趙敬坤，陳松柏，李忠意，王洋，張濤，王帥

(1. 重慶市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，重慶市，401121； 2. 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶市，400715；3. 重慶市江津區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，重慶市，402260； 4. 重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶市，401329)

0 引言

花椒(Zanthoxylumbungeanum)是蕓香科花椒屬落葉小喬木或灌木，是我國(guó)特有的食用香辛料樹種，具有獨(dú)特的食用和藥用價(jià)值，在我國(guó)已有兩千多年的栽培歷史?；ń窐淠秃?、喜光、根淺，適應(yīng)性強(qiáng)，是我國(guó)極力推廣的一種生態(tài)經(jīng)濟(jì)型樹種，在促進(jìn)山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)扶貧中具有重要作用?；ń窂V泛種植于四川、重慶、甘肅、陜西等省市，其中以四川、重慶的花椒最為著名[1-2]。據(jù)林業(yè)統(tǒng)計(jì)資料，2015年全國(guó)干花椒總產(chǎn)量398 kt，重慶干花椒產(chǎn)量47 kt，占全國(guó)干花椒總產(chǎn)量的11.8%，是全國(guó)第四大花椒生產(chǎn)區(qū)[3]。

近年來(lái)，隨著花椒產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，花椒種植區(qū)土壤的肥力水平狀況得到越來(lái)越多的關(guān)注[4-6]。王璐等[7]采用主成分分析法對(duì)貴州喀斯特石漠化地區(qū)的頂壇花椒土壤養(yǎng)分質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。喻陽(yáng)華等[8]還對(duì)貴州喀斯特山區(qū)花椒林石槽、土面、石溝、石縫和石坑5種小環(huán)境的土壤質(zhì)量特征進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到肥力水平較高的土面、石槽和石縫土壤可加以改造利用，肥力水平較低的石洞、石溝土壤應(yīng)以自然恢復(fù)為主。謝毓芬等[9]對(duì)陜西花椒主產(chǎn)區(qū)椒園土壤養(yǎng)分狀況的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)花椒園土壤大部分存在低氮低磷高鉀現(xiàn)象。而陜西省渭北旱塬花椒園的土壤大多存在低有機(jī)質(zhì)低氮高磷高鉀低的現(xiàn)象[10]。楊林生等[3]對(duì)重慶江津區(qū)的九葉青花椒施肥現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)施肥過(guò)量和不足問(wèn)題同時(shí)存在。楊仕曦等[11]對(duì)重慶九龍坡區(qū)的土壤肥力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為該區(qū)域花椒種植區(qū)土壤養(yǎng)分失衡較為嚴(yán)重?？梢?jiàn)，以往對(duì)于花椒種植區(qū)土壤肥力水平的研究存在尺度較小，評(píng)價(jià)指標(biāo)單一的問(wèn)題，尚缺乏對(duì)較大規(guī)模的花椒種植區(qū)施肥和土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)研究。

本文以重慶花椒種植區(qū)土壤為研究對(duì)象，選取容重、pH值、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳、有效硼、有效鉬、有效硫共13項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)不同花椒種植區(qū)土壤質(zhì)量進(jìn)行比較，并對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行空間變異特征分析，揭示土壤質(zhì)量狀況和變化規(guī)律，旨在為該區(qū)土壤質(zhì)量提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土樣采集與分析

2019年在重慶的花椒主要種植區(qū)縣采集花椒地土壤樣品45個(gè)。采樣地分布在江津區(qū)、九龍坡區(qū)、銅梁區(qū)、永川區(qū)、綦江區(qū)、梁平區(qū)、墊江縣、石柱縣、豐都縣和忠縣共十個(gè)區(qū)縣。土壤類型除1個(gè)黃壤和2個(gè)石灰(巖)土外，其余均為紫色土。按梅花型布點(diǎn)法進(jìn)行采樣，每個(gè)樣品的采集布置5～8個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)選擇在花椒滴水線下內(nèi)外30 cm處，采樣時(shí)先刮去 5 mm 左右厚度的表層土，以防止雜草對(duì)檢測(cè)結(jié)果干擾。用采樣鏟采集0～30 cm的表層土壤，然后把采到的土樣攤放在塑料布上，捏碎大塊，剔除石礫、動(dòng)植物殘?bào)w等混雜物，充分拌勻后用“四分法”縮減至剩1 kg左右；最后將土壤樣品在室內(nèi)風(fēng)干，磨碎后過(guò)2.00 mm，1.00 mm和0.25 mm的尼龍篩備用。采用環(huán)刀法測(cè)定容重，采集方法為每個(gè)樣品選3個(gè)樣點(diǎn)，各取100 cm3的環(huán)刀樣品，該土壤的容重為3個(gè)環(huán)刀土樣容重的平均值。

