渭北旱塬土地整治新增耕地土壤养分特征及肥力等级评价——以合阳县为例

胡 一，王 晶，李 刚

（陕西省土地工程建设集团有限责任公司；陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司；自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室；陕西省土地整治工程技术研究中心；自然资源部土地工程技术创新中心，西安 710021）

0 引言

当前中国经济已步入高质量发展阶段，新型工业化、城镇化建设持续深入推进，要实现区域和城乡平衡发展，均衡发展，就要统筹推进乡村振兴和新型城镇化建设，进一步扩大城市化建设规模。在此过程中，占用大量耕地不可避免，土地整治在盘活存量土地、节约集约用地、适时补充耕地和提升土地产能方面发挥着巨大作用[1]，已成为目前最大规模改变土地利用方式和影响陆地生态系统的人类活动之一[2]。土地整治后，土地生产条件对农业生产的限制已经基本解除[3]。土壤养分状况则成为新的制约农业生产的关键因素，土壤养分是新增耕地能否实现高产稳产和实现可持续性发展的主要判断标准[4]。目前，有关土地整治的研究已经受到了学者们的广泛关注，在土地整治理论研究[5]、效益分析[6]、土地整理区划与规划[7-11]等方面都取得了较为系统性的研究成果。但前人的研究主要注重解决制约农业发展的外部因素，土壤有机结构、农田管理、植物营养保障等方面的因素研究还不深入。研究新增耕地土壤养分特征，有针对性地采取合理施肥及耕作技术，对于提高土地资源及肥料养分资源的利用率具有重要的理论和实践意义。渭北旱塬水热条件适宜农作物的种植，是陕西农业生产的主要基地[12]，有学者研究表明渭北旱塬的耕地面积不断衰减[13-14]，通过土地整治等人为干预手段实现渭北旱塬耕地总量动态平衡迫在眉睫。目前关于该区域土壤养分的研究多集中在连续性较强的耕地土壤上[15-17]。关于新增耕地养分分析尤其是进行多指标综合评价的研究鲜有报道。因此，本研究以地处渭北旱塬东部的陕西省合阳县12个乡镇的土地整治项目新增耕地为对象，研究合阳县域内不同区域土地整治项目中新增耕地土壤养分状况并对其进行评价，旨在为新增耕地后期管理和当地农业生产实践提供数据支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

合阳县位于陕西省关中平原东北部，渭北旱塬东部，渭南市中东部（东经 109°58′—110°25′，北纬 34°59′—35°26′），东邻黄河，与山西省临猗县相隔；西隔大峪河，与澄城县毗邻；北依梁山，与韩城市及黄龙县接壤；南部为铁镰山，与大荔县和澄城县相连[14]，研究区平均海拔721 m，为暖温带半湿润偏旱季风气候，降雨量分配不均，主要集中在7—9月，降雨量553 mm，年均温度为11.5℃，昼夜温差较大，整个县域呈阶梯地形，自东南向西北逐渐升高，海拔从335～1543 m，落差较大，南北长41.8 km，东西宽35.6 km，总面积1328.71 km2，地貌类型依次为河谷阶地、黄土台塬和低中山。辖区12个乡镇，215个行政村（社区），总面积1437 km2，总人口51万。

1.2 样品采集

在合阳县12个乡镇的典型土地整治项目设点采样，在每块研究样地上，按照梅花采样法分为5个点，然后按照“随机”、“等量”和“多点混合”的原则进行采样[18]，分别采集表层(0～30 cm)土样，每个土样1000 g左右，装袋带回实验室风干处理并进行室内分析（表1）。

表1 新增耕地取样点数目及区位

1.3 检测项目及方法

土壤在实验室内自然风干，按照常规方法进行处理[19]，检测方法如表2。

表2 土壤各项指标及测定方法

选取土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾4项指标作为新增耕地土壤肥力的评价因子。各项指标的量级划分参照全国第二次土壤普查分级标准[20]，具体划分如表3。

表3 各级别分布下土壤肥力指标

1.4 数据统计及分析

采用Excel进行数据录入、整理及制图，SPSS.18.0进行统计分析。

1.5 物元模型评价方法

采用物元模型进行土壤养分评价。土壤养分是一个多指标体系，某个特定指标只能描述某一侧面。基于可拓理论的物元分析法充分考虑到每一个土壤养分的指标，并将其作为土壤养分的内部结构，每个指标都是土壤养分的质和量的统一体。通过引入负数的概念建立各个指标与整体的关联度，综合各种因素的全部信息，从而全面地反映土壤养分的内部结构和各个指标彼此之间的关系，更好的判定区域土壤养分的基本情况。各个指标评价权重，在通过一致性检验的基础上，采用层次分析法(AHP)进行计算确定[21]。根据4个指标的分级标准，构造物元模型，结合所确定的权重系数对结果进行计算评价，得出土壤的养分等级[22]。

