黄河中游渭北卤泊滩地区盐碱地土壤肥力综合评价及分析

姜 彬,闫板瑞,李家鑫,刘 蓉

(1.西北大学 城市与环境学院/陕西省地表系统与环境承载力重点实验室,陕西 西安 710127;2.西北大学 陕西省黄河研究院,陕西 西安 710127)

黄河流域是中华民族农耕文明重要的发源地,也是我国重要的生态屏障和经济地带[1]。2019年9月，习近平总书记在郑州主持召开的座谈会上将黄河流域生态保护和高质量发展上升为国家战略,携手乡村振兴战略,积极挖掘潜力耕地资源,提升耕地质量,全面推进黄河流域农业高质量和可持续发展[2]。陕西省关中地区作为黄河流域的“心脏地带”,其农业发展正处于粮食量变转向质变的关键节点,承担着保障国家粮食安全的重要任务。近年来,受气候变化以及人类生产活动的影响,黄河中游自然生态环境脆弱,水土大量流失导致土壤盐碱化面积不断扩张,使流域内农业生产发展面临着严峻的挑战[3]。土壤盐碱化会严重抑制农作物生长,降低农业高质量生产以及破坏生态环境安全。与此同时,盐碱地也是一种可恢复利用的耕地资源,对粮食增产有着巨大的潜力。为解决全球粮食资源短缺问题,保护生态环境安全,充分利用盐碱地这一重要的潜在耕地资源进行产粮具有重要意义[4]。据联合国教科文组织和粮农组织不完全统计,全球盐碱地总面积约为9.5×109hm2,中国共有9.913×107hm2盐碱地,占国土总面积的10%,其中5亿亩具有开发利用潜力。陕西省地处黄河中游,其盐碱地面积为15.320 hm2,集中分布在陕北榆林地区和关中卤泊滩地区[5]。卤泊滩地区由于特定的气候和地势等原因,土壤盐碱化问题一直阻碍着当地农业经济的发展。尽管当地政府和国内外学者开展了相关治理措施,但盐碱化的形成是一个多方面因素相互作用的结果,导致对其改良效果并不理想。所以,为了在生产过程中合理协调灌水与施肥,更加高效地开发和利用盐碱地,准确评估该地区的土壤肥力状况是至关重要的[6]。

土壤肥力是对土壤物理、化学和生物学理化性质的综合评价,客观科学掌握土壤肥力状况,是决定农业生产高质量和土壤资源利用可持续性的关键因素[7]。卤泊滩地区土壤肥力形成受到气候、水文、地形及人类活动等众多因素和变量的影响,如果仅从单一指标上对其进行综合评估则难以反映出其真实肥力状况,故需要将反映土壤肥力的多项指标信息加以汇集,得到一个综合指标,从整体上反映该地区土壤肥力水平[8]。其中,基于隶属度函数的模糊数学综合评价法在解决各种不确定的、难以量化的问题上,具有结果清晰、系统性强等优点,在评估土壤肥力中被广泛应用[9]。土壤肥力评价还与选取一定合理的土壤肥力指标密切相关,而盐碱化程度和养分质量是作为衡量盐碱地土壤肥力状况的重要标志[10]。鉴于此,本研究以渭北卤泊滩为研究区域,采集滩区及周边农田地土壤样品,选取土壤有机质、氮磷钾等养分指标,采用模糊综合评价法评价该地区土壤肥力状况,旨在为后续改良滩区盐碱地,挖掘耕地资源和推进黄河流域滩区生态综合整治提供重要依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区域概况

渭北卤泊滩位于黄河流域中游,陕西关中平原东部,横跨蒲城、富平两县,地处渭河北部石川河—洛河三角州和黄土台原的交接部位,东经109°07′～109°51′,北纬34°41′～35°01′,东西长约53 km,南北宽约25 km,面积约418.06 km2。地形以台原为主,地势西北高、东南低。区内属暖温带大陆性半干旱季风气候,年平均气温15.6℃,年平均降水量500 mm左右,年蒸发量1 726 mm,年日照时数2 229 h,无霜期为158～220 d。本研究区域采样点分布情况见图1,以ArcGIS10.2软件绘制。

