延安市蔬菜大棚土壤肥力狀況調(diào)查與評(píng)價(jià)

祁迎春,王 建，秦 萌

(1.延安大學(xué)，陜西 延安 716000；2.延安市環(huán)境檢測(cè)與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 延安 716000)

引言

土壤肥力是土壤各種理化生物學(xué)性質(zhì)的綜合體現(xiàn)，是土壤質(zhì)量的重要組成部分。土壤肥力的高低是影響蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素，客觀全面地認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)土壤肥力是土地科學(xué)管理的前提和依據(jù)。目前，土壤肥力評(píng)價(jià)主要有主成分分析[1]、相關(guān)關(guān)系法[2]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[3]和內(nèi)梅羅指數(shù)[4]等方法上，不同的評(píng)價(jià)方法選擇的側(cè)重點(diǎn)不同，其評(píng)價(jià)結(jié)果所反映的意義也不相同。

近年來，延安市大力發(fā)展大棚蔬菜產(chǎn)業(yè)，截至2019年底，蔬菜面積已達(dá)2.2萬公頃，蔬菜總產(chǎn)116.1萬t，蔬菜產(chǎn)值達(dá)46.8億元，占種植業(yè)產(chǎn)值比重21.5%。蔬菜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展為農(nóng)民帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也給土地的科學(xué)管理提出了更高的要求。為了提高蔬菜產(chǎn)量，盲目過量使用化肥的現(xiàn)象普遍存在，長期不合理的施肥會(huì)使土壤養(yǎng)分失衡，最終導(dǎo)致肥力水平下降[5]。此外，大棚土壤長期處在高復(fù)種、高溫高濕等條件，隨著種植年限的增加一系列土壤問題日益凸顯，如土壤酸化、土壤鹽分含量過高、土壤養(yǎng)分不均衡、營養(yǎng)元素累積等現(xiàn)象[6～9]。

因此，以延安市周邊蔬菜大棚土壤為研究對(duì)象，測(cè)定土壤中N、P、K等肥力因子，并采用改進(jìn)之后的內(nèi)梅羅指數(shù)法和主成分分析法，評(píng)價(jià)延安市蔬菜大棚土壤肥力狀況，分析土壤肥力的主要影響因子，為當(dāng)?shù)厥卟舜笈锿寥鲤B(yǎng)分科學(xué)管理和合理施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

選擇延安市周邊主要的蔬菜生產(chǎn)基地(下李家灣、溫家溝、下寺灣和姚店)蔬菜大棚為土壤樣品的采集點(diǎn)，每個(gè)地方選5個(gè)大棚，每個(gè)大棚采取根層土壤樣品1個(gè)(3個(gè)樣品混合而成)，共計(jì)20個(gè)土壤樣品。棚齡為6～18 a，以番茄、青椒、豆角、黃瓜4種蔬菜為主，肥料主要為復(fù)合肥，有時(shí)摻雜有機(jī)肥。

1.2 測(cè)定方法

根據(jù)常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定[10]，見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及分析方法

1.3 土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

參照全國第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[11]，見表2。

表2 全國第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.4 土壤肥力評(píng)價(jià)方法

1.4.1 改進(jìn)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法 以pH、全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀 6個(gè)指標(biāo)為肥力因子來反映肥力狀況。為了消除各指標(biāo)單位的影響，根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，劃定土壤各屬性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表3。土壤pH分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的確定參考了前人的研究[12]，當(dāng)土壤pH值為5.5～6.5的微酸性土壤時(shí)，Pi=3；pH值分別為4.5～5.4，6.6～7.5時(shí)，Pi=2；pH值為<4.5，>7.5時(shí)，Pi=1。土壤綜合肥力等級(jí)見表4。內(nèi)梅羅綜合肥力指數(shù)計(jì)算參考相關(guān)文獻(xiàn)[11]。

表3 土壤各指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值

表4 土壤綜合肥力等級(jí)

1.4.2 主成分分析方法 采用SPSS18.0對(duì)6個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蔬菜大棚土壤pH及養(yǎng)分含量

表5為研究區(qū)土壤pH分級(jí)與所占比例情況。研究區(qū)土壤pH在7.36～8.95之間，其中，pH在7.5～8.5之間(弱堿性)最多，占75%，pH在6.5～7.5之間(中性)的占15%，pH>8.5(堿性)的占10%，研究區(qū)土壤整體偏弱堿性。

表5 土壤pH分級(jí)及比例

表6為研究區(qū)蔬菜大棚土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)表。由表6可知，蔬菜大棚土壤全氮含量在0.16～1.63 g/kg之間，均值為0.66 g/kg，參照土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2)，50%土壤樣品全氮含量處于極低水平(<0.5 g/kg)，25%土壤處于偏低或低的水平，20%處于適宜水平，5%處于高水平；有機(jī)質(zhì)含量在37.03～65.29 g/kg之間，均值為46.56 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量都達(dá)到高的水平以上，其中65%達(dá)到極高的水平；堿解氮含量在35.96～107.87 mg/kg之間，均值為67.16 mg/kg，處于適宜水平(90～120 mg/kg)的占20%，而處于偏低水平(60～90 mg/kg)和低水平(30～60 mg/kg)的分別占35%和45%；土壤速效磷和速效鉀的含量分別在38.63～100.27mg/kg和100.05～893.37 mg/kg之間，均值分別為68.95 mg/kg和506.85 mg/kg，含量都較高，其中90%土壤速效磷含量達(dá)到極高水平(含量>40 mg/kg)，85%土壤速效鉀含量達(dá)到極高水平(>200 mg/kg)。

