鄭永紅，陳芳玲，張治國,2，鄧永強,3，方 超,3，張致林,3

(1.安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001；2.安徽省高潛水位礦區(qū)水土資源綜合利用與生態(tài)保護工程實驗室，安徽 淮南 232001；3.淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司煤礦生態(tài)環(huán)境保護國家工程實驗室，安徽 淮南 232001)

土壤是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎，而土壤養(yǎng)分質(zhì)量是土壤的基本屬性和本質(zhì)特征，也是衡量土壤質(zhì)量的重要指標，其高低直接影響著農(nóng)作物的生長、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)布局和經(jīng)濟效益的提高。土壤養(yǎng)分質(zhì)量不僅表征土壤提供植物所需養(yǎng)分和生物物質(zhì)的能力，也是土壤物理、化學和生物學性質(zhì)的綜合反映[1-3]。高潛水位主要分布于我國中東部黃淮海平原的河北省、河南省、安徽省、山東省和江蘇省，地下水平均埋深一般介于5～15m之間，安徽省普遍小于5m[4]?；春恿饔蚴俏覈袞|部地區(qū)生態(tài)安全屏障，也是國家重要的糧棉油生產(chǎn)基地[5]，地處南北氣候過渡帶,多數(shù)坡耕地土層在1～1.5m左右，地下水位高、地面排水不暢，造成土壤通氣不良，使有機物質(zhì)難以分解、土壤供肥能力下降，加劇了耕地土壤水土流失危害[6]。

我國地理區(qū)域可分為三大自然區(qū)，分別為西北干旱半干旱區(qū)、青藏高寒區(qū)和東部季風區(qū)。其中以內(nèi)陸河流域為代表的干旱半干旱和青藏高寒區(qū)年均降水量為133.0mm[7]，降水量匱乏，形成低潛水位；而以淮河流域為代表的的東部季風區(qū)年均降水量為844.1mm，降水量豐富，從而形成高潛水位。文獻[8]利用主成分分析法研究內(nèi)蒙古蘇木山華北落葉松人工林土壤養(yǎng)分變化規(guī)律，研究表明內(nèi)蒙古屬于典型的半干旱地區(qū)，地下水位較深，土壤類型多為栗鈣土，并且隨著林齡增加，土壤pH值、速效磷、速效鉀含量降低。文獻[9]研究甘肅省武山縣土壤養(yǎng)分特征及綜合肥力評價，研究表明甘肅農(nóng)田的土壤養(yǎng)分不均，受干旱季風氣候的影響，年降雨量少，其地下水位埋藏較深，是典型的低淺水農(nóng)田，其中有機質(zhì)和堿解氮含量處于缺乏范圍，全氮含量處于中等范圍；全磷、有效磷和全鉀含量處于豐富范圍。文獻[10]研究陜西榆林沙地樟子松人工林土壤養(yǎng)分變化特征，研究表明榆林地表土壤也是典型的低淺水耕地土壤，土壤結(jié)構(gòu)疏松、土壤通氣和保水性差，速效鉀、堿解氮、速效磷處于缺乏范圍，整體土壤肥力偏低。文獻[11]研究黑龍江墾區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡分析與評價，研究表明黑龍江墾區(qū)農(nóng)田同樣具有低淺水耕地的特征，耕層厚，腐殖質(zhì)含量高，并且土壤中氮和鉀養(yǎng)分含量處于中等水平，而磷含量處于豐富水平。

國內(nèi)的研究都側(cè)重于分析干旱或半干旱地區(qū)典型低淺水位耕地養(yǎng)分的變化特征，但對于我國高潛水位耕地土壤養(yǎng)分特征的研究較少。淮河流域是典型的高潛水位地區(qū)，選擇淮南市毛集實驗區(qū)焦崗湖鎮(zhèn)孫臺村作為研究對象，通過對研究區(qū)的土壤容重、有機質(zhì)、速效鉀、有效磷和全氮等11項指標含量變化來分析土壤養(yǎng)分質(zhì)量的變化特征，選用灰色關聯(lián)度分析法評價研究區(qū)域范圍內(nèi)土壤養(yǎng)分的豐缺狀況，為淮河流域高潛水位耕地土壤保水保肥提供一定的理論基礎和技術指導。

