-
湖南省作为农业大省，耕地面积大，粮食产量高，对我国的粮食安全至关重要[1]。耕地土壤是作物生长的必需条件，土壤肥力是土地生产力的核心影响因素，与作物产量密切相关[2]。了解湖南省不同地区耕地土壤肥力现状及变化特征对粮食生产具有重大意义，可为湖南省耕地地力提升、农业可持续发展提供理论依据。自 20 世纪 80 年代起，我国大规模开展第二次土壤普查工作，基本摸清全国土壤养分状况。目前已有大量学者基于第二次普查工作成果开展了土壤肥力时空演变特征的研究。焉莉等[3]的研究表明，相较与第二次土壤普查时期，2015 年吉林省农田土壤有机质含量明显下降，碱解氮和有效磷含量显著提高，速效钾含量略有降低。孙耿等[4]研究对比了宁乡市第二次土壤普查及 2018 年稻田土壤肥力数据，结果表明，稻田土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾和综合肥力指数分别提高了 13.1%、98.5%、20.1%、 98.2%、13.7% 和 47.9%，但 pH 降低了 0.58。郭鑫年等[5]分析了宁夏中部干旱带土壤肥力的变化，与第二次土壤普查结果相比，2008—2012 年土壤有机质下降 12.2%，全氮下降 10.5%，碱解氮含量基本持平，有效磷提高 121.4%，速效钾下降 4.8%。不同地区的研究结果表明，土壤肥力的变化特征存在差异，前人的研究多基于同一地区不同时期土壤肥力数据的对比，而湖南省地形地貌复杂，东西南北各地区耕地土壤性质差异大，目前关于湖南省不同地区耕地土壤肥力现状和变化特征的研究未见报道。
-
本研究基于湖南省第二次土壤普查（1980 年） 和 2017—2018 年湖南省耕地质量监测数据，根据地形地貌和气候条件，分析湖南省耕地土壤 pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾和综合肥力指标的变化特征，探究不同地区土壤肥力指标的主控因素。研究结果将有助于进一步了解湖南省区域耕地土壤肥力现状和时空变化规律，为湖南省不同地区的耕地肥力提升和可持续发展提供科学依据。
-
1 材料与方法
-
1.1 研究区域概况
-
湖南省地处长江中游，位于 30 °08 ′— 24°38′N，108°47′—114°15′E，属大陆性亚热带季风湿润气候，无霜期长达 260～310 d，年平均降水量在 1200～1700 mm，雨量充沛，为我国雨水较多的省区之一。湖南省地势属于云贵高原向江南丘陵和南岭山地向江汉平原的过渡地带，地形地貌复杂。全省东、西、南三面山地环绕，逐渐向中部及东北部倾斜，形成向东北开口不对称的马蹄形。湘南有南岭山脉，峰顶海拔都在 1000 m 以上，向东西方向延伸，是长江和珠江水系的分水岭，山间盆地较多，谷地为交通要道。湘西有海拔在 1000～1500 m 山势雄伟的武陵山、雪峰山，是湖南省东西交通的屏障。雪峰山从城步苗族自治县至益阳境内是资水和沅水的分水岭，也是湖南省东、西自然条件的分界线。湘东有幕阜、连云、九岭、武功、万洋、诸广等山，海拔一般为 500～1000 m，均为东北—西南走向。湘中为海拔 500 m 以下的丘陵，台地广布。这些盆地多为河谷沟通，并有河流冲积平地。湘北为洞庭湖及湘、资、沅、澧四水尾闾的河湖冲积平原，海拔多在 50 m 以下。依据地形地貌和气候条件以及借鉴《湖南土壤》[6]将全省划分为 4 个区域：湘南丘陵山区、湘西山区、湘中湘东丘陵区和湘北平原区。
-
1.2 数据来源
-
本研究数据来源于湖南省第二次土壤普查 （1980 年）和 2017—2018 年湖南省耕地质量监测数据。为比较两个时期土壤肥力的变化特征，依据各个县市的数据样本数量的组成、数据覆盖度，湘北平原区选取 13 个县市、湘中湘东丘陵区选取 14 个县市、湘南丘陵山区选取 15 个县市和湘西山区选取 9 个县市，详见表1。依据第二次土壤普查 （1980 年）和 2017—2018 年湖南省耕地质量监测数据的指标构成，确定土壤有机质、pH、全氮、有效磷、速效钾 5 个指标并进行分析。
-
1.3 数据处理
-
由于数据量大，为了提高数据的精准性，将获得的数据通过 3σ 准则删除特异值[7]，即样本平均值加减 3 倍标准差，在此区间以外的数据均定为特异值。离群值大于样本平均值加 3 倍标准差，则用样本平均值加 3 倍标准差代替。离群值小于样本平均值减 3 倍标准差，则用样本平均值减 3 倍标准差代替[8]。运用 SPSS 23.0 和 Excel 2010 进行数据统计分析，利用 R 语言（3.4.4）进行数据的随机森林重要性分析。采用 Origin 2021 制图，图表中的平均值均为算术平均值。为了方便与第二次土壤普查数据进行对比，本研究的土壤养分分级标准与湖南省第二次土壤普查时制定的养分分级标准保持一致，具体分级见表2、表3。
