全 文 ：黑土农田土壤肥力质量综合评价*
马
强1
宇万太1* *
赵少华1
张
璐1
沈善敏1
王永宝2
( 1 中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳 110016; 2沈阳市苏家屯区十里河镇农业技术推广站,沈阳 110107)
摘要
黑土是我国东北主要土壤类型之一, 也是我国宝贵的土壤资源. 本项研究在分析了黑土南北样带
上采集的 115 个土样理化性质的基础上, 建立黑土肥力评价指标体系,运用模糊数学和因子分析方法对黑
土肥力水平进行评估、分级.采用地理信息系统软件 ArcInfo绘制黑土区土壤肥力状况图.研究发现, 深厚
黑土主要分布于黑土区北部, 中厚与薄层黑土则分别集中在黑土区的中部和南部, 这主要与黑土分布区的
气候条件和黑土的成土过程有关. 另外,黑土肥力水平分布规律在东西向为东高西低;南北向为中部最高,
北部次之, 南部最低,且大部分地区肥力水平处于中等,占整个黑土区的 73
6% .
关键词
黑土
土壤肥力
综合评价
地理信息系统
文章编号
1001- 9332( 2004) 10- 1916- 05
中图分类号
S155. 2+ 7
文献标识码
A
Comprehensive evaluation of cultivated black soil fertility. MA Qiang , YU Wantai, ZHAO Shaohua, ZHANG
Lu, SHEN Shanmin, WANG Yongbao ( I nstitute of App lied Ecology , Chinese A cademy of Sciences , Shenyang
110016, China) . Chin . J . A pp l. Ecol . , 2004, 15( 10) : 1916~ 1920.
Black soil is one of the main soil types in northeastern China, and is a valuable soil r esource of t his country. Based
on t he analysis of the physical and chemical properties of soil samples collected from the northsouth transaction
of black soil, the index system o f black soil fer tility w as established, the fertility level w as evaluated and classified
by Fuzzy and Factor Analysis, and the fertilit y map of black soil zone w as dr aw n with G IS software ArcInfo. It
was found t hat the humus layer in black soil region was t hick in nor th and thin in south, w hich was due to the
climatic condition and so ilforming process. The soil fertility lev el was high in east and low in w est. F rom north to
south, it was decreased in the order of central part > northern part > south part. I n most part of this region, soil
fer tilit y level was medium, and the area accounted for 73
6% of the black soil area.
Key words
Black soil, Soil fertility, Comprehensiv e evaluation, GIS.
* 中国科学院知识创新工程重大项目 ( KZCX24134 )和国家重点基
础研究发展规划项目( G1999011804)和中国科学院沈阳应用生态研
究所知识创新工程NKBRSF 资助项目(SCXMS0301) .
* * 通讯联系人.
2004- 04- 07收稿, 2004- 06- 25接受.
1
引

言
黑土是黑龙江、吉林两省的重要土壤资源和主
要的粮食生产基地,土地肥沃,理化性质较好. 但近
年来,由于施肥不合理、管理不善、土壤侵蚀等人为
和自然原因,导致土壤肥力水平下降,农田土壤退化
较为严重,甚至有些变成了低产土壤. 为保护黑土,
更有效地培肥地力, 实现合理耕作,首先必须对黑土
的肥力状况有一个客观的认识,进行客观的评价. 而
近年来在对土壤肥力进行评价的方法中定量的数学
方法倍受研究者的重视. 由我国土壤学家何同康[ 7]
提出的评分法就是将肥力因素按其对肥力贡献的大
小和本身的大小予以一定的分数,所有肥力因素得
分之和便表示相应地块肥力的高低;曹承绵等[ 3]提
出了数值综合评价法, 该方法主要是以各肥力因素
变量之间相关系数为基础, 寻求各个单向肥力因素
的贡献值, 以此为依据来求得肥力综合指标的总分
数,确定各个地块肥力水平.另外,在土壤肥力综合
评价中经常使用的数学评价方法还有指数和
法[ 5, 15]、分数定级法、Fuzzy 综合评判法、聚类分析
法及地统计学方法[ 4, 10, 12, 13]等. 本文根据模糊数学
中的加乘法原则[ 14, 16]对黑土肥力水平进行了定量
评估,以期为合理开发利用黑土,充分发挥黑土的潜
在肥力提供理论依据.
2
研究区域与研究方法
2
1
研究区概述
本次研究地区为我国黑土区, 其主要分布在东北松辽平
原东部、黑龙江省和吉林省中部半湿润地区[ 8] , 干燥度 ! 1,
年降水量 500~ 600 mm, 绝大部分集中于暖季( 4~ 9 月) , 约
占全年降水的 90%左右, 其中以 7、8、9 三个月为最多,占全
年一半以上. 年平均气温 0
5~ 6 ∀ , 冬季严寒少雪, 土壤冻
结深, 延续时间长,季节性冻层特别明显. 黑土区自然植被为
草原化的草甸植物, 以杂草群落为主,包括菊科、豆科和禾本
科等组成植物. 目前黑土区多开垦为农田,地表植被被破坏,
地表覆盖物多为农作物植株.
2
2
研究方法
应 用 生 态 学 报
2004 年 10 月
第 15 卷
第 10 期






























CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Oct. 2004, 15( 10)#1916~ 1920
2
2
1 样品采集与测定
样品采集点北起黑龙江省嫩江县,
南至吉林省四平市, 南北纬向跨距 693 km. 采样点均采用
GPS 定位,样点分布见图 1. 相邻两个样点纬向平均距离为 6
km,采样深度 20 cm, 以多点采集混合样品, 共采土样 115
个,风干后过 2 mm 筛保存.
图 1
黑土样品采集点分布图
Fig. 1 Dist ribution of soil samples in black soil region.


土壤有机碳和全氮用元素分析仪测定( Elementar ∃ , 德
国) ; 土壤全磷用 Na2CO3 熔融, 钼锑钪比色; 土壤有效磷用
NaHCO3 熔融,钼锑钪比色 ( OlsenP ) ; 速效钾用 NH4AC 浸
提,火焰光度计法; 土壤 pH 值使用水土比为 2
5#1 的电位
法测定; 土壤机械组成用吸管法测定, 利用美国分级标准进
行分级.各项肥力指标测定结果见表 1.
表 1
黑土各项肥力指标
Table 1 Black soi l ferti lity index( n= 115)
分析项目
Items
平均值
Average
标准差
SD
变异系数
C
V

有机碳 O
C
( g%kg- 1) 22
17 7
93 0
36
全氮 Total N( g%kg- 1) 1
99 0
61 0
31
全磷 Total P( g%kg- 1) 0
74 0
20 0
27
全钾 Total K( g%kg- 1) 16
13 0
92 0
05
有效磷 OlsenP( mg%kg- 1) 25
33 16
49 0
65
速效钾 Available K( mg%kg- 1) 191
60 27
42 0
17
粘粒 Clay( % ) 35
87 5
04 0
14
粉粒 Slit ( % ) 53
44 6
99 0
13
细砂 Fine sand( % ) 7
95 6
19 0
78
粗砂 Coarse sand( % ) 2
74 3
70 1
35
pH 6
96 0
32 0
05
2
2
2 评价指标体系的选择与评价方法
评价指标体系的
选择和建立 ,是土壤肥力质量评价的重要内容,也是保证整
个肥力质量评价的基础. 指标体系应包括土壤的物理、化学
和生物学特性,也应符合最小指标集的要求. 此外,指标的确
定还要符合可度量、可测量的特性[ 1] .根据专家建议[ 11, 21] ,
并结合黑土土壤理化特性, 本次黑土肥力评价研究所选指标
是全氮、全磷、有机碳、有效磷、速效钾、粘粒含量和土壤 pH
值等理化指标. 由于全钾含量在整个黑土分布区中变化较
小,变异系数仅为 5% (表 1) , 基本上围绕 16
0 g%kg- 1上下
波动, 对土壤肥力差异影响较小,因此未采用.
本次肥力评价是根据模糊数学和多元统计分析原理分
别计算各肥力指标的隶属度和权重系数, 再利用加乘法原则
得出综合肥力指标值 ( Integrated Fertility Index IFI ) [ 17] . IFI
取值范围为 0~ 1, 其值越高,表明土壤肥力质量越好.
隶属度函数实际是所要评价的肥力指标与作物生长效
应曲线( S 型曲线或直线)之间关系的数学表达式, 它可以将
肥力评价指标标准化, 转变成范围为 0~ 1 的无量纲值(即隶
属度) . 隶属度函数通常有两类, 分别是 S 型隶属度函数和
抛物线型隶属度函数, 其函数表达式为:
S 型隶属度函数
f ( x ) =
1
0 X & U
0
1+ 0
9( X - L ) / ( U- L ) L < X < U
0
1 X ! L
抛物线型隶属度函数
f ( x )=
0
1 X ! L , X & U
0
1+ 0
9( X- L) / ( O1- L) L < X < O1
1
0 O1 ! X ! O 2
1
0- 0
9( X- O2) / ( U- O 2) O2< X < U
确定各肥力指标适用的函数类型及函数上限( U)、下限( L )
和最优值( O)等参数. 将各指标实测数据代入函数公式得到
隶属度值.
黑土肥力评价指标的权重值为指标对土壤肥力的影响
程度或贡献率, 表示各指标在土壤肥力中作用和地位的不
同.确定各单项肥力指标的权重系数, 是土壤肥力综合评价
中的一个关键问题, 也是土壤肥力数量评价中的瓶颈. 以往
的评价大多凭经验, 人为确定权重或将其视为同等重要, 评
价结果的主观性比较强.为避免人为主观因素的干扰, 本次
研究选用因子分析方法, 该方法是寻找对观察结果起支配作
用的潜在因子(潜变量 )的探索性统计分析方法. 使用 SPSS
统计软件计算各评价指标的权重.
由于地理信息系统具有管理空间不均匀分布资源的能
力[ 2] ,可以把大区域范围内土壤样点的属性数据同地理数据
结合起来[ 6] ,所以本次研究将肥力评价与 GIS 相结合, 利用
地理信息系统软件 ArcInfo 绘制土壤肥力状况图,使评价结
果更加直观. 将土壤类型图、地形图和采样点位置等相叠加,
得到定级单元底图. 利用 Access 建立肥力属性数据库, 以进
行计算评价. 该软件具有强大的空间数据和属性数据的处理
分析功能[ 22] , 可以方便、准确地了解土地肥力状况、分布情
况以及土地利用情况[ 20]等方面的信息.
3
结果与分析
3
1
黑土肥力评价指标隶属度函数和隶属度值
191710 期














