姜 冰，王松濤，孫增兵，張海瑞，王 建，劉 陽

（1山東省第四地質礦產勘查院，山東濰坊 261021；2山東省地礦局海岸帶地質環(huán)境保護重點實驗室，山東濰坊 261021）

0 引言

土壤肥力是影響土地生產力的核心因素，是土壤的本質屬性，它是土壤各種基本性質或指標的綜合表現[1]，也是土壤作為自然資源和農業(yè)生產資料的物質基礎[2-3]。近年來許多學者采用多種方法，結合GIS和地統(tǒng)計學，對多種土地利用類型的土壤肥力進行了研究，如趙滿興等[4]采用改進的內梅羅綜合指數法綜合評價了延安新區(qū)（北區(qū)）行道樹土壤肥力質量，指出堿解氮和速效磷是該區(qū)土壤肥力的主要限制因子，王遠鵬等[5]基于相關系數法和隸屬度函數，采用GIS和地統(tǒng)計學相結合，研究了黑龍江方正縣稻田土壤肥力的空間變異特征和分布格局，得出有效磷和速效鉀是造成該區(qū)稻田土壤肥力差異的主要因子，馬光躍等[6]基于主成分分析提取主成分，劃分了臨猗縣冬棗園樣地肥力等級，同時對該區(qū)肥力指標權重進行了排序，唐健等[7]采用模糊數學法評價了廣西桉樹人工林地土壤肥力質量，并研究了其演變特征，其他類似研究還有黃先飛等[8]、吳玉紅等[9]、楊旭初等[10]、章海波等[11]。正確評價土壤肥力，是保持或改善土壤肥力質量、促進土壤養(yǎng)分有效利用的重要前提，土壤肥力的評價研究在土壤資源利用過程中具有重要意義[12]。

山東省高密市作為傳統(tǒng)農業(yè)大縣，素有“糧倉”美譽，多年來糧食及經濟作物生產穩(wěn)中有增，而這種生產力水平的維持受土壤各項肥力指標之間協(xié)調程度的綜合影響。為了研究高密市耕地土壤肥力的區(qū)域性發(fā)生規(guī)律和特征，總結土壤與農業(yè)生產之間的內在規(guī)律，找出人為活動與耕地土壤肥力發(fā)生分布的聯(lián)系，通過網格化采樣分析測試，選取土壤pH、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀等8項肥力指標作為評價因子，采用模糊數學隸屬度函數模型和主成分分析計算土壤肥力綜合指數，并繪制綜合指數空間分布，以期為耕地土壤資源的可持續(xù)利用與管理，以及土壤培肥與改良提供依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)高密市隸屬于山東省濰坊市，地處膠東半島和山東內陸的結合部、膠萊平原腹地、膠萊河和濰河之間，面積1525.7 km2，其中耕地面積1081.7 km2，占總面積的70.9%，屬季風性暖溫帶大陸性半濕潤氣候，冬冷夏熱，四季分明，年平均氣溫12.7℃，年平均降水量689.1 mm，6—9月降雨量占全年70%以上，南部雨量偏大，一般為700～720 mm，北部偏小，為645～680 mm，年平均蒸發(fā)量1227.6 mm，相對濕度平均為69%，年平均日照總量2452.7 h，無霜期226天。境域內總體地勢南高北低，南部為低殘丘，中北部為低平地和平原，地面總坡度約1/600。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

本研究采集耕地中0～20 cm的表層土壤，以網格化為原則采集376件。以采樣點為中心，在周邊50～100 m范圍內，采用“S”形或“X”形多點采樣，各采樣點的采樣部位、深度及重量要一致，并剔除土壤之外的雜物，由4～6個子樣等量混合組成1件樣品，充分混勻，四分法縮分至600 g裝入干凈棉布袋，通風陰涼處自然風干。

