鄂尔多斯高原西部土壤地力评价及其养分因子相关性分析研究——以鄂托克旗为例

高凌智，李 彬，，3，马金慧，黄 斌，窦 旭

（1.内蒙古自治区农牧业科学院资源环境与检测技术研究所，内蒙古呼和浩特 010010；2.内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，内蒙古呼和浩特 010018；3.高效节水技术装备与水土环境效应内蒙古自治区工程研究中心，内蒙古 呼和浩特 010018；4.内蒙古民族大学 农学院，内蒙古 通辽 028043；5.内蒙古鄂托克旗农业技术推广站，内蒙古 鄂托克旗 016100）

鄂尔多斯高原位于黄河河套以南，长城以北，包括陕西榆林地区北部、内蒙古自治区鄂尔多斯市东南部和宁夏回族自治区河东地区的一部分［1］。鄂尔多斯高原是一个构造隆起剥蚀的地貌区，由于长期干燥剥蚀，使地面除广泛露出白垩纪砂岩外，第四季的风化残积、湖积、风积、风积物分布很广［2］。土壤是一种具有复杂形态和演化过程的自然复合体。造成土壤具有较强的复杂性和时空变异性的主要因素是气候、地形、成土时间和母质等［3］。生态系统的重要组成部分以及土壤肥力的重要指标就是土壤养分。土壤养分是植物生长发育的基石，是衡量土地生产力的重要指标，也是评价土壤质量的决定性因素［4-5］。衡量土壤肥力和决定农作物生长发育的关键指标就是土壤养分的丰缺程度和存在形式。受土壤自身结构以及外在因素的影响，土壤养分有较高的空间变异性［6-7］。了解土壤分布规律、含量及其相关性评价，是土地利用价值的关键［8］，对于实现土壤养分的精准管理和土地肥力的提升具有重要意义。

近年来，国内外许多学者对土壤养分进行了大量研究，TESFAHUNEGN等［9］利用地统计学方法研究土壤的空间变异性，为合理地管理和利用土壤资源提供了有效的方法。梁斌等［10］研究了北京山区土壤养分特征，结果发现适当地增加钾肥、氮肥和磷肥的施用量可以避免山区土壤的土壤盐渍化和沙化，还可以提高土壤养分的利用效率以及改善作物的生长状况。林建平等［11］研究了南方山区不同高程耕地的土壤养分特征，研究结果可以显示出南方山区耕地土壤养分的垂直变化特征。目前，关于鄂尔多斯土壤养分研究［12-15］相对较少，还有待进一步深入。

通过野外采集土样和调研，分析鄂尔多斯市鄂托克旗土壤pH值、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量、分布特征及其相关性，旨在为当地土壤养分调控与精确管理提供理论参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况 试验于2009—2011年在鄂尔多斯市鄂托克旗（东经106°55′12″～108°25′12″，北纬38°16′48″～40°11′24″，海拔1 017.97～1 019.95 m）进行，该地区是典型的温带大陆性季风气候，冬季漫长且寒冷，夏季短促且炎热，寒暑变化大，风多雨少，气候干燥，蒸发强烈，日照时数长，昼夜温差大。年日照时数3 000 h，平均海拔1 800 m，年平均气温6.4℃，年降水量为250 mm，年蒸发量3 000 mm，降水主要集中在7—9月份，无霜期122 d，有干旱和风沙危害。

1.2 实验设计与数据采集 根据鄂托克旗的耕地面积、土壤类型和农业生产水平等情况，将大田采样点的密度定为5～7 hm2布设1个点位，在全旗1.9万hm2的耕地上共布设大田采样点2 962个。利用手持全球定位系统GPS定位仪确定实地经纬度。根据取样地块的大小分别采用对角线法、蛇形法和棋盘式法进行采样，每个采样点采取20个样点，每个样点取0～20 cm耕层土样，混合均匀后利用四分法称取1 kg土样进行装袋测定。

1.3 土壤指标测定方法 本研究主要的测试指标为土壤的pH值、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量，具体测试方法见表1。

