褐土區(qū)典型縣域耕地土壤肥力時(shí)空演變特征及主控因素

申桐，王恒飛，杜文波，周懷平，王瑞，張建杰，靳東升，徐明崗

褐土區(qū)典型縣域耕地土壤肥力時(shí)空演變特征及主控因素

申桐1,2，王恒飛1,2，杜文波3，周懷平1，王瑞3，張建杰1，靳東升1,2，徐明崗1,2

1山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷 030800；2山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院/土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030031；3山西省耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)保護(hù)中心，太原 030001

【目的】探明褐土區(qū)典型縣域耕地土壤肥力時(shí)空演變特征及主控因素，為合理施肥及土壤培肥提供科學(xué)依據(jù)。【方法】基于山西省壽陽(yáng)縣1983、2007和2017年的土壤肥力（包括土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量和pH值）數(shù)據(jù)，采用內(nèi)梅羅指數(shù)法計(jì)算土壤肥力綜合指數(shù)；通過(guò)隨機(jī)森林（RF）方法定量土壤肥力演變的主控因素；利用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，確定土壤肥力綜合指數(shù)及其主控因素的時(shí)空演變特征和分布格局?！窘Y(jié)果】（1）1983—2017年間壽陽(yáng)縣耕地土壤肥力水平總體呈上升趨勢(shì)，肥力綜合指數(shù)由1.16增至1.42，增加了0.26。土壤肥力指標(biāo)變化具有明顯的階段性，1983—2007年，有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀增幅明顯，年均增加量分別為0.09 g·kg-1、0.0021 g·kg-1和1.61 mg·kg-1，而有效磷增幅不顯著；2007—2017年，有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷增幅明顯，年均增加量分別為0.20 g·kg-1、0.01 g·kg-1、0.24mg·kg-1，而速效鉀增幅不顯著。（2）RF分析結(jié)果顯示，1983年壽陽(yáng)縣耕地土壤肥力的主控因素為全氮和有機(jī)質(zhì)，貢獻(xiàn)率分別為75.3%和17.8%；2007年土壤肥力的主控因素則為速效鉀、有效磷和全氮，貢獻(xiàn)率分別為31.8%、27.1%和26.8%；2017年變?yōu)槿?、速效鉀和有效磷，貢獻(xiàn)率分別為31.8%、27.1%和26.8%。（3）壽陽(yáng)縣耕地土壤肥力主控因素的變化存在顯著的空間差異特征。1983—2007年，全域土壤有機(jī)質(zhì)整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；全氮除在西北部和中部降低外，在其他區(qū)域均呈增加趨勢(shì)；有效磷則呈現(xiàn)北部降低、南部增加的變化特征；速效鉀在全域呈增加趨勢(shì)。2007—2017年，有機(jī)質(zhì)在東南部增加較快，其他區(qū)域增加較慢；全氮?jiǎng)t呈現(xiàn)在縣域中部減少、其他區(qū)域增加的變化趨勢(shì)；有效磷在縣域東部下降，其他區(qū)域上升；速效鉀則呈現(xiàn)在東部和西部下降、中部上升的空間變化特征。【結(jié)論】34年以來(lái)，壽陽(yáng)縣耕地土壤肥力總體呈上升趨勢(shì)，有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀是影響土壤肥力演變的主控因素，有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷在南部增長(zhǎng)較快，速效鉀則在東部增長(zhǎng)較快。未來(lái)建議壽陽(yáng)縣采取全區(qū)尤其是中部增氮，全區(qū)穩(wěn)磷控鉀的養(yǎng)分調(diào)控策略。

