耕地是最宝贵的自然资源^[1]，约占全球陆地表面积的 10.20%，我国耕地面积为 1.35×10⁸ hm²，对保障生态、粮食安全起着至关重要的作用^[2-3]。中国城镇化和工业化的发展占用了大量优质耕地^[4]，同时土地利用不合理和土地污染等问题影响着我国耕地养分变化^[5]。耕地养分综合体现了耕地环境状况、耕地产品质量及耕地生产能力^[6-7]。大量使用化肥和农药导致土壤污染超标率达 19.4%，使耕地养分评价更加关键^[8]。合理的耕地评价能够有效地显现耕地养分的影响因素、空间差异及演化规律^[9]，充分了解土壤性质空间变异，是土壤养分管理的基础^[10]。氮、磷、钾不仅有利于作物增产，对农业生态环境也会产生影响^[11-12]，pH 对土壤养分的有效性、形成和转化有较大影响，如异常则不利于作物生长发育^[13]。常用的土壤综合评价方法有土壤质量综合评价法、因子分析和聚类分析^[14-15]。利用地理统计法与地理信息系统结合可以揭示土壤养分的空间分布和各区域土壤肥力状况，为合理种植和精准施肥提供依据^[16]。因子分析通过降维能够把多个因子归结为较少几个综合指标以更好地解释说明问题^[17]。聚类分析可减少单个指标所反映的物理性质带来的差异性，是一种以量化形式表现土壤理化性质的综合指标^[18]。郭继阳等^[19]用聚类分析对万宁和琼海两地菠萝园土壤肥力划分等级及明确各肥力等级所占土壤比重；陈朝阳等^[20]采用聚类分析法综合评价土壤养分并制定专用施肥配方；姜龙群等^[21] 对土壤分析指标数据进行因子分析后得出因子分析可很好地识别影响土壤的主要成分；黄安等^[22]用克里格插值法研究黄土高原土壤养分空间格局。

综上所述，目前主要针对普通农田耕地土壤养分评价的研究较多，而针对苏打盐碱化耕地土壤养分特征及现状综合评价鲜见报道。本文以此为切入点，针对西辽河流域的两处典型苏打盐碱化耕地，开展土壤养分现状评价研究，深入分析两处典型苏打盐碱土壤养分丰缺状况，以期为改善西辽河流域苏打盐碱地养分状况及合理调肥增产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于通辽市科尔沁左翼中旗（121°08′— 123°32′E，43°32′—44°32′N）。该区年平均气温7.1℃，年降水量 342～425 mm，无霜期 202 d，年平均风速 3.9～4.5 m/s，属温带大陆性气候。土地总面积为 9811 km²，其中耕地、草地、水域、建设用地及未利用土地分别占 57.75%、33.04%、 0.12%、5.28% 及 4.41%，林地及湿地占地面积较小，主要种植玉米、花生、甜菜、向日葵、西瓜、青贮玉米等作物。

1.2 取样点布置

针对科尔沁左翼中旗苏打盐碱化耕地土壤盐碱特点和农业障碍问题，在花吐古拉镇和图布信苏木建立盐碱化耕地改良区（1 区 446.89 hm²，2 区 867.10 hm²），遵循均匀随机布点原则将研究区网格化，13.33 hm² 一个取样点，共布置 108 个点，每个取样点为其 20 m² 范围内 10 个土样的混合样，见图1。

1.3 指标测定及方法

将采集的土样带回实验室，阴干后研磨并过 1 mm 筛，以 1∶5 的土水比浸提，使用 pH 计（SX-620） 测定土壤 pH 值；全盐量用残渣烘干质量法测定；有效磷用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾用乙酸铵浸提-火焰光度法测定；有机质用重铬酸钾氧化外加热法测定；全氮用半微量凯氏定氮法测定。

1.4 数据处理

参照第二次全国盐渍化、酸碱性及土壤普查养分分级标准，分析全盐、pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾的含量，见表1、表2。用 SPSS 25.0、 GS+19.0、ArcMap10.6 对数据进行分析。

