賴 寧,陳署晃,付彥博,黃 建,耿慶龍
(1.新疆農業(yè)科學院土壤肥料與農業(yè)節(jié)水研究所,烏魯木齊 830091;2.新疆農業(yè)科學院農業(yè)遙感中心,烏魯木齊 830091)
【研究意義】土壤是生物、氣候、母質、地形、時間等自然因素和人類活動綜合作用產物,能夠有效協(xié)調作物生長發(fā)育所需的水、肥、氣、熱等條件,是農業(yè)生產的物質基礎[1]。目前,在南疆核桃紅棗園存在土壤肥力主控因素不明、施肥不合理,導致樹體營養(yǎng)失調、產量不穩(wěn)定、果品品質下降,土壤養(yǎng)分比例失衡,需要對南疆核桃紅棗園土壤肥力狀況進行綜合評價。土壤肥力是土地生產力的基礎,其高低決定了作物的生產潛力[2],果園土壤肥力的高低直接影響果樹生長發(fā)育和果實的產量品質,對其土壤肥力的客觀評價和合理分析,可揭示土壤養(yǎng)分的空間分布與各區(qū)域土壤肥力狀況,為其科學精準施肥、防治土壤退化和提升地力等提供科學依據。【前人研究進展】國內外學者主要采用土壤質量動力學法、土壤質量綜合評價法、主成分分析和模糊數學等方法進行土壤養(yǎng)分分區(qū)和綜合肥力評價[3-7]。近年來,運用GIS和相關統(tǒng)計學建立多評價指標體系,已廣泛應用于土壤養(yǎng)分空間變異和肥力評價研究。劉茂等[8]以土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、pH、鹽分和有效鋅作為評價指標,運用特爾斐法和模糊數學對庫爾勒市香梨園土壤肥力評價。任艷芳等[9]以土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀為評價指標,采用主成分分析和模糊數學隸屬度函數,評價了貴州開陽縣茶園土壤肥力質量。李強等[10]選取pH、有機質、堿解氮、全氮、有效磷、速效鉀、有效鋅、有效鉬等為評價指標,采用模糊數學對云南曲靖煙區(qū)土壤肥力適宜性評價。徐澤等[11]選用pH、有機質、全氮、有效磷、交換性鎂、有效錳和有效硼等為評價因子,應用模糊數學評價了重慶市永川區(qū)典型茶園土壤肥力。趙蛟等[12]選取全氮、堿解氮、有機質、有效磷、速效鉀等9個土壤肥力指標,利用模糊數學評價了建甌市毛竹林土壤肥力?!颈狙芯壳腥朦c】國內外學者在進行研究時多是選取土壤肥力的養(yǎng)分指標,以土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效鋅等為評價指標,運用主成分分析、模糊數學隸屬函數模型等方法,評價土壤肥力狀況,選擇土壤物理性狀,土壤生物指標等因子開展綜合評價相對較少。針對新疆干旱區(qū)綠洲核桃紅棗園土壤養(yǎng)分分區(qū)肥力評價研究未見報道?;贕IS研究新疆溫宿縣核桃和紅棗果園土壤肥力水平。【擬解決的關鍵問題】以溫宿縣核桃紅棗園土壤為研究對象,選取影響土壤肥力因素的化學因素、物理因素指標,即土壤鹽分含量、有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅、有效硼、土壤質地和質地構型作為評價指標,綜合用于層次分析法、特爾斐法、模糊數學評價溫宿縣核桃紅棗園土壤肥力,為南疆果園肥力評價、核桃紅棗合理科學施肥、果園地力提升和林果提質增效提供技術支持。
圖1 研究區(qū)采樣點示意
Fig. 1 Sampling sites of the study area
新疆阿克蘇地區(qū),溫宿縣位于天山中段的托木爾蜂南麓,塔里木盆地北部邊緣,地理位置79°28′~81°30′E,40°52′~42°15′N。氣候特征表現為熱量充足,日照長,降水稀少,蒸發(fā)強烈。年均氣溫10.1℃,≥0℃積溫4 096.5℃,≥10℃積溫3 676.2℃,無霜期185 d,年平均降水量65.4 mm,屬于典型溫帶大陸性荒漠氣候。圖1
在2015年10月,對新疆溫宿縣7.45×104hm2核桃紅棗園進行野外調查取樣。綜合土壤肥力、類型、質地,以溫宿縣耕地質量評價數據為基礎,采用了地統(tǒng)計學方法,建立了半方差函數模型,分析其土壤性質空間變異特征,確定溫宿縣核桃紅棗園土壤合理取樣間隔和樣點空間布局。半方差函數模型[13]如下:
其中Z(x)是空間區(qū)域內x位置上某土壤特性的觀測值。h為樣本的位置間距矢量。r(h)是點與點之間距離h的半方差。
采用Cochran法[14]確定取樣數量,其計算公式為:
n=(t×Std)2/d2.
