黃土殘塬區(qū)不同種植類型下耕地土壤肥力與經濟效益耦合關系研究

王紅陽，陳 偉, ，李亞新，張 馳

1. 山西師范大學 地理科學學院，太原 030031

2. 山西省資源環(huán)境信息化管理院士工作站，太原 030031

塬地是黃土高原典型的旱作農業(yè)區(qū)，是區(qū)域糧食自給和安全保障的重要補充（張樹蘭等，2005）。近年來人們對塬地種植類型的不合理選擇和施灌管理使土壤肥力變化規(guī)律被擾動，對作物產值產量及生態(tài)環(huán)境造成不利影響?？茖W地選取種植種類、合理施灌和平衡土壤肥力與經濟效益間的關系是區(qū)域農業(yè)高質量發(fā)展的迫切需要（劉慧等，2021）。

作為作物生長的基礎，土壤肥力水平因種植類型不同而有異。眾多學者針對不同種植類型下土壤肥力特征進行研究，發(fā)現(xiàn)花生地養(yǎng)分含量高于玉米地（范祎瑋等，2021），稻田土壤有機質（soil organic matter，SOM）等養(yǎng)分含量低于荒地（遲美靜等，2018；楊彩迪等，2020）；土壤養(yǎng)分隨生育期變化明顯，如花生種植前養(yǎng)分含量低于成熟期（索炎炎等，2021），玉米種植下拔節(jié)期養(yǎng)分含量較高，抽雄期土壤含水量（soil water content，SWC）對玉米生長影響較大（朱浩宇等，2020；戴嘉璐等，2021）；不同土層養(yǎng)分含量亦有差異，在喀斯特地區(qū)坡耕地土壤養(yǎng)分呈表聚現(xiàn)象（范夫靜等，2014），該地區(qū)灌叢草地養(yǎng)分含量隨土層深度增加亦降低（陳瑩等，2015）。研究表明作物產量因不同種植模式和培肥制度而異，如壟面覆秸稈較覆膜更利于馬鈴薯生長和品質提高（何進勤等，2017），麥后直播可使經濟效益達到最佳（楊長琴等，2021），黑土區(qū)生物炭的施用量及頻率對大豆產量影響較大（劉慧等，2021）。上述研究豐富了對各種植類型下土壤肥力及產值產量狀況的認識，但多以研究單種種植類型為主。近年來晉西南黃土塬區(qū)農業(yè)規(guī)?；ㄔO開展迅速，以玉米、馬鈴薯為主的糧食作物規(guī)模種植明顯提高（山西省地圖集編纂委員會辦公室，2012），但種植選擇不合理、土壤水肥不平衡和經濟效益較低等問題仍是制約當?shù)剞r業(yè)發(fā)展的主要因素（孫從建等，2019），故針對該研究區(qū)對比多種種植類型之間土壤肥力水平和經濟效益且對其綜合分析十分重要。

因此，本研究選取玉米、棉花、馬鈴薯和荒地四種典型種植類型，采用耦合協(xié)調度模型研究其對耕地土壤肥力及經濟效益影響，旨在同時滿足肥力和經濟效益的情況下為塬地種植類型的合理選擇、水肥科學管理及區(qū)域農業(yè)生態(tài)保護及高質量發(fā)展提供理論依據。

1 研究區(qū)概況

本研究以黃土高原典型殘塬溝壑區(qū)馮家溝作為研究區(qū)域，該區(qū)位于山西省臨汾市鄉(xiāng)寧縣昌寧鎮(zhèn)（35°57′ N，110°48′ E），塬面高闊殘缺，溝壑縱橫交錯，地勢西北高、東南低，海拔大部分在900 — 1500 m。氣候類型屬暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年均溫為9.9℃，氣溫日較差和年較差較大，年平均降水量為631.8 mm，年內分布不均勻，無霜期平均150 d，年蒸發(fā)量為1749.4 mm（孫從建等，2019）。當?shù)刂攸c發(fā)展旱塬農業(yè)，種植作物主要有玉米（Zea mays）、馬鈴薯（Solanum tuberosum）等；天然植被廣布，主要分布有油松（Pinus tabulaeformis）、榆樹（Ulmus pumila）、蒿草（Artemisia annua）、蘆草（Agropyron mongolicum）等；土壤以褐土為主，基本理化性質如下：SWC為 17.12%，SOM含量為 9.87 g · kg-1，全氮（total nitrogen，TN）、有效磷（available phosphorus，AP）和速效鉀（available kalium，AK）含量分別為0.20 g · kg-1、11.90 mg · kg-1和113.33 mg · kg-1，pH為7.52，土壤容重為1.43 g · cm-3，孔隙度為47.47%（王佳等，2021）。