注：丰富、较丰富、中等、较缺乏、缺乏、极缺乏主要指养分指标，对应 pH 表征的土壤酸碱度分别为极强碱性、强碱性、碱性、弱碱性、中性、酸性。下同。

2 结果与分析

2.1 土壤养分含量分析

土壤盐分及酸碱度是影响土壤养分与作物生长的重要因素，是土壤化学与养分的重要指标，由表3 及表4 可知，1 区、2 区土壤 pH 均值分别为 8.39 和 8.61，均呈碱性，1 区变异系数较大，不同位置土壤 pH 差异大；2 区变异系数较小，各位置土壤 pH 差异小。两区全盐量均值和变异系数分别为 2.84、2.99 g/kg 和 50.25%、54.57%。两区土壤有机质含量较低，中等及以上等级分别占 7.70% 和 2.63%，属中等变异。1 区全氮含量较低，80.76% 的耕地全氮含量低于 1 g/kg；而土壤中有效磷和速效钾含量丰富，84.60% 的耕地有效磷含量高于 10 mg/kg， 96.15% 的耕地速效钾含量高于 100 mg/kg。2 区土壤中全氮、有效磷和速效钾丰缺情况与 1 区基本一致，全氮含量为 74.99% 的耕地低于 1 g/kg；有效磷含量为 77.63% 的耕地高于 10 mg/kg；速效钾含量较高的耕地为 96.05%，处于中等及以上等级，且两区以上养分不同位置其值差异较大。

2.2 土壤养分空间分布特征

掌握土壤养分的空间变异性是实现土壤养分分区管理、作物优化施肥，提高作物产量和品质的重要基础。由表 5 可知，1 区和 2 区的块金值和基台值都为正值，说明采样过程中人为因素引起的随机变异不可忽略。空间相关性程度用块基比[C₀/（C₀+C）]来表示，其值大于 75% 时，变量空间相关性很弱；其值在 25%～75% 时，变量空间相关性中等；其值小于 25% 时，变量空间相关性很强。1 区的有效磷和 2 区 pH 其块基比在 25%～75% 之间， 属中等变量空间相关性，由结构性和随机性变异二者共同作用；两区的其他养分指标块基比都小于 25%，说明变量具有强烈的空间相关性，空间变异主要来自结构性因素。1 区 pH、全盐、全氮和速效钾的决定系数大于 0.6，有机质和有效磷大于 0.5； 2 区 pH、有机质和全氮决定系数大于 0.6，有效磷和速效钾大于 0.5，表明运用半方差函数理论模型可以较好反映空间分布特征。除 2 区速效钾外，两区的 pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾变程都大于 1000 m，自相关范围较大且空间连续性较好，因此，该地区可用克里金插值法对其进行内插分析。

图2 和图3 是利用半方差函数理论对其空间结构进行分析后采用克里金插值法对其进行优化内插绘制的 1 区和 2 区两地土壤养分指标空间分布图，表层土各养分指标空间分布特征主要呈斑块状或条带状。

1 区土壤大部分处于轻度盐化，北部及西北部呈中度盐化，全盐含量在 2.21～2.69 g/kg 之间的土壤面积约占总面积的 82.34%；pH 在 7.94～8.17 之间的面积约占总面积的 75.62%，主要分布在中部，土壤整体呈轻度碱性；有机质含量大部分地区处于较缺乏等级，含量在 10.08～11.90 g/kg 之间的土壤面积占总面积的 80.47%，北部较南部含量高；大部分地区土壤全氮处于较缺乏等级，含量在 0.53～0.71 g/kg 之间的土壤面积约占 70.87%，南部普遍较低，北部地区局部全氮量稍高；有效磷含量大部分地区处于中等等级，西北部与中南部含量较高，含量在 13.14～16.02 mg/kg 之间的土壤面积约占 76.33%；速效钾呈规则斑块状分布，北部地区含量均高于南部，含量在 177.07～221.32 mg/kg 之间的土壤面积约占总面积的 64.95%。

