阜平縣不同海拔梯度下耕地土壤養分現狀與分布特征

李春雨, 加鵬華, 王樹濤, 李金鹿, 陳亞恒, 許 皞,3

(1.河北農業大學 資源與環境科學學院, 河北 保定 071000; 2.河北省自然資源規劃院,石家莊 050000; 3.河北農業大學 國土資源學院, 河北 保定 071000)

土壤是具有一定肥力的疏松層，供陸地植物生長，受氣候、地形、人為活動、時間等因素共同作用形成的空間連續體[1]，其中土壤養分是土壤最為精華的一部分，包含土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀等植物生長必須的元素，是組成土壤肥力的重要部分，還在一定程度上體現了土壤肥力水平的高低[2]，而土壤肥力的高低決定土壤生產能力的高低。耕地作為半人工半自然性質的系統，人類活動干擾以及農事活動在一定程度上影響著土壤養分的空間變異[3-4]。尤其在山地地區，由于山區垂直地帶性的緣故，局域小氣候所形成的土壤環境的差異，土壤養分的空間變異差異明顯，土壤理化性質隨著山地高度上升呈現一定的變化規律：海拔增加，土壤溫度降低，土壤水分狀況變為常濕潤，風化程度下降，土壤中黏粒含量減少，土壤發育程度有較大的差異[5-6]。因此，在研究了解了耕地土壤養分的分布規律，才可以更好地保護耕地和提升耕地質量。隨著農業現代化的發展，空間信息技術在農業領域廣泛應用[7-9]，在國內學者研究中，嚴玉梅等[10]在對陜西省土壤養分分布特征研究中，在ArcGIS中運用到克里金插值法，繪制出了陜西省全域耕地養分的分布圖，為陜西省耕地有效合理施肥提供依據。胡明等[11]在研究渭南市潼關縣耕地養分分布特征中，利用Arc GIS 9.3地統計分析模塊中的克里格插值法繪制土壤的養分空間分布變化圖，為當地合理施肥、提高糧食產量提供理論依據。劉合滿等[12]在探究西藏東南部色季拉山土壤氮素的空間分布中，采用地統計學軟件GS+9.0進行空間變異模型及局部克里金插值分析，探明了土壤氮素的空間分布，為其地區生態建設提供依據。以上文獻中都運用到了空間信息技術，此技術的應用可以直觀明了的了解土壤發育狀況和土壤養分分布及空間變異情況。這可以推動精準農業的發展，提供精準施肥是精準農業的核心，根據耕地養分的分布狀況、作物需肥量以及產量，從而調節施肥量、施肥時間等，保證化肥利用的高效率，從而達到以合理的資源獲得最大產量和經濟效益，保護農業生態環境和自然資源。這在現代化農業耕地保護和管理中起到至關重要的作用。

阜平縣在其獨特的地理位置上，全域為山區，垂直差異突出，有著“九山半水半分田”的稱謂，耕地資源稀少，耕地土壤養分含量的高低影響作物的產量和品質[13]，進而影響農民最基本的收入，關乎農民最基本的生計問題，并且長期以來農民對于耕地土壤養分狀況認知缺乏，從而盲目施肥，沒有一定的標準進行精準施肥，不僅浪費資源而且還引起農業環境的污染問題。因此，更好地了解和管理耕地成為阜平縣鄉村振興與扶貧攻堅的重大任務。本研究利用2018年阜平縣農業局耕地配方施肥項目土壤養分以及調查數據，運用統計學和克里金插值方法研究阜平縣不同海拔梯度及各個鄉鎮耕層土壤pH、有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀養分含量現狀及分布特征，為阜平縣耕地的管理保護以及科學合理施肥推動精準農業發展提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區域