2 試驗設計及方法

2.1 試驗設計

試驗于2019 — 2020年在馮家溝水土保持監(jiān)測站（圖1）進行，為期兩年（表1）。試驗設置玉米、棉花、馬鈴薯和荒地四種樣地類型，各類型設3個重復（供試土壤一致）。在3月下旬撒施尿素作為基肥，4月中旬溝施復合肥料（K2O，20%；N，13%；P2O5，10%）后雙壟溝種植玉米、棉花、馬鈴薯于樣地內且進行灌溉（荒地為自然狀態(tài)，無干擾）。其中尿素用量為225 kg · hm-2（折合純N 103.5 kg · hm-2），復合肥用量為525 kg · hm-2（折合K2O 105 kg · hm-2，純 N 68 kg · hm-2，P2O553 kg · hm-2），灌溉用水為 900 m3· hm-2（玉米）、225 m3· hm-2（棉花）、120 m3· hm-2（馬鈴薯）。根據研究區(qū)3種作物生長特點（表1），將樣品采集時間劃分為3月15日（背景期）、4月15日（初始生長期）、5月15日和6月15日（快速發(fā)育期）、7月15日和8月15日（生長中期）、9月15日（成熟期），分別在2019年、2020年按“S”形五點取樣法（樣地面積為28 m2）采集土壤樣品（因5月15日和6月15日均屬快速發(fā)育期，7月15日和8月15日均屬生長中期，需分別將同生育期所采樣品充分混合），使用土鉆垂直分層取20 cm、40 cm、60 cm、80 cm深度土壤，將同樣地同深度樣品等量充分混合。最后，測定SWC、SOM、TN、AP、AK及產值產量。

圖1 試驗地概況Fig. 1 Survey experimental site

表1 試驗樣地及土壤樣品采集信息Tab. 1 The information of experimental field and soil sampling

2.2 測定方法

2.2.1 土壤肥力

SWC測定用110℃烘干法（Liu et al，2021）；SOM用重鉻酸鉀加熱-硫酸亞鐵滴定法；TN用凱氏定氮法；AP用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法（張勇強等，2020）；AK用乙酸銨浸提-火焰光度計法。基于實驗測定各作物類型、生育期、土層深度土壤水分、養(yǎng)分數(shù)據，運用SPSS 22.0和Canoco for Windows 4.5分別進行單因素ANOVA方差分析和PCA分析并用Origin 2017作圖。所有室內分析測試在山西省水土保持科學研究所進行。

2.2.2 經濟效益指標

投入=農資費用（種子、肥料、農藥）+生產服務（澆灌、機械、租用），其中各類型要素價格以本試驗實際價格為標準，其中種子43元 · kg-1（玉 米）、40元 · kg-1（棉 花）、3元 · kg-1（馬鈴 薯），尿 素2.5元 · kg-1，復 合 肥3元 · kg-1，農藥50元 · L-1，灌 溉 費 用450元 · hm-2（玉 米）、112.5元 · hm-2（棉花）、60元 · hm-2（馬鈴薯），機械150元 · d-1，人工100元 · d-1，地租1500元 · hm-2。產值=單價× 產量，利潤=產值-投入（李嘉等，2020；米曉田等，2021），產量由本試驗實測獲得并采用小區(qū)計產法計算（陳世超等，2020），作物單價參照《全國農產品成本收益資料匯編2011》（國家發(fā)展與改革委員會價格司，2011），其中玉米單價為2200元 · t-1、棉花9200元 · t-1、馬鈴薯1400元 · t-1。

2.3 耦合協(xié)調度

2.3.1 肥力效益和經濟效益

綜合分析作物的種植效益具有復雜性，本研究立足試驗并參照前人研究構建效益及指標體系，將效益分為肥力和經濟兩個類別。設各有x個肥力和經濟效益指標，zij為j作物的第i個指標標準化數(shù)值，指標權重由熵值法計算（劉慧等，2021）。

