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土壤肥力水平与分级是评估土壤供给作物养分能力的重要标准，是土壤协调作物正常生长发育的综合能力，并直接影响作物的正常生长过程，同时对果实的产量和品质有显著的影响[1]. 土壤综合肥力受土壤物理性质、土壤pH、土壤有机质、大中量元素及微量元素质量分数等多方面的影响[2]. 花椒是我国特有的香辛料[3]，随着我国农业产业的改革，青花椒作为一种优质品种在云、贵、川等西南地区推广迅速，种植面积大、产业链完善，已经成为当地农民的主要收入来源之一[4]. 适宜的土壤肥力水平是花椒高产优产的首要条件. 因此，开展花椒园土壤养分特征研究和土壤肥力水平评价对于摸清土壤本底、掌握土壤质量变化、指导科学施肥管理、实现花椒产业绿色可持续发展具有重要的意义[5]. 郭文龙等[6]对渭北旱塬花椒主产区和贵州省花椒主产区的土壤养分丰缺进行了评价，发现渭北旱塬花椒园土壤养分总体表现为有机质、氮、微量元素质量分数较低，磷、钾质量分数较高的特点，其中土壤氮素是椒园产量和品质的首要限制因素；此外，贵州省花椒主产区的土壤肥力由大到小呈现出洼地、溶沟、坡改梯的分布特征，主要因为洼地四周密闭，土壤岩体受到雨水冲刷导致养分聚集[7]. 目前，针对花椒园的土壤养分状况主要集中在单一时空区间内土壤养分变化的研究上，对花椒园年际间土壤养分变化特征及土壤综合肥力评价的研究较少. 土壤综合肥力评价方法包括内梅罗指数法、地统计学法、主成分分析法和聚类分析法等[8-11]，此类方法能通过对多因素的统计分析，得出该地土壤肥力水平的主要限制因子，为提升土壤肥力等级提供依据. 赵瑞芬等[12]基于主成分分析发现山西省核桃主产区土壤速效磷、有机质和全氮是其土壤肥力等级的主要限制因素；潘学军等[13]研究表明贵州黔西北地区核桃主产区有效硼质量分数是其土壤肥力的限制因子；黄小辉等[14]选取有机质、pH等指标采用改进后的内梅罗综合指数法评价重庆市梁平柚主产区土壤的肥力情况，发现有机质、氮和钾是限制当地土壤肥力的主要因子. 此外，将土壤综合肥力评价的传统数学统计方法与GIS技术相结合可以探究土壤养分在时空上的分布特征和演变规律[15-16]，为监测该地土壤肥力变化趋势及合理指导生产管理提供了一定的理论依据. 廖桂堂等[17]利用地统计学与GIS相结合的方法对四川蒙顶山茶园土壤综合肥力进行了评价，发现蒙顶山茶园整体土壤肥力水平不高，茶园土壤肥力水平沿海拔高度的升高而升高，茶园土壤肥力的变化沿坡面等高线呈水平带状分布，其中pH、全氮、碱解氮、速效钾、速效磷是该地区的主要限制因子. 该方法综合考虑了土壤肥力的空间变异性和各种养分的均一性，在保证评价精度的同时尽量避免传统方法主观性较强的缺点，更加直观地表明土壤肥力水平的空间分布特征，为统计学研究成果的实际运用提供了思路.
重庆市是全国第4大花椒生产区，目前江津区九叶青花椒种植面积超过3.3万hm2，已经成为当地农村经济的重要支柱产业[18]，但目前关于重庆九叶青花椒主产区土壤肥力时空变化特征的研究较少，同时缺乏花椒园土壤肥力综合评价的研究. 本研究以2006年和2013年于重庆市江津花椒主产区调研的1 418份土壤样品为研究对象，测定土壤pH、有机质及有效铜、锌、铁、锰等9个指标. 采用统计学与GIS技术相结合的方法对该区花椒园养分状况的时空变化规律进行研究，利用改进的内梅罗指数法和因子分析法对重庆市江津区九叶青花椒主产区土壤肥力进行综合评价，以期为九叶青花椒重庆主产区土壤肥力管理和施肥提供科学依据.
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重庆市江津区位于长江中上游，地理坐标为东经105°49′~106°38′，北纬28°28′~29°28′，地处重庆西南部. 该地区属北半球中亚热带湿润季风气候，年均日照时数1 141.0 h，常年平均气温18.4℃，年平均降雨量为1 001.2 mm. 紫色土是该地区的主要土壤类型. 本研究土壤采样点如图 1，以种植户数为单位，2006年采样点为229个，2013年为1 189个，其中有126个为2006-2013年的定点监测椒园，定点监测椒园包含所有主产街镇.