阜平縣隸屬于河北省保定市，阜平縣全域面積249 396.95 hm2，隸屬河北保定市，位于北緯38°9′—39°7′，東經113°45′—114°31′，地處河北省保定市西部，太行山中北部東麓，大清河水系沙河上游，是兩省四市九縣交匯處，北距首都北京275 km，南距省會石家莊110 km，西距山西佛教圣地五臺山78 km，東距古城保定140 km，域內全為山區，屬太行山山系，境內地形復雜，山巒綿亙，溝壑縱橫，地勢由東南(王快水庫，海拔200 m)向西北(歪頭山，海拔2 286 m)逐漸升高。主峰海拔在824.9 m以上的山峰有42座，其中歪頭山海拔2 286.2 m，為保定市最高峰。全縣耕地面積為16 451.23 hm2，根據阜平縣全域山區特點，以海拔高度劃分3個海拔分區即丘陵區(耕地占比為63.96%)、低山區(耕地占比為27.85%)和中山區(耕地占比為8.19%)，其中包含的鄉鎮及耕地面積見表1。

表1 阜平縣不同海拔梯度所包含鄉鎮

1.2 樣品采集

以《耕地質量監測技術規程(NY/T1119-2012)》為標準，以阜平縣農業局發表文獻《2012年阜平縣13個鄉鎮主要農作物配方施肥建議》為參考，因2012年農作物配方施肥的采樣點坐標位置點進行了記錄，在原有點位進行樣品采集，為保證兩期數據的可比性，此次采集也同上次采集時間、方法相對應。于2018年10月份，在作物收獲后、施肥前進行采集，按照阜平縣耕地分布、地形地貌以及土壤類型等特點，遵循全面性、客觀性、科學性原則均勻取樣；以田塊為單位，采取蛇形取樣法多點取樣，采樣田塊小于666.7 m2，取樣10份，666.7～2 666.4 m2取樣15份，大于2 666.4 m2取樣20份；樣點采取深度為耕層深度0—20 cm，并利用差分GPS儀確定樣點空間地理位置及海拔高度，將土壤樣品進行四分法留取1.5 kg裝袋進行測驗。

1.3 分析方法

采用李興民[14]文獻中土壤養分測定方法：土壤pH的測定采取電位法；土壤有機質采取油浴加熱重鉻酸氧化——容量法測定；土壤堿解氮的測定為堿解擴散法；有效磷的測定采用鉬銻抗比色法；土壤速效鉀測定采用乙酸銨浸提——火焰光度法。阜平縣土壤測土配方施肥數據經Excel進行匯總；以IBM SPSS Statistics 20軟件進行數據的統計性描述分析以及相關性分析；采樣點數據以ArcGIS 10中的地統計分析工具進行克里金插值，繪制土壤養分分布圖。

1.4 耕地土壤養分含量等級劃分

在土壤養分狀況綜合評價過程中，以2018年測定的各指標平均數作為依據，同時參照全國第二次土壤普查養分分級標準以及結合區域實際土壤質地情況，對土壤養分含量的等級進行劃分，具體見表2。

表2 土壤養分等級劃分標準

2 結果與分析

2.1 阜平縣耕地土壤不同養分含量現狀評價

阜平縣全域耕地土壤酸堿度平均值在7.08，其變化范圍在5.50～8.20，且變異系數為6.50%，處于10%以內屬于弱變異。阜平縣全域土壤酸堿度主要集中在6.5～7.5，耕地土壤酸堿度屬于中性水平，占比65.42%；而不同海拔梯度下的酸堿性平均值也為7.08，全部屬于中性土壤水平，其中丘陵區、低山區以及中山區的變化范圍分別為5.8～8.0，5.5～8.1，6.5～8.2，變異系數除中山區(6.78%)其余均為6.50%，均屬于弱變異；丘陵區耕地土壤酸堿度大多集中在6.5～7.5，占比74.13%；低山區集中在6.5～7.5，占比68.02%；而中山區主要集中在6.5～7.5區間，占比為61.11%(表3—4)。

