湘西州土壤肥力综合评价及空间分布特征*

彭 欢，周 迎，曾汉勇，罗 金，李 强，贺建武,

(1.湘西土家族苗族自治州农产品质量检验检测中心，湖南 吉首 416000；2.湘西土家族苗族自治州林业局，湖南 吉首 416000；3.吉首大学杜仲综合利用技术国家地方联合工程实验室，湖南 吉首 416000；4.吉首大学生物资源与环境科学学院，湖南 吉首 416000)

湘西土家族苗族自治州(简称“湘西洲”)是中国特色农产品优势区、国家级出口食品农产品质量安全示范区、农村一二三产业融合发展先导区，是湖南省重要的水果和高山蔬菜优势产区和加工基地，农业特色产业总面积超过266 680万m2.湘西州建有全球最大的富硒猕猴桃基地，全国最大的椪柑基地、百合基地，全国优质烟叶基地，全省最大的优质茶叶基地，州级以上农业产业化龙头企业超过200家，绿色、有机、地理标志农产品总数达167个[1].近几年调查报告显示，湘西州土壤pH值偏酸，速效钾和有效磷含量偏高或偏低，土壤肥力退化，对烟草产量和品质造成了威胁[2].土壤是植物生长的载体，土壤肥力直接影响果树和作物的生长发育及果实的产量、品质[3].因此，对土壤肥力的客观评价和合理分析，是防止土壤退化和提升土地生产力的前提[4].目前，国内虽然已有少量关于湘西州烟草土壤性质的调查报道[2，5]，但通常局限于单一作物，且仅对相关指标进行丰缺分析，未对土壤肥力进行综合评价，无法全面准确反映湘西州土壤肥力水平.本研究基于湘西州自然条件和土壤特点选取pH值、有机质、全氮、有效磷、速效钾作为肥力评价指标，结合指数和法构建土壤肥力综合评价体系，旨在分析湘西州土壤肥力状况，为湘西州提升土壤肥力质量、建设高质量农田提供参考，为全面推进乡村振兴贡献力量.

1 材料与方法

1.1 研究区概况与样点

研究区域位于湘、鄂、黔、渝四省市交界处的湘西土家族苗族自治州(东经109°10′～110°22.5′，北纬27°44.5′～29°38′)，面积约1.5万km2.该区属亚热带季风湿润气候，境内西南部石灰岩分布广，多溶洞和伏流，东西部为低山丘陵区，总体呈现一个以山原山地为主，兼有丘陵和小平原的弧形山区地貌，土壤类型以黄壤、黄棕壤、石灰土为主.

本研究土壤肥力评价样品取自湘西自治州440个样地，样品采集点如图1所示.在每个样点选定采样地，除去地表覆盖物后，用五点采样法采集0～20 cm的土壤样品，混合后用牛皮纸信封带回实验室，记录每个样地中心位置的经纬度信息和海拔信息.土壤样品在实验室尽快去除石块、动植物残体及其他异物，碾碎后过2 mm筛后自然风干，用于土壤肥力指标的测定.

图1 湘西州土壤样品采集点分布示意

1.2 土壤样品测定方法

土壤pH值测定采用NY/T 1377—2007中的玻璃电极法；有机质(OM)含量测定采用GB/T 9834—88中的重铬酸钾氧化-稀释热法；全氮(TN)含量测定采用GB/T 17767.1—2008中的半微量凯氏定氮法；有效磷(AP)含量测定采用GB/T 8573—2017中的NaHCO3浸提-钼锑抗分光光度法；速效钾(AK)含量测定采用NY/T 889—2004中的乙酸铵浸提-火焰光度法.

1.3 土壤肥力评价方法

参考文献[6]的方法，综合研究区域的自然条件和土壤特点，选取土壤pH值及OM，TN，AP，AK作为肥力评价指标.用相关系数法计算各指标评价权重，进而采用模糊数学理论确定隶属函数计算指标隶属度，最后以指数和法计算各地区土壤肥力的综合评价得分.