2.2 樣品處理與測試

山東省地礦局海岸帶地質環(huán)境保護重點實驗室負責本次樣品的分析測試。根據《生態(tài)地球化學評價樣品分析技術要求（試行）》[13]，風干樣品經木棒壓碎后全部過2 mm孔徑的尼龍篩，混勻后四分法分成若干份，總量不少于300 g待測，一份直接供測土壤pH、有效磷、速效鉀，一份過1 mm孔徑篩供測堿解氮，一份碾磨全部過0.25 mm孔徑篩供測有機質、全氮，一份碾磨全部過0.074 mm孔徑篩供測全磷、全鉀。土壤pH采用玻璃電極法測定，有機質采用油浴加熱-重鉻酸鉀容量法測定，全氮采用酸堿容量法測定，全磷、全鉀采用X射線熒光光譜法測定，堿解氮采用堿解擴散法測定，有效磷、速效鉀采用電感耦合等離子體光譜法測定。對樣品報出率、準確度、精密度、抽查合格率進行嚴格質控，其中報出率均為100%，準確度、精密度的合格率均為100%，內部密碼抽查10%試樣的合格率為100%，測試結果及數據質量達到規(guī)范要求。

2.3 數據處理

主成分分析和變量之間的相關性分析采用SPSS 22.0軟件完成。采用EXCEL 2010軟件對指標進行分級統(tǒng)計。土壤綜合肥力空間分布利用MapGis6.7中的Kring泛克立格法網格化進行制圖。

2.4 評價方法

2.4.1 指標隸屬值計算 利用隸屬度函數，對不同量綱的數據進行歸一化處理，可以定量表征各指標優(yōu)劣程度[8,14]。本研究采用峰值型隸屬度函數和戒上型隸屬度函數。

土壤pH過高或過低都不利于植物生長，偏離最佳范圍越大，對植物生長影響越明顯[15]，因此采用峰值型隸屬度函數。其他7項指標含量在一定范圍內越高，越有利于植物生長，超出該范圍則影響較小，因此采用戒上型隸屬度函數。峰值型隸屬度函數和戒上型隸屬度函數計算公式分別如式(1)～(2)所示。

式中，U為上限值，L為下限值，O1和O2為最佳值，x為指標測定值。

參照《土地質量地球化學評價規(guī)范》[16]分級標準，根據土壤pH范圍＞8.5、7.5～8.5、6.5～7.5、5.0～6.5、＜5.0依次將土壤酸堿度劃分為強堿性、堿性、中性、酸性、強酸性5個等級，其他7項土壤肥力單指標分級標準見表1。因此各指標選取的界限值如表2所示，通過隸屬度函數計算即可得到土壤肥力各指標隸屬值。

表1 土壤肥力單指標分級標準

表2 土壤肥力單指標隸屬度函數類型及其界限值

2.4.2 指標權重計算及土壤肥力綜合評價 通過主成分分析，對評價指標降維，計算各指標的公因子方差占比，賦以各指標權重[9-10]。本研究根據模糊數學的加乘法原則，將各指標的權重值和隸屬值加權求和得出土壤肥力綜合指數(integrated fertility index,IFI)，其計算公式如式(3)所示。

式中，n為肥力指標數量，fi為第i項指標的隸屬值，wi為第i項指標的權重值。IFI值范圍為0～1，分為5級，即IFI≥0.8為土壤綜合肥力好，0.6≤IFI＜0.8為≤較好，0.4≤IFI＜0.6為中等，0.2≤IFI＜0.4為較差，＜0.2為差[11]。

3 結果與分析

3.1 土壤肥力單指標統(tǒng)計與分級

采樣點土壤肥力指標描述性統(tǒng)計見表3。各指標受自然因素和人類活動的影響，存在較大差異。變異系數依次為速效鉀＞有效磷＞全磷＞堿解氮＞有機質＞全氮＞pH＞全鉀，變異系數越大，表明空間分布差異性越大，局部易缺乏或富集[17]。其中全鉀、pH為弱變異，變異系數低于16%；全氮為中等變異，變異系數在16%～36%；其他指標為強變異，變異系數大于36%，其中速效鉀變異系數最大，達170.45%。

