黃淮海平原農(nóng)區(qū)農(nóng)用地土壤肥力評價(jià)及時(shí)空變化特征
——以山東省博興縣為例

李穎慧，姜小三，2*

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)泰州研究院，江蘇 泰州 225311）

土壤肥力是土壤質(zhì)量的本質(zhì)屬性，可為植物生長提供必需的養(yǎng)分，土壤養(yǎng)分含量及其空間分布特征是土壤肥力的重要標(biāo)志，其含量的高低直接影響糧食生產(chǎn)[1-3]。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，隨著土地利用方式、施肥模式和管理措施的改變，土壤肥力出現(xiàn)明顯變化，受土壤類型、地形、氣候、生物等因素的影響，土壤養(yǎng)分狀況也存在較大差異[4-5]。因此，了解土壤肥力變化規(guī)律以及揭示土壤養(yǎng)分的時(shí)空演變特征對合理利用土壤資源和科學(xué)施肥具有重要意義。

我國土壤肥力在第二次全國土壤普查后已發(fā)生明顯的變化，除東北黑土外，其他區(qū)域土壤肥力總體上雖有提升，但存在養(yǎng)分非均衡化、空間變異較大等特點(diǎn)[4，6]。孫曉兵等[7]的研究發(fā)現(xiàn)，河北省曲周縣耕地土壤養(yǎng)分的最大值和最小值具有顯著性差異，其比值范圍為7.14～28.89。王遠(yuǎn)鵬等[8]對1982—2017年江西省進(jìn)賢縣紅壤稻區(qū)土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行分析，結(jié)果表明有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀和堿解氮在空間上呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢。然而，也有研究表明長期耕作和較高施肥量條件下土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯下降[5]。黃淮海平原農(nóng)區(qū)土壤類型為潮土和鹽漬土，是我國重要的農(nóng)業(yè)土壤之一，同時(shí)也是重要的糧食生產(chǎn)基地，小麥-玉米復(fù)種連作是該區(qū)域主要的種植制度，復(fù)種指數(shù)高，在糧食連年高產(chǎn)的背后，卻存在生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性顯著不足、速效養(yǎng)分含量高和有機(jī)質(zhì)含量缺乏等問題[9-11]。山東省博興縣作為黃淮海平原糧食高產(chǎn)的典型縣域之一，隨著連續(xù)多年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素的大量投入，長期以來人類對土地資源改造規(guī)模和強(qiáng)度在不斷增大、增強(qiáng)，使得土壤養(yǎng)分關(guān)系發(fā)生較大變化，生物及人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)增強(qiáng)了土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性，原有的土壤普查數(shù)據(jù)已不能代表如今的土壤現(xiàn)狀。因此，迫切需要研究近年來的耕地土壤肥力變化情況，摸清農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理模式對土壤養(yǎng)分的影響，從而為土壤資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

本研究選取山東省博興縣2007年和2020年土壤pH、有機(jī)質(zhì)（Organic matter，OM）、有效磷（Available phosphorus，AP）、速效鉀（Available potassium，AK）、堿解氮（Alkali-hydrolyzable，AN）等5 種受人為因素影響較敏感且對作物生產(chǎn)具有限制作用的養(yǎng)分指標(biāo)[12-13]，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與指數(shù)和法對土壤肥力進(jìn)行綜合評價(jià)，揭示農(nóng)用地土壤養(yǎng)分的時(shí)空變化和分布特征，并探討土壤養(yǎng)分及土壤肥力在時(shí)間和空間上產(chǎn)生變化的原因，以期為土壤資源的管理和利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究材料

1.1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省濱州市博興縣（118°02′19″～118°22′54″E，36°57′42″～37°23′04″N），地處黃淮海平原東部，山東省北部、濱州市東南部，總面積900.7 km2，下轄3個(gè)街道、9個(gè)鎮(zhèn)。博興縣地勢平坦，總體趨勢呈現(xiàn)南北高、中間低、西高東低，平均海拔為8 m，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫13.6 ℃，無霜期191 d，日照時(shí)間2 479.8 h。境內(nèi)有黃河、小清河、支脈河三大水系，年平均降水量582.8 mm，主要集中在6—8 月。成土母質(zhì)為黃河沖積物，土壤類型主要為鹽土和潮土，土壤質(zhì)地有砂壤、輕壤、中壤和重壤。博興縣第一產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值中，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值位居第一，占比為57.3%，主要種植作物為玉米、小麥、棉花，作物多為一年兩熟，土地的集約化利用程度較高。自2007—2020年博興縣糧食作物種植面積由6.58×104hm2增加到7.40×104hm2，糧食單產(chǎn)由5 445 kg·hm-2增加到7 185 kg·hm-2[14]。