1 研究區(qū)概況

淮南市毛集綜合實驗區(qū)位于淮南市西南部，淮河與西淝河交匯處[12]，地勢東南低、西北高，臨近淮河和焦崗湖水域，地下水埋深在1～2m。毛集實驗區(qū)屬北亞熱帶季風氣候，日照充足，降水充沛。孫臺村位于淮南市毛集實驗區(qū)焦崗湖鎮(zhèn)，地處淮河和焦崗湖之間。農(nóng)田總面積約為4 853畝，主要農(nóng)作物以小麥、玉米為主，輔助以黃豆和紅薯等農(nóng)作物種植。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

2020a 9月，在研究區(qū)域內(nèi)，采用網(wǎng)格布點法采集土壤樣品。根據(jù)《耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價技術規(guī)程》[13]確定調(diào)查采樣點位置數(shù)量，孫臺村農(nóng)田總面積約為4 853畝，按照500畝一個采樣點進行計算，再綜合考慮實際農(nóng)田情況，最終確定16個采樣點。每個采樣點取0～20cm深度的土方垂直取樣，揀出碎石、砂礫、植物殘體，土壤樣品經(jīng)充分混合后用四分法取舍，保留1kg左右混合土樣，裝入樣品袋，貼上標簽，標注采樣編號、時間、地點和GPS坐標等詳細信息，帶回實驗室處理和分析。土壤樣品在土樣風干盤內(nèi)進行自然風干，經(jīng)過去雜、研磨、過篩和裝袋后放置在干燥器待測。

2.2 分析測試方法

本次土壤樣品的測定方法按照《土壤技術分析規(guī)范》進行測定分析。綜合考慮土壤養(yǎng)分的物理和化學性質(zhì)，共選取11項指標用于質(zhì)量評價，其中土壤酸堿度(pH值)采用電位法測定；土壤機械組成采用激光粒度儀測定；土壤容重采用環(huán)刀法測定；陽離子交換量(CEC)采用三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法測定；水溶性鹽分采用重量法測定；有機質(zhì)(SOM)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；堿解氮(AN)采用堿解-擴散法測定；有效磷(AP)采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀(AK)采用乙酸銨浸提-火焰光度計法測定；全氮(TN)采用CHN元素分析儀分析測定；全磷(TP)采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法；全鉀(TK)采用酸溶-火焰光度法測定。

2.3 評價方法

1)單個指標分析 本研究區(qū)單個指標分析與評價，采用全國第二次土壤普查土壤養(yǎng)分的分級標準進行評價[14]。

2)灰色關聯(lián)度分析模型建立 將上述16個采樣地土壤的土壤 pH值、容重、有機質(zhì)、速效鉀、有效磷、堿解氮、全鉀、全磷、全氮等11種指標作為一個灰色系統(tǒng)，則每個不同采樣點土壤作為灰色系統(tǒng)的一個因素，應用灰色關聯(lián)度分析法[15]對孫臺村研究區(qū)土壤養(yǎng)分進行綜合分析。

①參考數(shù)列

以各指標的最優(yōu)值構(gòu)成理想的參考數(shù)列：X0(k)={X0(1)，X0(2)，X0(3)，…X0(n)}，以各指標的測定值構(gòu)成比較數(shù)列：Xi(k)={Xi(1)，Xi(2)，Xi(3)，…，Xi(n)}，其中，k=1，2，3，…，n，n為測定指標數(shù)(此處為13)，i=1，2，3，…，m，m為測定不同采樣點(此處為16)。