n為需要的取樣數量,t為與顯著性水平(95%)相對應的標準正態(tài)偏差,Std為樣本標準差,d=樣本平均值×相對誤差(%)。
綜合土壤理化性質及養(yǎng)分空間變異特征布設合理采樣點1 465個。有研究表明果園土壤養(yǎng)分水平方向變異性表現為150 cm<100 cm<200 cm<50 cm,垂直方向表現為40~60 cm<20~40 cm<0~20 cm[15,16];為了避免因采樣帶來的數據誤差,采用以果樹為中心,采用"米"字形,以150 cm為半徑采樣,取樣深度0~60 cm,采用四分法取約0.50 kg土樣帶回實驗室。經過風干、研磨、過篩、混勻、裝瓶后備測試分析。圖1,表 1
表1 土壤養(yǎng)分分級標準
Table 1 Classification standards of soil nutrient status
養(yǎng)分名稱Nutrient name分級標準Classi cation standard豐Abundant平Avg缺Lack123456有機質Organic matter(g/kg)>4030~4020~3010~206~10<=6全氮Total N(g/kg)>2.01.5~2.01.0~1.50.75~1.00.5~0.75<=0.5堿解氮Hydrolysable N(mg/kg)>150120~15090~12060~9030~60<=30速效磷Available P(mg/kg)>4020~4010~205~103~5<=3速效鉀Fast-acting K(mg/kg)>200150~200100~15050~10030~50<=30有效鋅Available Zn(mg/kg)>21~2<1有效錳Available Mn(mg/kg)>107~10<7有效硼Available B(mg/kg)>1.00.5~1.0<0.5有效銅Available Cu(mg/kg)>1.00.2~1.0<0.2有效鐵Available Fe(mg/kg)>10.05~10<5
1.2.1 評價指標選取與測定
評價指標的選取是保證評價準確和精確的關鍵環(huán)節(jié)。根據研究區(qū)土壤類型和果樹的生理特征,遵循重要性、易獲取性、差異性、穩(wěn)定性等原則,參考《耕地質量等級》(GB/T 33469-2016》,確定以果園土壤鹽分含量、有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅、有效硼、土壤質地和質地構型作為評價指標。
評價指標采用常規(guī)分析方法測定[17],土壤有機質(OM)采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定,全氮(TN)采用凱氏蒸餾法測定;堿解氮(AN)采用堿解擴散法測定;速效磷(AP)采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法測定,速效鉀(AK)采用1 mol/L NH4Ac浸提火焰光度法測定;有效Cu、Fe、Zn、Mn采用DTPA浸提,原子吸收分光光度法測定;有效B用沸水浸提,采取甲亞胺比色法測定。參照《全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準》[18],對研究區(qū)土壤化學性質狀況進行分析與評價。土壤質地和質地構型通過土壤采樣、挖取土壤剖面觀察和參考《新疆土壤》[19]判定。表1
1.2.2 評價指標隸屬函數與權重的確定
運用層次分析法,根據指標的農學意義并咨詢專家,將研究區(qū)13個評價指標按照相互之間的隸屬關系構造層次結構,第一層為目標層,即果園土壤肥力;第二層為準則層,即為相對共性因素,包括土壤養(yǎng)分、土壤環(huán)境;第三層為指標層,即各準則層對應的評價指標,如土壤有機質、全氮、有效鐵、鹽分含量和土壤質地等。表2
表2 土壤鹽分含量評價等級標準
Table 2 Classification standards of soil salinity status
鹽分含量Soil salinity status(g/kg)非鹽漬化Non-salinization輕鹽化鹽漬化Light salinization中鹽化鹽漬化Medium salinization重鹽化鹽漬化Severe salinization鹽土solonchak< 2.52.5~6.06.0~12.012.0~20.020.0
