基于GIS的南疆果园土壤肥力评价

赖 宁，陈署晃，付彦博，黄 建，耿庆龙

(1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091；2.新疆农业科学院农业遥感中心，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】土壤是生物、气候、母质、地形、时间等自然因素和人类活动综合作用产物，能够有效协调作物生长发育所需的水、肥、气、热等条件，是农业生产的物质基础[1]。目前，在南疆核桃红枣园存在土壤肥力主控因素不明、施肥不合理，导致树体营养失调、产量不稳定、果品品质下降，土壤养分比例失衡，需要对南疆核桃红枣园土壤肥力状况进行综合评价。土壤肥力是土地生产力的基础，其高低决定了作物的生产潜力[2]，果园土壤肥力的高低直接影响果树生长发育和果实的产量品质，对其土壤肥力的客观评价和合理分析，可揭示土壤养分的空间分布与各区域土壤肥力状况，为其科学精准施肥、防治土壤退化和提升地力等提供科学依据。【前人研究进展】国内外学者主要采用土壤质量动力学法、土壤质量综合评价法、主成分分析和模糊数学等方法进行土壤养分分区和综合肥力评价[3-7]。近年来，运用GIS和相关统计学建立多评价指标体系，已广泛应用于土壤养分空间变异和肥力评价研究。刘茂等[8]以土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、pH、盐分和有效锌作为评价指标，运用特尔斐法和模糊数学对库尔勒市香梨园土壤肥力评价。任艳芳等[9]以土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾为评价指标，采用主成分分析和模糊数学隶属度函数，评价了贵州开阳县茶园土壤肥力质量。李强等[10]选取pH、有机质、碱解氮、全氮、有效磷、速效钾、有效锌、有效钼等为评价指标，采用模糊数学对云南曲靖烟区土壤肥力适宜性评价。徐泽等[11]选用pH、有机质、全氮、有效磷、交换性镁、有效锰和有效硼等为评价因子，应用模糊数学评价了重庆市永川区典型茶园土壤肥力。赵蛟等[12]选取全氮、碱解氮、有机质、有效磷、速效钾等9个土壤肥力指标，利用模糊数学评价了建瓯市毛竹林土壤肥力。【本研究切入点】国内外学者在进行研究时多是选取土壤肥力的养分指标，以土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有效锌等为评价指标，运用主成分分析、模糊数学隶属函数模型等方法，评价土壤肥力状况，选择土壤物理性状，土壤生物指标等因子开展综合评价相对较少。针对新疆干旱区绿洲核桃红枣园土壤养分分区肥力评价研究未见报道。基于GIS研究新疆温宿县核桃和红枣果园土壤肥力水平。【拟解决的关键问题】以温宿县核桃红枣园土壤为研究对象，选取影响土壤肥力因素的化学因素、物理因素指标，即土壤盐分含量、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有效铁、有效锰、有效铜、有效锌、有效硼、土壤质地和质地构型作为评价指标，综合用于层次分析法、特尔斐法、模糊数学评价温宿县核桃红枣园土壤肥力，为南疆果园肥力评价、核桃红枣合理科学施肥、果园地力提升和林果提质增效提供技术支持。

图1 研究区采样点示意
Fig. 1 Sampling sites of the study area

1 材料与方法

1.1 材 料

新疆阿克苏地区，温宿县位于天山中段的托木尔蜂南麓，塔里木盆地北部边缘，地理位置79°28′～81°30′E，40°52′～42°15′N。气候特征表现为热量充足，日照长，降水稀少，蒸发强烈。年均气温10.1℃，≥0℃积温4 096.5℃，≥10℃积温3 676.2℃，无霜期185 d，年平均降水量65.4 mm，属于典型温带大陆性荒漠气候。图1

在2015年10月，对新疆温宿县7.45×104hm2核桃红枣园进行野外调查取样。综合土壤肥力、类型、质地，以温宿县耕地质量评价数据为基础，采用了地统计学方法，建立了半方差函数模型，分析其土壤性质空间变异特征，确定温宿县核桃红枣园土壤合理取样间隔和样点空间布局。半方差函数模型[13]如下：

其中Z(x)是空间区域内x位置上某土壤特性的观测值。h为样本的位置间距矢量。r(h)是点与点之间距离h的半方差。

采用Cochran法[14]确定取样数量，其计算公式为：

n=(t×Std)2/d2.

