黃土丘陵區空心村土地復墾后不同年限土壤肥力評價

程 杰, 馬增輝, 張 露,3, 魏 靜,3, 師晨迪,3

(1.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司, 西安 710075; 2.陜西省土地工程建設集團有限責任公司, 西安 710075;3.自然資源部 退化及未利用土地整治工程重點實驗室, 西安 710000; 4. 西安理工大學 水利水電學院, 西安 710048)

隨著工業化、城鎮化和農村產業化的深入推進，農村勞動力大量轉移，廢棄空心村不斷涌現，造成了土地資源的大量浪費。空心村往往地理位置條件較好，地勢平坦，水源豐富，整治潛力巨大，開展空心村宅基地復墾，不僅能夠增加可用耕地的面積，更能夠改善農業生產條件、促進鄉村區域經濟社會的協調發展，是推進鄉村振興的有力措施之一[1-4]。空心村土地因人為活動頻繁，土壤緊實度較高[5]，且復墾過程中存在大量的土方推墊，導致重構土體結構性不良、理化性質較差、養分等營養物質貧瘠，整體肥力水平較差[6]。土壤肥力是土壤生產力的基礎，是土壤各方面性質的綜合表現[7]，直接影響著作物生長及農業生產結構和效益等。因此，探明復墾后新增耕地土壤質量變化，尤其是科學、合理地評價新增耕地土壤肥力，對于區域土地整治后新增耕地土壤質量改良，肥力提升具有一定的現實意義，同時可為指導農業生產提供一定的理論依據[8]。

近年來，土壤肥力評價研究較多，在評價因子上，從單一的作物產量或植物生長狀況指標、土壤養分指標到土壤養分、理化性狀、生物特征和土壤環境條件等綜合性指標研究[8-10]；在評價方法上，主要有數學方法，如因子分析法、層次分析法、神經網絡法、聚類分析法等[11-12]，此外，利用GIS技術分析土壤肥力空間變異特征成為了一種新趨勢[13]；在評價范圍上，主要集中東北黑土區、河西走廊灌溉農業區、關中平原臺塬區等成熟的高質量農田[14-16]。結合已有研究發現，在以低肥力為特點的新增耕地，尤其是以空心村土地復墾后的新增耕地肥力研究及評價較少。因此，本研究以陜西省澄城縣8個村莊復墾前、后及周邊荒草地為研究對象，采用層次分析法計算評價因子權重，構建土壤肥力評價模型，探討復墾前后及不同復墾年限土壤肥力變化、不同土地利用類型土壤肥力，為土壤肥力恢復與改良，土地的高效利用及可持續利用發展提供理論依據。

1 研究區概況

澄城縣位于陜西省關中平原東北部(109°46′30″—110°05′50″E，34°55′45″—35°27′05″N)。地處秦晉豫黃河金三角經濟協作區腹地，東鄰合陽，南接大荔，西連蒲城、白水，北靠延安市，海拔470～1 285 m。屬大陸性季風氣候，四季分明，春季溫暖干燥，晝夜溫差較大，年均氣溫12℃，年降水量680 mm，無霜期204 d，年日照時數2 616 h，是陜西延安以南熱能輻射量最高值中心[17]。土壤主要為黃土，質地、結構較為均一。該區域空心村主要為地上窯村落，因人為活動影響，土壤緊實，容重較大，作物根系難以伸展，且養分水平總體較低，難以滿足作物生長所需。通過廢棄莊基拆除與清理、老墻土還田、耕作層重建、土地平整工程、田塊劃分等工程，構建40 cm深的耕作層，以期增加新增耕地，達到玉米、小麥等作物生長要求。

2 材料與方法

2.1 采樣與分析

經實地勘察，選擇地理條件相對一致、復墾年限各不相同的8個村莊。考慮到耕作層土壤肥力狀況對農作物的生長狀況最為明顯，本研究僅對研究區耕作層(0—30 cm)土壤進行采樣分析。為保證樣點布置的科學合理性，每個樣點根據地塊大小和形狀按S型布點，隨機混合采樣，樣品在實驗室風干后碾磨過0.149，1，2 mm篩備用。采樣村莊及復墾年限見表1。根據本文肥力評價因子，選取8個指標進行化驗分析，測定指標及方法見表2。

表1 村莊復墾年限

表2 土壤肥力測定指標及方法

2.2 土壤肥力評價模型構建

合適的評價方法是保證評價結果準確、可靠、科學的關鍵所在，本研究通過參考已有的研究成果，實地走訪、咨詢相關專家意見，采用層次分析法對空心村及荒草地土壤肥力的權重進行分配，再構建評價模型計算土壤綜合肥力指數，進行土壤肥力評價。

2.2.1 評價指標權重確定 (1) 指標選取與判斷矩陣。根據穩定性、主導性、可操作性及獨立性原則，結合研究區實際情況，選取容重、質地、pH值、電導率、有效磷、速效鉀、全氮、有機質8項指標作為土壤肥力評價因子。本文采用層次分析法確定各評價因子權重，因空心村廢棄宅基地一般具有小而散的特點，故將每個村莊土壤綜合肥力為目標層(A)，土壤物理因子和養分因子為準則層(B)，指標層為容重(C1)、質地(C2)等8項指標(C1—C8)，構成評價指標體系(圖1)。采用1—9標度法來定義判斷矩陣A=(aij)n×n(表3)[18]，判別矩陣見公式(1)。

(1)

圖1 土壤綜合肥力評價體系

表3 判斷矩陣標度及含義

(2) 權重向量計算與一致性檢驗。首先采用算術平均值計算權重向量(公式2)，然后進行一致性檢驗CR=CI/RI。RI值見表4。當CR<0.1時，表明判斷矩陣一致性較好。

(2)

