基于熵權(quán)物元模型的土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià):以新疆干旱區(qū)艾比湖流域人工綠洲為例

蔣燁林, 王讓會(huì)①, 彭 擎, 吳曉全, 劉 燕, 李 成

(1.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院, 江蘇 南京 210044； 2.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 江蘇 南京 210044)

基于熵權(quán)物元模型的土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià):以新疆干旱區(qū)艾比湖流域人工綠洲為例

蔣燁林1,2, 王讓會(huì)1,2①, 彭 擎1, 吳曉全1, 劉 燕1, 李 成1

(1.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院, 江蘇 南京 210044； 2.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 江蘇 南京 210044)

調(diào)查新疆艾比湖流域人工綠洲并按不同土地利用類型分層采集土樣，以土壤有機(jī)質(zhì)(OM)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、速效氮(AN)和速效磷(AP)、速效鉀(AK)含量這7項(xiàng)土壤肥力因素為土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立熵權(quán)物元(EWME)模型評(píng)價(jià)人工綠洲15個(gè)不同樣地59個(gè)土樣的土壤養(yǎng)分等級(jí)。結(jié)果表明，人工綠洲土壤養(yǎng)分總體處于極貧乏等級(jí)，TK和AK為土壤肥力優(yōu)勢(shì)因子，OM、TN、TP、AN和AP為限制因子，農(nóng)業(yè)施肥應(yīng)具有針對(duì)性；不同土地利用類型土壤養(yǎng)分狀況不同，耕地養(yǎng)分含量最高，林地次之，這與人工干擾程度有較大關(guān)聯(lián)性；整體而言，不同土層的養(yǎng)分水平變化不明顯。在自然狀況下，深層土養(yǎng)分含量高于表層土。在人為種植利用狀況下，表層土養(yǎng)分含量高于深層土。評(píng)價(jià)結(jié)果符合當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)實(shí)際狀況， EWME模型在人工綠洲土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)中具有較好的適用性。

熵權(quán)物元(EWME)模型； 土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)； 土地利用； 人工綠洲； 艾比湖流域； 干旱區(qū)

過(guò)去半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，全球幾乎所有地區(qū)都經(jīng)歷了升溫過(guò)程，其中北半球中緯度地區(qū)是變暖趨勢(shì)最顯著的區(qū)域[1-2]。中國(guó)西北干旱區(qū)地處中緯度地帶，是全球同緯度最干旱地區(qū)之一。西北干旱區(qū)地形復(fù)雜，山地與盆地相間，沙漠與綠洲共存，特殊的地理環(huán)境和顯著的氣候變化增加了其生態(tài)系統(tǒng)的敏感性與脆弱性[3]。近幾十年，人為擾動(dòng)的加劇使西北干旱區(qū)綠洲擴(kuò)張化和荒漠化過(guò)程變換愈加頻繁[4-5]。綠洲作為干旱區(qū)的核心，以4%～5%的面積集中了90%以上的人口，同時(shí)創(chuàng)造了95%以上的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值[6-7]。人工綠洲是在荒漠或自然綠洲的基礎(chǔ)上，以人工干預(yù)的方式進(jìn)行改造，改變?cè)谢哪貐^(qū)水熱配置不合理或生存環(huán)境嚴(yán)酷等狀況，使之適宜于人類生存和社會(huì)生產(chǎn)[8]。農(nóng)業(yè)發(fā)展是綠洲面積擴(kuò)張和荒漠地區(qū)生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵，是保證干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定的有效途徑，更是干旱區(qū)應(yīng)對(duì)氣候變化的最佳策略。

綠洲農(nóng)業(yè)的發(fā)展與擴(kuò)張，除了最大限制因子水之外，很大程度上還取決于土壤養(yǎng)分供給狀況[9]?？萋淙~、動(dòng)植物殘?bào)w等在土壤酶的作用下，經(jīng)過(guò)淋溶分解，轉(zhuǎn)化為土壤養(yǎng)分和礦物元素，重新被植物根系吸收，實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)化學(xué)元素交換，構(gòu)成生物地球化學(xué)循環(huán)[10]。而干旱區(qū)由于水分虧缺以及次生鹽堿化和荒漠化等問(wèn)題，植被稀疏，導(dǎo)致地球化學(xué)循環(huán)難以維持，土壤中腐殖質(zhì)、有機(jī)碳和礦物元素等累積較少，土壤肥力基本處于較低水平[11]。所以對(duì)干旱區(qū)土壤養(yǎng)分進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)能促進(jìn)其農(nóng)業(yè)上的合理施肥，能提高土地和肥料資源的利用效率，是發(fā)展現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和擴(kuò)張綠洲農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)[12]。

