北京市怀柔区耕地土壤养分演变特征研究

王 兰，石建红，孟卫东，张世文，沈 强

(1. 北京市怀柔区农业技术推广站，北京 100000；2. 安徽理工大学地球与环境学院， 安徽 淮南 232001；3. 安徽理工大学测绘学院， 安徽 淮南 232001)

土壤养分是土壤肥力的重要指标，是影响农业生产的主要因素。及时了解耕地土壤养分含量及其变化特征，是确保农作物产量、土壤肥力持续稳定增长的一项基础性工作。土壤养分的高低直接影响农作物的产量与品质，及时查明土壤养分状况，了解土壤养分变化规律对配方施肥、培肥地力和提高土壤肥力，土地资源合理利用和保护都有着重要的意义[1]。

国内外关于土壤肥力的研究已有很多，包括土壤肥力评价，土壤肥力影响因素研究以及土壤肥力变化特征等方面[2-3]。土壤肥力评价方面主要包括评价方法的研究与评价指标的选择，评价方法主要有主成分分析法、聚类分析法、灰色关联模型、模糊综合评价法等[4-7]。土壤肥力的评价指标复杂，包括土壤养分指标、土壤物理性质、土壤化学性质、土壤生物性质以及环境条件等综合性指标[8-9]。大量相关研究表明[10-12]，土壤作为在时间和空间上的连续体，是许多因素相互作用的结果，耕地土壤的肥力质量是自然成土因素与人为活动长期作用的结果。自然成土因素包括成土母质、气候、生物、地形和成土时间等因素；人为活动因素包括土地利用方式、施肥、耕作和其它管理措施，而在众多影响因素中最为重要的就是土壤养分指标，土壤养分指标是反应土壤肥力最为直接的指标因素。

本文通过研究怀柔区连续7年的土壤5种养分监测数据，探究了2011～2017年怀柔区耕地土壤养分变化特征及规律，分析了怀柔区耕地土壤养分指标的时空变化特征。本文对探究北京市怀柔区耕地土壤养分变化规律，提升耕地质量，指导农业生产具有一定的指导和借鉴意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与土壤养分指标的获取

北京市怀柔区位于东经116°17′～116°63′，北纬40°41′～41°4′之间，依据第二次土壤普查时不同亚类及其面积比例情况，2011～2017年在怀柔区14个乡镇连续7年开展了耕地土壤养分监测，按照网格布点与随机抽样的原则，每年采样点数量约420个，样点基本上覆盖了全区各个乡镇、耕地各个具有代表性的地类及土壤类型。所采土样为耕作层农化样，采用对角线和折曲取样法取样，每个样点采500g左右。选择有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾五项常规作为评价土壤养分的指标[13]。土壤有机质检测采用重铬钾容量法；土壤全氮采用凯氏法；碱解氮采用碱解扩散法；土壤有效磷采用钼锑抗比色法；速效钾采用火焰光度法。

1.2 研究方法

在综合权重的评价中，首先通过构建判断矩阵，采用层次分析法来确定指标权重，再采用加权加法模型计算土壤综合养分指数。加权加法模型是目前常用的一种定量综合评价的方法，能够较好的反映土壤质量的变异信息[14-17]。其公式为

式中：I代表点位养分综合指数，Fi为第i个指标评分值，Wi为第i个指标的权重。根据各指标的评分值和指标对应的权重值计算得到养分综合指数，根据土壤综合养分指数将土壤养分划分为“极高、高、中、低和极低”共5个等级。综合指数I：100～95为极高，95～75为高，75～50为中，50～30为低，30～0为极低。

2 结果与分析

耕地土壤肥力的影响因素众多如地形、地貌、土壤质地和施肥方式等都会影响土壤养分指标的变换，本文根据怀柔区土壤特点，分析探究了与土壤肥力变化直接相关的土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾五种指标，评价和分析了怀柔区土壤肥力现状及其演变规律。

2.1 土壤养分参数统计特征及其对比分析

研究区土壤pH值介于4.01～9.38之间，不同地区土壤酸碱性差异性较大。利用SPSS21.1软件，根据采样点7年间5种土壤养分变化情况进行描述性统计，同时对不同年份的指标变化情况进行方差分析(见表1)，其中均值后面的字母表示在0.05水平上具有显著性差异。

