淮河流域高潜水位农用地养分分析及评价

郑永红，陈芳玲，张治国,2，邓永强,3，方 超,3，张致林,3

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2.安徽省高潜水位矿区水土资源综合利用与生态保护工程实验室，安徽 淮南 232001；3.淮南矿业(集团)有限责任公司煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽 淮南 232001)

土壤是人类赖以生存和发展的重要物质基础，而土壤养分质量是土壤的基本属性和本质特征，也是衡量土壤质量的重要指标，其高低直接影响着农作物的生长、农业生产结构布局和经济效益的提高。土壤养分质量不仅表征土壤提供植物所需养分和生物物质的能力，也是土壤物理、化学和生物学性质的综合反映[1-3]。高潜水位主要分布于我国中东部黄淮海平原的河北省、河南省、安徽省、山东省和江苏省，地下水平均埋深一般介于5～15m之间，安徽省普遍小于5m[4]。淮河流域是我国中东部地区生态安全屏障，也是国家重要的粮棉油生产基地[5]，地处南北气候过渡带,多数坡耕地土层在1～1.5m左右，地下水位高、地面排水不畅，造成土壤通气不良，使有机物质难以分解、土壤供肥能力下降，加剧了耕地土壤水土流失危害[6]。

我国地理区域可分为三大自然区，分别为西北干旱半干旱区、青藏高寒区和东部季风区。其中以内陆河流域为代表的干旱半干旱和青藏高寒区年均降水量为133.0mm[7]，降水量匮乏，形成低潜水位；而以淮河流域为代表的的东部季风区年均降水量为844.1mm，降水量丰富，从而形成高潜水位。文献[8]利用主成分分析法研究内蒙古苏木山华北落叶松人工林土壤养分变化规律，研究表明内蒙古属于典型的半干旱地区，地下水位较深，土壤类型多为栗钙土，并且随着林龄增加，土壤pH值、速效磷、速效钾含量降低。文献[9]研究甘肃省武山县土壤养分特征及综合肥力评价，研究表明甘肃农田的土壤养分不均，受干旱季风气候的影响，年降雨量少，其地下水位埋藏较深，是典型的低浅水农田，其中有机质和碱解氮含量处于缺乏范围，全氮含量处于中等范围；全磷、有效磷和全钾含量处于丰富范围。文献[10]研究陕西榆林沙地樟子松人工林土壤养分变化特征，研究表明榆林地表土壤也是典型的低浅水耕地土壤，土壤结构疏松、土壤通气和保水性差，速效钾、碱解氮、速效磷处于缺乏范围，整体土壤肥力偏低。文献[11]研究黑龙江垦区农田土壤养分平衡分析与评价，研究表明黑龙江垦区农田同样具有低浅水耕地的特征，耕层厚，腐殖质含量高，并且土壤中氮和钾养分含量处于中等水平，而磷含量处于丰富水平。

国内的研究都侧重于分析干旱或半干旱地区典型低浅水位耕地养分的变化特征，但对于我国高潜水位耕地土壤养分特征的研究较少。淮河流域是典型的高潜水位地区，选择淮南市毛集实验区焦岗湖镇孙台村作为研究对象，通过对研究区的土壤容重、有机质、速效钾、有效磷和全氮等11项指标含量变化来分析土壤养分质量的变化特征，选用灰色关联度分析法评价研究区域范围内土壤养分的丰缺状况，为淮河流域高潜水位耕地土壤保水保肥提供一定的理论基础和技术指导。

1 研究区概况

淮南市毛集综合实验区位于淮南市西南部，淮河与西淝河交汇处[12]，地势东南低、西北高，临近淮河和焦岗湖水域，地下水埋深在1～2m。毛集实验区属北亚热带季风气候，日照充足，降水充沛。孙台村位于淮南市毛集实验区焦岗湖镇，地处淮河和焦岗湖之间。农田总面积约为4 853亩，主要农作物以小麦、玉米为主，辅助以黄豆和红薯等农作物种植。