表6 延安市蔬菜大棚土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)

整體來看，蔬菜大棚土壤偏堿性，土壤中全氮、堿解氮比較缺乏，有機(jī)質(zhì)較為豐富，而速效磷、速效鉀極其豐富，多數(shù)土壤樣品速效磷和速效鉀的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的最高值。

2.2 蔬菜大棚土壤肥力評(píng)價(jià)

土壤各種指標(biāo)共同決定土壤的肥力，主要體現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)、N、P、K等指標(biāo)[13,14]。內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤肥力的特點(diǎn)是主要考慮指標(biāo)中最小值對(duì)土壤肥力的限制。選擇土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀6個(gè)指標(biāo)，得出對(duì)應(yīng)的內(nèi)梅羅肥力綜合指數(shù)見表7，并結(jié)合綜合肥力等級(jí)(表4)對(duì)蔬菜大棚土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

由表7可知，延安市蔬菜大棚土壤綜合肥力系數(shù)變幅在1.08～1.89之間，參照肥力分級(jí)表(表4)，屬于肥力等級(jí)Ⅲ級(jí)，為一般肥力水平。各分指標(biāo)肥力指數(shù)大小順序分別為：有機(jī)質(zhì)=速效磷>速效鉀>堿解氮>pH>全氮，可以看出，最小分肥力系數(shù)為全氮，其次為pH和堿解氮，說明全氮、pH和堿解氮是影響土壤肥力的主要因子。

表7 土壤內(nèi)梅羅肥力綜合指數(shù)

2.3 土壤肥力因子主成分分析

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)相關(guān)的肥力因子進(jìn)行主成分分析，由表8公因子方差的提取值可以看出，6個(gè)指標(biāo)中堿解氮的信息損失量最小，其次是速效鉀和全氮，因此，這三個(gè)指標(biāo)是引起土壤肥力指標(biāo)變化的最主要因子。主成分的特征值和貢獻(xiàn)率見表9。

表8 公因子方差

表9 主成分的特征值和貢獻(xiàn)率

可以看出，選取的六個(gè)指標(biāo)的特征值和貢獻(xiàn)率差異很大，根據(jù)提取特征值大于1，可提取2個(gè)主成分，第1、2主成分的特征值分別2.627和1.314，貢獻(xiàn)率分別為43.783%和21.897%，累積貢獻(xiàn)率65.68%。

為了減少各指標(biāo)之間相關(guān)性的影響，采用最大方差法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)得到載荷陣，因子載荷反映主成分與原始指標(biāo)之間的相關(guān)性，載荷值越大，兩者之間的相關(guān)性就越大。旋轉(zhuǎn)后的載荷陣見表10，可以看出，速效鉀、堿解氮和有機(jī)質(zhì)對(duì)主成分1的影響較大，其中，速效鉀載荷值為0.884，對(duì)主成分1的影響最為明顯，其次是堿解氮，載荷值為0.796。對(duì)主成分2影響較大的是全氮，載荷值為0.876。綜合來看，速效鉀、堿解氮和全氮是影響蔬菜大棚土壤肥力的最主要因素。

表10 旋轉(zhuǎn)后載荷陣

3 結(jié)果與討論

土壤的肥力狀況是土壤高效合理施肥的重要依據(jù)。通過對(duì)延安市蔬菜大棚土壤肥力因子的分析和評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土壤pH在7.36～8.95之間，總體偏弱堿性。土壤pH不僅影響農(nóng)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用，而且還影響土壤中重金屬形態(tài)及遷移和轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響到農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)。王洪[15]等研究陜西省土壤pH時(shí)空變化特征時(shí)得出2017年延安市土壤pH在7.90-8.72之間；趙滿興[16]等研究發(fā)現(xiàn)陜北地區(qū)玉米地土壤pH在8.31～8.89之間；李柳瑩[17]等得出洛川果園土壤pH值為7.42～8.38之間。相比于其他學(xué)者的研究結(jié)果，研究區(qū)蔬菜大棚部分土壤pH略低，但不是很明顯。王學(xué)霞[18]等人研究發(fā)現(xiàn)設(shè)施菜地土壤pH 隨種植年限增加pH逐漸降低。本研究蔬菜大棚的棚齡為6-18 a，部分土壤pH降低可能與蔬菜大棚的種植年限有關(guān)。此外，唐琨[19]等研究發(fā)現(xiàn)作物對(duì)各種營養(yǎng)元素的吸收利用的有利土壤pH在6.5～7.5有利于。研究區(qū)85%土壤pH大于7.5，說明土壤pH是影響土壤肥力的重要因子，與內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法得出pH是影響土壤肥力主要因子相吻合。

