李孔生，周保彪，陳馬興，簡 明

(1.中國林業(yè)集團國營雷州林業(yè)局，廣東 遂溪 524348；2.湛江市林業(yè)良種繁育場，廣東 湛江 524300)

雷州半島桉樹林地土壤肥力綜合評價

李孔生1，周保彪2，陳馬興1，簡 明1

(1.中國林業(yè)集團國營雷州林業(yè)局，廣東 遂溪 524348；2.湛江市林業(yè)良種繁育場，廣東 湛江 524300)

利用相關(guān)分析和模糊數(shù)學(xué)原理，建立土壤肥力的綜合評價體系。根據(jù)作物效應(yīng)曲線，對雷州半島桉樹林地12項肥力指標建立隸屬度函數(shù)，并依據(jù)各指標的相關(guān)系數(shù)確定各指標的權(quán)重，求得土壤肥力綜合指標(IFI)。結(jié)果表明：土壤肥力綜合指標值IFI主要分布在0.2 ~ 0.4之間，平均值為0.27，土壤肥力總體處于四級低等水平。

土壤肥力；綜合評價；模糊數(shù)學(xué)；隸屬度

桉樹(Eucalyptus)于 1890年引入我國，具有適應(yīng)性強、材質(zhì)好、用途廣的優(yōu)良特性。其人工林由于具有輪伐期短、耐旱耐瘠、速生豐產(chǎn)及經(jīng)濟價值高等特點，在20世紀50年代后得到迅速發(fā)展，至2013年已發(fā)展到450萬hm2[1]。桉樹人工林的廣泛種植對雷州半島的水土保持起了一定作用[2-3]。土壤是林木生長的載體，林木生長量的高低取決于土壤肥力的大小程度。土壤肥力是土壤各種性質(zhì)的綜合表現(xiàn)，是土壤的基本屬性，反映土壤為植物生長提供適宜條件的能力。雷州半島林區(qū)由于歷經(jīng)多代桉樹人工林經(jīng)營以及缺乏完善的土壤管理措施，土壤肥力呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，影響了當?shù)亓謽I(yè)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展。

隨著土壤研究的不斷深入，人們已認識到土壤肥力的高低不僅取決于某幾項肥力指標含量的高低，還與各肥力指標之間的相互適應(yīng)程度有關(guān)。對土壤肥力的正確認識和科學(xué)客觀的評價是準確了解土壤本質(zhì)以及更好利用土壤資源的保障。科學(xué)的土壤肥力評價是基于其評價過程的科學(xué)性，主要包括評價尺度和評價單元的選擇、評價指標的選擇、土壤樣品采集、評價方法的選擇，每個過程都會影響評價結(jié)果的準確度[4]。近年來，隨著數(shù)值化評價方法的提出和進一步應(yīng)用，以及模糊數(shù)學(xué)方法和多元統(tǒng)計分析方法等研究方法的廣泛應(yīng)用，相關(guān)學(xué)者對土壤肥力的研究已取得了較多的成果[5-8]，對土壤肥力的評價越來越趨于定量化和標準化，使評價結(jié)果更準確、客觀。

本文以雷州半島為研究區(qū)域，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法，務(wù)求客觀全面地對雷州半島桉樹林地的土壤肥力質(zhì)量進行綜合評價，為桉樹人工林地力退化防治和桉樹人工林的合理經(jīng)營及科學(xué)施肥提供依據(jù)。

1 試驗地概況

研究土壤采自廣東省雷州半島桉樹林地。該林區(qū)位于北緯20°13＇ ~ 21°55＇，東經(jīng)109°39＇ ~ 110°38＇。地勢較平坦開闊，屬熱帶北緣海洋性季風(fēng)氣候。年平均氣溫23.5℃，7月份平均氣溫28.9℃，1月份平均氣溫15.2℃。該區(qū)域桉樹以5 a短輪伐期為主，栽培密度為株行距1.2 m ~ 1.5 m × 2.5 m ~ 3 m，通過機械全墾、撫育，植苗前施基肥，每年追肥至栽培滿3 a后施最后一次肥。

2 研究方法

2.1 材料與測定方法

按照《森林土壤樣品的采集與制備》(LY/T 1210—1999)的方法[9]，于2011年3—6月在未經(jīng)過煉山的采伐跡地采樣，共采集了523個混合土樣。采樣深度為0 ~ 50 cm，采用S形取樣法，每個采樣單元的混合樣品由7個以上樣點的土壤混合而成，充分混合后用四分法反復(fù)取舍，至保留1 kg左右。送至實驗室經(jīng)過風(fēng)干、研磨和過篩，備用。

