荆门市耕地不同土壤类型养分含量特征及肥力评价
时间：2023-01-22 14:35:08 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
段碧辉， 孙 奥， 王 芳， 夏 伟， 李春诚， 邹 辉， 项剑桥， 杨 军
(湖北省地质科学研究院，湖北 武汉 430034)
荆门市是湖北省重要的粮食产区和农产品生产基地，享有“鱼米之乡”的美誉。耕地是珍贵而有限的自然资源，是粮食生产的根本,关系到国家粮食安全。耕地的主要功能之一就是为农作物提供土壤肥力，土壤肥力的高低直接关系到农作物的产量、农产品质量和农业可持续发展等[1-5]。不同土壤类型直接影响着土壤肥力及保肥能力，根据不同土壤类型、特性和肥力状况进行合理施肥和田间管理，可以改善耕地土壤质量。因此，全面客观地评价土壤肥力特征对指导科学施肥和精准农业等具有重要的意义[6]。
开展土壤肥力评价时，应根据评价对象和目的的不同选用不同的评价指标。如王璐等[7]采用土壤密度和含水率、高强伟等[8]选用土壤物理性质、陈颖等[9]选用土壤化学性质、刘丽[10]选用土壤生物性质、吴玉红等[11]选用土壤养分作为评价指标来评价土壤肥力。常用的评价方法有聚类分析法[12]、模糊数学法[13]、主成分分析法[14]、因子分析法[15]等。本文以土壤肥力作为主要评价指标，通过对荆门市代表性耕地的表层土壤进行取样和测试，分析不同类型土壤的pH值和有机质等养分含量，进行土壤养分地球化学分级评价;在此基础上综合评价土壤肥力并分析影响土壤肥力的原因，旨在全面认识和科学评价荆门市耕地土壤养分状况，为研究区耕地合理施肥提供理论依据，为保障粮食安全提供基础支撑。
1.1 研究区概况
荆门市位于湖北省中部、汉江中下游，是长江经济带重要节点城市，地理位置位于东经111°51′～113°29′，北纬30°32′～31°36′,总面积12 339.4 km2。研究区地貌类型相对复杂，分布着平原、丘陵和山地3种地貌类型，地表起伏相对较大，海拔介于27～1 050 m。该区成土母质多样，主要为河流冲积物、湖积物、碳酸盐岩等。土壤类型主要为水稻土、潮土、黄棕壤、紫色土、石灰土等。
1.2 样品采集及处理
2021年3—5月在研究区采集耕地表层土壤样品295件，其中潮土55件、水稻土159件、黄棕壤53件、紫色土11件、石灰土17件。采样时，采用GPS定位，在每个样点的同一地块内采用五点采样法将5件表层土壤子样混合组成1件样品，组合后采用四分法取样品1 kg送检。同时，调查记录样点的地质背景、土壤类型、种植制度、成因类型等信息。土壤样品在自然条件下阴干，去掉石块和植物残骸等，过2 mm尼龙筛，由国土资源部武汉矿产资源监督检测中心完成分析测试。
1.3 指标测定
土壤有机质(SOM)和阳离子交换量(CEC)采用容量法测定，全氮(TN)采用元素分析法测定，全钾(TK)和全磷(TP)采用X射线荧光光谱法测定，全硫(TS)采用高频燃烧红外吸收法测定，速效钾(AK)和有效磷(AP)采用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定，酸碱度(pH)采用离子选择性电极法测定。以上指标对应实验室检出限分别为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，各指标检出率均为100%。采用现场密码平行样和统一监控样进行实验室外部质量控制，采用室内密码平行样和国家一级标准物质进行实验室内部质量控制，合格率均为100%，满足评价要求。
1.4 土壤养分分级评价
本次评价土壤SOM、TN、TP、TK、AP和AK依据《全国第二次土壤普查暂行技术规程》[16]规定的土壤养分地球化学分级标准，TS参考《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)[17]中的分级标准(表1)。
表1 土壤养分地球化学分级标准Table 1 The national classification standard of soil nutrient geochemistry
1.5 土壤肥力综合评价
土壤肥力综合评价是以土壤养分地球化学分级评价为基础，按照下列公式计算出土壤综合肥力指数(f肥力)而进行的评价。
(1)
式中：ki为土壤SOM、TN、TP、TK、AP、AK、TS等7个评价指标的权重系数；
fi为各评价指标的分级得分。各评价指标的六等、五等、四等、三等、二等、一等所对应的fi分别为1、2、3、4、5、6，计算得出土壤综合肥力指数f肥力介于1～6，其等级划分标准见表2。
1.6 数据处理
利用Excel2010对基础数据进行处理和作图，采用SPSS 17.0进行变异系数和主成分分析等。
表2 土壤肥力综合等级划分标准Table 2 Comprehenisive grade division standard of soil fertility
2.1 测定结果
