田間尺度下農(nóng)地土壤質(zhì)量評價——以榆林市榆陽區(qū)芹河鄉(xiāng)為例

楊　波，王　艷，董莉麗

（1.咸陽師范學院 資源環(huán)境與歷史文化學院，陜西 咸陽 712000；2.陜西省榆林市榆陽區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，陜西 榆林 719000）

田間尺度下農(nóng)地土壤質(zhì)量評價——以榆林市榆陽區(qū)芹河鄉(xiāng)為例

楊波1，王艷2，董莉麗1

（1.咸陽師范學院 資源環(huán)境與歷史文化學院，陜西 咸陽 712000；2.陜西省榆林市榆陽區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，陜西 榆林 719000）

以陜西省榆林市榆陽區(qū)芹河鄉(xiāng)農(nóng)地土壤為研究對象，共采集253個土壤樣品，選取有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、侵蝕度和pH值為主要指標。通過因子分析方法確定該地區(qū)土壤質(zhì)量評價體系，利用ArcGIS9.3繪制土壤質(zhì)量隸屬度評價圖。結(jié)果表明：利用因子分析方法在該地區(qū)進行土壤質(zhì)量綜合評價是客觀可行的，該方法較好地反映了該地區(qū)土壤質(zhì)量的實際情況。該地區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級耕地所占比例分別為1.21%、36.41%、54.74%、7.63%，西南和東北方向土壤肥力質(zhì)量較高，西北部和東南部地區(qū)土壤肥力質(zhì)量較低。與第二次土壤普查數(shù)據(jù)進行比較，堿解氮、有機質(zhì)有效磷和全氮等各種養(yǎng)分增幅不一致，養(yǎng)分呈現(xiàn)總體含量增加的趨勢，但速效鉀含量下降，由富鉀區(qū)向缺鉀區(qū)轉(zhuǎn)變趨勢明顯。

土壤養(yǎng)分評價；GIS空間插值；土壤質(zhì)量；空間分布

地球生物圈的健康延續(xù)依靠土壤質(zhì)量，它是人類的生存和發(fā)展的最基本自然資源。土壤質(zhì)量涉及以下幾方面內(nèi)容：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性；為人類提供健康、無害的農(nóng)產(chǎn)品；通過與外界的物質(zhì)循環(huán)和能量流動，對外界和自身環(huán)境產(chǎn)生影響等［1］。土壤肥力、土壤微環(huán)境以及土壤的健康狀況是衡量土壤質(zhì)量的重要指標。土壤質(zhì)量評價可促進土地的可持續(xù)利用［2］，能夠?qū)Σ焕淖兓厔萏峁┰缙诘念A(yù)警，使人們及時發(fā)現(xiàn)土壤質(zhì)量發(fā)生變化的區(qū)域［3］，進而采取適當?shù)拇胧┖头椒ㄖ笇?dǎo)未來的土壤管理，這主要依賴于對土壤質(zhì)量真實和精確的評價［4］，所以土壤質(zhì)量評價研究工作意義重大。

隨著先進的技術(shù)工具的使用，信息和土壤質(zhì)量評價方法的出現(xiàn)，使補救策略和農(nóng)業(yè)的經(jīng)營方式融為一體［5］。很多學者將模糊數(shù)學［6］、多元統(tǒng)計分析［7］、主成分分析方法［8］、主成分分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析［9］和GIS技術(shù)［10］應(yīng)用到土壤質(zhì)量評價中，并取得了一系列成果。在全球尺度內(nèi)，土壤的性質(zhì)受到氣候、生物等因素的影響，差異性很大，很難利用統(tǒng)一的質(zhì)量評價方法［6］，因此有必要在不同的地區(qū)根據(jù)實際情況，因地制宜的選擇一種或者幾種方法的組合來評價土壤質(zhì)量。

在陜西地區(qū)的土壤質(zhì)量評價研究中，黃婷等［11］利用主成分分析方法對陜西省長武縣耕地土壤土壤肥力質(zhì)量評價，董秋瑤［12］等對陜北黃土區(qū)不同土地利用方式的土壤肥力研究，吳瑞青［13］等利用統(tǒng)計學方法對榆林市榆陽區(qū)春玉米潮土土壤養(yǎng)分含量變化進行分析，岳西杰等［14］等對黃土丘陵溝壑區(qū)土壤質(zhì)量評價研究，但是沒有進一步深入探討。目前針對陜北沙土和潮土田間尺度的土壤質(zhì)量評價研究較少。本文以榆林市榆陽區(qū)芹河鄉(xiāng)12個村莊農(nóng)地土壤作為對象，對土壤質(zhì)量現(xiàn)狀做出綜合評價，用IDW方法在ArcGIS9.3中繪制土壤質(zhì)量綜合評價圖。對農(nóng)作物種植提供參考性意見，為本地區(qū)土壤質(zhì)量改善提供支持。

