農(nóng)產(chǎn)品地理標(biāo)志保護(hù)區(qū)土壤養(yǎng)分特征評估
——以山西省翼城縣蘋果園為例

姚鈞豐，吳艷艷

（1.山西省應(yīng)用化學(xué)研究所/山西省化肥農(nóng)藥產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站，太原030027；2.東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，長春130024）

20世紀(jì)60年代以來，學(xué)者們開始對蘋果果園土壤展開深入研究。土壤肥力是土壤質(zhì)量的重要組成部分［1］。近年來，有關(guān)土壤養(yǎng)分的研究甚多，劉洪坤等［2］采用大田控制試驗和室內(nèi)分析相結(jié)合方法，研究不同耕作方式對果園土壤養(yǎng)分的影響；王根旺等［3］、居瑪汗·卡斯木等［4］、陳翠霞等［5］集中研究黃土高原地區(qū)蘋果連片栽培區(qū)土壤肥力評價。還有學(xué)者基于實地調(diào)查研究，通過土壤樣品采集測定分析多種微量元素含量及土壤養(yǎng)分水平［6-10］。目前已有的研究方法有傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)方法、隸屬度函數(shù)、地統(tǒng)計方法、土壤養(yǎng)分分級指標(biāo)評價、主成分分析法等［11-13］。果園土壤的養(yǎng)分消耗遠(yuǎn)高于農(nóng)田，隨著種植年限的延長，致使其土壤養(yǎng)分含量普遍偏低，果園減產(chǎn)嚴(yán)重［14-16］。因此，綜合測定、分析具有農(nóng)產(chǎn)品地理標(biāo)志的翼城蘋果地域標(biāo)志保護(hù)區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分含量及豐富度，對增加果園產(chǎn)量、提升品牌知名度、指導(dǎo)科學(xué)施肥具有重大意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

根據(jù)《農(nóng)產(chǎn)品地理標(biāo)志登記管理辦法》的規(guī)定，2020年山西省地理標(biāo)志農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量155個，2017年翼城蘋果（AGI02163）正式劃定翼城蘋果地理標(biāo)志地域保護(hù)范圍，即翼城縣的隆化鎮(zhèn)、王莊鄉(xiāng)、南梁鎮(zhèn)、里砦鎮(zhèn)、南唐鄉(xiāng)、中衛(wèi)鄉(xiāng)、澆底鄉(xiāng)、唐興鎮(zhèn)8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，位于山西省臨汾市東南，屬暖溫帶大陸性氣候，111°34'48″—112°01'29″E，35°37'10″—35°50'35″N。翼城蘋果種植面積10 000 hm2，年產(chǎn)量45萬t。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土壤樣品采集參照《NYT1121.1—2006土壤檢測》進(jìn)行選取采集，本次共采集樣品點300處，其中，里砦25份、隆化228份、南唐6份、唐興6份、王莊26份、中衛(wèi)9份，在地域范圍上包含保護(hù)區(qū)內(nèi)的6個鎮(zhèn)區(qū)所轄32個村（圖1）。其中，全氮采用半微量開氏法測定；堿解氮、有效磷、速效鉀養(yǎng)分檢測均采用聯(lián)合浸提比色法測定；有機質(zhì)采用硫酸重鉻酸鉀氧化（油裕）-滴定法測定；有效硫采用磷酸鹽乙酸溶液浸提法測定；有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳采用火焰原子吸收分光光度法測定；有效鉬采用草酸-草酸銨（1∶10）-極譜法測定；水溶硼采用甲亞胺-H比色法測定。

圖1 采樣點分布范圍

2 研究方法

2.1 果園土壤肥力單項指標(biāo)評價

基于國內(nèi)外土壤肥力評價已有研究成果，結(jié)合華北地區(qū)、黃土高原地區(qū)土壤基本特征，本研究選取全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)、有效硫、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳、有效鉬和水溶硼12個指標(biāo)。借助SPSS 22.0軟件和ArcGIS空間分析軟件對試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析［17-19］。SPSS 22.0軟件主要進(jìn)行樣本的數(shù)據(jù)收集整理及描述性統(tǒng)計分析、相關(guān)性檢驗分析等，ArcGIS空間分析主要是進(jìn)行樣本點空間分布分析及土壤養(yǎng)分含量空間分異呈現(xiàn)等。主要應(yīng)用密度分析（Density）及克里金法（Kriging）。密度分析主要是利用某函數(shù)根據(jù)點要素計算每單位面積的量值，以求達(dá)到將各個點擬合為光滑圓錐表面。克里金法是基于已有的觀測樣點值以及某種半變異函數(shù)對觀測樣點插值的地統(tǒng)計學(xué)方法，可以對空間插值樣點做出最優(yōu)無偏估計。