-
1.4 土壤肥力指数计算
-
对确定的土壤有机质、pH、全氮、有效磷、速效钾 5 个指标利用模糊数学（Fuzzy）法进行土壤综合肥力评价[9]。首先建立隶属度函数，通过隶属度值实现评价指标量纲归一化，使评价指标间具有可比性。常见隶属度函数类型有 S 型、梯形型、抛物线型等。土壤中有机质、全氮、有效磷、速效钾在一定的范围内作物效应曲线呈 S 型，其隶属度函数采用 S 型曲线隶属度函数，土壤 pH 作物效应曲线呈抛物线（公式 1），其隶属度函数采用抛物线型曲线隶属度函数（公式 2）。
-
以第二次土壤普查的养分分级标准作参考 （表2），结合《土壤质量指标与评价》[10]土壤肥力指标隶属度函数的阈值范围，隶属函数中转折点取值见表4。
-
再利用相关系数法确定权重，根据模糊数学加乘法原则，计算综合土壤肥力指数（SFI），公式如下：
-
式中，Wi 与 Pi 为第 i 项评价指标的权重和隶属度值；n 为评价指标个数。SFI 取值在 0～1，其值越高，表明综合土壤肥力质量越好。依据章海波等[11] 的分级方法将 SFI 值分为 5 级，即 SFI ≥ 0.8 为土壤综合肥力好，0.6 ≤ SFI<0.8 为较好，0.4 ≤ SFI<0.6 为中等，0.2 ≤ SFI<0.4 为较差， SFI<0.2 为差。
-
2 结果与分析
-
2.1 土壤 pH
-
如图1 所示，第二次土壤普查时期湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区、湘西山区土壤 pH 均值分别为 6.57、6.26、6.68、6.46，变异系数分别为 15.0%、13.5%、14.8%、12.4%；湘西和湘中东土壤 pH 主要集中在弱酸性（5.5～6.5），分布频率分别为 49.5% 和 46.2%；湘南和湘北土壤 pH 主要集中在弱酸性与弱碱性之间（5.5～8.5），分布频率分别为 89.6% 和 84.3%，且弱酸性、中性、弱碱性土壤分布频率较为均匀。经过近 40 年的演变，2017 年耕地质量监测时期不同区域土壤 pH 呈现不同程度的下降趋势，主要增加了酸性土壤（pH 4.5～5.5）的分布频率，湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区、湘西山区在酸性土壤（pH 4.5～5.5）的分布频率上分别增加 25.5%、 26.3%、11.7%、33.2%；pH 平均值分别下降 0.29、 0.41、0.19、0.48，且土壤 pH 数据离散程度更高，湘西山区和湘中湘东丘陵区酸化进程强于湘北平原区和湘南丘陵山区。
-
2.2 土壤有机质
-
土壤有机质含量变化如图2 所示，第二次土壤普查时期湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区、湘西山区土壤有机质含量均值分别为 31.48、 31.66、35.47、30.31 g/kg，变异系数分别为 30.7%、 34.7%、43.7%、38.6%，养分等级主要分布在中等、较丰富、丰富等级。2017 年耕地质量监测时期湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区、湘西山区土壤有机质含量均值分别为 32.86、37.63、 35.71、29.37 g/kg，变异系数分别为 26.5%、26.2%、 31.7%、33.8%，养分等级主要分布在中等、较丰富、丰富等级。结果表明，经过近 40 年的演变，除湘中湘东丘陵区土壤有机质含量明显提高（提高幅度为 18.9%）外，其他地区无显著变化，在养分等级上湘中湘东丘陵区主要是降低了中等等级的土壤分布频率（-18.4%），增加了较丰富（9.9%）和丰富（16.6%）土壤等级的分布频率。
-
图1 湖南省不同地区土壤 pH 变化状况
-
图2 湖南省不同地区土壤有机质变化状况
-
2.3 土壤全氮
-
土壤全氮含量变化如图3 所示，第二次土壤普查时期湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区、湘西山区土壤全氮含量均值分别为 1.70、 1.55、1.81、1.68 g/kg，变异系数分别为 29.9%、 36.3%、37.9%、35.1%。2017 年耕地质量监测时期湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区、湘西山区土壤全氮含量均值分别为 2.05、2.11、2.09、 1.86 g/kg，变异系数分别为 23.3%、25.0%、29.7%、 27.4%。结果表明，经过近 40 年的演变，不同区域土壤全氮呈现不同程度的增加趋势，湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区、湘西山区全氮含量平均值分别提高 20.6%、36.1%、15.4%、 10.7%，所有地区的土壤全氮数据离散程度均有降低。