傳統(tǒng)的土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)研究局限于養(yǎng)分等級(jí)和權(quán)重指標(biāo)的人為確定，缺乏普適性，評(píng)價(jià)結(jié)果不能在大尺度應(yīng)用[13]。近年來(lái)，很多數(shù)學(xué)模型方法被改進(jìn)后用于土壤養(yǎng)分研究。魏志遠(yuǎn)等[14]利用灰色關(guān)聯(lián)度法研究海南荔枝園的土壤肥力狀況，定量進(jìn)行果園肥力狀況劃區(qū)；吳玉紅等[15]利用模糊數(shù)學(xué)中的綜合指數(shù)評(píng)價(jià)模型對(duì)陜西楊凌田間土壤進(jìn)行評(píng)價(jià)，并篩選出研究區(qū)土壤的肥力限制因子；周旭等[16]利用改進(jìn)層次分析法和GIS進(jìn)行耕地土壤的空間差異性評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)耕地土壤肥力的可視化表達(dá)；韓磊等[17]對(duì)陜西安塞土壤養(yǎng)分進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，進(jìn)而進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)。這些評(píng)價(jià)方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和適用領(lǐng)域，但至今沒(méi)有量化統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[18]，同時(shí)還忽略了各單項(xiàng)因子評(píng)價(jià)結(jié)果的不相容性以及總體評(píng)價(jià)結(jié)果受單項(xiàng)因子影響的不確定性[19]。物元模型理論的提出為探索不相容問(wèn)題的規(guī)律和方法提供了可能[20]。物元模型已應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[21-22]，基于物元模型的土壤養(yǎng)分研究集中于耕地表層土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)[13,19,23]，很少涉及西北干旱區(qū)人工綠洲這個(gè)特殊的景觀格局，對(duì)于不同土地利用類型的評(píng)價(jià)和土壤分層研究也鮮有報(bào)道。

艾比湖流域地處亞歐大陸腹地,是新疆天山北坡生態(tài)防護(hù)林體系中最重要的集防沙、治塵和濕地保護(hù)于一體的功能區(qū)之一[24]。該流域集綠洲化和荒漠化過(guò)程于一體，反映了水文過(guò)程、地質(zhì)過(guò)程、強(qiáng)對(duì)流過(guò)程和人類活動(dòng)過(guò)程的綜合作用，是表征準(zhǔn)噶爾盆地生境變化的關(guān)鍵區(qū)域[25-26]。筆者以艾比湖流域人工綠洲精河縣為研究區(qū)域，以不同土地利用類型的土壤養(yǎng)分為研究對(duì)象，應(yīng)用熵權(quán)物元(EWME)模型對(duì)不同土地利用類型、不同土壤類型、不同土壤剖面的土壤養(yǎng)分等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期對(duì)當(dāng)?shù)赝寥婪柿υu(píng)級(jí)和農(nóng)業(yè)合理施肥做出一定的指導(dǎo)，為艾比湖流域人工綠洲的穩(wěn)定擴(kuò)張、農(nóng)業(yè)的豐產(chǎn)以及荒漠化的控制和治理提供科學(xué)依據(jù)，在氣候變化背景下，探索出一套適宜于干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分的評(píng)價(jià)方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究選取西北干旱區(qū)艾比湖流域的人工綠洲精河縣(44°02′～45°10′ N，81°46′～83°51′ E)為試驗(yàn)區(qū)。精河縣三面環(huán)山，地處天山北坡綠洲城市群，東北部與準(zhǔn)噶爾盆地相接，形成了自西南向北傾斜、以艾比湖為中心的盆地。土地利用類型復(fù)雜，土壤類型繁多，包含灰棕漠土、灰漠土、潮土、灌淤土、草甸土、沼澤土、鹽土和風(fēng)沙土8種土壤類型。屬于典型北溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，全年光照充足，冬夏兩季冷熱懸殊，常年干燥少雨，多大風(fēng)天氣，是西北地區(qū)沙塵暴的主要源區(qū)。全縣平原地區(qū)年平均氣溫7.2 ℃，而年均降水量?jī)H為90.9 mm。盡管精河縣年降水量不足，但是由于地面湖泊與河流匯聚、地下河流縱橫以及春季天山冰雪融水，擁有著豐富的水資源。精河中部、東北部地區(qū)農(nóng)業(yè)用地集中，水資源豐富，水利設(shè)施齊全。全縣耕地面積361.48 km2，林地面積937.61 km2。

