黃土高原溝壑區(qū)果園土壤質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

黃 婷 王旭東 王彩霞 岳西杰

摘要以長武北部黃土高原溝壑區(qū)為代表,研究了不同果園種植年限下的土壤質(zhì)量現(xiàn)狀,運(yùn)用偏相關(guān)系數(shù)法確定權(quán)重,結(jié)合隸屬度函數(shù)評(píng)價(jià)了該地區(qū)土壤的綜合肥力水平,分析果樹種植中土壤質(zhì)量隨著種植年限的變化趨勢,結(jié)果表明:黃土溝壑區(qū)果園土壤IFI值在0.22~0.70,其中有27%達(dá)到了2級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),64%達(dá)到了3級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),9%達(dá)到了4級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。隨著果樹種植年限的增加,在0~20cm耕層,達(dá)到2級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的比例大小順序是5~15年(44%)>5年以下果園(37.5%)=15年以上果園(37.5%),以5~15年果園的土壤質(zhì)量相對(duì)較好,果園0~20cm土層的土壤質(zhì)量優(yōu)于20~40cm土層的土壤質(zhì)量。

關(guān)鍵詞果園;土壤質(zhì)量現(xiàn)狀;評(píng)價(jià);黃土高原溝壑區(qū)

中圖分類號(hào)S158.2;S155.4+6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào) 1007-5739(2009)21-0212-03

土壤質(zhì)量作為土壤肥力質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量和健康質(zhì)量的綜合量度,是土壤維持生產(chǎn)力、環(huán)境凈化能力以及保障動(dòng)植物健康能力的集中體現(xiàn)。人類干擾在很大程度上影響了土壤質(zhì)量在時(shí)空尺度上變換的方向和程度,由此產(chǎn)生的土壤侵蝕、酸化、養(yǎng)分耗竭、污染和其他自然資源問題已影響了人類的發(fā)展[1]。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)是近十幾年逐步發(fā)展起來的新興交叉學(xué)科,在現(xiàn)行的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法中采用數(shù)學(xué)模型評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的方法較為普遍,包括指數(shù)評(píng)價(jià)法、模糊評(píng)價(jià)法和灰色聚類法等,其中模糊數(shù)學(xué)方法可以通過隸屬度描述土壤質(zhì)量的漸變性和模糊性,使評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠[2]。

長武縣位于陜西省西北黃土高原丘陵溝壑區(qū),屬于渭北與隴東高原結(jié)合部的過渡地帶。海拔高達(dá)1 200m,年均降雨量578.5mm,年均氣溫9.1℃,無霜期171d,屬暖溫帶半濕潤大陸型季風(fēng)氣候,是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤為黃蓋黏黑壚土,土壤養(yǎng)分含量、地貌特征在黃土高原溝壑區(qū)很好的代表性[3]。20世紀(jì)80年代以來,果樹面積逐年增加,長武縣也由傳統(tǒng)的糧食生產(chǎn)基地到目前轉(zhuǎn)化為以水果(蘋果)為主,糧食為次的果糧生產(chǎn)基地。此過程中,土壤質(zhì)量狀況如何演變,尤其是果樹栽培年限不同對(duì)這一種植方式轉(zhuǎn)化過程中土壤質(zhì)量演變的響應(yīng)還不清楚,這關(guān)系到該地區(qū)的農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境變化。為此,筆者在長武縣北部地區(qū)不同樹齡的果園上進(jìn)行了土壤質(zhì)量狀況研究,并采用模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià),為該地區(qū)在果樹種植過程中土壤質(zhì)量的演變研究奠定基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1土壤樣品采集

從長武縣北部的溝壑區(qū)自東到西(涉及芋園鄉(xiāng)、相公鄉(xiāng)、彭公鄉(xiāng)和馬寨鄉(xiāng)等5個(gè)鄉(xiāng))采集不同樹齡的果園土壤表層(0~20cm)和亞表層(20～40cm)共101個(gè)樣品,隨機(jī)布點(diǎn)采樣。

1.2分析方法

土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱氧化法,易氧化有機(jī)質(zhì)采用袁可能改進(jìn)法[4],全氮采用半微量凱氏蒸餾法,速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法,速效鉀采用醋酸銨浸提-原子吸收法,堿解氮采用堿解擴(kuò)散法[5]。其他為常規(guī)方法。

1.3果園土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立及權(quán)重的確定

1.3.1指標(biāo)體系的建立。黃土高原溝壑區(qū)果園土地利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立以長武縣近20年生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的演變過程為依據(jù),在動(dòng)態(tài)監(jiān)測和實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上,遵循土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)選取的基本原則,征求相關(guān)領(lǐng)域多位專家的意見,從土壤養(yǎng)分、環(huán)境因素、微生物3個(gè)方面選取了19個(gè)具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)。該研究評(píng)價(jià)指標(biāo)分為3個(gè)層次,第1層為土壤質(zhì)量的綜合指標(biāo);第2層中包含相互獨(dú)立的4類因素,分別表示土壤養(yǎng)分狀況、土壤的環(huán)境因子、土壤的微量元素、土壤的微生物酶;第3層為相互交叉的單項(xiàng)指標(biāo)(見圖1)。