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本研究样品于2006年和2013年重庆市江津区花椒园调研采集，基本覆盖所有种植花椒的乡镇，2013年大规模采样，土壤采集方式按照代表性原则，每个样点采用“S”型布点选取采样树10~15株，在采样树的树冠滴水线(避开施肥点)四周选4个采样点，在每个点采集距地表 0~30 cm土层的土壤约200 g，除去植物根、石块等杂质，10~15株树的采样点采集的土壤混合均匀后，采用四分法取土样约500 g，做好记录并带回实验室，风干后过20目筛.
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土壤测定指标包括pH、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、有效铜、有效锌、有效铁、有效锰. 土壤pH值在水土比为2.5∶1的条件下用pH计测定，有机质用重铬酸钾容量法—外加热法测定，碱解氮用碱解扩散法测定，速效磷用Olsen法测定，速效钾用乙酸铵浸提—火焰光度计测定，有效铜、有效锌、有效铁、有效锰用DTPA浸提—原子吸收分光光度法测定[19].
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在126个定点椒园数据中选取pH、有机质、碱解氮、有效磷、有效钾5项指标作为确定江津椒园土壤肥力综合指标值的变量因子，再利用因子分析法和改进的内梅罗指数法对椒园土壤进行综合评价.
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采用隶属函数对各评价指标进行归一化处理，pH采用抛物线型函数，其余各项指标均采用S型函数. 再用因子分析法确定每个指标的权重，某评价指标的公因子方差与所有评价指标的公因子方差之和的比值即为该评价指标的权重[20].
根据模糊数学加乘法原则，计算土壤综合肥力指数(IFI).
式中，Wm和Pm分别表示第m项的权重和隶属函数值，n代表评价指标的个数. IFI取值在0~1之间，值越大代表土壤综合肥力越高.
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采用改进后的内梅罗综合指数法对椒园土壤肥力进行综合评价[20]，选取了pH、有机质等5个指标作为参比项来综合反映椒园的土壤肥力水平(全文数据取值范围包括后值). 根据《全国第2次土壤普查养分分级标准》[21](表 1)设置各属性分级标准值Xa，Xc，Xp(表 2). 此外，土壤pH分级标准值的确定参考前人研究，当土壤pH值在花椒最适范围6.5＜pH≤7时，IFIi=3；较适范围7＜pH≤8.5时，IFIi=2；在不适范围pH≤6.5或pH＞8.5时，IFIi=1. 土壤综合肥力分级标准见表 3[15].
1) 分肥力系数IFIi的计算：
式中，X表示测定值，Xa，Xc和Xp为分级标准值.
2) 综合肥力指数IFI的计算：
式中，IFIi平均为各肥力系数均值，IFIi最小为各肥力系数最小值，n代表评价指标的个数. IFI值介于0~3之间，IFI值越大，表示该土壤越肥沃.
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数据用Office 2019处理，SPSS 22.0进行相关性分析，Origin 2018和Arcgis 10.2作图.
1.1. 试验地概况
1.2. 土壤样品采集
1.3. 土壤指标测定
1.4. 花椒园土壤综合肥力评价方法
1.4.1. 因子分析法
1.4.2. 内梅罗指数法
1.5. 数据处理
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由图 2a至图 2e可知，2013年重庆市江津全区花椒园1 189个样点土壤pH值变幅为3.8~7.9，平均值为6.0，整体处于弱酸性，空间上呈南高北低的分布趋势. 根据分级标准，弱酸性及以下(pH≤6.5)样点占比62.1%，适宜花椒生长的pH(6.5＜pH≤8.5)样点仅占37.9%. 土壤有机质质量分数范围为1.2~50.2 g/kg，平均值为14.2 g/kg，整体处于缺乏水平，其中缺乏及以下(≤20 g/kg)占比高达90.8%，空间上呈均匀分布，变化不明显. 碱解氮质量分数范围为19.0~284.1 mg/kg，平均值为85.8 mg/kg，接近中等水平，整体分布从北到南逐渐增加，中等及以上(＞90 mg/kg)样点占比35.4%. 速效磷质量分数范围为0.2~73.6 mg/kg，平均值为7.6 mg/kg，处于缺乏水平，呈现出中部丰富而四周缺乏的空间分布特征，其中极缺乏(≤3 mg/kg)样点占比22.0%. 速效钾质量分数范围为29.3~341.7 mg/kg，平均值为119.1 mg/kg，处于中等水平，整体呈中部偏高、四周较低的空间分布特征，中等及以上(＞100 mg/kg)样点占比55.3%.
