王 蘭，石建紅，孟衛(wèi)東，張世文，沈 強(qiáng)

(1. 北京市懷柔區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，北京 100000；2. 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽 淮南 232001；3. 安徽理工大學(xué)測繪學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要指標(biāo)，是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素。及時了解耕地土壤養(yǎng)分含量及其變化特征，是確保農(nóng)作物產(chǎn)量、土壤肥力持續(xù)穩(wěn)定增長的一項基礎(chǔ)性工作。土壤養(yǎng)分的高低直接影響農(nóng)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，及時查明土壤養(yǎng)分狀況，了解土壤養(yǎng)分變化規(guī)律對配方施肥、培肥地力和提高土壤肥力，土地資源合理利用和保護(hù)都有著重要的意義[1]。

國內(nèi)外關(guān)于土壤肥力的研究已有很多，包括土壤肥力評價，土壤肥力影響因素研究以及土壤肥力變化特征等方面[2-3]。土壤肥力評價方面主要包括評價方法的研究與評價指標(biāo)的選擇，評價方法主要有主成分分析法、聚類分析法、灰色關(guān)聯(lián)模型、模糊綜合評價法等[4-7]。土壤肥力的評價指標(biāo)復(fù)雜，包括土壤養(yǎng)分指標(biāo)、土壤物理性質(zhì)、土壤化學(xué)性質(zhì)、土壤生物性質(zhì)以及環(huán)境條件等綜合性指標(biāo)[8-9]。大量相關(guān)研究表明[10-12]，土壤作為在時間和空間上的連續(xù)體，是許多因素相互作用的結(jié)果，耕地土壤的肥力質(zhì)量是自然成土因素與人為活動長期作用的結(jié)果。自然成土因素包括成土母質(zhì)、氣候、生物、地形和成土?xí)r間等因素；人為活動因素包括土地利用方式、施肥、耕作和其它管理措施，而在眾多影響因素中最為重要的就是土壤養(yǎng)分指標(biāo)，土壤養(yǎng)分指標(biāo)是反應(yīng)土壤肥力最為直接的指標(biāo)因素。

本文通過研究懷柔區(qū)連續(xù)7年的土壤5種養(yǎng)分監(jiān)測數(shù)據(jù)，探究了2011～2017年懷柔區(qū)耕地土壤養(yǎng)分變化特征及規(guī)律，分析了懷柔區(qū)耕地土壤養(yǎng)分指標(biāo)的時空變化特征。本文對探究北京市懷柔區(qū)耕地土壤養(yǎng)分變化規(guī)律，提升耕地質(zhì)量，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與土壤養(yǎng)分指標(biāo)的獲取

北京市懷柔區(qū)位于東經(jīng)116°17′～116°63′，北緯40°41′～41°4′之間，依據(jù)第二次土壤普查時不同亞類及其面積比例情況，2011～2017年在懷柔區(qū)14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)連續(xù)7年開展了耕地土壤養(yǎng)分監(jiān)測，按照網(wǎng)格布點與隨機(jī)抽樣的原則，每年采樣點數(shù)量約420個，樣點基本上覆蓋了全區(qū)各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、耕地各個具有代表性的地類及土壤類型。所采土樣為耕作層農(nóng)化樣，采用對角線和折曲取樣法取樣，每個樣點采500g左右。選擇有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀五項常規(guī)作為評價土壤養(yǎng)分的指標(biāo)[13]。土壤有機(jī)質(zhì)檢測采用重鉻鉀容量法；土壤全氮采用凱氏法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；土壤有效磷采用鉬銻抗比色法；速效鉀采用火焰光度法。

1.2 研究方法

在綜合權(quán)重的評價中，首先通過構(gòu)建判斷矩陣，采用層次分析法來確定指標(biāo)權(quán)重，再采用加權(quán)加法模型計算土壤綜合養(yǎng)分指數(shù)。加權(quán)加法模型是目前常用的一種定量綜合評價的方法，能夠較好的反映土壤質(zhì)量的變異信息[14-17]。其公式為

式中：I代表點位養(yǎng)分綜合指數(shù)，F(xiàn)i為第i個指標(biāo)評分值，Wi為第i個指標(biāo)的權(quán)重。根據(jù)各指標(biāo)的評分值和指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重值計算得到養(yǎng)分綜合指數(shù)，根據(jù)土壤綜合養(yǎng)分指數(shù)將土壤養(yǎng)分劃分為“極高、高、中、低和極低”共5個等級。綜合指數(shù)I：100～95為極高，95～75為高，75～50為中，50～30為低，30～0為極低。