土壤肥力；時(shí)空演變；褐土區(qū)；主控因素；壽陽(yáng)縣

0 引言

【研究意義】褐土是我國(guó)主要土壤類(lèi)型之一，廣泛分布于我國(guó)北方地區(qū)，包括內(nèi)蒙古、北京、山西、河南、陜西和甘肅等地，其中，山西省是我國(guó)褐土分布最集中和典型的區(qū)域[1-2]。褐土區(qū)作為我國(guó)玉米和小麥等糧食作物的主產(chǎn)區(qū)之一，揭示其肥力時(shí)空演變特征及主控因素對(duì)于今后提升耕地質(zhì)量至關(guān)重要。壽陽(yáng)縣地處褐土典型區(qū)域，農(nóng)業(yè)條件相對(duì)較好，發(fā)展?jié)摿Υ?，是山西省重要的農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)?？茖W(xué)評(píng)價(jià)壽陽(yáng)縣耕地土壤肥力及其主控因素的時(shí)空演變特征，可為褐土農(nóng)田肥力提升、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】自然因素與人為因素共同影響土壤肥力的演變，已有學(xué)者針對(duì)山西省褐土區(qū)土壤肥力指標(biāo)的時(shí)空變化特征做了大量的研究工作。但大多都局限于分析土壤肥力指標(biāo)的靜態(tài)變化或單一指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化。例如，張建杰等[3-4]分別研究了太原市和臨汾盆地全氮和有機(jī)質(zhì)的空間變化特征，并闡釋了其影響因素；申若禹等[5]對(duì)山西省不同類(lèi)型土壤有機(jī)質(zhì)含量研究發(fā)現(xiàn)，褐土中有機(jī)質(zhì)含量最高，栗鈣土有機(jī)質(zhì)含量最低；解文艷等[6]研究發(fā)現(xiàn)，瀟河流域有機(jī)質(zhì)含量1982—2017年呈增加趨勢(shì)，施肥是影響其時(shí)空分異的主要因素。上述研究對(duì)某一肥力指標(biāo)的時(shí)空變化特征進(jìn)行了定量表征，并且分析了主要影響因素，然而未能準(zhǔn)確刻畫(huà)區(qū)域尺度整體的肥力時(shí)空演變規(guī)律。目前，針對(duì)褐土多個(gè)肥力指標(biāo)多時(shí)間段的時(shí)空演變特征研究鮮見(jiàn)報(bào)道，已有研究也僅僅局限于服務(wù)耕地質(zhì)量的分等定級(jí)[7]，不能夠從科學(xué)層面反映耕地質(zhì)量變化的原因，更不能夠?yàn)楦赝寥婪柿Φ奶岣咛峁┮罁?jù)。此外，對(duì)于土壤肥力演變主控因素的探究，國(guó)內(nèi)學(xué)者在其他省市已經(jīng)開(kāi)展了相應(yīng)工作。例如，陳延華等[8]基于29年間全國(guó)28個(gè)褐土區(qū)長(zhǎng)期試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)褐土區(qū)土壤生產(chǎn)力受有機(jī)肥用量和土壤全氮、有機(jī)質(zhì)含量的影響最大；李建軍等[9]對(duì)長(zhǎng)江中下游糧食主產(chǎn)區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，初期土壤肥力主控因素為有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮，后期主控因素變?yōu)槿?、堿解氮和速效鉀；周波等[10]研究指出，深圳市土壤肥力的限制因子由初期的速效養(yǎng)分變?yōu)楹笃诘牡?，種植模式和施肥的改變是導(dǎo)致土壤肥力限制因子發(fā)生轉(zhuǎn)變的主要原因。綜上發(fā)現(xiàn)，耕地土壤肥力的主控因素為全氮、有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分等土壤肥力指標(biāo)。目前在山西省褐土區(qū)耕地土壤肥力研究中，針對(duì)肥力演變主控因素的探究還鮮見(jiàn)報(bào)道?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】近年來(lái)，隨著土地利用方式、農(nóng)田管理措施等的改變，褐土區(qū)肥力發(fā)生了明顯變化，然而其土壤肥力指數(shù)及其主控因素的時(shí)空演變特征尚不明確。山西省壽陽(yáng)縣是典型的褐土區(qū)，明確該縣耕地土壤肥力時(shí)空演變特征及其主控因素，對(duì)于分析全國(guó)褐土肥力演變也具有參考價(jià)值?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】基于壽陽(yáng)縣耕地土壤肥力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和調(diào)查數(shù)據(jù)，分析該縣耕地土壤肥力綜合指數(shù)及其主控因素的時(shí)空變異特征，為褐土區(qū)耕地土壤培肥和養(yǎng)分管理提供支撐。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

壽陽(yáng)縣位于山西省東部，居黃土高原東部瀟河流域中上游地區(qū)（37°34′—38°5′N(xiāo)， 112°6′—113°28′E），氣候類(lèi)型為溫帶大陸性氣候，年平均氣溫7.4 ℃，年降水量518.3 mm，無(wú)霜期140 d左右。土壤類(lèi)型主要為褐土，占全縣土壤總面積的96.8%，成土母質(zhì)主要有黃土及黃土狀母質(zhì)、殘積、坡積母質(zhì)和沖積母質(zhì)等。農(nóng)業(yè)種植方式為一年一季，主要農(nóng)作物以玉米、馬鈴薯、小雜糧為主。

1.2 樣品采集與分析

1983年耕地土壤屬性數(shù)據(jù)收集于第二次土壤普查資料，樣本數(shù)量為726個(gè)，空間分布均勻，有較強(qiáng)代表性。2007年前后和2017年前后的土壤肥力數(shù)據(jù)均為采樣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)量分別為5 667和1 401個(gè)。采樣時(shí)，以第二次土壤普查形成的土壤類(lèi)型分布圖為參考，依據(jù)相對(duì)均勻的空間分布原則，在播種前按照五點(diǎn)法采集耕層（0—20 cm）土壤樣品，并利用GPS記錄每個(gè)采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度，采樣點(diǎn)分布如圖1所示。將采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，剔除動(dòng)植物殘?bào)w及石塊等雜質(zhì)并磨細(xì)，分別過(guò)2和0.149 mm篩，用于土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。其中，土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定；全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定；有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀含量采用NH4Ac浸提，火焰光度法測(cè)定；pH采用水土比為2.5﹕1的玻璃電極法進(jìn)行測(cè)定。

