林圣玉，李 英，張華明，張 龍，張勇奮，袁 芳

(江西省水土保持科學(xué)研究院/江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)評(píng)價(jià)坡耕地表土肥力情況，準(zhǔn)確掌握土壤肥力質(zhì)量，對(duì)提高區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量及品質(zhì)，保護(hù)土地資源和生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)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(qiáng)烈的水土流失和密集的人類活動(dòng)共同威脅著坡耕地土壤質(zhì)量。近年來許多學(xué)者對(duì)鄱陽湖區(qū)的水土流失狀況及其對(duì)土壤肥力的影響進(jìn)行了研究[2-4]，但對(duì)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(píng)價(jià)還未見報(bào)道。本研究采用模糊數(shù)學(xué)隸屬度函數(shù)模型計(jì)算土壤肥力綜合指數(shù)，對(duì)鄱陽湖區(qū)典型區(qū)域坡耕地表土進(jìn)行肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)，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(xué)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(jìn)賢縣和湖口縣作為研究區(qū)。用GPS定位18個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)設(shè)3個(gè)樣地，每個(gè)樣地面積約150 m2，種植作物為花生。采用“S”形5點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室分析。采樣時(shí)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(jī)械組成采用吸管法；土壤團(tuán)聚體含量采用干篩和濕篩法；土壤有機(jī)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(jì)法；堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法；速效磷含量采用0.5 mol/L的碳酸氫鈉提取后用鉬藍(lán)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(jì)法測定；pH值以2.5∶1的水土比混合后用pH計(jì)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(xué)中的加權(quán)求和方法來計(jì)算表土綜合肥力指數(shù)(IFI)，即采用變異系數(shù)法計(jì)算各指標(biāo)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(biāo)隸屬度，最后加權(quán)求和計(jì)算各樣點(diǎn)土壤肥力綜合指數(shù)。

2.2.1 土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重確定

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取。評(píng)價(jià)指標(biāo)是指參與評(píng)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(píng)價(jià)指標(biāo)，是科學(xué)揭示土壤肥力的前提，它直接影響土壤肥力綜合評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確程度。合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)包括土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性。此外，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的確定還應(yīng)盡量符合綜合性、主導(dǎo)性、穩(wěn)定性、精確性和實(shí)用性的原則[5]。由于測定土壤生物學(xué)指標(biāo)所需樣品采集保存難度大且沒有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此本研究選取有機(jī)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(xiàng)土壤理化評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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

(1)

式中：Wi為第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重；Vi是第i項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)，也稱為標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)。

2.2.2 指標(biāo)隸屬度計(jì)算

由于各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)土壤肥力的影響具有連續(xù)性和漸變性，對(duì)表土肥力質(zhì)量的貢獻(xiàn)并不完全相同，因此需要對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。隸屬度函數(shù)通過簡潔的數(shù)學(xué)表達(dá)式定量描述了某一指標(biāo)優(yōu)劣對(duì)作物生長影響的方向和程度[6]。根據(jù)各指標(biāo)對(duì)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(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[7-8]，計(jì)算各指標(biāo)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(dá)到最高水平且趨于穩(wěn)定，對(duì)這類指標(biāo)采用S型隸屬度函數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；土壤肥力指標(biāo)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(shí)土壤質(zhì)量下降，此類指標(biāo)采用拋物線型隸屬度函數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。為了便于計(jì)算，將S型和拋物線型隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的折線函數(shù)(圖1)，其表達(dá)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(biāo)隸屬度；x為某指標(biāo)實(shí)測值；x1、x2、x3、x4分別為對(duì)應(yīng)折線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值。

根據(jù)實(shí)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(biāo)完全滿足植物生長；最小值0.1則表示該項(xiàng)指標(biāo)嚴(yán)重制約土壤肥力質(zhì)量，不能有效促進(jìn)作物生長。

依據(jù)相關(guān)研究成果[9]，結(jié)合研究區(qū)土壤特點(diǎn)和生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為各指標(biāo)選取適宜的隸屬度函數(shù)類型及轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值(表1)。將各土壤肥力關(guān)鍵指標(biāo)實(shí)測值及臨界值帶入相應(yīng)函數(shù)表達(dá)式，即可得到各土壤肥力指標(biāo)的隸屬度值。

2.2.3 表土肥力綜合指標(biāo)值計(jì)算

土壤肥力綜合指標(biāo)能夠直觀準(zhǔn)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(biāo)間采用加法合成求出反映表土肥力的綜合性指標(biāo)值IFI，計(jì)算公式為

表1 土壤肥力指標(biāo)隸屬度函數(shù)類型及各評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)折點(diǎn)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(biāo)的權(quán)重系數(shù)；Ni為第i種養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬度值。

3 結(jié)果分析

3.1 土壤肥力指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

采樣點(diǎn)土壤肥力指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征見表2。受自然因素和人類活動(dòng)的影響，各采樣點(diǎn)土壤理化特性存在較大差異。按照《江西土壤》分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[10]，本研究將有機(jī)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(gè)等級(jí)，即一級(jí)為很高，二級(jí)為高，三級(jí)為中等，四級(jí)為低，五級(jí)為很低，六級(jí)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(jí)，屬很高水平；全氮含量三級(jí)，屬中等水平；有機(jī)質(zhì)、全鉀、堿解氮含量和CEC為四級(jí)，屬低水平；全磷含量為五級(jí)，屬很低水平。

從指標(biāo)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(yùn)動(dòng)；pH值較低，普遍呈強(qiáng)酸性和酸性；土壤有機(jī)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(yīng)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(jī)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(qiáng)度等人類活動(dòng)的影響。

表2 土壤肥力指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征及等級(jí)

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

表3 各肥力指標(biāo)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(chǔ)。從各指標(biāo)隸屬度計(jì)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(jī)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(duì)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(jī)肥在提高土地生產(chǎn)力和土壤肥力方面起著主導(dǎo)作用，而研究區(qū)坡耕地表土有機(jī)質(zhì)普遍含量低，因此，應(yīng)根據(jù)種植的作物需要，通過增施有機(jī)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(biāo)的隸屬度均值

3.3 土壤肥力綜合分析

結(jié)合各肥力指標(biāo)隸屬度及權(quán)重，采用綜合指數(shù)模型計(jì)算得到采樣點(diǎn)的土壤肥力綜合指數(shù)(IFI)。從計(jì)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(qiáng)度變異。

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

表5 土壤肥力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)各指標(biāo)對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)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(jī)質(zhì)的權(quán)重分別為0.16、0.15、0.12、0.11，對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)較大，因此可將速效磷、速效鉀、黏粒含量、有機(jī)質(zhì)這4項(xiàng)指標(biāo)作為反映區(qū)域坡耕地土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

(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(jī)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(yīng)用模糊數(shù)學(xué)隸屬度函數(shù)模型，計(jì)算評(píng)價(jià)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(jī)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(yīng)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(jī)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。