鄱阳湖区坡耕地土壤肥力质量评价

林圣玉，李 英，张华明，张 龙，张勇奋，袁 芳

(江西省水土保持科学研究院/江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌 330029)

土壤肥力质量是土壤的本质属性，其高低直接影响着农作物的生长、农业生产结构的布局和效益的发挥[1]。科学评价坡耕地表土肥力情况，准确掌握土壤肥力质量，对提高区域农产品产量及品质，保护土地资源和生态环境，促进农业可持续发展具有重要意义。坡耕地是江西省重要的农业生产资源，也是该区域水土流失的主要源地，强烈的水土流失和密集的人类活动共同威胁着坡耕地土壤质量。近年来许多学者对鄱阳湖区的水土流失状况及其对土壤肥力的影响进行了研究[2-4]，但对鄱阳湖区坡耕地土壤质量尤其是表层耕作土壤肥力状况的评价还未见报道。本研究采用模糊数学隶属度函数模型计算土壤肥力综合指数，对鄱阳湖区典型区域坡耕地表土进行肥力质量综合评价，以期为区域坡耕地土地资源的开发利用与管理，以及因地制宜地调整作物布局与合理施肥提供科学依据。

1 研究区概况

2 研究方法

2.1 样品采集与分析

2.1.1 样品采集

根据江西省第二次土地调查数据和鄱阳湖区坡耕地的分布特征，选取具有代表性的高安市、进贤县和湖口县作为研究区。用GPS定位18个采样点，每个点设3个样地，每个样地面积约150 m2，种植作物为花生。采用“S”形5点采样法，采集0～20 cm的表层土，土壤样品经充分混合后用四分法取舍，保留1 kg左右混合土样带回实验室分析。采样时间为2014年4月。

2.1.2 土壤理化性质测定

土壤理化性质的测定采用常规分析方法：土壤机械组成采用吸管法；土壤团聚体含量采用干筛和湿筛法；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法；全氮含量采用半微量凯氏法；全磷含量采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法；全钾含量采用氢氧化钠熔融-火焰光度计法；碱解氮含量采用碱解扩散法；速效磷含量采用0.5 mol/L的碳酸氢钠提取后用钼蓝比色法测定；速效钾含量采用1 mol/L的中性醋酸铵提取后用火焰光度计法测定；pH值以2.5∶1的水土比混合后用pH计测定；土壤阳离子交换量(CEC)采用EDTA-乙酸铵交换法测定。

2.2 土壤肥力分析方法

本研究采用模糊数学中的加权求和方法来计算表土综合肥力指数(IFI)，即采用变异系数法计算各指标权重，采用S型或抛物线型隶属度函数确定土壤肥力指标隶属度，最后加权求和计算各样点土壤肥力综合指数。

2.2.1 土壤肥力质量评价指标及权重确定

(1)评价指标选取。评价指标是指参与评定土壤肥力的一种可度量的或可测定的土壤属性。正确地选择评价指标，是科学揭示土壤肥力的前提，它直接影响土壤肥力综合评价的准确程度。合理的评价指标体系应包括土壤的物理、化学和生物学特性。此外，评价指标体系的确定还应尽量符合综合性、主导性、稳定性、精确性和实用性的原则[5]。由于测定土壤生物学指标所需样品采集保存难度大且没有统一的评价标准，因此本研究选取有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾、CEC、物理性黏粒含量(<0.002 mm)和土壤pH值等10项土壤理化评价指标进行评价。

(2)评价指标权重的确定。各指标对土壤肥力的贡献不尽相同，其贡献率或影响程度可通过肥力指标的权重来表征。由于评价指标的量纲不同，不宜直接比较其差别程度，因此为消除各项评价指标量纲不同的影响，本研究采用变异系数法来衡量各项指标取值的差异程度。变异系数法是直接利用各项指标所包含的信息通过计算得到指标的权重，是一种客观赋权的方法。其计算公式为

(1)

式中：Wi为第i项指标的权重；Vi是第i项指标的变异系数，也称为标准差系数。

2.2.2 指标隶属度计算

由于各项指标对土壤肥力的影响具有连续性和渐变性，对表土肥力质量的贡献并不完全相同，因此需要对各项数据进行归一化处理。隶属度函数通过简洁的数学表达式定量描述了某一指标优劣对作物生长影响的方向和程度[6]。根据各指标对表土肥力质量的影响，本研究选用S型或抛物线型隶属度函数对指标进行标准化处理[7-8]，计算各指标的隶属度值。

在一定范围内，土壤肥力质量随测定值的增加而提高，大于该范围后，土壤肥力达到最高水平且趋于稳定，对这类指标采用S型隶属度函数进行标准化；土壤肥力指标值在一定范围内能够保证土壤肥力质量处于最高水平，而小于或大于该范围时土壤质量下降，此类指标采用抛物线型隶属度函数进行标准化。为了便于计算，将S型和抛物线型隶属度函数转化为相应的折线函数(图1)，其表达式分别为

(a) S型函数 (b)抛物线型函数

S型函数f(x)=

(2)

抛物线型函数f(x)=

(3)

式中：f(x)为某指标隶属度；x为某指标实测值；x1、x2、x3、x4分别为对应折线的转折点取值。

根据实际情况和专家意见，隶属度值介于0.1～1.0之间。最大值为1.0表示表土肥力指标完全满足植物生长；最小值0.1则表示该项指标严重制约土壤肥力质量，不能有效促进作物生长。

依据相关研究成果[9]，结合研究区土壤特点和生产实践经验，为各指标选取适宜的隶属度函数类型及转折点取值(表1)。将各土壤肥力关键指标实测值及临界值带入相应函数表达式，即可得到各土壤肥力指标的隶属度值。