马
强等: 黑土农田土壤肥力质量综合评价











根据所采集土壤样品实测值并汇同专家建议,
对选取的肥力指标进行级别划分见表 2. 根据肥力
指标等级的划分(表 2) ,结合生产实践经验,确定各
肥力指标所选用隶属度函数的类型和阈值(表 3) ,
得出函数表达式. 将实测值代入,得到各指标的隶属
度(表 4) .
表 2
黑土肥力各指标等级划分
Table 2 Grade of black soil fertili ty index
指标
Index
等级 Grade
∋ ( ∃ ) ∗
有机碳 O
C

( g%kg- 1) 范围 Range 14
5~ 29 14
5~ 11
629~ 34
8 11
6~ 8
734
8~ 40
6 8
7~ 5
840
6~ 46
4 ! 5
8&46
4
比例 Proport ion( % ) 71
3 21
7 3
5 2
6 0
9
全氮 T otal N
( g%kg- 1) 范围 Range 1
38~ 2
53 1
38~ 1
152
53~ 2
97 1
15~ 0
922
97~ 3
45 0
92~ 0
693
45~ 3
91 ! 0
69&3
91
比例 Proport ion( % ) 76
5 15
7 5
2 1
7 0
9
pH 范围 Range 6
5~ 7
0 6
0~ 6
5
7
0~ 7
5 5
5~ 6
07
5~ 8
0 5
0~ 5
58
0~ 8
5 ! 5
0&8
5
比例 Proport ion( % ) 65
2 28
7 6
1 0 0
粘粒 Clay
( % )
范围 Range 25~ 30 25~ 20
30~ 35
20~ 15
35~ 40
15~ 10
40~ 45
! 10&45
比例 Proport ion( % ) 7 40 35
7 12
2 5
1
有效磷 OlsenP
( mg%kg- 1) 范围 Range > 30
0 30
0~ 20
0 20
0~ 10
0 10
0~ 5
0 ! 5
0
比例 Proport ion( % ) 26
7 29
6 35
7 5
4 2
6
速效钾 Available K
( mg%kg- 1) 范围 Range > 200 200~ 150 150~ 110 110~ 80 ! 80
比例 Proport ion( % ) 40
0 54
8 5
2 0 0
全磷 T otal P
( g%kg- 1) 范围 Range > 1
0 1
0~ 0
70 0
7~ 0
6 0
6~ 0
5 ! 0
5
比例 Proport ion( % ) 9
6 41
7 30
4 12
2 6
1
表 3
黑土肥力各指标隶属度函数类型及阈值
Table 3 Type of membership function and threshold value of black soil
ferti lity index
指标
Index


