王秋君 馬艷 郭德杰 王光飛 吳云成

摘要：綜合運(yùn)用主成分分析和模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法，分析了蘇北地區(qū)設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)土壤養(yǎng)分狀況，對其土壤肥力進(jìn)行綜合評價。結(jié)果表明，蘇北地區(qū)平均土壤有機(jī)質(zhì)含量為2.6%，屬中等水平，但鹽城市土壤有機(jī)質(zhì)含量不足。蘇北地區(qū)的土壤pH平均值為7.2，但有34.2%土壤呈堿性，2.5%土壤呈酸性，淮安市的土壤堿化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。土壤硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀平均含量分別為152.5 mg/kg、152.5 mg/kg、386.2 mg/kg，均存在過量積累現(xiàn)象，但不同城市土壤中3種養(yǎng)分積累程度不同。利用因子分析法確定各土壤指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合隸屬度計算出土壤綜合肥力指數(shù)，發(fā)現(xiàn)蘇北地區(qū)的土壤綜合肥力平均指數(shù)為0.5，處于中等水平，有25.2%的土壤綜合肥力<0.4，即土壤肥力差。土壤速效鉀為蘇北地區(qū)土壤肥力的主要限制因子。

關(guān)鍵詞：設(shè)施蔬菜;模糊數(shù)學(xué);土壤養(yǎng)分;土壤肥力綜合評價

中圖分類號：S158

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號： 1000-4440（2019）03-0624-07

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的主要部分，由于土壤的不均一性，土壤中養(yǎng)分的空間分布也具有非均一性[1]。近年來，對土壤各養(yǎng)分指標(biāo)的綜合定量研究已成為研究土壤肥力的主要方法。學(xué)者們將模糊數(shù)學(xué)和多元統(tǒng)計等方法應(yīng)用到土壤肥力評價中，可得出反映土壤肥力的綜合性指標(biāo)[2-3]。正確地選擇土壤肥力評價指標(biāo)，是科學(xué)揭示土壤肥力的前提，直接影響到土壤肥力評價的準(zhǔn)確程度，評價指標(biāo)需對土壤肥力影響大且穩(wěn)定性高[4]。據(jù)此，很多研究者將土壤pH、有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀作為土壤肥力評價指標(biāo)來反映土壤綜合肥力[5-8]。

截止2015年，江蘇省設(shè)施蔬菜總面積為7.57x10s hm，占耕地面積比重達(dá)16.5%，占比居全國首位。設(shè)施蔬菜品種主要有番茄、辣椒、黃瓜、茄子、甘藍(lán)、白菜等。江蘇省設(shè)施蔬菜主要集中在蘇北地區(qū)（徐州、鹽城、淮安、連云港和宿遷），其設(shè)施蔬菜總面積為4.89x 10 hm，占全省設(shè)施蔬菜面積的61.2%。蘇北地區(qū)的蔬菜自給率最高，鹽城超過90%，徐州、連云港和宿遷在80%以上，淮安在70%以上[9]。

近年來，隨著設(shè)施栽培的大力發(fā)展，蘇北地區(qū)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化經(jīng)營模式日趨成熟。然而，蘇北地區(qū)設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)的土壤肥力日益降低，該問題已成為制約該地區(qū)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。大量研究結(jié)果表明，除了長期連作外，不合理施肥也是造成土壤發(fā)生障礙的主要原因[10-11]。為此，本研究基于模糊數(shù)學(xué)方法對蘇北地區(qū)設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)的土壤肥力進(jìn)行綜合評價，以提出適合的肥料施用技術(shù)和針對性的土壤肥力培育策略，對推動蘇北地區(qū)設(shè)施蔬菜優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 土壤樣品的采集

2016年11月在江蘇省淮安市、徐州市、連云港市和鹽城市設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)，采集耕作層（0- 20cm）土壤樣品158個。土樣在實驗室進(jìn)行編號后自然風(fēng)干，棄除作物殘體和雜物，磨細(xì)，過篩后進(jìn)行測定分析。

1.2 土壤性狀分析

在實驗室測定土壤pH、有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀含量。取過1 mm篩的風(fēng)干土樣10g，加超純水25 ml，振蕩5 min，靜置30 min后測定pH。風(fēng)干土樣過1 mm篩后采用KCl浸提一酚二磺酸比色法測定硝態(tài)氮。風(fēng)干土樣過1 mm篩后采用NaHC03浸提一鉬藍(lán)比色法測定有效磷。風(fēng)干土樣過1 mm篩后采用醋酸銨浸提一火焰光度法測定速效鉀。風(fēng)干土樣過0.149 mm篩后采用重鉻酸鉀容量法一稀釋熱法測定總有機(jī)質(zhì)。

