鄂爾多斯高原西部土壤地力評(píng)價(jià)及其養(yǎng)分因子相關(guān)性分析研究
——以鄂托克旗為例

高凌智，李 彬，，3，馬金慧，黃 斌，竇 旭

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院資源環(huán)境與檢測(cè)技術(shù)研究所，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018；3.高效節(jié)水技術(shù)裝備與水土環(huán)境效應(yīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)工程研究中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；4.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028043；5.內(nèi)蒙古鄂托克旗農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，內(nèi)蒙古 鄂托克旗 016100）

鄂爾多斯高原位于黃河河套以南，長(zhǎng)城以北，包括陜西榆林地區(qū)北部、內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東南部和寧夏回族自治區(qū)河?xùn)|地區(qū)的一部分［1］。鄂爾多斯高原是一個(gè)構(gòu)造隆起剝蝕的地貌區(qū)，由于長(zhǎng)期干燥剝蝕，使地面除廣泛露出白堊紀(jì)砂巖外，第四季的風(fēng)化殘積、湖積、風(fēng)積、風(fēng)積物分布很廣［2］。土壤是一種具有復(fù)雜形態(tài)和演化過(guò)程的自然復(fù)合體。造成土壤具有較強(qiáng)的復(fù)雜性和時(shí)空變異性的主要因素是氣候、地形、成土?xí)r間和母質(zhì)等［3］。生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分以及土壤肥力的重要指標(biāo)就是土壤養(yǎng)分。土壤養(yǎng)分是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基石，是衡量土地生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的決定性因素［4-5］。衡量土壤肥力和決定農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵指標(biāo)就是土壤養(yǎng)分的豐缺程度和存在形式。受土壤自身結(jié)構(gòu)以及外在因素的影響，土壤養(yǎng)分有較高的空間變異性［6-7］。了解土壤分布規(guī)律、含量及其相關(guān)性評(píng)價(jià)，是土地利用價(jià)值的關(guān)鍵［8］，對(duì)于實(shí)現(xiàn)土壤養(yǎng)分的精準(zhǔn)管理和土地肥力的提升具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行了大量研究，TESFAHUNEGN等［9］利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究土壤的空間變異性，為合理地管理和利用土壤資源提供了有效的方法。梁斌等［10］研究了北京山區(qū)土壤養(yǎng)分特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)卦黾逾浄?、氮肥和磷肥的施用量可以避免山區(qū)土壤的土壤鹽漬化和沙化，還可以提高土壤養(yǎng)分的利用效率以及改善作物的生長(zhǎng)狀況。林建平等［11］研究了南方山區(qū)不同高程耕地的土壤養(yǎng)分特征，研究結(jié)果可以顯示出南方山區(qū)耕地土壤養(yǎng)分的垂直變化特征。目前，關(guān)于鄂爾多斯土壤養(yǎng)分研究［12-15］相對(duì)較少，還有待進(jìn)一步深入。

通過(guò)野外采集土樣和調(diào)研，分析鄂爾多斯市鄂托克旗土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量、分布特征及其相關(guān)性，旨在為當(dāng)?shù)赝寥鲤B(yǎng)分調(diào)控與精確管理提供理論參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況 試驗(yàn)于2009—2011年在鄂爾多斯市鄂托克旗（東經(jīng)106°55′12″～108°25′12″，北緯38°16′48″～40°11′24″，海拔1 017.97～1 019.95 m）進(jìn)行，該地區(qū)是典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)且寒冷，夏季短促且炎熱，寒暑變化大，風(fēng)多雨少，氣候干燥，蒸發(fā)強(qiáng)烈，日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)，晝夜溫差大。年日照時(shí)數(shù)3 000 h，平均海拔1 800 m，年平均氣溫6.4℃，年降水量為250 mm，年蒸發(fā)量3 000 mm，降水主要集中在7—9月份，無(wú)霜期122 d，有干旱和風(fēng)沙危害。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集 根據(jù)鄂托克旗的耕地面積、土壤類型和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平等情況，將大田采樣點(diǎn)的密度定為5～7 hm2布設(shè)1個(gè)點(diǎn)位，在全旗1.9萬(wàn)hm2的耕地上共布設(shè)大田采樣點(diǎn)2 962個(gè)。利用手持全球定位系統(tǒng)GPS定位儀確定實(shí)地經(jīng)緯度。根據(jù)取樣地塊的大小分別采用對(duì)角線法、蛇形法和棋盤(pán)式法進(jìn)行采樣，每個(gè)采樣點(diǎn)采取20個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)取0～20 cm耕層土樣，混合均勻后利用四分法稱取1 kg土樣進(jìn)行裝袋測(cè)定。

