土壤基础肥力是决定作物能否高产、稳产的关键因子，也是合理施肥的依据。一般基础地力高的土壤作物获得高产的潜力大，而基础地力低的土壤只有在较高施肥水平下才能获得较高的产量^[1-2]。徐春丽等^[3]对贵州、重庆、四川3省（市）508个试验点研究发现，随着基础地力的提升，作物产量提高，施肥产量差降低，产量的稳定性和可持续性提升。因此，在了解土壤肥力的基础上，合理施肥不仅可以保障作物的高产、稳产，还能降低作物对肥料的依赖性，更好地培肥地力。

持续高量的养分投入有助于提高土壤肥力和作物产量^[4]，但不合理施肥会导致养分资源浪费、生产成本增加，以及对生态环境的污染，特别是对土壤质量的破坏已成为制约现代农业绿色发展的瓶颈。刘兆辉等^[5]研究发现，山东寿光菜田土壤硝态氮的平均含量是粮田的6.5倍，土壤有效磷含量比粮田高出几倍甚至几十倍。辽宁省海城市38个种植年限在3~30年之间的设施蔬菜大棚土壤有效磷和速效钾平均含量分别高达363 mg·kg^-1和637 mg·kg^-1[6]，天津市菜田土壤硝态氮和有效磷含量分别是农田土壤的4~10倍和20倍以上^[7]，不仅造成了土壤硝态氮的严重淋溶损失，甚至有效磷也出现了明显的下移倾向^[5]。

潮土是我国北方农业适种土壤的重要类型，对其肥力和生产力的研究已得到了广泛的关注。魏猛等^[8]通过35年长期定位试验发现，随着种植年限的增加，小麦-玉米轮作体系潮土土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量均有所增加。王乐等^[9]对分布在全国12个省（市、区）的51个种植小麦/玉米的潮土肥力长期监测基地研究发现，土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾呈上升的趋势，pH呈下降趋势。但目前相关研究多集中于粮田，而潮土区菜田土壤肥力状况研究相对较少。为此，本研究以河北省保定市潮土区典型的蔬菜种植大户及生产基地为研究对象，应用隶属度模型和主成分分析法对菜田土壤综合肥力进行评价，旨在为潮土区菜田土壤养分管理和科学施肥提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 样品采集及测定方法

以河北省保定市清苑、涿州等潮土分布区的蔬菜主产区为研究区域, 对典型的蔬菜种植大户及生产基地进行设施菜田（Greenhouse vegetable field，简写为GVF）和露地菜田（Open vegetable field，简写为OVF）土壤样品的采集，同时采集菜田附近冬小麦/夏玉米轮作的粮田土壤（Grain filed，简写为GF）作为对照。设施菜田以种植番茄、黄瓜、茄子等果菜类蔬菜为主；露地菜田种植的蔬菜品种多样化，且一年2~3茬轮作。采样时间为蔬菜种植前。采样方法是在地块内按S型布点, 用不锈钢土钻采集0~20 cm耕层土壤样品。设施菜田、露地菜田和粮田土壤样本采集量分别为262、161、80个。

土壤样品测试指标为pH、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有效铁、有效锰、有效锌和有效铜。土壤pH按水土比2.5:1的比例用pH计测定；有机质含量采用重铬酸钾-浓硫酸氧化（外加热法），硫酸亚铁滴定法测定；全氮含量测定采用凯氏消煮-凯氏定氮法；碱解氮含量测定采用碱解扩散法；土壤有效磷含量测定采用0.5 mol·L^-1 NaHCO₃浸提，钼锑抗比色法；土壤速效钾含量测定采用NH₄OAc浸提，火焰光度法。有效铁、有效锰、有效铜、有效锌含量测定采用DTPA浸提，原子吸收分光光度法^[10]。

1.2 土壤肥力指标分级标准

参考文献[11-13]，并结合河北省菜田土壤肥力总体情况，确定菜田土壤酸碱度和养分丰缺分级参考标准如表 1和表 2所示。

1.3 土壤肥力质量评价

首先根据相关文献和专家建议总结确定本研究土壤肥力质量评价的主要影响因子，共10项指标, 分别为pH、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有效铁、有效锰、有效铜和有效锌^[14]。