表1 土壤指标测试方法Tab.1 Test method of soil index

1.4 数据处理 采用Excel整理数据与制图，利用SPSS17.0软件进行统计分析与Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 鄂托克旗不同乡镇土壤肥力含量 土壤中pH值、有机质、全氮、碱解氮、有效磷及速效钾含量反映了土壤的肥力状况。鄂托克旗6个乡镇土壤肥力含量见表2。鄂托克旗6个乡镇土壤中，蒙西镇pH值最低，为8.63。阿尔巴斯苏木、木肯淖尔镇、棋盘井镇、乌兰镇、苏米图苏木分别比蒙西镇高0.11、0.15、0.09、0.11、0.10个单位，均属于碱性土地，且碱性相对较强。苏米图苏木的有机质和有效磷含量均最高，分别为6.19 g·kg-1、9.53 mg·kg-1，有机质含量分别较阿尔巴斯苏木、木肯淖尔镇、蒙西镇、棋盘井镇、乌兰镇高26.84%、41.00%、34.86%、22.33%、10.34%，有效磷含量较阿尔巴斯苏木、木肯淖尔镇、蒙西镇、棋盘井镇、乌兰镇高20.48%、27.07%、51.27%、53.46%、18.98%。因为当地主要以牧业为主，牧草残落以及根茬、牲畜排泄物较多，导致土壤中有机质含量相对较多，从而土壤的固磷效果较弱，提高了磷的有效性，因此，土壤中有效磷含量也相对较多。蒙西镇土壤中的全氮和碱解氮含量相对较多，分别为0.46 g·kg-1、34.34 mg·kg-1，该地区土壤质地较好，主要以壤土为主，含有少量粘壤土，对养分保存效果较好，并且养分含量较高，生产潜力高，经过改造可发展成高产稳产田。土壤速效钾含量从大到小依次为乌兰镇、阿尔巴斯苏木、蒙西镇、木肯淖尔镇、棋盘井镇、苏米图苏木，范围为118.09～144.65 mg·kg-1。

表2 鄂托克旗不同乡镇土壤肥力含量Tab.2 Soil fertility content in different townships in Etuoke Banner

2.2 鄂托克旗土壤地力等级评价 按照“第二次土壤普查养分分级标准”（表3）［16］对土壤中有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾进行等级评价。土壤养分登记统计情况见图1。由图1（a）、图1（b）、图1（c）可知，区域内土壤有机质、全氮、碱解氮3种土壤养分含量大多处于极缺乏状态（六级），采样点3种养分中极缺乏等级的土壤面积分别占总面积的62.86%、83.76%和71.67%。图1（d）为土壤有效磷等级评价情况，很丰富、丰富和中等等级的土壤面积分别占总面积的0.57%、3.88%和17.62%，5～10 mg·kg-1（缺乏）面积占区域总面积最大，为35.58%，很缺乏和极缺乏等级的土壤面积分别占总面积的18.30%、24.04%。有效磷含量等级较有机质、全氮、碱解氮相对较高，但仍比较缺乏。由图1（e）可知，速效钾含量在中等（100～150 mg·kg-1）水平面积最大，占总面积的37.37%，丰富（150～200 mg·kg-1）和缺乏（50～100 mg·kg-1）水平所占面积也相对较大，分别为24.24%、27.35%。土壤中速效钾含量相对较丰富可能是由于自然情况下，土壤钾素基本全部由母质风化而来，需要增加当地化肥及农家肥用量来增加土壤中有机质、全氮、碱解氮、有效磷含量。

表3 第二次土壤普查养分分级标准Tab.3 Nutrient classification standard of the second soil census

图1 土壤养分等级统计图Fig.1 Statistical diagram of soil nutrient grades

2.3 鄂托克旗土壤pH值与各养分含量统计分析 表4为表层土壤（0～20 cm）pH值和养分统计分析特征，pH平均值为8.73，碱性相对较强，严重影响当地农业发展，在后续试验中应适当降低pH值。土壤有机质平均值为5.00 g·kg-1，全氮平均值分别为0.36 g·kg-1，碱解氮平均值为24.85 mg·kg-1，有效磷平均值为7.41 mg·kg-1，速效钾平均值为129.87 mg·kg-1，土壤含量较为缺乏，土地比较贫瘠。

土壤养分变异系数（Cv）直接反映土壤养分的空间变异性，其变异性分为3个等级，即变异系数Cv小于10%时为弱变异性，介于10%～100%时为中等变异性，大于100%时为强变异性［17］。从土壤养分的变异系数来看，土壤pH值变异系数为2.864%，小于10%，属于弱变异性。有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾变异系数均介于10%～100%之间，属于中等变异性，其中，有效磷和碱解氮变异性相对较大，变异系数分别为91.903%和72.354%，有机质、全氮、速效钾变异性相对较小，分别为49.800%、38.889%、37.915%（表4）。采用K-S法对4种土壤养分数据进行非参数检验，在5%的检验水平下，结果均符合正态分布，满足地统计学研究要求。

