砂姜黑土区花生田种植前后土壤肥力空间变异特征分析及评价

索炎炎 张 翔 司贤宗 余 琼 李 亮 余 辉

(1河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450000；2正阳县花生研究所，河南 正阳 463600)

土壤是一个不均一变化的连续体，受气候、生物、母质、地形等自然因素和人为活动的影响，具有较高的时空变异性[1-2]。同一时期，即使土壤类型和质地相同的土壤也存在明显的空间变异[3-4]。土壤养分是植物生长发育所必需的营养元素，是土壤肥力的物质基础，了解土壤肥力尤其是土壤养分的空间变异特征，可有效揭示土壤养分空间分布状况，为土壤养分分区管理和精准施肥提供基本依据。

地理信息系统(geographic information system，GIS)和地统计学技术相结合是研究土壤空间异质性最有效的方法之一。近几年，国内外学者采用该方法对土壤的空间异质性特征进行了大量研究，如徐新朋等[5]应用GIS 和地统计学技术研究了吉林省玉米种植区土壤养分空间变异特征；杨之江等[3]基于该方法研究了湖南省长沙县北山镇稻田土壤养分与重金属的空间分布特征；Zhu 等[6]运用该方法对水稻-小麦轮作农田土壤氮素的时空变异进行了研究。前人开展的多为单项土壤因子的空间分布特征研究，但土壤肥力是多种物理、化学和生物因子的综合反映[7-8]，单个肥力指标不能代表土壤肥力水平，更不能以此作为制定调节土壤肥力综合措施的依据。因此，需要对土壤肥力进行综合评价。

模糊隶属度函数是重要的统计和评价方法[9-11]，国内外学者利用该方法开展了大量土壤肥力的量化综合评价研究，如Bijanzadeh 等[12]利用隶属度函数法研究了伊朗设拉子东部麦田肥力水平及其与土壤盐分的关系；李强等[13]和吕小娜等[14]采用GIS 和模糊数学相结合的方法，对植烟土壤的肥力空间变异进行了分析与综合评价；徐志超等[15]基于GIS 和土壤采样数据，利用隶属度函数法评价并分析了长三角典型区占补耕地的土壤肥力状况及其空间特征。但是，土壤肥力综合指标的空间分布特征在作物种植前后的变化研究鲜有报道。

花生(Arachis hypogaeaL.)是我国重要的油料作物，种植面积达461.97 万hm2，年产超过1 733 万t，总产居全国油料作物之首，2018年河南省花生种植面积达120.32 万hm2，已经成为河南省第三大作物，总产和单产均居全国首位[16]。砂姜黑土是黄淮海平原的主要耕作土壤类型之一，也是河南省花生种植区的主要土壤类型。本研究以河南省正阳县为研究区域，利用GIS 和地统计学相结合的方法，对该区花生种植前和成熟期土壤养分状况及其空间变异特征进行分析，并采用模糊数学的隶属度函数法对该区土壤肥力水平进行量化综合评价，以明确花生生产中的施肥状况，旨在为该地区花生优质高产的合理施肥和培肥地力提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区设置在河南省驻马店正阳县河南省南部，位于(32°16′～32°47′N，114°12′～114°53′E)，南邻淮河，属大陆性湿润季风气候，年均降雨量938 mm，年平均气温15℃，四季分明，气候温和，适合多种农作物生长。该研究区花生种植面积超过11.34万hm2，占全县总耕地面积的74%，每年6—10月为花生生育期，花生生育期内平均气温和总积温分别为25.36℃和3 220.63℃；花生生育期内降水量为538.44 mm。该研究区土壤类型以砂姜黑土为主，花生种植方式为起垄种植，种植花生品种主要为远杂9102。研究区种植方式主要为小麦-花生两熟制，根据调查发现当地农民的耕作管理方式、周年施肥习惯等基本一致。