由图 2f至图 2i可知，2013年重庆市江津区花椒园土壤有效铜空间上呈中部偏低、四周偏高的分布特点. 有效铜质量分数范围为0.1~8.5 mg/kg，平均值为1.9 mg/kg，处于丰富水平，丰富及以上(＞1 mg/kg)样点占比67.1%. 有效锌质量分数范围为0.02~48.0 mg/kg，平均值为4.2 mg/kg，处于很丰富水平，空间分布较为均匀，其中很丰富(＞3 mg/kg)样点占比53.5%. 有效铁质量分数范围为0.06~448.2 mg/kg，平均值为27.8 mg/kg，处于很丰富水平，空间分布基本保持中高四周低的特点，其中很丰富(＞20 mg/kg)样点占比35.8%. 有效锰质量分数范围为0.04~448.2 mg/kg，平均值为107.7 mg/kg，处于很丰富水平，空间分布较为均匀，其中很丰富(＞30 mg/kg)样点占比78.2%.
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土壤微量元素、有机质及pH的相关性分析如表 4. 土壤pH与碱解氮、速效磷、有效铜、有效锌、有效铁、有效锰呈显著负相关，相关系数分别为-0.185，-0.278，-0.446，-0.364，-0.398，-0.415. 有机质与碱解氮、速效磷、有效钾、有效铜、有效锌均呈显著正相关，相关系数分别为0.369，0.093，0.168，0.055，0.164. 碱解氮和速效磷与微量元素呈显著正相关. 碱解氮、速效磷、速效钾互相呈显著正相关，微量元素之间同样呈显著正相关.
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2006-2013年126个定点椒园土壤各养分指标均发生了不同程度的演变(表 5). 土壤pH均值从6.7降至6.2，降0.5个单位，整体处于弱酸性状态；有机质均值从13.3 g/kg增加到14.0 g/kg，增幅较小，整体仍处于缺乏状态；碱解氮均值从63.7 mg/kg增加到85.5 mg/kg，提高了34.2%，整体质量分数接近中等水平；速效磷均值从7.9 mg/kg降至6.2 mg/kg，降低了21.9%，整体质量分数仍处于缺乏状态；速效钾均值从105.4 mg/kg增加到109.0 mg/kg，整体质量分数处于中等水平；有效铜、有效锌、有效铁、有效锰均值分别从0.5 mg/kg，1.9 mg/kg，8.8 mg/kg，32.3 mg/kg增加到1.8 mg/kg，4.2 mg/kg，26.2 mg/kg，96.2 mg/kg，提高了2.2~3.6倍. 整体质量分数保持很丰富状态. 从2006-2013年，除碱解氮、有效铜和有效锌外，其余指标的变异系数均有所下降，2013年较2006年各指标变异系数平均下降了16.8%. 其中，有效铁空间变异系数降幅最大，由199.3%降为137.2%，但仍处于强变异；速效磷、有效锰则由147.6%和112.1%的强变异变化为94.4%和79.3%的中等变异；其余指标均保持中等变异不变，各指标变异系数范围为12.8%~199.3%.
基于土壤各肥力指标变化，选取土壤pH、有机质及速效氮、速效磷、速效钾5个养分指标对江津区花椒主产镇126个定点监测椒园土壤肥力进行定量化综合评价(图 3和图 4). 改进的因子分析法和内梅罗指数法表明，2006-2013年主产镇椒园土壤综合肥力平均值分别提升了13.3%和18.2%，且都处于Ⅲ级肥力水平，其中，有机质、速效磷和碱解氮的分肥力系数较低，为主要限制因子. 改进的内梅罗指数法表明，2006年主产镇的肥力综合值范围为0.6~1.4，至2013年变化为0.9~1.5；因子分析法表明，2006年主产镇的肥力综合值范围为0.3~0.5，至2013年变化为0.2~0.6. 内梅罗指数分析表明，嘉平镇肥力综合值提升高达92.5%，石蟆镇降低最多，为24.5%；而因子分析表明吴滩镇土壤综合肥力指数提升幅度最大达49.7%，而龙华镇降低最多，为33.2%.