2 結(jié)果與分析

耕地土壤肥力的影響因素眾多如地形、地貌、土壤質(zhì)地和施肥方式等都會影響土壤養(yǎng)分指標(biāo)的變換，本文根據(jù)懷柔區(qū)土壤特點，分析探究了與土壤肥力變化直接相關(guān)的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀五種指標(biāo)，評價和分析了懷柔區(qū)土壤肥力現(xiàn)狀及其演變規(guī)律。

2.1 土壤養(yǎng)分參數(shù)統(tǒng)計特征及其對比分析

研究區(qū)土壤pH值介于4.01～9.38之間，不同地區(qū)土壤酸堿性差異性較大。利用SPSS21.1軟件，根據(jù)采樣點7年間5種土壤養(yǎng)分變化情況進(jìn)行描述性統(tǒng)計，同時對不同年份的指標(biāo)變化情況進(jìn)行方差分析(見表1)，其中均值后面的字母表示在0.05水平上具有顯著性差異。

表1 耕地土壤養(yǎng)分指標(biāo)描述性統(tǒng)計

注：均值后面的字母表示在0.05水平上顯著性情況，相同字母標(biāo)記表示組間沒有差異，不同字母表示組間具有顯著性差異。

土壤5種養(yǎng)分指標(biāo)總體上均處于中等或中下等水平，但不同地區(qū)的差異性較大。土壤有機(jī)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值為8.92，其中2011和2012年有機(jī)質(zhì)變化無明顯差異性，2013～2017年無明顯差異性；土壤全氮標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，最大值為1.19，2011、2016和2017年無明顯差異，2012～2015年無明顯差異；土壤堿解氮、有效磷和速效鉀標(biāo)準(zhǔn)差隨著年份的增長變化趨勢大致相同，不同年份的含量差異性顯著，堿解氮地區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)偏差總體上呈下降趨勢，有效磷和速效鉀的含量則總體上保持穩(wěn)定。

2.2 耕地土壤養(yǎng)分指標(biāo)變化分析

根據(jù)已有采樣點數(shù)據(jù)分析2011～2017年耕地土壤五種指標(biāo)含量平均變化情況及其時間變化規(guī)律(見圖1)。

圖1 2011～2017年耕地土壤養(yǎng)分指標(biāo)變化趨勢圖

為鞏固農(nóng)業(yè)發(fā)展的好形式，根據(jù)《北京市鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃》促進(jìn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的要求，結(jié)合懷柔區(qū)土壤特點，采取了調(diào)整有機(jī)肥無機(jī)肥配施比例，擴(kuò)大秸稈還田面積，進(jìn)行改土配肥規(guī)劃等方式，對耕地土壤養(yǎng)分進(jìn)行了相應(yīng)的改良。從圖1中可以看出，2017年懷柔區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為18.69g/kg，與2016年相比略有提升。有機(jī)質(zhì)總體上呈上升趨勢。從2011～2014年逐年增高，2015～2016年有所降低，但降幅不大，2017年土壤有機(jī)質(zhì)較前兩年略有增加，這表明懷柔區(qū)耕地培肥改良工作取得了一定效果。耕層土壤全氮含量在1.00～1.27g/kg之間波動，呈曲折上升的趨勢。2011～2013年逐步降低，2014年驟增，達(dá)到七年來最高，為1.27g/kg，2014～2017年呈曲線下降趨勢；耕層土壤堿解氮呈波動變化，2011～2014年先增加后下降，2013年為4年最高，2014年最低。2014～2017年呈上升趨勢，2017年達(dá)到7年間最高值，為106.06mg/kg；2011～2017年有效磷含量總體上呈先下降再增加的趨勢，其中2014年土壤有效磷含量最低，為41.72mg/kg，2017年最高，為50.59mg/kg；2011～2017年懷速效鉀含量總體呈波動上升趨勢，其中2012年土壤速效鉀含量最低，為101.69mg/kg，2017年最高，為163mg/kg。