对上述10项土壤指标的测定结果采用隶属度模型计算隶属度值，同时运用主成分分析法对土壤指标进行降维，累积贡献率大于85%作为选择主成分的条件，并求得各指标的权重和载荷，以主成分因子负荷量值的正负来确定隶属度函数分布的升降获取主成分因子型^[15]。最后计算各处理土壤综合肥力指数（FQI），作为评价土壤肥力的依据。

升型分布函数：

(1)

降型分布函数：

(2)

式中：Q（x_i）表示土壤属性的隶属度值；x_ij表示各因子属性值；x_imax表示第i项因子中因子属性最大值；x_imin表示第i项因子中因子属性最小值。

运用SPSS进行主成分分析并获取各评价因子在各主成分上的负荷量、方差贡献率和累积方差贡献率^[14]，进而确定各属性相应的权重向量：

(3)

式中：ω_i表示土壤各属性的权重向量；c_i表示第i项土壤肥力因子的因子负荷量。

根据模糊数学中的加乘法获得相应的土壤肥力指数：

(4)

式中：n表示评价指标的个数；m表示所选主成分个数；K_j表示第j个主成分的方差贡献率。

1.4 数据处理

试验数据用Excel 2017和Sigmaplot 12.5软件进行处理和绘图，SPSS 17.0软件进行相关性分析及显著性检验。

2 结果与分析 2.1 菜田土壤养分现状分析 2.1.1 土壤pH

土壤酸碱度是影响土壤肥力的重要属性。对土壤pH进行分析，结果（图 1）发现，设施菜田和露地菜田土壤pH平均值分别为8.05和8.06，差异不显著，但均显著低于粮田土壤。设施菜田和露地菜田土壤尽管均以pH>8的碱性土壤为主，但pH < 8的弱碱性土壤（7.5~8.0）占比也分别达到了34.62%和27.16%。说明与粮田土壤相比，设施菜田和露地菜田土壤已呈现出酸化的趋势。

2.1.2 土壤有机质含量及其分布

以粮田土壤为对照，对菜田土壤有机质含量进行分析。结果（图 2）发现，设施菜田和露地菜田土壤有机质平均含量分别为23.60 g·kg^-1和19.31 g·kg^-1，是粮田土壤的1.26倍和1.04倍；同时，设施菜田显著高于露地菜田，是露地菜田的1.22倍。设施菜田和露地菜田土壤有机质含量最高值分别为38.30 g·kg^-1和30.50 g·kg^-1，是粮田土壤平均含量的2.06倍和1.64倍。设施菜田达到肥沃菜田土壤有机质含量标准（>30.00 g·kg^-1）的样本量占总样本量的17.12%，而露地菜田仅占0.65%。由此可见，菜田土壤有机质含量高于粮田，而设施菜田又显著高于露地菜田。但根据菜田土壤养分丰缺标准，设施菜田和露地菜田土壤有机质含量分别仅为中等和较缺乏水平。

2.1.3 土壤全氮含量及其分布

从图 3可以看出，设施菜田和露地菜田土壤全氮平均含量分别为1.13 g·kg^-1和1.03 g·kg^-1，均为中等水平，与粮田土壤平均含量基本相当；但设施菜田和露地菜田土壤全氮含量最高值分别为2.10 g·kg^-1和1.60 g·kg^-1，分别是粮田土壤平均含量的2.03倍和1.55倍。从分布频率来看，设施菜田土壤全氮含量达到肥沃菜田土壤全氮含量标准（>1.50 g·kg^-1）的样本量占总样本量的19.42%，而露地菜田仅占1.34%。

2.1.4 土壤碱解氮含量及其分布

设施菜田和露地菜田土壤碱解氮平均含量分别为120.66 mg·kg^-1和98.33 mg·kg^-1，为较丰富和中等水平。设施菜田显著高于露地菜田，最高值分别达224.00 mg·kg^-1和148.00 mg·kg^-1，是粮田土壤平均含量的2.01倍和1.33倍，达到肥沃菜田标准（>120.00 mg·kg^-1）的土壤样本量分别占总样本量的40.30%和16.80%（图 4）。

2.1.5 土壤有效磷含量及其分布

图 5结果表明，设施菜田和露地菜田土壤有效磷平均含量分别为193.49 mg·kg^-1和88.68 mg·kg^-1，是粮田土壤的5.35倍和2.45倍，为丰富和较丰富水平；设施菜田土壤有效磷显著高于露地菜田；设施菜田有效磷含量最高值为616.80 mg·kg^-1，已超出粮田土壤含量的10倍以上。设施菜田和露地菜田有效磷含量超过80.00 mg · kg^-1的样本量分别占总样本量的63.41%和40.00%，处于丰富水平的样本量分别占56.91%和19.33%。由此可见，菜田土壤磷素富集现象已非常突出，特别是设施菜田。