1.2 土壤樣品采集與測(cè)定

為兼顧覆蓋類型和空間分布的代表性，選取位于艾比湖流域西南緣精河縣人工綠洲規(guī)劃區(qū)和生態(tài)修復(fù)區(qū)的典型資源植物種植區(qū)(羅布麻、枸杞、肉蓯蓉、沙地桑、棉花)、人為自然修復(fù)區(qū)(艾比湖公園、沙漠公園等)以及“百萬(wàn)畝沙產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2014—2025年)”中的未利用地等作為樣地，共15塊。于2015年8月，進(jìn)行實(shí)地土壤剖面調(diào)查和采樣。樣地分布如圖1所示，土壤狀況及土地利用類型見(jiàn)表1。由于臨近G312國(guó)道干線，為了避免過(guò)多的人為擾動(dòng)，樣地選取在離公路1 km外。研究區(qū)風(fēng)沙土質(zhì)偏多，土壤類型不穩(wěn)定，土壤狀況復(fù)雜，故不針對(duì)土壤類型進(jìn)行土壤剖面研究。在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)樣點(diǎn)挖取土壤剖面(重復(fù)試驗(yàn))，使用100 cm3環(huán)刀分層(每20 cm為1層)取樣，把5個(gè)土壤剖面對(duì)應(yīng)的每層土樣放置在一起。因7#、8#、9#、10#、11#、12#、13#和14#樣地土層深度不夠1 m(深層出現(xiàn)石礫)，只取3層土樣，共計(jì)得到59個(gè)土樣。同時(shí)用手持式GPS儀對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度進(jìn)行記錄。土樣經(jīng)自然風(fēng)干后，研磨，去除砂粒、石塊和植物殘?bào)w，用0.25 mm孔徑篩進(jìn)行篩選。將處理好土樣分為2份，分別用于化學(xué)測(cè)定和保存?zhèn)溆谩?/p>

有機(jī)質(zhì)(OM)含量采用重鉻酸鉀容重法-外加熱法進(jìn)行測(cè)定；總氮(TN)含量采用最常用的半微量開(kāi)氏法進(jìn)行測(cè)定；總磷(TP)含量采用硫酸-高氯酸消煮法進(jìn)行測(cè)定；總鉀(TK)含量采用氫氧化鈉-火焰光度法進(jìn)行測(cè)定；速效氮(AN)、速效磷(AP)和速

效鉀(AK)含量分別采用堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法和乙酸銨-火焰光度計(jì)法測(cè)定[27]。

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Sketch map of the studied area and distribution of sampling points

表1樣地土壤狀況及土地利用類型

Table1Soilconditionsandland-usetypesofthesampleplots

樣地編號(hào)經(jīng)緯度土壤類型地表覆蓋類型土地利用類型144°34′N，83°19′E鹽土白刺、梭梭、檸條、麻黃、沙拐棗草地244°37′N，83°09′E沼澤土蘆葦、鹽節(jié)木、鹽爪爪水域344°33′N，83°29′E灰漠土白刺、梭梭、檉柳、胡楊未利用土地444°36′N，83°41′E潮土羅布麻、蘆葦草地544°40′N，83°34′E風(fēng)沙土無(wú)植被未利用土地644°37′N，83°12′E灰棕漠土梭梭、沙拐棗、刺沙蓬、鹽生草耕地744°36′N，82°56′E灰漠土枸杞耕地844°33′N，82°56′E灰漠土梭梭林地944°35′N，82°57′E灌淤土楊樹(shù)、榆樹(shù)、沙棗、檉柳林地1044°35′N，82°57′E草甸土沙棗、沙拐棗草地1144°31′N，82°45′E灌淤土沙地桑耕地1244°31′N，82°44′E風(fēng)沙土梭梭、鹽節(jié)木、鹽爪爪未利用土地1344°31′N，82°46′E灌淤土棉花耕地1444°31′N，82°45′E鹽土楊樹(shù)林地1544°33′N，82°38′E灌淤土枸杞耕地

2 研究方法

2.1 權(quán)重計(jì)算

采用熵權(quán)法確定權(quán)重，設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，n個(gè)待評(píng)價(jià)事物，則第k個(gè)指標(biāo)的信息熵為Hk，其權(quán)重為Wk，計(jì)算公式為

(1)

(2)

式(1)～(2)中，rik為第i個(gè)待評(píng)價(jià)事物的第k項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。計(jì)算得到各指標(biāo)權(quán)重如下：OM為0.139，TN為0.107，TP為0.086，TK為0.002，AN為0.062，AP為0.316，AK為0.289。

2.2 物元模型構(gòu)建及關(guān)聯(lián)度計(jì)算

2.2.1構(gòu)建物元模型

基本元由待評(píng)價(jià)目標(biāo)N、目標(biāo)特征c和特征量值v構(gòu)成。假設(shè)N有m個(gè)特征c1，c2，…，cm，其對(duì)應(yīng)的量值為v1，v2，…，vm，則物元R可以表示為