-
图3 湖南省不同地区土壤全氮变化状况
-
2.4 土壤有效磷
-
如图4 所示，第二次土壤普查时期湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区、湘西山区土壤有效磷含量均值分别为 9.37、7.82、6.76、6.28 mg/kg，湘北平原区、湘中湘东丘陵区土壤有效磷主要分布在较缺等级（5～10 mg/kg），分布频率分别为 45.5%、43.0%，且数据的离散程度高，变异系数分别为 105.4%、114.5%。湘南丘陵山区、湘西山区土壤有效磷主要分布在缺（3～5 mg/kg） 和较缺（5～10 mg/kg）两个等级，分布频率分别为 27.2% 和 40.5%、30.0% 和 35.1%。2017 年耕地质量监测时期湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区、湘西山区土壤有效磷含量均值分别为 14.0、12.3、22.0、13.4 mg/kg，分别提升 49.4%、 57.3%、229.8%、113.4%。经过近 40 年演变，湘南丘陵山区、湘西山区主要降低了有效磷在极缺（-3.9%、-6.1%）、缺（-21.1%、-14.4%）和较缺（-25.3%、-9.5%）等级的分布频率，增加了在中等（8.2%、13.1%）、较丰富（25.9%、10.8%）、丰富（16.3%、6.1%）等级的分布频率；湘北平原区、湘中湘东丘陵区主要降低了有效磷在较缺 （-24.0%、-19.8%）等级的分布频率，增加了较丰富（17.7%、12.3%）等级的分布频率。
-
图4 湖南省不同地区土壤有效磷变化状况
-
2.5 土壤速效钾
-
土壤速效钾含量变化如图5 所示，第二次土壤普查时期湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区、湘西山区土壤速效钾含量均值分别为 82.0、68.7、73.1、81.7 mg/kg，变异系数分别为 42.7%、50.0%、40.8%、41.1%。2017 年耕地质量监测时期不同区域土壤速效钾呈现不同程度的上升趋势，湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区、湘西山区土壤速效钾含量均值分别为 102.4、 98.0、97.9、89.5 mg/kg，分别提高了 24.8%、42.6%、3 3.9%、9.6%。经过近 40 年的演变，湘南丘陵山区、湘西山区主要降低了速效钾在较缺等级的分布频率 （-10.3%、-9.6%），增加了在较丰富等级的分布频率 （12.0%、2.7%）；湘北平原区、湘中湘东丘陵区主要降低了在缺等级的分布频率（-10.5%、-11.3%），增加了较中等等级的分布频率（13.1%、14.6%）。
-
2.6 土壤肥力综合指数
-
如图6 所示，第二次土壤普查时期湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区、湘西山区土壤综合肥力指数均值分别为 0.61、0.59、0.60、0.56，经过近 40 年的演变，土壤综合肥力指数显著提高， 2017 年湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘西山区土壤综合肥力指数均值分别为 0.64、0.69、0.68、0.65，分别提升 4.9%、16.9%、13.3%、16.1%。从分布上看，第二次土壤普查时期湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘西山区土壤综合肥力指数在各级分布频率较为均匀，经过 40 年土壤肥力的演变，2017 年土壤综合肥力指标向 0.6～0.8 较好肥力水平区间集中，2017 年湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区、湘西山区土壤综合肥力指数在 0.6～0.8 区间的分布频率分别为 63.6%、69.1%、52.2%、41.5%。
-
图5 湖南省不同地区土壤速效钾变化状况
-
图6 湖南省不同地区土壤肥力指标变化状况
-