2.3 耕地土壤肥力變化分析

1) 監(jiān)測點耕層土壤肥力現(xiàn)狀。選擇土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、堿解氮為計算指標(biāo)，計算懷柔區(qū)各年份土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)(見表2)，并利用土壤養(yǎng)分綜合對土壤肥力進(jìn)行分極。

2017年懷柔區(qū)14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)共布設(shè)土壤監(jiān)測點427個。從各監(jiān)測指標(biāo)的加權(quán)平均結(jié)果看，土壤有機(jī)質(zhì)含量18.7g/kg，全氮含量1.17g/kg，堿解氮含量106.1mg/kg，有效磷含量42.4 mg/kg，速效鉀163.4mg/kg，養(yǎng)分綜合指數(shù)73，屬于中等肥力水平。

耕層土壤肥力分級情況為：極高肥力點位41個，占9.6 %，養(yǎng)分綜合指數(shù)98.8；高肥力點位122個，占28.6 %，養(yǎng)分綜合指數(shù)85.2；中肥力點位161個，占37.7 %，養(yǎng)分綜合指數(shù)62.6；低肥力點位96個，占22.5%，養(yǎng)分綜合指數(shù)41.4；極低肥力點位7個，占1.6 %，養(yǎng)分綜合指數(shù)25.0。

根據(jù)2017年不同種植類型、不同區(qū)域統(tǒng)計土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)(見圖2)。

表2 2017年監(jiān)測點耕層土壤養(yǎng)分含量

圖2 2017年不同種植類型與不同區(qū)域土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)

從圖2中可以看出，2017年設(shè)施菜田土壤肥力最高，養(yǎng)分綜合指數(shù)為92；露地菜田土壤次之，養(yǎng)分綜合指數(shù)為82；果園土壤第三，養(yǎng)分綜合指數(shù)為72；糧田土壤肥力最低，養(yǎng)分綜合指數(shù)58。與2016年(設(shè)施菜田87，露地菜84，果園67，糧田58)相比，除露地菜外，其他三種種植類型的養(yǎng)分綜合指數(shù)均有所增加。結(jié)合懷柔區(qū)地形地貌及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)分布，將全區(qū)14個鎮(zhèn)鄉(xiāng)劃分為4個區(qū)域，即：南部平原區(qū)、西部兩溝區(qū)、中部淺山區(qū)和北部深山區(qū)。其中懷柔、廟城、北房、楊宋和橋梓五鎮(zhèn)為南部平原區(qū)；渤海、九渡河兩鎮(zhèn)是西部兩溝區(qū)；懷北、雁棲兩鎮(zhèn)是中部淺山區(qū)；北部深山區(qū)包括琉璃廟、湯河口、寶山、長哨營、喇叭溝門五鎮(zhèn)鄉(xiāng)。2017年，淺山區(qū)域土壤肥力最高，養(yǎng)分綜合指數(shù)為84；深山區(qū)域土壤次之，養(yǎng)分綜合指數(shù)為83；平原區(qū)域第三，養(yǎng)分綜合指數(shù)為78；兩溝區(qū)域土壤肥力最低，養(yǎng)分綜合指數(shù)65。

利用ArcGIS10.2軟件，根據(jù)2017年采樣點數(shù)據(jù)，采用克里金法，通過已知數(shù)據(jù)點的位置計算半變異系數(shù)，并使用此變異函數(shù)對懷柔區(qū)未知區(qū)域的土壤養(yǎng)分指標(biāo)現(xiàn)狀進(jìn)行估算(見圖3)。

圖3 土壤養(yǎng)分指標(biāo)現(xiàn)狀分布圖

可以看出5種指標(biāo)極值間的差距較大，但空間上變化幅度不大，極值分布區(qū)域相對集中，且區(qū)域較小。分析可以得出，有機(jī)質(zhì)和全氮在空間上的分布情況大體上相同，中東部地區(qū)相對含量較高，除少部分區(qū)域外大部分都達(dá)到了中等水平以上；堿解氮全區(qū)含量偏向于中低水平，僅南部小部分地區(qū)存在極值；有效磷在西北部含量較高，南部也有少量極值；速效鉀在中部位置整體含量偏低，西北部和東部有小面積且相對集中的極值區(qū)域。