1.3 土壤指標(biāo)測(cè)定方法 本研究主要的測(cè)試指標(biāo)為土壤的pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量，具體測(cè)試方法見(jiàn)表1。

表1 土壤指標(biāo)測(cè)試方法Tab.1 Test method of soil index

1.4 數(shù)據(jù)處理 采用Excel整理數(shù)據(jù)與制圖，利用SPSS17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鄂托克旗不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤肥力含量 土壤中pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷及速效鉀含量反映了土壤的肥力狀況。鄂托克旗6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤肥力含量見(jiàn)表2。鄂托克旗6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤中，蒙西鎮(zhèn)pH值最低，為8.63。阿爾巴斯蘇木、木肯淖爾鎮(zhèn)、棋盤(pán)井鎮(zhèn)、烏蘭鎮(zhèn)、蘇米圖蘇木分別比蒙西鎮(zhèn)高0.11、0.15、0.09、0.11、0.10個(gè)單位，均屬于堿性土地，且堿性相對(duì)較強(qiáng)。蘇米圖蘇木的有機(jī)質(zhì)和有效磷含量均最高，分別為6.19 g·kg-1、9.53 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量分別較阿爾巴斯蘇木、木肯淖爾鎮(zhèn)、蒙西鎮(zhèn)、棋盤(pán)井鎮(zhèn)、烏蘭鎮(zhèn)高26.84%、41.00%、34.86%、22.33%、10.34%，有效磷含量較阿爾巴斯蘇木、木肯淖爾鎮(zhèn)、蒙西鎮(zhèn)、棋盤(pán)井鎮(zhèn)、烏蘭鎮(zhèn)高20.48%、27.07%、51.27%、53.46%、18.98%。因?yàn)楫?dāng)?shù)刂饕阅翗I(yè)為主，牧草殘落以及根茬、牲畜排泄物較多，導(dǎo)致土壤中有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較多，從而土壤的固磷效果較弱，提高了磷的有效性，因此，土壤中有效磷含量也相對(duì)較多。蒙西鎮(zhèn)土壤中的全氮和堿解氮含量相對(duì)較多，分別為0.46 g·kg-1、34.34 mg·kg-1，該地區(qū)土壤質(zhì)地較好，主要以壤土為主，含有少量粘壤土，對(duì)養(yǎng)分保存效果較好，并且養(yǎng)分含量較高，生產(chǎn)潛力高，經(jīng)過(guò)改造可發(fā)展成高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)田。土壤速效鉀含量從大到小依次為烏蘭鎮(zhèn)、阿爾巴斯蘇木、蒙西鎮(zhèn)、木肯淖爾鎮(zhèn)、棋盤(pán)井鎮(zhèn)、蘇米圖蘇木，范圍為118.09～144.65 mg·kg-1。

表2 鄂托克旗不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤肥力含量Tab.2 Soil fertility content in different townships in Etuoke Banner

