黑龍江省耕地土壤養分貧瘠化研究

楊厚翔,雷國平,徐 秋

(東北大學土地管理研究所，遼寧 沈陽 110004)

耕地質量關乎國計民生[1-3]，土壤肥力是耕地質量的重要組成部分[4，5]，用于衡量土壤提供作物生長所需各種養分的能力[4-7]，土壤養分是肥力的構成要素，是比較容易控制的。Pay D等[8]指出世界上尤其是撒哈拉以南的非洲國家耕地土壤養分貧瘠化會越發嚴重；張桃林[9]指出中國大部分地區土壤均出現不同程度的肥力退化現象。趙其國、韓光中等[10-11]指出土壤養分貧瘠化已經成為土壤退化的原因之一。

土壤養分貧瘠化是指土壤養分補給不足以彌補農作物對其的損耗，造成土壤養分元素虧缺，導致土壤肥力下降[12]。土壤養分貧瘠化研究目的是掌握土壤養分區域分布特征，診斷并指出區域土壤資源開發利用中可能出現的養分問題[13]，為更好地利用土地資源，為施肥、作物布局調整以及土地開發整理提供科學的依據，對提高耕地質量、保證糧食安全、實現土地資源的可持續利用具有重要意義[14]。

近年來，土壤養分貧瘠化相關研究已取得較多成果，主要集中在評價體系構建，以及評價方法選擇方面，研究越發趨于定量化和標準化，評價結果也更為準確、客觀[13，15-17]。錢樂祥等[15]基于ArcGIS平臺，利用多元數理統計分析原理，構建了土壤養分貧瘠化綜合評價模型，開展了土壤養分貧瘠化區域分異特征分析；孫波等[16]運用模糊數學和多元數理統計分析原理，建立了一個綜合評價土壤養分貧瘠化的方法，對我國東南丘陵山區土壤養分貧瘠化現狀進行了綜合評價；劉金山[17]采用最小數據集和模糊數學法對湖北省水旱輪作區域土壤肥力質量進行評價；盧樹昌[18]通過調查和土壤樣品采集測定法對天津市23685塊農田土壤肥力質量狀況及變化進行了研究；楊奇勇等[13]在GIS技術支持下，綜合利用采樣點養分要素和空間信息數據，利用層次分析(AHP)等方法改進灰色關聯等級評價模型，實現了土壤養分貧瘠化評價定量化，引入障礙因子診斷模型診斷了禹城市土壤養分貧瘠化障礙因子；董杰等[19]通過野外調查和室內分析相結合，利用土地特性系列比較法對三峽庫區紫色土坡地土壤貧瘠化特征進行了研究。以上研究豐富了土壤貧瘠化研究體系，但仍有不足。一是研究多基于土壤本身，忽視了土壤與農田生態系統的聯動關系，并未從土壤形成的歷史與所處環境等因素來全面定位與診斷貧瘠化問題；二是研究或為土壤養分貧瘠綜合性評價，或為單因子貧瘠化診斷，并未反映土壤養分貧瘠化的地域性和差別化，不利于以土壤養分管理為核心的精準農業戰略的實施。

基于以上認識，本文以黑龍江為例，在GIS和SPSS支持下，開展土壤養分貧瘠化研究，評價分析耕地土壤養分貧瘠化狀況與區域生態問題，診斷識別耕地土壤養分障礙因子與最佳量化表征性指標，空間表達土壤養分障礙類型區，并在此基礎上統籌考慮區域宏觀生態問題與微觀養分虧缺情況，開展耕地土壤養分貧瘠治理措施的討論，為土壤養分貧瘠障礙因子消除、土壤培肥及土壤資源的可持續利用提供參考依據。

1 評價過程與方法

1.1 評價指標的選取

評價指標選取直接影響到評價的真實性、合理性和科學性[20]，因此參評指標既要兼顧養分指標的全面性、重要性，還要符合最小數據集、指標易獲取性等原則。已有文獻表明，土壤養分因素很多，但與植物生長關系最大的主要是C、N、P、K這4種大量元素[15]，主要包括有機質、全氮、堿解氮、全鉀、速效鉀、全磷和有效磷。有機質是土壤重要組成成分，能為植物生長提供長效、穩定和全面的營養，還關系到土壤物理構型，保肥能力和緩沖性能[21-22]；氮元素是蛋白質、核酸、葉綠素、酶和一些激素的重要構成元素，直接影響作物的品質和產量，主要包括全氮和堿解氮，全氮含量代表著土壤氮素的總貯量和供氮潛力，堿解氮反映土壤近期內氮素供應情況[22]，但易受土壤水熱條件和生物活動影響而發生變化[23]；磷元素是植物細胞核的重要組成成分，對植物細胞分裂、器官組織分化發育和植物體內生理代謝均具有重要作用，主要包括全磷和有效磷，全磷含量只表明土壤磷元素的儲備，并不能作為土壤磷素供應的指標，植物直接或間接吸收利用的是有效磷部分[22]；鉀元素可促進碳水化合物的轉變、蛋白質的合成和細胞的分裂，減少蒸騰作用，調節植物組織中的水分平衡，增強植物的抗性，主要包括全鉀和速效鉀，全鉀反映土壤鉀元素的總儲量，但其90%～98%為無效態鉀[22]。綜上，本研究選擇土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀作為土壤養分評價參評指標(表1)。

