摘要
研究土壤 pH 及养分变化趋势，对科学施肥、因地制宜开展高标准农田建设、持续推进测土配方施肥技术具有重要意义。通过收集 1980 年第二次全国土壤普查数据、2010 年耕地地力评价数据和 2022 年第三次全国土壤普查数据，基于 ArcGIS 技术开展眉山市东坡区耕地土壤 pH 和养分的时空分布和等级变化特征分析。结果表明：1980—2022 年东坡区土壤 pH 逐步降低，有机质、全氮含量呈先增加后减少趋势，有效磷、速效钾含量均呈增加趋势。西部土壤 pH 整体较低，各养分指标整体呈中东部高西部低的特点。就等级变化而言，全区耕地土壤酸化现象严重，各养分指标均处于中等或中等偏上水平。全区耕地土壤整体偏酸性、耕地土壤酸化现象严重，养分整体呈增加趋势，本研究可为东坡区高标准农田建设、养分管理提供科学依据。
Abstract
The trends of soil pH and nutrient changes is of great significance for soil nutrient management，scientific fertilization，tailored construction of high standard farmland and continuous promotion of soil testing and formula fertilization technology. The spatiotemporal distribution and grade change characteristics of soil pH and nutrients in Dongpo district， Meishan city over the past 40 years were compared and analyzed by collecting data from the second national soil census in 1980，the land fertility evaluation data in 2010，and the third national soil census data in 2022. In the past 40 years，the soil pH in the study area gradually decreased，and the overall nutrient content showed an increase followed by a decrease in organic matter and total nitrogen content，while the contents of available phosphorus and available potassium showed an increasing trend. The overall pH of the soil in the western region showed relatively acidic，and various nutrient indicators were characterized by high values in the central and eastern regions and low values in the western regions. In terms of grade change，soil acidification was serious in the whole region，and all nutrient indexes were at a medium or above medium level. The phenomenon of cultivated soil acidification in the whole area was serious，and the overall nutrient trend was increasing. This study could provide scientific basis for the construction of high standard farmland and nutrient management in Dongpo district.
Keywords
党的二十大指出，全面推进乡村振兴，全方位夯实粮食安全根基，牢牢守住十八亿亩耕地红线。土壤是作物生长最主要的载体，土壤养分水平极大程度影响农田生产力。土壤养分含量变化受母质、地形、气象等自然条件和施肥、种植习惯等人为因素的综合影响[1-3]。土壤形成的复杂过程和土地利用类型的变更使养分具有时空变异性，因此掌握耕地养分的时空变化特征，对实现精准施肥、提高耕地质量及促进农业可持续发展具有重要的现实意义[4-6]。
