剑河县水田及旱地的土壤肥力特征与评价

黄先飞，王莉霞，龚 宁，曹磊芳，吴先亮，张珍明*

(1.贵州师范大学 贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室，贵州 贵阳 550001；2.贵州师范大学 机械与电气工程学院，贵州 贵安 550025；3.贵州师范大学 生命科学学院，贵州 贵安 550025；4.贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

【研究意义】土壤为植物提供必需的营养及水分，且与社会经济紧密联系[1-2]。土壤的物理、化学和生物等性质影响土壤肥力，其肥力差异的大小与土壤母质、类型及农田的利用与管理方式有关[3]。长期以来，贵州社会经济发展严重滞后，贫困问题特别突出，是全国最贫困的省份之一。其中，省内存在的地理制约因素，如岩溶地貌、水土流失及石漠化等造成生态环境比较脆弱，使得扶贫之路任重而道远。贵州属于亚热带湿润季风气候，物种丰富。深入研究山区土壤肥力，强化绿色作物生产和中药材培育是推进贵州省偏远山区精准扶贫政策的关键环节之一。剑河县药材资源丰富，主要有钩藤、杜仲、厚朴和天麻等药材[4]，但经济发展缓慢。土壤环境对促进农业发展具有重要作用，而农业发展与社会经济发展息息相关，故研究土壤肥力对促进当地经济发展具有重要意义。【前人研究进展】宋刚等[5]研究表明，剑河县土壤的有效硼及有效锰含量较低，可通过施用石灰调节土壤pH和施用硼肥与有机粪肥等对其进行改善。党华美等[6]对贵州省剑河县钩藤基地的土壤主要重金属安全性及钩藤不同部位主要重金属富集情况的调查结果得出，钩藤对土壤重金属Cd有明显的富集作用，Cu在钩藤各个部位吸收迁移能力最强的不同年份土壤重金属含量均在安全范围之内，均未受到污染。李金玲等[7]研究发现，贵州省不同产地钩藤浸出物含量以剑河县最高，表明剑河县钩藤药材品质最好。【本研究切入点】受多指标共同影响，土壤各组分之间的相互作用综合体现土壤的肥力，是指在一定条件下确保植物正常生长发育的能力，但对于不同土壤系统，目前并无统一的标准来确定土壤肥力质量指标，使其成为土壤质量评价的关键问题[8]。改进的内梅罗综合指数法已在土壤肥力的综合评价中得到大量的应用，与传统的内梅罗综合指数法相比较，改进后的内梅罗综合指数法引入权重值概念，在一定程度上消除极大值的影响，能够对土壤肥力进行较为合理的评价[9-10]。【拟解决的关键问题】采用相关分析法、变异系数法计算出的权重值运用到改进内梅罗综合指数法中，对水田及旱地土壤肥力评价，旨在探明剑河县田及旱地土壤肥力特征及含量差异，以期为剑河县及类似地区生产上合理施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于剑河县柳川镇、革东镇和南加镇，处于东经108°17′08″～109°04′12″，北纬26°20′42″～26°55′42″。境内属中亚热带季风气候，为山地性高原，最高海拔1623.3 m，最低海拔348 m。四季分明，冬无严寒，夏无酷署，水热同季，雨量充沛，土壤肥沃，年平均气温16.7 ℃，年平均降雨量1220 mm，年平均日照时数1236.3 h，年无霜期300 d左右。属长江水系，主要河流有清水江、巫密河、八卦河等，水能理论蕴藏量约12.2万kW，可开发水电装机容量约9.15万kW。为农业生产发展提供了得天独厚的地理条件和气候资源优势。

1.2 材料

土壤样品10个，其中水田土样4个(1～4号)，旱地土样6个(5～10号)，于2018年7月采自研究区0～20 cm表层土壤。采用1.0 m×1.0 m的正方形采样方块，去除表层浮土，土样混合均匀后使用梅花法选取1 kg，装入干净样品袋并对其编号，同时采用GPS记录坐标，采样点信息见表1。

表1 土壤样品采集的样点及植被类型信息

1.3 方法

1.3.1 土壤pH及土壤养分主要指标的测定 土壤理化指标主要有有机质、全氮、全磷、速效磷、速效钾和碱解氮等，消解及测定均做空白对照和加标试验，所用烧杯及容量瓶在5 %(v/v)的硝酸溶液中浸泡至少48 h。

