥力的多項指標信息加以匯集,得到一個綜合指標,從整體上反映該地區(qū)土壤肥力水平[8]。其中,基于隸屬度函數(shù)的模糊數(shù)學綜合評價法在解決各種不確定的、難以量化的問題上,具有結果清晰、系統(tǒng)性強等優(yōu)點,在評估土壤肥力中被廣泛應用[9]。土壤肥力評價還與選取一定合理的土壤肥力指標密切相關,而鹽堿化程度和養(yǎng)分質量是作為衡量鹽堿地土壤肥力狀況的重要標志[10]。鑒于此,本研究以渭北鹵泊灘為研究區(qū)域,采集灘區(qū)及周邊農田地土壤樣品,選取土壤有機質、氮磷鉀等養(yǎng)分指標,采用模糊綜合評價法評價該地區(qū)土壤肥力狀況,旨在為后續(xù)改良灘區(qū)鹽堿地,挖掘耕地資源和推進黃河流域灘區(qū)生態(tài)綜合整治提供重要依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

渭北鹵泊灘位于黃河流域中游,陜西關中平原東部,橫跨蒲城、富平兩縣,地處渭河北部石川河—洛河三角州和黃土臺原的交接部位,東經109°07′～109°51′,北緯34°41′～35°01′,東西長約53 km,南北寬約25 km,面積約418.06 km2。地形以臺原為主,地勢西北高、東南低。區(qū)內屬暖溫帶大陸性半干旱季風氣候,年平均氣溫15.6℃,年平均降水量500 mm左右,年蒸發(fā)量1 726 mm,年日照時數(shù)2 229 h,無霜期為158～220 d。本研究區(qū)域采樣點分布情況見圖1,以ArcGIS10.2軟件繪制。

圖1 研究區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of study area

1.2 土壤采集與分析

2021年3月4—6日在渭北鹵泊灘區(qū)域進行實地調查和參考縣行政區(qū)劃圖統(tǒng)籌規(guī)劃,根據(jù)土地利用、土壤類型等確定采樣點,利用五點取樣法采集7處具有代表性的土壤樣地:鹵陽湖濕地公園(109°35′18″E,34°49′18″N)(L1)、思補村(109°34′6″E,34°52′27″N)(L2)、西陳水庫(109°34′16″E,34°52′25″N)(L3)、富家村(109°33′26″E,34°49′34″N)(L4)、富新村(109°32′17″E,34°50′55″N)(L5)、李家村(109°34′2″E,34°53′50″N)(L6)、張家村(109°38′19″E,34°49′41″N)(L7)。其中,鹵陽湖濕地公園(L1)為非農田地,作為參照組,其余采樣點為農田地,土壤類型均為旱地,采集0～20 cm表層土,采樣點用GPS精確定位,記錄經緯度。采樣結束后帶回實驗室將其自然風干,剔除土樣中的根系、石塊等雜物,土壤樣品風干磨細后過 1 mm篩用于測定土壤理化性質。

參照《土壤農業(yè)化學分析方法》[11],pH值采用pH計(上海佑科P901)測定；電導率采用電導率儀(水土比5∶1)測定;總鹽量采用烘干法;有機質用重鉻酸鉀容量法外加熱法測定;全氮測定采用半微量凱氏定氮法;堿解氮采用堿解擴散法測定;速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提鉬銻抗比色法;速效鉀采用1 mol/L NH4OAc浸提火焰光度法。

1.3 評價方法

模糊綜合評價法是以模糊數(shù)學為基礎,利用隸屬度理論和權重矩陣把定性評價轉化為定量評價的綜合評價方法[12]。首先，要選取合理的影響因子,建立評價指標體系；然后，選取相應隸屬函數(shù),計算其隸屬度值,采用Pearson的相關分析確定各指標的權重系數(shù)；最后，根據(jù)各指標的隸屬度和權重系數(shù),通過模糊數(shù)學中的加權乘法原理,計算得到土壤肥力綜合評價指數(shù)[13]。

本研究考慮pH、含鹽量及電導率能客觀反映出土壤鹽堿化的程度,有機質、 氮磷鉀等養(yǎng)分指標是評價土壤肥力的重要標志,且分析數(shù)據(jù)穩(wěn)定較易獲得。選取土壤有機質、速效磷、總鹽、總氮、堿解氮、速效鉀、pH和電導率共8個指標構建評價指標體系,利用模糊綜合評價法計算得出土壤肥力綜合指數(shù)。其中，pH屬于拋物線型隸屬關系,總鹽屬于戒下型隸屬關系,有機質、速效磷、速效鉀、電導率、全氮、堿解氮均屬于S型隸屬關系。其隸屬度函數(shù)分別為[14]:

1) S型隸屬度函數(shù)

(1)

其中，x1、x2為該S型隸屬度函數(shù)中評價指標在曲線中的轉折點。

2) 拋物線型隸屬度函數(shù)

(2)

其中,x1、x2、x3、x4為該隸屬度函數(shù)中評價指標在曲線中的轉折點。

3) 戒下型隸屬度函數(shù)

(3)

隸屬度是指各指標參數(shù)與土壤肥力之間的函數(shù)關系,因土壤各肥力指標測定值表征意義、量綱和單位的不同而無法直接進行相互比較,需要利用各指標的隸屬度進行標準化處理[15]。隸屬度值越接近于1,表示某評價單元中該肥力指標值對土壤肥力貢獻度越高。本研究結合劉敬美[16]和王德彩[17]等人的研究結果以及全國第二次土壤普查分級標準[18],對土壤肥力各指標在隸屬度函數(shù)曲線的轉折點進行取值(見表1)。根據(jù)各肥力指標對應的函數(shù)關系分別計算對應的隸屬度值,將7個采樣點土壤肥力指標的隸屬度值及均值繪制成雷達圖(見圖2)。

圖2 研究區(qū)域各土壤肥力指標隸屬度雷達圖Fig.2 Radar map of membership degree of each soil fertility index in the study area

表1 隸屬度函數(shù)轉折點取值Tab.1 Values of the turning points in membership function

權重是反映某一因子在總體評價中的相對重要程度,土壤肥力綜合評價的關鍵就在于確定土壤各肥力指標的權重系數(shù)。本研究各肥力指標的權重系數(shù)是利用相關系數(shù)法確定的。首先，采用SPSS26.0統(tǒng)計分析軟件獲得各肥力指標間的線性關聯(lián)性(見表2)；然后，計算得到單項肥力指標與其余肥力指標間相關系數(shù)絕對值之和的平均值,該平均值與每個肥力指標相關系數(shù)平均值和的百分比即為該項肥力指標的權重系數(shù)(見表3)。

表2 土壤肥力評價指標間的相關系數(shù)矩陣Tab.2 Correlation coefficient matrix between soil fertility evaluation indexes

表3 研究區(qū)域土壤肥力評價指標權重Tab.3 Soil fertility evaluation index weight in the study area

通過模糊數(shù)學中的加權乘法原理計算土壤肥力綜合評價指數(shù)(integrated fertility index,IFI),IFI是能夠精確有效地評估土壤質量狀況和退化程度的重要指標。土壤肥力綜合指數(shù)(IFI)計算公式如式(4)所示。土壤肥力綜合評價指數(shù)介于0.1～1.0,數(shù)值越接近1.0,說明土壤肥力越好。

(4)

其中:IFI為土壤肥力綜合指數(shù);Wi、fi為第i個因子權重值和隸屬度值;n為指標數(shù)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經Microsoft Excel 2019歸納整理后,利用SPSS26.0軟件的描述統(tǒng)計進行平均值、標準差、變異系數(shù)、Person相關分析,并利用origin2018和ArcGIS10.2進行作圖分析。

2 結果與分析

由渭北鹵泊灘土壤肥力評價指標的隸屬度(見圖2)可知,其隸屬度均值處于0.2～0.8之間。其中,速效磷(0.245)<電導率(0.285)<堿解氮(0.387)<全氮(0.416)<有機質(0.498)

研究區(qū)域各采樣點的8項土壤肥力指標含量如圖2所示。結果顯示,各采樣點土壤pH值范圍為8.06～9.52,說明該地區(qū)土壤主要為堿性土壤,整體表現(xiàn)為弱堿性;土壤總鹽含量范圍為1.96～2.95 g/kg,鹽化程度一般;全氮含量范圍是0.56～0.93 g/kg,含量較低;土壤速效鉀含量相對豐富,其含量范圍為92.74～204.69 mg/kg,這與土壤本身類型和人為過量施用鉀肥有關;土壤有機質整體含量處于較低水平,僅為7.45～18.45 g/kg,7個采樣點中L7有機質含量最高,為18.45 g/kg,其次是L3,含量為16.89 g/kg,而L1含量最低,僅為7.45 g/kg;速效磷含量范圍為9.58～15.26 mg/kg,含量相對偏低;堿解氮含量范圍是45.2～82.6 mg/kg,含量相對偏低。土壤電導率范圍為0.113～0.865 mS/cm,其中,L1電導率高達0.865 mS/cm,L4次之,為0.314 mS/cm。綜上所述,L1土壤養(yǎng)分含量整體最差,鹽堿程度最高,其他采樣點土壤養(yǎng)分含量較L1高,但整體含量相對較低,不利于農作物的生長。