(3)

經(jīng)典域物元Roj和節(jié)域物元Rp可以表示為

(4)

(5)

式(4)～(5)中，Noj為待評(píng)價(jià)目標(biāo)的第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，j=1，2，…，n；ck為第k個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；(aojk，bojk)為對(duì)應(yīng)評(píng)級(jí)等級(jí)j的量值區(qū)間，k=1，2，…，m；P為所有的評(píng)價(jià)等級(jí)；Xpk為P關(guān)于k特征的ck量值區(qū)間，其值為(apk，bpk)。

待判物元Ro的計(jì)算公式可以表示為

(6)

式(6)中，vk為待評(píng)價(jià)各指標(biāo)ck的具體量值。

研究以全國(guó)第二次土壤普查的土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)[28]，建立樣點(diǎn)的經(jīng)典域、節(jié)域和待判物元，其中養(yǎng)分等級(jí)Ⅰ～Ⅵ分別表示養(yǎng)分含量極貧乏、貧乏、適量、較豐富、豐富和極豐富，對(duì)應(yīng)經(jīng)典域Ro中No1、No2、No3、No4、No5、No6，c1～c7分別對(duì)應(yīng)OM、TN、TP、TK、AN、AP、AK這7種土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)指標(biāo)，節(jié)域?yàn)榱恐捣秶形镌獮楦髦笜?biāo)實(shí)測(cè)值。以1#樣地0～20 cm深度土壤為例，建立經(jīng)典域物元、節(jié)域物元和待判物元。該樣點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為：w(OM)=4.468 g·kg-1，w(TN)=0.191 g·kg-1，w(TP)=0.152 g·kg-1，w(TK)=15.360 g·kg-1，w(AN)=34.400 mg·kg-1，w(AP)=2.000 mg·kg-1，w(AK)=69.000 mg·kg-1。經(jīng)典域物元(Ro1、Ro2、Ro3、Ro4、Ro5、Ro6)、節(jié)域物元(RP)、待判物元(Ro)如表2所示。

2.2.2關(guān)聯(lián)度計(jì)算

待評(píng)事物各指標(biāo)關(guān)于各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度表達(dá)式為

(7)

(8)

(9)

Xojk=aojk-bojk。

(10)

式(7)～(10)中，P(vk，Xojk)為點(diǎn)vk與其相對(duì)應(yīng)的經(jīng)典域之間的距離；P(vk，Xpk)為點(diǎn)vk與節(jié)域之間的距離；Kj(vk)為待評(píng)事物各指標(biāo)關(guān)于評(píng)價(jià)等級(jí)j的單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，Kj(vk)∈R。當(dāng)Kj(vk)=max[Kj(vk)]時(shí)，待評(píng)價(jià)事物的第k指標(biāo)屬于等級(jí)j。

表21#樣地0～20cm土壤熵權(quán)物元模型

Table2EWMEmodelforsamplingpointNo.1(0～20cm)

物元c1/(g·kg-1)c2/(g·kg-1)c3/(g·kg-1)c4/(g·kg-1)c5/(mg·kg-1)c6/(mg·kg-1)c7/(mg·kg-1)Ro1(40000，80000)(2000，4000)(2000，4000)(30000，40000)(150000，300000)(40000，80000)(200000，800000)Ro2(30000，40000)(1500，2000)(1500，2000)(20000，30000)(120000，150000)(20000，40000)(150000，20000)Ro3(20000，30000)(1000，1500)(1000，1500)(15000，20000)(90000，120000)(10000，20000)(100000，150000)Ro4(10000，20000)(0750，1000)(0700，1000)(10000，15000)(60000，90000)(5000，10000)(50000，100000)Ro5(6000，10000)(0500，0750)(0400，0700)(5000，10000)(30000，60000)(3000，5000)(30000，50000)Ro6(0000，6000)(0000，0500)(0000，0400)(0000，5000)(0000，30000)(0000，3000)(0000，30000)RP(0000，80000)(0000，4000)(0000，4000)(0000，60000)(0000，300000)(0000，80000)(0000，800000)Ro4468019101521536034400200069000

c1～c7分別對(duì)應(yīng)OM、TN、TP、TK、AN、AP和AK這7種土壤養(yǎng)分指標(biāo)；Ro1～Ro6分別為土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)的Ⅰ～Ⅵ級(jí)分級(jí)依據(jù)；RP為土壤養(yǎng)分劃分區(qū)間；Ro為1#樣地0～20 cm土壤各指標(biāo)值。

綜合關(guān)聯(lián)度的的評(píng)價(jià)等級(jí)Kj(Po)可以表示為

(11)