表1 耕地土壤养分指标描述性统计

注：均值后面的字母表示在0.05水平上显著性情况，相同字母标记表示组间没有差异，不同字母表示组间具有显著性差异。

土壤5种养分指标总体上均处于中等或中下等水平，但不同地区的差异性较大。土壤有机质标准偏差最大值为8.92，其中2011和2012年有机质变化无明显差异性，2013～2017年无明显差异性；土壤全氮标准偏差最小，最大值为1.19，2011、2016和2017年无明显差异，2012～2015年无明显差异；土壤碱解氮、有效磷和速效钾标准差随着年份的增长变化趋势大致相同，不同年份的含量差异性显著，碱解氮地区间的标准偏差总体上呈下降趋势，有效磷和速效钾的含量则总体上保持稳定。

2.2 耕地土壤养分指标变化分析

根据已有采样点数据分析2011～2017年耕地土壤五种指标含量平均变化情况及其时间变化规律(见图1)。

图1 2011～2017年耕地土壤养分指标变化趋势图

为巩固农业发展的好形式，根据《北京市乡村振兴战略规划》促进农业高质量发展的要求，结合怀柔区土壤特点，采取了调整有机肥无机肥配施比例，扩大秸秆还田面积，进行改土配肥规划等方式，对耕地土壤养分进行了相应的改良。从图1中可以看出，2017年怀柔区耕地土壤有机质平均含量为18.69g/kg，与2016年相比略有提升。有机质总体上呈上升趋势。从2011～2014年逐年增高，2015～2016年有所降低，但降幅不大，2017年土壤有机质较前两年略有增加，这表明怀柔区耕地培肥改良工作取得了一定效果。耕层土壤全氮含量在1.00～1.27g/kg之间波动，呈曲折上升的趋势。2011～2013年逐步降低，2014年骤增，达到七年来最高，为1.27g/kg，2014～2017年呈曲线下降趋势；耕层土壤碱解氮呈波动变化，2011～2014年先增加后下降，2013年为4年最高，2014年最低。2014～2017年呈上升趋势，2017年达到7年间最高值，为106.06mg/kg；2011～2017年有效磷含量总体上呈先下降再增加的趋势，其中2014年土壤有效磷含量最低，为41.72mg/kg，2017年最高，为50.59mg/kg；2011～2017年怀速效钾含量总体呈波动上升趋势，其中2012年土壤速效钾含量最低，为101.69mg/kg，2017年最高，为163mg/kg。

2.3 耕地土壤肥力变化分析

1) 监测点耕层土壤肥力现状。选择土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾、碱解氮为计算指标，计算怀柔区各年份土壤养分综合指数(见表2)，并利用土壤养分综合对土壤肥力进行分极。

2017年怀柔区14个乡镇共布设土壤监测点427个。从各监测指标的加权平均结果看，土壤有机质含量18.7g/kg，全氮含量1.17g/kg，碱解氮含量106.1mg/kg，有效磷含量42.4 mg/kg，速效钾163.4mg/kg，养分综合指数73，属于中等肥力水平。

耕层土壤肥力分级情况为：极高肥力点位41个，占9.6 %，养分综合指数98.8；高肥力点位122个，占28.6 %，养分综合指数85.2；中肥力点位161个，占37.7 %，养分综合指数62.6；低肥力点位96个，占22.5%，养分综合指数41.4；极低肥力点位7个，占1.6 %，养分综合指数25.0。

根据2017年不同种植类型、不同区域统计土壤养分综合指数(见图2)。

表2 2017年监测点耕层土壤养分含量

图2 2017年不同种植类型与不同区域土壤养分综合指数

从图2中可以看出，2017年设施菜田土壤肥力最高，养分综合指数为92；露地菜田土壤次之，养分综合指数为82；果园土壤第三，养分综合指数为72；粮田土壤肥力最低，养分综合指数58。与2016年(设施菜田87，露地菜84，果园67，粮田58)相比，除露地菜外，其他三种种植类型的养分综合指数均有所增加。结合怀柔区地形地貌及农业产业分布，将全区14个镇乡划分为4个区域，即：南部平原区、西部两沟区、中部浅山区和北部深山区。其中怀柔、庙城、北房、杨宋和桥梓五镇为南部平原区；渤海、九渡河两镇是西部两沟区；怀北、雁栖两镇是中部浅山区；北部深山区包括琉璃庙、汤河口、宝山、长哨营、喇叭沟门五镇乡。2017年，浅山区域土壤肥力最高，养分综合指数为84；深山区域土壤次之，养分综合指数为83；平原区域第三，养分综合指数为78；两沟区域土壤肥力最低，养分综合指数65。

