海南岛典型农用地土壤综合肥力评价

2023-08-14邓星亮杨安富杨丽孟龙威袁漫遥陈俊男吴晓晨

热带作物学报 2023年7期

邓星亮杨安富杨丽孟龙威袁漫遥陈俊男吴晓晨

摘要：为研究海南岛典型农用地土壤肥力情况，对海南省林地、耕地、园地和草地用地类型下的土壤pH、机械组成、有机质、阳离子交换量、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾进行测定及统计分析，参考《全国第二次土壤普查养分分级标准》，采用内梅罗（Nemerow）指数法对各用地类型进行土壤综合肥力评价。结果表明：不同用地类型中，氮素含量均表现为缺乏水平；磷素含量均表现为丰富或很丰富水平；而钾素含量在林地和耕地中为丰富水平，在园地中属于中等水平，在草地中表现为缺乏水平。在4 种不同农用地类型中，土壤有机质与阳离子交换量、全氮、碱解氮均呈显著相关（P<0.05）或极显著相关（P<0.01），土壤阳离子交换量与全氮、碱解氮也呈较强的相关性，其他土壤养分之间几乎无相关性或相关性较弱。而4 种不同农用地类型的土壤综合肥力值依次为园地（1.164）>林地（1.058）>耕地（0.879）>草地（0.784），其中园地和林地的土壤综合肥力水平均属于一般，而耕地和草地属于贫瘠。因此，应该加强土地管理，合理利用土地，改善土壤养分结构，最终提高土地生产力。

关键词：用地类型；土壤肥力；土壤养分；内梅罗指数法

中图分类号：S158.3 文献标识码：A

近年来，由于人口的增加以及社会经济的迅速发展，农业越发被人们所关注。而土壤是农业发展的根本，养分又是土壤生产力的基础，因此养分含量的高低是衡量土壤质量的重要指标[1]，土壤养分对于农业的发展尤为重要。同时水土流失、过度施肥等问题也会使土壤肥力严重下降。

因此，关于土地利用方式的研究成为当今环境问题的重要内容之一[2-3]。人为活动以及用地方式的不同均会对土壤性质产生一系列的影响，而土壤的用地类型会直接影响土壤中C、N、P 之间的比值，进而影响土壤质量[4-5]。海南省不同土地利用类型的发展速度和土壤肥力也具有一定差异，为了能更好地对热带地区不同农用地土壤进行评价，本研究对林地、园地、草地和耕地4 类主要用地类型进行探究。据海南省2021 年统计数据显示，全省耕地面积72.3 万hm2，园地面积91.6 万hm2，林地面积119.8 万hm2，草地面积4.6 万hm2。其中占地面积最多的园地和林地对于海南省而言尤为重要，园地所种植的水果是海南省主要经济收入之一；林地是森林的载体，是野生动植物以及微生物能量循环转换和物质循环的必要环境条件；耕地是农产品的基础，其土壤的质量直接关系到人们的生活以及经济收入；草地在生态环境中不仅具有调节气候、保持水分的作用，还能够防风固土固沙、保持水土等。有研究提出，合理利用土地能够通过改善土壤肥力、改良土壤结构等方面来抑制土壤退化，提高土壤质量[6-7]。而不合理利用土地，会造成土壤性质的变化以及土壤养分的流失，从而导致土壤肥力的下降[8]。本研究通过对海南省不同类型土壤肥力进行调查与分析，以结合实际情况调整肥料施用方案，改善土壤养分结构，为海南省农业的健康发展奠定基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

海南岛位于我国最南端，陆地总面积达3.5191 万km2，海域面积达200 万km2[9]，地處3°58′～20°10′N，108°37′～117°50′E，气候适宜、四季常青，森林覆盖率超过50%。地形以台地、阶地以及平原为主，而地势主要表现为四周低平、中间高耸。在气候方面，由于海南岛地处热带北缘，年平均气温在22.5～25.6 ℃之间，是热带海洋和热带季风混合型气候。同时海南岛的降水量分配不均，有明显的多雨季和少雨季，且少雨季经常伴有干旱现象发生，年降水量为1500～2500 mm。

