林圣玉，李 英，張華明，張 龍，張勇奮，袁 芳

(江西省水土保持科學研究院/江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌 330029)

土壤肥力質(zhì)量是土壤的本質(zhì)屬性，其高低直接影響著農(nóng)作物的生長、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的布局和效益的發(fā)揮[1]?？茖W評價坡耕地表土肥力情況，準確掌握土壤肥力質(zhì)量，對提高區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量及品質(zhì)，保護土地資源和生態(tài)環(huán)境，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。坡耕地是江西省重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源，也是該區(qū)域水土流失的主要源地，強烈的水土流失和密集的人類活動共同威脅著坡耕地土壤質(zhì)量。近年來許多學者對鄱陽湖區(qū)的水土流失狀況及其對土壤肥力的影響進行了研究[2-4]，但對鄱陽湖區(qū)坡耕地土壤質(zhì)量尤其是表層耕作土壤肥力狀況的評價還未見報道。本研究采用模糊數(shù)學隸屬度函數(shù)模型計算土壤肥力綜合指數(shù)，對鄱陽湖區(qū)典型區(qū)域坡耕地表土進行肥力質(zhì)量綜合評價，以期為區(qū)域坡耕地土地資源的開發(fā)利用與管理，以及因地制宜地調(diào)整作物布局與合理施肥提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

2 研究方法

2.1 樣品采集與分析

2.1.1 樣品采集

根據(jù)江西省第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)和鄱陽湖區(qū)坡耕地的分布特征，選取具有代表性的高安市、進賢縣和湖口縣作為研究區(qū)。用GPS定位18個采樣點，每個點設3個樣地，每個樣地面積約150 m2，種植作物為花生。采用“S”形5點采樣法，采集0～20 cm的表層土，土壤樣品經(jīng)充分混合后用四分法取舍，保留1 kg左右混合土樣帶回實驗室分析。采樣時間為2014年4月。

2.1.2 土壤理化性質(zhì)測定

土壤理化性質(zhì)的測定采用常規(guī)分析方法：土壤機械組成采用吸管法；土壤團聚體含量采用干篩和濕篩法；土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法；全氮含量采用半微量凱氏法；全磷含量采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法；全鉀含量采用氫氧化鈉熔融-火焰光度計法；堿解氮含量采用堿解擴散法；速效磷含量采用0.5 mol/L的碳酸氫鈉提取后用鉬藍比色法測定；速效鉀含量采用1 mol/L的中性醋酸銨提取后用火焰光度計法測定；pH值以2.5∶1的水土比混合后用pH計測定；土壤陽離子交換量(CEC)采用EDTA-乙酸銨交換法測定。

2.2 土壤肥力分析方法

本研究采用模糊數(shù)學中的加權(quán)求和方法來計算表土綜合肥力指數(shù)(IFI)，即采用變異系數(shù)法計算各指標權(quán)重，采用S型或拋物線型隸屬度函數(shù)確定土壤肥力指標隸屬度，最后加權(quán)求和計算各樣點土壤肥力綜合指數(shù)。

2.2.1 土壤肥力質(zhì)量評價指標及權(quán)重確定

(1)評價指標選取。評價指標是指參與評定土壤肥力的一種可度量的或可測定的土壤屬性。正確地選擇評價指標，是科學揭示土壤肥力的前提，它直接影響土壤肥力綜合評價的準確程度。合理的評價指標體系應包括土壤的物理、化學和生物學特性。此外，評價指標體系的確定還應盡量符合綜合性、主導性、穩(wěn)定性、精確性和實用性的原則[5]。由于測定土壤生物學指標所需樣品采集保存難度大且沒有統(tǒng)一的評價標準，因此本研究選取有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、CEC、物理性黏粒含量(<0.002 mm)和土壤pH值等10項土壤理化評價指標進行評價。

(2)評價指標權(quán)重的確定。各指標對土壤肥力的貢獻不盡相同，其貢獻率或影響程度可通過肥力指標的權(quán)重來表征。由于評價指標的量綱不同，不宜直接比較其差別程度，因此為消除各項評價指標量綱不同的影響，本研究采用變異系數(shù)法來衡量各項指標取值的差異程度。變異系數(shù)法是直接利用各項指標所包含的信息通過計算得到指標的權(quán)重，是一種客觀賦權(quán)的方法。其計算公式為

(1)