n为需要的取样数量，t为与显著性水平(95%)相对应的标准正态偏差，Std为样本标准差，d=样本平均值×相对误差(%)。

综合土壤理化性质及养分空间变异特征布设合理采样点1 465个。有研究表明果园土壤养分水平方向变异性表现为150 cm<100 cm<200 cm<50 cm，垂直方向表现为40～60 cm<20～40 cm<0～20 cm[15,16]；为了避免因采样带来的数据误差，采用以果树为中心，采用"米"字形，以150 cm为半径采样，取样深度0～60 cm，采用四分法取约0.50 kg土样带回实验室。经过风干、研磨、过筛、混匀、装瓶后备测试分析。图1，表 1

表1 土壤养分分级标准
Table 1 Classification standards of soil nutrient status

养分名称Nutrient name分级标准Classi cation standard丰Abundant平Avg缺Lack123456有机质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碱解氮Hydrolysable N(mg/kg)>150120～15090～12060～9030～60<=30速效磷Available P(mg/kg)>4020～4010～205～103～5<=3速效钾Fast-acting K(mg/kg)>200150～200100～15050～10030～50<=30有效锌Available Zn(mg/kg)>21～2<1有效锰Available Mn(mg/kg)>107～10<7有效硼Available B(mg/kg)>1.00.5～1.0<0.5有效铜Available Cu(mg/kg)>1.00.2～1.0<0.2有效铁Available Fe(mg/kg)>10.05～10<5

1.2 方 法

1.2.1 评价指标选取与测定

评价指标的选取是保证评价准确和精确的关键环节。根据研究区土壤类型和果树的生理特征，遵循重要性、易获取性、差异性、稳定性等原则，参考《耕地质量等级》(GB/T 33469-2016》，确定以果园土壤盐分含量、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有效铁、有效锰、有效铜、有效锌、有效硼、土壤质地和质地构型作为评价指标。

评价指标采用常规分析方法测定[17]，土壤有机质(OM)采用重铬酸钾外加热氧化法测定，全氮(TN)采用凯氏蒸馏法测定；碱解氮(AN)采用碱解扩散法测定；速效磷(AP)采用NaHCO3浸提钼锑抗比色法测定，速效钾(AK)采用1 mol/L NH4Ac浸提火焰光度法测定；有效Cu、Fe、Zn、Mn采用DTPA浸提，原子吸收分光光度法测定；有效B用沸水浸提，采取甲亚胺比色法测定。参照《全国第二次土壤普查养分分级标准》[18]，对研究区土壤化学性质状况进行分析与评价。土壤质地和质地构型通过土壤采样、挖取土壤剖面观察和参考《新疆土壤》[19]判定。表1

1.2.2 评价指标隶属函数与权重的确定

运用层次分析法，根据指标的农学意义并咨询专家，将研究区13个评价指标按照相互之间的隶属关系构造层次结构，第一层为目标层，即果园土壤肥力；第二层为准则层，即为相对共性因素，包括土壤养分、土壤环境；第三层为指标层，即各准则层对应的评价指标，如土壤有机质、全氮、有效铁、盐分含量和土壤质地等。表2

表2 土壤盐分含量评价等级标准
Table 2 Classification standards of soil salinity status

盐分含量Soil salinity status(g/kg)非盐渍化Non-salinization轻盐化盐渍化Light salinization中盐化盐渍化Medium salinization重盐化盐渍化Severe salinization盐土solonchak< 2.52.5～6.06.0～12.012.0～20.020.0

采用模糊数学隶属函数模型，根据作物效应曲线将选定的13个评价指标标准化转变成范围为0.1～1.0的无量纲值，其值的大小反映了其隶属程度，最大值1.0，表示果园土壤肥力最为良好的状态，最小值0.1，表示土壤肥力的严重缺乏或各肥力因子间不协调。列出评价指标的隶属度函数类型及阈值。表3

表3 各评价指标的隶属度函数类型及阈值
Table 3 Membership function type and threshold of each evaluation index

评价指标Evaluation index隶属函数类型Membership function type下限Lower limit上限Upper limit有机质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碱解氮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速效钾Fast-acting K(mg/kg)戒上型 Upper limit type30200有效锌Available Zn(mg/kg)戒上型 Upper limit type1.002.00有效锰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有效铜Available Cu(mg/kg)戒上型 Upper limit type0.201.00有效铁Available Fe(mg/kg)戒上型 Upper limit type5.0010.00盐分含量Soil salinity status(g/kg)戒下型 Lower limit type12.002.50土壤质地 Soil Texture概念型 Conceptual type--质地构型Texture form概念型 Conceptual type--