采用模糊數學隸屬函數模型,根據作物效應曲線將選定的13個評價指標標準化轉變成范圍為0.1~1.0的無量綱值,其值的大小反映了其隸屬程度,最大值1.0,表示果園土壤肥力最為良好的狀態(tài),最小值0.1,表示土壤肥力的嚴重缺乏或各肥力因子間不協(xié)調。列出評價指標的隸屬度函數類型及閾值。表3
表3 各評價指標的隸屬度函數類型及閾值
Table 3 Membership function type and threshold of each evaluation index
評價指標Evaluation index隸屬函數類型Membership function type下限Lower limit上限Upper limit有機質Organic matter(g/kg)戒上型 Upper limit type6.0040.00全氮Total N(g/kg)戒上型 Upper limit type0.502.00堿解氮Hydrolysable N(mg/kg)戒上型 Upper limit type30150速效磷Available P(mg/kg)戒上型 Upper limit type3.0040.00速效鉀Fast-acting K(mg/kg)戒上型 Upper limit type30200有效鋅Available Zn(mg/kg)戒上型 Upper limit type1.002.00有效錳Available Mn(mg/kg)戒上型 Upper limit type7.0010.00有效硼Available B(mg/kg)戒上型 Upper limit type0.501.00有效銅Available Cu(mg/kg)戒上型 Upper limit type0.201.00有效鐵Available Fe(mg/kg)戒上型 Upper limit type5.0010.00鹽分含量Soil salinity status(g/kg)戒下型 Lower limit type12.002.50土壤質地 Soil Texture概念型 Conceptual type--質地構型Texture form概念型 Conceptual type--
采用特爾斐法,咨詢相關專家,建立判別矩陣,確定目標層特征向量Bi,采用相關系數法,分析指標層各指標間的相關系數,構建相關系數矩陣,確定各指標的特征向量Ci。各評價指標的權重為目標層特征向量Bi與指標層特征向量Ci的乘積,各指標的權重。圖2,表4
1.2.3 綜合評價指數的計算
采用域法識別特異值,即平均值±3 倍標準差去除異常值,在此區(qū)間外的數據定位特異值,然后分別用正常最大值或最小值代替特異值。利用 SPSS20.0軟件對樣品數據進行描述性分析,并對數據進行K-S(Kolmogorov-Smimov)檢驗。采用地統(tǒng)計學軟件 GS+ 9.0 對數據進行半方差函數的計算和理論模型擬合。利用Arc GIS10.2GIS軟件,采用國家大地坐標系CGCS2000,完成地圖矢量化、空間分析,屬性提取等數據處理工作。采用模糊綜合評價法Fuzzy綜合評判法進行綜合。綜合評價指數 IFI(Integrated Fertility Index)公式[4]如下:
式中:n為參評指標數量,fi為第i個指標的隸屬度,wi為第i個指標的權重。0 圖2 層次模型 評價指標Evaluation index土壤養(yǎng)分B1Soil nutrients 微量元素B2Microelement土壤環(huán)境B3Soil environment0.543 70.206 60.249 7權重Weight有機質Organic matter0.230 7--0.125 4全氮Total N0.196 8--0.107 0堿解氮Hydrolysable N0.192 1--0.104 4速效磷Available P0.189 3--0.102 9速效鉀Fast-acting K)0.191 1--0.103 9有效鋅Available Zn-0.191 7-0.039 6有效錳Available Mn-0.231 8-0.047 9有效硼Available B-0.191 7-0.039 6有效銅Available Cu-0.192 7-0.039 8有效鐵Available Fe-0.192 1-0.039 7鹽分含量Soil salinity status--0.334 30.083 5土壤質地--0.321 70.080 3質地構型0.343 90.085 9 為對研究區(qū)土壤肥力有整體認識,在 SPSS20.0軟件對1 465個采樣點樣品數據進行描述性分析。 