1.1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所需的基礎(chǔ)圖件及土壤肥力數(shù)據(jù)均由博興縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局提供。利用ArcGIS 10.2 軟件以土地利用現(xiàn)狀圖為底圖設(shè)置規(guī)則網(wǎng)格進(jìn)行采樣點(diǎn)的布設(shè)，如圖1 所示，每個(gè)采樣點(diǎn)用GPS 實(shí)地坐標(biāo)定位后，按梅花型布設(shè)五點(diǎn)采集0～20 cm 土樣，混合均勻后用四分法取約1 kg土樣裝入聚乙烯密封袋內(nèi)，帶回室內(nèi)自然風(fēng)干，用瑪瑙研缽進(jìn)行研磨后過篩備用。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布圖Figure 1 The location of soil sampling sites

土樣測定分析所用試劑、標(biāo)準(zhǔn)溶液配制以及儀器工作參數(shù)均遵循相關(guān)技術(shù)要求規(guī)范，分析數(shù)據(jù)由山東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村局提供。其中，有機(jī)質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀外熱源法，堿解氮含量測定采用NaOH 堿解擴(kuò)散法，有效磷含量測定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗吸光光度法，速效鉀含量測定采用醋酸銨浸提-火焰光度法，pH值測定采用電位法[15-16]。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤肥力綜合評價(jià)

（1）構(gòu)建隸屬度函數(shù)。由于選取的土壤肥力指標(biāo)具有多樣性，且各指標(biāo)間的量綱具有差異，需要采用隸屬度函數(shù)對各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使得各個(gè)指標(biāo)之間具有可比性和統(tǒng)一性。隸屬度函數(shù)是能夠反映評價(jià)指標(biāo)與作物生長效應(yīng)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，本研究選取的隸屬度函數(shù)理論模型為S型和拋物線型。

采用S 型隸屬度函數(shù)的指標(biāo)包括土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀、堿解氮，其函數(shù)表達(dá)式如下：

采用拋物線型隸屬度函數(shù)的指標(biāo)為pH，其函數(shù)表達(dá)式如下：

式中：x1、x2、x3、x4表示隸屬度函數(shù)的拐點(diǎn)值，參考文獻(xiàn)[17]以及農(nóng)用地等級劃分標(biāo)準(zhǔn)[18]，同時(shí)結(jié)合博興縣土壤的實(shí)際情況，確定隸屬度函數(shù)的拐點(diǎn)值，見表1。

表1 土壤肥力指標(biāo)隸屬度函數(shù)拐點(diǎn)值Table 1 The turning points of membership function of soil fertility indexes

（2）確定指標(biāo)權(quán)重。指標(biāo)權(quán)重能夠反映出各個(gè)評價(jià)指標(biāo)對事物影響程度的大小，權(quán)重的計(jì)算方法有特爾菲法、層次分析法、主成分分析法、相關(guān)系數(shù)法等。其中相關(guān)系數(shù)法能夠客觀地對評價(jià)指標(biāo)賦予適宜的權(quán)重，避免了人為主觀因素的干擾，故本研究采用相關(guān)系數(shù)法計(jì)算權(quán)重[19]。相關(guān)系數(shù)法確定權(quán)重首先要計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，然后計(jì)算某一評價(jià)指標(biāo)與其他評價(jià)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)的平均值，最終獲得該單項(xiàng)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值與所有指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值的比值，即為該單項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。本研究將2007年和2020年兩期指標(biāo)的權(quán)重平均值作為土壤肥力指標(biāo)的最終權(quán)重[20]，得到pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀權(quán)重值分別為0.075、0.280、0.259、0.165、0.221。

（3）土壤肥力評價(jià)。指數(shù)和法是劃分土壤肥力等級最普遍的方法[21]，土壤肥力評價(jià)指數(shù)是以模糊數(shù)學(xué)中的加法和乘法原則為基礎(chǔ)，將每個(gè)評價(jià)單元中各評價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)值與權(quán)重值分別相乘后求和，得到土壤肥力評價(jià)指數(shù)（IFI），計(jì)算公式如下：