近年来，经典统计学、数理统计学等理论与方法，结合地理信息系统（GIS）技术，被广泛应用于土壤养分时空变异特征的研究，为实现耕地土壤的科学管理和可持续利用提供技术支撑[7-9]。眉山市东坡区是全国粮食生产大县，位于“天府粮仓” 核心区，是第三次全国土壤普查试点县之一。在这片土地上，要打造更高水平的天府粮仓，根基在于土壤[10]。自第二次全国土壤普查以来，随着社会经济的发展和制度政策的变革，东坡区的土地利用方式、种植制度、施肥管理水平等都发生了显著变化，对土壤养分的变化产生重要影响[11-14]，但目前尚缺乏对东坡区耕地土壤养分时空变化的系统研究。为了摸清东坡区 40 年耕地土壤养分变化特征，本研究通过统计分析东坡区 1980 年第二次全国土壤普查数据、2010 年耕地地力评价数据和 2022 年第三次全国土壤普查数据，研究土壤 pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾在不同时期的空间变异及等级变化特征，为东坡区土壤资源的高效利用、耕地质量提升和保护以及科学施肥提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
眉山市东坡区位于四川盆地成都平原西南边缘，境内一江四河[一江：岷江，四河：思蒙河、醴泉河、粤（鲫）江河、王店子河]，水系呈树枝状分布，江河全长 148.8 km。东坡区属亚热带湿润气候区，冬无严寒，夏无酷暑，年平均气温 17.2℃，无霜期 318 d，年平均降水量 1057.5 mm，年均日照时数 1193.8 h。东坡区土壤分为 5 个土类、12 个亚类、24 个土属、54 个土种。其中，土类包括潮土、黄壤、水稻土、新积土和紫色土。
东坡区耕地以岷江灰色冲积母质、思蒙河黄紫色冲积母质形成的土壤为主，其次是第四纪冰川沉积形成的黄土状母质发育的土壤，而以紫色砂岩、泥页岩的残坡积物母质发育形成的丘陵区和山区耕地土壤相对较少。根据第三次国土资源调查结果，东坡区耕地 30920 hm2，其中，水田 24860 hm2，占 80.38%；水浇地 300 hm2，占 0.97%；旱地 5760 hm2，占 18.65%。
1.2 资料收集
收集整理东坡区第二次土壤普查文字成果 《眉山县第二次土壤普查资料汇编》及 1∶50000 CGCS2000 坐标系高精度数字土壤图、1∶10000 CGCS2000 坐标系第三次全国国土调查成果数据、 2010 年耕地地力评价工作的文字成果和耕地资源管理信息系统、东坡区第三次土壤普查的文字和数字化图件成果等。其中第二次土壤普查资料、2010 年耕地地力调查文字成果由眉山市东坡区农业农村局提供，第三次全国土壤普查文字和数字化图件成果由眉山市东坡区第三次土壤普查办公室提供。
1.3 数据处理
将东坡区土壤图、土地利用现状图、村级区域矢量图层进行叠加，把相同土壤类型、土地利用类型且同属一个村社的地块划分为一个评价单元。研究利用 SPSS 25.0 对 2010 年耕地地力评价项目 359 个表层样、第三次土壤普查 1296 个表层样点数据进行 K-S 检验、描述性统计、相关性分析等，运用 ArcGIS 10.2 对采样数据进行空间自相关分析及随机森林插值，并采用交叉验证的方法验证模型精度[15-18]，各指标的决定系数＞ 0.7361，模型精度较高。依据农业农村部耕地质量监测保护中心《西南区耕地质量监测指标分级标准》（耕地监测函〔 2019〕30 号）对土壤养分进行分级（表1）。因东坡区是第二次全国土壤普查的试点县，其土壤养分的分级标准与四川省第二次、第三次土壤普查的标准不统一，因此无法与第三次土壤普查时各级土壤养分的耕地面积比例进行对比分析。因此，本文基于第二次全国土壤普查的纸质成果、2010 年耕地地力调查数据库和第三次全国土壤普查最新的图件成果，对样点进行描述性统计分析、对比。再基于 2010 和 2022 年耕地资源调查数据，制作县域耕地土壤 pH 和各养分差的分级图，从而分析 2010— 2022 年各区域养分变化情况。
表1西南区耕地质量监测指标分级标准
注：依据农业农村部耕地质量监测保护中心《西南区耕地质量监测指标分级标准》（耕地监测函〔2019〕30 号）对土壤养分进行分级。
2 结果与分析
2.1 土壤 pH 及养分基本统计特征
东坡区 1980 年耕地土壤 pH 平均值为 6.90 （表2），处于高水平，变幅为 4.98～9.10；2010 年耕地土壤 pH 平均值为 6.07，处于高水平，变幅为 3.50～9.10，变异系数为 17.63%；2022 年耕地土壤 pH 平均值为 5.85，处于较高水平，变幅为 3.49～8.70，变异系数为 24.27%。1980—2010 年，土壤 pH 降低 0.83。2010—2022 年，土壤 pH 降低 0.22，变异系数增加 6.64 个百分点；1980—2022 年，土壤 pH 共降低 1.05。
