宿州市耕地土壤养分时空变化特征分析

丁琪洵，詹雪洁，张天恩，许诺，马秀婷，张长坤，马友华*

（1.农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室，安徽农业大学资源与环境学院，合肥 230036；2.宿州市农业农村局，安徽 宿州 234000；3.安徽华成种业股份有限公司，安徽 宿州 234000）

土壤有机质、有效磷、速效钾等土壤养分含量的丰缺程度决定着土壤肥力的高低，直接影响农作物的生产和产量，因此深入分析土壤养分的时空变化规律及其产生的原因具有重要意义。了解掌握土壤养分时空变异性的驱动因素能够监测土壤肥力变化、指导各地区改进施肥技术、开展科学有效养分管理，为构建生态高值农业产业体系奠定基础。近年来，国内外对不同尺度下耕地土壤养分时空变化开展了大量研究，研究尺度主要包括省级、市级、县域、流域、丘陵区等尺度[1-5]；种植作物类型包括烟草、芒果、小麦、茶叶等[6-8]；影响土壤养分时空变化特征的因素主要包括气候因子、坡向、土壤理化性质、地貌等自然因素，以及土地利用、施肥、种植结构、采样间距等人为因素[9-13]。但目前耕地养分变化研究系统性不够，时间尺度上长期性尚欠缺。本研究基于宿州市2009 年测土配方施肥项目、2019 年耕地质量等级评价项目中耕地质量长期监测点位以及布点均匀合理能够代表典型地块的采样点的养分数据，建立宿州市及各县区的耕地土壤养分评价数据库，利用地统计学结合GIS 反距离权重空间插值的方法，探究宿州市耕地土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾的时空分布特征和养分变化影响因素。研究结果可为宿州市土壤养分分区管理和农户精准施肥提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宿州市属于我国粮食生产核心区的黄淮海区，是重要的农产品生产供应基地，位于安徽省北部、黄淮海平原南端，东至东北与江苏省宿迁市、徐州市接壤，南临蚌埠市，西至西北与淮北市、河南省商丘市、山东省菏泽市毗邻，在东经116°09′～118°10′、北纬33°18′～34°38′之间，地势自西北向东南倾斜，主要地形地貌为丘陵、阶地、平原。宿州市年降雨量在630.3～1 040.8 mm 之间，属暖温带半湿润季风气候区，辖砀山县、萧县、灵璧县、泗县和埇桥区，主要农作物有小麦、玉米、大豆、蔬菜等。2019 年宿州市第二次国土调查显示总耕地面积为575 034.50 hm2，宿州市统计年鉴数据显示，2020 年宿州市粮食作物播种面积约94 万hm2，总产量516.55 万t。宿州市主要土壤类型包括潮土和砂姜黑土，二者占宿州市耕地总面积的97.31%。其中：潮土占耕地总面积的56.08%，主要分布在宿州市北部的砀山县和萧县全县，以及埇桥区、灵璧县、泗县的北部地区；砂姜黑土占耕地总面积的41.23%，主要分布在宿州市埇桥区、灵璧县、泗县的南部地区。此外，黄褐土、石灰（岩）土、水稻土在解集乡、庄里乡、官桥镇等零星分布。

1.2 数据来源

数据主要包括比例尺1∶50 000的宿州市土壤图、宿州市行政区划图、第二次国土调查土地利用现状图、宿州市统计年鉴、2005 年以来的测土配方施肥数据库及图件、宿州市耕地质量长期定位监测点点位信息、2019 年宿州市耕地质量等级评价数据库。宿州市测土配方采样期为2005—2009 年，于2010 年完成耕地地力评价并建立测土配方施肥数据库，涵盖宿州市耕地5 297 个采样点的基础养分数据。宿州市2019 年完成耕地质量等级评价数据库建立，涵盖1 577 个采样点的基础养分数据，原始数据均由宿州市农业农村局提供。宿州市2010年和2019年的土壤养分调查点位分布如图1所示。