式中：IFI表示土壤肥力的綜合評價(jià)指數(shù)；fi表示第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)值；ai表示第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值。

土壤肥力等級的劃分，基于《全國耕地質(zhì)量等級評價(jià)指標(biāo)體系》中的分級標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)黃淮海平原農(nóng)區(qū)農(nóng)用地的實(shí)際情況將研究區(qū)土壤肥力劃分成五個(gè)等級（表2），Ⅰ～Ⅴ級土壤肥力水平依次降低。

表2 土壤肥力等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The classification standard of soil fertility degree

1.2.2 統(tǒng)計(jì)分析與制圖

（1）地統(tǒng)計(jì)分析。地統(tǒng)計(jì)分析是以區(qū)域化變量為基礎(chǔ)，借助變異函數(shù)來研究空間數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)性與隨機(jī)性、空間相關(guān)性與依賴性、空間格局與變異，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)無偏內(nèi)插估計(jì)。半方差函數(shù)能夠反映區(qū)域內(nèi)各距離觀測值間土壤性質(zhì)的變化，是研究土壤養(yǎng)分空間變異規(guī)律的有效工具[22]?？死锝鸩逯底鳛橐环N最優(yōu)無偏估計(jì)的方法，基于采樣數(shù)據(jù)計(jì)算半方差函數(shù)來反映區(qū)域化變量結(jié)構(gòu)信息，在每種土壤養(yǎng)分含量符合正態(tài)分布的情況下，可以模擬每種土壤養(yǎng)分的空間結(jié)構(gòu)[23]。半方差函數(shù)能夠說明局部地區(qū)變量的空間變異及其相關(guān)程度，在半方差函數(shù)理論模型中，塊金值表示區(qū)域變量隨機(jī)性部分。當(dāng)采樣點(diǎn)的距離h增大時(shí)，半方差函數(shù)γ（h）從初始的塊金值達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定的常數(shù)，該常數(shù)稱為基臺(tái)值，此時(shí)的h稱為變程。塊金效應(yīng)指塊金值與基臺(tái)值的比值，表示隨機(jī)性因素引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總體變異的比例，當(dāng)比值<25%時(shí)，變量具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，空間差異性主要受結(jié)構(gòu)性因素影響；比值在25%～75%之間時(shí)，變量具有中度的空間自相關(guān)性，空間差異性受結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性因素共同影響；當(dāng)比值>75%時(shí)，變量空間自相關(guān)性較弱[24]。

區(qū)域變化量Z（x）在空間位置xi和xi+h的值為Z（xi）和Z（xi+h），兩者差值的方差的一半被稱為區(qū)域變化量Z（x）的半方差函數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中：γ（h）為半方差函數(shù)；Z（x）為區(qū)域變化量，滿足二階平穩(wěn)假設(shè)；h為兩個(gè)樣本點(diǎn)的分隔距離；N（h）為以h為間距的所有觀測點(diǎn)的成對數(shù)目；Z（xi）和Z（xi+h）分別為Z（x）在位置xi和xi+h的實(shí)測值。

在計(jì)算半方差函數(shù)前需要對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，并對不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。

（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與制圖。用Excel記錄數(shù)據(jù)并統(tǒng)計(jì)，通過GS+軟件進(jìn)行函數(shù)計(jì)算和模型擬合，運(yùn)用SPSS對原始數(shù)據(jù)和土壤肥力指數(shù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，描述性統(tǒng)計(jì)只能揭示數(shù)據(jù)的點(diǎn)位特征，需要進(jìn)一步利用空間插值的方法對博興縣土壤養(yǎng)分和土壤肥力的空間分布情況進(jìn)行直觀表達(dá)。

