褐土区典型县域耕地土壤肥力时空演变特征及主控因素

2023-11-18申桐王恒飞杜文波周怀平王瑞张建杰靳东升徐明岗

中国农业科学 2023年21期

申桐，王恒飞，杜文波，周怀平，王瑞，张建杰，靳东升，徐明岗

申桐1,2，王恒飞1,2，杜文波3，周怀平1，王瑞3，张建杰1，靳东升1,2，徐明岗1,2

1山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030800；2山西农业大学生态环境产业技术研究院/土壤环境与养分资源山西省重点实验室，太原 030031；3山西省耕地质量监测保护中心，太原 030001

【目的】探明褐土区典型县域耕地土壤肥力时空演变特征及主控因素，为合理施肥及土壤培肥提供科学依据。【方法】基于山西省寿阳县1983、2007和2017年的土壤肥力（包括土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量和pH值）数据，采用内梅罗指数法计算土壤肥力综合指数；通过随机森林（RF）方法定量土壤肥力演变的主控因素；利用GIS和地统计学相结合的方法，确定土壤肥力综合指数及其主控因素的时空演变特征和分布格局。【结果】（1）1983—2017年间寿阳县耕地土壤肥力水平总体呈上升趋势，肥力综合指数由1.16增至1.42，增加了0.26。土壤肥力指标变化具有明显的阶段性，1983—2007年，有机质、全氮和速效钾增幅明显，年均增加量分别为0.09 g·kg-1、0.0021 g·kg-1和1.61 mg·kg-1，而有效磷增幅不显著；2007—2017年，有机质、全氮和有效磷增幅明显，年均增加量分别为0.20 g·kg-1、0.01 g·kg-1、0.24mg·kg-1，而速效钾增幅不显著。（2）RF分析结果显示，1983年寿阳县耕地土壤肥力的主控因素为全氮和有机质，贡献率分别为75.3%和17.8%；2007年土壤肥力的主控因素则为速效钾、有效磷和全氮，贡献率分别为31.8%、27.1%和26.8%；2017年变为全氮、速效钾和有效磷，贡献率分别为31.8%、27.1%和26.8%。（3）寿阳县耕地土壤肥力主控因素的变化存在显著的空间差异特征。1983—2007年，全域土壤有机质整体呈现增加趋势；全氮除在西北部和中部降低外，在其他区域均呈增加趋势；有效磷则呈现北部降低、南部增加的变化特征；速效钾在全域呈增加趋势。2007—2017年，有机质在东南部增加较快，其他区域增加较慢；全氮则呈现在县域中部减少、其他区域增加的变化趋势；有效磷在县域东部下降，其他区域上升；速效钾则呈现在东部和西部下降、中部上升的空间变化特征。【结论】34年以来，寿阳县耕地土壤肥力总体呈上升趋势，有机质、全氮、有效磷和速效钾是影响土壤肥力演变的主控因素，有机质、全氮和有效磷在南部增长较快，速效钾则在东部增长较快。未来建议寿阳县采取全区尤其是中部增氮，全区稳磷控钾的养分调控策略。