图1 宿州市不同时期土壤养分调查点位分布图Figure 1 Distribution map of soil nutrient survey points in different periods of Suzhou

1.3 研究方法

将宿州市土壤图、第二次国土调查土地利用现状图、行政区划图三图叠加形成宿州市耕地土壤养分指标评价单元，即相同土壤单元、土地利用现状类型和行政区划单位的地块组成一个评价单元。再利用ArcGIS 软件进行反距离权重插值，将采样点的养分数据通过以点代面的方式在耕地土壤养分评价单元上进行赋值，形成不同土壤养分的分布图。

1.4 耕地养分分级标准

参照农业农村部耕地质量监测保护中心发布的耕地监测函〔2019〕30号文件、安徽省耕地质量监测指标分级标准[14]，将耕地土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量分为五级，具体见表1。

表1 安徽省耕地质量监测指标养分分级标准Table 1 Nutrient classification standard of cultivated land quality monitoring index in Anhui Province

2 结果与分析

2.1 宿州市耕地土壤有机质时空变化特征

有机质是评价耕地质量的重要养分指标。从土壤有机质含量的时空变化情况来看，2019 年宿州市耕地土壤有机质平均值为17.95 g·kg-1，比2010 年平均值（16.91 g·kg-1）提升了1.04 g·kg-1。2010 年宿州市各县区有机质含量均值由高到低依次为萧县＞泗县＞埇桥区＞灵璧县＞砀山县，2019 年由高到低依次为埇桥区＞泗县＞萧县＞灵璧县＞砀山县。9 年来宿州市砀山县、灵璧县和埇桥区的耕地土壤有机质均值分别提升0.66、1.12 g·kg-1和4.13 g·kg-1，萧县和泗县有机质均值分别降低1.60 g·kg-1和0.26 g·kg-1；不同土类的有机质含量均值呈砂姜黑土显著提升、潮土和黄褐土略微提升、石灰岩土和水稻土略微下降的变化规律（表2、表3）。

表2 2010年和2019年宿州市各县区耕地养分含量（均值±标准差）统计Table 2 The nutrient content（Mean±SD）of cultivated land of different county in Suzhou in 2010 and 2019

表3 2010年和2019年宿州市各土类耕地养分含量（均值±标准差）统计Table 3 The nutrient content（Mean±SD）of cultivated land of different soil category in Suzhou in 2010 and 2019

从空间分布特征（图2）看，2019 年宿州市耕地土壤有机质含量主要处于中等水平，面积为437 005.35 hm2，占宿州市总耕地面积的76.00%（表4）。砀山县有机质含量处于较低级别（Ⅳ级）的耕地面积占比最大，面积为24 646.98 hm2，灵璧县、泗县、萧县和埇桥区有机质含量处于中等级别（Ⅲ级）的耕地面积占比最大。从图2 中耕地土壤有机质空间分布可知，有机质含量表现为：砀山县整体较缺，萧县酒店乡较缺，埇桥区朱仙庄、灰古等中部乡镇较丰富，灵璧县含量整体中等，泗县大路口、墩集等个别乡镇较缺。

2.2 宿州市耕地土壤全氮时空变化特征

从土壤全氮含量的时空变化情况来看，2019 年宿州市耕地土壤全氮平均值为1.06g·kg-1，与2010 年全氮的平均值（1.07 g·kg-1）基本持平。9 年来宿州市灵璧县、泗县和埇桥区的耕地土壤全氮含量平均值基本稳定，砀山县全氮含量均值提升0.17 g·kg-1，萧县全氮含量均值略微降低0.10 g·kg-1，同时宿州市各土类全氮含量平均值也基本持平（表2、表3）。2019 年宿州市全氮多为中等水平，面积为349 618.23 hm2，占宿州市耕地总面积的60.80%。2019 年宿州市耕地土壤全氮含量空间分布特征为：砀山县全氮处于较低级别（Ⅳ级）的耕地面积占比最大，为52.74%；其余县区全氮处于中等级别（Ⅲ级）的耕地面积占比最大（表4）。比较图2 中耕地土壤全氮含量分布可知，全氮含量表现为：砀山县整体较缺，埇桥区栏杆镇等北部乡镇缺乏，灵璧县浍沟、尹集镇等中部乡镇较丰，萧县酒店乡、赵庄镇等西部乡镇较缺，泗县丁湖镇、大路口乡等南部乡镇较缺。

