段碧輝， 孫 奧， 王 芳， 夏 偉， 李春誠(chéng)， 鄒 輝， 項(xiàng)劍橋， 楊 軍

(湖北省地質(zhì)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430034)

荊門(mén)市是湖北省重要的糧食產(chǎn)區(qū)和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地，享有“魚(yú)米之鄉(xiāng)”的美譽(yù)。耕地是珍貴而有限的自然資源，是糧食生產(chǎn)的根本,關(guān)系到國(guó)家糧食安全。耕地的主要功能之一就是為農(nóng)作物提供土壤肥力，土壤肥力的高低直接關(guān)系到農(nóng)作物的產(chǎn)量、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等[1-5]。不同土壤類(lèi)型直接影響著土壤肥力及保肥能力，根據(jù)不同土壤類(lèi)型、特性和肥力狀況進(jìn)行合理施肥和田間管理，可以改善耕地土壤質(zhì)量。因此，全面客觀地評(píng)價(jià)土壤肥力特征對(duì)指導(dǎo)科學(xué)施肥和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等具有重要的意義[6]。

開(kāi)展土壤肥力評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象和目的的不同選用不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)。如王璐等[7]采用土壤密度和含水率、高強(qiáng)偉等[8]選用土壤物理性質(zhì)、陳穎等[9]選用土壤化學(xué)性質(zhì)、劉麗[10]選用土壤生物性質(zhì)、吳玉紅等[11]選用土壤養(yǎng)分作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)土壤肥力。常用的評(píng)價(jià)方法有聚類(lèi)分析法[12]、模糊數(shù)學(xué)法[13]、主成分分析法[14]、因子分析法[15]等。本文以土壤肥力作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)對(duì)荊門(mén)市代表性耕地的表層土壤進(jìn)行取樣和測(cè)試，分析不同類(lèi)型土壤的pH值和有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分含量，進(jìn)行土壤養(yǎng)分地球化學(xué)分級(jí)評(píng)價(jià);在此基礎(chǔ)上綜合評(píng)價(jià)土壤肥力并分析影響土壤肥力的原因，旨在全面認(rèn)識(shí)和科學(xué)評(píng)價(jià)荊門(mén)市耕地土壤養(yǎng)分狀況，為研究區(qū)耕地合理施肥提供理論依據(jù)，為保障糧食安全提供基礎(chǔ)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

荊門(mén)市位于湖北省中部、漢江中下游，是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶重要節(jié)點(diǎn)城市，地理位置位于東經(jīng)111°51′～113°29′，北緯30°32′～31°36′,總面積12 339.4 km2。研究區(qū)地貌類(lèi)型相對(duì)復(fù)雜，分布著平原、丘陵和山地3種地貌類(lèi)型，地表起伏相對(duì)較大，海拔介于27～1 050 m。該區(qū)成土母質(zhì)多樣，主要為河流沖積物、湖積物、碳酸鹽巖等。土壤類(lèi)型主要為水稻土、潮土、黃棕壤、紫色土、石灰土等。

1.2 樣品采集及處理

2021年3—5月在研究區(qū)采集耕地表層土壤樣品295件，其中潮土55件、水稻土159件、黃棕壤53件、紫色土11件、石灰土17件。采樣時(shí)，采用GPS定位，在每個(gè)樣點(diǎn)的同一地塊內(nèi)采用五點(diǎn)采樣法將5件表層土壤子樣混合組成1件樣品，組合后采用四分法取樣品1 kg送檢。同時(shí)，調(diào)查記錄樣點(diǎn)的地質(zhì)背景、土壤類(lèi)型、種植制度、成因類(lèi)型等信息。土壤樣品在自然條件下陰干，去掉石塊和植物殘骸等，過(guò)2 mm尼龍篩，由國(guó)土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心完成分析測(cè)試。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)和陽(yáng)離子交換量(CEC)采用容量法測(cè)定，全氮(TN)采用元素分析法測(cè)定，全鉀(TK)和全磷(TP)采用X射線熒光光譜法測(cè)定，全硫(TS)采用高頻燃燒紅外吸收法測(cè)定，速效鉀(AK)和有效磷(AP)采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測(cè)定，酸堿度(pH)采用離子選擇性電極法測(cè)定。以上指標(biāo)對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)室檢出限分別為0.02%、1 cmol/kg、15 mg/kg、0.03%、5 mg/kg、15 mg/kg、1.25 mg/kg、0.25 mg/kg、0.01，各指標(biāo)檢出率均為100%。采用現(xiàn)場(chǎng)密碼平行樣和統(tǒng)一監(jiān)控樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室外部質(zhì)量控制，采用室內(nèi)密碼平行樣和國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部質(zhì)量控制，合格率均為100%，滿足評(píng)價(jià)要求。