土壤肥力；时空演变；褐土区；主控因素；寿阳县

0 引言

【研究意义】褐土是我国主要土壤类型之一，广泛分布于我国北方地区，包括内蒙古、北京、山西、河南、陕西和甘肃等地，其中，山西省是我国褐土分布最集中和典型的区域[1-2]。褐土区作为我国玉米和小麦等粮食作物的主产区之一，揭示其肥力时空演变特征及主控因素对于今后提升耕地质量至关重要。寿阳县地处褐土典型区域，农业条件相对较好，发展潜力大，是山西省重要的农业主产区。科学评价寿阳县耕地土壤肥力及其主控因素的时空演变特征，可为褐土农田肥力提升、实现农业可持续发展提供理论依据。【前人研究进展】自然因素与人为因素共同影响土壤肥力的演变，已有学者针对山西省褐土区土壤肥力指标的时空变化特征做了大量的研究工作。但大多都局限于分析土壤肥力指标的静态变化或单一指标的动态变化。例如，张建杰等[3-4]分别研究了太原市和临汾盆地全氮和有机质的空间变化特征，并阐释了其影响因素；申若禹等[5]对山西省不同类型土壤有机质含量研究发现，褐土中有机质含量最高，栗钙土有机质含量最低；解文艳等[6]研究发现，潇河流域有机质含量1982—2017年呈增加趋势，施肥是影响其时空分异的主要因素。上述研究对某一肥力指标的时空变化特征进行了定量表征，并且分析了主要影响因素，然而未能准确刻画区域尺度整体的肥力时空演变规律。目前，针对褐土多个肥力指标多时间段的时空演变特征研究鲜见报道，已有研究也仅仅局限于服务耕地质量的分等定级[7]，不能够从科学层面反映耕地质量变化的原因，更不能够为耕地土壤肥力的提高提供依据。此外，对于土壤肥力演变主控因素的探究，国内学者在其他省市已经开展了相应工作。例如，陈延华等[8]基于29年间全国28个褐土区长期试验点数据，发现褐土区土壤生产力受有机肥用量和土壤全氮、有机质含量的影响最大；李建军等[9]对长江中下游粮食主产区研究发现，初期土壤肥力主控因素为有机质、全氮和碱解氮，后期主控因素变为全氮、碱解氮和速效钾；周波等[10]研究指出，深圳市土壤肥力的限制因子由初期的速效养分变为后期的氮素，种植模式和施肥的改变是导致土壤肥力限制因子发生转变的主要原因。综上发现，耕地土壤肥力的主控因素为全氮、有机质、速效养分等土壤肥力指标。目前在山西省褐土区耕地土壤肥力研究中，针对肥力演变主控因素的探究还鲜见报道。【本研究切入点】近年来，随着土地利用方式、农田管理措施等的改变，褐土区肥力发生了明显变化，然而其土壤肥力指数及其主控因素的时空演变特征尚不明确。山西省寿阳县是典型的褐土区，明确该县耕地土壤肥力时空演变特征及其主控因素，对于分析全国褐土肥力演变也具有参考价值。【拟解决的关键问题】基于寿阳县耕地土壤肥力长期监测和调查数据，分析该县耕地土壤肥力综合指数及其主控因素的时空变异特征，为褐土区耕地土壤培肥和养分管理提供支撑。

1 材料与方法

1.1 区域概况

寿阳县位于山西省东部，居黄土高原东部潇河流域中上游地区（37°34′—38°5′N， 112°6′—113°28′E），气候类型为温带大陆性气候，年平均气温7.4 ℃，年降水量518.3 mm，无霜期140 d左右。土壤类型主要为褐土，占全县土壤总面积的96.8%，成土母质主要有黄土及黄土状母质、残积、坡积母质和冲积母质等。农业种植方式为一年一季，主要农作物以玉米、马铃薯、小杂粮为主。

1.2 样品采集与分析

1983年耕地土壤属性数据收集于第二次土壤普查资料，样本数量为726个，空间分布均匀，有较强代表性。2007年前后和2017年前后的土壤肥力数据均为采样实测数据，数量分别为5 667和1 401个。采样时，以第二次土壤普查形成的土壤类型分布图为参考，依据相对均匀的空间分布原则，在播种前按照五点法采集耕层（0—20 cm）土壤样品，并利用GPS记录每个采样点的经纬度，采样点分布如图1所示。将采集的土样带回实验室风干，剔除动植物残体及石块等杂质并磨细，分别过2和0.149 mm筛，用于土壤理化性质的测定。其中，土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化外加热法测定；全氮含量采用凯氏定氮法测定；有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用NH4Ac浸提，火焰光度法测定；pH采用水土比为2.5﹕1的玻璃电极法进行测定。

图1 1983、2007和2017年寿阳县耕地土壤采样点分布图

1.3 数据处理

利用Excel 2016进行数据整理，采用阈值法[11]对异常值进行剔除。采用SPSS 23.0完成描述性统计分析、显著性分析（LSD差异分析）及正态分布检验。利用R语言中的“Random-Forest”软件包进行随机森林的重要性分析。在GS+9.0软件中完成最优半方差参数及模型拟合。在ArcGIS10.8的地统计分析模块（Geostatistical Analyst）中，运用克里金插值绘制土壤肥力主要指标及综合指数的空间分布图。

