甘肃省武山县土壤养分特征及综合肥力评价

吴科生，车宗贤*，包兴国，张久东，卢秉林，杨蕊菊

（1.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃 兰州 730070；2.农业农村部甘肃耕地保育与农业环境科学观测实验站，甘肃 武威 733017）

土壤作为植物生长的重要介质环境，农业的基本生产资料，与社会经济紧密联系，其主要功能就是土壤供肥能力。土壤肥力的高低直接关系到作物产量、农产品品质、农业生产布局和效益以及农业可持续发展等［1-3］。全面客观地评价土壤肥力对科学合理制定区域农田施肥制度，提高化肥利用率，减少过量施肥造成的浪费和污染，指导农业生产意义重大。土壤肥力评价指标往往因评价对象和目的不同而存在差异。如选取土壤密度和含水率［4］、土壤物理性质指标［5］、土壤化学性质指标［6］、生物性质指标［7］和土壤养分指标等［8］。目前，国内外在评价土壤肥力时采用的方法主要有模糊数学法［9］、灰色关联度法［10］、因子分析法［11］、聚类分析法［12］、主成分分析法等［13］，内梅罗指数法多用于土壤污染和水体质量的评价［14］。石常蕴等［15］通过建立评价指标与土壤功能间的关系模型，确定指标权重得到土壤肥力综合指数。Abbott 等［16］认为土壤肥力由土壤物理肥力、化学肥力和生物肥力3 个方面构成，物理肥力为作物提供生长环境，化学肥力为作物生长提供营养元素，生物肥力则是微生物群落对土壤物理、化学肥力以及矿质营养供应的有力保障。本文以土壤化学肥力为主要评价对象，通过对武山县代表性典型土壤进行取样和测试分析，用频数分布方法分析了单肥力指标土壤养分特征，各种养分指标的变幅区间，以及对各项单肥力指标进行了评判和界定。从土壤养分盈缺入手，采用改进的内梅罗综合指数法评价了土壤综合肥力等级，旨在摸清武山县土壤肥力状况、施肥制度和当地农业生产习惯施肥中存在的问题，为武山县平衡施肥决策和土壤科学管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区隶属甘肃省天水市武山县（104°34′～108°08′E，34°25′～34°57′N），地处渭河上游，属秦岭西北坡与陇中黄土高原西南边缘复合地带。地势西高东低，南高北低，均向河谷川区倾斜。县内海拔在1340～3120 m 之间，属温带大陆性半湿润季风气候，年平均气温10.3℃，年均日照2331 h，年降水量500 mm 左右，无霜期240 d，全县森林覆盖率19.6%，夏无酷暑，冬无严寒，四季分明，环境宜居。截止到2014 年末，武山县耕地面积共740.13 km2，其中水浇地56.88 km2，旱地683.25 km2。土壤类型有黑垆土、黄绵土、新积土，土壤质地属少砾质粘壤土，农化性状优良，土壤肥沃，灌溉体系完善。主要种植的粮食作物有小麦、玉米、马铃薯、豆类等，经济作物有辣椒、番茄、韭菜、胡萝卜、洋葱、蒜苗、莴笋、菜瓜、甘蓝等一年两熟或三熟制蔬菜。

1.2 土壤采集

采集土壤样品前，对当地肥力等级、种植制度、种植作物种类等因素进行调查和综合分析，确定以村为单位的土壤采集点，每村选取以小麦、玉米田为代表性地块，分别在武山县小麦、玉米、温室大棚的土壤上，用GPS 定位每个检验点，记录每个取样点的经纬度、海拔、前茬作物、采样深度、采样地点、采样时间、采样名称、采样人等信息。每个采样地块在“S”形路线上依次取5 个点土壤（0～20 cm）组成代表该点的混合土样，并将同一地块5 个点上采集的土壤样品混合均匀后，用“四分法”逐次减少土壤数量，最终保留约重1 kg 土壤样品，装于土壤样品袋，写好内外2 个标签，带回实验室作为分析测试样品待用，共采集土壤样品62 个。

1.3 测定项目及方法

土壤养分的测定均采用常规的方法［17-19］。其中，pH 土水比为1∶2.5 采用PHS-25 数显pH 计测定，土壤有机质的测定采用重铬酸钾氧化-油浴加热法，土壤全氮的测定采用凯氏定氮法，碱解氮的测定采用碱解扩散法；全磷采用氢氧化钠熔融法，721 型紫外分光光度计测定；有效磷采用碳酸钠提取－钼锑抗比色，紫外分光光度法TU-1901 测定；全钾采用氢氧化钠熔融，M410 型火焰光度计测定；速效钾采用乙酸铵提取，M410 型火焰光度法测定。

