湘西州土壤肥力綜合評(píng)價(jià)及空間分布特征*

彭 歡，周 迎，曾漢勇，羅 金，李 強(qiáng)，賀建武,

(1.湘西土家族苗族自治州農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心，湖南 吉首 416000；2.湘西土家族苗族自治州林業(yè)局，湖南 吉首 416000；3.吉首大學(xué)杜仲綜合利用技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 吉首 416000；4.吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 吉首 416000)

湘西土家族苗族自治州(簡(jiǎn)稱“湘西洲”)是中國(guó)特色農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)區(qū)、國(guó)家級(jí)出口食品農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全示范區(qū)、農(nóng)村一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展先導(dǎo)區(qū)，是湖南省重要的水果和高山蔬菜優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)和加工基地，農(nóng)業(yè)特色產(chǎn)業(yè)總面積超過(guò)266 680萬(wàn)m2.湘西州建有全球最大的富硒獼猴桃基地，全國(guó)最大的椪柑基地、百合基地，全國(guó)優(yōu)質(zhì)煙葉基地，全省最大的優(yōu)質(zhì)茶葉基地，州級(jí)以上農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化龍頭企業(yè)超過(guò)200家，綠色、有機(jī)、地理標(biāo)志農(nóng)產(chǎn)品總數(shù)達(dá)167個(gè)[1].近幾年調(diào)查報(bào)告顯示，湘西州土壤pH值偏酸，速效鉀和有效磷含量偏高或偏低，土壤肥力退化，對(duì)煙草產(chǎn)量和品質(zhì)造成了威脅[2].土壤是植物生長(zhǎng)的載體，土壤肥力直接影響果樹(shù)和作物的生長(zhǎng)發(fā)育及果實(shí)的產(chǎn)量、品質(zhì)[3].因此，對(duì)土壤肥力的客觀評(píng)價(jià)和合理分析，是防止土壤退化和提升土地生產(chǎn)力的前提[4].目前，國(guó)內(nèi)雖然已有少量關(guān)于湘西州煙草土壤性質(zhì)的調(diào)查報(bào)道[2，5]，但通常局限于單一作物，且僅對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行豐缺分析，未對(duì)土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，無(wú)法全面準(zhǔn)確反映湘西州土壤肥力水平.本研究基于湘西州自然條件和土壤特點(diǎn)選取pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀作為肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合指數(shù)和法構(gòu)建土壤肥力綜合評(píng)價(jià)體系，旨在分析湘西州土壤肥力狀況，為湘西州提升土壤肥力質(zhì)量、建設(shè)高質(zhì)量農(nóng)田提供參考，為全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興貢獻(xiàn)力量.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與樣點(diǎn)

研究區(qū)域位于湘、鄂、黔、渝四省市交界處的湘西土家族苗族自治州(東經(jīng)109°10′～110°22.5′，北緯27°44.5′～29°38′)，面積約1.5萬(wàn)km2.該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，境內(nèi)西南部石灰?guī)r分布廣，多溶洞和伏流，東西部為低山丘陵區(qū)，總體呈現(xiàn)一個(gè)以山原山地為主，兼有丘陵和小平原的弧形山區(qū)地貌，土壤類型以黃壤、黃棕壤、石灰土為主.

本研究土壤肥力評(píng)價(jià)樣品取自湘西自治州440個(gè)樣地，樣品采集點(diǎn)如圖1所示.在每個(gè)樣點(diǎn)選定采樣地，除去地表覆蓋物后，用五點(diǎn)采樣法采集0～20 cm的土壤樣品，混合后用牛皮紙信封帶回實(shí)驗(yàn)室，記錄每個(gè)樣地中心位置的經(jīng)緯度信息和海拔信息.土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室盡快去除石塊、動(dòng)植物殘?bào)w及其他異物，碾碎后過(guò)2 mm篩后自然風(fēng)干，用于土壤肥力指標(biāo)的測(cè)定.