1.4 土壤養(yǎng)分分級(jí)評(píng)價(jià)

本次評(píng)價(jià)土壤SOM、TN、TP、TK、AP和AK依據(jù)《全國(guó)第二次土壤普查暫行技術(shù)規(guī)程》[16]規(guī)定的土壤養(yǎng)分地球化學(xué)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，TS參考《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)[17]中的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 土壤養(yǎng)分地球化學(xué)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The national classification standard of soil nutrient geochemistry

1.5 土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

土壤肥力綜合評(píng)價(jià)是以土壤養(yǎng)分地球化學(xué)分級(jí)評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)，按照下列公式計(jì)算出土壤綜合肥力指數(shù)(f肥力)而進(jìn)行的評(píng)價(jià)。

(1)

式中：ki為土壤SOM、TN、TP、TK、AP、AK、TS等7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；fi為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)得分。各評(píng)價(jià)指標(biāo)的六等、五等、四等、三等、二等、一等所對(duì)應(yīng)的fi分別為1、2、3、4、5、6，計(jì)算得出土壤綜合肥力指數(shù)f肥力介于1～6，其等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

1.6 數(shù)據(jù)處理

利用Excel2010對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，采用SPSS 17.0進(jìn)行變異系數(shù)和主成分分析等。

表2 土壤肥力綜合等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Comprehenisive grade division standard of soil fertility

2 土壤養(yǎng)分含量特征及分級(jí)評(píng)價(jià)

2.1 測(cè)定結(jié)果

研究區(qū)耕地土壤的養(yǎng)分含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。土壤pH值為4.69～8.37，均值為6.62，總體呈中性。SOM含量為8.62～58.62 g/kg，均值為31.25 g/kg。全量養(yǎng)分TN、TP、TK、TS含量分別為0.58～4.08、0.37～1.88、10.21～27.63 g/kg和98.00～781.00 mg/kg，均值分別為1.79、0.74、17.31 g/kg和326.52 mg/kg。

表3 土壤養(yǎng)分含量參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Parameter statistics of soil nutrient contents

有效態(tài)養(yǎng)分AK、AP含量分別為49.00～567.00、0.21～77.90 mg/kg，均值為193.95、15.38 mg/kg。CEC含量為4.24～29.60 cmol/kg，均值為16.89 cmol/kg。

2.2 不同類(lèi)型土壤養(yǎng)分含量特征

2.2.1土壤pH值與SOM含量

pH值直接影響土壤中養(yǎng)分元素的賦存形態(tài)，SOM是衡量土壤肥力水平的基礎(chǔ)。研究區(qū)耕地的不同類(lèi)型土壤的pH值和SOM含量存在差異(圖1)，潮土pH值最高，但SOM含量最低。其他類(lèi)型土壤SOM含量和pH值特征相似，由高到低依次為石灰土>紫色土>黃棕壤>水稻土，均值分別為36.65、35.95、33.07、32.62 g/kg和6.73、6.49、6.3、6.19。

2.2.2土壤全量養(yǎng)分含量

土壤TN、TP、TK、TS屬于全量養(yǎng)分，是維持農(nóng)作物生長(zhǎng)所需氮磷鉀硫的養(yǎng)分庫(kù)，是反映土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況的重要指標(biāo)[18-19]。從圖2中可以看出，不同類(lèi)型土壤TN和TS含量特征相似，由高到低均依次為石灰土>紫色土>黃棕壤>水稻土>潮土，均值分別為2.06、2.02、1.93、1.83、1.35 g/kg和393.41、393.18、347.35、335.02、223.04 mg/kg。不同類(lèi)型土壤TP含量由高到低依次為潮土>石灰土>水稻土>黃棕壤>紫色土，均值分別為0.96、0.87、0.68、0.64、0.63 g/kg。不同類(lèi)型土壤TK含量由高到低依次為潮土>石灰土>紫色土>黃棕壤>水稻土，均值分別為20.8、17.6、17.55、16.98、16.13 g/kg。

2.2.3土壤有效態(tài)養(yǎng)分含量

土壤AK、AP屬于有效態(tài)養(yǎng)分，對(duì)農(nóng)作物生成、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)有著較大的影響。由圖3可知，不同類(lèi)型土壤AP含量由高到低依次為潮土>石灰土>紫色土>水稻土>黃棕壤，均值分別為20.34、17.71、15.82、13.88、12.95 mg/kg。不同類(lèi)型土壤AK含量由高到低依次為紫色土>石灰土>黃棕壤>水稻土>潮土，均值分別為224.18、217.88、209.75、205.04、158.53 mg/kg。