②指標的無量綱化

將各指標的測定值轉(zhuǎn)化為評價值，用Xi’(k)=Xi(k)/X0(k)對原始測量數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，使所有數(shù)據(jù)在[0，1]區(qū)間之內(nèi)。

③灰色關聯(lián)系數(shù)

求比較數(shù)列Xi與參考數(shù)列X0各對應點的絕對差值，Δi(k)為i點的指標測定值Xi與理想值X0在第k個指標上的絕對差值，則理想數(shù)列X0和比較數(shù)列Xi在k點的關聯(lián)系數(shù)ζi(k)為

(1)

式中：min min|X0(k)-Xi(k)|為二級最小差；max max|X0(k)-Xi(k)|為二級最大差；ρ為分辨系數(shù)，本研究ρ為0.5。

④等權關聯(lián)度

根據(jù)ζi(k)求出不同采樣點土壤養(yǎng)分的等權關聯(lián)度γi為

(2)

⑤指標的權重

在實踐中，反映土壤養(yǎng)分的各性狀指標的重要性是不同的，因此，需要對土壤養(yǎng)分各指標賦予不同的權重系數(shù)。根據(jù)式(2)中計算得到的不同采樣點土壤養(yǎng)分的等權關聯(lián)度γi，運用判斷矩陣法確定各評價指標的權重，構(gòu)建判斷矩陣，并作一致性檢驗，最終確定各土壤養(yǎng)分指標的權重Wi(k)。

(3)

⑥灰色關聯(lián)度

(4)

2.4 數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量控制

采用SPSS24.0 軟件對數(shù)據(jù)進行平均值、標準差和變異系數(shù)的統(tǒng)計分析，灰色關聯(lián)度采用Matlab2016 軟件分析計算，圖件用Origin2018軟件制圖。為控制樣品的預處理及儀器分析質(zhì)量，采用土壤有效態(tài)成分分析標準物質(zhì)(GBW07461)進行質(zhì)量控制，回收率控制在92%～110%。

3 結(jié)果分析

3.1 土壤物理特性

1)土壤質(zhì)地組成分析 按照國際制將土壤質(zhì)地分為砂粒(2～0.02mm)、粉粒(0.02～0.002mm)、黏粒(<0.002mm)，孫臺村耕地的土壤經(jīng)過質(zhì)地分析得出，6.25%屬于壤土，12.5%屬于砂質(zhì)壤土，81.25%屬于粉砂質(zhì)壤土。

2)土壤容重 孫臺村耕地土壤容重在1.11～1.69g·cm-3，各個采樣點土壤容重空間分布整體差異性不大(見圖1)，根據(jù)全國第二次土壤普查標準，土壤容重整體上屬于偏緊實水平。研究表明[16-17]，土壤過于緊實不利于農(nóng)作物的生長，應該對土壤進行適當翻耕，才能有效降低土壤緊實度，從而改善耕層土壤結(jié)構(gòu)，有利于農(nóng)作物的生長發(fā)育。