2 材料与方法

2.1 样品采集与处理

2020a 9月，在研究区域内，采用网格布点法采集土壤样品。根据《耕地地力调查与质量评价技术规程》[13]确定调查采样点位置数量，孙台村农田总面积约为4 853亩，按照500亩一个采样点进行计算，再综合考虑实际农田情况，最终确定16个采样点。每个采样点取0～20cm深度的土方垂直取样，拣出碎石、砂砾、植物残体，土壤样品经充分混合后用四分法取舍，保留1kg左右混合土样，装入样品袋，贴上标签，标注采样编号、时间、地点和GPS坐标等详细信息，带回实验室处理和分析。土壤样品在土样风干盘内进行自然风干，经过去杂、研磨、过筛和装袋后放置在干燥器待测。

2.2 分析测试方法

本次土壤样品的测定方法按照《土壤技术分析规范》进行测定分析。综合考虑土壤养分的物理和化学性质，共选取11项指标用于质量评价，其中土壤酸碱度(pH值)采用电位法测定；土壤机械组成采用激光粒度仪测定；土壤容重采用环刀法测定；阳离子交换量(CEC)采用三氯化六氨合钴浸提-分光光度法测定；水溶性盐分采用重量法测定；有机质(SOM)采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；碱解氮(AN)采用碱解-扩散法测定；有效磷(AP)采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾(AK)采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定；全氮(TN)采用CHN元素分析仪分析测定；全磷(TP)采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法；全钾(TK)采用酸溶-火焰光度法测定。

2.3 评价方法

1)单个指标分析 本研究区单个指标分析与评价，采用全国第二次土壤普查土壤养分的分级标准进行评价[14]。

2)灰色关联度分析模型建立 将上述16个采样地土壤的土壤 pH值、容重、有机质、速效钾、有效磷、碱解氮、全钾、全磷、全氮等11种指标作为一个灰色系统，则每个不同采样点土壤作为灰色系统的一个因素，应用灰色关联度分析法[15]对孙台村研究区土壤养分进行综合分析。

①参考数列

以各指标的最优值构成理想的参考数列：X0(k)={X0(1)，X0(2)，X0(3)，…X0(n)}，以各指标的测定值构成比较数列：Xi(k)={Xi(1)，Xi(2)，Xi(3)，…，Xi(n)}，其中，k=1，2，3，…，n，n为测定指标数(此处为13)，i=1，2，3，…，m，m为测定不同采样点(此处为16)。

②指标的无量纲化

将各指标的测定值转化为评价值，用Xi’(k)=Xi(k)/X0(k)对原始测量数据进行无量纲化处理，使所有数据在[0，1]区间之内。

③灰色关联系数

求比较数列Xi与参考数列X0各对应点的绝对差值，Δi(k)为i点的指标测定值Xi与理想值X0在第k个指标上的绝对差值，则理想数列X0和比较数列Xi在k点的关联系数ζi(k)为

(1)

式中：min min|X0(k)-Xi(k)|为二级最小差；max max|X0(k)-Xi(k)|为二级最大差；ρ为分辨系数，本研究ρ为0.5。

④等权关联度

根据ζi(k)求出不同采样点土壤养分的等权关联度γi为

(2)

⑤指标的权重

在实践中，反映土壤养分的各性状指标的重要性是不同的，因此，需要对土壤养分各指标赋予不同的权重系数。根据式(2)中计算得到的不同采样点土壤养分的等权关联度γi，运用判断矩阵法确定各评价指标的权重，构建判断矩阵，并作一致性检验，最终确定各土壤养分指标的权重Wi(k)。

(3)

⑥灰色关联度

(4)