2 区的全氮与有机质呈现相似的分布，均为由南到北呈逐渐减少的趋势，西部与东南部含量较高，且土壤有机质含量在 12.95～15.65 g/kg 之间的面积约占总面积的 66.74%；全氮含量在 0.85～1.00 g/kg 之间的面积约占总面积的 70.89%； pH 东南部数值较其他位置稍高一些，西部 pH 范围在 8.34～8.62 之间，其面积约占 46.77%，呈轻度碱性，东南部 pH 范围在 8.62～9.04 之间，其面积约占 53.23%，呈中度碱性；速效钾分布呈不均匀斑块状，高峰值在北部且含量在 207.51～235.08 mg/kg 之间，面积约占 47.08%；有效磷含量自西向东呈高-低-高-低的趋势，低峰值出现在东部，高峰值出现在中部，含量在 9.61～13.03 mg/kg 之间的面积约占 41.96%，含量在 14.55～18.24 mg/ kg 之间的面积约占 41.15%；全盐含量分布较均匀，含量在 2.47～3.83 g/kg 之间的面积占 98.20%，整体呈轻盐化，局部呈中盐化和重盐化。

2.3 土壤养分相关性及因子分析

为进一步明确各养分指标的重要性，运用SPSS 25.0 对两区土壤养分含量进行因子分析。利用 KMO 测度和 Bartlett 球形检验，KMO 测度的值越高表明变量间的共同因子越多。1 区 KMO 值为 0.698，2 区的 KMO 值为 0.713，两区的伴随概率值都为 0.000，均小于 0.01，证明原始数据可以进行因子分析。各指标间存在一定程度的相关性是进行因子分析的重要前提。因此在进行因子分析前，首先要对土壤全盐、pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾进行相关性分析。如表6 所示，两区的全氮与速效钾，有效磷和速效钾，1 区的全盐与全氮和有效磷，有机质与全氮、有效磷和速效钾，2 区全盐与 pH 和速效钾，有机质与全氮、速效钾都具有相关性。

注：^* 代表相关性显著（P<0.05），^** 代表相关性极显著（P<0.01）。

根据特征值大于 1 的原则，1 区和 2 区分别采用 2 个因子和 3 个因子代表综合变量来分析两区的土壤养分状况，见表7。1 区 2 个因子的累计贡献率为 67.60%，表示其涵盖原始数据信息的 67.60%，且特征值之和为 4.06，说明 2 个因子足以代表原始数据信息。2 区 3 个因子的累计贡献率为 76.17%，表明其涵盖了原始数据信息的 76.17%，特征值之和为 4.57，可以用它们来代表原始数据信息。因子的特征值和方差贡献率都是因子 1 大于因子 2，因子 2 大于因子 3，所以评价土壤养分影响力为 1 区：因子 1（P1）>因子 2（P2）；2 区：因子 1（P1） >因子 2（P2）>因子 3（P3）。

通过分析两区不同养分指标得到旋转因子载荷矩阵及累计贡献，如表7 所示。两区因子 1 的有机质和全氮 2 个指标载荷较高，表明两区因子 1 主要反映了有机质和全氮的信息，1 区因子 2 主要反映了全盐和有效磷的信息，其载荷值分别为 0.805 和 0.870；2 区因子 2 主要反映了全盐和 pH 的信息，其载荷值分别为 0.830 和 0.851，2 区因子 3 主要反映了有效磷信息，其载荷值为 0.971。两区因子 1 是有机质和全氮含量对土壤养分供给情况的综合反映，1 区和 2 区的因子 2 分别是全盐、有效磷和全盐、pH 含量对土壤养分供给情况的综合反映，2 区因子 3 是有效磷含量对土壤养分供给情况的反映。对选取的因子进行载荷值旋转计算，分析所得的各变量相应的因子负荷，可得因子得分系数矩阵，见表8。