1.3 土壤養(yǎng)分指標(biāo)權(quán)重和隸屬度的確定

本研究利用主成分分析法確定各因子權(quán)重（表1）。根據(jù)土壤肥力指標(biāo)與作物生長效應(yīng)曲線將參評隸屬度函數(shù)分為2種類型，即S型和拋物線型[12—13]。

S型隸屬度函數(shù)：屬于這類函數(shù)的土壤肥力指標(biāo)有土壤有機(jī)質(zhì)。相應(yīng)的隸屬度函數(shù)表達(dá)式為：

1.4 土壤肥力綜合評價方法

首先根據(jù)文獻(xiàn)報道和實踐經(jīng)驗建立各肥力指標(biāo)的隸屬函數(shù)，計算不同土樣各指標(biāo)的隸屬度值，然后采用主成分分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，最終計算出各樣品土壤綜合肥力指數(shù)（ IFI）。計算公式為：

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel處理。采用SPSS sta-tistical 22進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤肥力描述性統(tǒng)計分析

2.1.1 土壤有機(jī)質(zhì)從表2可以看出，蘇北地區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為2.5%，淮安、徐州、連云港、鹽城的土壤有機(jī)質(zhì)平均含量分別為2.9%、2.9%、2.4%、1.9%，其變異系數(shù)（cv）范圍為19.5%-33.1%。變異系數(shù)表示土壤肥力指標(biāo)變異性的大小，CV<0.1時為弱變異性，0.1

2.1.2 土壤pH從表3可以看出，蘇北地區(qū)的土壤pH平均值為7.2，淮安、徐州、連云港、鹽城的土壤pH平均值分別為7.6、7.2、7.3、6.8，其變異系數(shù)范圍為6.1% - 15.6%。根據(jù)文獻(xiàn)[15]對土壤pH值進(jìn)行分級，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蘇北地區(qū)僅45.6%的土壤為中性，34.2%土壤呈堿性，2.5%土壤呈酸性。淮安、徐州、連云港、鹽城的土壤呈中性的占比分別為3.2%、69.6%、52. 6%、46.5%，土壤呈酸性的占比分別為25. 9%、4.3%、18.5%、34.9%，土壤呈堿性的占比分別為70.9%、26.1%、28.9%、18.6%。

2.1.3 土壤硝態(tài)氮從表4中可以看出，蘇北地區(qū)的土壤硝態(tài)氮平均含量為152.5 mg/kg，淮安、徐州、連云港、鹽城的土壤硝態(tài)氮平均含量分別為175.8 mg/kg、199.2 mg/kg、166.7 mg/kg、74.8mg/kg，其變異系數(shù)范圍為77.0% - 110. 6%，其中連云港的變異系數(shù)最高。根據(jù)文獻(xiàn)[15]對土壤硝態(tài)氮含量進(jìn)行分級，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蘇北地區(qū)僅27. 80-/0的土壤硝態(tài)氮含量在正常范圍（ 50.1 - 100.0 mg/kg）內(nèi)，53. 8%的土壤硝態(tài)氮含量高于臨界值。淮安、徐州、連云港、鹽城的土壤硝態(tài)氮含量高于正常臨界值的占比分別為64. 4%、65.1%、52.0%、18.5%。

2.1.4 土壤有效磷從表5可以看出，蘇北地區(qū)的土壤有效磷平均含量為152.6 mg/kg，淮安、徐州、連云港、鹽城的土壤有效磷平均含量分別為93.3 mg/kg、191.2 mg/kg、194.4 mg/kg、117.1 mg/kg，其變異系數(shù)范圍為39. 7% - 44. 9%。根據(jù)文獻(xiàn)[15]對土壤有效磷含量進(jìn)行分級，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蘇北地區(qū)僅22. 8%的土壤有效磷含量在正常范圍（50.1- 100.0 mg/kg）內(nèi)，70.8%的土壤有效磷含量高于臨界值?；窗?、徐州、連云港、鹽城的土壤有效磷含量高于正常臨界值的占比分別為32. 2%、86. 9%、72. 8%、62. 7%。2.1.5土壤速效鉀從表6可以看出，蘇北地區(qū)的土壤速效鉀平均含量為386.1 mg/kg，淮安、徐州、連云港、鹽城的土壤速效鉀平均含量分別為138.4 mg/kg、490.7 mg/kg，608.4 mg/kg、256.4 mg/kg，其變異系數(shù)范圍為44.2% - 56. 4%。根據(jù)文獻(xiàn)[15]對土壤速效鉀含量進(jìn)行分級，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蘇北地區(qū)僅7. 6%的土壤速效鉀含量在正常范圍（150.1- 200.0 mg/kg）內(nèi)，68. 4%的土壤速效鉀含量高于臨界值?；窗?、徐州、連云港、鹽城的土壤速效鉀含量高于正常臨界值的占比分別為16.1%、89.0%、79.1%、55.7%。