考慮到土壤養(yǎng)分元素對土壤肥力的影響，盡量選用較多的元素來表征土壤綜合肥力。因而選用土壤大量元素和中微量元素的含量來共同分析研究土壤肥力，以達到全面評價的目的。因此本研究選用12項肥力特征作為土壤肥力綜合評價的參考指標，包括pH值、有機質(zhì)、全氮(N)、堿解氮(N)、速效磷(P)、速效鉀(K)、交換性鈣(Ca)、交換性鎂(Mg)、有效銅(Cu)、有效鋅(Zn)、有效錳(Mn)、有效硼(B)。各指標的測定均采用《土壤農(nóng)化分析》中的分析方法[10]：pH值采用2.5:1水土比水浸提電位法測定；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀濃硫酸外加熱法測定；全N采用半微量凱氏法測定；堿解N采用堿解—擴散法測定；速效P采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定；速效K采用中性乙酸銨浸提——火焰光度法測定；交換性Ca、Mg采用乙酸銨交換——原子吸收分光光度法測定；有效Cu、Zn采用稀鹽酸浸提——原子吸收分光光度法測定；有效Mn采用對苯二酚—醋酸銨浸提—原子吸收分光光度法測定；有效B采用沸水浸提——姜黃素比色法測定。

2.2 評價方法

土壤綜合肥力評價已有相關(guān)研究，對土壤肥力數(shù)值化綜合評價也有一定的探討[11-17]，但對土壤參評因素的選定、各肥力因素分級指標的劃分，權(quán)重系數(shù)的確定尚未統(tǒng)一的標準，隨意性較多，而各有優(yōu)缺點。本文在綜合考慮各種方法的基礎(chǔ)上，采用模糊數(shù)學(xué)原理對土壤中各肥力指標建立相應(yīng)的隸屬函數(shù)，計算其隸屬度值，以此來表示各肥力指標的狀態(tài)值，然后加權(quán)各項指標求得綜合性指標值 IFI (Integrated Fertility Index)，最后以簡單的數(shù)值指標來表達復(fù)雜的土壤肥力。

2.2.1 評價指標劃分和計算

由于各肥力指標對土壤肥力的貢獻不完全相同，而且各項實測值之間的量綱也各有差別，所以在求算土壤肥力綜合指標時，不能將各單項肥力指標簡單地直接相加，而是經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)運算，對各項數(shù)據(jù)進行歸一化處理。

對土壤各肥力因素建立相應(yīng)的隸屬函數(shù)，計算其隸屬度值，以此來表示各肥力指標的狀態(tài)值。對于酸性土壤，其肥力指標包括pH值、有機質(zhì)、全N、有效N、P、K、交換性Ca、Mg和有效微量元素Cu、Zn、Mn、B等，在一定的范圍內(nèi)，作物的效應(yīng)曲線呈現(xiàn)為S型，所以其隸屬度函數(shù)也采用S型曲線[18]，并將曲線函數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的折線函數(shù)以利于計算(圖1)。

圖1 S型隸屬度函數(shù)曲線

由于各單項肥力豐缺指標因土壤和作物類型的不同而各異，因此綜合前人研究結(jié)果[18-19]，結(jié)合酸性土壤下桉樹生長的實際情況，確定曲線中轉(zhuǎn)折 點的相應(yīng)取值(表1)。

表1 S型隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點取值

2.2.2 單項肥力指標權(quán)重確定

由于各肥力因素對土壤肥力的貢獻是不同的，故對各項指標應(yīng)給予一定的權(quán)重。權(quán)重系數(shù)的確定是肥力綜合評價中的一個關(guān)鍵問題，為了避免人為主觀因素的影響，應(yīng)根據(jù)土壤肥力本身的內(nèi)在關(guān)系作出正確的選擇。

相關(guān)系數(shù)是反映變量之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計指標，在相關(guān)分析中，Spearman秩相關(guān)系數(shù)是一個非參數(shù)性質(zhì)(與分布無關(guān))的統(tǒng)計相關(guān)性指標，由Spearman于1904年提出，用來度量兩個變量之間聯(lián)系的強弱。由于土壤肥力各要素之間是相互作用并相互影響，它們之間存在一種友好協(xié)同的關(guān)系，在土壤中有機地結(jié)合為一個整體，任意兩因子之間的關(guān)系必然受到其它因素變化的影響[18]。因此，對土壤肥力的研究，各項肥力指標的權(quán)重系數(shù)可由Spearman相關(guān)系數(shù)來確定。計算步驟為：

①計算各單項肥力指標間的相關(guān)系數(shù)(ri)；

②再求各單項肥力指標與其它肥力指標間相關(guān)系數(shù)的平均值(ˉri)，以該平均值占所有肥力指標的相關(guān)系數(shù)平均值總和(Σˉri)的比值(ˉri/Σˉri)作為該單項肥力指標的權(quán)重系數(shù)Wi。