圖1 不同類(lèi)型土壤pH值與SOM含量Fig.1 pH and SOM content in different soil types

圖2 不同類(lèi)型土壤全量養(yǎng)分含量Fig.2 Contents of total nutrient in different soil types

圖3 不同類(lèi)型土壤有效態(tài)養(yǎng)分含量Fig.3 Contents of available nutrients in different soil types

2.2.4土壤CEC含量

CEC是指土壤膠體所能吸附的各種陽(yáng)離子的總量，是衡量土壤保肥能力的重要指標(biāo)。由圖4可知，CEC含量分布情況依次為紫色土>石灰土>黃棕壤>水稻土>潮土，均值分別為20.58、19.83、17.94、17.48、12.31 cmol/kg。

圖4 不同類(lèi)型土壤CEC含量Fig.4 Contents of CEC in different soil types

2.3 土壤養(yǎng)分地球化學(xué)分級(jí)評(píng)價(jià)

土壤養(yǎng)分地球化學(xué)質(zhì)量是進(jìn)行耕地管理的基礎(chǔ)[20]。參照土壤養(yǎng)分地球化學(xué)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，對(duì)研究區(qū)耕地土壤的SOM、TN、TP、TK、TS、AK、AP等7個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)(表3)。按養(yǎng)分指標(biāo)來(lái)看，土壤中SOM、TN、TS、AK等4個(gè)指標(biāo)的等級(jí)為二等，TP、TK、AP等3個(gè)指標(biāo)的等級(jí)為三等。由此可見(jiàn)研究區(qū)耕地土壤中有機(jī)質(zhì)較豐富，且具有較強(qiáng)的供氮能力和稍弱的供磷、供鉀能力，但有效態(tài)鉀較豐富，說(shuō)明人為耕作土壤時(shí)鉀肥投入有盈余，造成鉀在土壤中殘留積累。

變異系數(shù)反映土壤養(yǎng)分指標(biāo)空間變化程度的高低，變異系數(shù)越小，說(shuō)明含量越均勻。研究區(qū)耕地土壤養(yǎng)分指標(biāo)的變異系數(shù)由高到低依次為AP>AK>TS>TP=SOM>TN>TK。變異系數(shù)最大的養(yǎng)分指標(biāo)為AP，為0.92，屬?gòu)?qiáng)變異型，說(shuō)明研究區(qū)耕地土壤中有效態(tài)磷分布極不均勻，可能是由不同地區(qū)的農(nóng)民差異化施用磷肥造成的，這與張濤[21]對(duì)江漢平原其他地區(qū)的耕地土壤養(yǎng)分含量特征的研究結(jié)果相似。AK、TS、TP、SOM、TN和CEC的變異系數(shù)差距不大，為0.29～0.41，屬相對(duì)變異型，說(shuō)明上述養(yǎng)分指標(biāo)的分布相對(duì)均勻。TK和pH的變異系數(shù)為0.15～0.21，屬均勻分布型。

3 土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

3.1 不同類(lèi)型土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)荊門(mén)市耕地土壤特性，選取SOM、TN、TP、TK、TS、AP、AK等7個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)評(píng)價(jià)土壤綜合肥力。KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，KMO=0.616>0.6；Bartletr’s球體檢驗(yàn)結(jié)果顯示，Sig.=0.000<0.01，表明原有變量之間具有相關(guān)性，適合做因子分析。因子分析結(jié)果顯示，土壤綜合肥力指數(shù)前3個(gè)主成分特征值均>1，累計(jì)貢獻(xiàn)率為82.895%，表明這3個(gè)主成分已解釋全部變量82.895%的信息。因此，選擇3個(gè)公因子作為指標(biāo)相對(duì)作用和各指標(biāo)間內(nèi)在關(guān)聯(lián)性評(píng)估的基準(zhǔn)(表4)。

土壤肥力水平是諸多肥力指標(biāo)綜合作用的反映，目前有關(guān)土壤綜合肥力等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有統(tǒng)一。本文為了避免人為主觀的影響，通過(guò)提取各指標(biāo)的公因子方差，將各指標(biāo)公因子方差的提取值占比作為各肥力指標(biāo)的權(quán)重(ki)，結(jié)果如表5所示。土壤綜合肥力等級(jí)劃分采用表2所列的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

表4 土壤肥力指標(biāo)主成分的特征值和貢獻(xiàn)率Table 4 Characteristic value and contribution rate of principal components soil fertility factors

