经实地勘察,选择地理条件相对一致、复垦年限各不相同的8个村庄。考虑到耕作层土壤肥力状况对农作物的生长状况最为明显,本研究仅对研究区耕作层(0—30 cm)土壤进行采样分析。为保证样点布置的科学合理性,每个样点根据地块大小和形状按S型布点,随机混合采样,样品在实验室风干后碾磨过0.149,1,2 mm筛备用。采样村庄及复垦年限见表1。根据本文肥力评价因子,选取8个指标进行化验分析,测定指标及方法见表2。

表1 村庄复垦年限

表2 土壤肥力测定指标及方法

合适的评价方法是保证评价结果准确、可靠、科学的关键所在,本研究通过参考已有的研究成果,实地走访、咨询相关专家意见,采用层次分析法对空心村及荒草地土壤肥力的权重进行分配,再构建评价模型计算土壤综合肥力指数,进行土壤肥力评价。

2.2.1 评价指标权重确定(1)指标选取与判断矩阵。根据稳定性、主导性、可操作性及独立性原则,结合研究区实际情况,选取容重、质地、pH值、电导率、有效磷、速效钾、全氮、有机质8项指标作为土壤肥力评价因子。本文采用层次分析法确定各评价因子权重,因空心村废弃宅基地一般具有小而散的特点,故将每个村庄土壤综合肥力为目标层(A),土壤物理因子和养分因子为准则层(B),指标层为容重(C₁)、质地(C₂)等8项指标(C₁—C₈),构成评价指标体系(图1)。采用1—9标度法来定义判断矩阵A=(a_ij)n×n(表3)^[18],判别矩阵见公式(1)。

(1)

图1 土壤综合肥力评价体系

表3 判断矩阵标度及含义

(2)权重向量计算与一致性检验。首先采用算术平均值计算权重向量(公式2),然后进行一致性检验CR=CI/RI。RI值见表4。当CR<0.1时,表明判断矩阵一致性较好。

(2)

式中:w为权重向量; a_ij为因素i与因素j的重要性之比; a_kj为因素k与因素j的重要性之比; n为因素个数。

CI=(λ_max-n)/(n-1)(3)

式中:CI为一致性指标; λ_max为判断矩阵最大特征值。

通过上述步骤计算,指标层C对目标层A的排序权重向量分别为0.028,0.75,0.076,0.041,0.303,0.159,0.159,0.159。CR<0.1,符合一致性检验。

2.2.2 模型构建 根据评价因子各级别分值(F_i)与权重值(C_i)建立评价模型^[19]:

(4)

式中:F_i为评价因子各级别分值,参照全国第二次土壤普查分级标准进行取值,F_i值为1～6; H_i为评价因子权重。A为各项目土壤肥力综合指数,将A值换算到0～100。

表4 层次分析法的平均随机一致性指标值

根据上述评价模型,计算出各土地利用类型下土壤肥力指数A值。空心村土地复垦前后土壤综合肥力改良效果见表5。复垦前A值介于50.57～69.32,复垦后A值介于61.63～72.91,空心村土地复垦后,改良指数表现为段庄村>山头村>沟西村>柳家垣>义合村>高槐村>塔冢村>柳泉村,基本表现为复垦年限越长,改良指数越高,而塔冢村、柳泉村因复垦前土壤肥力指数较高,所以复垦后改良指数提升较小,各村庄平均改良指数20.08%,2006年复垦的段庄村改良指数达到32.76%,改良效果明显,与刘畅等人在山西省泽州县西部郜村空心村复垦后改良指数为27.32%相似^[20]。澄县空心村主要为地上窑,地上窑的老墙土具有较高肥力,复垦时通常将老墙土推碎后回填至耕作层中,改善了土壤的结构与组分,增加了有机肥,因而空心村土地复垦后土壤综合肥力较好,改良效果较好。此外,2011年与2012年复垦的沟西村和山头村改良指数均高于25%,其他空心村改良效果与复垦年限呈正相关,表现出随复垦年限的增加,肥力指数、改良指数越高,这可能因为2010年后空心村复垦工艺的提高从而改善了改良效果。

参照综合评分5级分类法,A≥80为1级,土壤综合肥力质量好; 80>A≥60为2级,较好; 60>A≥50为3级,中等; 50>A≥40为4级,较差; <40为5级,土壤综合肥力质量差^[21]。由图2可知,空心村土地复垦后土壤综合肥力质量校好,A值均≥60,为2级,且复垦年限越长肥力指数越高。而空心村土地复垦前,仅塔冢村、柳泉村土壤综合肥力指数较高为2级,其他均为中等水平。村庄附近的荒草地土壤综合肥力水平均≥50,平均值为64.7,表明肥力水平较好,适宜进行土地整治。从不同土地利用类型来看,土壤综合肥力表现为空心村土地复垦后>荒草地>复垦前。空心村土地复垦前由于人类活动频繁,土壤紧实,土层中微生物含量低,土壤有机物少,因而各村庄复垦前肥力水平相对较差; 荒草地累积了多年杂草,提高了土壤有机物含量,因而肥力水平均值达到2级水平。

表5 空心村土地复垦后土壤肥力改良评价结果

一般常以N,P,K和有机质等养分含量来衡量土壤肥力高低,由于肥力因素众多,很难全面清楚地看出土壤肥力真正的水平高低^[22]。图3分析了pH值、电导率、有机质、全氮、有效磷、速效钾与土壤综合肥力指数的相关性,每组24个样本。土壤pH值是土壤主要化学性质之一,反映土层中的酸碱环境,影响微生物活性。由图3可知,土壤pH值与土壤综合肥力指数相关性R²=0.0144,这是由于本研究土壤pH值在6.74～7.69范围内,酸碱环境适中,因而对肥力高低影响较小。电导率与土壤综合肥力指数相关性R²=0.0271,对肥力影响也较小。全氮、有效磷、速效钾与土壤综合肥力指数的相关性R²分别为0.081 9,0.211 2,0.456 1。氮元素是构成土壤肥力的重要物质基础,由于人类居住产生的生活污水及生活垃圾增加了土壤氮的富集,村庄附近全氮含量较高,含量为0.67～1.77 mg/g,因而R²较低。磷、钾元素也是作物生长必不可少的元素之一,提高土壤中磷、钾的含量可显著提高土壤肥力水平^[5]。有机质是土壤肥力评价的重要指标,其相关性R²=0.5246,对肥力的影响最大,有机质的积累与转化是土壤内物质能量循环的核心环节,其分解产生的有机酸还能促进土壤矿物质的分解,提高土壤肥力,并可改善土壤结构与水热环境。

图2 不同土地利用类型下土壤肥力指数

图3 评价因子与土壤综合肥力指数的相关性