1.4 评价方法

采用修正后的内梅罗指数法进行土壤肥力评价[12]。首先，按照标准化处理方法对采样点的有机质、全氮、有效磷、速效钾和pH进行标准化，以消除各评价因子之间的量纲差别[13-14]，参评因子分级标准见表1。之后，采取较为客观的修正后的内梅罗（Nemerow N. C.）公式评价土壤肥力[14]。

最后，根据土壤肥力指数，将其等级分为4级：一级（≥2）、二级（：＜2.0—1.5）、三级（：＜1.5—1.0）、四级（＜1.0）[14]。土壤肥力主要指标（有机质、全氮、有效磷、速效钾）等级划分参照第二次土壤普查标准[15]。

表1 土壤质量评价因子分级标准

2 结果

2.1 寿阳县耕地土壤肥力指标时间演变特征

1983—2017年间，寿阳县耕地有机质、全氮、有效磷、速效钾与pH整体均呈现不同程度的上升趋势（表2）。2007和2017年，寿阳县耕地土壤有机质均值为12.8和14.8 g·kg-1，分别较1983年（10.7 g·kg-1）增加了19.6%和38.3%。1983—2007年有机质年均增加量为0.1 g·kg-1；2007—2017年均增加量为0.2 g·kg-1，增速是前者的2倍。

2007和2017年寿阳县耕地全氮均值为0.71和0.83 g·kg-1，分别较1983年（0.66 g·kg-1）增加了7.6%和25.8%。1983—2007年全氮年均增加量为0.0021 g·kg-1；2007—2017年均增加量为0.01 g·kg-1，其增速是前者的4.8倍。

寿阳县耕地土壤有效磷含量，1983年（10.4 mg·kg-1）与2007年（10.9 mg·kg-1）无显著差异；而2017年（13.3 mg·kg-1）则较2007和1983年分别显著提高了22.0%和27.9%。土壤有效磷年均变化量也呈现为阶段性变化特征，1983—2007年无显著变化，2007—2017年均增加量为0.2 mg·kg-1，增幅明显。

表2 1983、2007和2017年寿阳县耕地土壤肥力指标描述性统计结果

同一栏内均值后不同字母表示不同年份同一土壤肥力指标存在显著差异（＜0.05）

Different letters after the mean values in the same column indicate significant differences in the same soil fertility index in different years (＜0.05)

2007和2017年土壤速效钾均值为135和136 mg·kg-1，分别较1983年（96 mg·kg-1）增加了40.6%和41.7%；1983—2007年速效钾年均增加量为1.6 mg·kg-1，增幅显著，而2007—2017年速效钾无显著变化。

2007和2017年土壤pH均为8.28，较1983年（8.14）略有增加，但均在作物适宜的pH范围内。

2.2 不同时期寿阳县耕地土壤肥力演变主控因素

34年间寿阳县耕地土壤肥力的主控因素发生了较大变化（图2）。1983年全氮和有机质是土壤肥力的主要贡献指标，贡献率分别为75.3%和17.8%，其他指标的重要性相对较弱；2007年，速效钾、有效磷和全氮是土壤肥力的主要贡献指标，贡献率分别为34.8%、27.9%和27.8%；2017年，对土壤肥力的主要贡献转变为全氮、速效钾和有效磷，贡献率分别为31.8%、27.1%和26.8%。速效养分在后期发挥的作用越来越重要。

图2 1983、2007和2017年寿阳县各指标对土壤肥力的贡献率

2.3 寿阳县耕地土壤肥力主控因素及综合指数的时空演变特征

2.3.1 耕地土壤肥力主控因素的时空分布 1983、2007和2017年寿阳县耕地土壤肥力主控因素（有机质、全氮、有效磷和速效钾）存在明显的时空差异性（图3、图4、表3）。

1983年寿阳县耕地土壤有机质含量呈现北部高，南部低的分布格局，有机质含量整体偏低，以四、五等级为主。2007和2017年土壤有机质空间分布相对均匀，且与1983年相比，四等级的比例显著增加，分别增至接近94%（2007年）和98%（2017年）（表3）。34年来该县南部土壤有机质含量逐渐上升，而北部区域土壤有机质的变化不显著。