圖1 土壤容重等級分布圖

3.2 土壤化學特性

采用全國第二次土壤普查土壤養(yǎng)分的分級標準進行評價。分析表1，孫臺村耕地土壤有機質(zhì)的平均含量為19.33g·kg-1，屬于4級貧乏；有效磷平均含量為4.80mg·kg-1，屬于5級較貧乏；速效鉀平均含量為210.71mg·kg-1，屬于1級較豐富；全氮平均含量為1.01g·kg-1，屬于3級適量；全磷平均含量為0.09mg·kg-1，屬于6級貧乏；全鉀平均含量為20.58mg·kg-1，屬于2級較豐富。變異系數(shù)表示空間變異程度，孫臺村耕地土壤pH值的變異系數(shù)為3.33%，屬弱變異；土壤中全鉀的變異系數(shù)為9.23%，也屬于弱變異。除pH值和全鉀外其他養(yǎng)分元素的變異系數(shù)大部分都在10%～100%之間，屬于中等變異，有效磷的變異系數(shù)最大，主要是由于磷素在土壤中遷移變化小，作物吸收率低，受耕種、施肥等人為因素影響明顯。孫臺村耕地土壤pH值范圍為6.60～7.50之間，平均值為7.21，根據(jù)土壤酸堿度分級標準[18]，25%的采樣點土壤呈中性，75%的采樣點土壤呈弱堿性。陽離子交換量代表了土壤可能保持的養(yǎng)分數(shù)量，即保肥性的高低，是土壤緩沖性能的主要來源，也是評價改良土壤和合理施肥的重要依據(jù)[19]。從表1可知，陽離子交換量數(shù)值在8.27～22.09cmol·kg-1，孫臺村保肥能力強的土壤樣點占比為6.25%，保肥能力中等的土壤樣點占比為62.5%，保肥能力弱的土壤樣點占比為31.25%?？傮w上看，孫臺耕地土壤陽離子交換量較豐富，交換能力屬于中等偏上和較強水平，陽離子交換量的空間分布整體呈中間高兩邊低的格局。

表1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計量

孫臺村耕地土壤有機質(zhì)空間分布整體呈北高南低、東高西低的格局。孫臺村耕地土壤有機質(zhì)等級分布在3級和4級，50%的土壤呈3級適量水平，50%的土壤呈4級貧乏水平。土壤有機質(zhì)含量分布在10.60～27.60g·kg-1之間，且濃度梯度變化較明顯，如圖2(a)所示。

孫臺村耕地土壤堿解氮空間分布整體比較均勻，沒有較大的差異。孫臺村耕地土壤堿解氮等級分布如下：6.25%的土壤呈4級貧乏水平，81.25%的土壤呈5級較貧乏水平，12.5%的土壤呈6級非常貧乏水平。整體上，土壤的堿解氮含量較低，處于土壤的中等偏下和較貧乏水平，如圖2(b)所示。

孫臺村耕地土壤速效鉀空間分布整體呈中間高兩邊低的格局。孫臺村耕地土壤速效鉀等級分布如下：50%的土壤呈1級較豐富水平，37.5%的土壤呈2級豐富水平，12.50%的土壤呈3級適量水平。土壤速效鉀含量屬于中等偏上和豐富水平，如圖2(c)所示。

孫臺村耕地土壤有效磷空間分布整體呈中間低兩邊高，北低南高的格局。孫臺村耕地土壤有效磷等級分布如下：孫臺村耕地樣點有6.25%的土壤有效磷呈3級適量水平，43.75%的土壤有效磷呈4級貧乏水平，31.25%的土壤有效磷呈5級較貧乏水平，18.75%的土壤有效磷呈6級非常貧乏水平?？傮w上，土壤有效磷含量差異較大，屬于土壤的中等水平和較貧乏水平，且濃度梯度變化非常明顯，如圖2(d)所示。

孫臺村耕地土壤全氮空間分布整體呈西北低東南高的格局。孫臺村耕地土壤全氮等級分布如下：68.75%的土壤呈3級適量水平，31.25%的土壤呈4級貧乏水平?？傮w上，土壤的全氮含量屬于土壤的中等偏上水平，如圖2(e)所示。

孫臺村耕地土壤全磷空間分布整體呈均勻分布的格局。全鉀空間分布整體呈中間高四周低的格局。孫臺村耕地土壤全磷和全鉀等級分布如下：100%的土壤全磷呈6級非常貧乏水平?？傮w上，土壤的全磷含量無差異，屬于土壤的較豐富水平，濃度梯度變化也不是很明顯。18.75%的土壤全鉀呈1級豐富水平，81.25%的土壤全鉀呈2級較豐富水平，如圖2(f)和圖2(g)所示。

