耿慶龍, 李 娜, 賴 寧, 陳署晃

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091))

0 引 言

【研究意義】土壤肥力水平的高低直接關(guān)系到作物產(chǎn)量農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等[1-3]。我國耕地質(zhì)量總體偏低，在利用中面臨著糧食保障、肥力退化和土壤環(huán)境被污染等眾多問題[4]。全面客觀地評價(jià)土壤肥力水平對于科學(xué)合理地制定農(nóng)田施肥方案，提高養(yǎng)分資源利用率，減少由于過量施肥造成環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)精確施肥具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，國內(nèi)外已有很多關(guān)于土壤肥力評價(jià)方法的研究和應(yīng)用，包括模糊數(shù)學(xué)、多元統(tǒng)計(jì)分析、因子分析、聚類分析、主成分分析等方法[5-9]，客觀的反應(yīng)了土壤肥力的水平?！疤貭栰场狈ㄅc評價(jià)指標(biāo)體系合理性之間并沒有嚴(yán)格的邏輯關(guān)系，評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性受評價(jià)者的專業(yè)水平影響較大[10]。內(nèi)梅羅指數(shù)多用于土壤污染、水體質(zhì)量的評價(jià)[11-14]，而通過對其改進(jìn)作為評價(jià)土壤肥力方法的研究并不多見。石常蘊(yùn)等[15]以蘇州市水田為例通過建立各評價(jià)指標(biāo)與土壤功能間的關(guān)系模型并將指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化，然后確定各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，將各指標(biāo)的評分值與權(quán)重系數(shù)相乘加和既得到土壤肥力的綜合指數(shù)。王洋等[16]對黑土地作了單因子肥力指數(shù)評價(jià)和內(nèi)梅羅綜合肥力指數(shù)的評價(jià)。耿慶龍等[17-19]將傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法與地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法及GIS技術(shù)相結(jié)合，研究了中等尺度上土壤質(zhì)量的空間分異規(guī)律。王娟等[20]采用機(jī)制法與地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法及GIS技術(shù)相結(jié)合方法，分析了阿克蘇市主要作物的生產(chǎn)潛力。【本研究切入點(diǎn)】土壤肥力評價(jià)過程中受人為主觀因素影響較大，不同的專家可能有不同的認(rèn)識(shí)，一般以“特爾斐”法平衡參與評價(jià)的各專家的意見，但專家的知識(shí)領(lǐng)域、經(jīng)驗(yàn)、水平等存在各種差異。減少人為因素對結(jié)果的影響，最大程度的客觀展現(xiàn)土壤肥力是十分必要的。研究運(yùn)用改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)建立的土壤肥力評價(jià)體系合理性，最大程度地減少人為的主觀性?！緮M解決的關(guān)鍵問題】選取溫宿縣果園20～60 cm土層土壤5項(xiàng)常規(guī)養(yǎng)分指標(biāo)(有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、有效磷和速效鉀)和5項(xiàng)微量元素養(yǎng)分指標(biāo)(有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅和有效硼)作為評價(jià)指標(biāo)，采用隸屬度函數(shù)和改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)評價(jià)方法相結(jié)合對土壤肥力進(jìn)行綜合評價(jià)。為快速準(zhǔn)確地進(jìn)行定量化果樹養(yǎng)分評價(jià)和采取施肥決策方法的提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

溫宿縣地處塔里木盆地西北邊緣，位于N40°52′-42°15′，E79°28′～81°30′，東西長171 km，南北寬158 km，總面積14，569.3 km2。地勢北高南低，境內(nèi)多山脈、河流、戈壁和平原，北部山區(qū)占溫宿縣總面積的56.67%。這種特殊的地理環(huán)境，與大氣環(huán)流的共同作用，形成四季分明，晝夜溫差大，春季升溫快而不穩(wěn)，秋季短暫而降溫迅速，多晴少雨，光照充足，空氣干燥。具有典型的暖溫帶大陸性干旱氣候特征，年均降水量為83.9 mm，主要集中在7、8月，年平均蒸發(fā)量為1 456.3～1 966.2 mm。年平均氣溫為10.8℃，最高氣溫一般出現(xiàn)在7月，最低氣溫出現(xiàn)在1月。主要土壤類型為棕漠土和潮土，主要土壤母質(zhì)為沖積物、洪沖積物、洪積物以及黃土物質(zhì)；主要種植果樹、棉花、水稻和蔬菜等。研究區(qū)位于溫宿縣西南部如，面積2，892 km2，占溫宿縣總面積的19.85%。