由表2可知，东坡区 1980 年耕地土壤有机质平均含量为 13.75 g/kg，处于较低水平，变幅为 0～41.60 g/kg；2010 年土壤有机质含量为 25.06 g/kg，处于较高水平，变幅为 1.80～47.20 g/kg，变异系数为 28.97%；2022 年土壤有机质含量为 21.53 g/kg，处于中等水平，变幅为 2.60～37.50 g/ kg，变异系数为 40.08%。1980—2010 年，土壤有机质含量增长 11.31 g/kg；2010—2022 年，土壤有机质含量减小 3.53 g/kg，变异系数上升 11.11 个百分点。总体来说，多年来该地区土壤经过长时间耕种和耕地改良使土壤有机质含量得到了明显的提升。
表21980—2022 年东坡区土壤 pH 及养分指标对比
注：—表示未从第二次土壤普查资料中查找到相关信息。
东坡区 1980 年耕地土壤全氮含量为 0.80 g/kg，处于较低水平，变幅为 0.05～2.23 g/kg；2010 年土壤全氮含量为 1.59 g/kg，处于较高水平，变幅为 0.28～2.98 g/kg，变异系数为 26.42%；2022 年土壤全氮含量为 1.26 g/kg，处于中等水平，变幅为 0.16～3.45 g/kg，变异系数为 38.10%。1980—2010 年，土壤全氮含量增长 0.79 g/kg；2010—2022 年，土壤全氮含量减小 0.33 g/kg，变异系数增加 11.68 个百分点。
东坡区 1980 年耕地土壤有效磷含量为 6.76 mg/kg，处于较低水平，变幅为 0～20.85 mg/kg； 2010 年土壤有效磷含量为 13.92 mg/kg，处于较低水平，变幅为 0.10～80.60 mg/kg，变异系数为 87.43%；2022 年土壤有效磷含量为 15.42 mg/kg，处于中等水平，变幅为 1.00～78.80 mg/kg，变异系数为 102.33%。1980—2010 年，土壤有效磷含量增加 7.16 mg/kg；2010—2020 年，土壤有效磷含量增加 1.50 mg/kg，变异系数增加 14.90 个百分点； 1980—2022 年，土壤有效磷含量增加 8.66 mg/kg。多年来该地区耕地土壤有效磷含量呈增长趋势，表明东坡区耕地土壤环境逐步改善，土壤肥力逐步提升。
东坡区 1980 年耕地土壤速效钾含量为 55.2 mg/ kg，处于较低水平，变幅为 10.0～165.0 mg/kg； 2010 年土壤速效钾含量为 77.3 mg/kg，处于中等水平，变幅为 6.0～193.0 mg/kg，变异系数为 36.67%；2022 年土壤速效钾含量为 110.2 mg/kg，处于较高水平，变幅为 21.0～205.0 mg/kg，变异系数为 53.95%。1980—2010 年，土壤速效钾含量增加 22.1 mg/kg；2010— 2022 年，土壤速效钾含量增加 32.9 mg/kg，变异系数增加 17.28 个百分点；1980—2022 年，土壤速效钾含量增加 55.0 mg/kg。东坡区土壤速效钾含量变化表明，多年来该地区土壤速效钾含量呈增长趋势，土壤肥力逐步提升。
2.2 土壤 pH 及养分时空变化特征
2.2.1 土壤 pH 变化
如图1所示，1980 年全区酸性土（pH 4.5～5.5）耕地面积占比为 14.34%；微酸性土（pH 5.5～6.5）的耕地面积占比为 32.51%；中性土（pH 6.5～7.5）的耕地面积占比为 33.54%；碱性土（pH>7.5） 以上的耕地面积占比为 19.55%。2010 年，东坡区 pH ≤ 4.5 的耕地面积占比为 0.01%；pH 4.5～5.5 的面积占比为 31.00%；pH 5.5～6.5 的面积占 39.79%；pH 6.5～7.5 的面积占 19.02%；pH>7.5 的面积占 10.18%。2022 年，pH ≤ 4.5 的面积占比 3.77%；pH 介于 4.5～5.5 的耕地面积占比 31.87%； pH 介于 6.5～7.5 的耕地面积占比 29.39%；pH>7.5 的耕地面积占比 10.24%。可见，2010 年全区土壤 pH 较 1980 年明显降低，全区耕地土壤整体偏酸化。与 2010 年比，2022 年强酸性土壤增加了 4.63%（pH ≤ 5.5）。2022 与 2010 年耕地土壤 pH 差分级图见图2。西部紫色土下降最多，中部和东部黄壤、水稻土下降少。1980—2022 年，碱性土壤大量减少，强酸性土壤大量增加。