注：不同小写字母表示不同时间组别之间存在显著差异（P<0.05）。
-
2.7 不同地区土壤肥力的驱动因素
-
为了更好地分析湖南省不同地区耕地肥力特征的变化差异，对第二次土壤普查时期和 2017 年耕地土壤单个肥力指标的重要性分别进行排序，结果如图7 所示。结果表明，第二次土壤普查时期土壤肥力的驱动因素单个肥力指标因子的重要性相对突出，湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区、湘西山区土壤全氮是最重要的驱动因子，其次是 pH、有机质、有效磷。经过近 40 年的演变， 2017 年土壤肥力的驱动因素单个肥力指标因子的重要性相对平均，湘北平原区耕地土壤肥力指标影响最大的因子是有效磷，其次分别为全氮、速效钾、有机质，影响最小的是 pH。湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区耕地土壤肥力指标受速效钾含量的影响最大。而全氮依然是湘西山区耕地土壤肥力指标最大的影响因子，pH 和有效磷影响较小。
-
图7 不同地区单个肥力指标相对重要性
-
3 讨论
-
3.1 不同地区土壤 pH 变化差异分析
-
土壤 pH 是土壤肥力重要指标之一，pH 过高或过低都会对作物的生长产生不利影响。时间尺度上，1980—2017 年湖南省不同地区耕地土壤 pH 均呈下降趋势，其中湘中湘东丘陵区和湘西山区下降幅度最大，分别为-0.41 和-0.48，土壤平均 pH 分别仅有 5.82 和 5.98，土壤酸化现象严重。焉莉等[3]研究也发现，对比第二次土壤普查结果，吉林省 2005—2010 年农田土壤整体存在酸化趋势。解文艳等[12] 对比 2007 和 2017 年山西农田土壤肥力指标发现，土壤 pH 整体呈下降趋势，约降低 0.14，但不同地区有所差异。武红亮等[13] 对全国尺度土壤监测，发现土壤 pH 前期（1988— 2001 年）快速下降，后期（2007—2016 年）稳定在 6.0～6.1。土壤 pH 受自然因素和人为因素的影响，酸化过程主要是土壤盐基阳离子的移除和强酸性阴离子的积累导致 pH 进一步降低[14]。原因一方面，湖南省为红黄壤地区，气温高、降水多、雨量大，土壤中铁铝氧化物容易富集，导致土壤酸化[15]；另一方面，很多长期定位试验的研究结果表明，施氮肥是土壤酸化产生的重要原因，其中一项位于湖南祁阳的长期定位试验，发现化肥施用 10 年间使土壤 pH 降低了 0.48[16]。湖南省是典型的农业大省，1983—2010 年湖南省化肥年均施用量从 1.02×106 t 增加到 2.36×106 t，年均增长率为 3.12%[17]，农业生产过程中大量氮肥的施用进一步加剧了土壤的酸化程度[18-19]。
-
在空间尺度上，本研究表明，第二次土壤普查时期湖南省不同区域土壤 pH 集中在 5.5～6.5 弱酸性范围内，近 40 年演变后，土壤 pH 值主要集中在 4.5～5.5 范围内，酸性土壤比例增加，但增加幅度不同区域间有所差异，其中湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘西山区酸性土壤比率超过弱酸性土壤的分布频率，酸化速率较快，湘南丘陵山区仍以弱酸性土壤占优势，差异可能与不同区域的种植习惯、酸沉降、成土母质相关。从种植习惯上看，湘北平原区、湘中湘东丘陵区由于地形地貌上的优势是湖南省生产优势区，土壤复种指数高，武良等[20]研究表明，氮肥用量向生产优势区集中，氮肥的大量投入加剧了湘北平原区、湘中湘东丘陵区土壤酸化进程。从酸沉降上看，前人研究表明，相较于其他区域，湖南中东部为酸沉降严重地区，酸化情况更为严重[21-22]。此外，不同母岩母质发育的土壤酸缓冲能力不同，是土壤酸化进程快慢的重要因素[23-24]，其中，第四纪红土、砂岩和花岗岩等发育的土壤盐基离子含量少，酸缓冲能力弱，容易发生酸化[18-19]； 而石灰岩发育的土壤、潮土等具有较强的酸缓冲能力。本研究中湘西山区 pH 下降过快可能与施肥、成土母质有关，湘西山区的主要成土母质为花岗岩、砂岩、板页岩风化物，酸缓冲能力较弱，且随着湘西地区森林的开发、化肥的大量施用等进一步加剧了土壤酸化进程。而湘南丘陵山区主要成土母质为石灰岩风化物，具有较强的碳酸盐酸缓冲体系，从而导致了酸化进程低于其他区域[25-26]。
-
值得注意的是，虽然总体上土壤呈酸化趋势，但强酸性（pH<4.5）土壤比例有所降低，这可能是由于本研究主要采集的为耕作土壤，当 pH<4.5 时将限制大部分作物的生长，在实际生产中会采用施用调理剂、石灰等手段，调节土壤 pH 值，因而强酸性（pH<4.5）土壤比例并未增加。
-
3.2 不同地区土壤养分指标变化分析