變異系數(shù)(CV)一般能較好地反映出變量的空間變異程度,當 CV<10% 時表明是弱變異,CV介于10%～90%之間表明是中等變異,CV>90%表明是強變異[19]。根據(jù)各采樣點的土壤肥力指標含量(見圖3)的標準偏差與平均值之比的百分數(shù)計算得出各指標變異系數(shù)。本研究區(qū)域土壤變異系數(shù)從大到小依次為電導率、pH、有機質、速效鉀、總鹽、堿解氮、全氮、速效磷。其中,pH變異系數(shù)為53.25%,說明區(qū)域內土壤pH值差異顯著,L1地區(qū)pH含量最高,高達9.52,屬于中等變異;土壤總鹽含量均值為2.33 g/kg,高于一般農田土壤總鹽(2.0 g/kg),其變異系數(shù)為16.33%,屬于弱變異;土壤全氮含量均值為0.77 g/kg,整體含量處于缺乏水平,變異系數(shù)為13.47%,土壤中全氮含量差異不大,屬于弱變異;土壤堿解氮含量均值為45.2 mg/kg,變異系數(shù)為15.91%,屬于弱變異;土壤速效磷含量均值為13.17 mg/kg,變異系數(shù)為12.86%,屬于弱變異;土壤有機質含量均值為14.06 g/kg,變異系數(shù)為23.36%,屬于中等變異;電導率均值為0.27 mS/cm,變異系數(shù)較高,高達94.13%,屬于強變異;土壤速效鉀均值為152.80 mg/kg,變異系數(shù)為22.14%,屬于中等變異。

圖3 各采樣點土壤養(yǎng)分質量分析Fig.3 Analysis of soil nutrient content at each sampling point

按照表4對土壤各肥力指標的量級劃分可知,速效磷含量處于三級標準;土壤有機質含量處于四級標準;全氮含量處于四級標準;堿解氮含量處于四級標準;土壤電導率和速效鉀含量分別處于一級標準和二級標準。綜上所述,渭北鹵泊灘區(qū)域整體土壤養(yǎng)分含量相對偏低,土壤速效磷、有機質、全氮、堿解氮含量處于中低水平,速效鉀處于中高水平,鹽分含量一般,但pH較高,土壤以輕度鹽堿化為主,對農作物的良好生長有著較大的限制。

表4 土壤肥力評價指標量級劃分Tab.4 Division of magnitude of soil fertility evaluation index

研究區(qū)域各采樣點土壤肥力綜合指數(shù)如圖4所示,土壤肥力狀況評級可按文獻[20]中的標準進行:高(>0.8)、 較高(0.6，0.8]、 中等(0.4，0.6]、 較低[0.2，0.4]和低(<0.2)。圖4結果顯示,各采樣點土壤肥力綜合指數(shù)處在0.2～0.7之間,研究區(qū)域土壤肥力綜合指數(shù)均值為0.483 7,說明該地區(qū)土壤肥力狀況整體表現(xiàn)為中下等水平。 其中, L7地區(qū)土壤肥力綜合指數(shù)最高, 為0.624 9,處于中上等水平,L1地區(qū)土壤肥力綜合指數(shù)最低,為0.246 7,處于較低水平。

圖4 研究區(qū)域土壤肥力綜合指數(shù)Fig.4 Comprehensive index of soil fertility in the study area

鹵泊灘地區(qū)原是構造湖,因大陸性季風氣候干旱,常年強烈的地表蒸發(fā)作用下形成鹽湖,其地形以洼地為主,整體地勢低洼、平坦,地下水和地表水易于交匯積聚,水質礦化度大等自然因素,為其形成鹽堿化創(chuàng)造了條件。從渭北鹵泊灘地區(qū)土壤養(yǎng)分質量和肥力綜合指數(shù)來看,L1土壤pH最高,其他各項指標也遠低于其他采樣點,這是因為位于鹽湖附近,受人類生產活動影響較小,土壤鹽堿化程度最高。L2土壤中氮磷鉀含量水平較低,導致其肥力不佳,L4土壤雖被用于耕地,可能因施肥等原因,其土壤肥力高于L1,但因地處鹽湖邊緣,肥力水平受到一定影響。其他采樣點肥力水平整體相差不大,屬于中等水平,這與該地區(qū)土壤類型為褐土和黃綿土有關，導致土壤質地黏重造成有機質含量整體偏低,而速效鉀含量較高,除土壤自身富鉀外,與鉀肥的逐年施加導致余量過多有著直接關系。各采樣點全氮含量處于中等偏下水平,堿解氮含量處于缺乏水平,后期應適量施加氮肥。土壤pH整體偏高,堿性較強可能導致速效磷含量偏低。除此之外,早期人們?yōu)榱烁纳汽}堿地建立的一些抽灌區(qū)如交口抽渭灌區(qū)、洛惠灌區(qū)等,經多年運行排水設施建設老化,致使排水溝淤積嚴重而排水不暢,加上不科學合理的耕作方式和灌溉方式,如大水漫灌,造成土壤板結、耕層變淺和次生鹽漬化,加劇了土壤鹽堿化。