圖1 溫宿縣研究區(qū)
Fig. 1 of and study location

1.2 方 法

將土地利用現(xiàn)狀圖、2 km×2 km方格網(wǎng)進(jìn)行疊加，利用GPS定位，在半徑10 m范圍內(nèi)采集6～8點(diǎn)(20～60 cm)土樣混合，四分法取1 kg左右土壤樣品帶回分析。2015年10月在方格網(wǎng)劃分果園地內(nèi)隨機(jī)采集土樣共559個(gè)。有機(jī)質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀法(DB/6500B111440-87)；全氮采用凱氏定氮法;速效氮含量測定采用堿解擴(kuò)散法(DB/65008111442-87 )；速效磷含量測定采用碳酸氫鈉法(DB6500B111446-87 )；速效鉀含量測定采用醋酸按一火焰光度法(DB/6500B111448-87 )；微量元素養(yǎng)分含量采用二乙基三胺五乙酸(DTPA)溶液浸提-原子吸收光譜法測定。圖2

圖 2 溫宿果園及采樣點(diǎn)分布
Fig. 2 sampling sites (n=559)

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用隸屬度函數(shù)評價(jià)各指標(biāo)肥力狀況；利用各項(xiàng)肥力指標(biāo)的隸屬度值和修正內(nèi)梅羅指數(shù)計(jì)算土壤綜合肥力指數(shù)；傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS16.0軟件。

1.3.1 隸屬度函數(shù)和土壤肥力評價(jià)

隸屬度函數(shù)實(shí)際上是評價(jià)指標(biāo)與果樹生長效應(yīng)曲線之間關(guān)系，表達(dá)了該項(xiàng)指標(biāo)土壤含量的豐缺程度。根據(jù)各評價(jià)指標(biāo)對作物產(chǎn)量的效應(yīng)，土壤肥力指標(biāo)相應(yīng)的隸屬度函數(shù)表達(dá)式為：

f(x)=

(1)

根據(jù)研究區(qū)土壤肥力特點(diǎn)、果樹品種特點(diǎn)和前期研究的結(jié)果[21-23]，確定隸屬度函數(shù)曲線拐點(diǎn)的取值。表1

表1 隸屬函數(shù)曲線拐點(diǎn)取值
Table 1 Values of point in membership function(mg/kg)

拐點(diǎn)Turning piontSOM(g/kg)TN(g/kg)AN(mg/kg)AP(mg/kg)AK(mg/kg)AFe(mg/kg)AMn(mg/kg)ACu(mg/kg)AZn(mg/kg)AB(mg/kg)X150.2530670570.51.00.5X2201.0803021010101.02.01.0

注:SOM表示土壤有機(jī)質(zhì)，TN表示全氮，AN表示堿解氮，AP表示有效磷，AK表示速效鉀，AFe表示有效鐵，AMn表示有效錳，ACu表示有效銅，AZn表示有效鋅，AB表示有效硼。下同

Note:SOM represents soil organic matter, TN represents total nitrogen, AN represents available nitrogen, AP represents available phosphorus, AK represents available potassium, AFe represents available Fe, AMn represents available Mn, ACu represents available Cu, AZn represents available Zn, AB represents available B. The same as below

1.3.2 綜合評價(jià)指數(shù)的計(jì)算

內(nèi)梅羅(N.L.Nemerow)指數(shù)是一種兼顧極值或突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。其特別考慮了污染最嚴(yán)重的因子，內(nèi)梅羅環(huán)境質(zhì)量指數(shù)在加權(quán)過程中避免了權(quán)系數(shù)中主觀因素的影響，是目前仍然應(yīng)用較多的一種環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。

(2)

(3)

表2 土壤各肥力指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)特征
Table 2 The descriptive statistics of soil fertility factors contents in study area

肥力指標(biāo)Fertility indices樣點(diǎn)數(shù)Samples分布類型Distribution types極小值Min.極大值Max.均值Mean標(biāo)準(zhǔn)差St.d變異系數(shù)CV偏度Skewness峰度KurtosisSOM 559正態(tài) 0.44 36.48 10.11 4.64 0.46 0.41 1.66 TN 559對數(shù)正態(tài)0.19 1.44 0.67 0.23 0.34 0.64 0.13 AN 559偏態(tài)3.95 239.00 41.01 20.99 0.51 2.05 14.24 AP559對數(shù)正態(tài)1.14 164.97 17.61 22.52 1.28 3.22 12.44 AK559偏態(tài)38.73 488.98 143.65 52.31 0.36 1.36 5.22 AFe559對數(shù)正態(tài)1.80 46.30 12.01 6.74 0.56 1.82 5.51 AMn559正態(tài)1.40 11.10 5.05 1.68 0.33 0.74 1.64 ACu559正態(tài)0.10 3.60 1.49 0.78 0.53 -0.07 -0.30 AZn559對數(shù)正態(tài)0.20 20.00 2.31 3.09 1.34 3.14 11.67 AB559對數(shù)正態(tài)0.22 2.73 0.95 0.47 0.49 1.24 1.98