2.4 数据处理与质量控制

采用SPSS24.0 软件对数据进行平均值、标准差和变异系数的统计分析，灰色关联度采用Matlab2016 软件分析计算，图件用Origin2018软件制图。为控制样品的预处理及仪器分析质量，采用土壤有效态成分分析标准物质(GBW07461)进行质量控制，回收率控制在92%～110%。

3 结果分析

3.1 土壤物理特性

1)土壤质地组成分析 按照国际制将土壤质地分为砂粒(2～0.02mm)、粉粒(0.02～0.002mm)、黏粒(<0.002mm)，孙台村耕地的土壤经过质地分析得出，6.25%属于壤土，12.5%属于砂质壤土，81.25%属于粉砂质壤土。

2)土壤容重 孙台村耕地土壤容重在1.11～1.69g·cm-3，各个采样点土壤容重空间分布整体差异性不大(见图1)，根据全国第二次土壤普查标准，土壤容重整体上属于偏紧实水平。研究表明[16-17]，土壤过于紧实不利于农作物的生长，应该对土壤进行适当翻耕，才能有效降低土壤紧实度，从而改善耕层土壤结构，有利于农作物的生长发育。

图1 土壤容重等级分布图

3.2 土壤化学特性

采用全国第二次土壤普查土壤养分的分级标准进行评价。分析表1，孙台村耕地土壤有机质的平均含量为19.33g·kg-1，属于4级贫乏；有效磷平均含量为4.80mg·kg-1，属于5级较贫乏；速效钾平均含量为210.71mg·kg-1，属于1级较丰富；全氮平均含量为1.01g·kg-1，属于3级适量；全磷平均含量为0.09mg·kg-1，属于6级贫乏；全钾平均含量为20.58mg·kg-1，属于2级较丰富。变异系数表示空间变异程度，孙台村耕地土壤pH值的变异系数为3.33%，属弱变异；土壤中全钾的变异系数为9.23%，也属于弱变异。除pH值和全钾外其他养分元素的变异系数大部分都在10%～100%之间，属于中等变异，有效磷的变异系数最大，主要是由于磷素在土壤中迁移变化小，作物吸收率低，受耕种、施肥等人为因素影响明显。孙台村耕地土壤pH值范围为6.60～7.50之间，平均值为7.21，根据土壤酸碱度分级标准[18]，25%的采样点土壤呈中性，75%的采样点土壤呈弱碱性。阳离子交换量代表了土壤可能保持的养分数量，即保肥性的高低，是土壤缓冲性能的主要来源，也是评价改良土壤和合理施肥的重要依据[19]。从表1可知，阳离子交换量数值在8.27～22.09cmol·kg-1，孙台村保肥能力强的土壤样点占比为6.25%，保肥能力中等的土壤样点占比为62.5%，保肥能力弱的土壤样点占比为31.25%。总体上看，孙台耕地土壤阳离子交换量较丰富，交换能力属于中等偏上和较强水平，阳离子交换量的空间分布整体呈中间高两边低的格局。

表1 土壤养分描述性统计量

孙台村耕地土壤有机质空间分布整体呈北高南低、东高西低的格局。孙台村耕地土壤有机质等级分布在3级和4级，50%的土壤呈3级适量水平，50%的土壤呈4级贫乏水平。土壤有机质含量分布在10.60～27.60g·kg-1之间，且浓度梯度变化较明显，如图2(a)所示。

孙台村耕地土壤碱解氮空间分布整体比较均匀，没有较大的差异。孙台村耕地土壤碱解氮等级分布如下：6.25%的土壤呈4级贫乏水平，81.25%的土壤呈5级较贫乏水平，12.5%的土壤呈6级非常贫乏水平。整体上，土壤的碱解氮含量较低，处于土壤的中等偏下和较贫乏水平，如图2(b)所示。

孙台村耕地土壤速效钾空间分布整体呈中间高两边低的格局。孙台村耕地土壤速效钾等级分布如下：50%的土壤呈1级较丰富水平，37.5%的土壤呈2级丰富水平，12.50%的土壤呈3级适量水平。土壤速效钾含量属于中等偏上和丰富水平，如图2(c)所示。

