土壤中的大量营养元素氮、磷、钾，在植物生长过程中具有重要作用，是植物需要最多的元素，也是作物收获后从土壤中带走最多的元素^[1-3]，需要通过施肥来加以补充，因此被称为“肥料三要素”^[4]。土壤元素有效量可被作物直接吸收利用，与元素总量相比，有效量能够更有效地反映植物营养元素的供给能力，是衡量土壤养分容量和强度水平的重要指标，而其又受多种因素的影响。武钦萍等^[5]研究发现神府矿区复垦土地中铜、铁、锰、锌等元素有效量与土壤pH呈负相关，与有机质呈正相关。姜冰等^[6]研究发现青州市土壤中氮、磷、钾及其他养分元素有效量主要受控于元素全量、土壤pH、有机质、地质背景、土壤类型等。马大龙等^[2]研究了临汾市尧都农业区氮、磷、钾等营养元素有效量的空间变异特征，并提出了施肥建议。丁文广等^[7]通过对甘肃省中部干旱区不同退耕年限的土壤养分进行相关分析，发现有机质、全氮与速效氮呈显著正相关，全氮、全磷与速效钾呈显著正相关。刘世全等^[8-9]认为西藏土壤碱解氮与全氮、有机质呈非线性正相关，有效磷与有机质显著正相关，与全磷的相关性包含了有机质因素的影响，土壤pH为6.4 ~ 7.3的土壤有效磷含量较高，速效钾主要受控于阳离子交换量。通过研读文献可知，小尺度的研究区域相对较小，研究成果难以有代表性；大尺度的研究区域覆盖范围广，但多数研究样本量不多，自然环境变化引起的数据变化可能对结果产生较大影响。本研究基于大样本调查数据，旨在为潍坊地区土壤大量营养元素有效量本底特征统计及其影响因素分析提供真实可靠的数据基础。

山东省潍坊市作为传统农业大市，素有“全国农业看山东、山东农业看潍坊”美誉，农业生产力水平的维持受土壤各项指标协调的综合影响，而土壤速效养分含量和产量关系最为密切^[10-11]。本研究利用网格化采样分析测试、绘制分级空间分布图、相关分析、差异性分析等方法，揭示潍坊市表层土壤大量营养元素的空间变异规律，掌握其分布状况，探讨其影响因素，以期为土壤资源的可持续利用和管理、土壤培肥与改良提供依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

潍坊市地处118°10′E~ 120°01′E、35°41′N ~ 37°26′N，位于山东半岛中部，泰沂山北麓，胶东半岛与鲁中腹地的过渡带，面积16 167 km²，其中农用地占71.2%，建设用地占19.6%，未利用地占9.2%。气候属温带季风气候，四季分明，春季风多雨少，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷干旱。地势总体南高北低，南部为中低山、丘陵，海拔100 m以上，占35.6%；中部为倾斜平原，海拔7 ~ 100 m，坡降1/500 ~ 1/1 200，占41.6%；北部沿海为滨海平原，海拔7 m以下，占22.8%。土壤类型含棕壤、褐土、粗骨土、砂姜黑土、潮土、滨海盐土等6类(图 1)，其受生物气候条件影响，又受到地形地貌、水文地质、母岩母质的综合影响和制约，而各种条件的差异，使潍坊市土壤分布有较鲜明的规律，自南向北总体依次分布粗骨土→棕壤→褐土→潮土→砂姜黑土→滨海盐土。

1.2 样品采集

以2 km × 2 km尺度划定网格，城镇地区适当放稀，布设样点于网格内主要土壤类型和主要土地利用方式的代表性地块，采集介质为0 ~ 20 cm表层土壤，以样点为中心，在周边50 ~ 100 m范围内，采用“S”形或“X”形设定分样点进行多点采集，各分样点的采样部位、深度和重量一致，并剔除植物根系、石块等杂物，由4 ~ 6个分样等量混合组成1件样品，充分混匀，四分法缩分不少于1 kg装入干净棉布袋，放置通风阴凉处自然风干后移交山东省地质矿产勘查开发局海岸带地质环境保护重点实验室进行处理与测试，本次工作实际共采集土壤样品3 474件。