2.2 確定指標(biāo)權(quán)重

各種土壤因子對土壤肥力水平的貢獻(xiàn)和作用不同，為避免人為主觀因素影響，本研究采用相關(guān)系數(shù)法確定各肥力指標(biāo)的權(quán)重。各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)的計算通過SPSS 22.0軟件完成，再求其均值，各指標(biāo)權(quán)重取相關(guān)系數(shù)均值與均值綜合的比值。

2.3 果園土壤養(yǎng)分標(biāo)準(zhǔn)化

土壤養(yǎng)分標(biāo)準(zhǔn)化可以消除量綱影響，是農(nóng)田和林地土壤養(yǎng)分比較研究中常用有效指標(biāo)之一［4］。其計算公式如下：

式中，Si為各養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬度值；Ni為各養(yǎng)分指標(biāo)的原始值；Nimin、Nimax分別為第i項養(yǎng)分指標(biāo)原始值的最小值和最大值。

2.4 果園土壤肥力綜合評價

構(gòu)建果園土壤肥力綜合指數(shù)（Integrated fertility index，IFI）測定土壤肥力，具體公式為：

式中，IFI為果園土壤肥力綜合指數(shù)；wi為第i個評價指標(biāo)權(quán)重；Si為果園土壤養(yǎng)分指數(shù)；i的取值范圍為1～12?；谝沓强h土壤肥力綜合指數(shù)實際狀況，本研究采用自然斷點法［20］將果園土壤肥力空間分布進(jìn)行等級劃分（1級至5級肥力區(qū)），以實現(xiàn)群組內(nèi)差異最小化，群組間不同最大化。

3 結(jié)果與分析

3.1 果園土壤肥力指標(biāo)統(tǒng)計特征分析

3.1.1 各指標(biāo)權(quán)重確定由表1可知，全氮與堿解氮、有效磷的相關(guān)系數(shù)分別為0.999、0.273，分別呈極顯著和顯著正相關(guān)；堿解氮與有效磷呈極顯著正相關(guān)；有效磷與速效鉀、有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.142、0.155，與有效鐵呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.158；有效硫與有效鋅相關(guān)系數(shù)為0.179，呈顯著正相關(guān)，與水溶硼的相關(guān)系數(shù)為-0.169，呈顯著負(fù)相關(guān)；有效銅與有效鐵呈顯著負(fù)相關(guān)，與水溶硼呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.207、-0.145；有效鋅與有效錳呈顯著負(fù)相關(guān)，與水溶硼呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.260、0.141；有效鐵與水溶硼呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.146。

指標(biāo)權(quán)重反映參評因子影響大小，評價結(jié)果是否準(zhǔn)確關(guān)鍵在于指標(biāo)權(quán)重的確定。目前，權(quán)重的確定方法有很多，如主成分分析法、層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)度法等。在本研究中，采用相關(guān)系數(shù)法確定評價指標(biāo)的權(quán)重，可以有效避免人為主觀因素對評價結(jié)果的影響。首先計算單項評價指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，構(gòu)建相關(guān)系數(shù)矩陣如表1所示，再根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣將單項肥力指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)平均值占所有指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值總和的比作為該項指標(biāo)的權(quán)重，由此計算得到各項肥力指標(biāo)權(quán)重值。

3.1.2 各指標(biāo)肥力統(tǒng)計由表2可知，全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)、有效硫、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳、水溶硼和有效鉬的平均值分別為137.03、126.19、2.88、219.75、653.00、46.28、0.99、1.14、7.02、13.91、0.42、0.09 mg/kg。有效磷的最大值是最小值的114倍。有機質(zhì)和全氮最大值分別為1 200.00、425.90 mg/kg，兩者皆屬于貧瘠水平。

變異系數(shù)表示土壤特性空間變異性大小，當(dāng)CV≤10%時為弱變異，10%＜CV＜100%時為中等變異，CV≥100%時為強變異。從變異系數(shù)來看，有效硫、有效錳、有效銅、有效鋅的變異系數(shù)分別為2.08%、6.51%、9.66%、10.00%，為弱變異，在空間分布上較穩(wěn)定；中等變異表現(xiàn)為有效鐵（13.89%）＜水溶硼（15.93%）＜有效鉬（19.16%）＜有機質(zhì)（26.87%）＜全氮（37.58%）＜堿解氮（40.92%）＜速效鉀（48.82%）；有效磷變異系數(shù)為110.39%，表現(xiàn)在空間分布上極不均勻，為強變異，這可能與土壤中物理化學(xué)反應(yīng)及磷肥施用有關(guān)。

