模糊综合评价法判断重庆花椒种植区土壤肥力水平*

赵敬坤，陈松柏，李忠意，王洋，张涛，王帅

(1. 重庆市农业技术推广总站，重庆市，401121； 2. 西南大学资源环境学院，重庆市，400715；3. 重庆市江津区农业技术推广中心，重庆市，402260； 4. 重庆市农业科学院，重庆市，401329)

0 引言

花椒(Zanthoxylumbungeanum)是芸香科花椒属落叶小乔木或灌木，是我国特有的食用香辛料树种，具有独特的食用和药用价值，在我国已有两千多年的栽培历史。花椒树耐旱、喜光、根浅，适应性强，是我国极力推广的一种生态经济型树种，在促进山区经济发展和产业扶贫中具有重要作用。花椒广泛种植于四川、重庆、甘肃、陕西等省市，其中以四川、重庆的花椒最为著名[1-2]。据林业统计资料，2015年全国干花椒总产量398 kt，重庆干花椒产量47 kt，占全国干花椒总产量的11.8%，是全国第四大花椒生产区[3]。

近年来，随着花椒产业不断发展，花椒种植区土壤的肥力水平状况得到越来越多的关注[4-6]。王璐等[7]采用主成分分析法对贵州喀斯特石漠化地区的顶坛花椒土壤养分质量进行评价。喻阳华等[8]还对贵州喀斯特山区花椒林石槽、土面、石沟、石缝和石坑5种小环境的土壤质量特征进行评价，得到肥力水平较高的土面、石槽和石缝土壤可加以改造利用，肥力水平较低的石洞、石沟土壤应以自然恢复为主。谢毓芬等[9]对陕西花椒主产区椒园土壤养分状况的调查研究发现花椒园土壤大部分存在低氮低磷高钾现象。而陕西省渭北旱塬花椒园的土壤大多存在低有机质低氮高磷高钾低的现象[10]。杨林生等[3]对重庆江津区的九叶青花椒施肥现状进行了评价，发现施肥过量和不足问题同时存在。杨仕曦等[11]对重庆九龙坡区的土壤肥力进行了评价，认为该区域花椒种植区土壤养分失衡较为严重。可见，以往对于花椒种植区土壤肥力水平的研究存在尺度较小，评价指标单一的问题，尚缺乏对较大规模的花椒种植区施肥和土壤肥力的综合评价研究。

本文以重庆花椒种植区土壤为研究对象，选取容重、pH值、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、有效铜、有效锌、有效铁、有效锰、有效硼、有效钼、有效硫共13项评价指标，采用模糊综合评价法对不同花椒种植区土壤质量进行比较，并对各评价指标进行空间变异特征分析，揭示土壤质量状况和变化规律，旨在为该区土壤质量提升提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 土样采集与分析

2019年在重庆的花椒主要种植区县采集花椒地土壤样品45个。采样地分布在江津区、九龙坡区、铜梁区、永川区、綦江区、梁平区、垫江县、石柱县、丰都县和忠县共十个区县。土壤类型除1个黄壤和2个石灰(岩)土外，其余均为紫色土。按梅花型布点法进行采样，每个样品的采集布置5～8个采样点，每个采样点选择在花椒滴水线下内外30 cm处，采样时先刮去 5 mm 左右厚度的表层土，以防止杂草对检测结果干扰。用采样铲采集0～30 cm的表层土壤，然后把采到的土样摊放在塑料布上，捏碎大块，剔除石砾、动植物残体等混杂物，充分拌匀后用“四分法”缩减至剩1 kg左右；最后将土壤样品在室内风干，磨碎后过2.00 mm，1.00 mm和0.25 mm的尼龙筛备用。采用环刀法测定容重，采集方法为每个样品选3个样点，各取100 cm3的环刀样品，该土壤的容重为3个环刀土样容重的平均值。

土壤样品的化学性质采用常规分析方法测定[12]。土壤pH值采用电位法测定(土水比1∶2.5)；有机质采样重铬酸钾容量法—外加热法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用NaHCO3提取—钼锑抗比色法测定；速效钾的测定采用NH4Ac提取—火焰光度法；有效铁、锰、铜、锌的测定采用DTPA(二乙三胺五乙酸)提取—原子吸收分光光度法(Z-5000)；有效硼的测定采用沸水提取—姜黄素比色法；有效钼的测定采用草酸/草酸铵浸提—等离子体发射光谱法(Optima 8000)；有效磷的测定采用纯水提取—BaSO4比浊法。