隶属度函数类型
Type of membe rship
funct ion
下限(L )
Low er l imit
value
上限 (U)
Upper l imit
value
最优值 1( O1)
Opt imal
v alue 1
最优值 2( O2)
Opt imal
v alue 2
有机碳 O
C

( g%kg- 1) 9 41 15 29
全氮 Total N
( g%kg- 1)
抛物线型函数
Parabo laty pe function 0
9 3
5 1
4 2
5
pH 6 7
5 6
5 7
0
粘粒 Clay (% ) 20 45 25 30
有效磷 OlsenP
( mg%kg- 1) 10 50 - -
速效钾 Available K
( mg%kg- 1)
S型函数
Sty pe funct ion 150 250 - -
全磷 Total P
( g%kg- 1) 0
45 1
2 - -
表 4
黑土肥力质量各指标隶属度值
Table 4 Membership value of black soil fertility index( n= 115)
指标
Index
有机碳
O
C
全氮T otal N 全磷T otal P 有效磷Olsen P 速效钾Available K pH
粘粒Clay
平均值
Average
0
90 0
92 0
44 0
42 0
48 0
81 0
64
标准差
SD
0
21 0
20 0
21 0
28 0
24 0
30 0
25
变异系数
C
V
0
23 0
22 0
48 0
66 0
25 0
37 0
39
3
2
黑土肥力评价指标权重值
在本研究中以特征值大于 1为选取主因子的条
件,得到各评价因子主成分的特征值和贡献率,求出
各项评价指标的公因子方差, 其大小表示该指标对
土壤肥力总体变异的贡献,由此得出各项肥力指标
的权重.经过统计分析发现特征值大于 1 的主因子
有 3个, 其中对土壤肥力最具影响的第一个主因子
中全 N 和有机 C贡献最大, 第二个主因子主要由有
效 P 和速效 K构成, 土壤粘粒含量在第三个因子中
所占的比重最大. 三者累积贡献率达到 77%, 可以
满足信息提取的要求. 权重分析结果见表 5.
表 5
各项肥力指标公因子方差和权重
Table 5 Estimated communali ty and weight value of black soi l fertility
index
指标类型
Type of index
指标名称
Name of index
公因子方差
Communality
权重值
Weight value
养分指标 全氮 Total N 0
955 0
153
Nutrit ion index 有机碳 O
C
0
952 0
153
全磷 Total P 0
765 0
123
有效磷 Olsen P 0
828 0
133
速效钾 Available K 0
824 0
132
物理化学指标 粘粒 Clay 0
935 0
150
Physicochemical index pH 0
966 0
155
3
3
土壤肥力质量综合评价指标值
通过公式 IFI = ( qi + w i ) 计算土壤肥力质
量综合评价指标值 IFI ,其中 qi是第i项土壤肥力评
价指标的隶属度值, w i 是第 i 项土壤肥力评价指标
的权重系数. 结果的范围为 0
362 ~ 0
898, 平均值
为0
67, 标准差为0
11,变异系数为 16% .黑土肥力
质量综合评价值结果如图 2.
1918



