2 結(jié)果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析

2.1.1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)分析

2007年和2020年博興縣土壤養(yǎng)分的統(tǒng)計(jì)特征值見表3，由表3 可知，2007 年土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮、有效磷、速效鉀的極差分別為28 g·kg-1和138.50、97.00、460.00 mg·kg-1，平均值分別為15.13 g·kg-1和103.20、39.07、164.73 mg·kg-1。2020年土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮、有效磷、速效鉀的極差分別為18.94 g·kg-1和132.40、64.00、486.00 mg·kg-1，平均值分別為17.48 g·kg-1和84.73、24.99、242.80 mg·kg-1。除土壤pH 值外，同種土壤養(yǎng)分的含量在相同年份差異化明顯。對比2007年發(fā)現(xiàn)，2020 年土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效磷的極差呈降低的趨勢，有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量的平均值升高，增幅分別為15.53%、47.39%，堿解氮和有效磷含量的平均值降低，降幅分別為17.90%、36.04%。參照全國第二次土壤普查土壤養(yǎng)分的分級標(biāo)準(zhǔn)可知，土壤有機(jī)質(zhì)含量在2007 年和2020 年處于中下等水平（10～20 g·kg-1）的樣點(diǎn)數(shù)最多，占總樣點(diǎn)比例分別為44.56%和60.00%；有效磷含量在2007 年和2020 年處于較豐富水平（20～40 mg·kg-1）的樣點(diǎn)數(shù)最多，占總樣點(diǎn)比例分別為53.89%和48.00%；速效鉀含量在2007 年處于中上等水平（100～150 mg·kg-1）的樣點(diǎn)數(shù)最多，占總樣點(diǎn)比例為51.22%，在2020年處于豐富水平（>200 mg·kg-1）的樣點(diǎn)數(shù)最多，占總樣點(diǎn)比例為54.00%；堿解氮含量在2007 年處于中上等水平（90～120 mg·kg-1）的樣點(diǎn)數(shù)最多，占總樣點(diǎn)比例為48.22%，在2020年處于中下等水平（60～90 mg·kg-1）的樣點(diǎn)數(shù)最多，占總樣點(diǎn)比例為54.00%；土壤pH 值在2007 年和2020 年均處于堿性水平（7.5～8.7）。CV通常用于表示變量的空間變異程度，CV<10%表示弱變異性；CV處于10%～90%之間表示中等變異性；CV>90%表示強(qiáng)變異性[24]。結(jié)果表明，僅土壤pH 值為弱變異性，其余土壤養(yǎng)分指標(biāo)都表現(xiàn)為中等變異性。K-S（P>0.05）檢驗(yàn)表明土壤pH 值和速效鉀呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)分布，其余指標(biāo)均為正態(tài)分布。

表3 土壤養(yǎng)分指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)特征Table 3 The descriptive statistics of soil nutrient index

由表4 可知，2020 年土壤pH 與土壤堿解氮呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），與有效磷呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）；2007 年和2020 年土壤有機(jī)質(zhì)與堿解氮、速效鉀均呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），土壤堿解氮與速效鉀呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。2007 年土壤有效磷與速效鉀呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。

表4 2007年和2020年土壤養(yǎng)分指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)Table 4 The correlation coefficient of soil nutrient indexes in 2007 and 2020

2.1.2 土壤肥力指數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)分析

表5 表明，2007 年和2020 年土壤肥力指數(shù)平均值分別為0.56、0.54，由表2中的土壤肥力等級劃分標(biāo)準(zhǔn)可知，該地區(qū)的土壤肥力水平總體表現(xiàn)為中等（Ⅲ級）水平。2007 年和2020 年土壤肥力指數(shù)分別為0.17～0.99、0.10～0.94，極差分別為0.82、0.84，同年份的土壤肥力指數(shù)變化范圍較大。具體來看，2007 年土壤肥力指數(shù)的最小值比2020 年高0.07，最大值比2020 年高0.05，但2007 年土壤肥力平均值比2020 年高0.02，初步判定2007—2020 年期間不同級別的土壤肥力呈現(xiàn)出不同程度的變化。土壤肥力指數(shù)變異系數(shù)由39.16%下降到38.77%，但下降幅度小且均為中等變異。

表5 土壤肥力指數(shù)（IFI）描述性統(tǒng)計(jì)特征Table 5 The descriptive statistics of soil IFI

2.2 地統(tǒng)計(jì)分析

2.2.1 土壤養(yǎng)分的變異性分析

對2007年和2020年土壤養(yǎng)分各指標(biāo)進(jìn)行半方差函數(shù)理論模型擬合，結(jié)果見表6。2007年和2020年土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀的塊金效應(yīng)在28.64%～49.71%之間，表明其均具有中度的空間自相關(guān)性。2007 年土壤pH 的塊金效應(yīng)為11.45%，呈現(xiàn)強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，2020 年升高至50.00%，呈現(xiàn)中度的空間自相關(guān)性。雖然在2007年和2020年土壤堿解氮和有效磷均呈現(xiàn)出空間自相關(guān)性，但對比2007年發(fā)現(xiàn)，2020年土壤堿解氮的塊金效應(yīng)由10.82%上升至18.13%，土壤有效磷的塊金效應(yīng)由13.77%上升至19.61%，塊金效應(yīng)均呈現(xiàn)出上升趨勢。這可能是由人為因素造成的，說明其隨機(jī)性變異逐漸增強(qiáng)，區(qū)域內(nèi)空間變異一般受到施肥、管理水平、作物種植類型、灌溉條件等隨機(jī)因素的影響。由此可知，土壤堿解氮、有效磷、有機(jī)質(zhì)、速效鉀和pH的空間結(jié)構(gòu)變異減弱、隨機(jī)變異增強(qiáng)，這是由結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同決定的。