1.2 土壤養分初始化

根據土壤各種養分元素與作物生長效應曲線建立相應的隸屬函數計算其隸屬度。已有研究表明土壤中C、N、P、K四種元素作物效應曲線為S型[7，13，16]，所以有機質含量、全氮、有效磷和速效鉀的隸屬函數也為S型。研究以黑龍江省土壤養分分級表為依據，將2級養分低值端點作為養分豐富端點值，將4級區間中值作為貧瘠轉折點(表1)。由于土壤中不可能沒有養分元素，故將隸屬函數的最小值定為0.1。相應的隸屬函數：

其中,N(x)為評價指標隸屬度；ui為評價指標貧瘠(差)水平下限養分含量；ut為評價指標豐富(優)水平上限養分含量。

1.3 指標權重的確定

土壤養分構成的灰色系統里，各養分因子之間有著復雜關系，它們對土壤養分貧瘠化狀況的作用是不同的，因此指標權重的確定非常重要。目前確定權重的方法很多，主要有：特爾斐法、熵權法、因素成對比較法、灰色關聯度法、層次分析法、主成分分析法、回歸分析法等。本研究統籌考慮主客觀方法確定權重的優勢與劣勢，最終選取專家咨詢結合層次分析的方法，通過層次分析法科學量化專家經驗，使指標權重更趨于實際。具體步驟為：(1)構建層次決策樹，包括目標層、準則層、指標層；(2)構建參評指標重要性決策矩陣；(3)明確規則，兩者比較相對重要程度分為7級，專家以兩兩比較的方式確定相對重要級別；(4)參考已有文獻及有關部門各專家的意見統計分析專家打分方案，形成綜合方案；(5)優化調整確定方案；(6)yaahp測算權重；(7)進行一致性檢驗，一致性檢驗結果<0.1，則通過檢驗，表明權重測算結果可用。

表1 耕地土壤養分貧瘠化評價指標、轉折點及權重

經測算有機質為0.3905，全氮為0.2761，有效磷為0.1953，速效鉀為0.1381，經檢驗一致性比率為0.0454<0.1，具體見表1。

1.4 評價方法

1.4.3 疊加整合分析法 耕地土壤養分貧瘠化障礙類型采用疊加整合分析法。疊加整合分析法是一種基本的土地評價方法，是指在統一空間參考系統下，通過對不同數據進行一系列集合運算，產生新的空間關系和屬性特征關系，以此發現多層數據間的相互差異、聯系和變化等特征的分析方法。

2 研究區概況與數據來源

2.1 研究區概況

黑龍江省位于中國東北部，介于北緯43°26′～53°33′，東經121°11′～135°05′之間，是中國位置最北、緯度最高的省份。全省土壤分9個土綱、13個亞綱、17個土類、49個亞類、127個土屬、254個土種；全省耕地1 590多萬hm2，占土地總面積的33.86%；建國以來累計為國家提供商品糧4 500多億kg，承擔著我國糧食安全重任，被稱為中國“戰略糧倉”，但由于耕作方式不合理、森林過度采伐、草原過度放牧和盲目開墾等原因，全省有相當一部分耕地長期處于超負荷利用狀態，有機質含量下降，土壤肥力退化。2012年3月4日國務院批復的《東北振興“十二五”規劃》明確提出，“十二五”時期東北振興的重點任務是保障國家糧食安全?！陡邩藴驶巨r田建設規范》中的建設內容部分可以概括為“田、水、路、林”四項建設，旨在通過改善農業生產環境，提高土地生產率，但在具體執行過程中，因工程與地力脫節，土壤肥力退化無明顯改善。

2.2 數據來源與基礎數據庫建立

土壤類型數據來源為中國土壤數據庫；土壤養分數據來源為《東北黑土區耕地質量主要性狀數據集》，該成果依據全國耕地地力調查與質量評價技術規程的多點混合的方法采集表層土壤樣品34 652個，樣品風干后，剔除未分解的植物根系及殘體、昆蟲尸體、石塊等雜物，磨碎、碾細，取足量裝入紙質小袋測定其有機質、全氮、有效磷、速效鉀。有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，全氮采用半微量凱氏法，有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法；耕地數據、行政區劃來源、矢量數據來源為黑龍江省農用地分等成果。