式(11)中，Wk為熵權(quán)法計(jì)算所得的各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；Kj(P0)為待評(píng)事物和等級(jí)j的綜合關(guān)聯(lián)度。當(dāng)Kj(Po)=max[Kj(Po)]時(shí)，待評(píng)價(jià)事物Po的綜合評(píng)價(jià)等級(jí)屬于j。當(dāng)Kj(Po)<-1時(shí)，說(shuō)明待評(píng)價(jià)事物不符合該等級(jí)要求，Kj(Po)的取值越小，表明它與該等級(jí)的距離越大；當(dāng)-1≤Kj(Po)<0時(shí)，說(shuō)明待評(píng)價(jià)事物未能完全達(dá)到該等級(jí)要求；當(dāng)0≤Kj(Po)時(shí)，說(shuō)明待評(píng)價(jià)事物符合該等級(jí)的要求，同時(shí)Kj(Po)的取值越大，待評(píng)價(jià)事物在對(duì)應(yīng)的等級(jí)中越穩(wěn)定。

以1#樣地0～20 cm土壤為例，將其各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)測(cè)值導(dǎo)入已構(gòu)建的物元模型，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。1#樣地0～20 cm土壤OM、TN、TP和AP含量都處于極貧乏等級(jí)，TK和AK含量相對(duì)適量，AN含量處于貧乏等級(jí)，說(shuō)明1#樣地0～20 cm土壤肥力處于極貧乏。采用同樣的方法得到所有土樣的各單指標(biāo)和綜合關(guān)聯(lián)度以及評(píng)價(jià)等級(jí)。

3 結(jié)果與分析

3.1 綜合土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)

艾比湖流域人工綠洲不同土地利用類型土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。

表31#樣地0～20cm土壤養(yǎng)分等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果

Table3Evaluationofsoilnutrientsinthesoillayer(0～20cm)ofsamplingpointNo.1

關(guān)聯(lián)度No1No2No3No4No5No6等級(jí)Kj(v1)-0889-0851-0777-0553-02550255ⅥKj(v2)-0905-0873-0809-0745-06180382ⅥKj(v3)-0924-0899-0848-0783-06200380ⅥKj(v4)-0488-02320072-0023-0259-0403ⅢKj(v5)-0771-0713-0618-04270147-0113ⅤKj(v6)-0950-0900-0800-0600-03330333ⅥKj(v7)-0655-0540-03100380-0216-0361ⅣKj-0837-0774-0648-0330-03140102Ⅵ

No1～No6分別表示土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)等級(jí)Ⅰ～Ⅵ級(jí)；Kj(v1)～Kj(v7)分別表示1#樣地0～20 cm土壤OM、TN、TP、TK、AN、AP和AK含量的單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度；Kj為1#樣地0～20 cm土壤養(yǎng)分綜合關(guān)聯(lián)度。

表4艾比湖流域各樣地土壤養(yǎng)分等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果

Table4EvaluationandgradingofsoilnutrientsofthesamplingpointsintheEbinurLakeBasin

樣地土層OMTNTPTKANAPAK整體樣地土層OMTNTPTKANAPAK整體1aⅥⅥⅥⅢⅤⅥⅣⅥbⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅥⅥcⅥⅥⅥⅢⅥⅤⅤⅥdⅥⅥⅥⅣⅥⅣⅣⅥeⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅤⅥ2aⅥⅥⅥⅣⅥⅤⅣⅤbⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅣⅥcⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅣⅥdⅥⅥⅥⅣⅤⅥⅣⅥeⅥⅥⅤⅣⅥⅥⅠⅥ3aⅥⅥⅣⅣⅤⅢⅠⅤbⅥⅥⅤⅣⅤⅢⅠⅥcⅤⅤⅤⅣⅤⅣⅠⅣdⅥⅥⅤⅣⅤⅥⅠⅥeⅥⅥⅤⅣⅤⅣⅠⅣ4aⅥⅥⅤⅣⅤⅣⅠⅥbⅥⅥⅤⅣⅥⅤⅠⅥcⅥⅥⅥⅣⅥⅣⅠⅥdⅥⅥⅤⅣⅥⅢⅠⅥeⅥⅥⅤⅣⅥⅣⅠⅥ5aⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅣⅥbⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅣⅥcⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅣⅥdⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅣⅥeⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅣⅥ6aⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅥⅥbⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅥⅥcⅥⅥⅥⅣⅥⅣⅤⅥdⅥⅥⅥⅣⅥⅤⅤⅥeⅥⅥⅥⅣⅥⅤⅤⅤ7aⅥⅥⅥⅣⅤⅤⅡⅥbⅥⅥⅥⅣⅤⅥⅣⅥcⅥⅥⅥⅣⅥⅤⅤⅥ8aⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅤⅥbⅥⅥⅥⅣⅥⅤⅥⅥcⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅥⅥ9aⅥⅥⅥⅣⅥⅤⅢⅥbⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅣⅥcⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅤⅥ10aⅥⅥⅥⅣⅤⅣⅢⅥbⅥⅥⅥⅣⅥⅣⅣⅥcⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅥⅥ11aⅥⅥⅥⅣⅤⅣⅣⅥbⅥⅥⅥⅣⅥⅤⅣⅥcⅥⅥⅥⅣⅥⅣⅤⅥ12aⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅤⅥbⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅥⅥcⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅥⅥ13aⅥⅥⅥⅣⅤⅢⅤⅣbⅥⅥⅥⅣⅥⅡⅣⅥcⅥⅥⅥⅣⅥⅣⅣⅥ14aⅥⅥⅥⅣⅥⅤⅡⅥbⅥⅥⅥⅣⅥⅤⅣⅥcⅥⅥⅥⅣⅥⅥⅠⅥ15aⅣⅤⅤⅣⅣⅡⅠⅠbⅤⅤⅤⅣⅣⅢⅠⅤcⅥⅥⅤⅣⅤⅡⅡⅡdⅥⅥⅤⅣⅤⅣⅠⅥeⅥⅥⅥⅣⅥⅤⅣⅥ