1983年寿阳县耕地土壤全氮含量的分布相对均匀，全氮含量整体偏低，且以五等级为主。2007年该县土壤全氮含量以四、五等级为主，其中，在平头镇和马首乡土壤全氮降低，等级由五级降为六级；北部和南部土壤全氮增加，等级由五级增长为四级。至2017年，该县土壤全氮含量整体呈增加趋势，其中在南部区域增加最为显著。34年来，该县西北部和中部的土壤全氮含量先减少后增加，而在其他区域土壤全氮均有不同程度的增加，其中在北部和南部的边缘地区，土壤全氮的增加最为明显。整体来看，该县土壤全氮含量处于四等级的中等偏低水平。

1983年寿阳县土壤有效磷含量从北到南呈现递减的趋势，且以三和四等级为主。2007年，该县土壤有效磷含量呈东南部上升趋势，依旧以三和四等级为主。至2017年，该县土壤有效磷含量整体增加，其中在西南部土壤有效磷由原来的四级上升至三级。34年来，该县南部区域土壤有效磷含量增加明显，而北部区域变化不显著。整体来看，该县土壤有效磷含量处于三、四等级的中等偏上水平。

1983年寿阳县土壤速效钾含量呈现西南部和东部较高，北部和中部较低的分布格局，且以四等级为主。至2007年，该县土壤速效钾含量整体上升，以三等级为主，占比达90%（表3），西南部部分区域达二级水平。至2017年，该县耕地土壤速效钾含量变化不显著，依旧以三等级为主。整体看来，34年来该县耕地土壤速效钾含量显著增加，且在北部和中部地区增加最为显著。

图3 1983、2007和2017年寿阳县土壤有机质和全氮的空间分布

图4 1983、2007和2017年寿阳县土壤有效磷和速效钾的空间分布

2.3.2 耕地土壤肥力主控因素的年均变化率土壤肥力主控因素的年均变化率（图5和图6）呈现阶段性特征。1983—2007年土壤有机质年均增加率在0—5%的占比最高，为95.9%；2007—2017年该县东南部景尚乡、羊头崖乡和松塔镇年均增加速率最大，达5%—10%。整体看来，2007—2017年有机质含量年均增加率较1983—2007年更大。

1983—2007年，寿阳县西北部和中部全氮含量呈现下降趋势，占比达33.8%，其他区域全氮含量增加0—5%，占比达52.0%。2007—2017年，该县土壤全氮年均变化率整体呈现中北部下降，其他区域增加的趋势，尤其在平头镇和马首乡增速最大，年均增加率达5%—10%。总体看来，2007—2017年全氮含量年均增加率较1983—2007年更大。

1983—2007年，寿阳县土壤有效磷增加0—5%的占比最高，达70.0%。2007—2017年间增加0—5%占比为62.5%，其中，在中部区域土壤有效磷增加显著，上升幅度达10%—20%。整体看来，2007—2017年有效磷含量年均增加率较1983—2007年更大。

1983—2007年，寿阳县土壤速效钾增加在0—5%占比最高，达94.4%。2007—2017年，速效钾含量整体呈现东西部下降，中部上升的趋势，其中速效钾年均减少占比为51.2%，年均增加占比为48.8%。整体来看，1983—2007年速效钾含量年均增加率较2007— 2017年更大。

2.3.3 耕地土壤肥力综合指数的时空分布图7显示，1983年寿阳县土壤肥力综合指数平均值为1.16，且以三级为主，占比为64%，其次为四级，占比为36%。2007年和2017年土壤肥力综合指数平均值分别为1.31和1.42，2007年三级占比达92%，2017年三级占比为82%，且在中部和北部区域出现二级水平，占比为13%。整体来看，1983—2017年，该县土壤肥力综合指数增加0.26，其中第三等级占比不断增大，而第四等级占比逐渐减少，且部分区域土壤肥力指数出现二级水平。