采用特尔斐法，咨询相关专家，建立判别矩阵，确定目标层特征向量Bi，采用相关系数法，分析指标层各指标间的相关系数，构建相关系数矩阵，确定各指标的特征向量Ci。各评价指标的权重为目标层特征向量Bi与指标层特征向量Ci的乘积，各指标的权重。图2，表4

1.2.3 综合评价指数的计算

采用域法识别特异值，即平均值±3 倍标准差去除异常值，在此区间外的数据定位特异值，然后分别用正常最大值或最小值代替特异值。利用 SPSS20.0软件对样品数据进行描述性分析，并对数据进行K-S(Kolmogorov-Smimov)检验。采用地统计学软件 GS+ 9.0 对数据进行半方差函数的计算和理论模型拟合。利用Arc GIS10.2GIS软件，采用国家大地坐标系CGCS2000，完成地图矢量化、空间分析，属性提取等数据处理工作。采用模糊综合评价法Fuzzy综合评判法进行综合。综合评价指数 IFI(Integrated Fertility Index)公式[4]如下：

式中：n为参评指标数量，fi为第i个指标的隶属度，wi为第i个指标的权重。0

图2 层次模型
Fig.2 Diagram of hierarchical model表4 各评价指标的权重Table 4 Weights of the evaluation indexes

评价指标Evaluation index土壤养分B1Soil nutrients 微量元素B2Microelement土壤环境B3Soil environment0.543 70.206 60.249 7权重Weight有机质Organic matter0.230 7--0.125 4全氮Total N0.196 8--0.107 0碱解氮Hydrolysable N0.192 1--0.104 4速效磷Available P0.189 3--0.102 9速效钾Fast-acting K)0.191 1--0.103 9有效锌Available Zn-0.191 7-0.039 6有效锰Available Mn-0.231 8-0.047 9有效硼Available B-0.191 7-0.039 6有效铜Available Cu-0.192 7-0.039 8有效铁Available Fe-0.192 1-0.039 7盐分含量Soil salinity status--0.334 30.083 5土壤质地--0.321 70.080 3质地构型0.343 90.085 9

1.3 数据处理

为对研究区土壤肥力有整体认识，在 SPSS20.0软件对1 465个采样点样品数据进行描述性分析。

2 结果与分析

2.1 果园土壤肥力指标

研究表明,温宿县核桃和红枣果园土壤有机质含量较低，平均值为9.59 和10.92 g/kg，中等变异；土壤全氮含量偏低，分别有69.37%和60.79%的土壤样品处于“缺”的水平，平均含量分别为0.66和0.70 g/kg，属中等变异；土壤碱解氮含量整体偏低，分别有87.99%和85.90%的土壤样品处于“缺”的水平，平均含量分别为39.50和43.55 mg/kg，属中等变异；土壤有效磷含量中等，分别有55.25%和62.11%的样品处于“平”的水平，平均值分别为18.60和16.40 mg/kg，变异性高，属强变异，这是温宿县10万亩生态园土壤质地为沙土，质地构型为漏沙型，不保水保肥，土壤速效磷含量低所造成的；土壤速效钾含量属于中高水平，分别有61.86%和55.07%的样品处于"平"的水平，有36.34%和44.05%的样品处于"丰"的水平，平均含量分别为140.40和148.72 mg/kg，中等变异；土壤有效铜含量较高，分别有64.56%和88.68%的样品处于"丰"的水平，平均含量分别为1.37和1.67 mg/kg，中等变异；核桃园土壤有效硼含量中等，有50.63%的样品处于"平"水平，平均含量为0.83 mg/kg，红枣园土壤有效硼含量处于中高水平，有52.83%的样品处于"丰"水平，平均含量为1.10 mg/kg，两类果园土壤有效硼变异性均属中等变异；土壤有效锰较低，分别93.67%和86.79%的样品处于"缺"的水平，平均含量分别为4.68和5.21 mg/kg，中等变异；土壤有效锌含量处于中低水平，分别有54.93%和48.00%的样品处于"缺"的水平，平均含量分别为1.46和1.44 mg/kg，中等变异；土壤有效铁含量较高，分别有49.37%和60.38%的样品处于"丰"的水平，平均含量分别为11.25和13.04 mg/kg，中等变异；土壤盐分含量较低，分别有89.19%和88.55%的样品属非盐渍化土壤，平均盐分含量分别为1.38和1.40 g/kg，属中等变异。表5，图3，表6