a、b、c、d和e分別表示0～20、>20～40、>40～60、>60～80和>80～100 cm深度土壤。

由表4可知，59個(gè)土樣中，整體土壤養(yǎng)分狀況為Ⅵ級(jí)，即處于極貧乏狀態(tài)的土樣有50個(gè)，占84.75%，處于貧乏狀態(tài)的占6.78%，達(dá)適量水平的僅5.08%，而處于豐富和極豐富水平的分別占1.69%。整體而言，艾比湖流域人工綠洲土壤養(yǎng)分狀況不理想。對(duì)7種土壤養(yǎng)分進(jìn)行單關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)得出，OM、TN、TP、AN和AP含量基本都處于極貧乏狀態(tài)，為主要的限制因子；TK和AK含量大多處于Ⅳ級(jí)及以上水平，為主要優(yōu)勢(shì)因子。

研究區(qū)年降水量極低，自然植被生長(zhǎng)狀況較差，土壤腐殖質(zhì)累積作用很弱，直接導(dǎo)致土壤OM含量匱乏。TN、TP、AN、AP與OM含量密切相關(guān)，尤其是OM和TN之間可以相互轉(zhuǎn)換，有研究表明干旱地區(qū)OM和TN含量之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.05～0.06[29]。因此，艾比湖流域OM、TN、TP、AN和AP含量都處于極貧瘠狀態(tài)，是土壤肥力的限制因子。由于地質(zhì)年代沉積和風(fēng)蝕作用，我國(guó)西北地區(qū)土壤多蒙脫石-蛭石組合，礦石云母含量較高，供鉀能力較強(qiáng)[30]，土壤TK和AK含量相對(duì)較高，所以艾比湖流域TK和AK為土壤肥力優(yōu)勢(shì)因子。研究區(qū)豐富的地下水資源和天山冰雪融水資源滿足了區(qū)域內(nèi)人工綠洲建設(shè)的基本水分需求，因此艾比湖流域的綠洲擴(kuò)張和綠洲農(nóng)業(yè)的發(fā)展更受限于土壤肥力狀況。除了鉀素養(yǎng)分，其他土壤養(yǎng)分嚴(yán)重缺失。

在綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展和擴(kuò)張過(guò)程中，應(yīng)先進(jìn)行整田保墑，施用農(nóng)家肥，亦可就近取材，如秸稈、樹(shù)葉和樹(shù)皮等有機(jī)廢物的施用都可提高土壤有機(jī)質(zhì)水平，農(nóng)田基肥和中后期追肥應(yīng)側(cè)重于氮肥和磷肥的混合施用。應(yīng)針對(duì)性施肥，在能保證生產(chǎn)力的情況下避免施用化肥，以免加劇農(nóng)田土壤的干旱化和鹽堿化程度。同時(shí)農(nóng)業(yè)選種時(shí)應(yīng)選用高品質(zhì)、強(qiáng)耐受性的品種，就艾比湖流域而言，可選擇種植“精杞1號(hào)”和“寧杞7號(hào)”枸杞，推廣種植羅布麻和肉蓯蓉等耐受性強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的作物。