图5 1983—2007和2007—2017年寿阳县土壤有机质和全氮的年均变化率

表3 1983、2007和2017年寿阳县土壤肥力等级面积比例统计结果

图6 1983—2007和2007—2017年寿阳县土壤有效磷和速效钾的年均变化率

图7 1983、2007和2017年寿阳县土壤肥力综合指数的空间分布

3 讨论

3.1 不同时期土壤肥力主控因素的变化

土壤肥力主控因素的改变表示着各指标对综合肥力指数的贡献率发生变化。本研究表明，在1983—2017年间，寿阳县耕地土壤肥力演变的主控因素由最初的全氮和有机质（1983年），变为全氮、有效磷和速效钾（2007和2017年）。34年间，全氮始终是土壤肥力的主要贡献因子，但其相对重要性逐渐降低，而有效磷、速效钾养分对寿阳县土壤肥力的贡献逐渐增加。这可能是因为寿阳县土壤全氮初始含量较低，仅为0.66 g·kg-1，且1983年还没有大规模施用化肥，寿阳县氮肥年平均施用量仅为47 kg·hm-2，之后，2007和2017年，肥料施用大幅度增加，氮肥施用量分别达133和246 kg·hm-2（表4）。随着氮肥施用量的增加，全氮含量提升显著，全氮一直为土壤肥力主控因素，而土壤有机质在2007和2017年分布相对均匀，空间差异小，不再是土壤肥力的主控因素。此外，随着化肥的投入，磷肥和钾肥施用量也不断增加，2007和2017年磷肥施用量分别为71和91 kg·hm-2，钾肥施用量分别为32和50 kg·hm-2（表4），导致有效磷、速效钾养分也成为土壤肥力的主控因素。与我们的结果相类似，李建军等[9]指出，主要肥力贡献因子的变化与化肥投入量的持续增加有关，在监测初期长江中下游地区土壤肥力的主控因素为有机质、全氮和碱解氮，在监测后期主控因素变为全氮、碱解氮和速效钾。此外，王远鹏等[16]指出，进贤县土壤肥力主控因素由1982年的碱解氮和有效磷变为2017年的速效钾和有效磷。整体来看，土壤全氮和速效养分仍然是寿阳县土壤肥力的主控因素。因此，未来寿阳县农田土壤管理中应注意氮、磷、钾肥料的合理施用。

表4 1983、2007和2017年寿阳县农田施肥情况和农作物秸秆总量

3.2 不同时期土壤肥力主控因素及综合指数时空变化

3.2.1 土壤有机质和全氮时空变化土壤有机质影响养分储存、持水能力以及团聚体稳定性，是土壤质量和肥力的核心[17]。34年来，寿阳县土壤有机质整体呈现上升趋势，这与解文艳等[6]的研究结果相似。通常，土壤有机质主要来源于作物根茬、秸秆还田、有机肥施用以及绿肥的翻压等，其受自然因素和人为因素的共同影响，且人为因素（农田管理措施如施肥等）对土壤有机质含量的影响更大[17]。前人研究表明，有机肥含有大量氮磷钾等营养物质和有益菌种，与化肥配施后，可以促进土壤微生物代谢，加快养分循环，改善土壤结构，提高土壤肥力[18-20]。此外，与秸秆不还田相比，秸秆还田可以明显提高土壤有机质含量[21]。本研究表明，与1983—2007年相比，2007—2017年间寿阳县土壤有机质含量增加更加明显。这可能与2007年以来，寿阳县政府大力推广秸秆还田和有机肥施用有关。自2005年以来，寿阳县政府大力实施沃土计划推行玉米秸秆还田，使得大量秸秆进入土壤，其中2008年寿阳县实现80%以上秸秆还田，且2016年有机肥增施量达1 000 kg。表4表明，1983—2017年寿阳县秸秆总量逐年增长，这也意味着自2005年以来，寿阳县秸秆还田量在增加。因此，寿阳县耕地土壤有机质显著增加显然与政府大力推广秸秆还田和有机肥增施策略有关。此外，从空间变化来看，寿阳县南部区域有机质增长更快，这是因为南部地区是农业重点发展区域，耕地多，主要种植作物为玉米，秸秆量大，还田较多；而中部呈现降低趋势，这是因为中部为乡镇工业发展区，其工业产值占总产值的43%—56%，耕地面积较少，秸秆还田量少。综上，寿阳县增施有机肥和秸秆还田的措施是导致该县34年来土壤有机质含量增加的重要措施。