圖1 1983、2007和2017年壽陽(yáng)縣耕地土壤采樣點(diǎn)分布圖

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用閾值法[11]對(duì)異常值進(jìn)行剔除。采用SPSS 23.0完成描述性統(tǒng)計(jì)分析、顯著性分析（LSD差異分析）及正態(tài)分布檢驗(yàn)。利用R語(yǔ)言中的“Random-Forest”軟件包進(jìn)行隨機(jī)森林的重要性分析。在GS+9.0軟件中完成最優(yōu)半方差參數(shù)及模型擬合。在ArcGIS10.8的地統(tǒng)計(jì)分析模塊（Geostatistical Analyst）中，運(yùn)用克里金插值繪制土壤肥力主要指標(biāo)及綜合指數(shù)的空間分布圖。

1.4 評(píng)價(jià)方法

采用修正后的內(nèi)梅羅指數(shù)法進(jìn)行土壤肥力評(píng)價(jià)[12]。首先，按照標(biāo)準(zhǔn)化處理方法對(duì)采樣點(diǎn)的有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀和pH進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以消除各評(píng)價(jià)因子之間的量綱差別[13-14]，參評(píng)因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。之后，采取較為客觀的修正后的內(nèi)梅羅（Nemerow N. C.）公式評(píng)價(jià)土壤肥力[14]。

最后，根據(jù)土壤肥力指數(shù)，將其等級(jí)分為4級(jí)：一級(jí)（≥2）、二級(jí)（：＜2.0—1.5）、三級(jí)（：＜1.5—1.0）、四級(jí)（＜1.0）[14]。土壤肥力主要指標(biāo)（有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀）等級(jí)劃分參照第二次土壤普查標(biāo)準(zhǔn)[15]。

表1 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果

2.1 壽陽(yáng)縣耕地土壤肥力指標(biāo)時(shí)間演變特征

1983—2017年間，壽陽(yáng)縣耕地有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀與pH整體均呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì)（表2）。2007和2017年，壽陽(yáng)縣耕地土壤有機(jī)質(zhì)均值為12.8和14.8 g·kg-1，分別較1983年（10.7 g·kg-1）增加了19.6%和38.3%。1983—2007年有機(jī)質(zhì)年均增加量為0.1 g·kg-1；2007—2017年均增加量為0.2 g·kg-1，增速是前者的2倍。

2007和2017年壽陽(yáng)縣耕地全氮均值為0.71和0.83 g·kg-1，分別較1983年（0.66 g·kg-1）增加了7.6%和25.8%。1983—2007年全氮年均增加量為0.0021 g·kg-1；2007—2017年均增加量為0.01 g·kg-1，其增速是前者的4.8倍。

壽陽(yáng)縣耕地土壤有效磷含量，1983年（10.4 mg·kg-1）與2007年（10.9 mg·kg-1）無(wú)顯著差異；而2017年（13.3 mg·kg-1）則較2007和1983年分別顯著提高了22.0%和27.9%。土壤有效磷年均變化量也呈現(xiàn)為階段性變化特征，1983—2007年無(wú)顯著變化，2007—2017年均增加量為0.2 mg·kg-1，增幅明顯。

表2 1983、2007和2017年壽陽(yáng)縣耕地土壤肥力指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

同一欄內(nèi)均值后不同字母表示不同年份同一土壤肥力指標(biāo)存在顯著差異（＜0.05）

Different letters after the mean values in the same column indicate significant differences in the same soil fertility index in different years (＜0.05)

2007和2017年土壤速效鉀均值為135和136 mg·kg-1，分別較1983年（96 mg·kg-1）增加了40.6%和41.7%；1983—2007年速效鉀年均增加量為1.6 mg·kg-1，增幅顯著，而2007—2017年速效鉀無(wú)顯著變化。