表5 土壤肥力指標(biāo)權(quán)重Table 5 Index weights of soil fertility factors

根據(jù)土壤綜合肥力指數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算得出荊門(mén)市耕地土壤的綜合肥力指數(shù)(f肥力)為2.87～5.63，均值為4.46，其中紫色土綜合肥力指數(shù)均值最高，為5.19，其次為石灰土(4.8)，潮土最低(4.29)。耕地土壤綜合肥力等級(jí)為一—四等，占比分別為3.37%、46.13%、43.10%和7.40%(圖5)，其中紫色土綜合肥力等級(jí)為一—三等，占比分別為27.27%、63.64%和9.09%；石灰土綜合肥力等級(jí)為二—三等，占比分別為70.59%和29.41%；黃棕壤綜合肥力等級(jí)為一—四等，占比分別為3.77%、54.72%、39.62%和1.89%；水稻土綜合肥力等級(jí)為一—四等，占比分別為2.52%、42.77%、44.03%和10.68%；潮土綜合肥力等級(jí)為一—四等，占比分別為1.82%、34.55%、56.36%和7.27%。綜合肥力評(píng)價(jià)結(jié)果表明，荊門(mén)市耕地土壤整體肥力較好，肥力水平由高到低依次為紫色土>石灰土>黃棕壤>水稻土>潮土。

圖5 不同類(lèi)型土壤肥力等級(jí)占比Fig.5 The ratio of fertility grade in different soil types

3.2 土壤肥力的影響因素分析

土壤肥力受成土母質(zhì)、氣候、地形、人類(lèi)活動(dòng)等因素的影響[22]。研究區(qū)土壤pH值從低至高依次為水稻土<黃棕壤<紫色土<石灰土<潮土，這與張?jiān)嗟萚23]對(duì)湖北省土壤酸堿度的研究結(jié)果相似。SOM含量處于中等水平，潮土SOM含量明顯低于其他土壤類(lèi)型，這可能是由于土壤在干旱條件下，有機(jī)質(zhì)來(lái)源減少，且土壤長(zhǎng)期處于氧化環(huán)境，有機(jī)質(zhì)很難積累，最終導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量低，這與王振芳[24]研究結(jié)果一致。潮土TN、TS和AK含量明顯低于其他土壤，TP、TK和AP含量高于其他土壤，這主要是由于受成土母質(zhì)和人類(lèi)活動(dòng)的影響。研究區(qū)潮土主要分布于漢江兩側(cè)，由漢江沖積形成，土壤質(zhì)地偏砂質(zhì)，其物源可能受北大巴山粗面火山巖帶及局部的正長(zhǎng)斑巖和大巴山—大洪山上震旦統(tǒng)含磷巖系風(fēng)化物影響，導(dǎo)致TP、TK含量偏高，這與趙賓[25]對(duì)漢江平原磷、鉀富集研究結(jié)果相同；而AP含量偏高主要是受人為施肥的影響。不同土壤類(lèi)型的膠體類(lèi)型和數(shù)量不同，其CEC也可能存在不同[26]。潮土CEC含量明顯低于其他土壤，說(shuō)明潮土保肥能力低，原因可歸結(jié)于其質(zhì)地偏砂質(zhì)且礦質(zhì)膠體數(shù)量低于其他土壤，而礦質(zhì)膠體是土壤陽(yáng)離子交換量的重要貢獻(xiàn)源[27]。

4 結(jié)論

(1) 荊門(mén)市耕地土壤pH及養(yǎng)分含量分布特征存在差異，pH、TK變異系數(shù)最小，屬均勻分布型；SOM、TN、TP、TS、AK和CEC變異系數(shù)中等，屬相對(duì)分異型；土壤AP變異系數(shù)最大，屬?gòu)?qiáng)變異型。因人為活動(dòng)影響，土壤中有效態(tài)養(yǎng)分含量差異最大，因此AP和TK變異系數(shù)在各養(yǎng)分指標(biāo)中為最高。

(2) 研究區(qū)耕地土壤中SOM、TN、AK、TS含量較豐富，TP、TK、AP含量中等。不同類(lèi)型土壤的養(yǎng)分指標(biāo)存在一定差異，石灰土SOM、TN和TS含量最高，紫色土AK和CEC含量最高，潮土pH、TP、TK、AP含量最高。

(3) 研究區(qū)耕地土壤綜合肥力較高，綜合肥力指數(shù)為2.87～5.63，肥力處于一—四等，各等級(jí)分別占比3.37%、46.13%、43.10%和7.40%。各類(lèi)型土壤中，紫色土肥力最高，石灰土、黃棕壤、水稻土次之，潮土肥力最低。

(4) 研究區(qū)耕地的潮土肥力最低且保肥能力最差，但AP含量相對(duì)較高，建議適當(dāng)增施有機(jī)肥和氮鉀肥，控制磷肥施用，改善土壤結(jié)構(gòu)。水稻土土壤肥力和保肥能力次之，但AK含量豐富、TN含量較豐富，建議增加磷肥施用，適當(dāng)控制鉀肥。