信息熵Ai為：

信息熵冗余度Bi為：

指標權重Ci為：

肥力效益Rj和經濟效益Sj為：

2.3.2 耦合協(xié)調度模型

耦合協(xié)調度模型定量分析該研究中土壤肥力和經濟效益耦合度和協(xié)調度，其中：

耦合度Dj為：

綜合協(xié)調指數(shù)Ej為：

協(xié)調度Fj為：

式中：k為調節(jié)系數(shù)，本研究有肥力和經濟兩種效益類別，故k為2 ；α和β為待定系數(shù)，各取值0.5。

耦合度和協(xié)調度分級如表2所示（王繼軍等，2010）。

3 結果與分析

3.1 不同種植類型下的土壤肥力效益

3.1.1 不同種植類型對整體土壤肥力的影響

土壤肥力因種植類型不同而差異顯著（圖2）。其中馬鈴薯種植下土壤肥力最高，SWC、SOM、TN、AP和AK含量較荒地分別高5.98%、19.60%、37.50%、18.97%、37.09%；棉花種植下土壤肥力低于馬鈴薯但高于玉米和荒地，上述各肥力指標較荒地分別提高了2.68%、13.20%、31.25%、16.05%、31.20%；玉米種植下土壤肥力較低，分別為16.82%、10.69 g · kg-1、0.37 g · kg-1、12.91 mg · kg-1、127.49 mg · kg-1；荒 地 土 壤 肥 力 最低。單因素方差分析顯示：馬鈴薯種植下SWC、SOM和AK含量與其他作物差異顯著，馬鈴薯和棉花種植下TN、AP含量與玉米和荒地有顯著差異，荒地土壤肥力與作物種植下均有顯著差異性。

圖2 不同種植類型下土壤肥力整體特征Fig. 2 Entirety characteristics of soil fertility under different planting types

3.1.2 不同種植類型對各生育期土壤肥力的影響

不同種植類型下各生育期土壤肥力均有顯著變化，但種植類型的不同使各生育期變化幅度有差異。由圖3可知，各種植類型下SWC從背景期至快速發(fā)育期均降低，其中荒地SWC最低，從快速發(fā)育期至生長中期均升高，其中玉米種植下變化最顯著，從生長中期至成熟期玉米地和荒地SWC降低，而棉花和馬鈴薯地升高；除荒地外其他種植類型下SOM、TN從背景期至快速發(fā)育期均升高，從快速發(fā)育期至生長中期均降低，而荒地TN從背景期至生長中期均降低，SOM從生長中期至成熟期均有不同程度升高，荒地全生育期SOM、TN均低于其他種植類型；除荒地外其他種植類型下AP、AK從背景期至初始生長期降低，從初始生長期至快速發(fā)育期升高，從快速發(fā)育期至生長中期亦降低，而荒地AP、AK含量均降低，除馬鈴薯外其他各種植類型下AP、AK從生長中期至成熟期均有不同程度的升高而馬鈴薯種植下AK降低，各種植類型下全生育期荒地AP、AK均最低且變化最小，而馬鈴薯種植下變化幅度較大。

圖3 不同生育期土壤肥力變化特征Fig. 3 Variations characteristics of soil fertility under different growth periods

單因素方差分析顯示（表3）：玉米、棉花、馬鈴薯和荒地土壤肥力在快速生育期與背景期、初始生長期、生長中期和成熟期有顯著差異性，而SWC在生長中期與背景期、初始生長期、快速發(fā)育期和成熟期亦有顯著差異，各生育期馬鈴薯、荒地分別與玉米、棉花種植下土壤肥力有顯著性差異。

表3 不同生育期土壤肥力差異性Tab. 3 Soil fertility differences under different growth periods

3.1.3 不同種植類型對各土層土壤肥力的影響

各種植類型下不同土層土壤肥力差異顯著，且各土層土壤肥力因種植類型不同亦有差異（圖4）。除馬鈴薯外其他種植類型下SWC、SOM、TN、AP和AK在20 — 40 cm均高于其他土層，而馬鈴薯種植下SOM在0 — 20 cm最高，為12.05 g · kg-1。除馬鈴薯外其他種植類型下SWC、SOM在0 — 20 cm均低于其他土層，而馬鈴薯種植 下SOM在40 — 60 cm最 低，為11.83 g · kg-1。各種植類型下TN、AP均在60 — 80 cm最低，而AK在各土層的分布因種植類型不同差異顯著，其中馬鈴薯和荒地AK在60 — 80 cm最低，棉花種植下AK在40 — 60 cm低于其他土層，而玉米種植下在0 — 20 cm最低。單因素方差分析顯示：各種植類型下土壤肥力在20 — 40 cm處與其他土層有顯著性差異，而土壤水分在0 — 20 cm處與其他土層有顯著性差異，各土層馬鈴薯和荒地土壤肥力分別較其他種植類型有顯著性差異。