1.2 土壤样品采集

于2017年5月22 —26日(花生种植前)和9月12—15日(花生成熟期)，在前茬为小麦后季种植花生的同一田块采集土壤。田间取样时，进行GPS 定位，记录采样点的经纬度，为保证样品的代表性，在定位的田块地里采用“S”法采集0～20 cm 的耕层土壤样品10～15 个，制成1 个混合土样，四分法保留1 kg，风干后，过20 目和100 目筛，备用。花生种植前和收获后均定位采集48 个土壤样品，最终获得96 个土壤样品。根据花生种植面积，每个种植花生的乡镇均设有采样点，土壤采样点分布见图1。

1.3 测定项目与方法

参照文献[17]测定土壤pH 值以及有机质、全氮、有效磷、速效钾、有效硫、有效铁、有效锌含量。其中pH 值采用FE20-K pH 计(梅特勒-托利多仪器，上海)测定(水∶土=2.5∶1)；有机质含量采用重铬酸钾容量法测定；全氮含量利用2300 全自动凯氏定氮仪(Foss公司，瑞典)测定；有效磷含量采用钼锑抗显色法测定；速效钾含量利用FP6410 火焰光度计(上海欣益仪器仪表有限公司)测定；有效硫含量采用硫酸钡比浊法测定；有效铁和有效锌含量采用二乙烯三胺五乙酸(diethylene triamine pentaacetic acid，DTPA)溶液浸提，利用HitachiZ-2000 原子吸收分光光度计(北京天美科学仪器有限公司)测定。

1.4 土壤肥力综合评价方法

本研究采用模糊数学隶属度函数模型进行土壤肥力评价。由于评价因素指标之间缺乏可比性，因此在评价土壤肥力之前先利用隶属度函数将各评价指标进行归一化处理。常用的隶属函数主要有S 型隶属函数和抛物线型隶属函数，分别见公式(1)和公式(2)[18]:

根据前人研究成果[15，18-19]，结合研究区土壤中养分的实际情况，土壤养分指标中有机质含量、全氮含量、有效磷含量、速效钾含量、有效硫含量、有效铁含量、有效锌含量隶属度函数采用S 型隶属函数，pH 值采用抛物线型隶属度函数。土壤肥力各评价指标的隶属度函数及阈值见表1。

采用相关系数法确定评价因子权重系数[20]。首先计算单项评价指标之间的相关系数，然后计算某一评价指标与其他指标之间相关系数的平均值，用该平均值与所有评价指标相关系数平均值总和的比值，作为该评价指标的权重。

表1 土壤肥力评价指标隶属度函数类型及阈值Table 1 Membership function types and related parameters of soil fertility index

根据模糊数学中的加成法原则，用公式(3)计算土壤肥力综合评价指数(integrated fertility index，IFI):

式中，Wi和Ni分别表示第i个指标的权重值和隶属度值。

1.5 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2013 进行数据处理。异常值识别采用样本平均值±3 倍标准差法，大于平均值＋3倍标准差和小于平均值-3 倍标准差的异常值分别用数据正常值的最大值、最小值进行替换处理。采用软件SPSS 16.0 对数据进行描述性分析，采用软件GS＋7.0 进行半方差函数计算和理论模型拟合，并利用软件ArcGIS 10.2.2 地统计模块的普通克里格(Kriging)插值方法，绘制土壤综合肥力指标的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 土壤养分含量描述性统计分析