基于以上結論,結合黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展戰(zhàn)略,本文提出以下建議以充分發(fā)揮區(qū)域特色,推進灘區(qū)生態(tài)環(huán)境,優(yōu)化灘區(qū)土壤結構,提升農作物高質量發(fā)展。建議在改良中,一要減少工業(yè)化肥的使用量,防止二次污染,加大改良難度,建議使用農家有機肥或者菌肥;二在治理鹽堿地過程中要遵循“鹽隨水來、鹽隨水去”基本原理和“因地制宜”的治理措施,采用農田水利、化學和生物等措施進行綜合治理改良。水利改良是目前改善鹽堿地效果最快的方法。由于鹵泊灘地區(qū)原有排水、排鹽灌溉系統(tǒng)老舊,維修成本較高,不適宜農田大規(guī)模采用。L1是濕地公園,一方面，可建立小型排水灌溉系統(tǒng)、采用暗管排鹽技術進行改良；另一方面，可種植耐鹽堿性的草本植物,如紫花苜蓿、芒草等,既可美化環(huán)境,也能達到降堿排鹽的目的。其他采樣點均為農田地,其中,L2和L4土壤肥力低下，在于土壤含鹽量高以及缺乏氮磷元素所致。L2和L4可在土壤層覆沙或者埋秸,利用沙土與鹽堿土混合降低鹽堿含量,提高土壤通透性。L4因靠近鹽湖,還可利用微咸水滴灌進行改良,在種植前應配施有機肥的同時增施氮肥與磷肥,提高土壤肥力,改善土壤理化性質。其他采樣點土壤肥力為中等水平,種植前可利用機械進行深耕深松以改善土壤結構，種植時進行地膜或秸稈覆蓋，可改善土壤通透性,有效抑制土壤水分蒸發(fā),減少鹽分積累。該地區(qū)土壤堿性較大且缺乏氮磷元素,可向土壤施加有機肥和酸性改良劑,如腐殖酸、磷石膏等來進行改良,均能有效降低土壤堿化度,提高土壤養(yǎng)分。還可以通過引進、篩選和種植耐鹽堿作物,改善土壤小氣候,有效減少土壤水分蒸發(fā),抑制土壤鹽分。該地區(qū)地勢平坦,可壟溝蓄水、挖塘降水,引進耐鹽堿魚種和羊進行養(yǎng)殖,種植耐鹽堿植物不僅培肥土壤,還可作為養(yǎng)殖飼料,實現(xiàn)漁農經濟一體化。在改良鹽堿地過程中,要依據(jù)氣候、土壤類型和性質與各種措施相結合,充分實現(xiàn)鹽堿地整體改良。

3 結論

本研究通過對渭北鹵泊灘地區(qū)7個采樣點土壤肥力情況進行綜合分析，并根據(jù)土壤肥力水平層次和實際情況提出相應的改良措施,主要結論如下:①研究區(qū)整體土壤養(yǎng)分含量相對較低,區(qū)域內各指標分布含量差異明顯。有機質、堿解氮及速效磷是土壤肥力不足的主要限制因子,研究區(qū)域pH整體偏高,土壤呈弱堿性。②研究區(qū)域土壤肥力綜合指數(shù)均值為0.483 7,整體土壤肥力水平處于中下等水平。其中,鹵陽湖濕地公園(L1)土壤肥力綜合指數(shù)僅為0.246 7,處于較低水平。③特定的干旱氣候和低洼地勢是導致研究區(qū)土壤鹽堿化的主要原因,人為活動次之。

通過對該地區(qū)土壤肥力進行評價,將有利于下一步精準改良鹽堿地,為黃河流域實施“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略提供普適性參考,以鞏固沿黃灘區(qū)生態(tài)整治和確保農產品高質量生產,加快實現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護和農業(yè)高質量發(fā)展的戰(zhàn)略目標。