2007和2017年土壤pH均為8.28，較1983年（8.14）略有增加，但均在作物適宜的pH范圍內(nèi)。

2.2 不同時(shí)期壽陽(yáng)縣耕地土壤肥力演變主控因素

34年間壽陽(yáng)縣耕地土壤肥力的主控因素發(fā)生了較大變化（圖2）。1983年全氮和有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的主要貢獻(xiàn)指標(biāo)，貢獻(xiàn)率分別為75.3%和17.8%，其他指標(biāo)的重要性相對(duì)較弱；2007年，速效鉀、有效磷和全氮是土壤肥力的主要貢獻(xiàn)指標(biāo)，貢獻(xiàn)率分別為34.8%、27.9%和27.8%；2017年，對(duì)土壤肥力的主要貢獻(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槿?、速效鉀和有效磷，貢獻(xiàn)率分別為31.8%、27.1%和26.8%。速效養(yǎng)分在后期發(fā)揮的作用越來(lái)越重要。

圖2 1983、2007和2017年壽陽(yáng)縣各指標(biāo)對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)率

2.3 壽陽(yáng)縣耕地土壤肥力主控因素及綜合指數(shù)的時(shí)空演變特征

2.3.1 耕地土壤肥力主控因素的時(shí)空分布 1983、2007和2017年壽陽(yáng)縣耕地土壤肥力主控因素（有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀）存在明顯的時(shí)空差異性（圖3、圖4、表3）。

1983年壽陽(yáng)縣耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)北部高，南部低的分布格局，有機(jī)質(zhì)含量整體偏低，以四、五等級(jí)為主。2007和2017年土壤有機(jī)質(zhì)空間分布相對(duì)均勻，且與1983年相比，四等級(jí)的比例顯著增加，分別增至接近94%（2007年）和98%（2017年）（表3）。34年來(lái)該縣南部土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸上升，而北部區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)的變化不顯著。

1983年壽陽(yáng)縣耕地土壤全氮含量的分布相對(duì)均勻，全氮含量整體偏低，且以五等級(jí)為主。2007年該縣土壤全氮含量以四、五等級(jí)為主，其中，在平頭鎮(zhèn)和馬首鄉(xiāng)土壤全氮降低，等級(jí)由五級(jí)降為六級(jí)；北部和南部土壤全氮增加，等級(jí)由五級(jí)增長(zhǎng)為四級(jí)。至2017年，該縣土壤全氮含量整體呈增加趨勢(shì)，其中在南部區(qū)域增加最為顯著。34年來(lái)，該縣西北部和中部的土壤全氮含量先減少后增加，而在其他區(qū)域土壤全氮均有不同程度的增加，其中在北部和南部的邊緣地區(qū)，土壤全氮的增加最為明顯。整體來(lái)看，該縣土壤全氮含量處于四等級(jí)的中等偏低水平。

1983年壽陽(yáng)縣土壤有效磷含量從北到南呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，且以三和四等級(jí)為主。2007年，該縣土壤有效磷含量呈東南部上升趨勢(shì)，依舊以三和四等級(jí)為主。至2017年，該縣土壤有效磷含量整體增加，其中在西南部土壤有效磷由原來(lái)的四級(jí)上升至三級(jí)。34年來(lái)，該縣南部區(qū)域土壤有效磷含量增加明顯，而北部區(qū)域變化不顯著。整體來(lái)看，該縣土壤有效磷含量處于三、四等級(jí)的中等偏上水平。

1983年壽陽(yáng)縣土壤速效鉀含量呈現(xiàn)西南部和東部較高，北部和中部較低的分布格局，且以四等級(jí)為主。至2007年，該縣土壤速效鉀含量整體上升，以三等級(jí)為主，占比達(dá)90%（表3），西南部部分區(qū)域達(dá)二級(jí)水平。至2017年，該縣耕地土壤速效鉀含量變化不顯著，依舊以三等級(jí)為主。整體看來(lái)，34年來(lái)該縣耕地土壤速效鉀含量顯著增加，且在北部和中部地區(qū)增加最為顯著。

圖3 1983、2007和2017年壽陽(yáng)縣土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的空間分布

圖4 1983、2007和2017年壽陽(yáng)縣土壤有效磷和速效鉀的空間分布

2.3.2 耕地土壤肥力主控因素的年均變化率 土壤肥力主控因素的年均變化率（圖5和圖6）呈現(xiàn)階段性特征。1983—2007年土壤有機(jī)質(zhì)年均增加率在0—5%的占比最高，為95.9%；2007—2017年該縣東南部景尚鄉(xiāng)、羊頭崖鄉(xiāng)和松塔鎮(zhèn)年均增加速率最大，達(dá)5%—10%。整體看來(lái)，2007—2017年有機(jī)質(zhì)含量年均增加率較1983—2007年更大。

1983—2007年，壽陽(yáng)縣西北部和中部全氮含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，占比達(dá)33.8%，其他區(qū)域全氮含量增加0—5%，占比達(dá)52.0%。2007—2017年，該縣土壤全氮年均變化率整體呈現(xiàn)中北部下降，其他區(qū)域增加的趨勢(shì)，尤其在平頭鎮(zhèn)和馬首鄉(xiāng)增速最大，年均增加率達(dá)5%—10%?？傮w看來(lái)，2007—2017年全氮含量年均增加率較1983—2007年更大。