圖4 不同土層土壤肥力分布特征Fig. 4 Distribution characteristics of soil fertility under different soil layers

3.2 不同種植類型下的經濟效益分析

不同種植類型下經濟效益存在一定差異（表4）。種植馬鈴薯每公頃總投入為1.39萬元，棉花、玉米投入次之，分別為1.25萬元、0.65萬元，荒地無投入；種植棉花每公頃總產值為4.14萬元，馬鈴薯、玉米次之，分別為3.68萬元、2.48萬元，荒地無產值；種植棉花每公頃年均利潤為2.89萬元，在各種植類型中經濟效益最高，其次為馬鈴薯，年均利潤為2.29萬元，種植玉米年均利潤僅為1.83萬元，荒地無利潤，種植棉花每公頃年均利潤分別比馬鈴薯、玉米和荒地高0.60萬元、1.06萬元和2.89萬元。

表4 不同種植類型下投入 — 產出情況表Tab. 4 The information of input — output under different planting types

3.3 不同種植類型下的土壤肥力與經濟效益耦合協(xié)調度

3.3.1 各效益指標和權重

肥力與經濟效益各指標及其權重計算結果顯示（表5）：肥力效益指標中AK權重最大，為0.23，AP、TN次之，分別為0.21、0.20，SWC和SOM權重較小，均為0.18，肥力效益指標屬性均為正向指標；經濟效益指標中產值權重最大，為0.24，利潤和投入權重次之，分別為0.22和0.20，產量和單價權重較小，均為0.17，經濟效益指標中投入為負向指標。

表5 效益指標和權重Tab. 5 Benefits indexes and weights

3.3.2 肥力與經濟效益耦合協(xié)調度

各效益指數(shù)及耦合協(xié)調度因種植類型不同而有差異（表6），馬鈴薯種植肥力效益指數(shù)最高，為1，棉花和玉米次之，分別為0.78、0.48，荒地最低；經濟效益排序為棉花＞馬鈴薯＞玉米＞荒地，指數(shù)分別為0.68、0.58、0.50和0.20；耦合度計算結果顯示：玉米和棉花種植耦合度最高，均為0.50，馬鈴薯次之，為0.48，以上3種種植類型耦合水平均為拮抗耦合，荒地耦合度為0；馬鈴薯種植協(xié)調度最高，為0.62，棉花次之，為0.60，以上兩種種植類型協(xié)調度均屬初級協(xié)調水平，玉米協(xié)調度為0.49，屬瀕臨失調水平，而荒地協(xié)調度亦為0。

表6 不同種植類型下肥力與經濟效益耦合協(xié)調度Tab. 6 Coupling coordination degree of fertility and economic benefits under different planting types

4 討論

土壤肥力效益因種植類型不同而有異。本研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯種植下土壤水分、養(yǎng)分含量較高，這是因為馬鈴薯種植下土壤酶活性較強且富含高效固氮的根瘤菌，植株及殘體在土壤酶作用下緩慢礦化，不斷向土壤提供養(yǎng)分具有肥田作用（夏皖豫等，2021），另外馬鈴薯地上植株較低且密度大對減少SWC蒸發(fā)耗損有積極作用（金萬輝，2021）。AP、AK含量在馬鈴薯種植下隨生育期的變化幅度較大，是因為馬鈴薯屬高淀粉塊莖作物，在初始生長期對利于其幼苗生長及光合效率提高的磷、鉀肥吸收利用較多（何進勤等，2017），也可能因為有效態(tài)磷轉化為無效態(tài)磷且被土壤固定（張勇強等，2020），而在生長中期由于其根瘤菌及土壤酶的作用對養(yǎng)分消耗較少。

