湘西州土壤肥力綜合評價及空間分布特征*

彭 歡，周 迎，曾漢勇，羅 金，李 強，賀建武,

(1.湘西土家族苗族自治州農產品質量檢驗檢測中心，湖南 吉首 416000；
2.湘西土家族苗族自治州林業局，湖南 吉首 416000；
3.吉首大學杜仲綜合利用技術國家地方聯合工程實驗室，湖南 吉首 416000；
4.吉首大學生物資源與環境科學學院，湖南 吉首 416000)

湘西土家族苗族自治州(簡稱“湘西洲”)是中國特色農產品優勢區、國家級出口食品農產品質量安全示范區、農村一二三產業融合發展先導區，是湖南省重要的水果和高山蔬菜優勢產區和加工基地，農業特色產業總面積超過266 680萬m2.湘西州建有全球最大的富硒獼猴桃基地，全國最大的椪柑基地、百合基地，全國優質煙葉基地，全省最大的優質茶葉基地，州級以上農業產業化龍頭企業超過200家，綠色、有機、地理標志農產品總數達167個[1].近幾年調查報告顯示，湘西州土壤pH值偏酸，速效鉀和有效磷含量偏高或偏低，土壤肥力退化，對煙草產量和品質造成了威脅[2].土壤是植物生長的載體，土壤肥力直接影響果樹和作物的生長發育及果實的產量、品質[3].因此，對土壤肥力的客觀評價和合理分析，是防止土壤退化和提升土地生產力的前提[4].目前，國內雖然已有少量關于湘西州煙草土壤性質的調查報道[2，5]，但通常局限于單一作物，且僅對相關指標進行豐缺分析，未對土壤肥力進行綜合評價，無法全面準確反映湘西州土壤肥力水平.本研究基于湘西州自然條件和土壤特點選取pH值、有機質、全氮、有效磷、速效鉀作為肥力評價指標，結合指數和法構建土壤肥力綜合評價體系，旨在分析湘西州土壤肥力狀況，為湘西州提升土壤肥力質量、建設高質量農田提供參考，為全面推進鄉村振興貢獻力量.

1.1 研究區概況與樣點

研究區域位于湘、鄂、黔、渝四省市交界處的湘西土家族苗族自治州(東經109°10′～110°22.5′，北緯27°44.5′～29°38′)，面積約1.5萬km2.該區屬亞熱帶季風濕潤氣候，境內西南部石灰巖分布廣，多溶洞和伏流，東西部為低山丘陵區，總體呈現一個以山原山地為主，兼有丘陵和小平原的弧形山區地貌，土壤類型以黃壤、黃棕壤、石灰土為主.

本研究土壤肥力評價樣品取自湘西自治州440個樣地，樣品采集點如圖1所示.在每個樣點選定采樣地，除去地表覆蓋物后，用五點采樣法采集0～20 cm的土壤樣品，混合后用牛皮紙信封帶回實驗室，記錄每個樣地中心位置的經緯度信息和海拔信息.土壤樣品在實驗室盡快去除石塊、動植物殘體及其他異物，碾碎后過2 mm篩后自然風干，用于土壤肥力指標的測定.

圖1 湘西州土壤樣品采集點分布示意

1.2 土壤樣品測定方法

土壤pH值測定采用NY/T 1377—2007中的玻璃電極法；
有機質(OM)含量測定采用GB/T 9834—88中的重鉻酸鉀氧化-稀釋熱法；
全氮(TN)含量測定采用GB/T 17767.1—2008中的半微量凱氏定氮法；
有效磷(AP)含量測定采用GB/T 8573—2017中的NaHCO3浸提-鉬銻抗分光光度法；
速效鉀(AK)含量測定采用NY/T 889—2004中的乙酸銨浸提-火焰光度法.

1.3 土壤肥力評價方法

參考文獻[6]的方法，綜合研究區域的自然條件和土壤特點，選取土壤pH值及OM，TN，AP，AK作為肥力評價指標.用相關系數法計算各指標評價權重，進而采用模糊數學理論確定隸屬函數計算指標隸屬度，最后以指數和法計算各地區土壤肥力的綜合評價得分.