土壤全氮作为土壤肥力的重要内容，是农田土壤氮肥施用的重要依据。通常，土壤全氮和土壤有机质密不可分。34年来，寿阳县土壤全氮含量呈现整体上升趋势。代子俊等[22]指出，自然因素和人为因素共同导致了氮的时空分异，人类活动如施肥对其干预作用更强。前人研究表明，土壤氮素主要以有机态氮和硝态氮等的形式存在于土壤有机质中[17]，增施有机肥能明显增加土壤有机氮库的储量，提高土壤供氮能力[23]。马力等[24]研究也表明，长期施用有机肥以及秸秆还田可以明显提高耕层土壤氮含量。1983—2007年间，寿阳县土壤全氮含量变化速度较慢，这可能是因为这一时期氮肥施用量相对较少，仅由1983年的47 kg·hm-2增加至2007年的133 kg·hm-2。在2007—2017年，土壤全氮含量显著增加，这与氮肥和有机肥施用量增加以及秸秆还田有关。表4结果显示，从2007到2017年，寿阳县氮肥施用量由133 kg·hm-2增加至246 kg·hm-2，且农作物秸秆量增加，也意味着秸秆还田量的增加。从空间变化看，全氮变化与有机质相似，均呈现中部降低的趋势，这也与中部重点发展工业有关。因此，寿阳县增施氮肥和有机肥以及秸秆还田等措施是导致该县34年来土壤全氮含量增加的主要原因。

3.2.2 土壤速效磷和速效钾时空变化土壤有效磷是反映土壤供磷性状的重要指标，其含量高低直接影响到作物对土壤磷素的吸收利用[25]。土壤速效钾含量对于判断土壤中钾素供应状况具有重要意义[26]。34年来，寿阳县耕地土壤有效磷和速效钾含量整体呈现上升趋势，表现为四级面积占比减少，三级面积占比增加。王齐齐等[27]的研究表明，土壤速效养分含量的增加与化肥施用量增加有关。前人研究表明，有机无机配施有利于土壤中活性磷的转化[28]，进而提高土壤有效磷含量[23,29]，而秸秆还田后分解产生的大量有机酸也可以为土壤提供阴离子，减少无机磷的固定，提高磷的有效性[30-31]。1983—2007年间，寿阳县耕地土壤有效磷没有显著变化而速效钾含量显著增加，这与施肥量密切相关。2007年施磷量（71 kg·hm-2）较1983年（60 kg·hm-2）没有显著变化，而施钾量由1983的4 kg·hm-2提高至2007年32 kg·hm-2。因此，这一时期钾肥施用量的增大是导致速效钾含量显著增加的重要因素。2007—2017年间，土壤有效磷显著增加而速效钾没有显著变化。这是因为2007—2017年间，寿阳县开始进行测土配方施肥，推广有机无机配施和秸秆还田，该时期施磷量增加，2017年是2007年的1.9倍，而施钾量变化较小。因此，磷肥和钾肥施用量的增加、推广测土配方施肥以及秸秆还田等措施可能是导致34年来寿阳县耕地土壤有效磷钾含量增加的重要原因。

3.2.3 土壤肥力综合指数时空变化土壤肥力综合指数可以较为全面地反映土壤的肥力特征。34年间寿阳县褐土肥力综合指数逐渐增加，这与赵秀娟[31]的研究结果一致。此外，1983年寿阳县边缘地区土壤肥力较差，而到2017年，寿阳县土壤肥力水平整体到达三级，且空间分布均匀，尤其边缘地区土壤肥力提升明显。这可能与寿阳县自2007年以来实行的测土配方施肥、增施有机肥以及推行秸秆还田等政策有关。

综上分析，34年来寿阳县褐土区耕地土壤肥力的提高与化肥和有机肥施用以及农作物秸秆还田等人为措施密切相关。由于大面积采样工作量大，且时间跨度较长，本研究只有3次采样数据结果，因此可能并未能十分精准反映出34年以来寿阳县耕地土壤肥力时空演变的情况，但其大致演变趋势应对未来寿阳县褐土耕地质量提升和作物施肥管理具有一定的科学指导意义。此外，受制于数据的局限性，本文只关注了34年间寿阳县施肥与秸秆还田等人为措施对土壤肥力综合指数和基础5项肥力因子（有机质、全氮以及速效养分等）时空演变的影响，而其他因素，比如土壤物理性质、生物性质、气候、地形地貌等影响土壤肥力的可能因素均未能包括。因此，今后研究中仍需加强长时间尺度下，自然和人为管理等因素对褐土肥力以及质量的综合影响研究。