2.1. 江津花椒主产区土壤养分质量分数的空间分布特征
2.2. 江津花椒主产区土壤各养分间相关性分析
2.3. 江津花椒主产区土壤养分变化特征及肥力综合评价
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适宜的土壤养分状况，是椒园可持续高产高效的前提. 本研究结果表明，重庆花椒主产区土壤养分状况具有明显的空间异质性. 土壤pH、碱解氮、速效钾等在空间上呈现斑块状或者带状分布，而土壤有机质、有效锌和有效锰则呈均匀分布. 前人研究表明，土壤养分的空间异质性可能与坡度、海拔和田间管理等因素有关[22]. 江津椒园多建立在山坡丘陵地区，不同坡度、海拔的土壤质地有所不同，且不同农户管理水平参差不齐，均可能影响椒园土壤养分的空间分布[23]. 本研究结果表明，2013年江津花椒主产区1 189个样点土壤pH均值仅为6.0. 薛茹[24]、龙成昌等[25]、薛智德等[26]测定了多地椒园土壤pH值，结果表明重庆、四川椒园土壤pH值较陕西和贵州椒园土壤pH值平均低1.5~2.1个单位. 重庆、四川椒园土壤多为紫色土、黄棕壤[4, 27]，土壤pH值较陕西、贵州的石灰土、黄土等碱性土壤偏低[25-29]. 而九叶青花椒生长适宜的pH值范围为6.5~7.0[4]. 因此，重庆椒园应当适当调节土壤pH以保证花椒可持续正常生长. 重庆花椒主产区土壤有机质仅为14.2 g/kg，处于缺乏水平，其质量分数仅为贵州椒园的50%左右(30 g/kg)[22]. 这可能与气候和成土母质有关，其中重庆地区空气湿度大，夏季高温多雨，土壤微生物活性强，加快了有机质的分解和矿化，不利于有机质的积累[30]. 而贵州椒园石灰土中Ca2+与胡敏酸形成难分解的化合物，能够稳定土壤中的有机质，降低其分解程度[22]. 因此重庆椒园需注重有机肥施用、枝条还田、堆肥等合理措施来提高土壤有机质[31]. 重庆花椒主产区土壤速效磷仅为7.6 mg/kg，同陕西、四川等地椒园相比速效磷质量分数相近，均偏低. 这可能因为磷素施入土壤后，易被固定，大部分椒园建在山地丘陵地区，大量可溶性磷可能会随地表径流和壤中流损失[32]. 因此重庆椒园可以通过绿肥覆盖来降低土壤磷素径流损失，并活化土壤中固定的磷素[33]. 此外，重庆椒园与四川、贵州等地相比，土壤碱解氮和速效钾的平均质量分数差异无统计学意义[23-25]. 2013年重庆花椒主产区有效铜、有效锌、有效铁、有效锰平均质量分数分别为1.9 mg/kg，4.2 mg/kg，27.8 mg/kg和107.7 mg/kg，按照土壤普查微量元素分级标准，均达到很丰富水平. 有研究发现重庆、四川花椒园土壤微量元素非常丰富，而贵州、陕西等地则较低[23-26]. 这可能是因为重庆、四川椒园土壤偏酸性，高浓度的H+使微量元素从无效态转化为离子态，从而增加了有效微量元素质量分数. 而贵州、陕西花椒园土壤大部分为碱性，土壤微量元素易形成氢氧化物沉淀或被碳酸盐吸附，有效性降低[34]. 综上所述，重庆花椒主产区的土壤偏酸性，有机质、速效磷较为缺乏，而碱解氮、速效钾处于中等水平，微量元素质量分数丰富.
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椒园土壤肥力演变特征和综合肥力是指导椒园土壤管理、维持椒园绿色可持续发展的重要指标. 本研究通过126个定点监测椒园土壤养分并结合因子分析法和改进的内梅罗指数法对其土壤肥力进行综合评价. 两种评价方法结果均表明，2006-2013年江津区主产镇土壤肥力都有不同程度的升降，平均肥力略有提升但仍处于较低水平(Ⅲ级). 其中椒园有机质、速效磷和碱解氮是主要限制因子，这与谢贤敏等[35]对江津土壤耕地肥力的研究结果类似. 杨仕曦等[36]研究表明，重庆市九龙坡花椒高产区的有机质质量分数为20.3 g/kg，且产量与有机质质量分数呈正相关关系. 杨林生等[37]研究表明重庆江津椒园施用有机肥后，产量从9.5 t/hm2增加到11.2 t/hm2，增产率为17.8%. 本研究结果表明有机质与碱解氮、速效磷、速效钾、有效铜、有效锌均呈显著正相关，其质量分数的高低也会直接影响土壤有效养分的丰缺，从而影响土壤肥力等级. 此外，李青等[38]研究表明土壤速效磷缺乏会直接导致作物生长受抑制，根系发育差，易老化，因此，提高土壤有效磷质量分数在一定程度上可以提升椒园的土壤肥力水平，促进花椒生长发育且增产效果显著. 前人研究表明土壤碱解氮偏低，除了会直接影响花椒的生长发育及产量外，花椒品质指标如麻味物质、乙醇提取物等含氮化合物质量分数也会降低[4]. 因此，重庆花椒主产区可以通过提高土壤有机质、速效磷、碱解氮来培肥土壤、提升椒园土壤肥力等级，从而提高花椒的产量和品质.