1　研究區(qū)域概況和土壤樣品采集

1.1研究區(qū)域概況

榆林地區(qū)位于黃河中游西岸，屬黃土高原地區(qū)，南部為陜北黃土高原北端，北部為毛烏素沙地南緣，黃土與風沙構(gòu)成本區(qū)最顯著的自然特色。榆林地區(qū)土壤大體可分北部草原土壤地帶和南部草原森林草原土壤地帶。榆陽區(qū)耕地總資源6.93萬hm2，糧食作物耕地面積5.68萬hm2，其中春玉米種植面積2.67萬hm2。2010年糧食總產(chǎn)量25.85萬t，其中春玉米總產(chǎn)量18.5萬t。榆陽區(qū)春玉米種植面積不到耕地面積的1/2，但是在全區(qū)糧食生產(chǎn)中地位極其重要，其產(chǎn)量占全區(qū)糧食總產(chǎn)量的70%以上［13］。因此查明土壤養(yǎng)分含量，得出養(yǎng)分變化規(guī)律，可以為該區(qū)農(nóng)莊作物合理施肥提供依據(jù)。

1.2土壤樣品采集

選取榆林市榆陽區(qū)以芹河鄉(xiāng)下屬管轄12個村莊的農(nóng)地土壤作為研究對象（圖1），地理位置在38.21°～38.30°N，109.58°～109.56°E之間，土壤采樣點用麥哲倫600eXplorist手持式GPS定位，土壤樣品采集原則是根據(jù)依據(jù)土壤類型采樣，依據(jù)土類、土屬和土種采樣。采樣點距離村莊最近200 m，最遠2 200 m。每個樣點在直徑5 m內(nèi)，選擇3個土層為0～20 cm耕層土壤混合。采樣時間為2010年6月，有效土壤樣品共計253個。土壤在實驗室內(nèi)風干、磨碎，過100目網(wǎng)篩。用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定有效磷；pH計測定土壤pH值；用磷酸浴重鉻酸鉀法測定有機質(zhì)；用堿解擴散法測定堿解氮；用NH4Ac浸提—火焰光度法測定速效鉀。

圖1　芹河鄉(xiāng)土壤采樣點分布圖

2　研究方法

2.1隸屬度函數(shù)

利用土壤隸屬度函數(shù)模型結(jié)合因子分析法對土壤肥力質(zhì)量進行評價［15］，該方法基于客觀分析，避免了人為主觀影響。隸屬度函數(shù)一個分段函數(shù)，根據(jù)評價指標在不同區(qū)間范圍內(nèi)，有不同的表達式?？煞譃镾型、拋物線型、反S型三種曲線型關(guān)系［6］。利用隸屬度函數(shù)將土壤肥力指數(shù)做歸一化處理。結(jié)合研究區(qū)實際情況，確定土壤有機質(zhì)、有效磷、速效鉀和硝態(tài)氮為戒上型隸屬度函數(shù)。其函數(shù)為：

學者研究表明玉米能適應(yīng)pH值在5～8的土壤環(huán)境，在pH值6.5～7的中性土壤生長最好，本文采用經(jīng)驗法計算pH值的隸屬度，pH值的隸屬度取值見表1。

對于土壤質(zhì)量和土壤侵蝕程度關(guān)系，相關(guān)文獻涉及不多，榆林市榆陽區(qū)位于陜北黃土高原地區(qū)，土壤流失比較嚴重，因此在研究中將土壤侵蝕度作為一個評價土壤質(zhì)量的因子考慮進來，按照土壤侵蝕分類分級國家標準SL190—2007，把土壤侵蝕分為5個級別，采取專家咨詢法，確定隸屬度函數(shù)值，如表2所示。

表1　土壤pH值隸屬度值

表2　土壤侵蝕等級隸屬度值

2.2土壤肥力綜合指標運算表達式

本研究采用因子分析中的特征根計算因子負荷量和因子載荷，計算出每個土壤指標的權(quán)重值，再利用隸屬度函數(shù)計算的每個評價指標的隸屬度值和權(quán)重進行乘積，并分別乘以各因子的方差貢獻率，然后進行累加求和，計算出土壤量指數(shù)SQI［16］。

其中Wi表示各土壤質(zhì)量因子的權(quán)重向量，Ci表示第i個土壤質(zhì)量因子的因子負荷量。

根據(jù)加乘法則，對各個土壤質(zhì)量的指標值采用乘法進行合成，土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI）的計算公式如下

其中n表示評價指標的個數(shù)，m表示所選主成分個數(shù)，kj表示第j個主成分的方差貢獻率。計算所得的綜合評價指標值SQI其值越大，表明土壤肥力綜合指標越高。

2.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析

在Excel里對試驗數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；利用SPSS軟件的Factor Analysis模塊進行因子分析；然后將屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS9.3中生成Shp格式矢量數(shù)據(jù)，并在Spatial Analyst模塊中繪制各因子隸屬度指數(shù)圖和土壤質(zhì)量綜合評價圖。