根据表8 可得出 1 区（F₁、F₂）和 2 区（F₁^*、 F₂^*、F₃^*）因子得分表达：

式中：z₁～z₆ 分别为标准化的全盐、pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾。

根据公式（1）～（5）得 1 区和 2 区土样的综合分（IFI、IFI^*）表达式：

2.4 土壤养分聚类分析

根据公式（6）和（7），计算对应的 IFI 和 IFI^* 值，将 IFI 和 IFI^* 值分为 5 个等级，1 区 IFI 值大于 1.10 为极高养分等级，0.45～1.10 之间为高养分等级，0.21～0.45 之间为中等养分等级，-0.91～0.21 间为低养分等级，小于-0.91 为极低养分等级。2 区 IFI^* 值大于 1.18 为极高养分等级，0.44～1.18 之间为高养分等级，-0.67～0.44 之间为中等养分等级，-0.67～-0.25 之间为低养分等级，小于-0.67 为极低养分等级。从表9 可知，1 区处于低养分及以下等级土壤占 61.53%，11.54% 为中等养分等级，高养分及以上等级土壤占 26.93%，其中等及以上水平等级占到了土壤养分约 2/5，土壤状况稍差。2 区处于低养分及以下等级土壤占 34.21%，47.37% 为中等养分等级，高养分及以上等级土壤占 18.42%，其中等及以上水平等级占到了土壤养分约 3/5，土壤状况中等。

3 讨论

3.1 土壤养分含量分析

西辽河平原盐渍化土主要分布于新开河两岸及科尔沁左翼中旗北部^[23]，盐化与碱化并存，盐分组成以苏打为主，pH 值均在 8 以上，总盐含量在 1～5 g/kg 之间，盐碱化现象比较普遍^[24]。本研究 1 区 pH 值范围为 8.02～9.62，土壤全盐量为 1.4～6.4 g/kg，碱化度为 1.54%～45.45%；2 区 pH 范围为 7.85～10.07，全盐量范围为 1.0～8.7 g/kg，碱化度范围为 0.51%～66.06%。该地因蒸发量大于降水量使得土壤积盐严重、地下水质属弱，矿化度以 HCO₃-Na、HCO₃-Ca 型为主，地下水位逐年下降、西辽河改道等自然因素及修建水库等人为因素使得土壤产生盐碱化。土壤 pH 过高会加剧元素间的拮抗作用，因此，施肥时注重施入肥料的酸碱性，既可调节土壤 pH，又对作物的根系生长和土壤养分吸收起重要作用。针对碱性土壤，还可以通过轮作、间作、套作等种植制度促进耕地生态系统的良性循环，降低土壤 pH。

冉成等^[25]研究表明苏打盐碱地肥力水平较低，氮素极易匮乏，土壤中速效磷、速效钾、有机质含量较低。本研究中 1 区和 2 区有机质处于较缺乏及以下等级分别占 92.31% 和 97.37%，全氮含量处于较缺乏及以下等级分别占 80.76% 和 74.99%，与冉成等^[25]研究结果一致。有机质含量缺乏主要原因是有机肥料投入较少^[26-28]，全氮含量低的原因主要与玉米生长消耗大量氮素有关，盐碱土具有较高的 pH 值会导致大量的 N 通过 NH₃ 和 N₂O 挥发从土壤中流失造成土壤中含氮量较低，一般情况下，农田土壤有机质和全氮含量之间存在显著耦合关系，有机质和全氮含量低也反映了该区施用无机氮肥较多。且本研究结果显示，1 区和 2 区表征有机质和全氮 2 个指标的因子 1，是影响土壤供给植物养分能力的主要因素，该结果与土壤养分含量分析结果一致，土壤有机质和全氮的含量较低。因此，该区域配方施肥应该考虑增加有机肥的施用^[29]。两区有效磷和速效钾含量较高，与冉成等^[25]研究结果不一致，究其原因可能是磷肥及钾肥投入过量导致有效磷、速效钾养分过量问题较为突出，应适当控制磷和钾的投入，减少不合理施肥可能带来的问题^[30-31]。1 区因子 2 和 2 区因子 3 主要表征有效磷，两区有效磷的含量较高，从侧面也说明了氮磷钾肥投入高但土壤氮素保持力低、磷钾富集严重，长期不合理施肥且氮磷钾施肥比例失调，急需合理调整养分投入比例并改进施肥方式来提高肥料的利用率，避免过量施肥带来的环境问题。