参照文献[11]的方法测定土壤pH，参照文献[12-13]的方法测定有机质含量，参照文献[14]的方法测定全氮含量，参照文献[15]的方法测定全磷含量，参照文献[16]的方法测定速效磷含量，参照文献[17]的方法测定速效钾含量，参照文献[18]的方法测定碱解氮含量。各土壤理化指标的回收率均在允许范围内。土壤营养划分参考全国第二次土壤普查分级标准(表2)进行。

表2 全国第2次土壤普查土壤营养划分的分级标准

1.3.2 土壤肥力质量的综合评价 为客观和准确地对土壤肥力进行评价，首先需要确定评价指标[19]。研究采用土壤养分指标(全钾、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、全氮和全磷)等作为评价因子，综合评价剑河县水田及旱地土壤的肥力状况。同时，采用相关分析法、加权平均法和变异系数法相结合，计算土壤肥力因子权重；根据最小因子率理论，采用隶属函数法对实测数据进行标准化。

1.3.3 土壤综合肥力指数的计算 统一量纲，需对数据进行标准化，常见方法有标准差标准化、极差标准化、均值标准化和初值标准化等[20]，但其缺点是可比性较差。因此，研究采用如下隶属度函数计算。

(1)

式中，qi为土壤分肥力系数，ci为各土壤养分指标的实测值，xi为分级指标，土壤属性值的分级标准(xa、xc及xp)参照第二次全国土壤普查标准(表3)及文献[20]。

表3 土壤不同属性的分级标准

1.3.4 土壤肥力因子权重的计算 为避免人为主观因素的影响，研究分别采用相关分析法、加权平均法和变异系数法计算土壤肥力因子的权重。

(1) 相关分析法。相关分析法是研究随机变量之间相互关系规律性的分析方法[21]。计算步骤：计算各单项肥力指标间的相关系数，再计算出各个单项肥力指标与其他肥力指标间相关系数的平均值，单项指标的相关分析法权重系数即为以其平均值占所有肥力指标的相关系数平均值总和之比。

(2) 加权平均法。采用土壤环境中评价因子的实测含量与其相应分级标准的比值计算权重，该方法可在一定程度上反映污染的程度对评价因子的影响。计算公式如下。

(2)

式中，Wi为第i个因子的权重，n为参与评价因子个数，ci为参评因子的实测值，Si为第i个因子对应的各土壤各属性分级标准总和的平均值，即Si=(xa+xc+xp)/3。

(3) 变异系数法。变异系数主要用于衡量资料中各观测值的离散程度[18]。计算步骤：计算出各指标的变异系数，单项肥力指标的权重系数即为某个变异系数占总指标变异系数和之比。

1.3.5 改进的内梅罗综合指数法计算土壤肥力指数 为克服单项指标评价结果的片面性，研究采用改进的内梅罗综合指数法综合评价土壤整体肥力。改进的内梅罗综合指数法可较客观及全面地反映土壤肥力的真实水平。

Pi=qi×Wi×n

(3)

(4)

式中，P为土壤综合肥力指数，Piaver为土壤各单项肥力指标系数的平均值，Pimin为单项肥力系数中最小值，Wi为土壤肥力因子权重值，n为参评因子数。土壤肥力分级标准：很肥沃，P≥2.12；肥沃，1.42

2 结果与分析

2.1 土壤养分的含量及其肥力水平

经测定，剑河县(柳川镇、革东镇与南加镇)水田土壤pH 5.2～5.4，旱地土壤pH 4.4～5.8。从表4可知，水田及旱地土壤的全氮、全钾和全磷等主要养分含量及其肥力水平的变化。全氮：水田和旱地，平均含量分别为3.406和2.801 g/kg，变异系数分别为13.400 %和18.448 %；等级均为1级，肥力水平均为很高。全钾：水田和旱地，平均含量分别为19.121和15.920 g/kg；变异系数分别为49.012 %和41.570 %；等级均为3级，肥力水平均为中上。全磷：水田和旱地，平均含量分别为0.602和0.535 g/kg，变异系数分别为24.118 %和48.765 %；等级分别为3级和4级，肥力水平分别为中上和中下。碱解氮：水田和旱地，平均含量分别为322.896和272.611 mg/kg，变异系数分别为8.247 %和18.392 %；等级均为1级，肥力水平均为很高。速效钾：水田和旱地，平均含量分别为98.758和201.773 mg/kg，变异系数分别为16.349 %和69.596 %；等级均分别为4级和1级，肥力水平分别为中下和很高。有效磷：水田和旱地，平均含量分别为43.879和33.297 mg/kg，变异系数分别为97.443 %和88.704 %；等级分别为1级和2级，肥力水平分别为很高和高。有机质：平均含量分别为28.327和39.425 g/kg，变异系数分别为26.987 %和53.544 %；等级分别为3级和2级，肥力水平分别为中上和高。