(a) 有機質(zhì) (b) 堿解氮

3.3 土壤養(yǎng)分灰色關聯(lián)評價

1)土壤養(yǎng)分指標區(qū)間化和關聯(lián)系數(shù) 根據(jù)灰色系統(tǒng)理論要求，將孫臺村耕地16個采樣點土壤的11個指標視為一個整體，在土壤 pH值、容重、陽離子交換量、水溶性鹽分、有機質(zhì)、速效鉀、有效磷、堿解氮、總鉀、總磷、總氮等11個指標中，將原始數(shù)據(jù)進行均值化變換得到新的數(shù)據(jù)列。根據(jù)孫臺村耕地土壤養(yǎng)分的特點，11個指標均選擇其均值數(shù)值最大為最優(yōu)， 構(gòu)成最優(yōu)指標集，最優(yōu)指標集分別為x(k)={1.685 0，7.50，22.087 9，6.731 0，27.616 2，76.878 9，10.465 3，335.226 7，1.450 7，0.100 0，27.703 0}。

由于各指標的量綱不一定相同，且有時數(shù)值的數(shù)量級相差懸殊，指標之間無法進行定量比較。因此必須對原始數(shù)據(jù)消除量綱，轉(zhuǎn)換為可比較的數(shù)據(jù)序列[20]。因此，為了合理評價孫臺村耕地的土壤養(yǎng)分水平，必須對各指標進行無量綱區(qū)間化處理。采用指標區(qū)間化方法對11個指標進行無量綱化處理，容重按照逆向指標歸一化處理，其他10項指標進行正向指標處理，處理后各指標均在[0～1]之間變化如表2所示。然后根據(jù)公式計算土壤養(yǎng)分的灰色關聯(lián)度系數(shù)和等權關聯(lián)度，結(jié)果見表3。

表2 土壤養(yǎng)分指標區(qū)間化結(jié)果

表3 土壤養(yǎng)分因子灰色關聯(lián)度系數(shù)和等權關聯(lián)度

2)評價模型的結(jié)果分析 在各土壤養(yǎng)分指標重要性相同的情況下，需計算出各指標的等權關聯(lián)度，才能直接用于評價不同采樣點土壤養(yǎng)分的高低。將計算出的16個采樣點的等權關聯(lián)度，對照土壤養(yǎng)分灰色關聯(lián)度評價標準(見表4)，其中，土壤屬于Ⅱ級(良)的樣點分別是5、8、12、13、15號，占全部樣地的31.25%，土壤屬于Ⅲ級(一般)的樣點分別是1、2、3、4、6、7、9、10、11、14、16號，占全部樣地的68.75%。在空間分布上來看，Ⅱ級(良)主要集中在孫臺村中部地區(qū)，Ⅲ級(一般)主要分布在東部和西部地區(qū)。