应
用
生
态
学
报

















15 卷

图 2
综合肥力指标累积频率分布图
Fig. 2 Cumulat ive f requency of integrated fert ility index.
3
4
黑土肥力水平等级划分
根据计算所得的综合肥力指标( IFI) , 参照全国
耕地类型区、耕地地力等级划分标准 ( NY/ T309
1996) [ 18]和调查得出的黑土区产量数据, 将黑土肥
力水平划分为高 ( IFI > 0
75)、较高 ( 0
7 < IFI !
0
75)、较低( 0
6< IFI ! 0
7)和低( IFI ! 0
6) 4个等
级,分布情况见图 3. 需要说明的是,全国耕地类型
区、耕地地力等级划分标准是将各耕地类型全年粮
食产量水平作为引导因素, 因此种植制度为一年一
熟的黑土区耕地,其地力等级最高为 6等地.
黑土区主要由深厚黑土、中厚黑土、薄层黑土及
黑土与其他土壤类型间的过渡带组成, 其中深厚、中
厚、薄层黑土面积分别为 1
85 + 106 hm 2、1
70 + 106
hm2、6
36 + 105 hm2. 黑土种类的南北向分布相当具
有规律性,深厚黑土主要分布于黑土区的北部;中厚
黑土则分布于黑土区的东北部和中东部; 薄层黑土
的绝大部分位于黑土区的中东部和南部. 这主要是
因为黑土区北部气候条件更有利于有机物质的积
累,使其具有较为深厚的腐殖质层.
从土壤肥力等级水平来看,综合评价值最高的
地区是黑土区中东部( IFI> 0
75) , 主要土种为中厚
黑土.这可能是由于该区黑土发育成熟,有一定的开
垦历史,加之化肥和有机肥的施用, 耕作管理较好,
使该地区肥力水平较高. 该肥力等级土壤面积为
9
88 + 105 hm2, 占黑土区面积的16
84%;肥力水平
较高的为黑土区北部的深厚黑土和中厚黑土, 以及
黑土区南部的一部分薄层黑土区, IFI 值在 0
7 ~
0
75范围之间,该区面积为 2
09 + 106 hm2;肥力评
价指标较低的为黑土区中部与草甸黑钙土接壤的地
区( 0
6< IFI ! 0
7) , 面积为 2
23 + 106 hm2.在中等
肥力水平的土壤中深厚黑土占较大比重, 由于长期
的粗放经营使深厚黑土的肥力水平明显下降, 但该
区尚有较厚的腐殖质层, 因而具有相当的潜在肥力.
肥力水平最低的地区为黑土区的最南端与棕壤接壤
图 3
黑土区土壤肥力状况
Fig. 3 Soil fertilit y in black soil region.
处,面积 5
58 + 105 hm2, 占总面积的 9
52%. 该区
由于地理位置、气候条件、开垦年限等原因,腐殖质
层较薄,加之该地区人多地少,生物产量基本为人畜
所利用,有机物料难以有效还田,使土壤养分收支失
衡,土壤潜在肥力耗竭严重, 土壤肥力水平低下. 由
黑土区土壤肥力状况图(图 3)可以看出, 肥力水平
为东高西低;中部最高,北部次之,南部较低;黑土区
大部分土壤的肥力等级处于中等水平.


另外,在黑土区相同黑土类型肥力水平南北纬
向间也存在一定的空间分异规律. 以分布相对集中
的深厚黑土为例, 北部的深厚黑土区(平均纬度为
48,58−39.)肥力综合评价指标的平均值为 0
723,明
显高于南部深厚黑土(平均纬度为 47,24−13.) 0
666
的指标值,说明黑土肥力水平存在一定的差异, 表现
出空间异质性.
4
讨

论
黑土区大部分属于中温带、温带季风气候, 其最
北端的纬度大约为北纬 49,31−, 作物生长和产量受
热量和生长季长短的影响较大. 该地区生长季短,种
植制度为一年一熟,产量水平大多在 6000 kg%hm- 2
左右.如果将黑土区单季粮食作物产量与南方优质
稻田耕地粮食作物产量(产量为 7500~ 13500 kg%
hm
- 2
,种植制度为一年两熟或三熟)进行比较, 发现
黑土区单季作物产量并不较之为低, 而且南方高产
地区在耕地投入与管理水平等方面都比黑土区要
高,因此在光热、施肥和管理等条件得到满足的情况
191910 期














马
强等: 黑土农田土壤肥力质量综合评价











下,黑土应有一定潜力可供发掘. 但在追求高产同
时,应注意土壤养分的收支状况,其将决定土壤肥力
的发展方向[ 19] . 为防治黑土继续退化, 应在适当施
用化肥同时,增施有机肥,保持农业系统养分的循环
利用, 这可在很大程度上缓解土壤养分收支赤
字[ 9] .
最后应该指出,土壤肥力综合评价得出的结果
仅代表一种潜在的生产能力, 还应该将气候、水、热
状况、施肥和经营制度等因素综合加以考虑, 才能表
示土地的现实生产能力. 土壤肥力综合评价的目的
正是使土壤的潜在生产力能够得到准确而有效的评
估,同时实际生产力与潜在生产力之间往往存在着
差距,发现导致这种差距产生的主要因子,对其进行
改善,从而提高作物产量,使土地能够得到更加合理
的利用也是土壤肥力综合评价的目的之一.
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作者简介
马
强, 男, 1978 年生,研究实习员,主要从事农
业生态系统养分管理研究, 发表论文 5 篇. T el: 02483970366
Email: qma@ iae. ac. cn
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应
用
生
态
学
报

















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