由表2可知，花生种植前土壤pH 值范围为4.73～6.22，平均值5.34，呈酸性；有机质、全氮、有效磷、速效钾、有效硫、有效铁和有效锌含量范围分别为12.80 mg·kg-1～24.16 g·kg-1、0.83～1.71 g·kg-1、11.52～127.81 mg·kg-1、73.01～236.00 mg·kg-1、19.60～161.00 mg·kg-1、73.10～344.00 mg·kg-1和0.51～1.33 mg·kg-1，平均值分别为17.15 g·kg-1、1.18 g·kg-1、53.89 mg·kg-1、125.13 mg·kg-1、74.33 mg·kg-1、178.00 mg·kg-1和0.78 mg·kg-1。花生成熟期土壤pH值范围为4.84～6.12，平均值5.31，也呈酸性；有机质、全氮、有效磷、速效钾、有效硫、有效铁和有效锌含量范围分别为12.30～24.16 g·kg-1和0.89～1.66 g·kg-1、15.60～137.40 mg·kg-1、62.04～218.00 mg·kg-1、35.30～121.10 mg·kg-1、105.00～329.00 mg·kg-1和0.51～1.47 mg·kg-1，平均值分别为17.23 g·kg-1、1.30 g·kg-1、62.71 mg·kg-1、128.23 mg·kg-1、65.89 mg·kg-1、190.22 mg·kg-1和0.85 mg·kg-1。与种植前相比，花生成熟期土壤全氮、有效磷、有效铁和有效锌含量明显增加，增幅分别为10.17%、16.37%、6.87%和8.97%，有机质和速效钾含量也有所升高，但增幅较小，而土壤有效硫含量则出现明显下降，土壤pH 值也有所降低。

根据全国第二次土壤普查养分分级标准[21](表3)可知，试验区土壤pH 值呈酸性，有效磷、有效硫和有效铁含量属于一级水平，全氮和速效钾含量属于三级水平，有机质和有效锌含量属于四级水平。从变异系数来看，花生种植前和成熟期土壤各养分各指标变异系数变化不大，花生种植前和成熟期土壤pH 值变异系数分别为6.18%和6.36%，属弱变异；其余养分指标均呈中等强度变异，其中花生种植前和成熟期有效磷的变异系数最大，分别为40.55%和44.94%，而有机质的变异系数最小，分别为12.71%和12.58%。

表2 花生种植前和成熟期土壤pH 值和养分含量描述性统计Table 2 Descriptive statistics of soil pH value and nutrient contents at pre-planting and maturity of peanut

表3 土壤养分及pH 值分级标准Table 3 Classification criterions for soil nutrients and pH value

2.2 花生种植前和成熟期土壤养分状况综合评价

2.2.1 指标权重值的确定 土壤肥力评价指标的相关系数平均值及权重见表4。不同土壤肥力评价指标对土壤肥力的贡献存在差异，其中有机质含量的权重最大，为0.216，说明有机质含量在决定土壤肥力质量变化中起最主要作用；速效钾含量、全氮含量、有效磷含量的权重居中，分别为0.181、0.163 和0.164，pH值、有效锌含量、有效硫含量和有效铁含量的权重较小，分别为0.104、0.075、0.065 和0.033，说明这几个指标对土壤肥力的贡献较小。

2.2.2 花生田土壤肥力综合评价指标的描述性分析 土壤肥力综合评价指数的取值范围为0～1，值越接近1，土壤肥力水平越高[20]。由图2-A 可知，花生种植前和成熟期土壤肥力综合指数(IFI)多集中于0.58～0.72 之间，土壤肥力属于中等偏上水平。花生种植前土壤IFI 介于0.44～0.83 之间，平均值为0.64；花生成熟期土壤IFI 介于0.42～0.83 之间，平均值为0.66。可见，花生成熟期土壤肥力综合指标的平均值略高于花生种植前。

表4 土壤肥力评价指标相关系数平均值及权重Table 4 Mean of correlation coefficients and the weight of soil fertility indices

2.2.3 花生田土壤肥力综合评价指标的计算及等级划分 采用累积曲线法[15，22]对正阳县花生田土壤肥力进行等级划分。为使研究结果具有可比性，本研究对花生种植前和成熟期的IFI 采用统一的划分标准，具体是将花生种植前和成熟期的值合并在一起，绘制累积分布图(图2-B)，然后根据累积曲线的突变点划分IFI 的分界点，最终将研究区花生田土壤肥力划分为4 个等级(表5)。