图1 研究区域示意图Fig.1 Schematic diagram of study area

1.2 土壤采集与分析

2021年3月4—6日在渭北卤泊滩区域进行实地调查和参考县行政区划图统筹规划,根据土地利用、土壤类型等确定采样点,利用五点取样法采集7处具有代表性的土壤样地:卤阳湖湿地公园(109°35′18″E,34°49′18″N)(L1)、思补村(109°34′6″E,34°52′27″N)(L2)、西陈水库(109°34′16″E,34°52′25″N)(L3)、富家村(109°33′26″E,34°49′34″N)(L4)、富新村(109°32′17″E,34°50′55″N)(L5)、李家村(109°34′2″E,34°53′50″N)(L6)、张家村(109°38′19″E,34°49′41″N)(L7)。其中,卤阳湖湿地公园(L1)为非农田地,作为参照组,其余采样点为农田地,土壤类型均为旱地,采集0～20 cm表层土,采样点用GPS精确定位,记录经纬度。采样结束后带回实验室将其自然风干,剔除土样中的根系、石块等杂物,土壤样品风干磨细后过 1 mm筛用于测定土壤理化性质。

参照《土壤农业化学分析方法》[11],pH值采用pH计(上海佑科P901)测定；电导率采用电导率仪(水土比5∶1)测定;总盐量采用烘干法;有机质用重铬酸钾容量法外加热法测定;全氮测定采用半微量凯氏定氮法;碱解氮采用碱解扩散法测定;速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提钼锑抗比色法;速效钾采用1 mol/L NH4OAc浸提火焰光度法。

1.3 评价方法

模糊综合评价法是以模糊数学为基础,利用隶属度理论和权重矩阵把定性评价转化为定量评价的综合评价方法[12]。首先，要选取合理的影响因子,建立评价指标体系；然后，选取相应隶属函数,计算其隶属度值,采用Pearson的相关分析确定各指标的权重系数；最后，根据各指标的隶属度和权重系数,通过模糊数学中的加权乘法原理,计算得到土壤肥力综合评价指数[13]。

本研究考虑pH、含盐量及电导率能客观反映出土壤盐碱化的程度,有机质、 氮磷钾等养分指标是评价土壤肥力的重要标志,且分析数据稳定较易获得。选取土壤有机质、速效磷、总盐、总氮、碱解氮、速效钾、pH和电导率共8个指标构建评价指标体系,利用模糊综合评价法计算得出土壤肥力综合指数。其中，pH属于抛物线型隶属关系,总盐属于戒下型隶属关系,有机质、速效磷、速效钾、电导率、全氮、碱解氮均属于S型隶属关系。其隶属度函数分别为[14]:

1) S型隶属度函数

(1)

其中，x1、x2为该S型隶属度函数中评价指标在曲线中的转折点。

2) 抛物线型隶属度函数

(2)

其中,x1、x2、x3、x4为该隶属度函数中评价指标在曲线中的转折点。

3) 戒下型隶属度函数

(3)

隶属度是指各指标参数与土壤肥力之间的函数关系,因土壤各肥力指标测定值表征意义、量纲和单位的不同而无法直接进行相互比较,需要利用各指标的隶属度进行标准化处理[15]。隶属度值越接近于1,表示某评价单元中该肥力指标值对土壤肥力贡献度越高。本研究结合刘敬美[16]和王德彩[17]等人的研究结果以及全国第二次土壤普查分级标准[18],对土壤肥力各指标在隶属度函数曲线的转折点进行取值(见表1)。根据各肥力指标对应的函数关系分别计算对应的隶属度值,将7个采样点土壤肥力指标的隶属度值及均值绘制成雷达图(见图2)。

图2 研究区域各土壤肥力指标隶属度雷达图Fig.2 Radar map of membership degree of each soil fertility index in the study area

表1 隶属度函数转折点取值Tab.1 Values of the turning points in membership function

权重是反映某一因子在总体评价中的相对重要程度,土壤肥力综合评价的关键就在于确定土壤各肥力指标的权重系数。本研究各肥力指标的权重系数是利用相关系数法确定的。首先，采用SPSS26.0统计分析软件获得各肥力指标间的线性关联性(见表2)；然后，计算得到单项肥力指标与其余肥力指标间相关系数绝对值之和的平均值,该平均值与每个肥力指标相关系数平均值和的百分比即为该项肥力指标的权重系数(见表3)。

表2 土壤肥力评价指标间的相关系数矩阵Tab.2 Correlation coefficient matrix between soil fertility evaluation indexes

表3 研究区域土壤肥力评价指标权重Tab.3 Soil fertility evaluation index weight in the study area

通过模糊数学中的加权乘法原理计算土壤肥力综合评价指数(integrated fertility index,IFI),IFI是能够精确有效地评估土壤质量状况和退化程度的重要指标。土壤肥力综合指数(IFI)计算公式如式(4)所示。土壤肥力综合评价指数介于0.1～1.0,数值越接近1.0,说明土壤肥力越好。

(4)

其中:IFI为土壤肥力综合指数;Wi、fi为第i个因子权重值和隶属度值;n为指标数量。

1.4 数据处理

数据经Microsoft Excel 2019归纳整理后,利用SPSS26.0软件的描述统计进行平均值、标准差、变异系数、Person相关分析,并利用origin2018和ArcGIS10.2进行作图分析。