1983—2007年，壽陽(yáng)縣土壤有效磷增加0—5%的占比最高，達(dá)70.0%。2007—2017年間增加0—5%占比為62.5%，其中，在中部區(qū)域土壤有效磷增加顯著，上升幅度達(dá)10%—20%。整體看來(lái)，2007—2017年有效磷含量年均增加率較1983—2007年更大。

1983—2007年，壽陽(yáng)縣土壤速效鉀增加在0—5%占比最高，達(dá)94.4%。2007—2017年，速效鉀含量整體呈現(xiàn)東西部下降，中部上升的趨勢(shì)，其中速效鉀年均減少占比為51.2%，年均增加占比為48.8%。整體來(lái)看，1983—2007年速效鉀含量年均增加率較2007— 2017年更大。

2.3.3 耕地土壤肥力綜合指數(shù)的時(shí)空分布 圖7顯示，1983年壽陽(yáng)縣土壤肥力綜合指數(shù)平均值為1.16，且以三級(jí)為主，占比為64%，其次為四級(jí)，占比為36%。2007年和2017年土壤肥力綜合指數(shù)平均值分別為1.31和1.42，2007年三級(jí)占比達(dá)92%，2017年三級(jí)占比為82%，且在中部和北部區(qū)域出現(xiàn)二級(jí)水平，占比為13%。整體來(lái)看，1983—2017年，該縣土壤肥力綜合指數(shù)增加0.26，其中第三等級(jí)占比不斷增大，而第四等級(jí)占比逐漸減少，且部分區(qū)域土壤肥力指數(shù)出現(xiàn)二級(jí)水平。

圖5 1983—2007和2007—2017年壽陽(yáng)縣土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的年均變化率

表3 1983、2007和2017年壽陽(yáng)縣土壤肥力等級(jí)面積比例統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖6 1983—2007和2007—2017年壽陽(yáng)縣土壤有效磷和速效鉀的年均變化率

圖7 1983、2007和2017年壽陽(yáng)縣土壤肥力綜合指數(shù)的空間分布

3 討論

3.1 不同時(shí)期土壤肥力主控因素的變化

土壤肥力主控因素的改變表示著各指標(biāo)對(duì)綜合肥力指數(shù)的貢獻(xiàn)率發(fā)生變化。本研究表明，在1983—2017年間，壽陽(yáng)縣耕地土壤肥力演變的主控因素由最初的全氮和有機(jī)質(zhì)（1983年），變?yōu)槿?、有效磷和速效鉀?007和2017年）。34年間，全氮始終是土壤肥力的主要貢獻(xiàn)因子，但其相對(duì)重要性逐漸降低，而有效磷、速效鉀養(yǎng)分對(duì)壽陽(yáng)縣土壤肥力的貢獻(xiàn)逐漸增加。這可能是因?yàn)閴坳?yáng)縣土壤全氮初始含量較低，僅為0.66 g·kg-1，且1983年還沒(méi)有大規(guī)模施用化肥，壽陽(yáng)縣氮肥年平均施用量?jī)H為47 kg·hm-2，之后，2007和2017年，肥料施用大幅度增加，氮肥施用量分別達(dá)133和246 kg·hm-2（表4）。隨著氮肥施用量的增加，全氮含量提升顯著，全氮一直為土壤肥力主控因素，而土壤有機(jī)質(zhì)在2007和2017年分布相對(duì)均勻，空間差異小，不再是土壤肥力的主控因素。此外，隨著化肥的投入，磷肥和鉀肥施用量也不斷增加，2007和2017年磷肥施用量分別為71和91 kg·hm-2，鉀肥施用量分別為32和50 kg·hm-2（表4），導(dǎo)致有效磷、速效鉀養(yǎng)分也成為土壤肥力的主控因素。與我們的結(jié)果相類(lèi)似，李建軍等[9]指出，主要肥力貢獻(xiàn)因子的變化與化肥投入量的持續(xù)增加有關(guān)，在監(jiān)測(cè)初期長(zhǎng)江中下游地區(qū)土壤肥力的主控因素為有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮，在監(jiān)測(cè)后期主控因素變?yōu)槿A解氮和速效鉀。此外，王遠(yuǎn)鵬等[16]指出，進(jìn)賢縣土壤肥力主控因素由1982年的堿解氮和有效磷變?yōu)?017年的速效鉀和有效磷。整體來(lái)看，土壤全氮和速效養(yǎng)分仍然是壽陽(yáng)縣土壤肥力的主控因素。因此，未來(lái)壽陽(yáng)縣農(nóng)田土壤管理中應(yīng)注意氮、磷、鉀肥料的合理施用。