3.2 不同土地利用類型的養(yǎng)分狀況

盡管研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量都處于較貧乏狀態(tài)，但相對(duì)而言，3#、13#和15#樣地的土壤養(yǎng)分狀況優(yōu)于其他樣地，其中3#樣地為未利用地，13#和15#樣地為耕地。15#樣地位于新疆枸杞之鄉(xiāng)托里鄉(xiāng)的枸杞田，在所有樣點(diǎn)中養(yǎng)分狀況最佳。其余12個(gè)樣地盡管總體都處于極貧乏水平，但分析單養(yǎng)分指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，耕地的土壤養(yǎng)分水平相對(duì)較高(6#樣地除外)，林地次之。

耕地受人為影響最大，在農(nóng)業(yè)種植前農(nóng)戶會(huì)進(jìn)行整地保墑，施用底肥改善土壤狀況，之后每個(gè)生長(zhǎng)季都進(jìn)行追肥，故而耕地肥力狀況相對(duì)較好。而耕地中的6#樣地為肉蓯蓉種植基地，對(duì)土壤養(yǎng)分狀況要求較低，人工施肥也相對(duì)較少。艾比湖流域的林地多為人工種植的防風(fēng)固沙林，種植之前需要經(jīng)過(guò)土壤改良來(lái)提高新造林的存活率。研究區(qū)的草地屬于荒漠草地，植被生長(zhǎng)較稀疏，腐殖質(zhì)累積也相對(duì)較少，故而草地養(yǎng)分含量都處于較低水平。未利用地的養(yǎng)分狀況波動(dòng)范圍較大，3#樣地的土壤養(yǎng)分狀況較好，而5#和12#樣地的養(yǎng)分狀況處于極貧乏狀態(tài)，這是因?yàn)槲蠢玫赝寥鲤B(yǎng)分含量由該地歷史背景和自然沉積決定[31]。2#樣地為沼澤蘆葦?shù)?，植物生長(zhǎng)狀況不佳，腐殖質(zhì)累積較少，因此整體肥力水平較低。

干旱區(qū)肥力狀況受人為干擾的影響較大，綠洲擴(kuò)張需要適當(dāng)?shù)娜藶楦蓴_，根據(jù)耕地和林地的養(yǎng)分缺失狀況進(jìn)行合理增肥。綠洲農(nóng)業(yè)擴(kuò)張時(shí)，應(yīng)先了解未利用地土壤養(yǎng)分空間分布狀況，選取自然本底條件較好的區(qū)域發(fā)展農(nóng)業(yè)，這樣可以最大程度上節(jié)約肥料資源，并取得更好的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 不同土層的養(yǎng)分狀況

從垂直尺度上分析艾比湖流域土壤養(yǎng)分狀況發(fā)現(xiàn)，不同土層養(yǎng)分等級(jí)變化不明顯，僅15#樣地土壤養(yǎng)分含量隨土層變深而降低。綜合整體養(yǎng)分和單個(gè)養(yǎng)分因子的評(píng)價(jià)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1#、4#、5#、8#、10#和12#樣地不同土層養(yǎng)分狀況基本保持不變，2#、3#和6#樣地表現(xiàn)為深層土養(yǎng)分含量?jī)?yōu)于淺層土，其余樣地則表現(xiàn)為淺層土養(yǎng)分狀況優(yōu)于深層土。

盡管1#、4#、5#、8#、10#和12#樣地屬于不同土地利用類型，但都是砂質(zhì)土。研究區(qū)處于著名阿拉山口的東南方向，多大風(fēng)天氣，因此風(fēng)蝕作用較強(qiáng)，土壤流動(dòng)性也較強(qiáng)，養(yǎng)分狀況較差且不易累積，同時(shí)人為干擾較少，所以土壤低肥力水平的狀況不隨土層深度變化而變化。2#、3#和6#樣地表層土養(yǎng)分含量低于深層土，這歸因于強(qiáng)大的流水侵蝕和風(fēng)蝕作用。研究區(qū)處于天山北坡，每年春季天山的冰雪融水大量沖刷精河縣中部至東北部平原地區(qū)，甚至?xí)斐珊闈超F(xiàn)象。在洪水沖擊及侵蝕作用下，表層土養(yǎng)分易被淋溶。同時(shí)表層土容易被風(fēng)蝕移動(dòng)，而深層土相對(duì)較為穩(wěn)定。干旱區(qū)植物根系發(fā)達(dá)，深層土內(nèi)枯死植物的根系經(jīng)過(guò)微生物作用能轉(zhuǎn)化為營(yíng)養(yǎng)元素[10]，這也增加了深層土的養(yǎng)分含量。而其余樣點(diǎn)均為耕地或林地，為了保證農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和林業(yè)種植存活率，需要人為添加肥料，使0～20和>20～40 cm耕作層養(yǎng)分含量滿足植被生長(zhǎng)需求，故表層土養(yǎng)分含量高于深層土?？傮w而言，研究區(qū)土壤的養(yǎng)分垂直性分布狀況不明確，自然條件下土壤呈現(xiàn)深層土優(yōu)于表層土的現(xiàn)象，而在人為干擾作用下則相反。