2 结果与分析

2.1 新增耕地土壤养分含量统计分析

由表4可知，合阳县土地整治项目新增耕地土壤养分含量普遍较低，其中有机质平均含量8.66 g/kg，全氮1.30 g/kg，有效磷18.66 mg/kg，速效钾151.21 mg/kg。根据全国第二次土壤普查分级标准，合阳县新增耕地土壤有机质属于四级，全氮、有效磷属于三级，速效钾属于二级。整体来看土壤有机质含量偏低，而全氮、有效磷为适中水平，速效钾较丰富，可能是因为土地整治 措施例如机械碾压、土壤深翻、表土剥离以及回填，打破了土壤的原始状态，并且新增耕地土壤来源主要为生土，故土壤肥力整体水平偏低。新增耕地土壤养分变异系数介于0.06～0.86之间，根据ZHANG等[23]对变异系数的划分，当变异系数小于10%时属于弱变异，10%～90%为中等变异，大于90%则为高度变异，合阳县新增耕地土壤养分介于弱变异到中等变异之间。

表4 合阳县不同区位新增耕地土壤养分含量

续表4

2.2 新增耕地土壤养分含量特征

2.2.1 有机质 合阳县新增耕地土壤有机质含量为5.09～12.23 g/kg，不同地区土壤有机质含量由大到小依次为：黑池镇、和家庄镇、洽川镇、王村镇、城关镇、坊镇、甘井镇、百良镇、新池镇、金峪镇、同家庄镇、路井镇。新增耕地土壤有机质含量变异系数在13.86%～56.95%之间，属于中等变异。土壤养分的变异系数是土壤内在性质的反映，能够区别不同土壤养分对外界条件的敏感性[24]，土壤有机质含量变异系数较大可能是由于新增耕地土壤来源不一导致。

2.2.2 全氮 新增耕地土壤全氮为0.76～1.57 g/kg，不同地区土壤全氮含量由大到小依次为：金峪镇、黑池镇、王村镇、新池镇、坊镇、城关镇、同家庄镇、甘井镇、和家庄镇、洽川镇、百良镇、路井镇。合阳县新增耕地土壤全氮含量变异系数在18.82%～86.43%之间，百良镇土壤全氮变异系数达到86.43%，说明土壤全氮含量在土壤中不稳定，可能和氮的挥发、淋溶等较强的迁移性有关，今后需要在农田管理过程中加强土壤肥力保障。

2.2.3 速效磷 新增耕地土壤有效磷含量为7.1～32.53 mg/kg，不同地区土壤速效磷含量由大到小依次为：百良镇、坊镇、城关镇、洽川镇、甘井镇、和家庄镇、黑池镇、同家庄镇、金峪镇、王村镇、新池镇、路井镇。合阳县新增耕地土壤速效磷含量变异系数在13.20%～83.51%之间，其中以金峪镇83.51%最大，新增耕地土壤速效磷较强的变异性一方面是由于新增耕地客土来源不一，另一方面可能和土壤磷素易转化成难溶性化合物有关。

2.2.4 速效钾 新增耕地土壤中速效钾含量为95.8～293.9 mg/kg，不同地区土壤速效磷含量由大到小依次为：洽川镇、黑池镇、王村镇、和家庄镇、新池镇、坊镇、城关镇、金峪镇、甘井镇、路井镇、同家庄镇、百良镇。合阳县新增耕地土壤速效钾含量变异系数在6.27%～73.91%之间，其中百良镇土壤速效钾变异系数最小为6.27%，坊镇土壤速效钾变异系数最大为73.91%。严玉梅研究表明陕西省当前耕层土壤有机质、全氮、速效磷平均含量要低于全国水平，速效钾含量略高于全国水平[25]。因此合阳县新增耕地土壤速效钾相对其他养分，含量较高，达到了较丰富水平。

2.3 新增耕地土壤养分综合评价

针对合阳县新增耕地的土壤特征，选取了有机质、全氮、有效磷、速效钾4个指标作为评价因子进行评价。通过层次分析法确定权重并运用物元模型，对合阳县新增耕地项目土壤养分质量进行评价研究。