表4 土壤養(yǎng)分灰色關聯(lián)度評價標準

4 討論

研究土壤養(yǎng)分質(zhì)量的變化對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著直接的影響。土壤容重、有機質(zhì)、土壤中氮、磷、鉀等是土壤養(yǎng)分質(zhì)量的重要影響因子，也是相對容易受人類活動作用改變的土壤養(yǎng)分質(zhì)量因素[21]。土壤容重可反映人類活動對土壤的壓實作用，質(zhì)地相同的土壤，容重越大的土壤孔隙度越小，土壤蓄水、透水、通氣性能越差[22]。孫臺村耕地土壤質(zhì)地屬于粉砂質(zhì)壤土，土壤容重偏緊實，與文獻[23]研究耕作方式和土壤類型對皖北農(nóng)田土壤緊實度結(jié)果不一致，建議采取措施對土壤進行疏松處理。孫臺村耕地土壤pH平均值為7.21，呈弱堿性，由于土壤酸堿度主要受成土母質(zhì)的影響，淮河流域土壤主要是近代黃泛沖積物母質(zhì)耕層，土壤母質(zhì)酸堿度主要呈弱堿性和堿性，與文獻[24]研究安徽淮北平原農(nóng)田土壤酸堿度特征及酸化趨勢的結(jié)論一致。孫臺村耕地土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮都處于4級貧乏及以下水平，不同區(qū)域之間耕層有機質(zhì)含量不平衡，孫臺村耕地是淮河流域典型高潛水位耕地，有機質(zhì)、全氮、堿解氮等養(yǎng)分容易流失，建議進一步增加有機肥料的用量，為提高土壤保肥性能提供有力保障。孫臺村耕地土壤全鉀、速效鉀均處于2級以上水平較豐富水平，文獻[25]研究皖南農(nóng)田耕層土壤肥力變化，結(jié)果表明土壤鉀素投入有盈余，造成鉀素在土壤中累積殘留量較多，土壤全鉀與速效鉀含量中等偏上，與本研究結(jié)果基本一致。土壤全磷、有效磷均處于4級貧乏水平，文獻[26]研究耕地土壤養(yǎng)分，認為主要受施肥歷史影響，與土壤本身理化性質(zhì)有關，如成土母質(zhì)中富含磷，而孫臺村耕地的成土母質(zhì)的耕地土壤供磷能力差，易造成磷素的流失，建議在今后的施肥過程中應該增氮磷限鉀。

本研究采取單個指標評價只能看出區(qū)域內(nèi)單個養(yǎng)分因子的豐缺狀況，無法對區(qū)域土壤養(yǎng)分進行綜合評價；而在此基礎上，應用灰色關聯(lián)分析法進行綜合評價，它不同于通常使用的因子均衡分析和協(xié)調(diào)分析方法，可對不同土壤養(yǎng)分特性的綜合優(yōu)勢進行排序和定量分析，是多因素決策分析中一種簡便有效的方法，解決了眾多養(yǎng)分因子作用的排序問題，得出了孫臺村耕地土壤養(yǎng)分綜合狀況[27]。孫臺村耕地土壤養(yǎng)分灰色關聯(lián)評價指數(shù)范圍為0.55～0.85，對照養(yǎng)分質(zhì)量評價等級狀況處于Ⅱ(良)-Ⅲ(一般)等級，綜合養(yǎng)分質(zhì)量評價等級處于一般偏上，與實際調(diào)查情況相符。因此，灰色關聯(lián)評價可以應用到淮河流域高潛水位耕地養(yǎng)分評價上來。

5 結(jié)論

(1)孫臺村耕地土壤pH值以弱堿性為主，容重呈偏緊及以上水平，對照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準分析結(jié)果表明：有機質(zhì)含量整體上呈4級較缺乏水平；土壤堿解氮的含量整體上呈5級缺乏水平；速效鉀的含量整體上呈1級豐富水平；土壤有效磷的含量整體上呈4級較缺乏水平；土壤中全氮含量整體上呈3級適量水平；土壤中全磷含量水平呈6級非常貧乏水平；土壤中全鉀含量整體上呈2級豐富水平。

(2)灰色關聯(lián)評價結(jié)果表明：孫臺村耕地土壤屬于Ⅱ級(良)的占全部樣點的31.25%，土壤屬于Ⅲ級(一般)的占全部樣點的68.75%。

(3)孫臺村耕地具備典型高潛水位耕地特點，土壤質(zhì)地以粉砂質(zhì)壤土和砂質(zhì)壤土為主，其中黏粒含量較低。土壤抗蝕力和保水、保肥能力相對較差，生產(chǎn)能力低下，同時水土易流失，造成土壤質(zhì)量退化，使農(nóng)作物減產(chǎn)。結(jié)合孫臺村土壤質(zhì)量評價結(jié)果，建議增施有機肥與綠肥等措施，適量補充磷肥和氮肥，加強土壤養(yǎng)分管理，提升耕地生產(chǎn)力，形成淮河流域高潛水位耕地質(zhì)量提升、養(yǎng)分高效管理的可復制、可推廣的技術模式。