1.3.1 評價指標權重的確定 權重表征的是評價對象不同側面的重要程度的定量分配，表現為各個評價指標對評價對象的相對重要程度，合理的權重是正確量化評估的關鍵[7].權重的計算方法有主成分分析法、熵值法、AHP層次法、CRITIC權重法、相關系數法等，其中相關系數法根據數據相關性進行計算，計算相對簡單，權重賦值客觀，能有效減小主觀誤差[4].本研究采用相關系數法為各評價指標分配權重.根據研究區域所采樣品土壤數據，通過SPSS分析構建各評價指標之間相關系數(表1)，計算某項肥力指標相關系數平均值與所有肥力指標相關系數平均值總和的比值，將比值作為該項指標因子的權重，得到土壤pH值，OM，TN，AP，AK的權重值分別為0.19，0.28，0.29，0.13，0.11(表2).

表1 土壤肥力指標之間的相關系數

表2 相關系數平均值及指標權重

1.3.2 評價指標隸屬度函數的確定 評價指標對土壤綜合肥力的影響程度及其量綱不一，需對各項指標進行數值化處理，建立各評價指標的隸屬度函數.通常隸屬度函數會采用相對應的折線型函數，得到不同函數轉折點，以便于計算[8-9].根據模糊數學理論，聯系土壤肥力與評價指標之間的關系，土壤有OM，TN，AP，AK選擇S型函數模型計算隸屬度，相應隸屬度函數表達式為

土壤pH值選擇拋物線函數模型計算隸屬度，相應隸屬度函數表達式為

其中：x1為隸屬函數下限值；
x2，x3為隸屬函數最優值；
x4為隸屬函數上限值.

考慮研究區域的自然環境和土壤特點，參考相關研究案例[10-11]，本研究采取的指標轉折點見表3.

表3 土壤肥力指標隸屬度函數轉折點

1.3.3 綜合評價指數的計算 采用指數和法計算土地肥力綜合指數，綜合評價指數計算公式為IFI=∑fiai.其中：IFI為土壤肥力綜合評價指數；
fi為第i個評價指標的隸屬度；
ai為第i個評價指標的權重值.

1.3.4 土壤肥力等級劃分 參考《耕地質量等級》(GB/T 2033469—2016)和參考文獻[6，12-13]中的分級標準，將研究區土壤肥力劃分成4個等級(表4)，綜合肥力指數IFI越接近于1，土壤肥力越高.

表4 土壤肥力等級劃分標準

2.1 湘西州土壤肥力的空間分布

對土壤pH值及OM，TN，AP，AK含量進行統計分析，繪制描述性統計特征表(表5)，同時利用ArcGIS中的地統計模塊，對其進行自然斷點法處理，繪制空間分布圖(圖3).

從表5可知，土壤pH值的變化范圍為3.40～8.35，平均值為6.0，土壤以酸性至中性為主；
土壤有機質含量的變化范圍為1.97～80.4 g/kg，平均值為28.98 g/kg；
全氮含量的變化范圍為0.402～3.99 g/kg，平均值為1.73 g/kg；
有效磷含量的變化范圍為0.13～1 190 mg/kg，平均值為55.09 mg/kg；
速效鉀含量的變化范圍為30.5～946 mg/kg，平均值為135.25 mg/kg.變異系數Cv反映了特性參數的空間變異程度，也揭示了區域化變量的離散程度.一般認為：Cv<0.1，弱變異性；
0.1≤Cv≤1，中等變異性；
Cv>1，高度變異性[14].表5結果顯示，土壤pH值及OM，TN，AK的變異系數分別為20.93%，40.98%，33.10%，76.98%，都表現出中度變異性；
土壤AP的變異系數為187.31%，變異系數較高，呈現出高度變異性.由圖2可知，各行政區域的土壤pH值差別不大，除古丈縣土壤pH值為4.64～5.27，呈現弱酸性外，其余區域土壤pH值主要分布在6.11～7.22.花垣縣和古丈縣是土壤TN的高含量區域，整體含量在2.36 g/kg以上，其余區域的TN含量都在1.33～2.36 g/kg范圍內.土壤AK的總體空間分布較均勻，沒有出現特別集中的高含量地區.花垣縣和古丈縣是土壤OM高含量富集區域，總體含量在43.3 g/kg以上，其他行政區域的有機質含量分布較為均勻.土壤AP的整體空間分布均勻，但永順縣和瀘溪縣出現極高含量的AP樣本點.土壤TN和OM的空間分布特征相似，在花垣縣和古丈縣內兩者高含量樣本點高度重合.

表5 土壤肥力指標的描述性統計

圖2 湘西州各縣(市)的土壤肥力指標空間分布

2.2 湘西州土壤肥力綜合評價

統計湘西州各縣(市)中不同肥力等級的樣本占比(表6)，同時利用ArcGIS中的地統計模塊，對不同行政區域的肥力綜合指數進行分析，繪制空間分布圖(圖3).