土壤樣品的化學(xué)性質(zhì)采用常規(guī)分析方法測(cè)定[12]。土壤pH值采用電位法測(cè)定(土水比1∶2.5)；有機(jī)質(zhì)采樣重鉻酸鉀容量法—外加熱法測(cè)定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷采用NaHCO3提取—鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀的測(cè)定采用NH4Ac提取—火焰光度法；有效鐵、錳、銅、鋅的測(cè)定采用DTPA(二乙三胺五乙酸)提取—原子吸收分光光度法(Z-5000)；有效硼的測(cè)定采用沸水提取—姜黃素比色法；有效鉬的測(cè)定采用草酸/草酸銨浸提—等離子體發(fā)射光譜法(Optima 8000)；有效磷的測(cè)定采用純水提取—BaSO4比濁法。

1.2 模糊綜合評(píng)價(jià)方法

模糊綜合評(píng)價(jià)法是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，利用隸屬度理論和權(quán)重矩陣對(duì)相互制約的多因素進(jìn)行總體量化評(píng)價(jià)，本文利用該方法衡量重慶市花椒地各樣點(diǎn)多因子影響土壤肥力水平高低，能夠系統(tǒng)、科學(xué)地橫向量化比較。

1.2.1 構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

模糊綜合評(píng)價(jià)法的基礎(chǔ)是建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其選取是否合理直接影響綜合評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。根據(jù)花椒生長(zhǎng)所需關(guān)鍵養(yǎng)分和參照趙蛟等[13]土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，本文以45個(gè)土壤樣品為評(píng)價(jià)單元，選取容重、pH值、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳、有效硼、有效鉬、有效硫建立因素評(píng)價(jià)集，共11個(gè)化學(xué)指標(biāo)和2個(gè)物理指標(biāo)。

1.2.2 計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度值

建立因素評(píng)價(jià)集之后，需對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)因素選取隸屬函數(shù)，進(jìn)而確定隸屬度值，主要目的是將各因素值標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其無(wú)量綱化。本文中具體指各肥力因素與土壤質(zhì)量之間的函數(shù)關(guān)系，隸屬度值越接近于1，表示某評(píng)價(jià)單元中該肥力指標(biāo)值對(duì)構(gòu)成土壤質(zhì)量程度越高。

1.2.3 計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

權(quán)重是因素評(píng)價(jià)集中各因素對(duì)土壤質(zhì)量的貢獻(xiàn)程度。本文利用相關(guān)系數(shù)法確定權(quán)重值，首先計(jì)算某指標(biāo)與其他指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，并對(duì)相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值求平均值，單項(xiàng)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值占所有指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值總和的比例，即為單項(xiàng)指標(biāo)在綜合指標(biāo)中的權(quán)重，所有指標(biāo)權(quán)重之和等于1。

1.2.4 計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值

通過(guò)模糊數(shù)學(xué)中的加權(quán)乘法原理，計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值。本文中土壤肥力綜合指數(shù)計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中：FII——土壤肥力綜合指數(shù)；

wi——第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重；

qi(x)——第i項(xiàng)指標(biāo)隸屬度值；

n——指標(biāo)數(shù)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和繪圖，采用SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)性分析，利用ArcGIS中的Geostatistical Anaylst工具進(jìn)行半變異差函數(shù)分析和模型擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量描述性統(tǒng)計(jì)分析