孙台村耕地土壤有效磷空间分布整体呈中间低两边高，北低南高的格局。孙台村耕地土壤有效磷等级分布如下：孙台村耕地样点有6.25%的土壤有效磷呈3级适量水平，43.75%的土壤有效磷呈4级贫乏水平，31.25%的土壤有效磷呈5级较贫乏水平，18.75%的土壤有效磷呈6级非常贫乏水平。总体上，土壤有效磷含量差异较大，属于土壤的中等水平和较贫乏水平，且浓度梯度变化非常明显，如图2(d)所示。

孙台村耕地土壤全氮空间分布整体呈西北低东南高的格局。孙台村耕地土壤全氮等级分布如下：68.75%的土壤呈3级适量水平，31.25%的土壤呈4级贫乏水平。总体上，土壤的全氮含量属于土壤的中等偏上水平，如图2(e)所示。

孙台村耕地土壤全磷空间分布整体呈均匀分布的格局。全钾空间分布整体呈中间高四周低的格局。孙台村耕地土壤全磷和全钾等级分布如下：100%的土壤全磷呈6级非常贫乏水平。总体上，土壤的全磷含量无差异，属于土壤的较丰富水平，浓度梯度变化也不是很明显。18.75%的土壤全钾呈1级丰富水平，81.25%的土壤全钾呈2级较丰富水平，如图2(f)和图2(g)所示。

(a) 有机质 (b) 碱解氮

3.3 土壤养分灰色关联评价

1)土壤养分指标区间化和关联系数 根据灰色系统理论要求，将孙台村耕地16个采样点土壤的11个指标视为一个整体，在土壤 pH值、容重、阳离子交换量、水溶性盐分、有机质、速效钾、有效磷、碱解氮、总钾、总磷、总氮等11个指标中，将原始数据进行均值化变换得到新的数据列。根据孙台村耕地土壤养分的特点，11个指标均选择其均值数值最大为最优， 构成最优指标集，最优指标集分别为x(k)={1.685 0，7.50，22.087 9，6.731 0，27.616 2，76.878 9，10.465 3，335.226 7，1.450 7，0.100 0，27.703 0}。

由于各指标的量纲不一定相同，且有时数值的数量级相差悬殊，指标之间无法进行定量比较。因此必须对原始数据消除量纲，转换为可比较的数据序列[20]。因此，为了合理评价孙台村耕地的土壤养分水平，必须对各指标进行无量纲区间化处理。采用指标区间化方法对11个指标进行无量纲化处理，容重按照逆向指标归一化处理，其他10项指标进行正向指标处理，处理后各指标均在[0～1]之间变化如表2所示。然后根据公式计算土壤养分的灰色关联度系数和等权关联度，结果见表3。

表2 土壤养分指标区间化结果

表3 土壤养分因子灰色关联度系数和等权关联度

2)评价模型的结果分析 在各土壤养分指标重要性相同的情况下，需计算出各指标的等权关联度，才能直接用于评价不同采样点土壤养分的高低。将计算出的16个采样点的等权关联度，对照土壤养分灰色关联度评价标准(见表4)，其中，土壤属于Ⅱ级(良)的样点分别是5、8、12、13、15号，占全部样地的31.25%，土壤属于Ⅲ级(一般)的样点分别是1、2、3、4、6、7、9、10、11、14、16号，占全部样地的68.75%。在空间分布上来看，Ⅱ级(良)主要集中在孙台村中部地区，Ⅲ级(一般)主要分布在东部和西部地区。