图2 宿州市不同时期耕地土壤养分含量分布图Figure 2 Distribution map of soil nutrient contents of cultivated land in different periods in Suzhou City

续图2 宿州市不同时期耕地土壤养分含量分布图Continued figure 2 Distribution map of soil nutrient contents of cultivated land in different periods in Suzhou City

2.3 宿州市耕地土壤有效磷时空变化特征

土壤有效磷含量是衡量土壤养分容量和强度水平的重要指标，耕地土壤中的磷一般以无机磷和有机磷两种形态存在。从土壤有效磷含量的时空变化情况来看，2019 年耕地土壤有效磷含量平均为16.44 mg·kg-1，比2010 年（14.84 mg·kg-1）提高了1.60 mg·kg-1。2010 年宿州市各县区有效磷含量均值由高到低依次为砀山县＞萧县＞埇桥区＞灵璧县＞泗县，2019年由高到低依次为埇桥区＞砀山县＞灵璧县＞萧县＞泗县。9 年来灵璧县、泗县和埇桥区的耕地土壤有效磷平均值分别提升0.50、1.24 mg·kg-1和5.49 mg·kg-1，砀山县和萧县耕地土壤有效磷均值分别降低0.49 mg·kg-1和1.72 mg·kg-1；各土类呈潮土和石灰岩土有效磷含量基本持平，黄褐土、砂姜黑土和水稻土有效磷含量显著提升的变化规律（表2、表3）。

从空间分布特征（图2）看，2019 年宿州市耕地土壤有效磷含量主要处于中等水平，面积为346 931.25 hm2，占宿州市耕地总面积的60.33%。砀山县、灵璧县、萧县和埇桥区有效磷含量处于中等级别（Ⅲ级）的耕地面积占比最大，泗县有效磷含量处于较低级别（Ⅳ级）的耕地面积占比最大，面积为55 503.99 hm2（表4）。比较图2 中耕地土壤有效磷含量分布可知，有效磷含量表现为：砀山县朱楼、程庄等南部乡镇较丰，埇桥区杨庄乡、栏杆镇等北部乡镇较缺，埇桥区大营、永镇等南部乡镇较丰，萧县整体含量中等，泗县山头、黄圩等北部乡镇以及草沟、丁湖等南部乡镇较缺。

2.4 宿州市耕地土壤速效钾时空变化特征

土壤速效钾指水溶性钾和黏土矿物晶体外表面吸附的交换性钾，可以被植物直接吸收利用，在植物生长及其品质方面具有重要作用。速效钾含量水平反映了土壤的供钾能力，是土壤质量的一项重要指标。从土壤速效钾含量的时空变化情况来看，2019年宿州市耕地土壤速效钾含量平均为149.37 mg·kg-1，比2010 年均值（135.99 mg·kg-1）显著提高13.38 mg·kg-1。泗县耕地土壤速效钾含量最高，均值为178.75 mg·kg-1，砀山县和灵璧县耕地土壤速效钾含量较低，均值分别为120.36 mg·kg-1和129.23 mg·kg-1。2010 年宿州市各县区速效钾含量均值由高到低依次为泗县＞萧县＞灵璧县＞砀山县＞埇桥区，2019年由高到低依次为泗县＞埇桥区＞萧县＞灵璧县＞砀山县。9 年来泗县和埇桥区耕地土壤速效钾均值分别显著提升25.94 mg·kg-1和31.94 mg·kg-1，灵璧县和萧县耕地土壤速效钾均值分别降低8.29 mg·kg-1和5.81 mg·kg-1。各土类呈潮土、黄褐土、砂姜黑土和水稻土速效钾含量显著提升，石灰岩土速效钾含量略微下降的变化规律（表2、表3）。