椒园土壤养分变化特征研究结果表明，2006-2013年土壤pH值平均降低了0.5个单位，土壤酸化进程快. 2013年土壤有效铜、有效锌、有效铁、有效锰平均质量分数分别是2006年的2.2~3.6倍. 且椒园土壤有效微量元素质量分数与pH值呈显著负相关，微量元素质量分数的增加与土壤pH值下降有关[23]. 张福锁[39]研究表明氮肥的过量施用是导致我国农田土壤严重酸化的主要原因，尤其在果园生产中农户氮肥的投入量显著高于粮食作物. 江津九叶青花椒生产上农户平均纯氮投入量高达351 kg/hm2，相比高产高效椒园的氮素投入量(272 kg/hm2)高出29.1%，氮肥过量施用农户占比高达21.9%[37]. 而本研究结果表明，7年间椒园土壤碱解氮虽提高了34.2%，但仍处于中等偏低水平. 椒园氮肥投入虽然较多，但农户多为撒施，重庆地区夏季高温多雨，撒施的氮肥易挥发、径流、淋洗，导致氮肥利用率低、环境污染等问题[37, 39]. 椒园施用钾肥以硫酸钾为主，且花椒树周年钾素累积量可达200 kg/hm2，花椒对钾素的吸收量较大，可能导致SO42-的累积，进而引起土壤酸化[37]. 此外，有研究表明作物带走大量的钙、镁离子也是土壤酸化的主要驱动因素之一. 花椒周年带走的钙、镁量分别为153 kg/hm2和35 kg/hm2，进而影响土壤中酸性阴离子的富集，也可能是椒园土壤酸化的主要原因[4]. 因此，改良重庆椒园土壤pH对花椒绿色可持续生产具有重要意义. 土壤有机质的提升对于椒园增产有重要意义[31]. 本研究表明，2006-2013年重庆椒园的土壤有机质增幅较小. 重庆属于亚热带季风性湿润气候，降雨较多，土壤微生物活性强，有机质的分解和矿化速率高，且农户有机肥施用少，不利于其积累[40]. 因此，在花椒园的施肥管理中，应注重增加土壤碳输入(增施有机肥、种植绿肥和枝条还田等途径). 土壤中速效磷质量分数高低是表征土壤为作物提供磷素能力强弱的重要指标[32]. 2006-2013年花椒主产区的土壤速效磷降低了21.9%，且处于缺乏水平，这可能是因为磷素易被土壤固定[33]，并且椒园多位于坡地丘陵等地区，表面无生草覆盖，磷素随地表径流流失量较大[32]. 因此，重庆椒园应重视有机物料的投入，并在表面进行合理的生草覆盖，在降低养分流失的同时培肥土壤.
3.1. 重庆花椒主产区土壤养分质量分数特征
3.2. 重庆花椒主产区土壤肥力演变特征及综合评价
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重庆市江津花椒主产区1 189个样点土壤pH均值为6.0，呈南高北低的空间分布；椒园土壤酸化进程快，2013年126个定位监测点椒园土壤pH值较2006年下降了0.5个单位.
土壤有机质缺乏(质量分数为14.2 g/kg)，空间上分布较均匀，没有随花椒种植年限的延长发生明显变化. 土壤碱解氮和速效钾平均质量分数分别为85.8 mg/kg，119.1 mg/kg，中等及以上比例分别为35.4%和55.3%，空间差异较大. 土壤速效磷质量分数低，平均质量分数为7.6 mg/kg，极缺乏的样点占比22.0%，且集中在西南片区. 土壤有效微量元素均达到很丰富水平；随着椒园年限增加，有效金属微量元素快速提高，2013年土壤有效铜、有效锌、有效铁、有效锰平均质量分数分别是2006年的2.2~3.6倍.
126个定点椒园土壤肥力变化及综合评价表明，重庆花椒主产区从2006-2013年土壤综合肥力略有提升，但仍处于较低水平(Ⅲ级)，土壤有机质、速效磷和碱解氮是主要限制因子. 建议在椒园采用枝条还田、种植绿肥或施用有机肥来提高土壤有机质，并结合土壤养分空间分布特征，合理施肥以保障花椒绿色可持续生产.
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