各土壤養(yǎng)分指標(biāo)測(cè)定結(jié)果的統(tǒng)計(jì)特征分析如表1所示。土壤容重和pH值的含量范圍分別為0.95～1.62 g/cm3和4.5～8.7，可見(jiàn)花椒地土壤緊實(shí)程度和土壤酸堿度的變化幅度較大。土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀的總體含量一般，但個(gè)別土壤的含量極低，另有部分土壤的有效磷含量極高，土壤有效磷最高值為162 mg/kg。供試花椒地土壤的有效微量元素含量分別為1.00±0.80 mg/kg(有效銅)、1.99±1.64 mg/kg(有效鋅)、50.4±50.4 mg/kg(有效鐵)、24.0±25.6 mg/kg(有效錳)、0.27±0.24 mg/kg(有效硼)、0.193±0.184 mg/kg(有效鉬)、40.9±27.5 mg/kg(有效硫)，所有的土壤有效微量元素含量的變異系數(shù)均較大，均在67%以上，說(shuō)明重慶地區(qū)花椒種植地土壤的有效微量元素含量的空間分布很不均衡，不同地區(qū)或類型土壤的肥力水平差異較大。

表1 土壤肥力指標(biāo)測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析Tab. 1 Statistical analysis of soil fertility indicators

2.2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)空間變異特征分析

利用ArcGIS軟件，對(duì)重慶市花椒地采樣點(diǎn)進(jìn)行土壤養(yǎng)分插值，并利用Geostatistical Anaylst工具對(duì)各養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行半變異函數(shù)擬合，并通過(guò)均方誤差(MSE)和均方根誤差(RMSE)分析擬合模型的優(yōu)度，MES越接近于0、RMSE越近于1，則擬合優(yōu)度越高。由表2所得，容重、pH、有效鐵、有效硼均符合球狀模型，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效錳、有效鉬、有效硫均符合指數(shù)模型，有效磷、有效銅符合高斯模型，速效鉀、有效鋅符合線性模型。通過(guò)預(yù)測(cè)誤差發(fā)現(xiàn)，有效硼的MSE、RMSE其值分別為0.207、1.457，說(shuō)明其擬合優(yōu)度較低，其余理論模型均能較好地反映各養(yǎng)分指標(biāo)的空間結(jié)構(gòu)特征。容重、pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效錳、有效鉬的塊金值和基臺(tái)值比值C0/C均小于0.5，說(shuō)明具有較高的空間相關(guān)性，其空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素影響，而有效磷、有效鐵、有效硼、有效硫的C0/C分別為0.58、0.54、0.81、0.52，說(shuō)明其空間相關(guān)性較弱，空間變異主要受隨機(jī)性因素影響。

表2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)半變異模型及其參數(shù)Tab. 2 Semi-variation model of soil nutrient index and its parameters

2.3 隸屬度值計(jì)算

不同肥力指標(biāo)對(duì)作物生長(zhǎng)的影響情況不同，根據(jù)肥力指標(biāo)對(duì)作物生長(zhǎng)的影響情況可分別采用拋物線型和S型函數(shù)計(jì)算各養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬度值[14]。由于土壤容重和pH值過(guò)高或過(guò)低均不利于作物生長(zhǎng)，而其余肥力指標(biāo)通常是含量越高越有益于作物生長(zhǎng)。因此，本研究選用的13種肥力指標(biāo)中，土壤容重和pH值采用拋物線型函數(shù)計(jì)算隸屬度值，拋物線型函數(shù)的計(jì)算公式為式(2)，式中土壤容重在拋物線函數(shù)中轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值為：x1=1.0，x2=1.1，x3=1.4，x4=1.6；土壤pH值在拋物線函數(shù)中轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值為：x1=4.5，x2=6.5，x3=7.5，x4=8.5[15]。

(2)

式中：Nik——第k項(xiàng)指標(biāo)隸屬度值；

xjk——第k項(xiàng)指標(biāo)實(shí)測(cè)值；

x1、x2、x3、x4——對(duì)應(yīng)折線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值。

有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅、有效硼、有效硫、有效鉬采用S型函數(shù)計(jì)算隸屬度值。S型函數(shù)的計(jì)算公式如式(3)所示。

(3)