-
1980—2017 年，湖南省不同地区土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾均呈上升趋势。各养分指标的上升跟该地区大量化肥的投入施用及秸秆还田的推广有关。本研究中湘中湘东丘陵区有机质平均含量从 31.7 g/kg 提升到 37.6 g/kg，提升幅度达 18.6%，而其他地区的有机质含量变化不大。一方面，可能是因为近些年有机肥部分替代化肥、绿肥的推广利用、秸秆的全面禁烧及粉碎秸秆还田技术的进步都有利于土壤有机质的积累，长沙作为省会，位于湖南省中东部，周边地区在秸秆还田、有机肥替代化肥、绿肥利用等政策推广上力度更大、实施效果更好，土壤有机质含量得到了有效提高；另一方面，可能是本研究中以株洲县、衡东县、衡阳县、湘潭县为代表的畜牧大县[27-28]集中在湘中湘东丘陵区，间接加大了畜牧粪污在当地土壤中的输入量，从而造成了湘中湘东丘陵区有机质平均含量提升幅度大于其他区域。土壤全氮的主要来源是有机质，土壤有机质的矿化会释放大量氮素[16]，而全氮的增加也是氮肥施用的重要依据。王远鹏等[8]和申桐等[29]的研究也发现，相比于第二次土壤普查期间，2017 年研究地区土壤有机质、全氮含量均有不同程度提高。有效磷、速效钾也是土壤养分供应能力的重要指标，直接影响作物的生长，但磷肥的过量施用会存在养分流失严重和水体污染风险[30]。湖南省不同地区的有效磷、速效钾自第二次土壤普查后得到了大幅提升。与本研究类似，孙耿等[4]研究发现，2018 年宁乡市稻田有效磷、速效钾含量相比于第二次土壤普查时期分别提高了 98.2%、13.7%。但陈雄鹰等[31]发现，相比于 2013 年，2020 年长沙地区（属于湘中湘东丘陵区） 稻田有效磷下降了 31.36%～54.35%。不同研究结果不一致可能是因为研究地区和样点数量、时间的差异，农业生产会消耗土壤养分，而化肥的施用可以补充土壤损失的氮、磷、钾等营养元素，不同地区的农业耕作强度和化肥施用量也存在差异。
-
3.3 不同地区土壤综合肥力主控因子分析
-
近 40 年间湖南省不同地区的综合肥力指数得到提升，集中在 0.6～0.8 区间。自第二次土壤普查之后，很大部分中等肥力水平的耕地因化肥施用、秸秆还田等使土壤养分含量增加，另外，高标准农田的建设也进一步推动了土壤肥力水平的提升。但各地区土壤肥力的主控因素存在时空差异。申桐等[29]研究发现，寿阳县土壤肥力的主控因素是有机质、全氮、有效磷和速效钾，姜冰等[32] 研究结果表明，有机质、全氮是土壤肥力的首要限制因子。土壤肥力的主控因素不仅存在地区空间差异，同一地区也存在不同时期的时间差异。王远鹏等[8]发现，土壤碱解氮、pH 和速效钾分别为 1982、2008 和 2017 年 3 个时期进贤县稻田土壤肥力空间分布差异性的关键因素。土壤肥力水平是一个综合性指标，不同地区、不同时期土壤肥力的主控因素需要根据实际情况进行分析。本研究中，第二次土壤普查时期，湖南省各地区耕地土壤肥力最重要的驱动因子是全氮，无区域间差异，土壤综合肥力依靠处于较丰富等级的土壤全氮和有机质牵引。经过近 40 年的演变，2017 年湘北平原区耕地土壤肥力指标的主控因素是有效磷，这可能是由于湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区、湘西山区土壤有效磷平均值均虽然得到极大提升，但湘北平原区相较于其他区域土壤有效磷的变化呈两极分化趋势，分别增加了极缺等级（<3 mg/kg）和较丰富等级（20～40 mg/kg）的分布频率（10.7% 和 17.7%），类似于木桶效应，正因为湘北平原区有效磷极缺等级土壤数量的增加造成了土壤有效磷为该区土壤综合肥力的主控因子；湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区土壤肥力的主控因素为速效钾， 1980—2017 年间各区土壤速效钾平均含量均处于较缺等级，而有机质、全氮、有效磷等其他养分指标在 2017 年绝大部分土壤已处于中等或中等以上等级，且湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区土壤速效钾提升分别为 42.6%、33.9%，显著大于湘北平原区、湘西山区土壤速效钾提升幅度，同样类似于木桶效应，土壤速效钾提升能快速的提高土壤综合肥力，从而使得湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区土壤肥力的主控因素为速效钾；湘西山区土壤综合肥力最低，全氮是其主控因素，与第二次土壤普查时期一致但相对重要性降低。