表3 土壤肥力指標描述性統(tǒng)計

研究區(qū)土壤以堿性和中性為主，樣本數分別為142個和111個（圖1）。其他7項土壤肥力指標分級統(tǒng)計如圖2，有機質、堿解氮、速效鉀以較缺乏為主，全氮、全鉀以中等為主，全磷、有效磷以豐富為主。肥力單指標的含量水平直接影響著土壤綜合肥力水平，尤其是有機質較缺乏的樣本數占比達65.96%。

圖1 土壤酸堿度分級柱形圖

圖2 土壤肥力單指標分級柱形圖

3.2 土壤肥力單指標隸屬值

按公式(1)～(2)計算得出各項肥力指標的隸屬值如表4所示。各參數平均隸屬值由大到小依次為：有效磷(0.725)＞全磷(0.719)＞pH(0.667)＞全鉀(0.638)＞速效鉀(0.587)＞堿解氮(0.556)＞全氮(0.316)＞有機質(0.305)，因此有機質和全氮是土壤肥力的主要限制因子。全鉀隸屬值為弱變異(＜16%)，表明其對肥力的作用非常穩(wěn)定；其他指標隸屬值均為強變異(＞36%)，表明對肥力作用的局部差異性[18]。

表4 土壤肥力指標隸屬值統(tǒng)計

3.3 土壤肥力單指標權重值

對網格化采樣點位8項肥力指標進行主成分分析。由表5可知，特征值大于1的主成分有3個，累計貢獻率達74.174%，即這3個主成分對解釋變量的貢獻最大；主成分P1代表的變量組合為全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀，P2代表的變量組合為有機質、全氮，P3代表的變量組合為pH、全鉀。利用各指標的公因子方差求得各指標權重依次為：全氮(0.151)＞全磷(0.145)＞有機質(0.145)＞有效磷(0.136)＞pH(0.132)＞全鉀(0.114)＞速效鉀(0.096)＞堿解氮(0.081)，權重反映各指標對土壤綜合肥力的貢獻度[19]，研究區(qū)內全氮貢獻度最大，堿解氮貢獻度最小。

表5 主成分分析土壤肥力指標

3.4 土壤肥力綜合評價

結合單指標權重值與各點位單指標隸屬值，按公式(3)加權求和得出各點位土壤肥力綜合指數，采用泛克立格法對指數進行插值，繪制土壤肥力綜合指數空間分布圖（圖3）?？芍?，土壤綜合肥力好(IFI≥0.8)面積約 20.19 km2，僅占比 1.32%；較好(0.6≤IFI＜0.8)面積約460.44 km2，占比30.18%；中等(0.4≤IFI＜0.6)面積最大，約953.88 km2，占比62.51%；較差(0.2≤IFI＜0.4)面積約91.35 km2，占比5.99%；無土壤綜合肥力差分布。

圖3 土壤肥力綜合指數空間分布圖

3.5 土壤肥力綜合指數與單指標相關性分析

土壤肥力綜合指數與各肥力指標存在一定的相關性（表6）。土壤綜合肥力指數除與土壤pH不相關外，與其他肥力指標均呈顯著正相關，相關系數的大小表明單指標對肥力綜合指數的影響程度，即全氮影響最顯著，全鉀影響最小，pH基本無影響。土壤對K+的吸附量隨pH升高而增大[20]，pH影響土壤膠體系統(tǒng)的離子組成和元素形態(tài)[21]，同時土壤酸化會增加某些元素的有效性[22]，因此pH與全鉀呈顯著正相關，與堿解氮、有效磷呈顯著負相關。有機質是土壤養(yǎng)分的主要來源[23]，與氮、磷、鉀及其有效量呈顯著正相關。其他單指標除全鉀與堿解氮不相關外，兩兩之間呈顯著正相關，表明單指標間關系密切，應注意平衡施肥。