1.4 数据分析及评价方法

试验数据采用Excel 2016 软件对数据进行处理，土壤养分频数分布采用SPSS 20.0 软件作图并进行统计分析，依据全国第二次土壤普查技术规程规定的养分分级标准［20］（表1），土壤综合肥力评价方法采用修正后的内梅罗指数评价法，对武山县土壤肥力综合评价。

表1 土壤养分含量分级标准

表2 为标准化处理分级标准。选择评价的土壤肥力主要因子：有机质、pH、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾8 项指标。按照全国第二次土壤普查的土壤养分分级标准，对大量元素分为6 级。其中，土壤pH＜4.5 为强酸性，4.5～5.5 之间为酸性，5.5～6.5 之间为弱酸性，6.5～7.5 之间为中性，7.5～8.5 之间为弱碱性，8.5～9.5 之间为碱性。大量元素的参数分别进行标准化消除各参数之间的量纲差别，标准化处理方法如下：

表2 土壤大量元素各属性分级标准

当属性值属于差一级时，即Ci ≤Xa 时：Pi=Ci/Xa，（Pi ≤1）；

当属性值属于中等一级时，即Xa＜Ci ≤Xb，Pi=1+（Ci-Xa）/（Xb-Xa），（1＜ Pi ≤2）；

当属性值属于较好一级时，即Xb＜Ci ≤Xc，Pi=2+（Ci-Xb）/（Xc-Xb），（2＜ Pi ≤3）；

当属性值属于好一级时，即Xc＜Ci ≤Xd，Pi=3+（Ci-Xc）/（Xd-Xc），（3＜ Pi ≤4）；

当属性值属于优一级时，即Xd＜Ci＜Xe，Pi=4+（Ci-Xd）/（Xe-Xd），（4＜ Pi＜5）；

当属性值属于丰富一级时，即Ci＞Xe，Pi=5。

以上各式中，Pi 为分肥力系数，Ci 为该属性测定值，Xi 为分级指标（表2）。通过标准化后，同一级别的各属性分肥力系数比较接近，便于对比分析，当某属性测定值超过优一级的标准时，分肥力系数不再提高，真实反映出植物对某属性的要求并不是越高越好，与生产实践相符，如某养分达到丰富级别后，继续施肥提高其含量对植物的生长并没有好处。

修正的内梅罗公式计算综合肥力系数：P综=（n-1）/n×{［（Pi平均）2+（Pi最小）2］/2}1/2

式中：P综为土壤综合肥力系数，Pi平均为土壤各属性分肥力系数的平均值，Pi最小为各分肥力系数中最小值。采用Pi最小代替原内梅罗公式中的Pi最大是为了突出土壤属性中最差一项指标对肥力的影响，即突出限制性因子；增加修正项（n-1）/n是为了反映可信度，即参评土壤属性项目n 越多，可信度越高。本项目采用有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾7 项指标进行评价，故而n=7。根据计算的大量元素的综合肥力系数给出土壤的肥力评价。土壤综合肥力系数P综在3.2～4.0 之间为土壤很肥沃，在2.4～3.2 之间为肥沃，在1.6～2.4 之间为一般，在0.80～1.6之间为贫瘠，＜0.80 为非常贫瘠。

2 结果与分析

2.1 武山县土壤养分描述性统计

频数分布图可以直观反映样本在总体中的分布情况。对武山县土壤养分进行统计分析（图1）可以看出，不同养分指标的频数分布不同。8 项养分指标的大多指标都呈现对称或不对称单峰分布。其中，全钾和碱解氮含量近乎正态分布，土壤pH 呈现负偏（左偏），其它养分指标含量呈正偏（不对称，右偏），且具有比正态分布曲线更尖峭的峰态。土壤pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量的平均值分别为8.35、14.86 g·kg-1、1.04 g·kg-1、1.01 g·kg-1、25.07 g·kg-1、85.59 mg·kg-1、44.64 mg·kg-1和247.50 mg·kg-1，且从变异系数来看，除pH 和全钾含量的变异系数小于10%，属于弱变异，其余6 项指标变异系数在10%～100%，均属于中等变异。