4 結(jié)論

(1)艾比湖流域人工綠洲各土地利用類型土壤養(yǎng)分含量總體較低，絕大多數(shù)土樣養(yǎng)分處于極貧乏等級(jí)。OM、TN、TP、AN和AP為土壤肥力的主要限制因子，TK和AK為主要優(yōu)勢(shì)因子。在綠洲發(fā)展和農(nóng)業(yè)擴(kuò)張時(shí)，應(yīng)盡量選用農(nóng)家肥來(lái)改善土壤肥力狀況，亦可就近取材，使用秸稈、樹(shù)葉和樹(shù)皮等有機(jī)廢物。選用化肥時(shí)應(yīng)具有針對(duì)性，多選用氮磷復(fù)合肥。

(2)不同土地利用類型土壤養(yǎng)分狀況不同，研究區(qū)整體養(yǎng)分狀況較差，人為種植利用使耕地和林地養(yǎng)分狀況優(yōu)于其他土地利用類型。未利用地養(yǎng)分狀況跟其自然本底條件相關(guān)，由于干旱區(qū)獨(dú)特的自然氣候條件，大多數(shù)未利用地處于貧瘠狀態(tài)。

(3)土壤養(yǎng)分垂直分布差異不明顯。自然狀態(tài)下，艾比湖流域土壤養(yǎng)分因流水侵蝕和風(fēng)蝕作用，呈現(xiàn)出表層土養(yǎng)分狀況劣于深層土的現(xiàn)象。人為干擾下，表層土養(yǎng)分狀況因肥料施用而優(yōu)于深層土。人為干擾如綠洲擴(kuò)張和綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)土壤養(yǎng)分有重大影響。

(4)EWME模型不僅能分級(jí)計(jì)算單個(gè)指標(biāo)的土壤養(yǎng)分狀況，還能通過(guò)模型集成獲取多指標(biāo)綜合養(yǎng)分狀況，在地形、地貌、土壤狀況復(fù)雜的艾比湖流域人工綠洲區(qū)域土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)中具有很好的適用性，值得推廣應(yīng)用于其他干旱區(qū)域。

致謝： 感謝新疆林業(yè)科學(xué)院張東亞和郭靖老師為該研究提供的幫助。

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SoilNutrientsEvaluationBasedonEntropyWeightandMatterElement(EWME)Model:ACaseStudyonArtificialOasisintheEbinurLakeBasin,anAridZoneofXinjiang.

JIANGYe-lin1,2,WANGRang-hui1,2,PENGQing1,WUXiao-quan1,LIUYan1,LICheng1

(1.School of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China; 2.Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology， Nanjing 210044， China)

A soil survey was carried out of the artificial oasis in the Ebinur Lake Basin, an arid zone of Xinjiang, and soil samples were collected by soil layer and by land use for analysis of soil organic matter (SOM), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), total potassium (TK), readily available nitrogen (AN), readily available phosphorus (AP) and readily available potassium (AK), the seven major soil quality evaluation indices. An EWME model (entropy weight and matter element model) was established for grading by soil fertility the 59 soil samples collected from 15 sampling lots in the oasis. Results show that the soils in the oasis on the whole could be sorted into the category of “poverty” in soil fertility. TK and AK are two advantageous factors, while all the others are limiting. Agricultural fertilization should be done case-specifically and vary with type of land use and nutrient status of the soil. Farmland soil is the highest in nutrient content, and followed by forest soil, which is significantly associated with the degree of human disturbance.On the whole, the soil does not vary much in nutrient content from layer to layer. Under natural conditions, soil nutrient content in the deep layers is generally higher than that in the surface layer, while under cultivation, the trend is reversed. The findings of the evaluation are in consistence with the actual situation. Apparently, EWME model is very applicable to the evaluation of soil nutrient status of the artificial oasis.

EWME model; soil nutrient evaluation; land-use types; artificial oasis; the Ebinur Lake Basin; arid zone

X825； S158.2

： A

： 1673-4831(2017)09-0852-08

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.09.012

蔣燁林(1993—),男,江蘇江陰人,碩士生,主要研究方向?yàn)橥寥郎鷳B(tài)學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)。E-mail： 18751971210@163.com

(責(zé)任編輯： 許 素)

2016-11-04

中國(guó)清潔發(fā)展機(jī)制基金(2013013)； 國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAD16B0305， 2012BAC23B01)

① 通信作者E-mail： rhwang@nuist.edu.cn