可以看出，懷柔區(qū)土壤養(yǎng)分指數(shù)分布情況較為復(fù)雜差異性較大，應(yīng)結(jié)合種植業(yè)布局、綜合考慮區(qū)域特點，將懷柔區(qū)農(nóng)田劃分為兩個土壤肥力調(diào)控區(qū)。肥力水平較高、設(shè)施菜占比較高的區(qū)域統(tǒng)一為控制培肥區(qū)，肥力水平較低的區(qū)域統(tǒng)一為優(yōu)化培肥區(qū)。在各類項目實施工程及政策制定落實中應(yīng)充分考慮分區(qū)域培肥策略的應(yīng)用。

2)監(jiān)測點耕層土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)總體變化趨勢。2011～2017年懷柔區(qū)耕地肥力監(jiān)測點的土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)總體上呈增高趨勢(見圖4)。

圖4 2011～2017年平均土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)

土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)由2011年的65提高到2017年的73，總體均處于中等肥力水平。各年份中，2011～2013年土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)均為65，為7年來最低，2016年最高，土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)為74。2011～2017年懷柔區(qū)不同種植類型、不同區(qū)域耕地土壤肥力監(jiān)測點的土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)變化趨勢如圖5所示。

圖5 2011～2017年不同種植類型與不同區(qū)域土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)變化趨勢

不同種植類型土地土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)總體上均呈上升趨勢，肥力水平從高到低排序是設(shè)施菜、露地菜、果園，糧田，這是因為菜地與果園施肥量高于糧田。設(shè)施菜呈階梯狀升高，露地菜較為穩(wěn)定，果園呈波動趨勢，糧田2015年之前穩(wěn)中有升，近兩年呈下降趨勢。

各區(qū)域七年土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)總體上均呈上升趨勢，其中南部平原區(qū)與北部深山區(qū)上升幅度較小，西部兩溝區(qū)與中部淺山區(qū)上升幅度較大，這是因為南部平原區(qū)和北部深山區(qū)肥力水平高于西部兩溝區(qū)和中部淺山區(qū)，相同培肥措施下對西部兩溝區(qū)和中部淺山區(qū)土壤肥力的提升效果更明顯。

3 結(jié)論

(1)2011～2017年，懷柔區(qū)耕地質(zhì)量總體上呈上升趨勢，從2011年到2017年，土壤有機(jī)質(zhì)從15.26g/kg提高到18.7g/kg，提升22.54 %，土壤全氮從1.16g/kg提升為1.17g/kg，提升0.86%，堿解氮由85.37mg/kg上升到106.06mg/kg，提升24.24 %，有效磷從35.98mg/kg提高到42.43mg/kg，提升17.93 %，速效鉀含量由111.84mg/kg上升為163mg/kg，提升45.74 %，耕地土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)從65提升到73。

(2)不同土地利用類型土壤肥力存在差異，2017年設(shè)施菜田土壤肥力最高，養(yǎng)分綜合指數(shù)為92；露地菜田土壤次之為82；果園為72；糧田最低為58。2011～2017年各土地利用類型土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)總體上均呈上升趨勢，七年來肥力水平排序均為設(shè)施菜、露地菜、果園，糧田最低，可能原因是受到作物收益的影響，農(nóng)戶一般傾向于對收益水平高的蔬菜作物投入更多的養(yǎng)分資源。

(3)總體上各區(qū)域七年土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)均呈上升趨勢，其中南部平原區(qū)與北部深山區(qū)上升幅度較小，西部兩溝區(qū)與中部淺山區(qū)上升幅度較大，2017年監(jiān)測結(jié)果顯示，中部淺山區(qū)域土壤肥力最高，養(yǎng)分綜合指數(shù)為84；北部深山區(qū)域土壤次之為83；南部平原區(qū)域為78；西部兩溝區(qū)域土壤肥力最低，僅為65。

(4)按照北京市化肥減量要求，根據(jù)不同地域土壤肥力及種植作物差別，應(yīng)繼續(xù)開展測土配方施肥工作，使之常態(tài)化，制度化。特別應(yīng)重視對糧、菜產(chǎn)業(yè)分區(qū)區(qū)域化肥施用的科學(xué)指導(dǎo)和政策引導(dǎo)，借助田間示范、農(nóng)民田間學(xué)校、宣傳等多種形式，向農(nóng)民介紹和推廣配方施肥技術(shù)、水肥一體化技術(shù)、有機(jī)肥培肥地力技術(shù)，提高科學(xué)施肥知識的普及率。