从空间分布特征（图2）看，2019年宿州市耕地土壤速效钾含量多处于中等水平，面积为271 995.75 hm2，占宿州市耕地总面积的47.30%。砀山县、灵璧县、萧县和埇桥区耕地土壤速效钾含量处于中等级别（Ⅲ级）的耕地面积占比最大，泗县耕地土壤速效钾含量处于较高级别（Ⅱ级）的耕地面积占比最大，面积为47 884.29 hm2（表4）。比较图2中耕地土壤速效钾含量分布可知，速效钾含量表现为：砀山县中等，萧县张庄寨、大屯等西南部乡镇较丰，埇桥区永安、桃沟等中部乡镇含量丰富，杨庄、褚兰等北部乡镇较缺，灵璧县尹集、浍沟等西部乡镇丰富，泗县瓦坊、刘圩等北部乡镇丰富。

表4 2019年宿州市耕地质量养分含量分级及占比Table 4 Classification and proportion of cultivated land quality nutrient content in Suzhou City in 2019

2.5 耕地土壤养分指标相关性分析

通过SPSS计算皮尔逊相关系数，进而分析土壤养分指标间的相关性，土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾4个指标之间均存在0.01水平的极显著相关关系。其中有机质与全氮的正相关性最强，2010 年相关系数为0.607，2019年相关系数为0.722；有机质与速效钾的正相关性次之，2010年相关系数达到0.455，2019年相关系数为0.432。2010年土壤有效磷与其他三项指标呈负相关，相关系数较低，分别为-0.114、-0.114和-0.056；2019年土壤有效磷与其他三项指标呈正相关，相关系数较低，分别为0.267、0.222、0.139。综上所述，虽然养分指标具体数值存在差异，但表5的结果说明有机质、全氮和速效钾3个指标间的分布趋势可能具有一定相似性，而有效磷的分布趋势与其他指标可能存在一定差异。

表5 宿州市土壤养分指标相关性分析Table 5 Correlation analysis of soil nutrient indexes in Suzhou City

3 讨论

宿州市耕地土壤4 项养分指标含量的整体变化情况与全国耕地主要养分变化情况[15]一致，即耕地土壤有机质含量总体上升、全氮总体稳定、有效磷显著上升、速效钾稳中有升。研究表明，坡度、水文、成土母质、土壤类型等自然条件和耕作习惯、种植方式、机械化生产水平、生产力等人为因素的差异都会导致区域间土壤养分水平的差异。9 年来埇桥区耕地土壤有机质、有效磷、速效钾含量显著提升的原因是成土母质、地形地貌、耕层质地等自然因素引起的空间变异逐渐减小后，精耕细作、施肥与管理、种植模式等人类活动对土壤养分的影响逐渐增强[16-21]。大量研究表明施用化肥和有机肥可以提高养分含量[22]，根据2019 年宿州市统计年鉴，埇桥区第一产业的生产总值是68.43亿元，肥料投入80 021万元，平均每公顷耕地投入化肥350.8 kg。宿州市耕地土壤有机质和全氮含量空间分布高度相似，且两个养分指标的正相关性最强，这与有机质中氮素含量相对固定的研究结论较为相符。萧县耕地土壤养分水平略低的区域是酒店、黄口、马井等乡镇，其主要受土壤类型及障碍因素的影响，这些乡镇多分布在黄河古道和大沙河河床两侧，受大沙河影响，耕层质地较轻，土壤类型以潮土的飞沙土属为主[23]。由于飞沙土颗粒较粗，保水保肥能力弱，在后续改良利用中应做好防治盐碱化和改土培肥工作，完善水利配套设施，并辅以增施有机肥、种植绿肥、推进秸秆还田等措施[24-26]。泗县耕地土壤速效钾明显提升的原因主要是秸秆还田和施用钾肥。泗县山头镇、黑塔镇、屏山镇土壤由黄泛黏质沉积物发育而成，土壤类型主要是潮土的淤土，淤土质地黏重，对钾的固持能力较强，因而速效钾含量较高[27]。砀山县2010 年和2019 年的耕地土壤养分含量基本持平，且除有效磷含量较高外，其余养分指标的含量水平均排在宿州市末位，砀山县作为中国酥梨之乡，9年来更侧重于果园的施肥与管理。砂姜黑土主要分布在埇桥区、灵璧县和泗县南部，占宿州市耕地总面积的41.23%，9 年来砂姜黑土的耕地土壤养分水平明显提升，主要是由于长期耕作后土壤完成旱耕熟化过程[28-29]，在一系列灌排设施、施肥耕作后土壤形态特征发生潜育程度减轻、土体通气条件改善等变化，提高了土壤养分有效性。