表6 肥力綜合指數與各指標相關性

4 結論

（1）土壤肥力單指標的含量水平直接影響著綜合肥力水平，研究區(qū)土壤以堿性和中性為主，有機質、堿解氮、速效鉀以較缺乏為主，全氮、全鉀以中等為主，全磷、有效磷以豐富為主。

（2）隸屬值有機質最低，其次為全氮，有機質和全氮是研究區(qū)耕地土壤肥力的主要限制因子。各指標對土壤肥力的貢獻具有差異，全氮貢獻度最大，堿解氮貢獻度最小。

（3）研究區(qū)耕地土壤綜合肥力指數中等以上的面積約占94%，土壤綜合肥力尚可?？刂仆寥浪峄⒆⒅卦鍪┯袡C肥、減少不合理施肥是研究區(qū)應采取的農業(yè)措施。

5 討論

pH和有機質是土壤重要的理化指標[24]。土壤pH過低則礦質養(yǎng)分易淋失，過高則養(yǎng)分易被土壤固定[25]，研究區(qū)土壤平均pH 7.08，以堿性和中性為主，但仍存在小部分的酸性和強酸性土壤，土壤酸化是不容忽視的問題，應注重酸化改良，同時不合理施肥也是土壤酸化的重要因素[26]。有機質是土壤重要組成部分，具有促進土壤結構形成、改善土壤理化性質、提高土壤保肥能力和緩沖性能等作用[27]，研究區(qū)內耕地土壤有機質含量低，平均值僅為16.66 g/kg，以較缺乏為主，從隸屬值來看，有機質是土壤肥力的首要限制因子，應注重實施種植綠肥、增施有機肥料、秸稈還田等調控措施。

全氮與有機質的相關性最為顯著，土壤中的氮絕大部分以有機形態(tài)存在，當土壤C/N比達到平衡時，土壤有機質含量基本決定了土壤氮素水平[28]，全氮為研究區(qū)土壤肥力的第二限制因子，均值為1.03 g/kg，以中等為主，合理增施有機肥是提高土壤氮素水平的有效措施。堿解氮與有機質的含量及熟化程度有關，研究區(qū)內堿解氮對土壤綜合肥力的貢獻最小，與有機質含量和熟化程度低有關。全磷對土壤肥力的貢獻較大，含量也相對豐富。有效磷直接影響作物對磷素的吸收，研究區(qū)有效磷整體處于較豐富至豐富水平，有效磷含量豐富的樣本占44%以上，空間變異性也很強，表明局部可能存在磷肥的過量施用，可能增加磷肥施用的環(huán)境風險[29]，另外土壤局部酸化也是有效磷含量升高的因素之一。全鉀空間變化最為穩(wěn)定，變異系數僅為7.50%，鉀元素以占90%以上的礦物鉀存在于土壤粗粒部分，植物極難吸收，同時作物對于鉀的需要量均高于氮、磷，人類農業(yè)生產活動有鉀肥的輸入，但是對于全鉀的影響有限，速效鉀含量的高低直接反映了施肥狀況。堿解氮、有效磷、速效鉀的變異系數均顯著高于對應全量的變異系數，這與不合理的盲目施肥有直接關系，化肥施用對提高糧食產量發(fā)揮了很大的作用，但增加化肥用量不相應增補有機肥，勢必使土壤有機質減少，長期單用多量化肥也往往使土壤板結，物理性狀變劣。

堿解氮、有效磷、速效鉀是全氮、全磷、全鉀可被植物直接吸收利用的有效存在形式[30]，土壤酸堿度是因土種植、因土施肥的重要依據之一，有機質又是土壤養(yǎng)分的主要來源，通過隸屬度函數和主成分分析計算土壤肥力綜合指數，并將其在空間上進行展現，對于摸清土壤肥力狀況、指導農業(yè)科學合理施肥具有重要意義。