根据土壤养分分级标准（表1），对8 项指标的频数分布进行分析。土壤pH 在7.5～8.0 之间的样点占3.2%（弱碱性），在8.0～8.5 之间的占79.0%（弱碱性），在8.5～9.0 之间的占17.8%（碱性）。有机质含量在10～20 g·kg-1之间的样点占96.8%（缺乏），在20～30 g·kg-1之间的仅占3.2%（中等）。全氮含量在0.5～0.75 g·kg-1之间的样点占9.7%（较缺），0.75～1.0 g·kg-1之间的占37.1%（缺乏），1.0～1.5 g·kg-1之间的占51.6%（中等），1.5～2.0 g·kg-1之间的仅占1.6%（较丰富）。碱解氮含量在40～60 mg·kg-1之间的样点占6.5%（较缺），在60.0～90.0 mg·kg-1之间的占54.8%（缺乏），90～120.0 mg·kg-1之间的占30.6%（中等），在120～150 mg·kg-1之间的占6.5%（较丰富），大于150 mg·kg-1的仅占1.6%（丰富）。全磷含量在0.4～0.6 g·kg-1之间的占9.8%（缺乏），在0.6～0.8 g·kg-1之间的占45.2%（中等），在0.8～1.0 g·kg-1之间的占21.0%（较丰富），大于1.0 g·kg-1的占24.0%（丰富）。有效磷含量在10～20 mg·kg-1之间的样点占16.1%（中等），20～40 mg·kg-1之间的占46.8%（较丰富），大于40 mg·kg-1的占37.1%（丰富）。全钾含量在20～25 g·kg-1之间的样点占46.8%（较丰富），其余全部大于25 g·kg-1的占53.2%。速效钾含量在100～150 mg·kg-1之间的样点占12.9%（中等），150～200 mg·kg-1之间的样点占25.8%（较丰富），其余全部大于200 mg·kg-1的占61.3%（丰富）。

2.2 土壤肥力综合评价

通过标准化计算处理后，同一级别的各属性养分肥力系数比较接近，便于对比分析。从表3 可以看出，标准化后各养分指标的变异系数较小，变幅在0.03～0.25 之间。其中土壤全磷含量的变异系数最小，为0.03，土壤有效磷含量的变异系数最大，为0.25。其它养分的变异系数都集中在0.10～0.18之间。

表3 大量元素标准化处理指数

土壤有机质含有植物生长发育所需要的各种营养元素，是土壤肥力最为重要的指标。研究区耕层土壤有机质含量测定值变幅为10.55～23.38 g·kg-1，平均值为14.82 g·kg-1。根据全国第二次土壤普查技术规程规定的养分分级标准评价结果表明该区土壤有机质状况处于较缺等级。土壤全氮含量是土壤氮素养分的储备指标，在一定程度上能够说明土壤氮的供应能力。研究区的耕层土壤全氮含量测定值变幅为0.67～1.69 g·kg-1，平均值为1.04 g·kg-1。根据养分分级标准评价结果表明该区土壤全氮含量状况处于中等。土壤全磷含量是土壤磷素养分的储备指标，在一定程度上能说明土壤磷的供应能力。研究区的耕层土壤全磷含量测定值变幅为0.69～3.17 g·kg-1，平均值为1.01 g·kg-1。根据养分分级标准评价结果表明该区土壤全磷含量状况均处于丰富等级。土壤全钾是土壤钾素养分的储备指标，在一定程度上说明土壤钾的供应能力。研究区的耕层土壤全钾含量测定值变幅为23.0～28.0 g·kg-1，平均值为25.04 g·kg-1。根据养分分级标准评价结果表明该区土壤全钾含量状况均处于丰富等级。土壤中的碱解氮直接能被植物吸收利用，其含量的高低决定了土壤的供氮能力。研究区的耕层土壤碱解氮含量测定值变幅为44.4～166.3 mg·kg-1，平均值为85.41 mg·kg-1。根据全国养分分级标准评价结果表明该区土壤碱解氮含量状况处于缺乏等级。土壤有效磷能或易被植物吸收利用，可用以表示近期内（1 个生长季）植物可利用磷的多少。研究区的耕层土壤有效磷含量测定值变幅为13.1～248.2 mg·kg-1，平均值为45.07 mg·kg-1。根据全国养分分级标准评价结果表明该区土壤有效磷含量状况处于丰富等级。土壤速效钾可以判断土壤钾供应情况以及确定是否需要钾肥及其施用量的重要指标。研究区的耕层土壤速效钾含量测定值变幅为111.0～510.0 mg·kg-1，平均值为248.77 mg·kg-1。根据全国养分分级标准评价结果表明该区土壤速效钾含量状况均处于丰富等级。土壤pH 是土壤酸度和碱度的总称，用以衡量土壤酸碱反应的强弱，主要有氢离子和氢氧根离子在土壤溶液中的浓度决定，其值一般都较为稳定。研究区的耕层土壤pH的变幅在7.81～8.67之间，平均值为8.35。根据全国养分分级标准评价结果表明该区土壤状况为弱碱性等级。通过对各单项指标进行标准化处理，采用改进的内梅罗综合指数法对研究区土壤养分状况进行综合计算，评价结果是研究区的大量元素综合肥力指数为2.28，对照肥力评价等级状况处于肥沃等级。