2.2 鄂托克旗土壤地力等級(jí)評(píng)價(jià) 按照“第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”（表3）［16］對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)。土壤養(yǎng)分登記統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)圖1。由圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）可知，區(qū)域內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮3種土壤養(yǎng)分含量大多處于極缺乏狀態(tài)（六級(jí)），采樣點(diǎn)3種養(yǎng)分中極缺乏等級(jí)的土壤面積分別占總面積的62.86%、83.76%和71.67%。圖1（d）為土壤有效磷等級(jí)評(píng)價(jià)情況，很豐富、豐富和中等等級(jí)的土壤面積分別占總面積的0.57%、3.88%和17.62%，5～10 mg·kg-1（缺乏）面積占區(qū)域總面積最大，為35.58%，很缺乏和極缺乏等級(jí)的土壤面積分別占總面積的18.30%、24.04%。有效磷含量等級(jí)較有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮相對(duì)較高，但仍比較缺乏。由圖1（e）可知，速效鉀含量在中等（100～150 mg·kg-1）水平面積最大，占總面積的37.37%，豐富（150～200 mg·kg-1）和缺乏（50～100 mg·kg-1）水平所占面積也相對(duì)較大，分別為24.24%、27.35%。土壤中速效鉀含量相對(duì)較豐富可能是由于自然情況下，土壤鉀素基本全部由母質(zhì)風(fēng)化而來(lái)，需要增加當(dāng)?shù)鼗始稗r(nóng)家肥用量來(lái)增加土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷含量。

表3 第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Nutrient classification standard of the second soil census

圖1 土壤養(yǎng)分等級(jí)統(tǒng)計(jì)圖Fig.1 Statistical diagram of soil nutrient grades

2.3 鄂托克旗土壤pH值與各養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)分析 表4為表層土壤（0～20 cm）pH值和養(yǎng)分統(tǒng)計(jì)分析特征，pH平均值為8.73，堿性相對(duì)較強(qiáng)，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展，在后續(xù)試驗(yàn)中應(yīng)適當(dāng)降低pH值。土壤有機(jī)質(zhì)平均值為5.00 g·kg-1，全氮平均值分別為0.36 g·kg-1，堿解氮平均值為24.85 mg·kg-1，有效磷平均值為7.41 mg·kg-1，速效鉀平均值為129.87 mg·kg-1，土壤含量較為缺乏，土地比較貧瘠。

土壤養(yǎng)分變異系數(shù)（Cv）直接反映土壤養(yǎng)分的空間變異性，其變異性分為3個(gè)等級(jí)，即變異系數(shù)Cv小于10%時(shí)為弱變異性，介于10%～100%時(shí)為中等變異性，大于100%時(shí)為強(qiáng)變異性［17］。從土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)來(lái)看，土壤pH值變異系數(shù)為2.864%，小于10%，屬于弱變異性。有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀變異系數(shù)均介于10%～100%之間，屬于中等變異性，其中，有效磷和堿解氮變異性相對(duì)較大，變異系數(shù)分別為91.903%和72.354%，有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀變異性相對(duì)較小，分別為49.800%、38.889%、37.915%（表4）。采用K-S法對(duì)4種土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)，在5%的檢驗(yàn)水平下，結(jié)果均符合正態(tài)分布，滿足地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究要求。

表4 土壤pH值與各養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)特征Tab.4 Statistical characteristics of soil pH value and nutrient contents

2.4 相關(guān)性分析 采用Pearson法對(duì)研究區(qū)域土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀因子進(jìn)行相關(guān)性分析，使用K-S檢驗(yàn)方法對(duì)土壤微量元素及土壤理化因子進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)，相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表5。分析結(jié)果表明，土壤pH值與除速效鉀外的其他土壤養(yǎng)分含量均有較強(qiáng)的相關(guān)性。其中：有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），pH值越低，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量越高；有效磷含量與pH值呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），pH值越低，有效磷含量也越低；速效鉀含量與pH值無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。有機(jī)質(zhì)與全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀4種養(yǎng)分均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。全氮和堿解氮與有效磷無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。

表5 土壤pH值與各養(yǎng)分含量相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficient between soil pH value and nutrient contents

對(duì)土壤pH值與土壤各養(yǎng)分含量進(jìn)行了逐步回歸分析（表6），有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮的回歸模型顯著水平達(dá)到P＜0.01，方程中有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮回歸系數(shù)均為負(fù)值。

表6 土壤pH值與養(yǎng)分含量線性回歸方程Tab.6 Linear regression equation of soil pH value and nutrient contents