表4 水田及旱地表层土壤主要养分的含量及其水平

2.2 不同种植物旱地土壤各样点的养分含量

从表5可知，5号样点、6号样点、7号样点、8号样点、9号样点和10号样点的种植物分别为李树(杂草)、梨树(杂草)、辣椒、辣椒/西红柿/白菜、红薯(杂草)和辣椒，各样点土壤全氮、碱解氮、全磷和有效磷等养分含量的变化。全氮：7号样点最高，为3.621 g/kg；6号样点其次，为3.172 g/kg；5号样点最低，为2.317 g/kg。碱解氮：10号样点最高，为314.407 mg/kg；5号样点其次，为310.364 mg/kg；9号样点最低，为206.951 mg/kg。全磷：5号样点最高，为0.889 g/kg；7号样点其次，为0.719 g/kg；10号样点最低，为0.199 g/kg。有效磷：5号样点最高，为92.549 mg/kg；8号样点其次，为31.890 mg/kg；9号样点最低，为16.109 mg/kg。全钾：7号样点最高，为22.512 g/kg；8号样点其次，为18.884 g/kg；10号样点最低，为3.409 g/kg。速效钾：5号样点最高，为466.290 mg/kg；9号样点其次，为211.520 mg/kg；6号样点最低，为88.001 mg/kg。有机质：6号样点最高，为71.532 g/kg；7号样点其次，为59.779 g/kg；5号样点最低，为22.542 g/kg。总体看，不同样点间全磷及速效钾含量波动较大，有机质含量则波动不大；所有样点碱解氮含量均很高。

表5 不同作物旱地土壤各样点的养分含量

2.3 土壤肥力因子的权重系数

从表6可见，不同计算方法水田及旱地土壤肥力因子的权重系数存在差异。变异系数法：水田的有效磷和全钾权重系数较大，分别为0.4137和0.2081；旱地的有效磷和速效钾权重系数较大，分别为0.2616和0.2053。相关系数法：水田的全钾和有机质权重系数较大，分别为0.1934和0.2782；旱地的有效磷和全钾权重系数较大，分别为0.2358和0.2521。加权平均法：水田及旱地均是全氮、碱解氮和有效磷的权重系数较大，分别为0.2207、0.2267、0.2641和0.1901、0.2005、0.2099。从3种方法权重系数的平均值看，水田及旱地均是有效磷的权重系数最大，分别为0.2710和0.2358；水田的有机质和旱地速效钾其次，分别为0.1641和0.1621；水田的全磷和旱地的全氮权重系数最小，分别为0.0551和0.0937。

表6 3种方法土壤肥力因子的权重系数

2.4 土壤肥力评价

从表7看出，未加权和改进的内梅罗方法加权后的土壤肥力指数变化。未加权：水田及旱地的土壤肥力指数分别为1.52和1.62。加权后的变异系数法、相关性系数法和加权平均法：水田及旱地的土壤肥力指数分别为1.58和1.63、1.48和1.50、1.66和1.74，3种加权法水田及旱地的平均土壤肥力指数分别为1.52和1.63。均值与未加权的土壤综合肥力指数相差不大，且3种加权方法的土壤综合肥力指数也相差不大。根据土壤肥力分级标准，水田土壤和旱地土壤综合肥力均为肥沃水平。