1.3.1 评价指标权重的确定 权重表征的是评价对象不同侧面的重要程度的定量分配，表现为各个评价指标对评价对象的相对重要程度，合理的权重是正确量化评估的关键[7].权重的计算方法有主成分分析法、熵值法、AHP层次法、CRITIC权重法、相关系数法等，其中相关系数法根据数据相关性进行计算，计算相对简单，权重赋值客观，能有效减小主观误差[4].本研究采用相关系数法为各评价指标分配权重.根据研究区域所采样品土壤数据，通过SPSS分析构建各评价指标之间相关系数(表1)，计算某项肥力指标相关系数平均值与所有肥力指标相关系数平均值总和的比值，将比值作为该项指标因子的权重，得到土壤pH值，OM，TN，AP，AK的权重值分别为0.19，0.28，0.29，0.13，0.11(表2).

表1 土壤肥力指标之间的相关系数

表2 相关系数平均值及指标权重

1.3.2 评价指标隶属度函数的确定 评价指标对土壤综合肥力的影响程度及其量纲不一，需对各项指标进行数值化处理，建立各评价指标的隶属度函数.通常隶属度函数会采用相对应的折线型函数，得到不同函数转折点，以便于计算[8-9].根据模糊数学理论，联系土壤肥力与评价指标之间的关系，土壤有OM，TN，AP，AK选择S型函数模型计算隶属度，相应隶属度函数表达式为

土壤pH值选择抛物线函数模型计算隶属度，相应隶属度函数表达式为

其中：x1为隶属函数下限值；x2，x3为隶属函数最优值；x4为隶属函数上限值.

考虑研究区域的自然环境和土壤特点，参考相关研究案例[10-11]，本研究采取的指标转折点见表3.

表3 土壤肥力指标隶属度函数转折点

1.3.3 综合评价指数的计算 采用指数和法计算土地肥力综合指数，综合评价指数计算公式为IFI=∑fiai.其中：IFI为土壤肥力综合评价指数；fi为第i个评价指标的隶属度；ai为第i个评价指标的权重值.

1.3.4 土壤肥力等级划分 参考《耕地质量等级》(GB/T 2033469—2016)和参考文献[6，12-13]中的分级标准，将研究区土壤肥力划分成4个等级(表4)，综合肥力指数IFI越接近于1，土壤肥力越高.

表4 土壤肥力等级划分标准

2 结果

2.1 湘西州土壤肥力的空间分布

对土壤pH值及OM，TN，AP，AK含量进行统计分析，绘制描述性统计特征表(表5)，同时利用ArcGIS中的地统计模块，对其进行自然断点法处理，绘制空间分布图(图3).

从表5可知，土壤pH值的变化范围为3.40～8.35，平均值为6.0，土壤以酸性至中性为主；土壤有机质含量的变化范围为1.97～80.4 g/kg，平均值为28.98 g/kg；全氮含量的变化范围为0.402～3.99 g/kg，平均值为1.73 g/kg；有效磷含量的变化范围为0.13～1 190 mg/kg，平均值为55.09 mg/kg；速效钾含量的变化范围为30.5～946 mg/kg，平均值为135.25 mg/kg.变异系数Cv反映了特性参数的空间变异程度，也揭示了区域化变量的离散程度.一般认为：Cv<0.1，弱变异性；0.1≤Cv≤1，中等变异性；Cv>1，高度变异性[14].表5结果显示，土壤pH值及OM，TN，AK的变异系数分别为20.93%，40.98%，33.10%，76.98%，都表现出中度变异性；土壤AP的变异系数为187.31%，变异系数较高，呈现出高度变异性.由图2可知，各行政区域的土壤pH值差别不大，除古丈县土壤pH值为4.64～5.27，呈现弱酸性外，其余区域土壤pH值主要分布在6.11～7.22.花垣县和古丈县是土壤TN的高含量区域，整体含量在2.36 g/kg以上，其余区域的TN含量都在1.33～2.36 g/kg范围内.土壤AK的总体空间分布较均匀，没有出现特别集中的高含量地区.花垣县和古丈县是土壤OM高含量富集区域，总体含量在43.3 g/kg以上，其他行政区域的有机质含量分布较为均匀.土壤AP的整体空间分布均匀，但永顺县和泸溪县出现极高含量的AP样本点.土壤TN和OM的空间分布特征相似，在花垣县和古丈县内两者高含量样本点高度重合.

表5 土壤肥力指标的描述性统计

图2 湘西州各县(市)的土壤肥力指标空间分布

2.2 湘西州土壤肥力综合评价

统计湘西州各县(市)中不同肥力等级的样本占比(表6)，同时利用ArcGIS中的地统计模块，对不同行政区域的肥力综合指数进行分析，绘制空间分布图(图3).