2.1.6 土壤速效钾含量及其分布

设施菜田和露地菜田土壤速效钾平均含量分别为415.78 mg·kg^-1和202.70 mg·kg^-1，是粮田土壤的4.74倍和2.31倍，分别达到了丰富和较丰富水平，设施菜田显著高于露地菜田；设施菜田和露地菜田速效钾含量最高值分别达1 088.00 mg·kg^-1和908.00 mg· kg^-1，是粮田土壤平均含量的12.39倍和10.34倍，设施菜田土壤最低值也达到了粮田土壤最低值的2.3倍。设施菜田土壤速效钾含量高于300.00 mg·kg^-1的样本占总样本量的56.45%。而露地菜田速效钾含量变化较大，高低并存，处于丰富水平的样本占总样本量的19.11%，缺乏水平样本量也占到32.48%（图 6）。可见设施菜田土壤钾素富集现象也比较突出。

2.1.7 土壤微量元素含量

由表 3可知，设施菜田和露地菜田土壤有效铁平均含量分别为13.56 mg·kg^-1和15.08 mg·kg^-1，分别达到中等和较丰富水平，是粮田土壤的1.15倍和1.27倍；但设施菜田有效铁含量低于露地菜田10.08%。设施菜田土壤有效锰含量与露地菜田基本相当，均显著低于粮田。设施菜田和露地菜田土壤有效铜平均含量均为较丰富水平，分别是粮田土壤的1.70倍和1.41倍，且设施菜田有效铜含量高于露地菜田20.15%。设施菜田和露地菜田土壤有效铜含量最高值分别达到了粮田土壤平均含量的8.75倍和10.12倍。设施菜田和露地菜田土壤有效锌平均含量均达到了较丰富水平，分别是粮田土壤的2.77倍和1.78倍，设施菜田高出露地菜田55.13%，设施菜田和露地菜田土壤有效锌含量最高值分别达到了粮田土壤平均含量的9.70倍和8.95倍。但菜田土壤有效铜、锌的变异系数均较大。

2.2 菜田土壤综合肥力质量评价 2.2.1 土壤化学指标隶属度计算及土壤指标权重的确定

根据公式（1）和公式（2）对上述土壤指标计算不同种植类型的农田隶属度值，结果见表 4。利用主成分分析法对土壤化学指标进行因子分析，特征值大于1且累积贡献率大于85.00%选取为主成分，共提取了3个主成分，3个主成分的累积贡献率为86.16%，并通过公式（3）计算得出各因子的权重（表 5）。

2.2.2 土壤肥力质量的数值化评价

根据上述各指标的隶属度及各因子的权重结果计算菜田土壤综合肥力指数FQI值。结果表明，设施菜田、露地菜田和粮田的土壤综合肥力指数FQI值分别为0.69、0.38和0.28。设施菜田土壤比露地菜田和粮田土壤分别提高了0.82倍和1.46倍，露地菜田土壤FQI值高于粮田35.71%（图 7）。

3 讨论

国际长期定位试验结果表明在土壤肥力低且不施肥条件下，作物产量逐年下降，而在土壤肥力高且不施肥的情况下，50年后仍可以保持较高的产量水平^[1]。因此，明确土壤肥力状况对于提高蔬菜产量、降低蔬菜对肥料的依赖以及指导科学施肥至关重要。

土壤酸化是土壤质量退化和土壤环境恶化的重要表现形式之一，pH下降导致的土壤保蓄能力降低又会进一步增加水体营养化和水质恶化的风险^[16]。土壤自然酸化是一个需要几百年甚至几千年的漫长过程，但在人为干扰的情况下，菜田土壤在10~20年，甚至更短的时间内就会出现酸化现象^[17]。本研究调查发现，设施和露地菜田土壤虽然基本处于弱碱性或碱性水平，但pH值显著低于对照粮田。此现状与长期大量的施用氮肥密不可分^[18]。由此可见，菜田土壤酸化现象不容忽视。在保障蔬菜高产稳产的前提下，减少氮肥施用量，同时配施适量的有机肥，是延缓菜田土壤酸化的重要途径。