表6 土壤養(yǎng)分變異函數(shù)理論模型及相關(guān)參數(shù)Table 6 Variogram theory models and corresponding parameters of soil nutrient

2.2.2 土壤養(yǎng)分的空間分布特征

基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的半方差函數(shù)理論模型及其相關(guān)參數(shù)，采用普通Kriging 插值法繪制土壤養(yǎng)分（pH、OM、AN、AP、AK）和土壤肥力指數(shù)空間分布圖（圖2），圖2表明，2007年和2020年土壤pH 值為7.75～7.83和8.22～8.30，面積占比分別為73.02%、51.97%，2007 年土 壤pH 最大值為8.00，2020 年土壤pH 最小值為7.94，表明土壤pH 總體略微增長。2007 年土壤有機(jī)質(zhì)≤16.5 g·kg-1的面積占比最大，為62.58%，2020年土壤有機(jī)質(zhì)>16.5 g·kg-1的面積占比最大，為78.55%，有機(jī)質(zhì)含量總體呈現(xiàn)增長的趨勢，但增幅較低。2007年喬莊鎮(zhèn)、龐家鎮(zhèn)、陳戶鎮(zhèn)和純化鎮(zhèn)土壤有機(jī)質(zhì)≤14.5 g·kg-1，2020 年，在以上四個(gè)鎮(zhèn)中，除喬莊鎮(zhèn)部分區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量≤14.5 g·kg-1外，其余區(qū)域的土壤有機(jī)質(zhì)含量>14.5 g·kg-1。2007 年土壤堿解氮含量>92.5 mg·kg-1的面積最大，有效磷含量>34.5 mg·kg-1的面積最大，占比分別為78.85%、68.16%；2020 年土壤堿解氮和有效磷含量分別為75.5～92.5 mg·kg-1和25.5～34.5 mg·kg-1的面積最大，占比分別為81.35%、68.16%，表明2020 年土壤堿解氮和有效磷均大幅度降低。2007年和2020年土壤速效鉀含量均主要分布在150～250 mg·kg-1之間，面積占比分別為50.34%、53.65%；與2007年相比，2020年速效鉀含量>350 mg·kg-1的面積占比增加了20.82%，高值區(qū)（>350 mg·kg-1）基本分布在城東街道、博昌街道和錦秋街道。綜上所述，2007 年和2020 年研究區(qū)土壤養(yǎng)分在空間分布上存在一定的差異性，土壤堿解氮和有效磷含量均明顯降低，土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量有所升高，但增幅較小，土壤速效鉀含量在不同范圍內(nèi)呈現(xiàn)不同程度的增長。

圖2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)空間分布Figure 2 The spatial distribution of soil nutrient indexes

續(xù)圖2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)空間分布Continued figure 2 The spatial distribution of soil nutrient indexes