利用Arcgis的Clip和Identity功能處理中國土壤數據庫、行政區劃矢量圖層、農地分等數據耕地圖斑，形成黑龍江省耕地土壤數據庫；借助Arcgis平臺，依據《東北黑土區耕地質量主要性狀數據集》，對照土壤數據說明中的土壤類型代碼表，對各土壤類型進行屬性字段添加與賦值，賦值內容包括有機質、全氮、有效磷和速效鉀，形成黑龍江省耕地土壤養分數據庫。

3 結果與分析

3.1 耕地土壤養分貧瘠化狀況及生態問題分析

根據土壤養分貧瘠化綜合指數公式計算出土壤養分貧瘠化的綜合性指標值，研究區土壤貧瘠化綜合評價指數范圍為 0.00～0.79，研究把土壤養分的貧瘠化狀況劃分成不貧瘠(0.00～0.05)、輕度貧瘠(0.05～0.35)、中度貧瘠 (0.35～0.60)、重度貧瘠(0.60～1.00)四級，利用 ArcGIS9.3中的地統計模塊和空間分析功能繪制土壤養分貧瘠化狀況評價圖(圖1)，對貧瘠化水平進行數理統計(表2)，圖中空白部分為非耕地地類，不屬于研究范圍。

由圖1、表2可以看出，黑龍江省土壤養分貧瘠化程度總體上呈現從西南到東北逐漸減弱的趨勢，全省70.58%處于輕度貧瘠及以上程度。其中，耕地土壤養分重度貧瘠區主要分布在松嫩平原西部，面積為0.47萬km2，占耕地面積的2.95%，該區域存在的農田生態問題是土壤沙化嚴重、土壤養分易流失。中度貧瘠區主要分布在松嫩平原中部及三江平原西北部，面積為6.55萬km2，占耕地面積的41.09%，其中松嫩平原中部構造上屬于斷陷的中央凹陷區，地勢低洼，地下水位較高，主要農田生態問題是易積水且土壤鹽漬化風險較大，三江平原西北部處于山前平原向平原過渡帶，坡降由急變緩，變化幅度較大，主要生態問題是易積水，土壤養分增加緩慢；輕度貧瘠區主要分布在松嫩平原東部、東北和東南地區，少量分布在三江平原西部、西北和西南部，面積為4.23萬km2，占耕地面積的26.54%，該區為波狀起伏的山前平臺，屬于溫帶半濕潤氣候，年降水量在450 mm，土壤母質為黃土狀亞黏土，發育后形成肥力高、養分足的黑土，主要生態問題是因不合理的開發利用，造成水土流失等土壤侵蝕問題，使得區域土壤養分有所降低；不貧瘠區主要分布在三江平原東北部和東部地區，面積為4.69萬km2，占區域耕地面積的29.42%。

3.2 土壤貧瘠化養分障礙因子診斷與最佳量化表征性指標識別

3.2.1 障礙因子診斷 利用障礙因子診斷模型計算各單項因素的障礙度，其中有機質障礙度為0.5787，全氮為0.3050，有效磷為0.0603，速效鉀為0.0559。土壤養分障礙因素的由主到次排序為為有機質、全氮、有效磷、速效鉀，其中有機質和全氮為主要障礙因素，占比達88.37%。

3.2.2 最佳量化表征性指標識別 借助SPSS相關分析功能，對貧瘠化指數與有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量進行相關性分析。分析表明，貧瘠化指數與土壤養分因子在0.01水平上均呈顯著負相關，其中與有機質相關性為-0.960，全氮為-0.930，有效磷為-0.460，速效鉀為-0.688，按照相關性大小進行排序由大到小依次為有機質、全氮、速效鉀、有效磷，可見有機質是耕地土壤養分貧瘠化最佳量化表征性指標。

為了進一步分析土壤養分因子之間最佳表征性指標，研究借助SPSS相關分析功能對有機質、全氮、有效磷、速效鉀進行相關性分析，結果見表3。通過表3可以看出，有機質含量與全氮、有效磷和速效鉀含量相關性最好，相關系數分別為0.984、0.333、0.672，因此有機質作為全氮、有效磷、速效鉀最佳量化表征性指標最為合適。

圖1 土壤養分綜合貧瘠化狀況Fig.1 Depletion of soil nutrients

貧瘠化水平Depletion level貧瘠化指數INDI面積 Area/104km2比例 Ratio/%不貧瘠 Fertile0.00～0.054.6929.42輕度貧瘠 Mildly infertile0.05～0.354.2326.54中度貧瘠 Moderately infertile0.35～0.606.5541.09重度貧瘠 Severely infertile0.60～1.000.472.95