式中：Wi為第i項指標的權(quán)重；Vi是第i項指標的變異系數(shù)，也稱為標準差系數(shù)。

2.2.2 指標隸屬度計算

由于各項指標對土壤肥力的影響具有連續(xù)性和漸變性，對表土肥力質(zhì)量的貢獻并不完全相同，因此需要對各項數(shù)據(jù)進行歸一化處理。隸屬度函數(shù)通過簡潔的數(shù)學表達式定量描述了某一指標優(yōu)劣對作物生長影響的方向和程度[6]。根據(jù)各指標對表土肥力質(zhì)量的影響，本研究選用S型或拋物線型隸屬度函數(shù)對指標進行標準化處理[7-8]，計算各指標的隸屬度值。

在一定范圍內(nèi)，土壤肥力質(zhì)量隨測定值的增加而提高，大于該范圍后，土壤肥力達到最高水平且趨于穩(wěn)定，對這類指標采用S型隸屬度函數(shù)進行標準化；土壤肥力指標值在一定范圍內(nèi)能夠保證土壤肥力質(zhì)量處于最高水平，而小于或大于該范圍時土壤質(zhì)量下降，此類指標采用拋物線型隸屬度函數(shù)進行標準化。為了便于計算，將S型和拋物線型隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)化為相應的折線函數(shù)(圖1)，其表達式分別為

(a) S型函數(shù) (b)拋物線型函數(shù)

S型函數(shù)f(x)=

(2)

拋物線型函數(shù)f(x)=

(3)

式中：f(x)為某指標隸屬度；x為某指標實測值；x1、x2、x3、x4分別為對應折線的轉(zhuǎn)折點取值。

根據(jù)實際情況和專家意見，隸屬度值介于0.1～1.0之間。最大值為1.0表示表土肥力指標完全滿足植物生長；最小值0.1則表示該項指標嚴重制約土壤肥力質(zhì)量，不能有效促進作物生長。

依據(jù)相關研究成果[9]，結(jié)合研究區(qū)土壤特點和生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，為各指標選取適宜的隸屬度函數(shù)類型及轉(zhuǎn)折點取值(表1)。將各土壤肥力關鍵指標實測值及臨界值帶入相應函數(shù)表達式，即可得到各土壤肥力指標的隸屬度值。

2.2.3 表土肥力綜合指標值計算

土壤肥力綜合指標能夠直觀準確地反映土壤肥力信息，常用于土壤肥力定量研究。本研究根據(jù)加法法則，在相互交叉的同類指標間采用加法合成求出反映表土肥力的綜合性指標值IFI，計算公式為

表1 土壤肥力指標隸屬度函數(shù)類型及各評價指標轉(zhuǎn)折點取值

IFI=∑WiNi

(4)

式中：IFI為綜合肥力指數(shù)；Wi為第i種養(yǎng)分指標的權(quán)重系數(shù)；Ni為第i種養(yǎng)分指標的隸屬度值。

3 結(jié)果分析

3.1 土壤肥力指標統(tǒng)計分析

采樣點土壤肥力指標統(tǒng)計特征見表2。受自然因素和人類活動的影響，各采樣點土壤理化特性存在較大差異。按照《江西土壤》分級標準[10]，本研究將有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量及CEC、pH值均劃分為6個等級，即一級為很高，二級為高，三級為中等，四級為低，五級為很低，六級為極低。從表2可看出，研究區(qū)土壤速效磷、速效鉀含量為一級，屬很高水平；全氮含量三級，屬中等水平；有機質(zhì)、全鉀、堿解氮含量和CEC為四級，屬低水平；全磷含量為五級，屬很低水平。

從指標測定值平均水平來看，坡耕地土壤黏粒含量為18.47%，土壤質(zhì)地為壤土，最適合作物生長和土壤水分運動；pH值較低，普遍呈強酸性和酸性；土壤有機質(zhì)和全氮、全磷、全鉀含量屬中低及以下水平，速效磷、速效鉀含量較為豐富，表明土壤供應養(yǎng)分潛在能力弱，土壤肥力潛力有限；表土陽離子交換量較低，表明土壤保持養(yǎng)分能力和酸性緩沖能力很弱。從變異系數(shù)來看，速效磷的變異系數(shù)最大，速效鉀、黏粒含量和有機質(zhì)的變異系數(shù)較大。這可能是由于土壤養(yǎng)分更易受耕作、土地管理強度等人類活動的影響。