表5 温宿县果园土壤养分和微量元素含量描述性统计
Table 5 Descriptive statistics of soil nutrients and microelement in orchards in Wensu County

核桃园 Walnut orchards红枣园 Jujube orchards均值Mean标准差SD变异系数CV(%)均值Mean标准差SD变异系数CV(%)有机质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 碱解氮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 速效钾Fast-acting K(mg/kg)140.40 55.40 39.46 148.72 46.87 31.52 有效铜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 有效锰Available Mn(mg/kg)4.68 1.72 36.72 5.52 1.54 27.84 有效锌Available Zn(mg/kg)1.46 1.29 88.22 1.631.44 88.40 有效铁Available Fe(mg/kg)11.25 7.09 62.98 13.04 6.09 46.69

图3 温宿县果园土壤养分丰缺状况
Fig.3 The soil nutrient level status of orchards in Wensu County表6 温宿县果园土壤盐分含量描述性统计Table 6 Descriptive statistics of soil salinity status in orchards in Wensu County

均值Mean标准差SD变异系数CV(%)非盐渍化Non-salinization(%)轻盐化盐渍化Light salinization(%)中盐化盐渍化Medium salinization(%)重盐化盐渍化Severe salinization(%)核桃园Walnut orchards1.38 1.28 92.74 89.19 9.61 0.90 0.30 红枣园Jujube orchards1.40 0.93 66.65 88.55 10.57 0.88 0.00

2.2 果园土壤肥力评价

根据温宿县林业与草原局2015年的调查统计资料，温宿县核定红枣核桃果园面积为74 570.60 hm2，其中核桃园面积为47 357.00 hm2，红枣园面积为27 213.60 hm2。按照《国家耕地质量评价标准》对研究区果园土壤综合肥力指数IFI进行分级，分为高肥力区(>0.66)、中肥力区(0.57～0.66)、低肥力区(0.45～0.57)和极低肥力区(≤0.45)4个等级，计算所调查果园土壤各肥力水平的实体面积。高肥力水平的核桃园面积有3 254.68 hm2，占核桃园总面积的6.87%，这一肥力水平的土壤养分含量高于其他肥力等级的核桃园，障碍因素少；中肥力水平的核桃园面积有21 617.96 hm2，占核桃园总面积的45.65%，土壤有机质、全氮、碱解氮含量处于中低水平，有效磷、速效钾和微量元素处于中高水平，盐分含量低，属非盐渍化和轻度盐渍化；低肥力的核桃园面积有16 847.1 hm2，占核桃园总面积的35.57%，土壤有机质、全氮、碱解氮含量处于低水平，有效磷和速效钾处于中低水平，有效锰含量较低，其他微量元素含量处于中低水平，部分果园土壤存在轻度和中度盐渍化；极低肥力水平的核桃园面积有5 637.26 hm2，占核桃园总面积的11.91%，土壤养分和微量元素含量均处于低水平，部分果园土壤存在轻度、中度和重度盐渍化，土壤贫瘠。核桃园土壤肥力水平总体属中低肥力水平。表7

有764.55 hm2红枣园土壤肥力处于高肥力水平，占红枣园总面积的2.81%，土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有效铜、有效锌、有效锰硼、有效锰和有效铁处于中高水平，土壤盐分含量较低，属非盐渍化土壤；有12 668.69 hm2红枣园土壤处于中等肥力，占红枣总面积的46.55%，土壤有机质、全氮、碱解氮和有效锰含量处于中低水平，有效磷、速效钾、有效铜、有效锌、有效锰和有效铁处于中高水平，土壤盐分含量较低，属非盐渍化土壤；土壤肥力为低肥力的红枣园面积有12 069.98 hm2，占红枣园总面积的44.35%，土壤有机质、全氮、碱解氮、有效锌和有效锰含量处于低水平，有效磷、速效钾、有效铜、有效锰和有效铁处于中低水平，有部分果园土壤存在轻度和中度盐渍化；土壤肥力为极低肥力的红枣园面积有1 710.38 hm2，占红枣园总面积的6.29%，土壤养分和微量元素含量均处于低水平，部分果园土壤存在轻度、中度和重度盐渍化，土壤贫瘠。红枣园土壤肥力总体属中低肥力水平。有机质、氮素、磷素、有效性锰和锌缺乏是影响温宿县核桃和红枣果园土壤肥力水平主要障碍因子。表7,图4