1.2 模糊综合评价方法

模糊综合评价法是以模糊数学为基础，利用隶属度理论和权重矩阵对相互制约的多因素进行总体量化评价，本文利用该方法衡量重庆市花椒地各样点多因子影响土壤肥力水平高低，能够系统、科学地横向量化比较。

1.2.1 构建综合评价指标体系

模糊综合评价法的基础是建立评价指标体系，其选取是否合理直接影响综合评价的准确性。根据花椒生长所需关键养分和参照赵蛟等[13]土壤质量评价方法，本文以45个土壤样品为评价单元，选取容重、pH值、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、有效铜、有效锌、有效铁、有效锰、有效硼、有效钼、有效硫建立因素评价集，共11个化学指标和2个物理指标。

1.2.2 计算各评价指标隶属度值

建立因素评价集之后，需对每个评价因素选取隶属函数，进而确定隶属度值，主要目的是将各因素值标准化处理，使其无量纲化。本文中具体指各肥力因素与土壤质量之间的函数关系，隶属度值越接近于1，表示某评价单元中该肥力指标值对构成土壤质量程度越高。

1.2.3 计算各评价指标权重系数

权重是因素评价集中各因素对土壤质量的贡献程度。本文利用相关系数法确定权重值，首先计算某指标与其他指标之间的相关系数，并对相关系数绝对值求平均值，单项指标相关系数平均值占所有指标相关系数平均值总和的比例，即为单项指标在综合指标中的权重，所有指标权重之和等于1。

1.2.4 计算综合评价值

通过模糊数学中的加权乘法原理，计算综合评价值。本文中土壤肥力综合指数计算公式如式(1)所示。

(1)

式中：FII——土壤肥力综合指数；

wi——第i项指标的权重；

qi(x)——第i项指标隶属度值；

n——指标数量。

1.3 数据处理

采用Excel 2019对数据进行整理和绘图，采用SPSS 22.0对数据进行统计分析和相关性分析，利用ArcGIS中的Geostatistical Anaylst工具进行半变异差函数分析和模型拟合。

2 结果与分析

2.1 土壤养分含量描述性统计分析

各土壤养分指标测定结果的统计特征分析如表1所示。土壤容重和pH值的含量范围分别为0.95～1.62 g/cm3和4.5～8.7，可见花椒地土壤紧实程度和土壤酸碱度的变化幅度较大。土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的总体含量一般，但个别土壤的含量极低，另有部分土壤的有效磷含量极高，土壤有效磷最高值为162 mg/kg。供试花椒地土壤的有效微量元素含量分别为1.00±0.80 mg/kg(有效铜)、1.99±1.64 mg/kg(有效锌)、50.4±50.4 mg/kg(有效铁)、24.0±25.6 mg/kg(有效锰)、0.27±0.24 mg/kg(有效硼)、0.193±0.184 mg/kg(有效钼)、40.9±27.5 mg/kg(有效硫)，所有的土壤有效微量元素含量的变异系数均较大，均在67%以上，说明重庆地区花椒种植地土壤的有效微量元素含量的空间分布很不均衡，不同地区或类型土壤的肥力水平差异较大。

表1 土壤肥力指标测定结果统计分析Tab. 1 Statistical analysis of soil fertility indicators

2.2 土壤养分指标空间变异特征分析

利用ArcGIS软件，对重庆市花椒地采样点进行土壤养分插值，并利用Geostatistical Anaylst工具对各养分指标进行半变异函数拟合，并通过均方误差(MSE)和均方根误差(RMSE)分析拟合模型的优度，MES越接近于0、RMSE越近于1，则拟合优度越高。由表2所得，容重、pH、有效铁、有效硼均符合球状模型，有机质、碱解氮、有效锰、有效钼、有效硫均符合指数模型，有效磷、有效铜符合高斯模型，速效钾、有效锌符合线性模型。通过预测误差发现，有效硼的MSE、RMSE其值分别为0.207、1.457，说明其拟合优度较低，其余理论模型均能较好地反映各养分指标的空间结构特征。容重、pH、有机质、碱解氮、速效钾、有效铜、有效锌、有效锰、有效钼的块金值和基台值比值C0/C均小于0.5，说明具有较高的空间相关性，其空间变异主要受结构性因素影响，而有效磷、有效铁、有效硼、有效硫的C0/C分别为0.58、0.54、0.81、0.52，说明其空间相关性较弱，空间变异主要受随机性因素影响。