本研究中，土壤全氮处于较丰富等级时（第二次土壤普查时期），提高土壤全氮水平可快速提高土壤综合肥力，而有机质与全氮密不可分，有机质对肥力的影响也较大。经过近 40 年的肥力演变，湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区和湘北平原区的全氮水平得到提高，达到丰富等级，导致处于中等、较缺等级的有效磷、速效钾成为地区土壤肥力的主控因素。整体而言，湖南各地区土壤 pH 集中在弱酸或中性范围内，对土壤肥力的影响小于其他养分指标。因此，土壤综合肥力的影响因素与当地土壤养分初始含量、农艺措施、化肥施用量、绿肥和有机肥利用情况等密切相关，制定适合本地区的土壤管理方案、优化施肥结构至关重要。
-
4 结论
-
（1）1980—2017 年间湖南省全省 pH 呈下降趋势，存在土壤酸化风险，湘西山区和湘中湘东丘陵区酸化进程强于湘北平原区和湘南丘陵山区。
-
（2）各地区耕地土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾均呈上升趋势。
-
（3）相比于第二次土壤普查期间，当前除湘南丘陵山区外，湖南省耕地土壤肥力水平整体提升，土壤综合肥力指数向 0.6～0.8 区间集中。2017— 2018 年湘北平原区耕地土壤肥力指标的主控因素是有效磷，湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区土壤肥力的主控因素是速效钾，湘西山区是全氮。
-
参考文献
-
[1] 胡华．湖南省粮食安全影响因素分析及措施建议［J］．南方农业，2022，16（15）：19-22．
-
[2] 黄晶，蒋先军，曾跃辉，等．稻田土壤肥力评价方法及指标研究进展［J］．中国土壤与肥料，2017（6）：1-8．
-
[3] 焉莉，王寅，冯国忠，等．吉林省农田土壤肥力现状及变化特征［J］．中国农业科学，2015，48（23）：4800-4810．
-
[4] 孙耿，孙梅，周峻宇，等．40 年来宁乡市稻田土壤肥力时空变异分析［J］．中国土壤与肥料，2020（6）：41-49．
-
[5] 郭鑫年，周涛，纪立东，等．宁夏中部干旱带土壤肥力综合评价——以同心县为例［J］．中国农学通报，2019，35（15）：66-73．
-
[6] 湖南省农业厅．湖南土壤［M］．上海：农业出版社，1989：513-541．
-
[7] 赵辉，邵素华，谢东坡．分析数据中离群值的处理方法［J］． 周口师范学院学报，2004（5）：70-71，115．
-
[8] 王远鹏，黄晶，孙钰翔，等．近35年红壤稻区土壤肥力时空演变特征——以进贤县为例［J］．中国农业科学，2020，53（16）：3294-3306．
-
[9] 黄晶，韩天富，申哲，等．基于模糊数学（Fuzzy）法的中国水稻土肥力质量近30年的时空变化特征［J］．土壤学报，2023，60（2）：355-366．
-
[10] 徐建明，张甘霖，谢正苗，等．土壤质量指标与评价［M］． 北京：科学出版社，2010：72-73，170-184，196-200．
-
[11] 章海波，骆永明，赵其国，等．香港土壤研究 Ⅵ．基于改进层次分析法的土壤肥力质量综合评价［J］．土壤学报，2006，43（4）：577-583．
-
[12] 解文艳，周怀平，杨振兴，等．山西省农田土壤肥力现状及近10年变化特征［J］．中国土壤与肥料，2022（10）：1-10．
-
[13] 武红亮，王士超，闫志浩，等．近30年我国典型水稻土肥力演变特征［J］．植物营养与肥料学报，2018，24（6）：1416-1424．
-
[14] Van B N，Driscoll C T，Mulder J．Acidic deposition and internal proton sources in acidification of soils and waters［J］．Nature，1984，307（16）：599-604．
-
[15] 赵学强，潘贤章，马海艺，等．中国酸性土壤利用的科学问题与策略［J］．土壤学报，2023，60（5）：1248-1263．
-
[16] 胡天睿，蔡泽江，王伯仁，等．有机肥替代化学氮肥提升红壤抗酸化能力［J］．植物营养与肥料学报，2022，28（11）：2052-2059．
-
[17] 赵志坚，胡小娟，彭翠婷，等．湖南省化肥投入与粮食产出变化对环境成本的影响分析［J］．生态环境学报，2012，21（12）：2007-2012．
-
[18] Guo J H，Liu X J，Zhang Y，et al．Significant acidification in major Chinese croplands［J］．Science，2010，327（5968）：1008-1010．