3　結(jié)果與分析

3.1各評價指標的統(tǒng)計學分析

選擇pH、侵蝕度、堿解氮、有效磷、速效鉀、和有機質(zhì)為主要指標，各指標的統(tǒng)計值見表3。根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準，由表3可知，研究區(qū)土壤有機質(zhì)含量在四級和六級之間，堿解氮在二級到六級之間，速效磷和速效鉀在一級到六級之間。從變異系數(shù)看，pH變異系數(shù)＜0.1，為弱變異，而其他各指標的變異系數(shù)在0.1～1.0之間，屬中等變異。

表3　土壤評價因子的統(tǒng)計學分析

3.2研究區(qū)域土壤質(zhì)量評價

利用式（2）和式（3）計算各樣地土壤質(zhì)量指數(shù)，并將該值與GPS實測的經(jīng)緯度坐標文件導(dǎo)入到Arc-GIS9.3中，生成Shp格式的Point文件，加投影和比例尺。在Spatial Analyst模塊中用反距離權(quán)重方法（inverse distance weighting，IDW）插值繪制二維土壤質(zhì)量綜合評價圖（圖2）。

從圖2可以看出土壤質(zhì)量指數(shù)在18%～38%之間，說明榆林市的沙土和潮土肥力較低。這是因為土壤的顆粒組成以砂粒為主，土壤的保水保肥性能差。西南部和東北部地區(qū)的肥力優(yōu)于西北地區(qū)和東南地區(qū)。結(jié)合陜西省第二次土壤調(diào)查數(shù)據(jù)集進行對比，可知土壤質(zhì)量指數(shù)能較好的反映榆林地區(qū)沙質(zhì)土壤肥力的真實情況。根據(jù)榆林地區(qū)土壤的實際情況將土壤質(zhì)量等級分為4級。從表4可以看出，土壤質(zhì)量分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ等級的土地分別占1.21%、36.41%、54.74和7.63%。與第二次土壤普查數(shù)據(jù)進行比較，榆陽區(qū)土壤中堿解氮、有機質(zhì)有效磷和全氮等各種養(yǎng)分增幅不一致，養(yǎng)分呈現(xiàn)總體含量增加的趨勢，但速效鉀含量下降，由富鉀區(qū)向缺鉀區(qū)轉(zhuǎn)變趨勢明顯。

圖2　IDW插值土壤質(zhì)量指標評價圖

表4　土壤質(zhì)量等級面積百分比

4　結(jié)論

本文研究的榆林市榆陽區(qū)芹河鄉(xiāng)田間尺度下沙土和潮土土壤，而榆林地區(qū)水土流失比較嚴重，因此選取了土壤侵蝕指數(shù)作為其中的一個評價因子。研究表明，研究區(qū)Ⅰ等級耕地占1.21%，Ⅱ等級耕地占36.41%，Ⅲ等級耕地占54.74%，Ⅳ等級耕地占7.63%。通過采用GIS的空間分析功能，繪制榆陽區(qū)芹河鄉(xiāng)耕地的土壤質(zhì)量綜合評價空間分布圖。通過和陜西省第二次土壤調(diào)查的數(shù)據(jù)對比，表明土壤肥力質(zhì)量有所提高。

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Evaluation of Soil Quality Under Field Scale——Taking Qinghe Township in Yuyang District in Yulin City as an example

YANG Bo1，WANG Yan2，DONG Lili1
（1.School of Resources，Environment and Historical Culture，Xianyang Normal University，Xianyang 712000，Shaanxi，China；2.Yuyang DistrictAgriculturalTechnology Extension Center ofYulin City，Yulin 719000，Shaanxi，China）

253 soil samples were collected from the Qinghe township in Yuyang district in Yulin city.Soil organic matter，alkaline nitrogen，available phosphorus，available potassium and erosion degree were seen as comprehensive assessment indexes.Soil quality evaluation system was set up with factor analysis method.The membership functions comprehensive assessment figures were drawn by ArcGIS9.3 to show soil quality spatial variation.The result showed that factor analysis method could evaluate soil quality.The first-class，the second-class，the third-class and the forth-class arable land accounted for 1.21%，36.41%，54.74%and 7.63%respectively.Soil quality index was high in south-west and north-east area，while the north-west and south-east area was low.Compared with the second soil survey data，the growth of available nitrogen，available phosphorus and SOM were different.The overall nutrient content showed an increasing trend，but available K content was declining，which was an obvious tendency.

evaluation of soil nutrients；GIS spatial interpolation；soil quality；spatial distribution

F321.1

A

1672-2914（2016）02-0071-04

2015-11-01

陜西省重點扶持學科建設(shè)項目（0602）；咸陽師范學院科研基金項目（12XSYK036）。

楊波（1979—），男，陜西西安市人，咸陽師范學院資源環(huán)境與歷史文化學院講師，西安理工大學博士研究生，研究方向為農(nóng)業(yè)水土資源管理。