農產品地理標志保護區土壤養分特征評估
——以山西省翼城縣蘋果園為例

姚鈞豐，吳艷艷

（1.山西省應用化學研究所/山西省化肥農藥產品質量監督檢驗站，太原030027；2.東北師范大學地理科學學院，長春130024）

20世紀60年代以來，學者們開始對蘋果果園土壤展開深入研究。土壤肥力是土壤質量的重要組成部分［1］。近年來，有關土壤養分的研究甚多，劉洪坤等［2］采用大田控制試驗和室內分析相結合方法，研究不同耕作方式對果園土壤養分的影響；王根旺等［3］、居瑪汗·卡斯木等［4］、陳翠霞等［5］集中研究黃土高原地區蘋果連片栽培區土壤肥力評價。還有學者基于實地調查研究，通過土壤樣品采集測定分析多種微量元素含量及土壤養分水平［6-10］。目前已有的研究方法有傳統統計學方法、隸屬度函數、地統計方法、土壤養分分級指標評價、主成分分析法等［11-13］。果園土壤的養分消耗遠高于農田，隨著種植年限的延長，致使其土壤養分含量普遍偏低，果園減產嚴重［14-16］。因此，綜合測定、分析具有農產品地理標志的翼城蘋果地域標志保護區內土壤養分含量及豐富度，對增加果園產量、提升品牌知名度、指導科學施肥具有重大意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

根據《農產品地理標志登記管理辦法》的規定，2020年山西省地理標志農產品數量155個，2017年翼城蘋果（AGI02163）正式劃定翼城蘋果地理標志地域保護范圍，即翼城縣的隆化鎮、王莊鄉、南梁鎮、里砦鎮、南唐鄉、中衛鄉、澆底鄉、唐興鎮8個鄉鎮，位于山西省臨汾市東南，屬暖溫帶大陸性氣候，111°34'48″—112°01'29″E，35°37'10″—35°50'35″N。翼城蘋果種植面積10 000 hm2，年產量45萬t。

1.2 數據來源

土壤樣品采集參照《NYT1121.1—2006土壤檢測》進行選取采集，本次共采集樣品點300處，其中，里砦25份、隆化228份、南唐6份、唐興6份、王莊26份、中衛9份，在地域范圍上包含保護區內的6個鎮區所轄32個村（圖1）。其中，全氮采用半微量開氏法測定；堿解氮、有效磷、速效鉀養分檢測均采用聯合浸提比色法測定；有機質采用硫酸重鉻酸鉀氧化（油裕）-滴定法測定；有效硫采用磷酸鹽乙酸溶液浸提法測定；有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳采用火焰原子吸收分光光度法測定；有效鉬采用草酸-草酸銨（1∶10）-極譜法測定；水溶硼采用甲亞胺-H比色法測定。

圖1 采樣點分布范圍

2 研究方法

2.1 果園土壤肥力單項指標評價

基于國內外土壤肥力評價已有研究成果，結合華北地區、黃土高原地區土壤基本特征，本研究選取全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質、有效硫、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳、有效鉬和水溶硼12個指標。借助SPSS 22.0軟件和ArcGIS空間分析軟件對試驗數據處理結果進行統計分析［17-19］。SPSS 22.0軟件主要進行樣本的數據收集整理及描述性統計分析、相關性檢驗分析等，ArcGIS空間分析主要是進行樣本點空間分布分析及土壤養分含量空間分異呈現等。主要應用密度分析（Density）及克里金法（Kriging）。密度分析主要是利用某函數根據點要素計算每單位面積的量值，以求達到將各個點擬合為光滑圓錐表面。克里金法是基于已有的觀測樣點值以及某種半變異函數對觀測樣點插值的地統計學方法，可以對空間插值樣點做出最優無偏估計。

2.2 確定指標權重

各種土壤因子對土壤肥力水平的貢獻和作用不同，為避免人為主觀因素影響，本研究采用相關系數法確定各肥力指標的權重。各指標相關系數的計算通過SPSS 22.0軟件完成，再求其均值，各指標權重取相關系數均值與均值綜合的比值。

2.3 果園土壤養分標準化

土壤養分標準化可以消除量綱影響，是農田和林地土壤養分比較研究中常用有效指標之一［4］。其計算公式如下：

式中，Si為各養分指標的隸屬度值；Ni為各養分指標的原始值；Nimin、Nimax分別為第i項養分指標原始值的最小值和最大值。

2.4 果園土壤肥力綜合評價

構建果園土壤肥力綜合指數（Integrated fertility index，IFI）測定土壤肥力，具體公式為：

式中，IFI為果園土壤肥力綜合指數；wi為第i個評價指標權重；Si為果園土壤養分指數；i的取值范圍為1～12。基于翼城縣土壤肥力綜合指數實際狀況，本研究采用自然斷點法［20］將果園土壤肥力空間分布進行等級劃分（1級至5級肥力區），以實現群組內差異最小化，群組間不同最大化。

3 結果與分析

3.1 果園土壤肥力指標統計特征分析

3.1.1 各指標權重確定由表1可知，全氮與堿解氮、有效磷的相關系數分別為0.999、0.273，分別呈極顯著和顯著正相關；堿解氮與有效磷呈極顯著正相關；有效磷與速效鉀、有機質呈顯著正相關，相關系數分別為0.142、0.155，與有效鐵呈顯著負相關，相關系數為-0.158；有效硫與有效鋅相關系數為0.179，呈顯著正相關，與水溶硼的相關系數為-0.169，呈顯著負相關；有效銅與有效鐵呈顯著負相關，與水溶硼呈顯著負相關，相關系數分別為-0.207、-0.145；有效鋅與有效錳呈顯著負相關，與水溶硼呈顯著正相關，相關系數分別為-0.260、0.141；有效鐵與水溶硼呈顯著正相關，相關系數為0.146。