式中：w為權重向量；aij為因素i與因素j的重要性之比；akj為因素k與因素j的重要性之比；n為因素個數。

(3)

式中：CI為一致性指標；λmax為判斷矩陣最大特征值。

通過上述步驟計算，指標層C對目標層A的排序權重向量分別為0.028，0.75，0.076，0.041，0.303，0.159，0.159，0.159。CR<0.1，符合一致性檢驗。

2.2.2 模型構建 根據評價因子各級別分值(Fi)與權重值(Ci)建立評價模型[19]：

(4)

式中：Fi為評價因子各級別分值，參照全國第二次土壤普查分級標準進行取值，Fi值為1～6；Hi為評價因子權重。A為各項目土壤肥力綜合指數，將A值換算到0～100。

表4 層次分析法的平均隨機一致性指標值

3 結果與分析

3.1 空心村土地復墾后肥力改良效果

根據上述評價模型，計算出各土地利用類型下土壤肥力指數A值。空心村土地復墾前后土壤綜合肥力改良效果見表5。復墾前A值介于50.57～69.32，復墾后A值介于61.63～72.91，空心村土地復墾后，改良指數表現為段莊村>山頭村>溝西村>柳家垣>義合村>高槐村>塔冢村>柳泉村，基本表現為復墾年限越長，改良指數越高，而塔冢村、柳泉村因復墾前土壤肥力指數較高，所以復墾后改良指數提升較小，各村莊平均改良指數20.08%，2006年復墾的段莊村改良指數達到32.76%，改良效果明顯，與劉暢等人在山西省澤州縣西部郜村空心村復墾后改良指數為27.32%相似[20]。澄縣空心村主要為地上窯，地上窯的老墻土具有較高肥力，復墾時通常將老墻土推碎后回填至耕作層中，改善了土壤的結構與組分，增加了有機肥，因而空心村土地復墾后土壤綜合肥力較好，改良效果較好。此外，2011年與2012年復墾的溝西村和山頭村改良指數均高于25%，其他空心村改良效果與復墾年限呈正相關，表現出隨復墾年限的增加，肥力指數、改良指數越高，這可能因為2010年后空心村復墾工藝的提高從而改善了改良效果。

3.2 不同土地利用類型土壤肥力指數分布特征

參照綜合評分5級分類法，A≥80為1級，土壤綜合肥力質量好；80>A≥60為2級，較好；60>A≥50為3級，中等；50>A≥40為4級，較差；<40為5級，土壤綜合肥力質量差[21]。由圖2可知，空心村土地復墾后土壤綜合肥力質量校好，A值均≥60，為2級，且復墾年限越長肥力指數越高。而空心村土地復墾前，僅塔冢村、柳泉村土壤綜合肥力指數較高為2級，其他均為中等水平。村莊附近的荒草地土壤綜合肥力水平均≥50，平均值為64.7，表明肥力水平較好，適宜進行土地整治。從不同土地利用類型來看，土壤綜合肥力表現為空心村土地復墾后>荒草地>復墾前。空心村土地復墾前由于人類活動頻繁，土壤緊實，土層中微生物含量低，土壤有機物少，因而各村莊復墾前肥力水平相對較差；荒草地累積了多年雜草，提高了土壤有機物含量，因而肥力水平均值達到2級水平。

表5 空心村土地復墾后土壤肥力改良評價結果

3.3 影響土壤肥力的主要因子分析

一般常以N，P，K和有機質等養分含量來衡量土壤肥力高低，由于肥力因素眾多，很難全面清楚地看出土壤肥力真正的水平高低[22]。圖3分析了pH值、電導率、有機質、全氮、有效磷、速效鉀與土壤綜合肥力指數的相關性，每組24個樣本。土壤pH值是土壤主要化學性質之一，反映土層中的酸堿環境，影響微生物活性。由圖3可知，土壤pH值與土壤綜合肥力指數相關性R2=0.0144，這是由于本研究土壤pH值在6.74～7.69范圍內，酸堿環境適中，因而對肥力高低影響較小。電導率與土壤綜合肥力指數相關性R2=0.0271，對肥力影響也較小。全氮、有效磷、速效鉀與土壤綜合肥力指數的相關性R2分別為0.081 9，0.211 2，0.456 1。氮元素是構成土壤肥力的重要物質基礎，由于人類居住產生的生活污水及生活垃圾增加了土壤氮的富集，村莊附近全氮含量較高，含量為0.67～1.77 mg/g，因而R2較低。磷、鉀元素也是作物生長必不可少的元素之一，提高土壤中磷、鉀的含量可顯著提高土壤肥力水平[5]。有機質是土壤肥力評價的重要指標，其相關性R2=0.5246，對肥力的影響最大，有機質的積累與轉化是土壤內物質能量循環的核心環節，其分解產生的有機酸還能促進土壤礦物質的分解，提高土壤肥力，并可改善土壤結構與水熱環境。

圖2 不同土地利用類型下土壤肥力指數

圖3 評價因子與土壤綜合肥力指數的相關性

4 結 論

(1) 空心村土地復墾后，土壤肥力得到明顯提升，土壤肥力指數表現為空心村復墾后>荒草地>空心村復墾前，空心村復墾后的土壤肥力改良指數顯著高于復墾前及荒草地；(2) 空心村土地復墾后土壤肥力與復墾年限呈正相關，隨著復墾年限的增加，肥力指數、改良指數越高；(3) 從有機質、電導率等6個評價因子與土壤綜合肥力指數的相關性來看，有機質與土壤綜合肥力相關性最高，在后期的空心村整治中可通過提高土壤有機質含量快速提高土壤肥力；(4) 由于時間和精力有限，本研究評價因子未涉及生物指標，后續可優化評價因子體系，分層研究土壤肥力等。