表2 土壤养分指标半变异模型及其参数Tab. 2 Semi-variation model of soil nutrient index and its parameters

2.3 隶属度值计算

不同肥力指标对作物生长的影响情况不同，根据肥力指标对作物生长的影响情况可分别采用抛物线型和S型函数计算各养分指标的隶属度值[14]。由于土壤容重和pH值过高或过低均不利于作物生长，而其余肥力指标通常是含量越高越有益于作物生长。因此，本研究选用的13种肥力指标中，土壤容重和pH值采用抛物线型函数计算隶属度值，抛物线型函数的计算公式为式(2)，式中土壤容重在抛物线函数中转折点取值为：x1=1.0，x2=1.1，x3=1.4，x4=1.6；土壤pH值在抛物线函数中转折点取值为：x1=4.5，x2=6.5，x3=7.5，x4=8.5[15]。

(2)

式中：Nik——第k项指标隶属度值；

xjk——第k项指标实测值；

x1、x2、x3、x4——对应折线的转折点取值。

有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、有效铁、有效锰、有效铜、有效锌、有效硼、有效硫、有效钼采用S型函数计算隶属度值。S型函数的计算公式如式(3)所示。

(3)

各肥力指标在S型函数中转折点的取值如表3所示[16]。根据建立的式(1)和式(2)隶属度函数计算得到各土壤样品中每种肥力指标的隶属度值。

表3 S型隶属度函数曲线转折点的取值Tab. 3 Value of the turning points of curve in the S-type function

由于隶属度值的计算是基于土壤肥力因子和作物产量和品质间的相互关系建立的，因此隶属度值的意义在于可以反映出单个肥力因子的含量水平，从而进一步对土壤肥力进行总体评价。本研究中对45个样品的单项肥力指标的隶属度值求平均值，从而获得的不同肥力指标的隶属度值如图1所示。

图1 计算得到的不同肥力指标的隶属度值Fig. 1 Calculated membership values ofdifferent fertility indicators

图1中，重庆花椒种植地土壤的有效锌和有效铁的隶属度值为0.89±0.26和0.91±0.24，隶属度均值在各肥力指标中最高，所以花椒种植地土壤的有效锌和有效铁含量较为丰富。土壤有效硼的隶属度值最低，为0.15±0.18，不足有效锌和有效铁隶属度值的1/5，供试土样中只有一个土样的有效硼含量达到 1.0 mg/kg 的丰富水平，所以重庆花椒种植区土壤硼的有效性较低，这也许会对产区内的花椒产量产生负作用。除有效硼含量外，花椒种植区土壤有机质的隶属度值也较低，为0.34±0.23，可能受重施化肥轻施有机肥的影响。调查表明重庆市花椒种植地氮磷钾养分平均施用量分别为350.7 kg/hm2、220.3 kg/hm2和288.2 kg/hm2，而有机肥投入的氮磷钾养分量分别仅占其总养分投入量的2.64%、1.75%和2.22%，有机肥的投入占比较低[3]。

2.4 单项指标权重系数确定

在确定好每种养分的隶属度后，还需进一步确定每种养分对土壤整体肥力的贡献程度，既每个养分指标的权重系数。本研究中采用相关系数法确定每个养分指标的权重系数，该方法可避免人为主观因素对权重系数的影响。该方法确定权重系数大小的步骤为：首先采用SPSS软件获得不同肥力指标间的相关系数(表4)，然后计算得到某一肥力指标与其余肥力指标间相关系数绝对值之和的平均值，该平均值占所有肥力指标相关系数平均值总和的百分比即为该项肥力指标的权重系数(表5)。