2 结果与分析

由渭北卤泊滩土壤肥力评价指标的隶属度(见图2)可知,其隶属度均值处于0.2～0.8之间。其中,速效磷(0.245)<电导率(0.285)<碱解氮(0.387)<全氮(0.416)<有机质(0.498)

研究区域各采样点的8项土壤肥力指标含量如图2所示。结果显示,各采样点土壤pH值范围为8.06～9.52,说明该地区土壤主要为碱性土壤,整体表现为弱碱性;土壤总盐含量范围为1.96～2.95 g/kg,盐化程度一般;全氮含量范围是0.56～0.93 g/kg,含量较低;土壤速效钾含量相对丰富,其含量范围为92.74～204.69 mg/kg,这与土壤本身类型和人为过量施用钾肥有关;土壤有机质整体含量处于较低水平,仅为7.45～18.45 g/kg,7个采样点中L7有机质含量最高,为18.45 g/kg,其次是L3,含量为16.89 g/kg,而L1含量最低,仅为7.45 g/kg;速效磷含量范围为9.58～15.26 mg/kg,含量相对偏低;碱解氮含量范围是45.2～82.6 mg/kg,含量相对偏低。土壤电导率范围为0.113～0.865 mS/cm,其中,L1电导率高达0.865 mS/cm,L4次之,为0.314 mS/cm。综上所述,L1土壤养分含量整体最差,盐碱程度最高,其他采样点土壤养分含量较L1高,但整体含量相对较低,不利于农作物的生长。

变异系数(CV)一般能较好地反映出变量的空间变异程度,当 CV<10% 时表明是弱变异,CV介于10%～90%之间表明是中等变异,CV>90%表明是强变异[19]。根据各采样点的土壤肥力指标含量(见图3)的标准偏差与平均值之比的百分数计算得出各指标变异系数。本研究区域土壤变异系数从大到小依次为电导率、pH、有机质、速效钾、总盐、碱解氮、全氮、速效磷。其中,pH变异系数为53.25%,说明区域内土壤pH值差异显著,L1地区pH含量最高,高达9.52,属于中等变异;土壤总盐含量均值为2.33 g/kg,高于一般农田土壤总盐(2.0 g/kg),其变异系数为16.33%,属于弱变异;土壤全氮含量均值为0.77 g/kg,整体含量处于缺乏水平,变异系数为13.47%,土壤中全氮含量差异不大,属于弱变异;土壤碱解氮含量均值为45.2 mg/kg,变异系数为15.91%,属于弱变异;土壤速效磷含量均值为13.17 mg/kg,变异系数为12.86%,属于弱变异;土壤有机质含量均值为14.06 g/kg,变异系数为23.36%,属于中等变异;电导率均值为0.27 mS/cm,变异系数较高,高达94.13%,属于强变异;土壤速效钾均值为152.80 mg/kg,变异系数为22.14%,属于中等变异。

图3 各采样点土壤养分质量分析Fig.3 Analysis of soil nutrient content at each sampling point

按照表4对土壤各肥力指标的量级划分可知,速效磷含量处于三级标准;土壤有机质含量处于四级标准;全氮含量处于四级标准;碱解氮含量处于四级标准;土壤电导率和速效钾含量分别处于一级标准和二级标准。综上所述,渭北卤泊滩区域整体土壤养分含量相对偏低,土壤速效磷、有机质、全氮、碱解氮含量处于中低水平,速效钾处于中高水平,盐分含量一般,但pH较高,土壤以轻度盐碱化为主,对农作物的良好生长有着较大的限制。

表4 土壤肥力评价指标量级划分Tab.4 Division of magnitude of soil fertility evaluation index

研究区域各采样点土壤肥力综合指数如图4所示,土壤肥力状况评级可按文献[20]中的标准进行:高(>0.8)、 较高(0.6，0.8]、 中等(0.4，0.6]、 较低[0.2，0.4]和低(<0.2)。图4结果显示,各采样点土壤肥力综合指数处在0.2～0.7之间,研究区域土壤肥力综合指数均值为0.483 7,说明该地区土壤肥力状况整体表现为中下等水平。 其中, L7地区土壤肥力综合指数最高, 为0.624 9,处于中上等水平,L1地区土壤肥力综合指数最低,为0.246 7,处于较低水平。