图1东坡区 1980、2010 和 2022 年各酸碱度级别耕地占耕地总面积比例变化
图2东坡区 2022 与 2010 年耕地 pH 差分级图
2.2.2 土壤有机质变化
1980 年全区耕地土壤有机质含量普遍偏低，有机质含量 >20.0 g/kg 的耕地面积占比为 33.4%；而有机质含量≤ 10.0 g/kg 的耕地面积占比为 14.2%。2010 年全区耕层土壤有机质含量以中等为主，处于中等水平（15.0～25.0 g/kg） 的耕地面积占比为 60.66%；土壤有机质含量处于较高水平（25.0～35.0 g/kg）的耕地面积占比为 39.07%（图3）。2022 年，有机质丰富（>25.0 g/kg） 耕地面积占比为 43.96%；处于中等水平的耕地面积占比为 50.16%； ≤ 15.0 g/kg 耕地面积占比为 5.89%。可见，2010 年全区土壤有机质较 1980 年有较大的提高。与 2010 年相比，2022 年全区土壤有机质处于中等及以上水平（>15.0 g/kg）的耕地面积占比下降 5.61%。2022 与 2010 年耕地土壤有机质差分级图见图4。结合土地利用现状，与 2010 年相比，2022 年西部耕地和可调整园地有机质含量大幅减少，中部和东部稻菜区有小幅增加。近40 年来，土壤有机质含量变化总体呈先增加后减小趋势。总体上看，处于中上水平。1980—2022 年，东坡区土壤有机质含量整体呈西低东高，由西向东变化的趋势。
图3东坡区 2010 与 2022 年耕地各有机质级别的耕地面积比例对比
图4东坡区 2022 与 2010 年耕地有机质含量差分级图
2.2.3 土壤全氮变化
1980 年全区土壤含氮普遍偏低，全氮含量大多在 1.3 g/kg 之下。其中 >1.3 g/kg 耕地面积占比为 30.0%；含量介于 0.9～1.3 g/kg 的耕地面积占比为 33.2%；含量介于 0.5～0.9 g/kg 的耕地面积占比为 30.7%；含量≤ 0.5 g/kg 的耕地面积占比为 6.1%。2010 年，全区耕层土壤全氮含量以中等偏上水平为主，耕层土壤全氮含量处于中等水平 （1.0～1.5 g/kg）的耕地面积占比为 43.88%；而土壤全氮含量处于丰富水平（1.5～2.0 g/kg）的耕地面积占比为 52.18%，另外，处于很丰富水平（>2.0 g/kg）的耕地面积占比为 3.69%（ 图5）。2022 年，全氮含量丰富（>1.5 g/kg）的耕地面积占比为 32.23%；处于中等范围的耕地面积占比为 53.84%； ≤ 1.0 g/kg 的耕地面积占比为 13.93%。可见，2010 年全区土壤全氮较 1980 年有较大的提高。2022 与 2010 年耕地土壤全氮差分级图见图6。整体上来看，与 2010 年相比，2022 年耕地全氮在丰富及以上水平的占比下降较大，下降的耕地面积占比达 19.87%（图5），但中部粮油种植区域有所增加。 1980—2022 年，土壤全氮含量整体呈西低东高趋势，这与有机质变化趋势相同。
2.2.4 土壤有效磷变化
1980 年全区土壤有效磷含量为 9 mg/kg 以上的耕地面积占比为 25.6%；含量介于 8～9 mg/kg 的耕地面积占比为 29.1%；≤ 8 mg/kg 的耕地面积占比为 45.3%。2010 年有效磷含量丰富（ ＞ 25.0 mg/kg）的耕地面积占比为 3.50%；处于中等范围的耕地面积占比为 36.12%；≤ 15.0 mg/kg 的耕地面积占比为 60.38%（图7）。2022 年有效磷含量丰富（>25.0 mg/kg）的耕地面积占比为 4.90%；处于中等范围的耕地面积占比为 13.59%；≤ 15.0 mg/kg 的耕地面积占比为 81.51%。可见，2010 年全区土壤有效磷较 1980 年有较大的提高。2022 与 2010 年耕地土壤有效磷差分级图见图8。整体上来看，与 2010 年相比，2022 年土壤有效磷含量出现两极分化，缺乏和极丰富都增加，其耕地面积增加的占比分别为 1.40% 和 21.13%；中等区间大量减少，其耕地面积减少 22.53%。结合土地利用现状，粮油种植区和部分果园增加幅度较大。1980—2022 年，土壤有效磷含量整体呈中部和西北部高、东部和南部低的趋势。
图5东坡区 2010 与 2022 年耕地各全氮级别的耕地面积比例对比
图6东坡区 2022 年与 2010 年耕地全氮含量差分级图
图7东坡区 2010 与 2022 年耕地各有效磷级别的耕地面积比例对比
图8东坡区 2022 与 2010 年耕地有效磷含量差分级图
2.2.5 土壤速效钾变化