表4 1983、2007和2017年壽陽(yáng)縣農(nóng)田施肥情況和農(nóng)作物秸稈總量

3.2 不同時(shí)期土壤肥力主控因素及綜合指數(shù)時(shí)空變化

3.2.1 土壤有機(jī)質(zhì)和全氮時(shí)空變化 土壤有機(jī)質(zhì)影響?zhàn)B分儲(chǔ)存、持水能力以及團(tuán)聚體穩(wěn)定性，是土壤質(zhì)量和肥力的核心[17]。34年來(lái)，壽陽(yáng)縣土壤有機(jī)質(zhì)整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這與解文艷等[6]的研究結(jié)果相似。通常，土壤有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于作物根茬、秸稈還田、有機(jī)肥施用以及綠肥的翻壓等，其受自然因素和人為因素的共同影響，且人為因素（農(nóng)田管理措施如施肥等）對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響更大[17]。前人研究表明，有機(jī)肥含有大量氮磷鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和有益菌種，與化肥配施后，可以促進(jìn)土壤微生物代謝，加快養(yǎng)分循環(huán)，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力[18-20]。此外，與秸稈不還田相比，秸稈還田可以明顯提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[21]。本研究表明，與1983—2007年相比，2007—2017年間壽陽(yáng)縣土壤有機(jī)質(zhì)含量增加更加明顯。這可能與2007年以來(lái)，壽陽(yáng)縣政府大力推廣秸稈還田和有機(jī)肥施用有關(guān)。自2005年以來(lái)，壽陽(yáng)縣政府大力實(shí)施沃土計(jì)劃推行玉米秸稈還田，使得大量秸稈進(jìn)入土壤，其中2008年壽陽(yáng)縣實(shí)現(xiàn)80%以上秸稈還田，且2016年有機(jī)肥增施量達(dá)1 000 kg。表4表明，1983—2017年壽陽(yáng)縣秸稈總量逐年增長(zhǎng)，這也意味著自2005年以來(lái)，壽陽(yáng)縣秸稈還田量在增加。因此，壽陽(yáng)縣耕地土壤有機(jī)質(zhì)顯著增加顯然與政府大力推廣秸稈還田和有機(jī)肥增施策略有關(guān)。此外，從空間變化來(lái)看，壽陽(yáng)縣南部區(qū)域有機(jī)質(zhì)增長(zhǎng)更快，這是因?yàn)槟喜康貐^(qū)是農(nóng)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，耕地多，主要種植作物為玉米，秸稈量大，還田較多；而中部呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，這是因?yàn)橹胁繛猷l(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)發(fā)展區(qū)，其工業(yè)產(chǎn)值占總產(chǎn)值的43%—56%，耕地面積較少，秸稈還田量少。綜上，壽陽(yáng)縣增施有機(jī)肥和秸稈還田的措施是導(dǎo)致該縣34年來(lái)土壤有機(jī)質(zhì)含量增加的重要措施。

土壤全氮作為土壤肥力的重要內(nèi)容，是農(nóng)田土壤氮肥施用的重要依據(jù)。通常，土壤全氮和土壤有機(jī)質(zhì)密不可分。34年來(lái)，壽陽(yáng)縣土壤全氮含量呈現(xiàn)整體上升趨勢(shì)。代子俊等[22]指出，自然因素和人為因素共同導(dǎo)致了氮的時(shí)空分異，人類(lèi)活動(dòng)如施肥對(duì)其干預(yù)作用更強(qiáng)。前人研究表明，土壤氮素主要以有機(jī)態(tài)氮和硝態(tài)氮等的形式存在于土壤有機(jī)質(zhì)中[17]，增施有機(jī)肥能明顯增加土壤有機(jī)氮庫(kù)的儲(chǔ)量，提高土壤供氮能力[23]。馬力等[24]研究也表明，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥以及秸稈還田可以明顯提高耕層土壤氮含量。1983—2007年間，壽陽(yáng)縣土壤全氮含量變化速度較慢，這可能是因?yàn)檫@一時(shí)期氮肥施用量相對(duì)較少，僅由1983年的47 kg·hm-2增加至2007年的133 kg·hm-2。在2007—2017年，土壤全氮含量顯著增加，這與氮肥和有機(jī)肥施用量增加以及秸稈還田有關(guān)。表4結(jié)果顯示，從2007到2017年，壽陽(yáng)縣氮肥施用量由133 kg·hm-2增加至246 kg·hm-2，且農(nóng)作物秸稈量增加，也意味著秸稈還田量的增加。從空間變化看，全氮變化與有機(jī)質(zhì)相似，均呈現(xiàn)中部降低的趨勢(shì)，這也與中部重點(diǎn)發(fā)展工業(yè)有關(guān)。因此，壽陽(yáng)縣增施氮肥和有機(jī)肥以及秸稈還田等措施是導(dǎo)致該縣34年來(lái)土壤全氮含量增加的主要原因。