表4 土壤pH值与各养分含量统计特征Tab.4 Statistical characteristics of soil pH value and nutrient contents

2.4 相关性分析 采用Pearson法对研究区域土壤pH值、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾因子进行相关性分析，使用K-S检验方法对土壤微量元素及土壤理化因子进行非参数检验，相关性分析结果见表5。分析结果表明，土壤pH值与除速效钾外的其他土壤养分含量均有较强的相关性。其中：有机质、全氮、碱解氮含量与pH值呈极显著负相关（P＜0.01），pH值越低，有机质、全氮、碱解氮含量越高；有效磷含量与pH值呈显著正相关（P＜0.05），pH值越低，有效磷含量也越低；速效钾含量与pH值无显著相关关系。有机质与全氮、碱解氮、有效磷、速效钾4种养分均呈现极显著正相关关系（P＜0.01）。全氮和碱解氮与有效磷无显著相关关系。

表5 土壤pH值与各养分含量相关系数Tab.5 Correlation coefficient between soil pH value and nutrient contents

对土壤pH值与土壤各养分含量进行了逐步回归分析（表6），有机质、全氮、碱解氮的回归模型显著水平达到P＜0.01，方程中有机质、全氮、碱解氮回归系数均为负值。

表6 土壤pH值与养分含量线性回归方程Tab.6 Linear regression equation of soil pH value and nutrient contents

3 讨论与结论

了解土壤养分分布特征及其等级分布，对于土地的合理规划、养分调控以及科学施肥，提高肥料利用效率，进而提高粮食产量具有科学合理的指导意义。试验区土壤偏碱性，pH值为7.20～9.90，且碱性相对较强，不同植物对于阴离子（NO3-、SO42-、PO43-）和阳离子（K+、NH4+、Ca2+、Mg2+）养分元素的需求并不均衡，当植物吸收的阴离子较多时其根系就会分泌出更多的碱性离子来维持电荷平衡，进而导致土壤碱性增强［18］。本研究中，土壤有机质平均值为5.00 g·kg-1（六级），全氮平均值为0.36 g·kg-1（六级），碱解氮平均值为24.85 mg·kg-1（六级），有效磷平均值为7.41 mg·kg-1（缺乏），速效钾平均值为129.87 mg·kg-1（中等），土壤养分含量较为缺乏，土地比较贫瘠。建议当地在种植农作物时适当增加农家肥、氮肥和磷肥的用量，减少钾肥的用量以达到土壤中养分含量的平衡，更利于作物的生长发育。

土壤养分变异系数（Cv）直接反映土壤养分的空间变异性，试验区土壤pH值变异系数为2.864%，小于10%，属于弱变异性。有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾的变异系数均在10%～100%之间，属中等变异性，其中，有效磷和碱解氮的变异系数分别为91.903%和72.354%，变异性较大，有机质、全氮、速效钾变异性相对较小，分别为49.800%、38.889%、37.915%。土壤钾素基本全部由母质风化而来，需要增加当地化肥及农家肥用量来增加土壤中有机质、全氮、碱解氮和有效磷含量以达到土壤养分含量平衡，提高作物的优质高产。

pH值对土壤中养分含量有较大影响，同时，土壤pH变化是一个相对较慢的过程，但由于现代化工业和农业措施的影响，各地土壤pH有了一定变化［18-19］。土壤有机质含量是衡量土壤肥力的重要指标之一，其含量与土壤的肥力保持、水分保持和酸碱缓冲作用有关，它可以改善土壤的物理性质，在潮湿和低温环境条件下更有利于有机物的积累，而在高温和干旱环境条件下有助于有机质的矿化。人类活动（耕作、施肥、灌溉）直接影响土壤中氮素的循环和积累［20］，土壤中微生物区系受pH值控制和影响，pH值的大小会影响绝大多数营养元素的转化方向、过程、形态和有效性［21］。本研究结果表明，土壤pH值与有机质、全氮、碱解氮呈现极显著负相关关系（P＜0.01），表明该地区土壤pH值与土壤养分含量有密切关系，能显著影响土壤有机质、全氮含量和碱解氮含量。鄂托克旗属于典型的牧区生态环境，气候变化对其植被生长和土壤环境影响也较为严重，在后续试验中，应该增加不同时段对植被和土壤的影响以及对牧草产量的研究，为牧区生态环境可持续发展提供理论依据。