研究区耕地土壤的养分含量测定结果见表3。土壤pH值为4.69～8.37，均值为6.62，总体呈中性。SOM含量为8.62～58.62 g/kg，均值为31.25 g/kg。全量养分TN、TP、TK、TS含量分别为0.58～4.08、0.37～1.88、10.21～27.63 g/kg和98.00～781.00 mg/kg，均值分别为1.79、0.74、17.31 g/kg和326.52 mg/kg。
表3 土壤养分含量参数统计表Table 3 Parameter statistics of soil nutrient contents
有效态养分AK、AP含量分别为49.00～567.00、0.21～77.90 mg/kg，均值为193.95、15.38 mg/kg。CEC含量为4.24～29.60 cmol/kg，均值为16.89 cmol/kg。
2.2 不同类型土壤养分含量特征
2.2.1土壤pH值与SOM含量
pH值直接影响土壤中养分元素的赋存形态，SOM是衡量土壤肥力水平的基础。研究区耕地的不同类型土壤的pH值和SOM含量存在差异(图1)，潮土pH值最高，但SOM含量最低。其他类型土壤SOM含量和pH值特征相似，由高到低依次为石灰土>紫色土>黄棕壤>水稻土，均值分别为36.65、35.95、33.07、32.62 g/kg和6.73、6.49、6.3、6.19。
2.2.2土壤全量养分含量
土壤TN、TP、TK、TS属于全量养分，是维持农作物生长所需氮磷钾硫的养分库，是反映土壤养分供应状况的重要指标[18-19]。从图2中可以看出，不同类型土壤TN和TS含量特征相似，由高到低均依次为石灰土>紫色土>黄棕壤>水稻土>潮土，均值分别为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。不同类型土壤TP含量由高到低依次为潮土>石灰土>水稻土>黄棕壤>紫色土，均值分别为0.96、0.87、0.68、0.64、0.63 g/kg。不同类型土壤TK含量由高到低依次为潮土>石灰土>紫色土>黄棕壤>水稻土，均值分别为20.8、17.6、17.55、16.98、16.13 g/kg。
2.2.3土壤有效态养分含量
土壤AK、AP属于有效态养分，对农作物生成、农作物产量和品质有着较大的影响。由图3可知，不同类型土壤AP含量由高到低依次为潮土>石灰土>紫色土>水稻土>黄棕壤，均值分别为20.34、17.71、15.82、13.88、12.95 mg/kg。不同类型土壤AK含量由高到低依次为紫色土>石灰土>黄棕壤>水稻土>潮土，均值分别为224.18、217.88、209.75、205.04、158.53 mg/kg。
图1 不同类型土壤pH值与SOM含量Fig.1 pH and SOM content in different soil types
图2 不同类型土壤全量养分含量Fig.2 Contents of total nutrient in different soil types
图3 不同类型土壤有效态养分含量Fig.3 Contents of available nutrients in different soil types
2.2.4土壤CEC含量
CEC是指土壤胶体所能吸附的各种阳离子的总量，是衡量土壤保肥能力的重要指标。由图4可知，CEC含量分布情况依次为紫色土>石灰土>黄棕壤>水稻土>潮土，均值分别为20.58、19.83、17.94、17.48、12.31 cmol/kg。
图4 不同类型土壤CEC含量Fig.4 Contents of CEC in different soil types
2.3 土壤养分地球化学分级评价
土壤养分地球化学质量是进行耕地管理的基础[20]。参照土壤养分地球化学分级标准(表1)，对研究区耕地土壤的SOM、TN、TP、TK、TS、AK、AP等7个养分指标进行分级评价(表3)。按养分指标来看，土壤中SOM、TN、TS、AK等4个指标的等级为二等，TP、TK、AP等3个指标的等级为三等。由此可见研究区耕地土壤中有机质较丰富，且具有较强的供氮能力和稍弱的供磷、供钾能力，但有效态钾较丰富，说明人为耕作土壤时钾肥投入有盈余，造成钾在土壤中残留积累。
变异系数反映土壤养分指标空间变化程度的高低，变异系数越小，说明含量越均匀。研究区耕地土壤养分指标的变异系数由高到低依次为AP>AK>TS>TP=SOM>TN>TK。变异系数最大的养分指标为AP，为0.92，属强变异型，说明研究区耕地土壤中有效态磷分布极不均匀，可能是由不同地区的农民差异化施用磷肥造成的，这与张涛[21]对江汉平原其他地区的耕地土壤养分含量特征的研究结果相似。AK、TS、TP、SOM、TN和CEC的变异系数差距不大，为0.29～0.41，属相对变异型，说明上述养分指标的分布相对均匀。TK和pH的变异系数为0.15～0.21，属均匀分布型。
3.1 不同类型土壤肥力综合评价