各肥力指標(biāo)在S型函數(shù)中轉(zhuǎn)折點(diǎn)的取值如表3所示[16]。根據(jù)建立的式(1)和式(2)隸屬度函數(shù)計(jì)算得到各土壤樣品中每種肥力指標(biāo)的隸屬度值。

表3 S型隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的取值Tab. 3 Value of the turning points of curve in the S-type function

由于隸屬度值的計(jì)算是基于土壤肥力因子和作物產(chǎn)量和品質(zhì)間的相互關(guān)系建立的，因此隸屬度值的意義在于可以反映出單個(gè)肥力因子的含量水平，從而進(jìn)一步對(duì)土壤肥力進(jìn)行總體評(píng)價(jià)。本研究中對(duì)45個(gè)樣品的單項(xiàng)肥力指標(biāo)的隸屬度值求平均值，從而獲得的不同肥力指標(biāo)的隸屬度值如圖1所示。

圖1 計(jì)算得到的不同肥力指標(biāo)的隸屬度值Fig. 1 Calculated membership values ofdifferent fertility indicators

圖1中，重慶花椒種植地土壤的有效鋅和有效鐵的隸屬度值為0.89±0.26和0.91±0.24，隸屬度均值在各肥力指標(biāo)中最高，所以花椒種植地土壤的有效鋅和有效鐵含量較為豐富。土壤有效硼的隸屬度值最低，為0.15±0.18，不足有效鋅和有效鐵隸屬度值的1/5，供試土樣中只有一個(gè)土樣的有效硼含量達(dá)到 1.0 mg/kg 的豐富水平，所以重慶花椒種植區(qū)土壤硼的有效性較低，這也許會(huì)對(duì)產(chǎn)區(qū)內(nèi)的花椒產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)作用。除有效硼含量外，花椒種植區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的隸屬度值也較低，為0.34±0.23，可能受重施化肥輕施有機(jī)肥的影響。調(diào)查表明重慶市花椒種植地氮磷鉀養(yǎng)分平均施用量分別為350.7 kg/hm2、220.3 kg/hm2和288.2 kg/hm2，而有機(jī)肥投入的氮磷鉀養(yǎng)分量分別僅占其總養(yǎng)分投入量的2.64%、1.75%和2.22%，有機(jī)肥的投入占比較低[3]。

2.4 單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)確定

在確定好每種養(yǎng)分的隸屬度后，還需進(jìn)一步確定每種養(yǎng)分對(duì)土壤整體肥力的貢獻(xiàn)程度，既每個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。本研究中采用相關(guān)系數(shù)法確定每個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，該方法可避免人為主觀因素對(duì)權(quán)重系數(shù)的影響。該方法確定權(quán)重系數(shù)大小的步驟為：首先采用SPSS軟件獲得不同肥力指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)(表4)，然后計(jì)算得到某一肥力指標(biāo)與其余肥力指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值之和的平均值，該平均值占所有肥力指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值總和的百分比即為該項(xiàng)肥力指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)(表5)。

表4中，土壤pH值與有效鐵和有效錳間呈極顯著的負(fù)相關(guān)性，這可能是由于土壤pH值越低，土壤中鐵錳氧化物的溶解度越高，土壤中鐵錳的有效性增加。土壤有機(jī)質(zhì)與堿解氮間的相關(guān)性系數(shù)為0.705，呈極顯著的正相關(guān)性，這是由于土壤中的氮素絕大部分以有機(jī)態(tài)存在，所以土壤碳氮間的相關(guān)性極為密切。此外，受復(fù)合肥施用等因素的影響，土壤氮磷鉀三元素之間的相關(guān)性均達(dá)到了顯著性水平。進(jìn)一步通過(guò)相關(guān)系數(shù)計(jì)算得到的土壤各肥力指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)如表5所示，pH值和堿解氮的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值的平均值最大，二者的權(quán)重系數(shù)也最大，分別為0.095 9和0.134 4。作為土壤物理指標(biāo)的容重與其他化學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)性最差，其權(quán)重系數(shù)最低，為0.051 5。

表4 土壤肥力指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)矩陣Tab. 4 Correlation coefficients among soil properties