表7 水田及旱地土壤的综合肥力指数

3 讨 论

研究结果表明，水田土壤的速效钾及旱地土壤的全磷水平较低，其余养分指标均为中上、高及很高水平，水田及旱地土壤的肥力状况良好。但水田及旱地土壤的全氮含量较高，水田土壤可能与人为施肥有关，旱地土壤人为干扰较少，可能是与氮素循环过程中的大气沉降、植物落叶及土壤中固氮微生物等因素有关[23]。水田及旱地土壤的碱解氮含量远超出最高标准值，土壤中氮含量丰富，尤其是农田种植水稻时，全氮含量过高使得水稻易伏倒和产生虫害，建议减少水田对氮肥的施用，以降低土壤中全氮含量。水田及旱地土壤全磷与有效磷含量差异不明显，可通过混合施用速效磷肥与有机肥料提高磷肥的肥效，减少磷与土壤的接触面。水田及旱地土壤全钾与速效钾含量差异不大，但水田土壤速效钾含量较低，速效钾易被作物吸收利用，水田土壤速效钾含量较低不利于水稻的生长。可能原因：中国最贫钾的土壤之一即为贵州黄壤或者黄壤与石灰性混合土壤[24]，土壤闭结，加上农田种植作物需钾量大，会发生土壤供钾能力严重不足的现象，可通过补充含钾素的有机肥料改善。水田及旱地土壤有机质含量适中，有机质可改善土壤物理性质，改变土壤孔隙度，提高土壤蓄水能力，其具有络合作用，有助于消除土壤的污染。水田土壤有机质含量低于旱地，可能与旱地土壤受人为影响较小及土壤中腐殖质较高有关。

研究结果表明，7号样点全氮和全钾含量最高，有机质含量较高，10号样点碱解氮含量最高，这2个样点号点主要种植辣椒。罗意等[25]对贵州百宜镇辣椒产地土壤养分状况评价与分析发现，有机质含量整体处于中等偏高水平，全氮整体丰富，全磷处于中等水平，全钾中等偏低，碱解氮丰富，有效磷中等偏上，土壤速效钾普遍缺乏。与该研究结果一致，可能是由于在生长发育阶段，辣椒需求的氮、磷和钾元素较多有关，缺氮时导致植株矮小，叶片和果实小。

采用变异系数法、相关性系数法及加权平均法研究影响土壤肥力的各项指标权重计算结果的不同，使得计算出的土壤肥力因子结果不同。若多重共线性存在于选定指标中会产生多余的计算量和分析量，从而影响评价结论的客观性，为避免这一问题，可对选取的指标采用独立性方式分析[26]。因此，采用上述3种方法计算肥力单因子权重值的算术平均值作为土壤肥力综合指数计算的权重，可一定程度上排除了人为干扰。根据算数平均值计算得出的土壤肥力因子权重可得出对水田及旱地土壤综合肥力指数贡献较大的因子为土壤有效磷。结果表明，土壤有效磷是水田及旱地土壤主要的肥力指标，其含量高低直接影响其综合肥力指数。有效磷是土壤中可被植物吸收的磷组分[27]，可根据实际情况对土壤有效磷进行调控，如通过调节土壤酸碱度来增加土壤磷的有效性。一般来说，土壤中有机质含量较高，说明土壤固磷作用较弱。原因：有机阴离子与磷酸根竞争固相表面专性吸附点位，从而减少土壤对磷的吸附；有机物分解产生的有机酸和其他螯合剂，将部分固定态磷释放为可溶态；腐殖质可在铁、铝氧化物等胶体表面形成保护膜，减少对磷酸根的吸附[28]。

利用改进的内梅罗综合评价法加入的权重值对水田及旱地土壤肥力进行评价，其土壤肥力均处于肥沃水平，评价结果与全国第二次土壤普查分级标准相比较基本一致。采用算术均数赋值法将相关分析法、加权平均法和变异系数法相结合，计算土壤肥力因子的权重，3种评价方法相互补充，使结果更加客观、合理。许多学者已提出多种关于土壤质量评价方法，主要有土壤质量综合评分法[29]、土壤质量动力学方法和土壤质量多变量指标方法等[30]，但不管采用哪种评价方法，需确定有效、可靠、敏感、可重复及可接受的指标，以确保得出客观的评价结果。研究中考虑了评价指标权重、指标隶属度值和指标之间的交互作用对土壤肥力的共同影响，建立土壤肥力评价模型，并采用相关分析法、加权平均法和变异系数法对水田及旱地土壤土壤肥力进行综合评价，评价结果能够客观准确地反映水田土壤及旱地土壤的肥力状况，研究探明了解剑河县水田及旱地土壤的肥力状况，可为建立土壤质量评价标准及土壤可持续利用提供参考依据，但不同方法对3种权重的差异性和适用性仍待进一步深入研究。

4 结 论

剑河县(柳川镇、革东镇与南加镇)水田及旱地土壤肥力均为肥沃水平，有效磷是影响水田及旱地土壤肥力的主要因素；水田及旱地土壤的氮含量均较高，可满足农作物生产需求，生产上应减少氮肥的施用量；水田土壤的钾含量较低，应采取相应施肥措施提高水田土壤的钾素供应水平。