-
[19] Tian D S，Niu S L．A global analysis of soil acidification caused by nitrogen addition［J］．Environmental Research Letters，2015，10（2）：024019．
-
[20] 武良，张卫锋，陈新平，等．中国农田氮肥投入和生长效率 ［J］．中国土壤与肥料，2016（4）：76-83．
-
[21] 余倩，段雷，郝吉明．中国酸沉降：来源、影响与控制［J］． 环境科学学报，2021，41（3）：731-746．
-
[22] 中国生态环境部．中国生态环境状况公报［OL］．2023-07-25．
-
[23] 吴甫成，王晓燕，邹君，等．湖南土壤酸缓冲性能研究 ［J］．农业现代化研究，2001，22（1）：58-62．
-
[24] 赵凯丽，蔡泽江，王伯仁，等．不同母质和植被类型下红壤pH和交换性酸的剖面特征［J］．中国农业科学，2015，48（23）：4818-4826．
-
[25] 徐仁扣．土壤酸化及其调控研究进展［J］．土壤，2015，47（2）：238-244．
-
[26] Cardoso E J B N，Vasconcellos R L F，Bini D，et al．Soil health：looking for suitable indicators．What should be considered to assess the effects of use and management on soil health?［J］． Scientia Agricola，2013，70：274-289．
-
[27] 湖南农业统计年鉴编委会．湖南农业统计年鉴［M］．长沙：湖南省统计局，1996：108-119．
-
[28] 湖南农村统计年鉴编委会．湖南农村统计年鉴［M］．长沙：湖南省统计局，2017：103-114．
-
[29] 申桐，王恒飞，杜文波，等．褐土区典型县域耕地土壤肥力时空演变特征及主控因素［J］．中国农业科学，2023，56（21）：4259-4271．
-
[30] 杨世琦，颜鑫．基于农作物施肥量视角的区域尺度农田面源污染风险评价研究［J］．中国农业大学学报，2023，28（2）：147-159．
-
[31] 陈雄鹰，王闯，崔小玉，等．长沙水稻主产区土壤肥力的变化分析［J］．湖南农业科学，2021（7）：29-32．
-
[32] 姜冰，王松涛，孙增兵，等．基于隶属度函数和主成分分析的耕地土壤肥力评价［J］．中国农学通报，2023，39（2）：22-27．
-
摘要
为明确湖南省不同地区耕地土壤肥力演变特征和主控因素，基于湖南省 1980 年第二次土壤普查和 2017 年耕地质量监测数据（包括 pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾），采用模糊数学（Fuzzy）法计算土壤综合肥力指数，通过随机森林模型分析土壤肥力的主控因素。结果表明，1980—2017 年湖南省耕地土壤 pH 呈下降趋势，湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区、湘西山区 pH 均值分别下降 0.29、0.41、0.19、0.48；湘北平原区、湘南丘陵山区、湘西山区土壤有机质含量基本维持稳定，均值变化幅度在 -3.1% ～ 4.4%，湘中湘东丘陵区土壤有机质含量则显著提升，幅度达 18.9%；各地区耕地土壤全氮、有效磷和速效钾均呈上升趋势，土壤全氮、土壤速效钾湘中湘东丘陵区提升幅度最大，分别为 36.1% 和 42.6%，土壤有效磷湘南丘陵山区提升幅度最大，为 229.8%；2017—2018 年湖南省耕地土壤肥力综合指数向 0.6 ～ 0.8 区间集中，全省肥力水平得到提升，随机森林模型分析表明经过近 40 年演变，不同地区耕地土壤主控因素存在差异，湘北平原区耕地土壤肥力指标的主控因素是有效磷，湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区土壤肥力的主控因素是速效钾，湘西山区是全氮。
Abstract