表5 各土壤肥力指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)平均值和權(quán)重系數(shù)Tab. 5 Average value of the correlation coefficient and theweight coefficient of each soil property

2.5 土壤肥力等級(jí)綜合評(píng)價(jià)

確定每個(gè)土壤各肥力指標(biāo)的隸屬度值和各肥力指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)后，采用累加法可獲得每個(gè)土樣的土壤肥力綜合指數(shù)，然后根據(jù)土壤肥力綜合指數(shù)對(duì)土壤肥力進(jìn)行判斷。本研究中獲得的重慶花椒種植區(qū)土壤的綜合肥力指數(shù)如圖2所示。土壤肥力綜合指數(shù)的變化范圍為0.22～0.84，土壤肥力綜合指數(shù)越大，土壤肥力水平越高。按土壤肥力綜合指數(shù)大小可對(duì)土壤肥力狀況進(jìn)行分級(jí)，分別為高(>0.8)、較高(0.6～0.8)、中(0.4～0.6)、較低(0.2～0.4)和低(<0.2)[16]。按此分級(jí)方法，供試的45個(gè)花椒種植地土樣僅1個(gè)土樣的肥力水平為高；肥力水平較高的有18個(gè)；肥力水平中等的占比51.1%，達(dá)23個(gè)；另有3個(gè)土樣的肥力水平為較低水平，占6.7%；無(wú)低肥力水平的土樣。因此，按照模糊綜合評(píng)價(jià)法，重慶花椒種植區(qū)土壤的肥力水平整體處于中等偏上水平。

圖2 各土壤樣品的肥力綜合指數(shù)Fig. 2 Comprehensive index of each soil based onfuzzy synthetic evaluation

2.6 土壤肥力綜合指數(shù)空間變異特征分析

由表6可以看出，重慶市花椒地土壤肥力綜合指數(shù)符合球狀模型，MSE和RMSE分別為-0.018、1.071，說(shuō)明該理論模型能夠極好地反映重慶花椒地土壤肥力綜合指數(shù)空間結(jié)構(gòu)特征。塊金值和基臺(tái)值的比值為0.157，由此發(fā)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域肥力綜合指數(shù)在空間表現(xiàn)出較高空間相關(guān)性，其空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素影響。

表6 土壤綜合肥力指數(shù)半變異模型及其參數(shù)Tab. 6 Semi-variation model of soil comprehensive fertility index and its parameters

3 結(jié)論

1) 對(duì)重慶市45個(gè)花椒種植區(qū)土壤進(jìn)行采樣，通過(guò)測(cè)定分析得到不同區(qū)域土壤養(yǎng)分含量差異較大，其變異系數(shù)為14.8%～171.4%，尤其微量元素均在67%以上，說(shuō)明受區(qū)域影響，花椒種植區(qū)肥力水平差異較大。

2) 通過(guò)空間變異特征分析，得到容重、pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效錳、有效鉬的塊金值和基臺(tái)值比值均小于0.5，說(shuō)明具有較高的空間相關(guān)性，而有效磷、有效鐵、有效硼、有效硫的空間相關(guān)性較弱，主要受隨機(jī)性因素影響。

3) 通過(guò)隸屬度和權(quán)重計(jì)算分析，得到有效鋅和有效鐵的隸屬度較高，其值分別為0.89、0.91，有效硼和有機(jī)質(zhì)隸屬度較低，其值分別為0.15、0.34，說(shuō)明花椒種植區(qū)鋅和鐵含量較為豐富，而硼和有機(jī)質(zhì)較為缺乏。堿解氮權(quán)重為0.134 4，對(duì)土壤質(zhì)量貢獻(xiàn)最大，而容重權(quán)重最低，其值為0.051 5。

4) 通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算分析，得到花椒種植區(qū)土壤肥力綜合指數(shù)變化范圍為0.22～0.84，在空間上服從球狀半變異函數(shù)。土壤肥力等級(jí)水平整體在中等偏上水平，其中，中等肥力水平的占51.1%，中等偏上肥力水平的占42.2%，中等肥力偏下水平的占6.7%。