3.3 土壤養分貧瘠化障礙類型劃分

依據表1黑龍江省土壤養分貧瘠化劃分標準，評價指標數值在(0，ui)區間的為貧瘠等級，在[ui,ut)區間的為較貧瘠等級。借助Arcgis平臺的屬性字段計算功能，對有機質、全氮、有效磷和速效鉀貧瘠化狀況進行分級，利用疊加分析功能劃分，繪制土壤養分障礙類型區分布圖(圖2)，圖中空白部分為非耕地地類，不屬于研究范圍；借助Excel建立黑龍江省耕地土壤養分貧瘠化障礙類型雷達圖(圖3)。貧瘠等級用H，較貧瘠等級用M，有機質用C，全氮用N，有效磷用P，速效鉀用K代替。

表3 土壤養分因子含量相關性

注：**在0.01水平(雙側)上顯著相關。

Note: ** indicates that the correlation is significant atP=0.01.

圖2 黑龍江省耕地土壤養分貧瘠化障礙類型分布圖Fig.2 Obstacle type distribution pattern of soil nutrient depletion in cultivated land of Heilongjiang Province

圖3 黑龍江省耕地土壤養分貧瘠化障礙類型雷達圖Fig.3 Obstacle type radar chart of soil nutrients depletion in cultivated land of Heilongjiang Province

由圖2、圖3可以看出，黑龍江省半數以上耕地土壤養分因子處于輕度或無障礙狀況，占耕地面積的52.08%，其余47.92%耕地存在中度及以上貧瘠化障礙因子，經進一步分析可知，耕地土壤養分障礙類型共計14種，其中以雙因素MC-MN，三因素MC-MN-MP、MC-MN-MK為主，其中MC-MN集中分布在松嫩平原東北、東部、東南地區；MC-MN-MP分布在松嫩平原中部低洼區；MC-MN-MK分布在松嫩平原東北、東部、東南丘陵谷地，松嫩平原西北部，三江平原西北部地區。由此可以看出，障礙類型區在空間上具有區域特性，內部表現為一定的自集聚性。

4 結論與討論

研究選取有機質、全氮、有效磷和速效鉀作為評價指標，利用專家經驗法定性確定參評因子重要程度，借助層次分析法確定參評因子權重，利用隸屬度模型對指標進行標準化，在Arcgis空間分析功能和SPSS數理統計功能支持下，進行黑龍江省耕地土壤養分貧瘠化評價與生態問題分析、障礙因子診斷與最佳量化表征性指標識別以及土壤養分障礙類型區空間表達。

(1)區域土壤養分貧瘠化程度總體上呈現從西南到東北逐漸減弱的趨勢，全省70.58%耕地處于輕度貧瘠及以上程度，其中重度貧瘠區主要分布在松嫩平原西部，占耕地面積的2.95%，農田生態問題是土壤沙化嚴重；中度貧瘠區主要分布在松嫩平原中部構造上屬于斷陷的中央凹陷區、三江平原西北部處于山前平原向平原過渡帶，占耕地面積的41.09%，農田生態共性問題為易積水，其中松嫩平原還存在土壤鹽漬化問題；輕度貧瘠區主要分布在松嫩平原東部、東北和東南地區，少量分布在三江平原西部、西北和西南部，占耕地面積的26.54%，農田生態問題是水土流失。區域主要障礙因子是有機質和全氮，兩者累積障礙度達到88.37%。有機質是耕地土壤養分貧瘠化指數及養分因子含量最佳量化表征性指標，對耕地土壤養分貧瘠化狀況及土壤養分因子含量具有很好的“指示”作用。區域47.92%的耕地存在中度及以上障礙因子，障礙類型區共計14類，以雙因素MC-MN，三因素MC-MN-MP、MC-MN-MK占比最大，累積占比率為39.84%，各障礙類型區在空間具有一定的區域性，內部表現為一定的自集聚性。

(2)研究成果具有很好的應用價值。土壤肥力主要取決于土壤及其相應的生態環境，農田生態環境直接影響土壤肥力的保持與發揮。因此，就耕地土壤養分貧瘠化治理而言，不應僅針對養分缺失的表象問題，還應從改變區域宏觀農田生態環境入手，結合養分補給來治理。研究從較宏觀與較微觀兩個層面開展耕地土壤養分貧瘠化研究，較宏觀層面是對耕地土壤養分綜合評價及生態問題分析，反映貧瘠化程度、區域分布和區域農田生態問題，即相對宏觀的水土流失、土壤沙化、土壤鹽漬化和積水等耕地退化問題；較微觀層面是對耕地土壤養分貧瘠類型進行劃分，反映較微觀的耕地土壤養分貧瘠具體情況。因此對耕地土壤養分貧瘠化進行治理，要從較宏觀層面采取工程措施對區域存在的水土流失、土壤沙化、土壤鹽漬化和積水等耕地問題進行治理，以改變外部生態環境，還要從較微觀層面針對養分貧瘠具體情況開展精準合理的地力培肥措施。