土壤肥力指數(shù)空間分布見圖3，2007 年博興縣土壤肥力以Ⅲ級為主，面積占比為31.74%，主要分布在東南和東北部地區(qū)；Ⅰ級的面積占比為19.71%，基本分布在研究區(qū)的中部和西南地區(qū)；Ⅱ級的面積占比較小，為17.86%，主要分布在曹王鎮(zhèn)；Ⅴ級的面積占比為12.38%，分布在喬莊鎮(zhèn)的北部、純化鎮(zhèn)的東北部和龐家鎮(zhèn)的西北部地區(qū)。土壤肥力水平在整個(gè)研究區(qū)的空間分布由低到高依次為北部地區(qū)<南部地區(qū)<中部地區(qū)，各等級地塊呈斑塊狀零星分布在各區(qū)域內(nèi)。2020 年土壤肥力處于Ⅰ級的農(nóng)用地面積占比為6.09%，以Ⅱ級和Ⅲ級為主，面積占比分別為35.64%、27.60%，其中，除純化鎮(zhèn)和呂藝鎮(zhèn)部分區(qū)域土壤肥力處于Ⅱ級水平外，Ⅱ級基本分布在研究區(qū)的西北和西南地區(qū)；Ⅴ級面積占比為11.39%，主要分布在喬莊鎮(zhèn)和店子鎮(zhèn)。土壤肥力水平在整個(gè)研究區(qū)的空間分布由低到高表現(xiàn)為東部地區(qū)<西部地區(qū)。與2007 年對比發(fā)現(xiàn)，2020 年土壤肥力Ⅰ級的面積占比減少了13.62 個(gè)百分點(diǎn)，店子鎮(zhèn)的西北部、湖濱鎮(zhèn)的東北部、呂藝鎮(zhèn)的西南部和城東街道土壤肥力由Ⅰ級降低為Ⅱ級或Ⅲ級。除純化鎮(zhèn)少數(shù)地區(qū)土壤肥力為Ⅳ級外，龐家鎮(zhèn)、陳戶鎮(zhèn)和純化鎮(zhèn)土壤肥力均由原來的Ⅲ級及以下水平提升至Ⅲ級及以上水平。店子鎮(zhèn)和興福鎮(zhèn)土壤肥力等級呈現(xiàn)出不同程度的退化，基本由Ⅲ級及以上水平退化至Ⅲ級及以下水平。曹王鎮(zhèn)的土壤肥力等級基本保持不變。對比2007年和2020年兩個(gè)時(shí)期的土壤肥力水平，總體來看，同一區(qū)域內(nèi)肥力水平差異呈減小的趨勢，向均一化方向發(fā)展。

圖3 土壤肥力指數(shù)空間分布Figure 3 The spatial distribution of soil fertility index

3 討論

3.1 土壤養(yǎng)分變化分析

土壤養(yǎng)分中氮、磷、鉀是作物生產(chǎn)的主要限制因素，土壤有機(jī)質(zhì)能夠改善土壤的物理性質(zhì)，同時(shí)為植物生長提供大量的養(yǎng)分元素，土壤pH 值會(huì)影響植物對其他元素的吸收[6，25]。2007 年和2020 年博興縣土壤pH均呈堿性，這可能與土壤類型主要為潮土有關(guān)，潮土的pH值通常表現(xiàn)為中堿性水平。該地區(qū)成土母質(zhì)為黃河沖積物，近年來，受到有機(jī)肥來源和價(jià)格等因素的影響，農(nóng)戶對有機(jī)肥的施用量明顯減少[26]，博興縣土壤有機(jī)質(zhì)含量基本維持在16.5～20.5 g·kg-1之間，大部分地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)處于中下等水平，同時(shí)該地區(qū)菜地多采用設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培方式，且復(fù)種指數(shù)高，共同導(dǎo)致土壤中有機(jī)質(zhì)的缺乏。堿解氮和有效磷的含量降幅較大，速效鉀含量則大幅增加，這與當(dāng)?shù)氐耐寥李愋?、施肥方式、管理模式等自然因素和人為因素有關(guān)[27-28]，根據(jù)實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，博興縣自2007 年開始雖采取了測土配方施肥的管理模式，但農(nóng)戶仍然按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施肥，其實(shí)際氮肥施用量由275.68 kg·hm-2降至243.03 kg·hm-2，磷肥施用量由116.63 kg·hm-2降至85.28 kg·hm-2，氮肥和磷肥的投入量降低，長期耕種導(dǎo)致土壤氮和磷逐漸減少[7]；同期鉀肥施用量由93.45 kg·hm-2提升至107.48 kg·hm-2，潮土主要由富鉀礦物云母等組成[29]，使得土壤中全鉀含量較高，鉀肥的投入量增加也可能是造成土壤速效鉀含量升高的原因。2007 年和2020 年土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量均處在中上等水平，這可能是由于土壤pH 值較高，增加了土壤中氮、磷、鉀的有效性[29-30]。2016 年我國氮肥、磷肥、鉀肥的平均施用量分別為138.64、49.81 kg·hm-2和38.22 kg·hm-2[31]，而博興縣的施肥量約是我國平均施肥量的1.5 倍，除土壤本底影響外，農(nóng)戶的施肥方式也是影響土壤養(yǎng)分含量的主要因素。因此，在以后的農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分管理過程中應(yīng)注意增施有機(jī)肥料，適當(dāng)控制化肥的投入。