玉米種植相比馬鈴薯種植土壤AK、AP變化小且含量較低，可能是自身生理結構和生長習性對養(yǎng)分的需求多（戴嘉璐等，2021）；又可能因為近年來玉米種植及施肥均較淺且玉米地表層水分、養(yǎng)分由于蒸發(fā)、風侵及淋失等因素耗損較大（楊露等，2020），導致玉米地土壤水分、養(yǎng)分減少。本研究還發(fā)現(xiàn)玉米地SWC從背景期至快速發(fā)育期降低幅度最大，這是因為春旱對土壤水分有較大影響，且出苗后至抽雄期是玉米對水分、養(yǎng)分需求最多、對干旱反應最敏感的時期（朱浩宇等，2020）。棉花種植與玉米相似，相比于吐絮期、出苗期和開蕾期，快速發(fā)育期氣溫升高、土壤微生物活動及棉花生長旺盛，葉面蒸騰和根系吸收水分達到高峰（王斌等，2019），因此快速發(fā)育期是灌溉的關鍵時期。

各種植類型其經濟效益亦有差異。本研究發(fā)現(xiàn)：相較于其他作物，種植棉花經濟效益最高，這主要是因為棉花自身經濟價值高、替代品較少，也因其作為重要的工業(yè)原料和戰(zhàn)略物資使附加值較糧食作物更高（樊海潮等，2021），故單價相對較高。馬鈴薯經濟效益僅次于棉花，高于玉米和荒地，是因為馬鈴薯現(xiàn)已成為我國重要的糧食、蔬菜、飼料等兼用作物，其經濟價值和市場占有率日益提升（羅磊等，2021），并且隨著高產量、高質量馬鈴薯品種的推廣，目前馬鈴薯的抗病性、淀粉含量、果實大小及產量等指標均有較大提升（陳怡平等，2021），故其產值和利潤得到提高。作為中國第一大糧食作物，玉米種植經濟效益較低主要是因為其經濟價值低于其他作物，加工轉化增值能力較弱，又因為國內市場供需處于寬松狀態(tài)，臨儲玉米收購政策的取消和市場定價機制的建立，使得由政策主導向供需主導轉移，從而導致玉米價格大幅跌落（宮斌斌等，2021），使其單價、產值和利潤遠低于棉花和馬鈴薯。

肥力效益、經濟效益的耦合協(xié)調度亦因種植類型不同而存在差異。相較于玉米、棉花和荒地，耦合協(xié)調度在馬鈴薯種植下最高，是因為馬鈴薯種植下土壤肥力效益較高，經濟效益低于棉花但高于玉米、荒地。棉花種植下耦合協(xié)調度次之，是因為經濟效益最高，但肥力效益與馬鈴薯相比較低。玉米種植下肥力效益、經濟效益及耦合協(xié)調度指數(shù)低于馬鈴薯、棉花。相比于作物種植，荒地肥力效益、經濟效益及耦合協(xié)調度指數(shù)均最低。綜上所述，馬鈴薯的種植較其他類型更益于土壤生態(tài)的改善和地力條件的恢復。棉花種植經濟效益最高，對當?shù)孛撠毠?、農民增收等具有十分重要的意義，但對土壤肥力的積累和改善與馬鈴薯相比水平較低且棉花種植對氣候、地力、人為條件的要求較高（袁鈞等，2002）。農業(yè)資源的合理開發(fā)利用要求經濟發(fā)展與生態(tài)保護相協(xié)調，本文運用基于熵值法的耦合協(xié)調度模型旨在選擇適宜于經濟創(chuàng)收和生態(tài)保護協(xié)調發(fā)展的最佳種植類型。結果表明：該區(qū)域種植馬鈴薯在促進農業(yè)高質量、可持續(xù)發(fā)展方面效果最為可觀，故應在當?shù)胤e極推廣馬鈴薯種植。

5 結論

（1）馬鈴薯種植下土壤肥力最高，棉花、玉米次之，荒地最低，馬鈴薯樣地和荒地土壤肥力分別與其他種植類型有顯著性差異?？焖侔l(fā)育期SOM、TN、AP和AK含量最高而在生長中期降低顯著，SWC在快速發(fā)育期含量最低。在20 —40 cm土壤肥力較高，SWC在0 — 20 cm較低，而其他養(yǎng)分含量因種植類型不同差異顯著；（2）棉花種植下產值和利潤均最高，馬鈴薯次之但投入最高，玉米種植下投入、產值及利潤均低于棉花和馬鈴薯但高于荒地，故種植棉花經濟效益最高，馬鈴薯和玉米次之，荒地最低；（3）四種樣地類型中，馬鈴薯種植下耦合協(xié)調度最高，其次為棉花和玉米，荒地最低。