4 结论

1983—2017年间寿阳县褐土肥力水平整体提高，综合指数增加了0.26，当前耕地土壤肥力整体处于三级中等水平。土壤肥力的主控因素前期以全氮和有机质为主导，而后期有效磷和速效钾养分的作用愈加重要。

全县有机质、全氮、有效磷和速效钾均呈现不同程度的上升趋势，其中有机质、全氮和有效磷在南部增长较快，速效钾在中部增长较快，2017年有机质、全氮、有效磷和速效钾含量均值分别为14.8 g·kg-1、0.83 g·kg-1、13.3 mg·kg-1和136 mg·kg-1。

全县大部分区域全氮处于四等级及以下的中等偏低水平，尤其中部地区全氮含量偏低。有效磷和速效钾含量较高，大部分处于二和三等级，中等偏上水平。因此，在寿阳县全域尤其是中部区域需注意增施氮肥，而全区需稳磷控钾。

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Spatial-Temporal Variability Characteristics and Main Controlling Factors of Soil Fertility in Shouyang County of Cinnamon Soil Area

SHEN Tong1, 2, WANG HengFei1, 2, DU WenBo3, ZHOU HuaiPing1, WANG Rui3, ZHANG JianJie1, JIN DongSheng1,2, XU Minggang1, 2

1College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030800, Shanxi;2Academy of Eco-Environment and Industrial Technology, Shanxi Agricultural University/Shanxi Province Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources, Taiyuan 030031;3Shanxi Farmland Quality Monitoring and Protection Center, Taiyuan 030001

【Objective】The main controlling factors of soil fertility and temporal and spatial evolution characteristics in typical county of cinnamon soil region were investigated, so as to provide the basis for scientific management of nutrients and soil fertilization. 【Method】Based on the data of soil fertility, including soil organic matter (SOM), total nitrogen (TN), available phosphorus (AP), available potassium (AK) and pH, at Shouyang County in 1983, 2007 and 2017, the Nemerow index method was used to calculate the comprehensive index of soil fertility, the random forest method was used to explore the main controlling factors of soil fertility, and the combined method of GIS and geostatistics was used to determine the temporal and spatial variability characteristics and the distribution patterns of the comprehensive index of soil fertility and its main factors. 【Result】(1) The overall level of cultivated land soil fertility showed an upward trend in Shouyang County during the past 34 years, and the comprehensive index of soil fertility increased by 0.26, which changed from 1.16 to 1.42. The changes of soil fertility index were characterized by stages. From 1983 to 2007, the average annual increases of SOM, TN and AK were 0.09 g·kg-1, 0.0021 g·kg-1and 1.61 mg·kg-1, respectively, while the changes of AP were not significant. From 2007 to 2017, SOM, TN and AP increased significantly, with the average annual increases of 0.25 g·kg-1, 0.01 g·kg-1and 0.31 mg·kg-1, respectively, while the changes of AK were not significant. (2) The analysis results of the random forest model showed that, the main controlling factors of soil fertility were TN and SOM in 1983, with the importance of 75.3% and 17.8%, respectively. In 2007, the main controlling factors of soil fertility became AK, AP and TN, with the importance of 31.8%, 27.1% and 26.8%, respectively. In 2017, the main controlling factors were TN, AK and AP, and the importance for the three factors were 31.8%, 27.1% and 26.8%, respectively. (3) There were certain spatial differences in the main controlling factors of soil fertility. From 1983 to 2007, SOM increased in the whole county; TN decreased in the northwest and central regions, but increased in other regions; AP decreased in the north regions, but increased in the south regions; AK increased in the whole county. From 2007 to 2017, SOM increased fast in the southeast regions but slow in other regions; TN decreased in the middle regions but increased in other regions; AP decreased in the east regions, but increased in other regions; AK decreased in the east and west regions, but increased in the central region. 【Conclusion】After 34 years, the cultivated land soil fertility of Shouyang County has been improved, and SOM, TN, AP and AK were the main controlling factors affecting the soil fertility variability. SOM, TN and AP increased fast in the south regions, while AK increased fast in the east regions. It was suggested that the whole Shouyang County still needed to increase the application of nitrogen fertilizer moderately, especially in the central region, and stabilize the application of phosphate fertilizer, while control the application of potassium fertilizer in the future.

soil fertility; spatial-temporal variability; cinnamon soil area; main controlling factors; Shouyang County