由于独特的环境条件，海南岛的土壤类型丰富，可划分为15 个土类、27 个亚类以及81 个土属[10]。

其中海南省的主要土壤类型为砖红壤，约占岛内土地总面积的53.42%，同时海南省的主要耕作土壤为水稻土[11]。海南省的农用地面积为282.64 万hm2，占土地总面积的79.95%，已开发利用的土地331.59 万hm2，未开发利用的土地20.32 万hm2[12]。

因此，海南省的用地类型以农用地为主。本研究选取涵盖海南省18 个市（县）的51 个采样点，包含耕地、草地、林地以及园地，基本情况见表1。

1.2 点位布设和样品采集

土样采集时间为2020 年10 月至2021 年1 月，在综合考虑海南省植被、土壤类型以及用地类型等因素的基础上，按照统计学要求科学合理地布设采样点的数量和密度。其中包括林地30 个，园地9 个，耕地9 个，草地3 个，同时，采样点位避开有人工施肥的种植区域，避免人为因素对土壤有机质等养分指标含量的影响。其具体分布位置以及相应的用地类型如图1 所示。在相应点位，找到可以表示附近土壤类型的点，以该点为中心，100 m 为半径，确定采样区域，通过蛇形、对角线等采样方法平均采集样品并混匀，再采用四分法取约2 kg 土样，分别贴上标签，带回实验室风干。风干后，通过三头研磨机将土样分别进行研磨，按照不同指标要求过筛，供室内分析。

1.3 指标测定

土壤肥力指标的选择参照文献[13]，包括pH、有机质、阳离子交换量、土壤质地、全氮、全磷、全钾、有效磷以及碱解氮9 个指标，其中各养分指标的测定方法及其具体步骤严格按照《森林土壤分析方法》[14]进行。

1.4 指标标准化及肥力计算

标准化处理后土壤肥力指标的分级标准参照文献[15-16]可得，所选评价指标包括pH、土壤质地、有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷、碱解氮以及阳离子交换量。由于所选指标的量纲之间具有差异性，因此各指标之间不能进行加和，所以要对各指标参数进行标准化处理，以便于相互之间的综合计算。具体处理方法[17]如下：

当指标的测定值（Ci）属于“极差”级时，即Ci≤Xa，Pi=Ci/Xa（Pi≤1）；当指标的测定值属于“差”级时，即XaXp，Pi=3。式中，Ci 为指标的测定值；Pi 为分肥力系数；X 为指标分级标准（表2），其中Xa、Xc 和Xp 分别为“差”级、“中等”级和“良好”级分级标准。通过标准化之后，使同级别的各指标分肥力系数比较接近，可比性更高，便于对比分析。

土壤质地并非是量化参数（美国制），其分级标准以及标准化的结果为：（1）壤土类。砂质壤土、壤土、粉（砂）质壤土，Pi=3。（2）黏壤土类。砂质黏壤土、黏壤土、粉（砂）质黏壤土、粉土，Pi=2。（3）砂土类。砂土、壤质砂土；粘土类。砂质黏土、壤质黏土、粉砂质黏土、黏土、重黏土，分肥力系数Pi=1[18]。

综合肥力系数的计算方法有加和法、平均值法等，但是这些方法均受主观因素的影响，且可比性较差，因此本研究采用修正后较为客观的内梅罗（Nemerow）公式来计算综合肥力系数：

式中，Q 为土壤综合肥力系数，Pi 平均为土壤各属性分肥力系数的平均值，Pi 最小为各分肥力系数中的最小值，n 为参与评价的指标个数。公式中用Pi 最小代替了原内梅罗公式中的Pi 最大，能够更加突出土壤属性中最差因子对肥力的影响，从而明确土壤肥力的限制因子，反映出作物生长的最小因子率。同时还增加了修正项n 1 / n来反映评价的可信度，其中参与土壤肥力评价的属性种类越多，其值越大，可信度越强，增加了评价参数不相等时评价结果的可比性。通过计算，最终得到土壤综合肥力系数，进而作出肥力评价。

土壤综合肥力系数分级标准将土壤质量分为4个等级，分别是很肥沃（Q≥2.7）、肥沃（2.7>Q≥1.8）、一般（1.8>Q≥0.9）以及贫瘠（0.9>Q）[19]。