表3 農田土壤養分含量描述性統計

阜平縣耕地土壤酸堿度整體處于中性土壤水平，適宜作物的生長，耕地土壤酸堿度對農業生產影響不明顯。但是部分區域出現堿性土壤和酸性土壤，酸性土壤出現的原因可能是其在人類活動頻繁區，受人為干擾導致的水土流失嚴重，使土壤發生鹽基溶脫現象，以及有機肥的施用量減少和化肥施用量的增多導致耕地土壤酸化[15]；而堿性土壤出現的原因可能是由于其海拔較高，腐殖質積累較多形成的腐葉土，呈現出堿性耕地土壤，耕地土壤中并未出現強酸性和強堿性耕地土壤。

阜平縣全域耕地土壤有機質的平均含量為21.84 g/kg，變化范圍為1.10～77.70 g/kg，變異系數為33.06%，處于10%～90%內，屬于中等變異，阜平全域有機質含量主要集中在中等含量10～20 g/kg和高等含量20～30 g/kg，分別占比為45.55%，42.34%。在不同海拔梯度分區的耕地土壤有機質含量中丘陵區、低山區和中山區有機質均值分別為21.85 g/kg，21.92 g/kg，22.70 g/kg，變化范圍分別為1.10～77.70 g/kg，5.00～62.50 g/kg，12.70～52.60 g/kg，而變異系數分比為33.09%，33.12%，35.68%，均屬于中等變異。各海拔梯度耕地土壤有機質含量均值中，丘陵區集中在中等含量水平10～20 g/kg和高等含量水平20～30 g/kg，占比分別48.50%，42.05%，低山區集中在中等含量水平10～20 g/kg和高等含量水平20～30 g/kg，占比分別為38.92%，43.11%，中山區集中在高等含量水平20～30 g/kg，占比為43.06%。

阜平縣全域耕地堿解氮含量均值為70.53 mg/kg，變化范圍為4.10～266 mg/kg，變異系數為39.36%，屬于中等變異水平，其中堿解氮含量主要集中在中等含量水平60～90 mg/kg，占比為43.19%。在不同海拔梯度分區下，丘陵區、低山區與中山區耕地堿解氮均值含量分別為70.53 mg/kg，70.71 mg/kg，64.72 mg/kg，變化幅度分別為4.10～210 mg/kg，8.10～266 mg/kg，35.00～175.00 mg/kg，而變異系數分別為39.42%，39.44%，47.79%，均屬于中等變異水平。其中丘陵區耕地堿解氮主要集中在中等含量水平60～90 mg/kg，占比44.68%；低山區主要在中等含量水平60～90 mg/kg，占比40.00%；中山區集中在高等含量水平90～120 mg/kg與中等含量水平60～90 mg/kg，分別占比為31.94%，30.56%。

阜平縣耕地有效磷養分均值含量為22.43 mg/kg，變化幅度在1.30～135.80 mg/kg，變異系數為74.63%，屬于中等變異水平，其耕地有效磷含量主要集中在很高級別水平20～40 mg/kg和高等水平10～20 mg/kg，占比分別為29.63%，29.99%。在不同海拔梯度分區下，丘陵區、低山區與中山區耕地有效磷均值含量分別為22.38 mg/kg，22.41 mg/kg，26.41 mg/kg，變化范圍分別為1.30～135.80 mg/kg，2.40～112.40 mg/kg，4.10～88.10 mg/kg，而變異系數分別為74.71%，75.01%，68.27%，均為中等變異水平。其中丘陵區有效磷含量集中水平在高等含量水平10～20 mg/kg，占比為34.29%，低山區集中在很高等別水平20～40 mg/kg和極高水平>40 mg/kg，分別占比為38.92%，31.02%，而中山區集中在很高水平20～40 mg/kg和極高水平>40 mg/kg，分別占比34.72%，33.33%。

阜平縣全域耕地速效鉀養分含量均值為75.43 mg/kg，變化范圍在16.00～472.00 mg/kg，變異系數為52.09%，屬于中等變異水平，在阜平縣全域下的耕地速效鉀含量主要集中在中等含量水平50～100 mg/kg，占比為59.86%。而在不同海拔分區下的速效鉀含量情況有所不同，丘陵區、低山區和中山區耕地速效鉀含量平均值分別為75.21 mg/kg，74.75 mg/kg，83.73 mg/kg，變化幅度分別為16.00～360 mg/kg，21～472 mg/kg，46～367 mg/kg，而變異幅度分別為51.87%，52.66%，54.51%，均屬于中等變異。其中丘陵區耕地速效鉀含量主要集中在中等含量水平50～100 mg/kg，占比為62.45%，低山區主要集中范圍在中等含量水平50～100 mg/kg，占比為54.91%，而中山區集中在中等含量水平50～100 mg/kg，占比為44.44%。