表2 土壤肥力指標統(tǒng)計特征及等級

權(quán)重可以定量表征關鍵指標對土壤質(zhì)量的貢獻程度[11]。根據(jù)各肥力指標的變異系數(shù)，采用公式(1)計算得到表土各肥力指標的權(quán)重，見表3。由表3可看出，10項指標中速效磷、速效鉀、黏粒含量、有機質(zhì)的權(quán)重分別為0.16、0.15、0.12、0.11，對土壤肥力的貢獻較大，因此可將速效磷、速效鉀、黏粒含量、有機質(zhì)這4項指標作為反映該區(qū)域坡耕地土壤質(zhì)量的關鍵指標。

表3 各肥力指標權(quán)重

3.2 單因素土壤肥力分析

單因素土壤肥力分析是明確區(qū)域肥力質(zhì)量限制因素的重要途徑，是綜合分析研究區(qū)土壤肥力質(zhì)量的基礎。從各指標隸屬度計算結(jié)果(表4)可看出：CEC隸屬度值最低，黏粒含量和pH值次之，表明CEC、黏粒含量和pH值是區(qū)域坡耕地土壤肥力的主要限制因素；全磷、有機質(zhì)的隸屬度值為0.46、0.56，處于中間狀態(tài)；堿解氮和速效磷隸屬度值較高，對土壤肥力的作用較大。受土壤特性和施肥影響，速效肥料有不同程度的積累，有機肥在提高土地生產(chǎn)力和土壤肥力方面起著主導作用，而研究區(qū)坡耕地表土有機質(zhì)普遍含量低，因此，應根據(jù)種植的作物需要，通過增施有機肥來提高作物產(chǎn)量，改善農(nóng)作物的生態(tài)環(huán)境，以保障坡耕地表土資源可持續(xù)利用。

表4 表土肥力指標的隸屬度均值

3.3 土壤肥力綜合分析

結(jié)合各肥力指標隸屬度及權(quán)重，采用綜合指數(shù)模型計算得到采樣點的土壤肥力綜合指數(shù)(IFI)。從計算結(jié)果(表5)可看出：研究區(qū)土壤肥力綜合指數(shù)IFI為0.54±0.06，變異系數(shù)為11.10%，變幅為0.43～0.64，屬中等強度變異。

采用章海波等[12]對土壤肥力質(zhì)量指數(shù)的分類法進行分類， 即：Ⅰ級IFI≥0.8為土壤肥力質(zhì)量好，Ⅱ級0.6≤IFI<0.8為較好，Ⅲ級0.4≤IFI<0.6為中等，Ⅳ級0.2≤IFI<0.4為較差，Ⅴ級IFI<0.2為差。研究區(qū)土壤肥力綜合指數(shù)等級分屬Ⅱ級、Ⅲ級的采樣點數(shù)量分別為5和13個，分別占采樣點總數(shù)的27.8%、72.2%，因此研究區(qū)大部分采樣點土壤肥力處于中等水平。

表5 土壤肥力綜合評價結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)各指標對土壤肥力的貢獻不盡相同，從權(quán)重分析可以看出，速效磷、速效鉀、黏粒含量、有機質(zhì)的權(quán)重分別為0.16、0.15、0.12、0.11，對土壤肥力的貢獻較大，因此可將速效磷、速效鉀、黏粒含量、有機質(zhì)這4項指標作為反映區(qū)域坡耕地土壤質(zhì)量的關鍵指標。

(2)堿解氮和速效磷隸屬度值較高，分別為0.97、0.93，全磷、有機質(zhì)的隸屬度值為0.46、0.56，處于中間狀態(tài)，CEC、黏粒含量及pH值隸屬度值較低，表明CEC、黏粒含量及pH值是該區(qū)域坡耕地土壤肥力的主要限制因素。

(3)應用模糊數(shù)學隸屬度函數(shù)模型，計算評價了研究區(qū)表土肥力綜合指數(shù)，結(jié)果顯示，研究區(qū)坡耕地表土綜合肥力指數(shù)大多在0.43～0.64之間，平均為0.54左右，表土肥力總體屬中等。研究區(qū)坡耕地土壤具有較好的結(jié)構(gòu)狀況，速效磷、速效鉀含量較為豐富，但有機物質(zhì)缺乏，全氮、全磷、全鉀含量處中低及以下水平，土壤供應養(yǎng)分潛在能力弱，可根據(jù)種植的作物需要，通過增施有機肥來提高作物產(chǎn)量，改善農(nóng)作物的生長環(huán)境，保障坡耕地表土資源可持續(xù)利用。