指標權重反映參評因子影響大小，評價結果是否準確關鍵在于指標權重的確定。目前，權重的確定方法有很多，如主成分分析法、層次分析法、灰色關聯度法等。在本研究中，采用相關系數法確定評價指標的權重，可以有效避免人為主觀因素對評價結果的影響。首先計算單項評價指標之間的相關系數，構建相關系數矩陣如表1所示，再根據相關系數矩陣將單項肥力指標的相關系數平均值占所有指標相關系數平均值總和的比作為該項指標的權重，由此計算得到各項肥力指標權重值。

3.1.2 各指標肥力統計由表2可知，全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質、有效硫、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳、水溶硼和有效鉬的平均值分別為137.03、126.19、2.88、219.75、653.00、46.28、0.99、1.14、7.02、13.91、0.42、0.09 mg/kg。有效磷的最大值是最小值的114倍。有機質和全氮最大值分別為1 200.00、425.90 mg/kg，兩者皆屬于貧瘠水平。

變異系數表示土壤特性空間變異性大小，當CV≤10%時為弱變異，10%＜CV＜100%時為中等變異，CV≥100%時為強變異。從變異系數來看，有效硫、有效錳、有效銅、有效鋅的變異系數分別為2.08%、6.51%、9.66%、10.00%，為弱變異，在空間分布上較穩定；中等變異表現為有效鐵（13.89%）＜水溶硼（15.93%）＜有效鉬（19.16%）＜有機質（26.87%）＜全氮（37.58%）＜堿解氮（40.92%）＜速效鉀（48.82%）；有效磷變異系數為110.39%，表現在空間分布上極不均勻，為強變異，這可能與土壤中物理化學反應及磷肥施用有關。

表1 各肥力指標相關系數及指標權重

表2 各肥力指標及綜合肥力指標描述性統計

結合表2和圖2的趨勢分析，區域土壤屬性在空間分布上共有的趨勢性特征源于地形、母質等多因素的相互作用。在東北-西南方向上，全氮、有效磷、速效鉀表現出一階趨勢效應，肥力指數變化相對緩和，堿解氮、有機質、有效銅、有效鐵、有效錳、水溶硼表現為二階趨勢效應變化，有效硫、有效鋅、有效鉬表現為“U型”趨勢分布。在西北-東南方向上，水溶硼為一階趨勢效應，全氮、堿解氮、有效磷、有機質、有效鋅表現為二階趨勢效應變化，有效硫、有效銅、有效鐵、有效鉬為“U型”分布，速效鉀、有效錳為“倒U型”分布。

圖2 各肥力指標趨勢分析

3.2 果園土壤肥力綜合評價

基于以上12種肥力指標，通過土壤肥力綜合指數，采用自然斷點法將研究區范圍內果園土壤肥力劃分為5級（圖3），達到群組內差異最小化，群組間不同最大化。

圖3 土壤肥力空間分布

土壤肥力分布范圍為0.23～0.72，依據自然斷裂點分別劃分為：1級肥力區［0.48～0.72）、2級肥力區［0.40～0.48）、3級肥力區［0.35～0.40）、4級肥力區［0.30～0.35）和5級肥力區［0.23～0.30）。由圖3、圖4可知，研究區域內土壤肥力水平呈斑塊狀或條帶狀分布。1級肥力區占比為4.68%，主要分布在隆華鎮的牢寨村、上石門、下石門及北捍；2級肥力區占比為19.73%，主要分布在隆化村、北衛村、南衛村等；3級肥力區占比為35.12%，主要分布在隆華鎮上吳村，王莊鄉北治村，里砦鎮老官莊、南韓村，唐興鎮南官莊，南唐鎮北塘村；4級肥力區占比為28.43%，主要分布在里砦鎮北史村、北唐村，隆華鎮上吳村，中衛鄉東上衛村等；其余斑塊為5級肥力區，占比為12.04%。通過地統計學分析，在東北-西南方向上呈穩定分布，在西北-東南方向上呈先增后減的二階變化趨勢（圖5）。

圖4 不同肥力等級土壤占比

圖5 土壤肥力空間變異趨勢分析

4 小結與討論

以翼城縣蘋果園為研究對象，本研究對12項土壤肥力指標及土壤肥力綜合水平進行空間測度。結果表明，在翼城縣果園中，有效硫、有效錳、有效銅、有效鋅為弱變異，全氮、堿解氮、速效鉀、有機質、有效鐵、水溶硼、有效鉬為中等變異，有效磷為強變異。果園土壤肥力分布范圍為0.23～0.72，以3級肥力區［0.35～0.40）和4級肥力區［0.30～0.35）為主，占比分別為35.12%、28.43%，總體上屬于貧瘠水平。在各肥力指標變異規律的研究中，缺少土壤肥力指標的時間變化特征分析；對于土壤肥力評價的研究僅基于表層土壤，缺乏更多土層的研究。在今后的研究中，可以納入生物學指標來測度土壤肥力，更精確測度有機肥代替化肥施用對果園土壤養分的貢獻，以此來指導生產實踐。