由上述可知，土壤養分作為耕地土壤肥力的重要部分，能體現出耕地生產能力的強弱，或通俗的表達為土壤上作物生長的好壞以及作物果實產量的高低和品質的優劣[16]，土壤養分是土壤肥力高低的內部標志指標，是植物生長過程中所需營養物質的主要來源，它與土壤的質量密切相關，能夠綜合反映土壤理化性質[17]。當前阜平縣耕地土壤有機質、堿解氮、有效磷以及速效鉀含量均值分別為21.84 g/kg，70.53 mg/kg，22.43 mg/kg，75.43 mg/kg，在全國第二次土壤普查土壤養分含量等級劃分標準中分別處于高等級、中等級、很高等級以及中等級含量水平，由此可以了解到阜平縣耕地土壤養分達到中等偏上的水平，耕地土壤養分含量水平較高。

表4 不同海拔梯度養分分布占比 %

2.2 不同海拔梯度土壤養分空間分布特征

由圖1可以看出，阜平縣耕地土壤酸堿度從空間分布上呈現出不規則分布，全域大部分耕地土壤呈現中性，局部呈現出酸性或堿性土壤，其中大片的酸性土壤出現在吳王口鄉中部以及砂窩鄉中部，而堿性土壤分布在砂窩鄉西南部。從數據分析中可以從不同海拔梯度分區中尋找出一定規律性，隨海拔的升高堿性土壤、中性土壤和酸性土壤的占比有所改變，中性土壤的占比丘陵區(74.13%)>低山區(68.02%)>中山區(61.11%)，堿性土壤占比丘陵區(14.98%)<低山區(17.13%)<中山區(34.72%)，酸性土壤占比低山區(14.85%)>丘陵區(10.90%)>中山區(4.17%)。在海拔分區中可以看出中性土壤的占比隨著海拔的升高而逐漸降低，堿性土壤占比隨海拔的升高而增加，酸性土壤的占比隨海拔的升高呈現出先升高后降低的趨勢，表明海拔高度提升對阜平縣耕地土壤酸堿度有一定影響，需要根據其變化進行土壤酸堿平衡處理，以保證耕地的良好性質[18]。

圖1 阜平縣各養分空間分布

阜平縣耕地土壤有機質含量從空間分布上呈現出從東南向東北、西北以及西南方向輻射狀分布，其含量隨輻射方向呈現逐漸遞增的趨勢。其中耕地有機質含量極高值區分布在吳王口鄉西南部、夏莊鄉西部以及大臺鄉北部，而有機質含量較低區域位于史家寨鄉南部、王林口鎮北部、平陽鎮南部以及北果元鄉東北部。從海拔梯度分區數據角度來看，呈現出隨海拔的增加有機質均值含量逐漸增加的趨勢，即丘陵區(21.85 g/kg)<低山區(21.92 g/kg)<中山區(22.70 g/kg)。結果表明，阜平縣耕地土壤有機質含量高海拔大部分地區不缺乏，但在低海拔和部分高海拔的區域需要注重結合配方施肥建議進行有機肥的施用。

阜平縣耕地堿解氮含量從空間分布上呈現從東南到西北逐漸升高的趨勢，與海拔趨勢表現一致。其中堿解氮含量極高值區處于吳王口鄉南部、龍泉關鎮南部、砂窩鄉西南部以及大臺鄉北部；而低值區分布在夏莊鄉中東部、城南莊鎮東部、北果元鄉大部分區域以及天生橋鎮部分地區。從海拔梯度分區數據角度來看，耕地堿解氮的均值含量隨著海拔的增加呈現先增加后降低的趨勢，即中山區(64.72 mg/kg)<丘陵區(70.53 mg/kg)<低山區(70.71 mg/kg)。該結果表明阜平縣東南部的耕地堿解氮含量偏低，需要適量施加氮肥。