2.2 土壤肥力綜合評價

2.2.1 隸屬度 土壤肥力指標(biāo)單位和量綱不同，為了使各評價指標(biāo)的測定值能夠相互比較，本研究通過計算各指標(biāo)的隸屬度來對各評價指標(biāo)進(jìn)行量綱統(tǒng)一化。蘇北地區(qū)設(shè)施蔬菜土壤各指標(biāo)的狀態(tài)及土壤肥力的整體狀況用各指標(biāo)的平均隸屬度值制成雷達(dá)圖來反映（圖1）。從圖1可看出，淮安地區(qū)土壤各指標(biāo)中土壤pH平均隸屬度最?。?.3）（圖1A），徐州、連云港地區(qū)土壤各指標(biāo)中土壤速效鉀平均隸屬度均為最?。?.3、0.2）（圖1B、圖IC），鹽城地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)平均隸屬度最小（0.2）（圖ID）?？傮w來看，蘇北地區(qū)設(shè)施蔬菜土壤各指標(biāo)中土壤速效鉀平均隸屬度最?。?.3）（圖IE）。

2.2.2 土壤綜合肥力指數(shù)本研究綜合考慮了土壤肥力各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)和隸屬度，計算土壤綜合肥力指數(shù)（ IFI）。蘇北地區(qū)設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)IFI及其分布頻率見表7。從表7中可看出，蘇北地區(qū)的平均IFI為0.5，淮安、徐州、連云港、鹽城的平均IFI分別為0.5、0.5、0.4、0.5。參考文獻(xiàn)[13]，將土壤綜合肥力指數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)把研究區(qū)土壤分為5個等級。即優(yōu)（>0.80），良（0.61-0. 80），中等（0.41-0.60），差（0.21-0.40），很差（≤0.20）。IFI分級結(jié)果表明，蘇北地區(qū)25. 3%的IFI低于0.40?；窗病⑿熘?、連云港、鹽城的IFI低于0.40的占比分別為22.6%、26.1%、39.5%、13.9%。

3 討論

3.1 土壤養(yǎng)分狀況分析

通過對蘇北設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)土壤化學(xué)性狀進(jìn)行測定分析，發(fā)現(xiàn)蘇北地區(qū)設(shè)施蔬菜土壤養(yǎng)分和肥力狀況仍存在較多問題。蘇北地區(qū)有23.5%的土壤有機(jī)質(zhì)含量低于臨界值（2.0%），其中鹽城地區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)平均含量最低，有53.5%的土壤有機(jī)質(zhì)含量低于2.0%，這說明鹽城設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)的大多數(shù)土壤有機(jī)質(zhì)含量未達(dá)到設(shè)施蔬菜種植所需要求，需增施有機(jī)肥。蘇北地區(qū)設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)的土壤存在堿化和酸化現(xiàn)象，有34. 2%的土壤pH值大于7.5，有20. 2%的土壤pH值小于6.5，這說明蘇北設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)的土壤堿化重于酸化。本研究在調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)農(nóng)戶施用有機(jī)肥用量較大，且大多為未腐熟的農(nóng)家糞，這可能是造成土壤發(fā)生堿化的原因。有研究者認(rèn)為，施用有機(jī)肥可提高土壤pH[16]，而長期大量施用有機(jī)肥，尤其是施用未腐熟的農(nóng)家肥，則導(dǎo)致土壤發(fā)生堿化，其原因可能是有機(jī)肥中官能團(tuán)加強(qiáng)了對H+和Al3+的吸附作用，從而提高土壤pH值。