研究表明,溫宿縣核桃和紅棗果園土壤有機質含量較低,平均值為9.59 和10.92 g/kg,中等變異;土壤全氮含量偏低,分別有69.37%和60.79%的土壤樣品處于“缺”的水平,平均含量分別為0.66和0.70 g/kg,屬中等變異;土壤堿解氮含量整體偏低,分別有87.99%和85.90%的土壤樣品處于“缺”的水平,平均含量分別為39.50和43.55 mg/kg,屬中等變異;土壤有效磷含量中等,分別有55.25%和62.11%的樣品處于“平”的水平,平均值分別為18.60和16.40 mg/kg,變異性高,屬強變異,這是溫宿縣10萬畝生態(tài)園土壤質地為沙土,質地構型為漏沙型,不保水保肥,土壤速效磷含量低所造成的;土壤速效鉀含量屬于中高水平,分別有61.86%和55.07%的樣品處于"平"的水平,有36.34%和44.05%的樣品處于"豐"的水平,平均含量分別為140.40和148.72 mg/kg,中等變異;土壤有效銅含量較高,分別有64.56%和88.68%的樣品處于"豐"的水平,平均含量分別為1.37和1.67 mg/kg,中等變異;核桃園土壤有效硼含量中等,有50.63%的樣品處于"平"水平,平均含量為0.83 mg/kg,紅棗園土壤有效硼含量處于中高水平,有52.83%的樣品處于"豐"水平,平均含量為1.10 mg/kg,兩類果園土壤有效硼變異性均屬中等變異;土壤有效錳較低,分別93.67%和86.79%的樣品處于"缺"的水平,平均含量分別為4.68和5.21 mg/kg,中等變異;土壤有效鋅含量處于中低水平,分別有54.93%和48.00%的樣品處于"缺"的水平,平均含量分別為1.46和1.44 mg/kg,中等變異;土壤有效鐵含量較高,分別有49.37%和60.38%的樣品處于"豐"的水平,平均含量分別為11.25和13.04 mg/kg,中等變異;土壤鹽分含量較低,分別有89.19%和88.55%的樣品屬非鹽漬化土壤,平均鹽分含量分別為1.38和1.40 g/kg,屬中等變異。表5,圖3,表6 表5 溫宿縣果園土壤養(yǎng)分和微量元素含量描述性統(tǒng)計 核桃園 Walnut orchards紅棗園 Jujube orchards均值Mean標準差SD變異系數CV(%)均值Mean標準差SD變異系數CV(%)有機質Organic matter(g/kg)9.59 4.83 50.40 10.92 4.21 38.50 全氮Total N(g/kg)0.66 0.24 35.70 0.70 0.22 30.79 堿解氮Hydrolysable N(mg/kg)39.50 22.61 57.24 43.55 17.94 41.19 速效磷Available P(mg/kg)18.60 24.99 134.38 16.40 18.40 112.16 速效鉀Fast-acting K(mg/kg)140.40 55.40 39.46 148.72 46.87 31.52 有效銅Available Cu(mg/kg)1.37 0.86 63.01 1.67 0.62 37.09 有效硼Available B(mg/kg)0.83 0.47 56.70 1.10 0.47 42.49 有效錳Available Mn(mg/kg)4.68 1.72 36.72 5.52 1.54 27.84 有效鋅Available Zn(mg/kg)1.46 1.29 88.22 1.631.44 88.40 有效鐵Available Fe(mg/kg)11.25 7.09 62.98 13.04 6.09 46.69 圖3 溫宿縣果園土壤養(yǎng)分豐缺狀況 均值Mean標準差SD變異系數CV(%)非鹽漬化Non-salinization(%)輕鹽化鹽漬化Light salinization(%)中鹽化鹽漬化Medium salinization(%)重鹽化鹽漬化Severe salinization(%)核桃園Walnut orchards1.38 1.28 92.74 89.19 9.61 0.90 0.30 紅棗園Jujube orchards1.40 0.93 66.65 88.55 10.57 0.88 0.00 根據溫宿縣林業(yè)與草原局2015年的調查統(tǒng)計資料,溫宿縣核定紅棗核桃果園面積為74 570.60 hm2,其中核桃園面積為47 357.00 hm2,紅棗園面積為27 213.60 hm2。