1.5 数据处理

采用Excel 2019、Origin 2022 以及SPSS 26.0软件（Pearson’s 相关显著性检验）进行实验数据的处理，运用ArcMap 10.3 软件对采样点的分布进行作图，采用修正后的内梅罗指数评价法对海南省主要农用地类型进行土壤肥力综合评价。

2 结果与分析

2.1 土壤养分指标分析

2.1.1 土壤质地和pH 土壤质地是土壤肥力的重要指标之一，它能够通过影响土壤的通气性、透水性、保水保肥性等，进而影响土壤性状以及耕地性状。根据检测结果可知，不同的土地利用类型，其土壤质地的质量等级有明显差异，其分级标准如1.4 中所述。如图2 所示，林地、园地、耕地、草地中的土壤质地依次逐渐变差，林地和园地的土壤质地为良好的约占总体的一半，而草地的土壤质地均为差等级。

同时，土壤pH 通过影响土壤养分的转化、释放以及有效性而直接影响植物的正常生长，是土壤肥力的重要影响因子之一。通过检测可知，林地、耕地、园地以及草地的pH 平均值分别为5.035、5.509、5.758、5.410，均呈酸性或弱酸性（表3）。而当pH 在6.5～7.5 之间时，土壤中含有的植物生长所需养分的有效性最高，有利于植物吸收利用，过高或者过低均不利于植物生长。通过对比土壤养分含量分级标准可知，林地和草地的酸碱等级为差等，而耕地和园地的pH 等级则为中等。

2.1.2 土壤有机质和阳离子交换量土壤有机质是土壤肥力的基础，它不但是土壤养分的直接来源，同时还具有改善土壤性质、改良土壤结构、提升土壤性能等多重作用，对土壤肥力的衡量有至关重要的作用。从检测结果可看出（表3），耕地土壤中的平均有机质含量最低，为12.123 g/kg，其原因可能是频繁的耕作条件破坏了土壤结构，使土壤中的有机质分解得更快[20]。其次是草地和园地，分别为15.487、27.658 g/kg，而林地土壤的有机质平均含量最高，为30.444 g/kg，可能是树枝、枯叶等凋落物增加了土壤养分的输入，进而促使有机质含量不断增加[21]。根据肥力指数分级指标可得到，林地和园地的土壤有机质含量属于中等水平，而耕地和草地的土壤有机质含量属于差等水平。

阳离子交换量（CEC）是指土壤胶体能够吸附的阳离子的总量，其数值的大小可以反映土壤保肥能力的强弱，CEC 越大，表示土壤的保肥能力越强。在农业上一般认为CEC<10 coml/kg 时保肥能力弱，在10～20 coml/kg 时保肥能力中等，CEC>20 coml/kg 时保肥能力强[22]。因此，土壤CEC 也是影响土壤肥力的重要因素。通过检测结果可知，4 种用地类型中土壤阳离子交换量均处于较低水平，园地中的平均值最高，达到了11.367 cmol/kg，而林地、耕地和草地的平均值较低，分别为8.360、2.967、2.033 cmol/kg（表3）。

由肥力指数分级指标可知，林地和园地CEC 的平均水平属于差等，而耕地和草地则属于极差等。

但是土壤中有机质与阳离子交换量2 种指标之间基本上满足有机质含量越高，土壤中阳离子交换量越大的规律（图3）。

2.1.3 土壤氮素氮既是植物生长所必须的营养元素，又作为养分限制因子在农业生产中发挥重要作用。在土壤中的氮可分为无机态氮和有机态氮，而有机氮占全氮的92%～98%，然而随着土壤深度的不断加深，其所占的比值也越来越小。因此，一般情况下，在施肥中采用土壤全氮和碱解氮作为土壤供氮能力的评估指标[23]。通过检测可以发现，4 種用地类型中全氮以及碱解氮的平均含量均极低，其中林地中土壤全氮含量为0.007～0.481 g/kg，耕地全氮含量为0.029～0.192 g/kg，园地的为0.030～0.229 g/kg，草地的为0.038～0.117 g/kg（表3）。相应地，碱解氮也基本上符合“全氮含量高碱解氮的含量也高，全氮含量低碱解氮的含量也低”的规律。对比土壤养分含量分级标准可知，各用地类型的全氮含量均处于极缺乏的情况，而林地和园地的碱解氮含量均处于中等水平，耕地和草地的碱解氮含量则处于很缺乏的情况。