3 讨论

土壤养分是指氮磷钾等植物需要的营养元素在土壤中的不同存在形态及数量，并能够被作物生长发育吸收利用。土壤肥力是土壤各方面性质的综合反映，包括土壤养分、土壤物理性质、生物化学性质及环境条件等综合性指标，不同的研究者对土壤肥力有不同的理解［13］。土壤肥力是在适宜的光照、温度、湿度、土壤物理性状条件下，土壤向植物以一定量和比例供应养分的性能［21］。陈恩凤［22］认为土壤肥力是土壤的自动调节能力，是对水、肥、气、热等因素的储存和供应能力，肥沃的土壤其吸收容量大、转化释放供应量也大，能较大程度适应植物生长需要和抵抗不良生长条件。侯光炯等［23］把土壤肥力分为母质肥力、层次肥力、田块肥力、耕作肥力、气候肥力、地貌肥力、水文肥力和植被肥力。章家恩等［24］认为土壤肥力是与生物群落（包括动物和微生物）之间长期协同进化、相互适应、相互作用的一种供需平衡状态。熊毅［25］认为土壤肥力是土壤为植物供应养分和协调营养条件和环境条件的能力，评价土壤肥力要考虑土壤整体的综合因素。随着人们对土壤研究水平和科学手段的不断提高，土壤肥力概念的外延在不断扩大，内涵不断缩小，学者们还倾向于将地貌、水文、气候、植物等环境因子，以及人类活动等社会因子作为土壤肥力系统的组成部分。

土壤肥力综合评价是土壤肥力高低的评判和鉴定，因此不能通过单一的土壤养分氮、磷、钾、有机质等指标进行评价［26］。目前，通常采用的土壤评价方法有聚类分析法、因子分析法、主分量分析法（主成分分析法、主因素分析法）、判别分析法、因子加权综合法等。本研究应用修正的内梅罗指数法评价土壤综合肥力发现，武山县的土壤有机质含量在10.55～23.38 g·kg-1之间，平均值为14.82 g·kg-1，处于缺乏等级；全氮含量在0.67～1.69 g·kg-1之间，平均值为1.04 g·kg-1，处于中等等级。可见，研究区的土壤有机质含量较低，主要原因是有机肥料投入过少，建议进一步增加有机肥、秸秆等有机物质的投入，为提高土壤综合肥力提供有力保障。土壤全磷、全钾、有效磷、速效钾平均含量分别为1.01 g·kg-1、25.04 g·kg-1、45.07 mg·kg-1、248.77 mg·kg-1，均处于丰富等级，说明土壤供磷和供钾能力较强，土壤磷素和钾素投入有盈余，造成磷钾素在土壤中累积残留量较多，在今后的施肥过程中应该增氮控磷限钾，甚至可以少施或不施用钾肥。通过改进的内梅罗综合指数法对武山县区土壤肥力综合计算的评价结果是大量元素综合肥力指数为2.28，对照肥力评价等级状况处于一般等级，主要原因是虽然土壤有机质和全氮含量缺乏，但全磷、全钾、有效磷和速效钾含量处于丰富范畴，所以综合肥力系数处于一般偏上范围。

4 结论

甘肃省武山县土壤碱解氮和全钾含量接近正态分布，土壤有机质、全氮、全磷、有效磷、速效钾含量是正偏（不对称，右偏），而pH 呈现负偏（左偏）。土壤有机质含量有96.8%的样点处于缺乏范围。全氮和碱解氮含量有46.8%和61.3%在缺乏以下，51.6%和30.6%处于中等范围，全磷和有效磷含量在中等及丰富以上的样点分别达到45.2%、45.0%和16.1%、83.9%。全钾和速效钾含量在较丰富以上范围的样点分别达到100%和87.1%。

通过改进的内梅罗综合指数法对武山县区土壤肥力综合计算评价结果是大量元素综合肥力指数为2.28，对照综合肥力评价等级标准处于一般等级。建议武山县未来施肥应坚持增加有机肥施用量，并在作物生长关键生育期适当增加氮肥用量，减少施磷量，少施或不施钾肥的施肥策略。