表4 土壤养分灰色关联度评价标准

4 讨论

研究土壤养分质量的变化对农业的可持续发展有着直接的影响。土壤容重、有机质、土壤中氮、磷、钾等是土壤养分质量的重要影响因子，也是相对容易受人类活动作用改变的土壤养分质量因素[21]。土壤容重可反映人类活动对土壤的压实作用，质地相同的土壤，容重越大的土壤孔隙度越小，土壤蓄水、透水、通气性能越差[22]。孙台村耕地土壤质地属于粉砂质壤土，土壤容重偏紧实，与文献[23]研究耕作方式和土壤类型对皖北农田土壤紧实度结果不一致，建议采取措施对土壤进行疏松处理。孙台村耕地土壤pH平均值为7.21，呈弱碱性，由于土壤酸碱度主要受成土母质的影响，淮河流域土壤主要是近代黄泛冲积物母质耕层，土壤母质酸碱度主要呈弱碱性和碱性，与文献[24]研究安徽淮北平原农田土壤酸碱度特征及酸化趋势的结论一致。孙台村耕地土壤有机质、全氮、碱解氮都处于4级贫乏及以下水平，不同区域之间耕层有机质含量不平衡，孙台村耕地是淮河流域典型高潜水位耕地，有机质、全氮、碱解氮等养分容易流失，建议进一步增加有机肥料的用量，为提高土壤保肥性能提供有力保障。孙台村耕地土壤全钾、速效钾均处于2级以上水平较丰富水平，文献[25]研究皖南农田耕层土壤肥力变化，结果表明土壤钾素投入有盈余，造成钾素在土壤中累积残留量较多，土壤全钾与速效钾含量中等偏上，与本研究结果基本一致。土壤全磷、有效磷均处于4级贫乏水平，文献[26]研究耕地土壤养分，认为主要受施肥历史影响，与土壤本身理化性质有关，如成土母质中富含磷，而孙台村耕地的成土母质的耕地土壤供磷能力差，易造成磷素的流失，建议在今后的施肥过程中应该增氮磷限钾。

本研究采取单个指标评价只能看出区域内单个养分因子的丰缺状况，无法对区域土壤养分进行综合评价；而在此基础上，应用灰色关联分析法进行综合评价，它不同于通常使用的因子均衡分析和协调分析方法，可对不同土壤养分特性的综合优势进行排序和定量分析，是多因素决策分析中一种简便有效的方法，解决了众多养分因子作用的排序问题，得出了孙台村耕地土壤养分综合状况[27]。孙台村耕地土壤养分灰色关联评价指数范围为0.55～0.85，对照养分质量评价等级状况处于Ⅱ(良)-Ⅲ(一般)等级，综合养分质量评价等级处于一般偏上，与实际调查情况相符。因此，灰色关联评价可以应用到淮河流域高潜水位耕地养分评价上来。

5 结论

(1)孙台村耕地土壤pH值以弱碱性为主，容重呈偏紧及以上水平，对照全国第二次土壤普查养分分级标准分析结果表明：有机质含量整体上呈4级较缺乏水平；土壤碱解氮的含量整体上呈5级缺乏水平；速效钾的含量整体上呈1级丰富水平；土壤有效磷的含量整体上呈4级较缺乏水平；土壤中全氮含量整体上呈3级适量水平；土壤中全磷含量水平呈6级非常贫乏水平；土壤中全钾含量整体上呈2级丰富水平。

(2)灰色关联评价结果表明：孙台村耕地土壤属于Ⅱ级(良)的占全部样点的31.25%，土壤属于Ⅲ级(一般)的占全部样点的68.75%。

(3)孙台村耕地具备典型高潜水位耕地特点，土壤质地以粉砂质壤土和砂质壤土为主，其中黏粒含量较低。土壤抗蚀力和保水、保肥能力相对较差，生产能力低下，同时水土易流失，造成土壤质量退化，使农作物减产。结合孙台村土壤质量评价结果，建议增施有机肥与绿肥等措施，适量补充磷肥和氮肥，加强土壤养分管理，提升耕地生产力，形成淮河流域高潜水位耕地质量提升、养分高效管理的可复制、可推广的技术模式。