2.1.4 土壤磷素磷不仅是人和动物用来合成核酸的重要元素之一，也是作物所需的必需元素，是农业生产中重要的养分限制因子。土壤中的磷素含量在一定程度上可以反映土壤对磷的储存能力以及供应能力[23]，然而，土壤中的磷含量或高或低均会影响土壤肥力以及周边环境，其含量的高低主要取决于成土母质以及施肥量，通常将有效磷作为土壤磷素供应水平的指标。通过检测结果可知，全磷的平均含量在草地和园地中均处于丰富等级，分别为0.947、0.909 g/kg，而在林地和耕地中均属于缺乏等级，分别为0.409、0.359 g/kg（表3）。有效磷的平均含量在4 种用地类型中均处于丰富或很丰富等级。根据计算各点测定值的肥力系数可以看出，4 种用地类型中全磷的平均分肥力等级均处于差等，而林地、耕地以及园地有效磷的平均分肥力等级均属于中等，草地的则为良好。根据检测结果可以看出，草地的磷素含量最高，林地的磷素含量则较低，可能是由于林地中随着年限的增加，树木不断生长而导致土壤中磷素“入不敷出”的状况。

2.1.5 土壤钾素钾作为作物生长的必需营养元素，参与作物几乎所有的生理过程，因此作物对钾的需求量也相对较高。而土壤中钾含量的高低主要与母质、成土条件、质地以及施肥量等因素有关。根据测定结果可知，林地的全钾含量在0.638～52.936 g/kg 之间，耕地的全钾含量为0.390～44.882 g/kg，园地的为1.306～41.813 g/kg，草地的为0.863～29.100 g/kg（表3）。由土壤养分含量分级标准可知，林地和耕地的平均含量分別为21.525、20.522 g/kg，均属于丰富等级；园地的平均含量为17.678 g/kg，属于中等级别；而草地的平均含量为10.604 g/kg，属于缺乏等级。

2.2 不同用地类型土壤肥力指标的相关性分析

为了更好地了解不同农用地类型中各土壤养分之间的相互关系，对指标进行Pearson’s 相关性分析（图4）。在林地中，土壤pH 与碱解氮（AN）呈极显著负相关（P<0.01），土壤有机质（OM）与阳离子交换量（CEC）、全氮（TN）、碱解氮均呈极显著正相关（P<0.01），土壤阳离子交换量与全氮、碱解氮均呈极显著正相关（P<0.01），土壤全氮与碱解氮呈极显著正相关（P<0.01），土壤pH 与碱解氮呈极显著负相关（P<0.01）；而耕地中土壤养分的相关性与林地相似，但阳离子交换量与碱解氮呈显著正相关（P<0.05）；在园地中，土壤pH 与全钾（AK）呈显著负相关（P<0.05），土壤有机质与阳离子交换量呈显著正相关（P<0.05 ），与全氮、碱解氮呈极显著正相关（P<0.01），土壤阳离子交换量与全氮、全磷（TP）均呈显著正相关（P<0.05），与碱解氮呈极显著正相关（P<0.01），土壤全氮与碱解氮呈极显著正相关（P<0.01 ），土壤全磷与全钾呈显著正相关（P<0.05）；而在草地中，土壤阳离子交换量与全磷、有效磷（OP）均呈显著负相关（P<0.05），全磷与有效磷呈显著正相关（P<0.05）。

通过相关性分析发现，在不同农用地类型中，有机质与阳离子交换量、全氮、碱解氮呈显著或极显著相关，阳离子交换量与全氮、碱解氮呈显著或极显著相关，这与杨义波等[24]的研究结果基本一致。说明有机质和阳离子交换量在土壤肥力中具有极其重要的作用，且与氮素含量息息相关。