1980 年全区土壤速效钾含量均在 40 mg/kg 以上，在 60 mg/kg 以上的耕地面积占比为 45%；含量介于 45～60 mg/kg 的耕地面积占比为 41%；介于 30～45 mg/kg 耕地面积占比为 14%。2010 年，速效钾含量丰富（>100 mg/kg）的耕地面积占比为 7.96%； 处于中等范围的耕地面积占比为 52.71%；≤ 75 mg/kg 的耕地面积占比为 39.33%（图9）。2022 年，速效钾含量丰富（>100 mg/kg）的耕地面积占比为 16.86%； 处于中等范围的耕地面积占比为 22.16%；≤ 75 mg/kg 的耕地面积占比为 60.98%。2022 年与 2010 年耕地土壤速效钾差分级图见图10。整体上来看，与 2010 年相比，2022 年土壤速效钾含量出现缺乏级别增加，其耕地面积增加的占比达 21.65%；中等区间大量减少。结合土地利用现状，粮油种植区和部分可调整果园区增加幅度较大。1980—2022 年，速效钾含量整体处于丰富水平。
图9东坡区 2010 年与 2022 年耕地各速效钾级别的耕地面积比例对比
图10东坡区 2022 年与 2010 年耕地速效钾含量差分级图
3 讨论
本文以东坡区耕地为研究对象，基于 3 个时间段，利用经典统计学、地学信息图谱与土壤养分变化相结合的方法，开展了 40 年来耕层土壤养分的主要变化趋势研究。
1980—2022 年，耕地土壤 pH 逐步降低，整体平均下降 1.05，这与土壤类型、矿质肥料的投入，尤其是氮肥的过量施用，以及酸雨沉降有关[19]。代钎里等[20]研究表明 40 年来四川盆地耕层土壤 pH 平均下降 0.7。相较于四川省其他地区，该地区 pH 下降幅度更大，这与东坡区的土壤以河流冲击土壤为主，对酸雨沉降的 SO4 2- 吸附量小于解吸量相关[21]。土壤有机质、全氮含量呈先增加后减少趋势，有效磷、速效钾含量均呈增加趋势，这与奇台县 40 年来耕层土壤养分变化特征一致[1]。20 世纪 80 年代初，随着家庭联产承包责任制的实行，在传统种植观念的影响下导致化肥过量和不合理施用，造成了化肥残留使得土壤养分含量过高。此外，农作物种植结构影响农民对耕地生产资料的投入和对耕地的利用。随着东坡区泡菜、中药材产业的急速发展，种植经济作物的耕地得到更多的生产资料投入。自从 2006 年四川省全面实施测土配方施肥技术、倡导秸秆还田、推行化肥减量增效后，农民的科学施肥意识有了极大提升，科学调整施肥结构，提高肥料利用率，氮肥施用量呈下降趋势。
1980—2022 年，东坡区碱性耕地土壤大量减少，强酸性土壤大量增加。西部紫色土下降最多，中部和东部黄壤、水稻土下降少。西部多为坡耕地，在坡度较陡、降水强度较大与植物覆被率极低的情况下，地表出现的径流尤为迅速，容易形成流水侵蚀，导致土壤结构的破坏及土壤物理性质的恶化。土壤有机质、全氮含量整体呈西低东高，由西向东变化的趋势。东部为东坡区“天府粮仓”核心示范区，多种植粮油作物，在秸秆还田、绿色种养循环项目的依托下，加大了秸秆还田和有机肥的投入量，因此东部有机质整体呈现显著增加趋势，这与袁浩亮等[22]、杨凯等[23]的研究发现相一致。土壤有效磷含量整体呈中部和西北部高、东部和南部低的趋势。可能是由于平原地区一年内种植两季以上的农作物，土壤的施肥次数多，磷肥在土壤中有较大的累积效应，最终导致土壤的供磷水平不断提高[11]。1980—2022 年，速效钾含量整体处于丰富水平。结合土地利用现状，粮油种植区和部分可调整果园区增加幅度较大。
基于东坡区土壤 pH 和养分的变异特征，结合当地的土壤、气候、种植结构、栽培管理等信息提出以下生产建议：（1）合理施肥。结合测土配方项目进行平衡施肥，推广有机肥与化肥配合施用。 （2）全面推进秸秆还田，改善土壤环境，减少碱性物质的流失，配合施用土壤调理剂、生理碱性肥料，缓解土壤酸化。（3）以绿色种养循环农业项目为依托，推行畜禽粪肥低成本、机械化、就地就近还田，提高有机肥资源还田量。（4）针对严重酸化土壤，合理施用石灰等土壤调理剂，配合实施秸秆粉碎还田、绿肥种植还田、施用有机肥等综合措施，逐步改良培肥酸化土壤，调整优化作物、品种布局[24-25]。
4 结论
本文基于多时期土壤 pH 和养分数据，揭示了东坡区 40 年来土壤 pH 和养分变化规律。
（1）时间上，1980—2022 年东坡区耕地土壤酸化现象严重，耕地土壤整体偏酸性。有机质和全氮含量总体呈先增加后减少的趋势，有效磷和速效钾含量持续增加。
（2）空间上，有机质含量主要集中 15～35 g/kg，整体上呈西低东高的趋势；全氮含量主要集中在 1.0～2.0 g/kg，整体上呈西低东高的趋势；有效磷含量主要集中在 5～15 mg/kg，整体上呈中部和西北部高、东部和南部低的趋势；速效钾含量集中在 50～100 mg/kg，总体呈东部和东南部高、西部和西北部低的趋势。
（3）东坡区农业生产应注意增氮、稳磷、控钾，结合作物生长所需肥力，增加有机肥的施入量。