根据荆门市耕地土壤特性，选取SOM、TN、TP、TK、TS、AP、AK等7个养分指标评价土壤综合肥力。KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)检验结果显示，KMO=0.616>0.6；
Bartletr’s球体检验结果显示，Sig.=0.000<0.01，表明原有变量之间具有相关性，适合做因子分析。因子分析结果显示，土壤综合肥力指数前3个主成分特征值均>1，累计贡献率为82.895%，表明这3个主成分已解释全部变量82.895%的信息。因此，选择3个公因子作为指标相对作用和各指标间内在关联性评估的基准(表4)。
土壤肥力水平是诸多肥力指标综合作用的反映，目前有关土壤综合肥力等级的划分标准在国内还没有统一。本文为了避免人为主观的影响，通过提取各指标的公因子方差，将各指标公因子方差的提取值占比作为各肥力指标的权重(ki)，结果如表5所示。土壤综合肥力等级划分采用表2所列的划分标准。
表4 土壤肥力指标主成分的特征值和贡献率Table 4 Characteristic value and contribution rate of principal components soil fertility factors
表5 土壤肥力指标权重Table 5 Index weights of soil fertility factors
根据土壤综合肥力指数计算公式，计算得出荆门市耕地土壤的综合肥力指数(f肥力)为2.87～5.63，均值为4.46，其中紫色土综合肥力指数均值最高，为5.19，其次为石灰土(4.8)，潮土最低(4.29)。耕地土壤综合肥力等级为一—四等，占比分别为3.37%、46.13%、43.10%和7.40%(图5)，其中紫色土综合肥力等级为一—三等，占比分别为27.27%、63.64%和9.09%；
石灰土综合肥力等级为二—三等，占比分别为70.59%和29.41%；
黄棕壤综合肥力等级为一—四等，占比分别为3.77%、54.72%、39.62%和1.89%；
水稻土综合肥力等级为一—四等，占比分别为2.52%、42.77%、44.03%和10.68%；
潮土综合肥力等级为一—四等，占比分别为1.82%、34.55%、56.36%和7.27%。综合肥力评价结果表明，荆门市耕地土壤整体肥力较好，肥力水平由高到低依次为紫色土>石灰土>黄棕壤>水稻土>潮土。
图5 不同类型土壤肥力等级占比Fig.5 The ratio of fertility grade in different soil types
3.2 土壤肥力的影响因素分析
土壤肥力受成土母质、气候、地形、人类活动等因素的影响[22]。研究区土壤pH值从低至高依次为水稻土<黄棕壤<紫色土<石灰土<潮土，这与张元培等[23]对湖北省土壤酸碱度的研究结果相似。SOM含量处于中等水平，潮土SOM含量明显低于其他土壤类型，这可能是由于土壤在干旱条件下，有机质来源减少，且土壤长期处于氧化环境，有机质很难积累，最终导致土壤有机质含量低，这与王振芳[24]研究结果一致。潮土TN、TS和AK含量明显低于其他土壤，TP、TK和AP含量高于其他土壤，这主要是由于受成土母质和人类活动的影响。研究区潮土主要分布于汉江两侧，由汉江冲积形成，土壤质地偏砂质，其物源可能受北大巴山粗面火山岩带及局部的正长斑岩和大巴山—大洪山上震旦统含磷岩系风化物影响，导致TP、TK含量偏高，这与赵宾[25]对汉江平原磷、钾富集研究结果相同；
而AP含量偏高主要是受人为施肥的影响。不同土壤类型的胶体类型和数量不同，其CEC也可能存在不同[26]。潮土CEC含量明显低于其他土壤，说明潮土保肥能力低，原因可归结于其质地偏砂质且矿质胶体数量低于其他土壤，而矿质胶体是土壤阳离子交换量的重要贡献源[27]。
(1) 荆门市耕地土壤pH及养分含量分布特征存在差异，pH、TK变异系数最小，属均匀分布型；
SOM、TN、TP、TS、AK和CEC变异系数中等，属相对分异型；
土壤AP变异系数最大，属强变异型。因人为活动影响，土壤中有效态养分含量差异最大，因此AP和TK变异系数在各养分指标中为最高。
(2) 研究区耕地土壤中SOM、TN、AK、TS含量较丰富，TP、TK、AP含量中等。不同类型土壤的养分指标存在一定差异，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) 研究区耕地土壤综合肥力较高，综合肥力指数为2.87～5.63，肥力处于一—四等，各等级分别占比3.37%、46.13%、43.10%和7.40%。各类型土壤中，紫色土肥力最高，石灰土、黄棕壤、水稻土次之，潮土肥力最低。
(4) 研究区耕地的潮土肥力最低且保肥能力最差，但AP含量相对较高，建议适当增施有机肥和氮钾肥，控制磷肥施用，改善土壤结构。水稻土土壤肥力和保肥能力次之，但AK含量丰富、TN含量较丰富，建议增加磷肥施用，适当控制钾肥。
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