全氮含量与碱解氮含量之间呈极显著相关，说明它们具有明显的同源性。而在草地中各土壤养分的相关性低于其他3 种用地类型，可能是因为本研究中的草地点位较少，因此，今后应加强完善草地的土壤养分相关性研究。

2.3 土壤综合肥力分析

根据土壤综合肥力评价结果可知，所调查的51 个点位的土壤综合肥力指数（Q）变幅在0.508～1.546 之间，平均值为1.029，土壤的总体肥力水平为一般，不同用地类型的土壤综合肥力有差异。

根据不同土壤综合肥力指数来评价土壤的肥力水平，将土壤综合肥力指数划分等级（表3），4 种不同用地类型的土壤综合肥力指数的均值为园地（1.164）>林地（1.058）>耕地（0.879）>草地（0.784），其中园地和林地的土壤综合肥力水平均属于一般，耕地和草地的土壤综合肥力水平属于贫瘠。而分肥力系数中的最小值是影响土壤肥力指数的重要因子，根据计算结果可以得出，在所有采样点中，以全氮作为最小分肥力系数的占总体的88.24%，而以全磷和全钾作为最小分肥力系数的占总体的5.88%，因此全氮是影响海南岛4种不同用地类型中土壤肥力的主要因素，是土壤肥力的主要限制因子。

3 讨论

不同的土地利用类型会对土壤性质产生不同的影响，而不合理的土地利用方式进一步加剧了土壤生态环境的破坏[25]。土壤肥力调查及评价是对土壤进行合理利用的重要依据，通过本次调查发现，海南省4 种农用地类型的土壤状况有差异。

4 种农用地中，pH 均呈现酸性或弱酸性，有研究表明，海南省园地、林地等[26-27]土壤均呈酸化趋势，同时这也与海南省独特的气候及土壤类型有关；有机质含量的差别较大，其中林地和园地的有机质含量较高，主要是由于树枝、树叶等凋落物增加了土壤中有机质的输入，而耕地中有机质的缺乏主要是由于频繁的耕作条件使土壤条件被破坏，进一步加速了有机质的分解[19， 28]；对于氮、磷、钾3 种营养物而言，氮素的平均含量均较低，这与曹明等[28-30]等相关研究结果一致，磷素在园地中含量丰富的主要原因可能是由于全国第2 次土壤普查之前大部分土壤处于缺磷状态，使果农施用大量的磷肥来增加产量，而在林地和耕地中含量缺乏，则可能是由于树木不断生长、农作物的大量吸收导致土壤中磷素“入不敷出”的现象，钾素在林地、耕地和园地中含量均较丰富，这与吴小芳等[26]的研究结果一致。

在4 种不同农用地利用方式下，土壤养分中的有机质与阳离子交换量、全氮、碱解氮呈显著或极显著相关，阳离子交换量与全氮、碱解氮呈显著或极显著相关，同源氮素之间呈极显著相关，其他土壤养分之间无相关性或相关性较弱。通过内梅罗指数法计算综合肥力指数可知，4 种用地类型土壤综合肥力值的大小顺序依次为园地（1.164）>林地（1.058）>耕地（0.879）>草地（0.784），其中园地和林地的土壤综合肥力均属于一般水平，而耕地和草地的土壤综合肥力属于贫瘠水平。通过分析土壤综合肥力值可知，4 种不同用地类型中土壤肥力的限制因子主要是氮素，全氮含量成为土壤属性的最差因子，而有效磷含量的分肥力系数最大，所以有效磷对4 种用地类型中的土壤肥力贡献最大。

综上所述，在不同的农用地类型中，其土壤养分含量有差异，总体表现为氮素较缺乏，磷素均表现为丰富或很丰富水平；而钾素在林地和耕地中为丰富水平，在园地中属于中等水平，在草地中表现为缺乏水平。同时土壤肥力水平主要为一般和贫瘠，因此，今后对于海南省4 种不同农用地类型的使用与管理上，应多施用碱性化肥，增加氮肥、磷肥的施用，在耕地中加大有机肥的投入，因地制宜，制定合理的用地计划，合理施肥提高土壤养分含量，从而提高生产力。

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