表5 研究区土壤肥力等级划分Table 5 Grades of soil integrated fertility index of study area

2.2.4 花生田土壤肥力综合评价指标的半方差分析 半方差分析结果如表6所示，花生种植前IFI 的最佳拟合模型为球状模型，拟合的决定系数为0.674；花生成熟期IFI 的最佳拟合模型为高斯模型，拟合的决定系数为0.718，拟合效果优于花生种植前IFI。块金效应为块金值/基台值，即C0/(C＋C0)表示随机部分引起的空间变异占总变异的比例。花生种植前和成熟期C0/(C＋C0)分别为17.09%和55.92%，说明花生成熟期土壤肥力空间分布比种植前受随机因素(如施肥、耕作管理等人为因素)的影响大。

2.3 花生田土壤肥力综合评价指标的空间分布特征

花生种植前和成熟期土壤肥力综合评价指标(IFI)的空间分布特征如图3所示，根据累积曲线获取的分级标准，利用ArcGIS 10.2.2 软件中空间分析(Spatial analyst)模块进行不同土壤肥力等级的面积分析，发现在花生种植前，土壤肥力为Ⅰ级(＜0.52)的土壤稀少，仅出现在汝南埠镇；正阳县大部分区域土壤肥力为Ⅱ级水平(0.52＜IFI＜0.67)，占正阳县面积的84.22%；皮店乡、陡沟镇和彭桥乡及兰青乡东南部花生田的土壤肥力为Ⅲ级水平(0.67＜IFI＜0.78)，占正阳县面积的15.76%；未发现土壤肥力为Ⅳ级(＞0.78)的土壤。与花生种植前相比，花生成熟期正阳县土壤肥力为Ⅱ级的土壤面积缩小，土壤肥力为Ⅲ级的土壤面积增大，分别占正阳县面积的43.73%和56.10%；土壤肥力为Ⅰ级的土壤零星分布于王勿桥乡和袁寨乡；土壤肥力为Ⅳ级的土壤零星分布于陡沟镇和慎水乡。总之，成熟期花生田土壤肥力水平总体有所提高，且呈现出由南向北推移的现象。

表6 花生种植前和成熟期土壤肥力综合指标的半方差函数理论模型及其相关参数Table 6 Semi-variogram models of soil integrated fertility index and their parameters

3 讨论

根据全国第二次土壤普查养分分级标准[21]，正阳县花生田土壤有机质含量属于中等偏下水平，有效磷、有效硫和有效铁含量属于丰富水平，全氮和速效钾含量属于中等水平，有效锌含量属于缺锌水平。与2005—2014年《测土配方施肥土壤基础养分数据集》[23]中正阳县土壤pH 值(6.1)以及有机质(15.02 g·kg-1)、全氮(0.838 g·kg-1)、有效磷(16.6 mg·kg-1)和速效钾(88.4 mg·kg-1)含量平均值相比，本研究pH 值降低约0.8 个单位，其余指标的测定结果均明显增加。与种植前相比，花生成熟期土壤有效硫含量出现明显下降，其余土壤养分指标均有不同程度的提高，尤其是土壤全氮和有效磷含量增加明显，增幅分别为10.17%和16.37%，但土壤有效锌和有机质含量仍处于较低水平。综合分析，正阳县花生种植户在施肥上应适当控制氮磷用量，增加有机肥和碎肥的施用。

变异系数反映数据间的离散程度，可直观反映出样本的空间变异性大小。一般认为，CV＜10%为弱变异，10%≤CV≤100%为中等强度变异，CV≥100%为强变异[24]。花生种植前和成熟期土壤养分各指标变异系数相差不大，pH 值变异系数分别为6.18%和6.36%，属弱变异，其余养分指标变异系数在12.58%～44.97%之间，属中等强度变异，与郑昊楠等[25]和舒田等[26]研究结果一致。pH 值变异强度较弱，与廖超林等[27]研究结果一致，这主要受土壤母质影响，其余指标中等强度变异可能是由农户的施肥水平、耕作栽培及管理措施不同所致，块金效应(55.92%)也进一步证实了本结论。