图4 研究区域土壤肥力综合指数Fig.4 Comprehensive index of soil fertility in the study area

卤泊滩地区原是构造湖,因大陆性季风气候干旱,常年强烈的地表蒸发作用下形成盐湖,其地形以洼地为主,整体地势低洼、平坦,地下水和地表水易于交汇积聚,水质矿化度大等自然因素,为其形成盐碱化创造了条件。从渭北卤泊滩地区土壤养分质量和肥力综合指数来看,L1土壤pH最高,其他各项指标也远低于其他采样点,这是因为位于盐湖附近,受人类生产活动影响较小,土壤盐碱化程度最高。L2土壤中氮磷钾含量水平较低,导致其肥力不佳,L4土壤虽被用于耕地,可能因施肥等原因,其土壤肥力高于L1,但因地处盐湖边缘,肥力水平受到一定影响。其他采样点肥力水平整体相差不大,属于中等水平,这与该地区土壤类型为褐土和黄绵土有关，导致土壤质地黏重造成有机质含量整体偏低,而速效钾含量较高,除土壤自身富钾外,与钾肥的逐年施加导致余量过多有着直接关系。各采样点全氮含量处于中等偏下水平,碱解氮含量处于缺乏水平,后期应适量施加氮肥。土壤pH整体偏高,碱性较强可能导致速效磷含量偏低。除此之外,早期人们为了改善盐碱地建立的一些抽灌区如交口抽渭灌区、洛惠灌区等,经多年运行排水设施建设老化,致使排水沟淤积严重而排水不畅,加上不科学合理的耕作方式和灌溉方式,如大水漫灌,造成土壤板结、耕层变浅和次生盐渍化,加剧了土壤盐碱化。

基于以上结论,结合黄河流域生态保护和高质量发展战略,本文提出以下建议以充分发挥区域特色,推进滩区生态环境,优化滩区土壤结构,提升农作物高质量发展。建议在改良中,一要减少工业化肥的使用量,防止二次污染,加大改良难度,建议使用农家有机肥或者菌肥;二在治理盐碱地过程中要遵循“盐随水来、盐随水去”基本原理和“因地制宜”的治理措施,采用农田水利、化学和生物等措施进行综合治理改良。水利改良是目前改善盐碱地效果最快的方法。由于卤泊滩地区原有排水、排盐灌溉系统老旧,维修成本较高,不适宜农田大规模采用。L1是湿地公园,一方面，可建立小型排水灌溉系统、采用暗管排盐技术进行改良；另一方面，可种植耐盐碱性的草本植物,如紫花苜蓿、芒草等,既可美化环境,也能达到降碱排盐的目的。其他采样点均为农田地,其中,L2和L4土壤肥力低下，在于土壤含盐量高以及缺乏氮磷元素所致。L2和L4可在土壤层覆沙或者埋秸,利用沙土与盐碱土混合降低盐碱含量,提高土壤通透性。L4因靠近盐湖,还可利用微咸水滴灌进行改良,在种植前应配施有机肥的同时增施氮肥与磷肥,提高土壤肥力,改善土壤理化性质。其他采样点土壤肥力为中等水平,种植前可利用机械进行深耕深松以改善土壤结构，种植时进行地膜或秸秆覆盖，可改善土壤通透性,有效抑制土壤水分蒸发,减少盐分积累。该地区土壤碱性较大且缺乏氮磷元素,可向土壤施加有机肥和酸性改良剂,如腐殖酸、磷石膏等来进行改良,均能有效降低土壤碱化度,提高土壤养分。还可以通过引进、筛选和种植耐盐碱作物,改善土壤小气候,有效减少土壤水分蒸发,抑制土壤盐分。该地区地势平坦,可垄沟蓄水、挖塘降水,引进耐盐碱鱼种和羊进行养殖,种植耐盐碱植物不仅培肥土壤,还可作为养殖饲料,实现渔农经济一体化。在改良盐碱地过程中,要依据气候、土壤类型和性质与各种措施相结合,充分实现盐碱地整体改良。

3 结论

本研究通过对渭北卤泊滩地区7个采样点土壤肥力情况进行综合分析，并根据土壤肥力水平层次和实际情况提出相应的改良措施,主要结论如下:①研究区整体土壤养分含量相对较低,区域内各指标分布含量差异明显。有机质、碱解氮及速效磷是土壤肥力不足的主要限制因子,研究区域pH整体偏高,土壤呈弱碱性。②研究区域土壤肥力综合指数均值为0.483 7,整体土壤肥力水平处于中下等水平。其中,卤阳湖湿地公园(L1)土壤肥力综合指数仅为0.246 7,处于较低水平。③特定的干旱气候和低洼地势是导致研究区土壤盐碱化的主要原因,人为活动次之。

通过对该地区土壤肥力进行评价,将有利于下一步精准改良盐碱地,为黄河流域实施“藏粮于地、藏粮于技”战略提供普适性参考,以巩固沿黄滩区生态整治和确保农产品高质量生产,加快实现黄河流域生态保护和农业高质量发展的战略目标。