表6 湘西州各縣(市)土壤不同肥力等級占比

圖3 湘西州各縣(市)的土壤肥力空間分布特征

由圖3可知，龍山縣Ⅰ級肥力土壤面積占比最高，為26.15%，除花垣縣占比僅為4%外，其余縣(市)占比均在15%以上.瀘溪縣和吉首市Ⅱ級肥力土壤面積占比低于10%，其余各縣差距不大.龍山縣Ⅱ級及以上肥力土壤面積占比為50.77%，在各縣(市)的行政區域內占比最高；
古丈縣、保靖縣、永順縣和鳳凰縣土壤肥力等級達到Ⅱ級及以上的面積占比均超過了30%，分別為42.50%，40.00%，38.46%，35.00%.Ⅲ級及以上肥力土壤面積占比中，龍山縣最高，為58.46%，保靖縣、古丈縣、永順縣、鳳凰縣和吉首市均超過了40%，分別為48.00%，47.50%，46.15%，43.33%和40.00%.除龍山縣外，其余所有縣(市)土壤肥力等級達到Ⅳ級的面積占比超過50%，其中花垣縣、瀘溪縣土壤肥力等級為Ⅳ的面積占比超過60%，分別為74.00%，61.51%.

湘西州土壤肥力特征中，土壤pH值呈弱酸性，土壤OM，AP和AK含量偏高，僅龍山縣、永順縣、鳳凰縣、吉首市的Ⅰ級肥力土壤面積占比超過20%；
除龍山縣外，其余7個縣(市)的Ⅳ級土壤面積占比均超過50%，其中花垣縣Ⅳ級土壤面積占比超過70.00%；
湘西州Ⅰ和Ⅱ級土壤面積占比35.28%，土壤肥力總體水平表現為中等水平.土壤pH值及OM，TN，AP，AK都是影響土壤生產能力的關鍵因素[15]，本研究建立了土壤肥力綜合評價體系，較為系統地評估了湘西州土壤的整體質量.

土壤pH值對農作物生長、養分的有效性和土壤物理性質等方面有較大影響，土壤酸化易影響土壤微生物活性和營養元素的釋放與轉化，從而導致土壤肥力下降，引起農作物營養障礙、產量和品質下降等問題[16].土壤OM對改善土壤理化特性、提供農作物生長所需養分等具有重要作用，高含量的OM能有效改良土壤結構，增加土壤微生物數量，提高土壤養分轉化率[17].氮、磷、鉀是植物生長所必需的養分元素，直接影響農作物的生長發育和產量[18].湘西州土壤pH值以弱酸性為主，存在較普遍的輕微土壤酸化，土壤OM含量偏高，TN含量的變異系數及均值都在正常范圍內，AP和AK含量的變異系數和均值均較高，這與鄧小華等[2]的研究結果類似.褚長彬等[19]研究表明，施用有機肥能有效提高土壤磷、鉀含量，但對TN含量影響不明顯；
徐仁扣等[20]研究發現，施用磷肥及生理酸性肥料是導致土壤酸化的主要原因之一.據此推測，湘西州大部分地區可能存在人工施加有機肥現象，少數地區除施加有機肥外，可能還施加大量含磷、鉀的化肥或生理酸性肥料，這一行為導致了湘西州土壤AP和AK含量的極差程度大，土壤酸化普遍.根據李慶軍等[21]研究結果，針對湘西州目前的土壤情況，筆者建議，暫時減少有機肥施加量，停止施加含磷、鉀的化肥和生理酸性肥料，適量添加鈣、鎂等堿性肥料，降低土壤pH值，緩解土壤酸化程度.

土壤肥力不高，土地質量不達標，糧食產量和品質就會面臨較大威脅，土地是糧食生產的命脈，保土地既要保數量，更要保質量.2021年，國務院批復，農業農村部印發的《全國高標準農田建設規劃(2021—2030年)》提出，全國要以高質量發展為主題，以提升糧食產能為首要目標，加快推進高標準農田建設，為保障國家糧食安全和重要農產品有效供給提供堅實基礎.土地質量是一項長遠且關乎糧食安全的重大問題，結合本研究結果，建議對龍山縣、古丈縣、保靖縣和永順縣的土地進行初步開發利用，緊抓土地質量，以建設高質量農田為重點，完善土地使用監督機制，防止耕地面積減少，阻止化肥濫用，遏制土壤酸化，提升綜合生產能力，推進全國高質量農田建設規劃實施方案落地，為全面推進鄉村振興貢獻力量.