阜平縣耕地有效磷含量在空間分布上呈現出東南低，向西北逐漸升高的趨勢。其中有效磷的極高值區出現在吳王口南部、砂窩鄉西南部、天生橋鎮南部、夏莊鄉南部、城南莊鎮西部以及臺峪鄉北部，而極低值區分布在王林口鎮的西南部。從海拔梯度分區可知，耕地有效磷含量的均值隨著海拔的升高呈現逐漸增長的趨勢，即丘陵區(22.38 mg/kg)<低山區(22.41 mg/kg)<中山區(26.41 mg/kg)。該結果說明丘陵區，尤其是王林口鎮缺乏磷素，今后需重視磷肥的施用。

阜平縣耕地速效鉀含量的空間分布呈現出從東至西逐漸遞增的趨勢。其中速效鉀的極高值區出現在龍泉關鎮的西部以及夏莊鄉的西部，極低值區域出現在王林口鎮中部和大臺鄉南部。從海拔分區的角度，耕地速效鉀含量的均值呈現出隨著海拔升高先下降后升高的趨勢，即低山區(74.75 mg/kg)<丘陵區(75.21 mg/kg)<中山區(83.78 mg/kg)。表明阜平縣中山區部分地區速效鉀含量比較缺乏，需要結合精準配方施肥措施來提高耕地土壤質量。

綜上，可以看出阜平縣丘陵區和部分低山區、中山區存在土壤養分缺乏狀況，其可能由于阜平縣全域為山地，耕地分布較為零散，難以管理，施肥量無法跟進以及耕地大多處于河流階地，土壤多為洪沖積土壤，沙粒較多，結構性差、根系少及疏松多孔，受到雨水沖蝕嚴重，土壤中大多數有效養分易溶于水，可隨水土流失等[19]，影響耕地土壤養分含量。

2.3 土壤各養分與海拔的相關性

由表5可知，阜平縣耕地有機質、堿解氮、有效磷以及速效鉀均與海拔呈極顯著正相關關系，表明海拔要素對耕地土壤養分影響極為顯著，而土壤pH與海拔并沒有表現出顯著相關性，表明海拔的變化對土壤pH影響較小或無影響。

表5 土壤各養分與海拔相關性

從土壤各個養分與海拔的相關性分析中可以看出，阜平縣耕地土壤養分含量的空間分布特征主要是由于海拔的變化而導致的土壤環境發生變化而導致的。其原因可能為隨著海拔的升高，土壤的水熱環境發生變化，高海拔的降水量增加，溫度下降，并且阜平縣的中山區擁有著省級自然保護區——銀河山自然保護區。隨著海拔的升高腐殖質的分解主要受到溫度的限制，低溫導致的腐殖質分解較為緩慢，以及自然保護區大量的枯枝落葉的累積，以致有機質的積累量高，而有機質作為其他土壤養分的主要來源，堿解氮、有效磷和速效鉀的含量也隨之會增加，從而在阜平縣耕地土壤表現出有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量隨海拔的升高而增加，結果與趙超[20]一致。

2.4 土壤養分變化趨勢分析

由表6可知，當前阜平縣耕地土壤養分與2012年測土配方施肥土壤養分相比，全縣域耕地有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別提升了1.11%，3.42%，0.13%，6.39%，其中速效鉀含量提升最為顯著，而有效磷含量提升不明顯，并且土壤養分等級均無變化。