表7 温宿县果园土壤肥力水平评价
Table 7 Evaluation result of soil fertility level of orchards in Wensu County

土壤肥力水平Soil fertility level肥力综合指数(IFI)Integrated fertility index面积Area (hm2)面积比例Area proportion (%)核桃园 Walnut orchards高肥力区High fertility areaIFI>0.663 254.686.87中肥力区Middle fertilizer area0.66≥IFI>0.5721 617.9645.65低肥力区Low fertility area0.57≥IFI>0.4516 847.135.57极低肥力区Very low fertility areaIFI≤0.455 637.2611.91红枣园Jujube orchards高肥力区High fertility areaIFI>0.66764.552.81中肥力区Middle fertilizer area0.66≥IFI>0.5712 668.6946.55低肥力区Low fertility area0.57≥IFI>0.4512 069.9844.35极低肥力区Very low fertility areaIFI≤0.451 710.386.29

图4 温宿县核桃红枣果园土壤肥力分区
Fig. 4 The soil fertility zoning map of walnut garden and jujube orchards in Wensu County

3 讨 论

由于土壤养分的空间变异性，进行区域土壤肥力水平评价时，在平衡采样成本和保证一定准确度的前提下考虑取样的合理样本数和空间布局[20]。综合土壤类型、质地、质地构型、地形地貌，以温宿县耕地质量评价数据为基础，采用了地统计学方法，建立了半方差函数模型，分析其土壤养分空间变异特征，确定温宿县核桃红枣园土壤合理取样间隔和样点空间布局。采用Cochran法确定合理取样数量，参考前人对南疆果园土壤养分空间变异研究成果，采用以果树为中心，采用"米"字形，以150 cm为半径采样，取样深度0～60 cm，布设代表性强的1 465个样点覆盖温宿县所有乡、村及大队。

土壤肥力是土壤的本质属性，是土壤物理、化学、生物等性质的综合反映，是土壤中水、肥、气、热等因素综合协调供应植物生长发育需要的能力[21]，在土壤肥力评级中，所选评价指标应包含土壤养分含量(有机质、全氮、有效磷、速效钾、有效锌等)和所处的物理(质地、质地构型等)、化学(含盐量、pH值)生物(土壤微生物、土壤酶)环境等方面因素[22]。由于土壤微生物和土壤酶的测试分析条件限制和缺少相应分级指标，因此，从指标选取的易获取性和稳定性考虑，该文研究中未考虑土壤生物指标；经测试分析，温宿县核桃红枣园土壤pH值7.51～8.39，属碱性土壤，从指标选择的差异性考虑，该文研究中未考虑pH值。

对温宿县核桃红枣园土壤的13项土壤肥力评价指标的分析研究表明，从整体上来看温宿县核桃和红枣果园土壤有机质含量较低、全氮、碱解氮、有效锌和有效锰含量低，有效磷含量中等，土壤肥力处于中低水平，高肥力果园比例很低。营养元素是果树生长发育和果实形成的重要物质基础[23]，成龄果树树体高大，加之高产优质的需求，其需求的大量矿质营养元素和微量元素大部分需要从土壤中加以补充，如果土壤养分投入不足或失衡都会对土壤肥力水平造成一定影响[24,25]，建议今后在施肥管理中增施有机肥，提升土壤有机质含量，重视氮肥、磷肥的施用，补施微量元素锰肥和锌肥。

4 结 论

4.1 温宿县核桃园和红枣园土壤有机质、全氮、碱解氮、有效锌和有效锰含量低，有效磷和有效硼含量中等，速效钾、土壤有效铜、有效铁含量较高，土壤盐分含量较低，盐渍化程度轻。此外，除土壤有效磷的变异系数为强变异，其余均属于中等变异。

4.2 温宿县核桃红枣园土壤肥力主要集中在中肥力和低水平，其中核桃园土壤中肥力水平的面积有9 961.39 hm2，占核桃园总面积的45.65%，低肥力水平的面积有7 763.01 hm2，占核桃园总面积的35.57%，极低肥力水平的面积有5 637.26 hm2，占核桃园总面积的11.91%；红枣园土壤中等肥力水平的面积为5 615.63 hm2，占红枣总面积的46.55%，低肥力水平的面积为5 350.24 hm2，占红枣园总面积的44.35%，极低肥力的面积为1 710.38 hm2，占红枣园总面积的6.29%。