圖1 湘西州土壤樣品采集點(diǎn)分布示意

1.2 土壤樣品測(cè)定方法

土壤pH值測(cè)定采用NY/T 1377—2007中的玻璃電極法；有機(jī)質(zhì)(OM)含量測(cè)定采用GB/T 9834—88中的重鉻酸鉀氧化-稀釋熱法；全氮(TN)含量測(cè)定采用GB/T 17767.1—2008中的半微量凱氏定氮法；有效磷(AP)含量測(cè)定采用GB/T 8573—2017中的NaHCO3浸提-鉬銻抗分光光度法；速效鉀(AK)含量測(cè)定采用NY/T 889—2004中的乙酸銨浸提-火焰光度法.

1.3 土壤肥力評(píng)價(jià)方法

參考文獻(xiàn)[6]的方法，綜合研究區(qū)域的自然條件和土壤特點(diǎn)，選取土壤pH值及OM，TN，AP，AK作為肥力評(píng)價(jià)指標(biāo).用相關(guān)系數(shù)法計(jì)算各指標(biāo)評(píng)價(jià)權(quán)重，進(jìn)而采用模糊數(shù)學(xué)理論確定隸屬函數(shù)計(jì)算指標(biāo)隸屬度，最后以指數(shù)和法計(jì)算各地區(qū)土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)得分.

1.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定 權(quán)重表征的是評(píng)價(jià)對(duì)象不同側(cè)面的重要程度的定量分配，表現(xiàn)為各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的相對(duì)重要程度，合理的權(quán)重是正確量化評(píng)估的關(guān)鍵[7].權(quán)重的計(jì)算方法有主成分分析法、熵值法、AHP層次法、CRITIC權(quán)重法、相關(guān)系數(shù)法等，其中相關(guān)系數(shù)法根據(jù)數(shù)據(jù)相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，權(quán)重賦值客觀，能有效減小主觀誤差[4].本研究采用相關(guān)系數(shù)法為各評(píng)價(jià)指標(biāo)分配權(quán)重.根據(jù)研究區(qū)域所采樣品土壤數(shù)據(jù)，通過(guò)SPSS分析構(gòu)建各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)(表1)，計(jì)算某項(xiàng)肥力指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值與所有肥力指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值總和的比值，將比值作為該項(xiàng)指標(biāo)因子的權(quán)重，得到土壤pH值，OM，TN，AP，AK的權(quán)重值分別為0.19，0.28，0.29，0.13，0.11(表2).

表1 土壤肥力指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)

表2 相關(guān)系數(shù)平均值及指標(biāo)權(quán)重

1.3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度函數(shù)的確定 評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)土壤綜合肥力的影響程度及其量綱不一，需對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值化處理，建立各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù).通常隸屬度函數(shù)會(huì)采用相對(duì)應(yīng)的折線型函數(shù)，得到不同函數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，以便于計(jì)算[8-9].根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論，聯(lián)系土壤肥力與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)系，土壤有OM，TN，AP，AK選擇S型函數(shù)模型計(jì)算隸屬度，相應(yīng)隸屬度函數(shù)表達(dá)式為

土壤pH值選擇拋物線函數(shù)模型計(jì)算隸屬度，相應(yīng)隸屬度函數(shù)表達(dá)式為

其中：x1為隸屬函數(shù)下限值；x2，x3為隸屬函數(shù)最優(yōu)值；x4為隸屬函數(shù)上限值.

考慮研究區(qū)域的自然環(huán)境和土壤特點(diǎn)，參考相關(guān)研究案例[10-11]，本研究采取的指標(biāo)轉(zhuǎn)折點(diǎn)見(jiàn)表3.

表3 土壤肥力指標(biāo)隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)

1.3.3 綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算 采用指數(shù)和法計(jì)算土地肥力綜合指數(shù)，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算公式為IFI=∑fiai.其中：IFI為土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；fi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度；ai為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值.

1.3.4 土壤肥力等級(jí)劃分 參考《耕地質(zhì)量等級(jí)》(GB/T 2033469—2016)和參考文獻(xiàn)[6，12-13]中的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)土壤肥力劃分成4個(gè)等級(jí)(表4)，綜合肥力指數(shù)IFI越接近于1，土壤肥力越高.

表4 土壤肥力等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果

2.1 湘西州土壤肥力的空間分布

對(duì)土壤pH值及OM，TN，AP，AK含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪制描述性統(tǒng)計(jì)特征表(表5)，同時(shí)利用ArcGIS中的地統(tǒng)計(jì)模塊，對(duì)其進(jìn)行自然斷點(diǎn)法處理，繪制空間分布圖(圖3).