1.3 样品处理与测试

参照DZ/T 0295—2016《土地质量地球化学评价规范》^[12]，风干样品经木棒敲碎后全部过2 mm孔径尼龙筛，混匀后四分法分成若干份，一份供测土壤pH、有效磷、速效钾、碱解氮，一份过0.25 mm孔径尼龙筛供测有机质、全氮，一份过0.074 mm孔径尼龙筛供测全磷、全钾。土壤pH经水浸提(水土比为2.5︰1，V︰m)，采用电位法测定^[13]；有机质经油浴加热，采用重铬酸钾氧化法测定^[14]；全氮经硫酸消煮，采用凯氏定氮法测定，碱解氮采用氢氧化钠碱解扩散法测定^[15]；全磷经氢氧化钠熔融，采用钼锑抗比色法测定，速效磷经碳酸氢钠浸提，采用电感耦合等离子体发射光谱法测定^[16]；全钾经氢氧化钠熔融，采用原子吸收分光光度法测定，速效钾经乙酸铵浸提，采用电感耦合等离子体发射光谱法测定^[17]。样品检出率均为100%，用国家一级标准物质(GBW系列)检验分析方法准确度和精密度，合格率均为100%，pH绝对偏差小于0.1，测试结果和数据质量满足要求。

1.4 数据处理

受自然条件突变的影响，测试数据中可能存在偏离较大的异常值，其不具代表性，且会对数据分析造成不利影响^[18]。采用Microsoft Excel 2010软件，利用正态分布的3σ原则对指标值进行筛选，剔除异常值，然后进行描述性统计。统计土壤pH先换算[H⁺]浓度，再剔除异常值，最后换算成pH。采用SPSS 22.0软件进行双尾显著性检验和Pearson相关性分析，将剔除异常值后形成的缺失值及与缺失值有检验分析关系的观测值成对排除。采用MapGIS软件数字地面模型(digital terrain model，DTM)分析，生成不规则三角网(triangulated irregular network，TIN)，根据分级标准绘制空间分布等值线图。

2 结果与分析 2.1 土壤指标描述性统计

研究区剔除异常值后的土壤大量营养元素全量、有效量和理化指标统计参数如表 1所示。变异系数反映数据的离散程度，其达到中等变异强度，即0.1 ~ 1，表明土壤元素或指标含量具有一定的空间分布差异性^[19-20]。变异程度大小依次为：有效磷 > 速效钾 > 碱解氮 > 全磷=有机质 > 全氮 > 全钾 > 土壤pH，显然，有效量具有更强的空间变异性。DZ/T 0295—2016以《土地质量地球化学评价规范》中土壤养分指标等级划分标准的中等和土壤pH中性的下限值为临界值，来衡量研究区各指标的丰缺或土壤酸碱度水平。全氮和有机质的均值低于临界值，其他指标均高于临界值，尤以有效磷最为突出，达临界值的4倍以上。而有效磷的变异系数为0.97，空间变异性最强，表明局部存在磷肥的过量施用，可能导致肥料利用率低和水体富营养化等环境风险^[21-22]，应引起重视。土壤pH均值在中性范围内。

2.2 土壤大量营养元素有效量丰缺评价

基于DZ/T 0295—2016《土地质量地球化学评价规范》^[12]，将土壤大量营养元素有效量划分为5个等级进行统计(表 2)，并绘制空间分布图，其区域分布特征受含量差异的影响。碱解氮较缺乏样本数1 200个，占比最高，达34.54%，缺乏的样本数692个，占比19.92%，虽然其均值略高于临界值，但含量差异较显著。由图 2可见，碱解氮缺乏区主要集中分布于北部沿海、寒亭至安丘一带以及临朐南部，有较强的地域性；丰富区则呈点源状无规律分布，可能受施肥等农业生产行为的影响。有效磷以丰富为主，样本数1 446个，占比41.62%；较缺乏和缺乏的样本数最少，分别占比10.79%和9.38%。由图 3可见，有效磷缺乏区主要分布于坊子至北部沿海一带、青州西部以及临朐西南部；丰富区集中连片分布，空间分布差异显著。速效钾以丰富为主，样本数1 230个，占比35.41%；缺乏的样本数最少，占比仅3.11%。由图 4可见，速效钾总体呈现南低北高的分布趋势，与自南向北的土壤类型分布规律有一定契合，表明其受土壤性质影响较大，另外可能与南部低山丘陵区不发达的农业生产水平也有一定关系。