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤肥力指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)

研究表明,土壤有機(jī)質(zhì)、有效錳、有效銅含量服從正態(tài)分布，全氮、有效磷、有效鐵、有效錳、有效硼服從對數(shù)正態(tài)分布(K-S檢驗(yàn)，P<0.05)，而土壤堿解氮、速效鉀養(yǎng)分含量既不服從正態(tài)分布，也不服從對數(shù)正態(tài)分布，說明表層土壤堿解氮和速效鉀受施肥的影響較大。變異系數(shù)可以表征土壤特性的空間變異程度，最大為有效鋅(1.34)，次之有效磷(1.28)，兩者變異強(qiáng)度較高，遠(yuǎn)高于其它肥力指標(biāo)。其它肥力指標(biāo)變異系數(shù)處于0.33～0.56，屬于中等變異強(qiáng)度。從變異系數(shù)分析，有效鋅、有效磷變異系數(shù)均大于1，說明長期大量的磷肥和含鋅制劑的施用致使土壤有效磷和有效鋅含量有明顯地積累。據(jù)研究表明，由于過量施磷而導(dǎo)致作物對其他元素的吸收作用減弱，出現(xiàn)營養(yǎng)缺素癥狀，反而影響了作物的產(chǎn)量與品質(zhì)[24]，而鋅素營養(yǎng)過剩時(shí)細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞,葉肉細(xì)胞嚴(yán)重收縮，葉綠體明顯減少。根據(jù)新疆第二次土壤普查的養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)[25-26]，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效錳平均含量處于較低水平；有效磷、速效鉀、有效硼平均含量處于中等水平；有效銅、有效鐵和有效鋅平均含量處于較高水平。表2

2.2 土壤肥力指標(biāo)隸屬度

研究表明,平均隸屬度越大，所反映的單一指標(biāo)的肥力水平越高。有效錳的平均隸屬度最小，僅為0.121，速效氮、有效磷和有機(jī)質(zhì)次之，均不足0.5；其他養(yǎng)分的平均隸屬度均在0.5以上，其中以有效銅最高，達(dá)0.860。10個(gè)肥力指標(biāo)中：堿解氮、有效磷、有效錳的隸屬度小于0.325的樣本數(shù)，分別占總樣本數(shù)的57.78%、56.35%、96.96%，有效銅、有效鐵、有效硼的隸屬度大于0.775的樣本數(shù)，分別占總樣本數(shù)的82.47%、76.74%、59.03%。研究區(qū)果園土壤中有效銅、有效鐵、有效硼含量豐富，堿解氮、有效磷、有效錳含量缺少。表3

表3 土壤各肥力指標(biāo)平均隸屬度統(tǒng)計(jì)
Table 3 The descriptive statistics of soil fertility factors contents in study area

肥力指標(biāo)Fertility indices樣點(diǎn)數(shù)Samples均值Mean比例(%)0.1～0.3250.325～0.550.55～0.7750.775～1.0SOM 5590.422 36.3136.8518.438.41TN 5590.594 14.3131.6629.3424.69AN 5590.335 57.7822.9010.738.59AP5590.385 56.3518.436.0819.14AK5590.553 20.7529.8727.5521.82AFe5590.844 10.733.588.9476.74AMn5590.121 96.961.610.181.25ACu5590.860 13.422.501.6182.47AZn5590.579 37.2110.0210.2042.58AB5590.744 14.3110.0216.6459.03

2.3土壤肥力綜合評價(jià)

研究表明,樣點(diǎn)IFI 值總體為偏態(tài)分布，其值處于0.10～0.85，平均值為0.39，變異系數(shù)為0.04，屬于弱度變異，說明研究區(qū)果園土壤的綜合肥力，變異性不大，土壤肥力總體處于中等偏低水平。

土壤綜合肥力指標(biāo)綜合肥力貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)表表明，溫宿縣的土壤常規(guī)養(yǎng)分和微量元素養(yǎng)分的肥力貢獻(xiàn)率分別為0.55和0.45；單一指標(biāo)中有效銅的貢獻(xiàn)率均值最高，達(dá)1.139；其次為有效鐵，為1.132；貢獻(xiàn)率均值最小的為有效磷，僅為0.001；此外，堿解氮、有效錳的貢獻(xiàn)率均值也在0以下。單一指標(biāo)中全氮、有效鐵、有效銅、有效硼貢獻(xiàn)率較高，分別有89.80%、93.20%、87.12%、88.01%的樣本的貢獻(xiàn)率為正。其次是速效鉀、有效鋅，分別有77.10%、60.82%。有效錳貢獻(xiàn)率最小，有98.75%的樣本的貢獻(xiàn)率為負(fù)。其次是堿解氮、有效磷，分別有72.27%、63.51%。研究區(qū)土壤綜合肥力指數(shù)總體平均為0.39。表4