從表5可知，土壤pH值的變化范圍為3.40～8.35，平均值為6.0，土壤以酸性至中性為主；土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化范圍為1.97～80.4 g/kg，平均值為28.98 g/kg；全氮含量的變化范圍為0.402～3.99 g/kg，平均值為1.73 g/kg；有效磷含量的變化范圍為0.13～1 190 mg/kg，平均值為55.09 mg/kg；速效鉀含量的變化范圍為30.5～946 mg/kg，平均值為135.25 mg/kg.變異系數(shù)Cv反映了特性參數(shù)的空間變異程度，也揭示了區(qū)域化變量的離散程度.一般認(rèn)為：Cv<0.1，弱變異性；0.1≤Cv≤1，中等變異性；Cv>1，高度變異性[14].表5結(jié)果顯示，土壤pH值及OM，TN，AK的變異系數(shù)分別為20.93%，40.98%，33.10%，76.98%，都表現(xiàn)出中度變異性；土壤AP的變異系數(shù)為187.31%，變異系數(shù)較高，呈現(xiàn)出高度變異性.由圖2可知，各行政區(qū)域的土壤pH值差別不大，除古丈縣土壤pH值為4.64～5.27，呈現(xiàn)弱酸性外，其余區(qū)域土壤pH值主要分布在6.11～7.22.花垣縣和古丈縣是土壤TN的高含量區(qū)域，整體含量在2.36 g/kg以上，其余區(qū)域的TN含量都在1.33～2.36 g/kg范圍內(nèi).土壤AK的總體空間分布較均勻，沒(méi)有出現(xiàn)特別集中的高含量地區(qū).花垣縣和古丈縣是土壤OM高含量富集區(qū)域，總體含量在43.3 g/kg以上，其他行政區(qū)域的有機(jī)質(zhì)含量分布較為均勻.土壤AP的整體空間分布均勻，但永順縣和瀘溪縣出現(xiàn)極高含量的AP樣本點(diǎn).土壤TN和OM的空間分布特征相似，在花垣縣和古丈縣內(nèi)兩者高含量樣本點(diǎn)高度重合.

表5 土壤肥力指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)

圖2 湘西州各縣(市)的土壤肥力指標(biāo)空間分布

2.2 湘西州土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

統(tǒng)計(jì)湘西州各縣(市)中不同肥力等級(jí)的樣本占比(表6)，同時(shí)利用ArcGIS中的地統(tǒng)計(jì)模塊，對(duì)不同行政區(qū)域的肥力綜合指數(shù)進(jìn)行分析，繪制空間分布圖(圖3).

表6 湘西州各縣(市)土壤不同肥力等級(jí)占比

圖3 湘西州各縣(市)的土壤肥力空間分布特征

由圖3可知，龍山縣Ⅰ級(jí)肥力土壤面積占比最高，為26.15%，除花垣縣占比僅為4%外，其余縣(市)占比均在15%以上.瀘溪縣和吉首市Ⅱ級(jí)肥力土壤面積占比低于10%，其余各縣差距不大.龍山縣Ⅱ級(jí)及以上肥力土壤面積占比為50.77%，在各縣(市)的行政區(qū)域內(nèi)占比最高；古丈縣、保靖縣、永順縣和鳳凰縣土壤肥力等級(jí)達(dá)到Ⅱ級(jí)及以上的面積占比均超過(guò)了30%，分別為42.50%，40.00%，38.46%，35.00%.Ⅲ級(jí)及以上肥力土壤面積占比中，龍山縣最高，為58.46%，保靖縣、古丈縣、永順縣、鳳凰縣和吉首市均超過(guò)了40%，分別為48.00%，47.50%，46.15%，43.33%和40.00%.除龍山縣外，其余所有縣(市)土壤肥力等級(jí)達(dá)到Ⅳ級(jí)的面積占比超過(guò)50%，其中花垣縣、瀘溪縣土壤肥力等級(jí)為Ⅳ的面積占比超過(guò)60%，分別為74.00%，61.51%.