3.2.2 土壤速效磷和速效鉀時(shí)空變化 土壤有效磷是反映土壤供磷性狀的重要指標(biāo)，其含量高低直接影響到作物對(duì)土壤磷素的吸收利用[25]。土壤速效鉀含量對(duì)于判斷土壤中鉀素供應(yīng)狀況具有重要意義[26]。34年來(lái)，壽陽(yáng)縣耕地土壤有效磷和速效鉀含量整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，表現(xiàn)為四級(jí)面積占比減少，三級(jí)面積占比增加。王齊齊等[27]的研究表明，土壤速效養(yǎng)分含量的增加與化肥施用量增加有關(guān)。前人研究表明，有機(jī)無(wú)機(jī)配施有利于土壤中活性磷的轉(zhuǎn)化[28]，進(jìn)而提高土壤有效磷含量[23,29]，而秸稈還田后分解產(chǎn)生的大量有機(jī)酸也可以為土壤提供陰離子，減少無(wú)機(jī)磷的固定，提高磷的有效性[30-31]。1983—2007年間，壽陽(yáng)縣耕地土壤有效磷沒(méi)有顯著變化而速效鉀含量顯著增加，這與施肥量密切相關(guān)。2007年施磷量（71 kg·hm-2）較1983年（60 kg·hm-2）沒(méi)有顯著變化，而施鉀量由1983的4 kg·hm-2提高至2007年32 kg·hm-2。因此，這一時(shí)期鉀肥施用量的增大是導(dǎo)致速效鉀含量顯著增加的重要因素。2007—2017年間，土壤有效磷顯著增加而速效鉀沒(méi)有顯著變化。這是因?yàn)?007—2017年間，壽陽(yáng)縣開(kāi)始進(jìn)行測(cè)土配方施肥，推廣有機(jī)無(wú)機(jī)配施和秸稈還田，該時(shí)期施磷量增加，2017年是2007年的1.9倍，而施鉀量變化較小。因此，磷肥和鉀肥施用量的增加、推廣測(cè)土配方施肥以及秸稈還田等措施可能是導(dǎo)致34年來(lái)壽陽(yáng)縣耕地土壤有效磷鉀含量增加的重要原因。

3.2.3 土壤肥力綜合指數(shù)時(shí)空變化 土壤肥力綜合指數(shù)可以較為全面地反映土壤的肥力特征。34年間壽陽(yáng)縣褐土肥力綜合指數(shù)逐漸增加，這與趙秀娟[31]的研究結(jié)果一致。此外，1983年壽陽(yáng)縣邊緣地區(qū)土壤肥力較差，而到2017年，壽陽(yáng)縣土壤肥力水平整體到達(dá)三級(jí)，且空間分布均勻，尤其邊緣地區(qū)土壤肥力提升明顯。這可能與壽陽(yáng)縣自2007年以來(lái)實(shí)行的測(cè)土配方施肥、增施有機(jī)肥以及推行秸稈還田等政策有關(guān)。

綜上分析，34年來(lái)壽陽(yáng)縣褐土區(qū)耕地土壤肥力的提高與化肥和有機(jī)肥施用以及農(nóng)作物秸稈還田等人為措施密切相關(guān)。由于大面積采樣工作量大，且時(shí)間跨度較長(zhǎng)，本研究只有3次采樣數(shù)據(jù)結(jié)果，因此可能并未能十分精準(zhǔn)反映出34年以來(lái)壽陽(yáng)縣耕地土壤肥力時(shí)空演變的情況，但其大致演變趨勢(shì)應(yīng)對(duì)未來(lái)壽陽(yáng)縣褐土耕地質(zhì)量提升和作物施肥管理具有一定的科學(xué)指導(dǎo)意義。此外，受制于數(shù)據(jù)的局限性，本文只關(guān)注了34年間壽陽(yáng)縣施肥與秸稈還田等人為措施對(duì)土壤肥力綜合指數(shù)和基礎(chǔ)5項(xiàng)肥力因子（有機(jī)質(zhì)、全氮以及速效養(yǎng)分等）時(shí)空演變的影響，而其他因素，比如土壤物理性質(zhì)、生物性質(zhì)、氣候、地形地貌等影響土壤肥力的可能因素均未能包括。因此，今后研究中仍需加強(qiáng)長(zhǎng)時(shí)間尺度下，自然和人為管理等因素對(duì)褐土肥力以及質(zhì)量的綜合影響研究。