2.2.3 土壤肥力綜合指標值的計算

根據(jù)加乘法則，在相互交叉的同類指標間采用加法合成，求出土壤肥力的綜合性指標值IFI。計算公式為：

式(1)中Wi和Ni分別表示第i種肥力指標的權(quán)重系數(shù)和相應(yīng)的第i種肥力指標隸屬度值。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)S型隸屬度函數(shù)(圖1)及表1的取值，計算得出各肥力指標的隸屬度值為0.1 ~ 1.0，其值的大小反映了其指標隸屬的程度。最大值1.0表示土壤肥力狀況適宜作物的生長，最小值0.1表示土壤肥力嚴重缺乏。由于土壤中沒有某種養(yǎng)分是完全缺乏的，并且為了計算的方便，將最小值定為0.1而非0，以此避免了零值過多的問題，消除了各參數(shù)指標間的量綱差異。

表2為利用SPSS 19軟件分析得出矩陣表，表中負值表示兩指標為負相關(guān)。表3中大量養(yǎng)分元素及有機質(zhì)的權(quán)重總和為0.531 0，說明擬合結(jié)果符合生產(chǎn)實際。

表2 肥力指標Spearm an相關(guān)系數(shù)半矩陣

表3 肥力指標相關(guān)系數(shù)平均值和權(quán)重系數(shù)

經(jīng)計算，土壤肥力綜合指標值IFI主要分布在0.2 ~ 0.4之間，平均值為0.27。如表4，一級水平的樣點個數(shù)為0個；二級水平的樣點數(shù)為2個，占樣點總數(shù)的0.38%；三級水平樣點數(shù)為33個，占樣點總數(shù)的6.32%；四級水平樣點數(shù)為443個，占樣點總數(shù)的84.70%；五級水平樣點數(shù)為45個，占樣點總數(shù)的8.60%。

對523個土壤樣品利用SPSS19軟件進行描述統(tǒng)計，并按照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準統(tǒng)計其分級狀況[20]，發(fā)現(xiàn)土壤大量養(yǎng)分含量非常低，部分已達到缺乏的程度。表5 ~ 6顯示，雷州半島桉樹林地土壤呈強酸性，土壤有機質(zhì)平均含量為8.87 g·kg-1，土壤肥力質(zhì)量為五級缺乏水平；全 N和速效 K 平均含量分別為 0.46 g·kg-1和 19.70 mg·kg-1，屬六級極缺乏水平；堿解 N平均含量為91.64 mg·kg-1，為三級中等水平；速效K平均含量為5.25 mg·kg-1，為四級低等水平；土壤中Cu、Mn、B元素含量中等，但Mn元素分布差異大；土壤中缺乏B元素。這與鐘繼洪等[21]的觀測結(jié)果相符，表明桉樹人工林多代經(jīng)營后，土壤肥力退化嚴重，養(yǎng)分含量缺乏，說明本文所采用的方法和所獲得的土壤養(yǎng)分肥力數(shù)值化綜合評價結(jié)果是可取的，它在一定程度上能反映土壤肥力狀況。

綜上所述，雷州半島桉樹林地土壤肥力總體處于四級低等水平。

表4 土壤肥力綜合評價結(jié)果IFI

表5 土壤肥力指標統(tǒng)計結(jié)果

表6 土壤肥力指標分級分布狀況 %

4 結(jié)語

土壤肥力是諸多肥力因素綜合作用的反映，雖然有關(guān)土壤肥力指標的選擇、肥力等級的劃分以及權(quán)重系數(shù)的確定，在國內(nèi)尚沒有統(tǒng)一的標準，但是運用模糊數(shù)學(xué)評價方法得出簡單的數(shù)量指標來表示復(fù)雜的土壤肥力，模型簡單可靠，在較大程度上避免了主觀隨意性的影響，使評價結(jié)果可信度高，是一個值得探討的方向。有關(guān)參評指標的篩選、隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)折點的取值和權(quán)重系數(shù)的確定等還有待進一步完善。

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Soil Fertility Integrated Evaluation of Eucalypt Plantation in Leizhou Peninsula

LI Kong-sheng1, ZHOU Bao-biao2, CHEN Ma-xing1, JIAN M ing1
(1. Leizhou Forestry Bureau of China Forestry Group, Suixi 524348, Guangdong, China; 2. Zhanjiang Forestry Breeding Farm, Zhanjiang 524300, Guangdong, China)

A comprehensive soil fertility evaluation system was developed using correlation analyses and fuzzy mathematics. From the crop-effect curves obtained, 12 soil indices were found to be important for defining the fertility of Eucalyptus plantations in Leizhou Peninsula. Correlation coefficients of each index were used to determine weights for each of these 12 indicators in formulating an Integrated Soil Fertility Index (IFI) function. The results showed that values of this IFI on the Leizhou peninsular were distributed mainly in the range of 0.2 ~ 0.4, w ith the average value being 0.27. Overall, soil fertility in the region is considered to be of a low level and categorized as grade 4.

soil fertility; integrated evaluation; fuzzy mathematics; membership function

S714.8

A

2014-11-12

李孔生(1987— )，男，助理工程師，主要從事桉樹施肥研究.E-mail: likongsheng@126.com