有研究者認(rèn)為，設(shè)施蔬菜土壤中硝態(tài)氮和有效磷含量高于100 mg/kg，且速效鉀含量高于200mg/kg時才能滿足設(shè)施蔬菜高產(chǎn)需要[15]。本研究結(jié)果表明，蘇北地區(qū)53.8%土壤硝態(tài)氮含量和70.8%的土壤有效磷含量高于100 mg/kg，且68.4%的土壤速效鉀含量高于200 mg/kg，這可能是由于部分農(nóng)戶過量施用氮、磷、鉀肥所致。本研究采集土樣過程中調(diào)研了農(nóng)戶施肥狀況，發(fā)現(xiàn)很多農(nóng)戶在施肥中并未針對土壤養(yǎng)分狀況和蔬菜養(yǎng)分需求規(guī)律進(jìn)行施肥，存在盲目性，且為了保證設(shè)施蔬菜產(chǎn)量的穩(wěn)定，過量施用化肥。土壤中硝態(tài)氮和有效磷積累不僅會形成土壤鹽漬化，影響蔬菜生長，同時也增加對水體環(huán)境污染的風(fēng)險。由于不同地區(qū)土壤肥力差異及施肥習(xí)慣的不同，使得土壤有效養(yǎng)分在不同地區(qū)的積累程度不同。根據(jù)土壤養(yǎng)分等級分類標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)本研究區(qū)域內(nèi)只有淮安地區(qū)的有效磷含量（ 93.3mg/kg）、速效鉀含量（138. 44 mg/kg）及鹽城地區(qū)的硝態(tài)氮含量（ 74.8 mg/kg）的平均值屬于正常范圍，而徐州地區(qū)和連云港地區(qū)的硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀含量的平均值都高于臨界值，這說明徐州和連云港地區(qū)的土壤有效養(yǎng)分積累程度重于淮安和鹽城地區(qū)，徐州和連云港地區(qū)的設(shè)施蔬菜種類以日光溫室番茄為主，淮安地區(qū)的設(shè)施蔬菜種類以大棚辣椒為主，鹽城地區(qū)的設(shè)施蔬菜種類以大棚辣椒和番茄為主。大棚辣椒和日光溫室番茄的氮磷鉀養(yǎng)分需求量差異較大，據(jù)文獻(xiàn)報道，666 m辣椒整個生育期中所需氮磷鉀養(yǎng)分總量為15. 6-37.3 kg[17-18]，而日光溫室番茄666 m2的氮磷鉀養(yǎng)分需求量為30.7- 80.2kg[19-21]，這使得日光溫室番茄栽培中施肥量要大于大棚辣椒所施肥料量，且由于徐州和連云港地區(qū)的日光溫室番茄多為長季節(jié)栽培，揭棚期較短，更加劇了土壤養(yǎng)分的積累。

3.2 土壤綜合肥力評價

目前對土壤肥力的評價指標(biāo)主要包括：作物產(chǎn)量或生長指標(biāo)、單一土壤養(yǎng)分指標(biāo)、土壤綜合肥力指標(biāo)[22-24]。在區(qū)域尺度條件下采用作物產(chǎn)量評價土壤肥力難以操作，采用單一土壤養(yǎng)分指標(biāo)難以反映出土壤的綜合肥力。對多種土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行綜合評價時要處理大量的指標(biāo)數(shù)據(jù)，需借助數(shù)學(xué)方法從多因素角度對土壤肥力進(jìn)行綜合評價[25]。本研究基于模糊數(shù)學(xué)方法對蘇北地區(qū)設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)的土壤肥力狀況進(jìn)行了總體評價。參照文獻(xiàn)[11]，將土壤的綜合肥力指數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)把研究區(qū)土壤分為5個等級。即優(yōu)（>0.80），良（0. 61-0.80），中等（0. 41-0. 60），差（0.21-0. 40），很差（≤0.20）。結(jié)果表明蘇北地區(qū)的土壤綜合肥力指數(shù)平均值為0.5，即土壤肥力屬于中等，然而有25. 2%的土壤綜合肥力指數(shù)低于0.4，即土壤綜合肥力差。各指標(biāo)隸屬度結(jié)果可表明蘇北地區(qū)土壤肥力的主要限制因子為土壤速效鉀，即土壤速效鉀積累現(xiàn)象普遍。不同地區(qū)的土壤肥力限制因子并不相同，淮安土壤肥力限制因子為土壤pH（土壤堿化現(xiàn)象嚴(yán)重），徐州和連云港土壤肥力限制因子為速效鉀（速效鉀積累過多），鹽城土壤肥力限制因子為土壤有機(jī)質(zhì)（有機(jī)質(zhì)含量低）。據(jù)此，在淮安設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)應(yīng)減少農(nóng)家肥的施用或者以適量的商品有機(jī)肥替代農(nóng)家肥，在徐州和連云港應(yīng)減少鉀肥施用，在鹽城應(yīng)增施有機(jī)肥以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。

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（責(zé)任編輯：陳海霞）