表6 阜平縣2012-2018年土壤各養分變化趨勢

在各個鄉域下的土壤養分對比中，土壤有機質含量提高最顯著的是北果元鄉，提升17.29%，下降最顯著的為夏莊鄉，下降幅度為15.96%，養分等級變化的鄉鎮為北果元鄉，從中等含量提升到高等含量；土壤堿解氮含量提升顯著的是北果元鄉、夏莊鄉和城南莊鎮，提升幅度分別為86.96%，47.80%，25.04%，下降最為顯著的為砂窩鄉，下降百分比為8.95%，養分等級變化的有北果元鄉、城南莊鎮和夏莊鄉，由低等含量上升到中等含量等級；土壤有效磷含量提升最為顯著的鄉鎮有北果園鄉、史家寨鄉以及吳王口鄉，提升幅度分別為70.80%，40.18%，29.20%，下降幅度最為明顯的鄉鎮有天生橋鎮和臺峪鄉，下降率分別為35.26%，20.04%，養分等級變化的鄉鎮有阜平鎮、臺峪鄉兩者由很高等級降為高等級，而史家寨鄉、北果元鄉由高等級提升為很高等級；土壤速效鉀含量提升速率明顯的鄉鎮有史家寨鄉和天生橋鎮，提升幅度分別為26.18%，21.85%，下降幅度明顯的鄉鎮為平陽鎮，下降幅度為17.47%，并無養分等級變化的鄉鎮。

在2012—2018年這六年中，耕地土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀等養分均有所增加，可能由于阜平縣農民這六年中重視把握精準農業，推崇耕地土壤的精準配方施肥以及秸稈還田等措施。且當地農民主要種植玉米、谷子等秸稈作物，秸稈來源充足，秸稈經過人工粉碎，粉碎物經過微生物礦化和腐殖化，產生豐富的有機質和腐殖質為農作物提供大量的有機物料和養分，同時還可以提供作物需要的各種中、微量元素，有利于作物和土壤間養分的供需平衡，并且還具有一定的固氮功能[21-23]。秸稈還田還可以增加有機物料投入的同時還可以減少土壤水分的流失和減緩土壤的沙化和鹽漬化[24]。在國內外文獻中可了解到，同時在秸稈還田的過程中施加各種復合肥可以明顯增加土壤速效鉀含量和作物產量[25-26]，以上必然引起阜平耕地有機質、氮、磷、鉀等養分的增加。

4 結 論

當前阜平縣耕地土壤養分中有機質、堿解氮、有效磷以及速效鉀含量均值分別為21.84 g/kg，70.53 mg/kg，22.43 mg/kg，75.43 mg/kg，土壤pH均值為7.08。土壤pH值主要為中性水平，占比65.42%；土壤有機質含量、堿解氮含量和速效鉀含量均表現為以中等含量水平為主，占比分別為45.55%，43.19%和59.86%，處于中等及以上的占比分別為98.76%，64.42%和75.96%；土壤有效磷含量主要處于高等含量水平，占比29.99%，而高等及以上水平占比74.15%，總體來看阜平縣耕地土壤養分狀況較為良好。

阜平縣耕地養分中有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量在2012—2018年變化中增長幅度分別為1.11%，3.42%，0.13%，6.39%，耕地土壤養分均有增加。并且耕地養分在空間分布上大體從東南向西北逐漸升高趨勢，在不同海拔分區的下的土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量體現出的大致規律為隨海拔的升高而升高的趨勢。

阜平縣全域為山區，海拔落差較大，不同海拔分區的耕地環境條件不同，因此需因地制宜的進行合理配方施肥，其中丘陵區以及史家寨鄉南部和吳王口鄉北部需要注重有機肥的施用；北果園鄉、城南莊鎮、夏莊鄉以及天生橋鎮部分地區需要注重氮肥的施用；王林口鎮的有效磷低值區則需要注重磷肥的施用；王林口鎮中部和大臺鄉南部出現速效鉀低值區，其需注重鉀肥的施用；吳王口鄉中部以及砂窩鄉中部需要注重酸化土壤的治理，例如施加石灰、有機肥等措施，而砂窩鄉西南部則需要施用石膏、硫酸亞鐵等。

研究內容更新了阜平縣耕地土壤養分狀況，其中不足主要為耕地養分指標選取不全面，缺少微量元素，不能準確指導更加細化的作物需要養分的量。