2.3 土壤大量营养元素有效量的影响因素分析 2.3.1 土壤类型

土壤大量营养元素有效量和理化指标在不同土壤类型中的对比统计如表 3所示。不同土壤类型的成土条件和成土过程各不相同，理化性质也有所差异，会对土壤元素地球化学行为产生影响。棕壤经受了比较强烈的淋溶作用和黏化作用，可溶盐和盐基成分已经基本被淋失，一般呈酸性或微酸性，其土壤pH显著低于其他土壤类型。粗骨土土层浅薄，经受侵蚀，发育程度弱，盐类易随地表水向低处迁移，其速效钾含量显著低于其他土壤类型。砂姜黑土是古老的耕作土壤，质地黏重，受旱耕熟化和人为影响(耕作、施肥)，其碱解氮、有机质含量显著高于其他土壤类型。潮土在自然条件下，其磷素水平通常较低，但在现今农业生产条件下，管理措施已大幅改善，潮土区施用磷肥非常普遍^[23]，故其有效磷含量显著高于其他土壤类型。滨海盐土养分含量低、盐分含量高，呈碱性或微碱性反应，较难利用，其碱解氮、有效磷、有机质含量显著低于其他土壤类型，而速效钾含量和土壤pH显著高于其他土壤类型。

2.3.2 土壤元素全量和理化指标

土壤元素有效量通常受到多种土壤因子的制约，如对应元素全量、土壤pH和有机质等^[24]。剔除异常值后形成的缺失值按对排除个案，进行相关性分析。由表 4可知，全氮和碱解氮相关系数r=0.577 (n=3 387，P < 0.01)，全磷和有效磷相关系数r=0.466 (n=3 393，P < 0.01)，表明碱解氮和有效磷受全量的影响显著，其有效量随全量的增加而增加。而全钾和速效钾相关性不显著，也有研究表明全钾与速效钾相关性小^[25]。土壤中的钾主要以矿物态钾存在于土壤粗粒部分，占全钾的90%以上，短期内不能被植物利用，各种形态的钾保持着动态平衡，速效钾一般不足全钾的2%。有机质与碱解氮、有效磷、速效钾的相关系数分别为0.503 (n=3 369，P < 0.01)、0.203 (n=3 349，P < 0.01)、0.262 (n=3 374，P < 0.01)，均达到显著正相关。碱解氮包括无机的矿物态氮和有机态氮，有机质中富磷，腐解产生的有机酸能活化被土壤固定的磷素，同时有机质中的钾在有机质分解后进入土壤溶液，参与不同形态钾的平衡体系，土壤有机胶体还会吸附钾离子。因此，对耕种土壤来说，保持和提高土壤有机质含量是培肥的中心环节^[26]。土壤pH与碱解氮、有效磷为显著负相关，相关系数分别为–0.147 (n=3 353，P < 0.01)、–0.279 (n=3 335，P < 0.01)，与速效钾为显著正相关，相关系数r=0.137 (n=3 358，P < 0.01)。土壤酸碱性通过影响矿质盐分的溶解度而影响养分的有效性，同时制约着微生物活动，对有机质的腐殖质化和矿化过程有重要影响^[27]。土壤氮素的矿化速率由微生物控制，硝化作用在中性和微酸性最适宜，有机质分解过程中产生腐殖质酸又会使土壤酸度增高。土壤在中性和微酸性环境下，磷酸盐的有效性最大^[28]，对磷矿粉而言，一般说来土壤pH越低，其有效性越高。土壤胶体负电荷随pH的提高而增加，对钾的吸附量也随之增加，同时在土壤pH低的情况下，速效钾向溶液中释放得较多。

3 结论

1) 研究区表层土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量具有很强的空间变异性，平均值分别为94.44、43.69、192.50 mg/kg；碱解氮以较缺乏占比最高，有效磷和速效钾以丰富占比最高。

2) 不同土壤类型理化指标有所差异，对元素有效量形成了差异性影响。粗骨土中速效钾含量显著低于其他土壤类型；砂姜黑土中碱解氮含量显著高于其他土壤类型；潮土中有效磷含量显著高于其他土壤类型，滨海盐土中碱解氮、有效磷显著低于其他土壤类型，速效钾含量显著高于其他土壤类型。

3) 土壤大量营养元素有效量受元素全量、土壤pH和有机质等多种土壤因子的影响。碱解氮与全氮、有效磷与全磷均呈显著正相关，碱解氮、有效磷、速效钾与有机质均呈显著正相关，碱解氮、有效磷与土壤pH呈显著负相关，速效钾与土壤pH呈显著正相关。