2.2.3 表土肥力综合指标值计算

土壤肥力综合指标能够直观准确地反映土壤肥力信息，常用于土壤肥力定量研究。本研究根据加法法则，在相互交叉的同类指标间采用加法合成求出反映表土肥力的综合性指标值IFI，计算公式为

表1 土壤肥力指标隶属度函数类型及各评价指标转折点取值

IFI=∑WiNi

(4)

式中：IFI为综合肥力指数；Wi为第i种养分指标的权重系数；Ni为第i种养分指标的隶属度值。

3 结果分析

3.1 土壤肥力指标统计分析

采样点土壤肥力指标统计特征见表2。受自然因素和人类活动的影响，各采样点土壤理化特性存在较大差异。按照《江西土壤》分级标准[10]，本研究将有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量及CEC、pH值均划分为6个等级，即一级为很高，二级为高，三级为中等，四级为低，五级为很低，六级为极低。从表2可看出，研究区土壤速效磷、速效钾含量为一级，属很高水平；全氮含量三级，属中等水平；有机质、全钾、碱解氮含量和CEC为四级，属低水平；全磷含量为五级，属很低水平。

从指标测定值平均水平来看，坡耕地土壤黏粒含量为18.47%，土壤质地为壤土，最适合作物生长和土壤水分运动；pH值较低，普遍呈强酸性和酸性；土壤有机质和全氮、全磷、全钾含量属中低及以下水平，速效磷、速效钾含量较为丰富，表明土壤供应养分潜在能力弱，土壤肥力潜力有限；表土阳离子交换量较低，表明土壤保持养分能力和酸性缓冲能力很弱。从变异系数来看，速效磷的变异系数最大，速效钾、黏粒含量和有机质的变异系数较大。这可能是由于土壤养分更易受耕作、土地管理强度等人类活动的影响。

表2 土壤肥力指标统计特征及等级

权重可以定量表征关键指标对土壤质量的贡献程度[11]。根据各肥力指标的变异系数，采用公式(1)计算得到表土各肥力指标的权重，见表3。由表3可看出，10项指标中速效磷、速效钾、黏粒含量、有机质的权重分别为0.16、0.15、0.12、0.11，对土壤肥力的贡献较大，因此可将速效磷、速效钾、黏粒含量、有机质这4项指标作为反映该区域坡耕地土壤质量的关键指标。

表3 各肥力指标权重

3.2 单因素土壤肥力分析

单因素土壤肥力分析是明确区域肥力质量限制因素的重要途径，是综合分析研究区土壤肥力质量的基础。从各指标隶属度计算结果(表4)可看出：CEC隶属度值最低，黏粒含量和pH值次之，表明CEC、黏粒含量和pH值是区域坡耕地土壤肥力的主要限制因素；全磷、有机质的隶属度值为0.46、0.56，处于中间状态；碱解氮和速效磷隶属度值较高，对土壤肥力的作用较大。受土壤特性和施肥影响，速效肥料有不同程度的积累，有机肥在提高土地生产力和土壤肥力方面起着主导作用，而研究区坡耕地表土有机质普遍含量低，因此，应根据种植的作物需要，通过增施有机肥来提高作物产量，改善农作物的生态环境，以保障坡耕地表土资源可持续利用。

表4 表土肥力指标的隶属度均值

3.3 土壤肥力综合分析

结合各肥力指标隶属度及权重，采用综合指数模型计算得到采样点的土壤肥力综合指数(IFI)。从计算结果(表5)可看出：研究区土壤肥力综合指数IFI为0.54±0.06，变异系数为11.10%，变幅为0.43～0.64，属中等强度变异。

采用章海波等[12]对土壤肥力质量指数的分类法进行分类， 即：Ⅰ级IFI≥0.8为土壤肥力质量好，Ⅱ级0.6≤IFI<0.8为较好，Ⅲ级0.4≤IFI<0.6为中等，Ⅳ级0.2≤IFI<0.4为较差，Ⅴ级IFI<0.2为差。研究区土壤肥力综合指数等级分属Ⅱ级、Ⅲ级的采样点数量分别为5和13个，分别占采样点总数的27.8%、72.2%，因此研究区大部分采样点土壤肥力处于中等水平。

表5 土壤肥力综合评价结果

4 结 论

(1)各指标对土壤肥力的贡献不尽相同，从权重分析可以看出，速效磷、速效钾、黏粒含量、有机质的权重分别为0.16、0.15、0.12、0.11，对土壤肥力的贡献较大，因此可将速效磷、速效钾、黏粒含量、有机质这4项指标作为反映区域坡耕地土壤质量的关键指标。

(2)碱解氮和速效磷隶属度值较高，分别为0.97、0.93，全磷、有机质的隶属度值为0.46、0.56，处于中间状态，CEC、黏粒含量及pH值隶属度值较低，表明CEC、黏粒含量及pH值是该区域坡耕地土壤肥力的主要限制因素。

(3)应用模糊数学隶属度函数模型，计算评价了研究区表土肥力综合指数，结果显示，研究区坡耕地表土综合肥力指数大多在0.43～0.64之间，平均为0.54左右，表土肥力总体属中等。研究区坡耕地土壤具有较好的结构状况，速效磷、速效钾含量较为丰富，但有机物质缺乏，全氮、全磷、全钾含量处中低及以下水平，土壤供应养分潜在能力弱，可根据种植的作物需要，通过增施有机肥来提高作物产量，改善农作物的生长环境，保障坡耕地表土资源可持续利用。