蔬菜生产中菜农普遍重视肥料的施用，特别是设施菜田。本研究结果表明，设施菜田和露地菜田土壤有机质含量总体处于中低水平，全氮含量均为中等水平。陈伦寿等^[19]指出，理想的菜田土壤有机质含量应该在30.00 g·kg^-1以上，相比之下，潮土区设施菜田和露地菜田达到此水平的样本分别仅占总样本量的17.12%和0.65%，土壤有机质含量总体水平偏低。此结果可能与调研区域菜田有机肥多以鸡粪为主有关，鸡粪速效养分含量虽然高，但碳和纤维素含量低，分解速度较快^[20]。进一步分析土壤C/N发现，设施菜田、露地菜田和粮田的C/N分别为5.83~18.66、4.83~ 28.18和8.83~11.50。可见，3种种植模式的土壤C/N均明显偏低。因此，在实际生产中，仅施用含氮量高、含碳量低的有机肥不利于土壤培肥。在今后的蔬菜生产中，应注意在合理施用有机肥的基础上，增施作物秸秆、牛马粪等碳和纤维素含量较高的有机物料，以协调土壤养分和能量间的平衡，提升土壤肥力。

土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量是土壤供肥能力的重要指标。当前菜田土壤碱解氮含量处于中高水平，尤其是设施菜田。已有研究表明，当施用纯N量为450 kg·hm^-2时，氮肥对蔬菜硝酸盐累积的贡献率可超过85%，而人体摄入的硝酸盐约有81%来自蔬菜^[21]。因此氮肥超量施用不但不会维持作物高产量，还可能会降低蔬菜品质，带来食品安全问题。当前菜田土壤有效磷含量普遍高于粮田，特别是设施菜田。土壤中磷素累积可以增加土壤供磷能力，但是累积到一定程度也会在土壤剖面中明显下移或随径流流失，不仅造成水体污染^[22]，而且还会影响土壤其他养分的有效性^[23]。在保障环境安全的基础上兼顾蔬菜高产的菜田土壤有效磷含量80 mg·kg^-1定义为水体污染的临界值^[24]。而本研究结果显示，63.41%的设施菜田和40.00%的露地菜田土壤有效磷含量均超过80 mg· kg^-1。设施菜田和露地菜田土壤速效钾含量分别达到了粮田土壤的4.74倍和2.31倍。蔬菜是喜钾作物，但是土壤中钾素的过量累积，也会影响作物对其他金属元素的吸收，破坏养分平衡，进而影响蔬菜产量和品质^[25]。菜田土壤中较高的速效养分含量与菜农长期盲目过量的施肥习惯密切相关。因此，今后的蔬菜生产中，应在了解土壤肥力和蔬菜目标产量对养分需求的基础上，适当控制化肥施用量，特别是磷钾养分的投入，以实现高产、优质、高效、环保的蔬菜生产目标。

土壤中适宜的微量元素含量可以提高蔬菜产量，但含量过高不仅会对蔬菜正常的生长发育产生负面影响，同时可能会由于重金属的累积影响蔬菜的营养品质和食用安全^[26]。全国菜地土壤中Cu和Zn的平均含量分别为29.97 mg·kg^-1和99.86 mg·kg^-1，远超过标准含量几倍甚至几十倍^[27]。本研究结果表明，菜田土壤有效Fe、Mn、Cu、Zn含量均已处于中等偏上水平，平均含量是标准含量的1.36~3.16倍。这一方面与畜禽粪便中Cu、Fe、Zn等微量元素含量普遍较高有关^[28]，另一方面也可能与种植业不少杀菌剂均为含铜制剂有关^[29]。此外，商品有机肥原料来源复杂，尤其含有生活垃圾和污泥的堆肥，也存在一定数量的重金属，即使达到国家规定的限量标准，但长期大量施用也必然造成土壤中金属元素的累积。因此，今后潮土菜田应重视有机肥的施用，但要严格控制重金属含量偏高的有机肥料的施用。

4 结论

（1）潮土区土壤综合肥力指数表现为设施菜田显著高于露地菜田，露地菜田高于粮田。

（2）与粮田土壤相比，潮土区设施菜田和露地菜田土壤速效养分含量显著提高，但土壤pH显著降低，表现出明显的土壤酸化趋势。

（3）根据菜田土壤养分含量分级标准，目前潮土区设施菜田和露地菜田土壤有机质和全氮含量总体处于中等偏下水平，而有效磷和速效钾含量总体处于偏高水平。