3 討論

湘西州土壤肥力特征中，土壤pH值呈弱酸性，土壤OM，AP和AK含量偏高，僅龍山縣、永順縣、鳳凰縣、吉首市的Ⅰ級(jí)肥力土壤面積占比超過(guò)20%；除龍山縣外，其余7個(gè)縣(市)的Ⅳ級(jí)土壤面積占比均超過(guò)50%，其中花垣縣Ⅳ級(jí)土壤面積占比超過(guò)70.00%；湘西州Ⅰ和Ⅱ級(jí)土壤面積占比35.28%，土壤肥力總體水平表現(xiàn)為中等水平.土壤pH值及OM，TN，AP，AK都是影響土壤生產(chǎn)能力的關(guān)鍵因素[15]，本研究建立了土壤肥力綜合評(píng)價(jià)體系，較為系統(tǒng)地評(píng)估了湘西州土壤的整體質(zhì)量.

土壤pH值對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)、養(yǎng)分的有效性和土壤物理性質(zhì)等方面有較大影響，土壤酸化易影響土壤微生物活性和營(yíng)養(yǎng)元素的釋放與轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致土壤肥力下降，引起農(nóng)作物營(yíng)養(yǎng)障礙、產(chǎn)量和品質(zhì)下降等問(wèn)題[16].土壤OM對(duì)改善土壤理化特性、提供農(nóng)作物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分等具有重要作用，高含量的OM能有效改良土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤微生物數(shù)量，提高土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化率[17].氮、磷、鉀是植物生長(zhǎng)所必需的養(yǎng)分元素，直接影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量[18].湘西州土壤pH值以弱酸性為主，存在較普遍的輕微土壤酸化，土壤OM含量偏高，TN含量的變異系數(shù)及均值都在正常范圍內(nèi)，AP和AK含量的變異系數(shù)和均值均較高，這與鄧小華等[2]的研究結(jié)果類似.褚長(zhǎng)彬等[19]研究表明，施用有機(jī)肥能有效提高土壤磷、鉀含量，但對(duì)TN含量影響不明顯；徐仁扣等[20]研究發(fā)現(xiàn)，施用磷肥及生理酸性肥料是導(dǎo)致土壤酸化的主要原因之一.據(jù)此推測(cè)，湘西州大部分地區(qū)可能存在人工施加有機(jī)肥現(xiàn)象，少數(shù)地區(qū)除施加有機(jī)肥外，可能還施加大量含磷、鉀的化肥或生理酸性肥料，這一行為導(dǎo)致了湘西州土壤AP和AK含量的極差程度大，土壤酸化普遍.根據(jù)李慶軍等[21]研究結(jié)果，針對(duì)湘西州目前的土壤情況，筆者建議，暫時(shí)減少有機(jī)肥施加量，停止施加含磷、鉀的化肥和生理酸性肥料，適量添加鈣、鎂等堿性肥料，降低土壤pH值，緩解土壤酸化程度.

土壤肥力不高，土地質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，糧食產(chǎn)量和品質(zhì)就會(huì)面臨較大威脅，土地是糧食生產(chǎn)的命脈，保土地既要保數(shù)量，更要保質(zhì)量.2021年，國(guó)務(wù)院批復(fù)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《全國(guó)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃(2021—2030年)》提出，全國(guó)要以高質(zhì)量發(fā)展為主題，以提升糧食產(chǎn)能為首要目標(biāo)，加快推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，為保障國(guó)家糧食安全和重要農(nóng)產(chǎn)品有效供給提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).土地質(zhì)量是一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)且關(guān)乎糧食安全的重大問(wèn)題，結(jié)合本研究結(jié)果，建議對(duì)龍山縣、古丈縣、保靖縣和永順縣的土地進(jìn)行初步開(kāi)發(fā)利用，緊抓土地質(zhì)量，以建設(shè)高質(zhì)量農(nóng)田為重點(diǎn)，完善土地使用監(jiān)督機(jī)制，防止耕地面積減少，阻止化肥濫用，遏制土壤酸化，提升綜合生產(chǎn)能力，推進(jìn)全國(guó)高質(zhì)量農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃實(shí)施方案落地，為全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興貢獻(xiàn)力量.