In order to clarify the evolution characteristics and main controlling factors of cultivated soil fertility in different regions of Hunan Province，based on the second soil census in 1980 and the monitoring data of cultivated land quality in 2017（including pH，organic matter，total nitrogen，available phosphorus and available potassium）. The Fuzzy method was used to calculate the soil comprehensive fertility index，and the Random Forest Model was used to analyze the main controlling factors of soil fertility. The results showed that the pH of cultivated soil in Hunan Province showed a downward trend from 1980 to 2017. The average pH values in the northern Hunan（plain area），the central and eastern Hunan（hilly area），the southern Hunan（hilly area）and western Hunan（mountainous area）were decreased by 0.29，0.41，0.19 and 0.48，respectively. The content of soil organic matter in the northern Hunan，the southern Hunan and the western Hunan remained basically stable，with an average range of -3.1%-4.4%. The content of soil organic matter in the central and eastern Hunan increased significantly，with a range of 18.9%. The total nitrogen，available phosphorus and available potassium of cultivated land in all regions showed an upward trend. The maximum increase of soil total nitrogen and soil available potassium in central and eastern Hunan was 36.1% and 42.6%，respectively，and the maximum increase of soil available phosphorus in southern Hunan was 229.8%. From 2018 to 2017，the comprehensive index of cultivated land soil fertility in Hunan Province was concentrated in the range of 0.6-0.8，and the fertility level of the whole province was improved. The random forest model analysis pointed out that after nearly 40 years，the main controlling factors of cultivated land soil in different regions were different. The main controlling factor of cultivated land soil fertility index in the northern Hunan was the available phosphorus. The main controlling factor of soil fertility in the eastern and southern Hunan was available potassium，and total nitrogen in the western Hunan.
Keywords
pH ； nutrient characteristics ； soil fertility ； Hunan Province ； regional differences