按照《國家耕地質量評價標準》對研究區(qū)果園土壤綜合肥力指數IFI進行分級,分為高肥力區(qū)(>0.66)、中肥力區(qū)(0.57~0.66)、低肥力區(qū)(0.45~0.57)和極低肥力區(qū)(≤0.45)4個等級,計算所調查果園土壤各肥力水平的實體面積。高肥力水平的核桃園面積有3 254.68 hm2,占核桃園總面積的6.87%,這一肥力水平的土壤養(yǎng)分含量高于其他肥力等級的核桃園,障礙因素少;中肥力水平的核桃園面積有21 617.96 hm2,占核桃園總面積的45.65%,土壤有機質、全氮、堿解氮含量處于中低水平,有效磷、速效鉀和微量元素處于中高水平,鹽分含量低,屬非鹽漬化和輕度鹽漬化;低肥力的核桃園面積有16 847.1 hm2,占核桃園總面積的35.57%,土壤有機質、全氮、堿解氮含量處于低水平,有效磷和速效鉀處于中低水平,有效錳含量較低,其他微量元素含量處于中低水平,部分果園土壤存在輕度和中度鹽漬化;極低肥力水平的核桃園面積有5 637.26 hm2,占核桃園總面積的11.91%,土壤養(yǎng)分和微量元素含量均處于低水平,部分果園土壤存在輕度、中度和重度鹽漬化,土壤貧瘠。核桃園土壤肥力水平總體屬中低肥力水平。表7 有764.55 hm2紅棗園土壤肥力處于高肥力水平,占紅棗園總面積的2.81%,土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效錳硼、有效錳和有效鐵處于中高水平,土壤鹽分含量較低,屬非鹽漬化土壤;有12 668.69 hm2紅棗園土壤處于中等肥力,占紅棗總面積的46.55%,土壤有機質、全氮、堿解氮和有效錳含量處于中低水平,有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效錳和有效鐵處于中高水平,土壤鹽分含量較低,屬非鹽漬化土壤;土壤肥力為低肥力的紅棗園面積有12 069.98 hm2,占紅棗園總面積的44.35%,土壤有機質、全氮、堿解氮、有效鋅和有效錳含量處于低水平,有效磷、速效鉀、有效銅、有效錳和有效鐵處于中低水平,有部分果園土壤存在輕度和中度鹽漬化;土壤肥力為極低肥力的紅棗園面積有1 710.38 hm2,占紅棗園總面積的6.29%,土壤養(yǎng)分和微量元素含量均處于低水平,部分果園土壤存在輕度、中度和重度鹽漬化,土壤貧瘠。紅棗園土壤肥力總體屬中低肥力水平。有機質、氮素、磷素、有效性錳和鋅缺乏是影響溫宿縣核桃和紅棗果園土壤肥力水平主要障礙因子。表7,圖4 表7 溫宿縣果園土壤肥力水平評價 土壤肥力水平Soil fertility level肥力綜合指數(IFI)Integrated fertility index面積Area (hm2)面積比例Area proportion (%)核桃園 Walnut orchards高肥力區(qū)High fertility areaIFI>0.663 254.686.87中肥力區(qū)Middle fertilizer area0.66≥IFI>0.5721 617.9645.65低肥力區(qū)Low fertility area0.57≥IFI>0.4516 847.135.57極低肥力區(qū)Very low fertility areaIFI≤0.455 637.2611.91紅棗園Jujube orchards高肥力區(qū)High fertility areaIFI>0.66764.552.81中肥力區(qū)Middle fertilizer area0.66≥IFI>0.5712 668.6946.55低肥力區(qū)Low fertility area0.57≥IFI>0.4512 069.9844.35極低肥力區(qū)Very low fertility areaIFI≤0.451 710.386.29 圖4 溫宿縣核桃紅棗果園土壤肥力分區(qū) 由于土壤養(yǎng)分的空間變異性,進行區(qū)域土壤肥力水平評價時,在平衡采樣成本和保證一定準確度的前提下考慮取樣的合理樣本數和空間布局[20]。