3.2 土壤肥力變化分析

土壤肥力是決定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，土壤肥力狀況因土壤養(yǎng)分元素的差異性而具有復(fù)雜的時(shí)空變化特征[13]。博興縣土壤肥力等級總體表現(xiàn)為北部最低、中部最高、南部介于二者之間，這可能與鹽堿地基本分布在博興縣的北部地區(qū)有關(guān)，鹽漬化土壤具有肥力低、有障礙層和營養(yǎng)元素缺乏等特點(diǎn)[32]。兩時(shí)期對比發(fā)現(xiàn)，2020 年博興縣偏北部地區(qū)的龐家鎮(zhèn)、陳戶鎮(zhèn)和純化鎮(zhèn)的土壤肥力基本上升至Ⅲ級及以上水平，而店子鎮(zhèn)和興福鎮(zhèn)的土壤肥力等級呈現(xiàn)不同程度的下降，該變化除了與土壤養(yǎng)分元素的本底屬性不同有關(guān)之外，還與土地利用和管理等因素密切相關(guān)。對比2007 年和2020 年土地利用現(xiàn)狀（圖4）發(fā)現(xiàn)，2007 年城鎮(zhèn)用地面積為8 794.13 hm2，零散均勻地分布在研究區(qū)內(nèi)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，2020 年城鎮(zhèn)用地面積增加至13 478.65 hm2，增加面積主要分布在店子鎮(zhèn)的西北部、湖濱鎮(zhèn)的東北部、呂藝鎮(zhèn)的西南部和城東街道，該區(qū)域農(nóng)用地面積占比少、人口密集、地塊零散、集約化程度不高；而龐家鎮(zhèn)、陳戶鎮(zhèn)和純化鎮(zhèn)主要受農(nóng)作活動(dòng)影響，其他人為活動(dòng)干擾較少，方便對土地進(jìn)行集約化利用和規(guī)?；芾?，適宜進(jìn)行大面積的作物耕種。除此之外，近幾年兩區(qū)（糧食生產(chǎn)功能區(qū)和重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)保護(hù)區(qū)）地塊的建設(shè)、管理和保護(hù)得到加強(qiáng)也可能是該區(qū)域土壤肥力升高的原因之一?？等辗宓萚33]研究發(fā)現(xiàn)，黑土區(qū)經(jīng)過10～26 年農(nóng)民常規(guī)施肥管理的耕作，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量呈逐年上升趨勢[33]，但華北平原屬于典型的黃河下游地區(qū)，近10 年來在社會(huì)經(jīng)濟(jì)和自然因素的共同作用下，耕地土壤養(yǎng)分綜合水平退化[26]。博興縣成土母質(zhì)為黃河沖積物，土壤類型主要為鹽土和潮土，土壤質(zhì)地有砂壤、輕壤、中壤和重壤，不同區(qū)域土壤養(yǎng)分存在顯著差異，加上土地利用方式和管理模式的變化，共同影響著土壤肥力。

圖4 2007年和2020年博興縣土地利用現(xiàn)狀Figure 4 Current land use map of Boxing County in 2007 and 2020

4 結(jié)論

（1）與2007 年相比，2020年博興縣土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀的平均含量增加15.53%和47.39%，堿解氮和有效磷的含量降低17.90%、36.04%，土壤pH值由7.79升高至8.28。土壤肥力各指標(biāo)的空間結(jié)構(gòu)變異減弱、隨機(jī)變異增強(qiáng)，這是由結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同決定的。

（2）與2007 年相比，2020 年博興縣土壤肥力Ⅰ級、Ⅲ級和Ⅴ級地的面積占比分別下降了13.62、4.14、0.99 個(gè)百分點(diǎn)，Ⅱ級地的面積占比提高了17.78個(gè)百分點(diǎn)，Ⅳ級地的面積基本保持不變。

（3）博興縣2007 年土壤肥力水平在空間分布上整體表現(xiàn)為北部地區(qū)<南部地區(qū)<中部地區(qū)，各等級地塊呈斑塊狀零星分布在各區(qū)域內(nèi)；2020 年土壤肥力水平表現(xiàn)為東部地區(qū)<西部地區(qū)，同區(qū)域內(nèi)土壤肥力基本處于同一水平。與2007 年相比，2020 年同區(qū)域內(nèi)的土壤肥力水平差異有所減小，表現(xiàn)為均一化發(fā)展趨勢。