表6 湘西州各县(市)土壤不同肥力等级占比

图3 湘西州各县(市)的土壤肥力空间分布特征

由图3可知，龙山县Ⅰ级肥力土壤面积占比最高，为26.15%，除花垣县占比仅为4%外，其余县(市)占比均在15%以上.泸溪县和吉首市Ⅱ级肥力土壤面积占比低于10%，其余各县差距不大.龙山县Ⅱ级及以上肥力土壤面积占比为50.77%，在各县(市)的行政区域内占比最高；古丈县、保靖县、永顺县和凤凰县土壤肥力等级达到Ⅱ级及以上的面积占比均超过了30%，分别为42.50%，40.00%，38.46%，35.00%.Ⅲ级及以上肥力土壤面积占比中，龙山县最高，为58.46%，保靖县、古丈县、永顺县、凤凰县和吉首市均超过了40%，分别为48.00%，47.50%，46.15%，43.33%和40.00%.除龙山县外，其余所有县(市)土壤肥力等级达到Ⅳ级的面积占比超过50%，其中花垣县、泸溪县土壤肥力等级为Ⅳ的面积占比超过60%，分别为74.00%，61.51%.

3 讨论

湘西州土壤肥力特征中，土壤pH值呈弱酸性，土壤OM，AP和AK含量偏高，仅龙山县、永顺县、凤凰县、吉首市的Ⅰ级肥力土壤面积占比超过20%；除龙山县外，其余7个县(市)的Ⅳ级土壤面积占比均超过50%，其中花垣县Ⅳ级土壤面积占比超过70.00%；湘西州Ⅰ和Ⅱ级土壤面积占比35.28%，土壤肥力总体水平表现为中等水平.土壤pH值及OM，TN，AP，AK都是影响土壤生产能力的关键因素[15]，本研究建立了土壤肥力综合评价体系，较为系统地评估了湘西州土壤的整体质量.

土壤pH值对农作物生长、养分的有效性和土壤物理性质等方面有较大影响，土壤酸化易影响土壤微生物活性和营养元素的释放与转化，从而导致土壤肥力下降，引起农作物营养障碍、产量和品质下降等问题[16].土壤OM对改善土壤理化特性、提供农作物生长所需养分等具有重要作用，高含量的OM能有效改良土壤结构，增加土壤微生物数量，提高土壤养分转化率[17].氮、磷、钾是植物生长所必需的养分元素，直接影响农作物的生长发育和产量[18].湘西州土壤pH值以弱酸性为主，存在较普遍的轻微土壤酸化，土壤OM含量偏高，TN含量的变异系数及均值都在正常范围内，AP和AK含量的变异系数和均值均较高，这与邓小华等[2]的研究结果类似.褚长彬等[19]研究表明，施用有机肥能有效提高土壤磷、钾含量，但对TN含量影响不明显；徐仁扣等[20]研究发现，施用磷肥及生理酸性肥料是导致土壤酸化的主要原因之一.据此推测，湘西州大部分地区可能存在人工施加有机肥现象，少数地区除施加有机肥外，可能还施加大量含磷、钾的化肥或生理酸性肥料，这一行为导致了湘西州土壤AP和AK含量的极差程度大，土壤酸化普遍.根据李庆军等[21]研究结果，针对湘西州目前的土壤情况，笔者建议，暂时减少有机肥施加量，停止施加含磷、钾的化肥和生理酸性肥料，适量添加钙、镁等碱性肥料，降低土壤pH值，缓解土壤酸化程度.

土壤肥力不高，土地质量不达标，粮食产量和品质就会面临较大威胁，土地是粮食生产的命脉，保土地既要保数量，更要保质量.2021年，国务院批复，农业农村部印发的《全国高标准农田建设规划(2021—2030年)》提出，全国要以高质量发展为主题，以提升粮食产能为首要目标，加快推进高标准农田建设，为保障国家粮食安全和重要农产品有效供给提供坚实基础.土地质量是一项长远且关乎粮食安全的重大问题，结合本研究结果，建议对龙山县、古丈县、保靖县和永顺县的土地进行初步开发利用，紧抓土地质量，以建设高质量农田为重点，完善土地使用监督机制，防止耕地面积减少，阻止化肥滥用，遏制土壤酸化，提升综合生产能力，推进全国高质量农田建设规划实施方案落地，为全面推进乡村振兴贡献力量.