表1 各肥力指標(biāo)相關(guān)系數(shù)及指標(biāo)權(quán)重

表2 各肥力指標(biāo)及綜合肥力指標(biāo)描述性統(tǒng)計

結(jié)合表2和圖2的趨勢分析，區(qū)域土壤屬性在空間分布上共有的趨勢性特征源于地形、母質(zhì)等多因素的相互作用。在東北-西南方向上，全氮、有效磷、速效鉀表現(xiàn)出一階趨勢效應(yīng)，肥力指數(shù)變化相對緩和，堿解氮、有機質(zhì)、有效銅、有效鐵、有效錳、水溶硼表現(xiàn)為二階趨勢效應(yīng)變化，有效硫、有效鋅、有效鉬表現(xiàn)為“U型”趨勢分布。在西北-東南方向上，水溶硼為一階趨勢效應(yīng)，全氮、堿解氮、有效磷、有機質(zhì)、有效鋅表現(xiàn)為二階趨勢效應(yīng)變化，有效硫、有效銅、有效鐵、有效鉬為“U型”分布，速效鉀、有效錳為“倒U型”分布。

圖2 各肥力指標(biāo)趨勢分析

3.2 果園土壤肥力綜合評價

基于以上12種肥力指標(biāo)，通過土壤肥力綜合指數(shù)，采用自然斷點法將研究區(qū)范圍內(nèi)果園土壤肥力劃分為5級（圖3），達(dá)到群組內(nèi)差異最小化，群組間不同最大化。

圖3 土壤肥力空間分布

土壤肥力分布范圍為0.23～0.72，依據(jù)自然斷裂點分別劃分為：1級肥力區(qū)［0.48～0.72）、2級肥力區(qū)［0.40～0.48）、3級肥力區(qū)［0.35～0.40）、4級肥力區(qū)［0.30～0.35）和5級肥力區(qū)［0.23～0.30）。由圖3、圖4可知，研究區(qū)域內(nèi)土壤肥力水平呈斑塊狀或條帶狀分布。1級肥力區(qū)占比為4.68%，主要分布在隆華鎮(zhèn)的牢寨村、上石門、下石門及北捍；2級肥力區(qū)占比為19.73%，主要分布在隆化村、北衛(wèi)村、南衛(wèi)村等；3級肥力區(qū)占比為35.12%，主要分布在隆華鎮(zhèn)上吳村，王莊鄉(xiāng)北治村，里砦鎮(zhèn)老官莊、南韓村，唐興鎮(zhèn)南官莊，南唐鎮(zhèn)北塘村；4級肥力區(qū)占比為28.43%，主要分布在里砦鎮(zhèn)北史村、北唐村，隆華鎮(zhèn)上吳村，中衛(wèi)鄉(xiāng)東上衛(wèi)村等；其余斑塊為5級肥力區(qū)，占比為12.04%。通過地統(tǒng)計學(xué)分析，在東北-西南方向上呈穩(wěn)定分布，在西北-東南方向上呈先增后減的二階變化趨勢（圖5）。

圖4 不同肥力等級土壤占比

圖5 土壤肥力空間變異趨勢分析

4 小結(jié)與討論

以翼城縣蘋果園為研究對象，本研究對12項土壤肥力指標(biāo)及土壤肥力綜合水平進(jìn)行空間測度。結(jié)果表明，在翼城縣果園中，有效硫、有效錳、有效銅、有效鋅為弱變異，全氮、堿解氮、速效鉀、有機質(zhì)、有效鐵、水溶硼、有效鉬為中等變異，有效磷為強變異。果園土壤肥力分布范圍為0.23～0.72，以3級肥力區(qū)［0.35～0.40）和4級肥力區(qū)［0.30～0.35）為主，占比分別為35.12%、28.43%，總體上屬于貧瘠水平。在各肥力指標(biāo)變異規(guī)律的研究中，缺少土壤肥力指標(biāo)的時間變化特征分析；對于土壤肥力評價的研究僅基于表層土壤，缺乏更多土層的研究。在今后的研究中，可以納入生物學(xué)指標(biāo)來測度土壤肥力，更精確測度有機肥代替化肥施用對果園土壤養(yǎng)分的貢獻(xiàn)，以此來指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。