2010—2019 年宿州市耕地土壤有机质、有效磷、速效钾含量明显提升而全氮基本持平的主要原因：一是施肥水平的提高，宿州市大力发展测土配方施肥[30]，截至2020 年测土配方施肥技术应用面积占农作物总播种面积的91%。宿州市根据土壤类型、土壤养分条件、作物需肥规律和需肥量等，在施用有机肥的基础上选择氮、磷、钾及中微量元素等肥料，因此2019 年宿州市耕地土壤养分水平较2010 年略有提升；二是科学合理的种植模式，如推广秸秆还田技术和水肥一体化措施[31]，设置小麦-玉米（大豆）轮作区，将夏收小麦秸秆粉碎后覆盖在玉米、大豆行间，将秋收玉米秸秆粉碎后翻压还田种植小麦，农民勤于耕作也会使耕地速效钾含量显著提升；三是就地增施有机肥[32]，宿州市养殖业的振兴为农作物施肥提供了优质的有机肥源保障，为化肥减量增效、土壤培肥提供了物质基础。根据本次土壤养分状况调查结果，宿州市可以进一步优化养分管理模式，在稳定施用氮肥、磷肥、钾肥的基础上，注重中微量元素的补给，通过开展土壤测试、肥效试验等高效利用养分，综合考虑土壤养分的丰缺程度、合理的目标产量、自然环境等因素调整养分投入比例，逐步建立既保证作物增产又保护环境的施肥指标体系。

4 结论

（1）2010—2019 年宿州市耕地土壤养分呈有机质总体上升、全氮总体稳定、有效磷显著上升、速效钾稳中有升的变化趋势，且4 项养分指标含量均处于中等水平，中等级别面积分别占总耕地面积的76.00%、60.80%、60.33%和47.30%。

（2）从空间分布看，土壤有机质含量呈现砀山县整体较缺、萧县酒店乡较缺、埇桥区中部乡镇较丰富、灵璧县含量整体中等、泗县个别乡镇较缺的分布规律；土壤全氮含量呈现砀山县整体较缺、埇桥区北部乡镇缺乏、灵璧县中部乡镇较丰、萧县西部乡镇较缺、泗县南部乡镇较缺的分布规律；有效磷含量呈现砀山县南部乡镇较丰、埇桥区北部较缺但南部较丰、萧县整体含量中等、泗县南北部乡镇较缺的分布规律；土壤速效钾含量呈现砀山县中等、萧县西南乡镇较丰、埇桥区中部乡镇丰富但北部乡镇较缺、灵璧县西部乡镇丰富、泗县北部乡镇丰富的分布规律。

（3）9 年来砀山县耕地土壤养分含量基本稳定，埇桥区耕地土壤有机质、有效磷、速效钾含量显著提升，萧县耕地土壤有机质、有效磷、速效钾含量略微降低，泗县速效钾含量显著提升，灵璧县速效钾含量略微降低。砂姜黑土有机质、有效磷、速效钾含量略微提升，石灰岩土和水稻土有机质含量略微下降，各土类全氮含量基本稳定，黄褐土和潮土4 项耕地养分含量变化差异不显著。