2.3.1 确定指标权重 采用AHP法对各指标进行赋权。通过构造判断矩阵，求出最大特征值λmax及其特征向量并归一化，可得最大特征值λmax=3.98，对应特征向量即权重集W=(0.5559，0.2316，0.1371，0.0754)。计算出一致性指标Ic=0.0026，查表得出平均随机性指标IR=0.9，则随机一致性比率Rc=Ic/IR=0.003＜0.1，表示结果具有满意一致性，无需进行调整。

2.3.2 确定经典域、节域和待判物元 采用全国第二次土壤普查土壤养分的分级标准进行评价（表3），将土壤养分分为丰富、较丰富、适量、贫乏、极贫乏5个等级进行分等评价，分别用罗马数字Ⅰ～Ⅴ表示。根据表3建立经典域物元R1、R2、R3、R4、R5与节域物元RP，如式(1)～(7)所示。由于实测数据中速效钾含量有部分超出经典域范围，故对应c4的量值范围进行相应的扩展。

以合阳县洽川镇新增耕地土样为例，土壤有机质9.53 g/kg，全氮1.16 g/kg，有效磷19.66 mg/kg，速效钾293.96 mg/kg。则待判物元如式(7)所示。

2.4 计算关联度，并确定质量等级

计算待判物元Rx1关于各个单指标的关联度及综合关联度，即可确定该土壤样品养分的等级。以洽川镇土样S1单指标c1（有机质）为例，v1=9.53，可得到该指标对应的各评价等级关联度分别为K1(v1)=-0.6824，K2(v1)=-0.5236，K3(v1)=-0.0472，K4(v1)=0.1181，K5(v1)=-0.2702，依据判断标准，判定该指标的土壤养分级别属于N4，即贫乏级别。同样方法可以求出S1其他各项指标对应各等级的关联度及其养分级别。计算出所有指标对应各评价等级的综合关联度，并依据判断标准，判定该镇新增耕地土壤养分级别。

2.5 质量评价

通过以上方法，可以得出合阳县12个镇新增耕地土壤样本关于各质量等级的综合关联度，并最终确定土壤养分级别（表5）。合阳县土地整治项目区新增耕地土壤养分普遍较低，其中评价结果显示Ⅲ级占8.3%，Ⅳ级占83.4%，Ⅴ级占8.3%。

表5 合阳县新增耕地土壤养分质量评价结果

3 结论

合阳县土地整治项目区新增耕地土壤养分含量较低，Ⅳ级贫乏等级土壤占83.4%，肥力提升空间较大。土壤养分含量和分布会受到微地形、植被、土壤发育以及人为活动的影响，在土地整治项目施工过程中，改变了地形地貌、植被覆盖以及土壤状况，因此对土壤养分产生了较大的影响。魏样[26]以渭北黄土高原沟壑区白水、蒲城、富平三县新增耕地土壤养分状况得出，土壤有机质处于中等水平，全氮含量较低，有效磷和速效钾含量均处于较高水平。师晨迪[27]研究表明渭北台塬区澄城县土地整治项目新增耕地土壤肥力处于中低水平，且造成新增耕地土壤肥力指数低下的最主要因素是缺少土壤有效磷和土壤有机质。本研究与前人的研究结果基本一致。

4 讨论

王倩[15]、杨艳[16]在对渭北旱塬东部的陕西省合阳县甘井镇研究中发现，与连续翻耕相比，轮耕、深松处理能显著提高土壤养分含量。根据本研究结果，建议结合当地经济水平和施肥习惯，优先考虑使用当地农家肥等有机肥，同时，适量增加化肥施用量。在种植方式上，建议除黑池镇外，其余11个乡镇采用种植1年豆科作物和2年小麦的粮豆3年轮作种植模式。第一年春季种植一年生豆科作物，如有豌豆、绿豆、大豆等，秋季播种小麦；第二年春季小麦收获后深耕深松，秋季播种小麦；第三年春季小麦收获后，开始休耕，后进入新一轮轮作周期[28]。通过层次分析法确定权重，并将物元模型应用于合阳县土地整治项目区新增耕地土壤养分质量评价当中，能够较好地反映土壤养分的实际情况，说明该评价方法具有较强的可行性和可操作性，评价结果可为新增耕地土壤养分质量评价及测土配方施肥、土地开放性利用提供重要依据。