土壤有機(jī)質(zhì)在作物生長和微生物代謝過程中必是不可缺的，是土壤肥力的基礎(chǔ)，也是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)之一。陳倫壽[20]等研究認(rèn)為蔬菜地土壤有機(jī)質(zhì)在30 g/kg以上時(shí)最為有利，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量在37.03～65.29 g/kg之間，均高于30 g/kg，處于高或極高的水平。

學(xué)者們對(duì)不同地方、不同種植年限蔬菜大棚土壤肥力的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，蔬菜大棚普遍存在土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量累積的現(xiàn)象，余海英等[21]對(duì)山東壽光溫室大棚土壤養(yǎng)分研究發(fā)現(xiàn)，速效磷、速效鉀的含量是露地土壤的5.4和3.7倍，富集比較明顯。高瑩[22]等研究西安設(shè)施蔬菜地土壤養(yǎng)分時(shí)發(fā)現(xiàn)部分土壤堿解氮缺乏，部分土壤堿解氮處于豐富狀態(tài)，土壤有效磷、速效鉀處于盈余狀態(tài)。王倩姿[23]等研究河北省保定設(shè)施菜地土壤肥力狀況時(shí)發(fā)現(xiàn)，63.41%土壤有效磷含量超過80 mg/kg，56.45%土壤樣品速效鉀含量高于300 mg/kg。延安市蔬菜大棚土壤全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量在0.16～1.63 g/kg、35.96～107.87 mg/kg、38.63～100.27mg/kg和100.05～893.37 mg/kg之間，土壤全氮、堿解氮含量處于偏低水平，而有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀含量處于高或極高水平。這與他人的研究結(jié)果一致性。說明蔬菜地土壤P肥和K肥累計(jì)現(xiàn)象比較嚴(yán)重，這一點(diǎn)應(yīng)引起重視。速效磷和速效鉀富集主要與施肥量有關(guān)，因此，在施肥的過程中注重平衡施肥。

對(duì)土壤肥力的評(píng)價(jià)，不同評(píng)價(jià)方法所用的計(jì)算方法和側(cè)重點(diǎn)不同，內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤肥力時(shí)，在計(jì)算過程中用最小值替換了原內(nèi)梅羅公式中的最大值，這就凸顯了最低指標(biāo)對(duì)肥力的限制。改進(jìn)的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法得出蔬菜大棚土壤綜合肥力指數(shù)變幅在1.08～1.89之間，屬于肥力等級(jí)Ⅲ級(jí)，為一般肥力水平。各分指標(biāo)肥力指數(shù)大小順序分別為：有機(jī)質(zhì)=速效磷>速效鉀>堿解氮>pH>全氮，除pH外，全氮和堿解氮是影響土壤肥力的主要因子。研究區(qū)蔬菜大棚土壤施肥主要以復(fù)合肥為主，因此，在使用的過程中應(yīng)注重加大N肥的添加，同時(shí)，還要適當(dāng)控制P肥和K肥的投入。主成分分析是通過降維將存在相關(guān)性的多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)能夠反映全部指標(biāo)綜合信息的綜合指標(biāo)，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效K、速效P、全N和pH進(jìn)行主成分分析，結(jié)果表明速效鉀、堿解氮和全氮是引起土壤肥力變化的最主要因子，這與內(nèi)梅羅綜合評(píng)價(jià)得到的結(jié)果相吻合。

土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)除了N、P、K、有機(jī)質(zhì)等營養(yǎng)元素外，還應(yīng)加入水、氣、熱、微量元素和管理等因素來進(jìn)行綜合考慮[24]。本研究用這六個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)土壤肥力較為局限，不能準(zhǔn)確的反映土壤潛在的生產(chǎn)能力。因此，還要結(jié)合壤微量元素、土壤生物指標(biāo)、作物生長指標(biāo)[25]等指標(biāo)綜合進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

研究區(qū)蔬菜大棚土壤pH在7.36～8.95之間，pH在7.5-8.5之間土壤占75%，總體偏弱堿性。土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀平均含量分別為46.56 g/kg、68.95 mg/kg和506.85 mg/kg，變幅在37.03～65.29 g/kg、38.63～100.27 mg/kg和100.05～893.37 mg/kg 之間，處于高或極高水平，而全氮和堿解氮平均含量為0.66 g/kg和67.16 mg/kg，變幅在0.16～1.63 g/kg和35.96～107.87 mg/kg之間，處于偏低水平；改進(jìn)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法得出蔬菜大棚土壤綜合肥力指數(shù)變幅在1.08～1.89之間，屬于肥力等級(jí)Ⅲ級(jí)，為一般肥力水平，全氮、pH和堿解氮是影響土壤肥力的主要因子。主成分分析結(jié)果表明，堿解氮、速效鉀和全氮是引起土壤肥力變化的最主要因子。研究區(qū)土壤缺乏N素營養(yǎng)，在使用的過程中應(yīng)注重加大N肥的添加同時(shí)，還要適當(dāng)控制P肥和K肥的投入。