3.2 土壤养分空间分析及综合评价

在众多插值方法中普通克里格法及局部多项式法的精度较优^[32-33]，大量学者利用克里金插值法研究土壤肥力分布特征及质量评价，并发现农田土壤中有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的含量分布受施肥、灌溉方式和植被盖度等因素的影响^[34-35]。本研究利用克里格插值法研究了土壤养分空间分布，基本摸清了两区土壤养分和盐分的分布特点及布局，1 区有机质、全氮和速效钾北部含量均高于南部，pH 和有效磷由南向北呈先增大后减小再增大的分布规律；2 区全氮和有机质由南到北呈逐渐减小的趋势，速效钾分布呈不均匀斑块状，北部含量偏高，pH 最高峰值在东南部，而速效钾含量北部偏高。本研究中造成各养分含量如此分布的主要因素为施肥，农田中施入氮磷钾肥后，水分对肥料中的可溶态离子产生一定的运移作用使得这些养分具有变异性。除 1 区有效磷和 2 区 pH 外，其余养分指标都有较强的空间相关性，受人为因素影响相对较小，土壤养分变异是结构因子引起的，并使变量呈空间相关性。人为活动如种植作物类型、两区施肥量和施肥种类等对 1 区有效磷和 2 区 pH 空间相关性有一定的影响，但并未对其原有的养分分布格局产生强烈的破坏作用。由于实际地形使取样点不能均匀分布及取样点的密度和范围也会直接影响空间插值结果。

研究区大部分土壤有机质和全氮处于较缺乏状况，且 1 区大部分地区较 2 区低，这与土壤养分综合评价结果一致。土壤养分的综合值是土壤中各个因子协调的结果^[36-37]，通过聚类分析计算土壤养分综合值^[38]，1 区变幅在-1.13～1.42 之间，土壤养分状况稍差，虽然 1 区有效磷和速效钾含量较高，但其有机质和全氮含量较低影响了 1 区土壤养分综合评价结果。2 区变幅在-1.12～1.51 之间，土壤养分状况中等，2 区土壤有效磷、速效钾、有机质和全氮的含量较 1 区都稍高，因此土壤养分综合状况较 1 区好。施肥方式不当、管理粗放都会造成土壤养分贫瘠。还有部分原因与当地没有较科学合理的灌溉制度有关，这与董文荣^[39]的研究结果一致，该地区土壤多为粉砂壤质土和壤质土，其毛管孔隙大小适中，毛管水上升的高度大、速度快，不合理地灌溉也会使土壤肥料流失严重。

4 结论

本研究针对西辽河流域苏打盐碱耕地养分进行了单项评价和综合等级评价。在西辽河流域，苏打盐碱化耕地以苏打盐化土和钠质碱化土为主，土壤中全氮和有机质含量较低，大部分地区处于较缺乏等级，是流域作物生长的主要影响因子。研究 1 区盐分及养分指标都属于中等变异，仅 38.47% 耕地为中等以上等级，土壤养分状况稍差；研究 2 区 pH 属于弱变异，其余指标都属于中等变异，有 65.79% 耕地为中等以上等级，土壤养分状况中等。建议在农业生产中，西辽河流域应合理调肥，提高有机质和全氮含量，适当降低磷钾含量，以达到改善土壤养分及增产的目的。

参考文献