土壤肥力是土壤为植物生长供应和协调水、肥、气、热的能力。土壤肥力高低不仅受土壤养分和植物吸收能力的独立作用，更取决于各因子间的协调程度[14]。目前鲜有选择土壤肥力评价指标划分肥力等级以及确定权重统一的方法。以往研究采用各肥力因素得分之和表示土壤肥力高低，主观人为因素对评价结果影响较大[28-29]。本研究采用模糊数学的隶属度函数对土壤肥力进行评价，利用相关系数法确定各评价指标的权重，有效地减少人为因素对土壤肥力评价的影响，使评价结果更加客观。本研究所用8 个土壤因子的权重系数在0.033～0.216 之间，其中有机质含量所占权重较大，表明有机质是影响土壤肥力质量变异的主要因子，这与以往研究结果一致[29-30]；土壤肥力是土壤多项肥力因素综合的结果，本研究花生种植前和成熟期土壤肥力综合指标(IFI)多集中于0.58～0.72 之间，与杨丽萍等[31]得出的结论相吻合，但不同于以往其他研究结果[14-15，18]，这可能是由研究区域和模型所选择的指标不同造成的。因此，为提高土壤肥力评价精度，未来需将更多的土壤物理、化学和生物因子加入到模糊数学隶属度模型中；同时需要用作物产量对土壤肥力水平进行检验，以验证评价结果的准确性。

块金值与基台值比值C0/(C＋C0)，表示随机部分引起的空间异质性占总变异的比例，一般认为，若比值＜25%，表明系统空间相关性强烈，空间变异主要由结构性因素起作用；若比值在25%～75%之间，表明系统的空间相关性中等，空间变异由结构性因素和随机因素共同起作用；若比值＞75%说明系统空间相关性较弱，空间变异主要由随机因素起作用[32]。本研究中花生种植前IFI 的C0/(C＋C0)＜25%，具有较强的空间相关性，表明正阳县花生田种植前土壤肥力的空间分布主要取决于结构性因素(如土壤母质、气候、地形等自然因素)；花生成熟期IFI 的C0/(C＋C0)在25%～75%之间，空间相关性中等，说明正阳县花生田成熟期土壤肥力空间分布由结构性因素和随机性因素(施肥、耕作管理等人为因素)共同作用的结果。另外，花生成熟期的平均IFI 高于花生种植前，其原因可能有以下几点:1)花生生产上农户的施肥量高于花生植株需求量；2)花生为豆科作物，可进行根瘤固氮，增加了土壤氮含量；3)土壤温度和湿度是影响土壤微生物活动和活性季节性变化的重要因素[33-34]，花生生长季为每年的6—9月份，该季节气温较高，雨水较充沛，土壤温度和水分均适宜微生物的生长和繁殖，利于土壤中有机养分矿化。比较花生种植前和成熟期土壤肥力空间分布图发现，正阳县的土壤肥力南部高于北部，可能是由于正阳县南邻淮河，水热条件利于土壤养分的积累。综上，在未来花生生产上应着重开展氮磷减施、生物固氮方面、以及水热条件下土壤微生物的肥力效应等方面的研究。

4 结论

本研究结果表明，与种植前相比，花生成熟期土壤pH 值和土壤有效硫含量出现下降，其余土壤养分指标均有不同程度的提高，尤其是土壤全氮和有效磷含量增加明显，但有机质和有效锌含量仍处于较低水平。从变异系数来看，8 个土壤肥力指标中，pH 值属弱变异，其余指标均属中等变异。从各肥力指标权重来看，不同的土壤肥力指标对IFI 的贡献率存在差异，有机质含量的权重最大，说明有机质含量对土壤肥力的贡献最大。半方差分析结果表明，花生种植前土壤肥力空间相关性较强，变异函数以球状模型拟合效果最佳，空间分布特征主要受自然因素的影响；花生成熟期土壤肥力空间相关性中等，空间分布特征受自然因素和人为活动共同影响。此外，花生种植前IFI 低于花生成熟期，土壤肥力处于中等偏上(Ⅱ级和Ⅲ级)水平，IFI 空间分布特征呈南高北低。综合分析，在正阳县花生生产上，建议控制氮磷用量，增加有机肥和锌肥的施用，尤其是在其南部地区。