4 結(jié)論

1983—2017年間壽陽(yáng)縣褐土肥力水平整體提高，綜合指數(shù)增加了0.26，當(dāng)前耕地土壤肥力整體處于三級(jí)中等水平。土壤肥力的主控因素前期以全氮和有機(jī)質(zhì)為主導(dǎo)，而后期有效磷和速效鉀養(yǎng)分的作用愈加重要。

全縣有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀均呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì)，其中有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷在南部增長(zhǎng)較快，速效鉀在中部增長(zhǎng)較快，2017年有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量均值分別為14.8 g·kg-1、0.83 g·kg-1、13.3 mg·kg-1和136 mg·kg-1。

全縣大部分區(qū)域全氮處于四等級(jí)及以下的中等偏低水平，尤其中部地區(qū)全氮含量偏低。有效磷和速效鉀含量較高，大部分處于二和三等級(jí)，中等偏上水平。因此，在壽陽(yáng)縣全域尤其是中部區(qū)域需注意增施氮肥，而全區(qū)需穩(wěn)磷控鉀。

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Spatial-Temporal Variability Characteristics and Main Controlling Factors of Soil Fertility in Shouyang County of Cinnamon Soil Area

SHEN Tong1, 2, WANG HengFei1, 2, DU WenBo3, ZHOU HuaiPing1, WANG Rui3, ZHANG JianJie1, JIN DongSheng1,2, XU Minggang1, 2

1College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030800, Shanxi;2Academy of Eco-Environment and Industrial Technology, Shanxi Agricultural University/Shanxi Province Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources, Taiyuan 030031;3Shanxi Farmland Quality Monitoring and Protection Center, Taiyuan 030001

【Objective】The main controlling factors of soil fertility and temporal and spatial evolution characteristics in typical county of cinnamon soil region were investigated, so as to provide the basis for scientific management of nutrients and soil fertilization. 【Method】Based on the data of soil fertility, including soil organic matter (SOM), total nitrogen (TN), available phosphorus (AP), available potassium (AK) and pH, at Shouyang County in 1983, 2007 and 2017, the Nemerow index method was used to calculate the comprehensive index of soil fertility, the random forest method was used to explore the main controlling factors of soil fertility, and the combined method of GIS and geostatistics was used to determine the temporal and spatial variability characteristics and the distribution patterns of the comprehensive index of soil fertility and its main factors. 【Result】(1) The overall level of cultivated land soil fertility showed an upward trend in Shouyang County during the past 34 years, and the comprehensive index of soil fertility increased by 0.26, which changed from 1.16 to 1.42. The changes of soil fertility index were characterized by stages. From 1983 to 2007, the average annual increases of SOM, TN and AK were 0.09 g·kg-1, 0.0021 g·kg-1and 1.61 mg·kg-1, respectively, while the changes of AP were not significant. From 2007 to 2017, SOM, TN and AP increased significantly, with the average annual increases of 0.25 g·kg-1, 0.01 g·kg-1and 0.31 mg·kg-1, respectively, while the changes of AK were not significant. (2) The analysis results of the random forest model showed that, the main controlling factors of soil fertility were TN and SOM in 1983, with the importance of 75.3% and 17.8%, respectively. In 2007, the main controlling factors of soil fertility became AK, AP and TN, with the importance of 31.8%, 27.1% and 26.8%, respectively. In 2017, the main controlling factors were TN, AK and AP, and the importance for the three factors were 31.8%, 27.1% and 26.8%, respectively. (3) There were certain spatial differences in the main controlling factors of soil fertility. From 1983 to 2007, SOM increased in the whole county; TN decreased in the northwest and central regions, but increased in other regions; AP decreased in the north regions, but increased in the south regions; AK increased in the whole county. From 2007 to 2017, SOM increased fast in the southeast regions but slow in other regions; TN decreased in the middle regions but increased in other regions; AP decreased in the east regions, but increased in other regions; AK decreased in the east and west regions, but increased in the central region. 【Conclusion】After 34 years, the cultivated land soil fertility of Shouyang County has been improved, and SOM, TN, AP and AK were the main controlling factors affecting the soil fertility variability. SOM, TN and AP increased fast in the south regions, while AK increased fast in the east regions. It was suggested that the whole Shouyang County still needed to increase the application of nitrogen fertilizer moderately, especially in the central region, and stabilize the application of phosphate fertilizer, while control the application of potassium fertilizer in the future.

soil fertility; spatial-temporal variability; cinnamon soil area; main controlling factors; Shouyang County

2022-12-18；

2023-03-28

科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專(zhuān)項(xiàng)（2021FY100501）、山西省科技合作交流項(xiàng)目（202104041101002）、山西省博士畢業(yè)生來(lái)晉獎(jiǎng)勵(lì)科研項(xiàng)目（SXBYKY2022083）

申桐，E-mail：3211419826@qq.com。通信作者徐明崗，E-mail：xuminggang@caas.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）