利用ArcGIS10.2软件，根据2017年采样点数据，采用克里金法，通过已知数据点的位置计算半变异系数，并使用此变异函数对怀柔区未知区域的土壤养分指标现状进行估算(见图3)。

图3 土壤养分指标现状分布图

可以看出5种指标极值间的差距较大，但空间上变化幅度不大，极值分布区域相对集中，且区域较小。分析可以得出，有机质和全氮在空间上的分布情况大体上相同，中东部地区相对含量较高，除少部分区域外大部分都达到了中等水平以上；碱解氮全区含量偏向于中低水平，仅南部小部分地区存在极值；有效磷在西北部含量较高，南部也有少量极值；速效钾在中部位置整体含量偏低，西北部和东部有小面积且相对集中的极值区域。

可以看出，怀柔区土壤养分指数分布情况较为复杂差异性较大，应结合种植业布局、综合考虑区域特点，将怀柔区农田划分为两个土壤肥力调控区。肥力水平较高、设施菜占比较高的区域统一为控制培肥区，肥力水平较低的区域统一为优化培肥区。在各类项目实施工程及政策制定落实中应充分考虑分区域培肥策略的应用。

2)监测点耕层土壤养分综合指数总体变化趋势。2011～2017年怀柔区耕地肥力监测点的土壤养分综合指数总体上呈增高趋势(见图4)。

图4 2011～2017年平均土壤养分综合指数

土壤养分综合指数由2011年的65提高到2017年的73，总体均处于中等肥力水平。各年份中，2011～2013年土壤养分综合指数均为65，为7年来最低，2016年最高，土壤养分综合指数为74。2011～2017年怀柔区不同种植类型、不同区域耕地土壤肥力监测点的土壤养分综合指数变化趋势如图5所示。

图5 2011～2017年不同种植类型与不同区域土壤养分综合指数变化趋势

不同种植类型土地土壤养分综合指数总体上均呈上升趋势，肥力水平从高到低排序是设施菜、露地菜、果园，粮田，这是因为菜地与果园施肥量高于粮田。设施菜呈阶梯状升高，露地菜较为稳定，果园呈波动趋势，粮田2015年之前稳中有升，近两年呈下降趋势。

各区域七年土壤养分综合指数总体上均呈上升趋势，其中南部平原区与北部深山区上升幅度较小，西部两沟区与中部浅山区上升幅度较大，这是因为南部平原区和北部深山区肥力水平高于西部两沟区和中部浅山区，相同培肥措施下对西部两沟区和中部浅山区土壤肥力的提升效果更明显。

3 结论

(1)2011～2017年，怀柔区耕地质量总体上呈上升趋势，从2011年到2017年，土壤有机质从15.26g/kg提高到18.7g/kg，提升22.54 %，土壤全氮从1.16g/kg提升为1.17g/kg，提升0.86%，碱解氮由85.37mg/kg上升到106.06mg/kg，提升24.24 %，有效磷从35.98mg/kg提高到42.43mg/kg，提升17.93 %，速效钾含量由111.84mg/kg上升为163mg/kg，提升45.74 %，耕地土壤养分综合指数从65提升到73。

(2)不同土地利用类型土壤肥力存在差异，2017年设施菜田土壤肥力最高，养分综合指数为92；露地菜田土壤次之为82；果园为72；粮田最低为58。2011～2017年各土地利用类型土壤养分综合指数总体上均呈上升趋势，七年来肥力水平排序均为设施菜、露地菜、果园，粮田最低，可能原因是受到作物收益的影响，农户一般倾向于对收益水平高的蔬菜作物投入更多的养分资源。

(3)总体上各区域七年土壤养分综合指数均呈上升趋势，其中南部平原区与北部深山区上升幅度较小，西部两沟区与中部浅山区上升幅度较大，2017年监测结果显示，中部浅山区域土壤肥力最高，养分综合指数为84；北部深山区域土壤次之为83；南部平原区域为78；西部两沟区域土壤肥力最低，仅为65。

(4)按照北京市化肥减量要求，根据不同地域土壤肥力及种植作物差别，应继续开展测土配方施肥工作，使之常态化，制度化。特别应重视对粮、菜产业分区区域化肥施用的科学指导和政策引导，借助田间示范、农民田间学校、宣传等多种形式，向农民介绍和推广配方施肥技术、水肥一体化技术、有机肥培肥地力技术，提高科学施肥知识的普及率。