表4中，土壤pH值与有效铁和有效锰间呈极显著的负相关性，这可能是由于土壤pH值越低，土壤中铁锰氧化物的溶解度越高，土壤中铁锰的有效性增加。土壤有机质与碱解氮间的相关性系数为0.705，呈极显著的正相关性，这是由于土壤中的氮素绝大部分以有机态存在，所以土壤碳氮间的相关性极为密切。此外，受复合肥施用等因素的影响，土壤氮磷钾三元素之间的相关性均达到了显著性水平。进一步通过相关系数计算得到的土壤各肥力指标的权重系数如表5所示，pH值和碱解氮的相关系数绝对值的平均值最大，二者的权重系数也最大，分别为0.095 9和0.134 4。作为土壤物理指标的容重与其他化学指标间的相关性最差，其权重系数最低，为0.051 5。

表4 土壤肥力指标间的相关系数矩阵Tab. 4 Correlation coefficients among soil properties

表5 各土壤肥力指标的相关系数平均值和权重系数Tab. 5 Average value of the correlation coefficient and theweight coefficient of each soil property

2.5 土壤肥力等级综合评价

确定每个土壤各肥力指标的隶属度值和各肥力指标的权重系数后，采用累加法可获得每个土样的土壤肥力综合指数，然后根据土壤肥力综合指数对土壤肥力进行判断。本研究中获得的重庆花椒种植区土壤的综合肥力指数如图2所示。土壤肥力综合指数的变化范围为0.22～0.84，土壤肥力综合指数越大，土壤肥力水平越高。按土壤肥力综合指数大小可对土壤肥力状况进行分级，分别为高(>0.8)、较高(0.6～0.8)、中(0.4～0.6)、较低(0.2～0.4)和低(<0.2)[16]。按此分级方法，供试的45个花椒种植地土样仅1个土样的肥力水平为高；肥力水平较高的有18个；肥力水平中等的占比51.1%，达23个；另有3个土样的肥力水平为较低水平，占6.7%；无低肥力水平的土样。因此，按照模糊综合评价法，重庆花椒种植区土壤的肥力水平整体处于中等偏上水平。

图2 各土壤样品的肥力综合指数Fig. 2 Comprehensive index of each soil based onfuzzy synthetic evaluation

2.6 土壤肥力综合指数空间变异特征分析

由表6可以看出，重庆市花椒地土壤肥力综合指数符合球状模型，MSE和RMSE分别为-0.018、1.071，说明该理论模型能够极好地反映重庆花椒地土壤肥力综合指数空间结构特征。块金值和基台值的比值为0.157，由此发现整个区域肥力综合指数在空间表现出较高空间相关性，其空间变异主要受结构性因素影响。

表6 土壤综合肥力指数半变异模型及其参数Tab. 6 Semi-variation model of soil comprehensive fertility index and its parameters

3 结论

1) 对重庆市45个花椒种植区土壤进行采样，通过测定分析得到不同区域土壤养分含量差异较大，其变异系数为14.8%～171.4%，尤其微量元素均在67%以上，说明受区域影响，花椒种植区肥力水平差异较大。

2) 通过空间变异特征分析，得到容重、pH、有机质、碱解氮、速效钾、有效铜、有效锌、有效锰、有效钼的块金值和基台值比值均小于0.5，说明具有较高的空间相关性，而有效磷、有效铁、有效硼、有效硫的空间相关性较弱，主要受随机性因素影响。

3) 通过隶属度和权重计算分析，得到有效锌和有效铁的隶属度较高，其值分别为0.89、0.91，有效硼和有机质隶属度较低，其值分别为0.15、0.34，说明花椒种植区锌和铁含量较为丰富，而硼和有机质较为缺乏。碱解氮权重为0.134 4，对土壤质量贡献最大，而容重权重最低，其值为0.051 5。

4) 通过模糊综合评价法计算分析，得到花椒种植区土壤肥力综合指数变化范围为0.22～0.84，在空间上服从球状半变异函数。土壤肥力等级水平整体在中等偏上水平，其中，中等肥力水平的占51.1%，中等偏上肥力水平的占42.2%，中等肥力偏下水平的占6.7%。