表4 土壤綜合肥力指標(biāo)綜合肥力貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)
Table 4 Soil comprehensive fertility index comprehensive fertility contribution rate

肥力指標(biāo)Fertility indices樣點(diǎn)數(shù)Samples貢獻(xiàn)率均值Mean比例(%)≤0>0SOM5590.060 49.3750.63TN5590.538 10.2089.80AN559-0.198 72.2727.73AP5590.001 63.5136.49AK5590.417 22.9077.10AFe5591.132 6.8093.20AMn559-0.666 98.751.25ACu5591.139 12.8887.12AZn5590.419 39.1860.82AB5590.830 11.9988.01

3 討 論

評價(jià)方法是土壤肥力評價(jià)的核心工作，直接關(guān)系到評價(jià)結(jié)果的客觀性。研究基于“最小養(yǎng)分律”理論，引入改進(jìn)型內(nèi)梅羅法對研究區(qū)土壤肥力進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)將微量元素養(yǎng)分也納入評價(jià)指標(biāo)體系，以能更為全面，更多地解釋土壤肥力。研究區(qū)5種微量元素養(yǎng)分指標(biāo)綜合肥力貢獻(xiàn)率達(dá)45%，因此，說明在土壤肥力質(zhì)量評價(jià)過程中應(yīng)當(dāng)考慮微量元素養(yǎng)分。De Lima等[27]在評價(jià)不同農(nóng)業(yè)管理體系和不同質(zhì)地類型土壤質(zhì)量狀況時(shí)表明，土壤微量元素養(yǎng)分指標(biāo)(Cu、Zn和Mn)也是最重要的指標(biāo)。對不同土地利用類型的貢獻(xiàn)也不同，其結(jié)果表明,菜地的土壤微量元素養(yǎng)分的肥力水平及綜合肥力的貢獻(xiàn)率均高于果園和菜地，菜地高化肥以及農(nóng)藥的投入都有可能導(dǎo)致結(jié)果偏高，施入含錳、鋅和銅的化肥以及含錳、鋅和銅農(nóng)藥均會(huì)使土壤錳、鋅和銅含量增加[26-28]；過量的施入氮肥會(huì)導(dǎo)致土壤酸化[29]，進(jìn)一步活化了土壤養(yǎng)分。

土壤綜合肥力和單一養(yǎng)分指標(biāo)的空間分布既有區(qū)別又有相似之處。主要原因是因?yàn)橥寥谰C合肥力既受單一養(yǎng)分指標(biāo)的作用，也受所有養(yǎng)分指標(biāo)的綜合作用，同時(shí)，還受自然和人為因素的綜合影響[30]。此外，因子加權(quán)法是計(jì)算土壤綜合肥力的方法之一，一定程度上考慮了評價(jià)指標(biāo)之間的依賴關(guān)系，避免了主觀的隨意性，因此已被廣泛應(yīng)用于確定評價(jià)指標(biāo)的計(jì)算中；研究沒有考慮主成分分析法，只統(tǒng)計(jì)土壤綜合肥力樣本數(shù)據(jù)的比例及其貢獻(xiàn)率。在今后的研究中還應(yīng)考慮主成分分析法分析。

4 結(jié) 論

研究區(qū)土壤常規(guī)養(yǎng)分和微量元素養(yǎng)分的綜合肥力貢獻(xiàn)率分別為0.55和0.45；菜地土壤單一有效微量元素指標(biāo)的肥力水平和綜合肥力水平總體上均要高于果園和糧田；土壤綜合肥力指數(shù)的空間變異具有一階趨勢，去除趨勢后所剩殘差的空間異質(zhì)性主要受隨機(jī)部分(人為因素等)的作用；其空間分布總體上主要受有機(jī)質(zhì)和全氮的作用，但局部地區(qū)分布還受有效銅、有效鋅等微量元素養(yǎng)分的影響。將土壤常規(guī)養(yǎng)分和微量元素養(yǎng)分同時(shí)納入土壤肥力質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系是必要的，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法能較好地揭示土壤肥力質(zhì)量的空間變異規(guī)律。該研究區(qū)土壤肥力總體處于中等偏低水平。土壤肥力指標(biāo)包括土壤營養(yǎng)(化學(xué))指標(biāo)，土壤物理性狀指標(biāo)、土壤生物學(xué)指標(biāo)和土壤環(huán)境指標(biāo)等多種因子。