綜合土壤類型、質地、質地構型、地形地貌,以溫宿縣耕地質量評價數據為基礎,采用了地統(tǒng)計學方法,建立了半方差函數模型,分析其土壤養(yǎng)分空間變異特征,確定溫宿縣核桃紅棗園土壤合理取樣間隔和樣點空間布局。采用Cochran法確定合理取樣數量,參考前人對南疆果園土壤養(yǎng)分空間變異研究成果,采用以果樹為中心,采用"米"字形,以150 cm為半徑采樣,取樣深度0~60 cm,布設代表性強的1 465個樣點覆蓋溫宿縣所有鄉(xiāng)、村及大隊。 土壤肥力是土壤的本質屬性,是土壤物理、化學、生物等性質的綜合反映,是土壤中水、肥、氣、熱等因素綜合協(xié)調供應植物生長發(fā)育需要的能力[21],在土壤肥力評級中,所選評價指標應包含土壤養(yǎng)分含量(有機質、全氮、有效磷、速效鉀、有效鋅等)和所處的物理(質地、質地構型等)、化學(含鹽量、pH值)生物(土壤微生物、土壤酶)環(huán)境等方面因素[22]。由于土壤微生物和土壤酶的測試分析條件限制和缺少相應分級指標,因此,從指標選取的易獲取性和穩(wěn)定性考慮,該文研究中未考慮土壤生物指標;經測試分析,溫宿縣核桃紅棗園土壤pH值7.51~8.39,屬堿性土壤,從指標選擇的差異性考慮,該文研究中未考慮pH值。 對溫宿縣核桃紅棗園土壤的13項土壤肥力評價指標的分析研究表明,從整體上來看溫宿縣核桃和紅棗果園土壤有機質含量較低、全氮、堿解氮、有效鋅和有效錳含量低,有效磷含量中等,土壤肥力處于中低水平,高肥力果園比例很低。營養(yǎng)元素是果樹生長發(fā)育和果實形成的重要物質基礎[23],成齡果樹樹體高大,加之高產優(yōu)質的需求,其需求的大量礦質營養(yǎng)元素和微量元素大部分需要從土壤中加以補充,如果土壤養(yǎng)分投入不足或失衡都會對土壤肥力水平造成一定影響[24,25],建議今后在施肥管理中增施有機肥,提升土壤有機質含量,重視氮肥、磷肥的施用,補施微量元素錳肥和鋅肥。 4.1 溫宿縣核桃園和紅棗園土壤有機質、全氮、堿解氮、有效鋅和有效錳含量低,有效磷和有效硼含量中等,速效鉀、土壤有效銅、有效鐵含量較高,土壤鹽分含量較低,鹽漬化程度輕。此外,除土壤有效磷的變異系數為強變異,其余均屬于中等變異。 4.2 溫宿縣核桃紅棗園土壤肥力主要集中在中肥力和低水平,其中核桃園土壤中肥力水平的面積有9 961.39 hm2,占核桃園總面積的45.65%,低肥力水平的面積有7 763.01 hm2,占核桃園總面積的35.57%,極低肥力水平的面積有5 637.26 hm2,占核桃園總面積的11.91%;紅棗園土壤中等肥力水平的面積為5 615.63 hm2,占紅棗總面積的46.55%,低肥力水平的面積為5 350.24 hm2,占紅棗園總面積的44.35%,極低肥力的面積為1 710.38 hm2,占紅棗園總面積的6.29%。
Fig.2 Diagram of hierarchical model表4 各評價指標的權重Table 4 Weights of the evaluation indexes1.3 數據處理
2 結果與分析
2.1 果園土壤肥力指標
Table 5 Descriptive statistics of soil nutrients and microelement in orchards in Wensu County
Fig.3 The soil nutrient level status of orchards in Wensu County表6 溫宿縣果園土壤鹽分含量描述性統(tǒng)計Table 6 Descriptive statistics of soil salinity status in orchards in Wensu County2.2 果園土壤肥力評價
Table 7 Evaluation result of soil fertility level of orchards in Wensu County
Fig. 4 The soil fertility zoning map of walnut garden and jujube orchards in Wensu County3 討 論
4 結 論