3 討論與結(jié)論

了解土壤養(yǎng)分分布特征及其等級(jí)分布，對(duì)于土地的合理規(guī)劃、養(yǎng)分調(diào)控以及科學(xué)施肥，提高肥料利用效率，進(jìn)而提高糧食產(chǎn)量具有科學(xué)合理的指導(dǎo)意義。試驗(yàn)區(qū)土壤偏堿性，pH值為7.20～9.90，且堿性相對(duì)較強(qiáng)，不同植物對(duì)于陰離子（NO3-、SO42-、PO43-）和陽(yáng)離子（K+、NH4+、Ca2+、Mg2+）養(yǎng)分元素的需求并不均衡，當(dāng)植物吸收的陰離子較多時(shí)其根系就會(huì)分泌出更多的堿性離子來(lái)維持電荷平衡，進(jìn)而導(dǎo)致土壤堿性增強(qiáng)［18］。本研究中，土壤有機(jī)質(zhì)平均值為5.00 g·kg-1（六級(jí)），全氮平均值為0.36 g·kg-1（六級(jí)），堿解氮平均值為24.85 mg·kg-1（六級(jí)），有效磷平均值為7.41 mg·kg-1（缺乏），速效鉀平均值為129.87 mg·kg-1（中等），土壤養(yǎng)分含量較為缺乏，土地比較貧瘠。建議當(dāng)?shù)卦诜N植農(nóng)作物時(shí)適當(dāng)增加農(nóng)家肥、氮肥和磷肥的用量，減少鉀肥的用量以達(dá)到土壤中養(yǎng)分含量的平衡，更利于作物的生長(zhǎng)發(fā)育。

土壤養(yǎng)分變異系數(shù)（Cv）直接反映土壤養(yǎng)分的空間變異性，試驗(yàn)區(qū)土壤pH值變異系數(shù)為2.864%，小于10%，屬于弱變異性。有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀的變異系數(shù)均在10%～100%之間，屬中等變異性，其中，有效磷和堿解氮的變異系數(shù)分別為91.903%和72.354%，變異性較大，有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀變異性相對(duì)較小，分別為49.800%、38.889%、37.915%。土壤鉀素基本全部由母質(zhì)風(fēng)化而來(lái)，需要增加當(dāng)?shù)鼗始稗r(nóng)家肥用量來(lái)增加土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和有效磷含量以達(dá)到土壤養(yǎng)分含量平衡，提高作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

pH值對(duì)土壤中養(yǎng)分含量有較大影響，同時(shí)，土壤pH變化是一個(gè)相對(duì)較慢的過(guò)程，但由于現(xiàn)代化工業(yè)和農(nóng)業(yè)措施的影響，各地土壤pH有了一定變化［18-19］。土壤有機(jī)質(zhì)含量是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一，其含量與土壤的肥力保持、水分保持和酸堿緩沖作用有關(guān)，它可以改善土壤的物理性質(zhì)，在潮濕和低溫環(huán)境條件下更有利于有機(jī)物的積累，而在高溫和干旱環(huán)境條件下有助于有機(jī)質(zhì)的礦化。人類活動(dòng)（耕作、施肥、灌溉）直接影響土壤中氮素的循環(huán)和積累［20］，土壤中微生物區(qū)系受pH值控制和影響，pH值的大小會(huì)影響絕大多數(shù)營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化方向、過(guò)程、形態(tài)和有效性［21］。本研究結(jié)果表明，土壤pH值與有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），表明該地區(qū)土壤pH值與土壤養(yǎng)分含量有密切關(guān)系，能顯著影響土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量和堿解氮含量。鄂托克旗屬于典型的牧區(qū)生態(tài)環(huán)境，氣候變化對(duì)其植被生長(zhǎng)和土壤環(huán)境影響也較為嚴(yán)重，在后續(xù)試驗(yàn)中，應(yīng)該增加不同時(shí)段對(duì)植被和土壤的影響以及對(duì)牧草產(chǎn)量的研究，為牧區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。