1.3.2評(píng)價(jià)指標(biāo)值的標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)土壤中各指標(biāo)建立相應(yīng)的隸屬函數(shù)[6-9],計(jì)算其隸屬度值,以此來表示各肥力指標(biāo)的狀態(tài)值。常用的隸屬度函數(shù)有2類,分別是拋物線型隸屬度函數(shù)和S型隸屬度函數(shù)。根據(jù)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與果樹營養(yǎng)的關(guān)系確定各自所屬的隸屬度函數(shù)。

(1)S型(正相關(guān)型)隸屬度函數(shù)。屬于這種類型的評(píng)價(jià)因子,其指標(biāo)越高,表明評(píng)價(jià)對(duì)象質(zhì)量越好,但達(dá)到一定臨界值后,其效用也趨于恒定。其隸屬度函數(shù)表達(dá)式為:

f(x)=1.0,x≥x20.9(x-x1)/(x2-x1)+0.1,x1≤x

式中x1、x2為這種類型質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)在曲線中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。結(jié)合果園土壤中各種養(yǎng)分的實(shí)際含量和專家經(jīng)驗(yàn),在所分析的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)中有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)質(zhì)[8]、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、粘粒、CEC、pH值、微量元素以及微生物酶采用S型隸屬度函數(shù)。

(2)拋物線型隸屬度函數(shù)。屬于這種類型的評(píng)價(jià)因子,其指標(biāo)在一定范圍內(nèi),評(píng)價(jià)對(duì)象的質(zhì)量最好,高于或低于該范圍則變差。根據(jù)長武地區(qū)土壤生產(chǎn)力狀況,參照全國農(nóng)業(yè)地力等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[10]及實(shí)際測定數(shù)據(jù),確定pH值的隸屬度函數(shù)為拋物線型,其函數(shù)表達(dá)式為:

f(x)=1.0,x≤5.5或x≥9.00.9(9-x)/1.5+0.1,7.5≤x<9.01.0,6.5≤x≤7.51.0-0.9(x-5.5)+0.1,5.5

由隸屬函數(shù)計(jì)算出各養(yǎng)分的隸屬度值,其值大小反應(yīng)了土壤養(yǎng)分所處的優(yōu)劣狀態(tài)。隸屬度值最小取0.1;最大值取1.0,隸屬度取值由0.1至1.0升高,表示該項(xiàng)土壤因子所處狀態(tài)越來越好[9]。

1.3.3指標(biāo)權(quán)重的確定。權(quán)重系數(shù)的確定是土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)中的一個(gè)關(guān)鍵問題,為了避免人為主觀因素的影響,筆者采用偏相關(guān)(或凈相關(guān)、純相關(guān))法來確定各因子的權(quán)重。由此得出各項(xiàng)因子指標(biāo)的權(quán)重(Wi)(見表1)。

1.4土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的加乘法原則,土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值(Integrated Fertility Index,IFI)采用下列公式計(jì)算:

IFI=∑Wi×Ni

式中,Wi、Ni分別為第i種評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度值。IFI的大小反映了土壤質(zhì)量的高低,IFI取值在0和1之間,該值越高,表明土壤質(zhì)量越好,IFI值越低表明土壤質(zhì)量越差。結(jié)合長武黃土高原的實(shí)際情況,該研究采用等間距法將值按照1級(jí)土壤(IFI>0.8)、2級(jí)土壤(0.6

2結(jié)果與分析

2.1果園土壤質(zhì)量的總體狀況

從表3可以看出,果園IFI值在0.22~0.70,根據(jù)圖2、表2可以看出,果園土壤中有27%達(dá)到了2級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),64%達(dá)到了3級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),9%達(dá)到了4級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。該地區(qū)果園土壤3級(jí)水平的比例高出2級(jí)水平近37個(gè)百分點(diǎn),因此果園土壤的總體肥力水平一般,土壤質(zhì)量中等。

2.2不同種植年限下果園土壤質(zhì)量現(xiàn)狀

從表3和圖3可以看出,<5年果園耕層土壤IFI值范圍在0.47~0.62,結(jié)合表2的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),<5年的果園(耕層)土壤有37.5%屬于2級(jí)標(biāo)準(zhǔn),62.5%達(dá)到了3級(jí)標(biāo)準(zhǔn),所以<5年的果園(耕層)土壤的綜合肥力一般,土壤質(zhì)量中等稍偏上。

從表3和圖4可以看出,5~15年果園耕層土壤IFI值主要在0.26~0.70,根據(jù)表2的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),5~15年果園耕層有50%的土壤質(zhì)量達(dá)到3級(jí)標(biāo)準(zhǔn),44%的土壤達(dá)到2級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。與<5年果園耕層土壤相比較,5~15年果園耕層達(dá)到2級(jí)土壤質(zhì)量的比例比5年以下果園耕層土壤的高6.5個(gè)百分點(diǎn),但達(dá)到3級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的比例有所降低。從圖5得知,5~15年果園20~40cm下層土壤的IFI值范圍在0.22~0.67,相應(yīng)比上層土壤降低。5~15年果園20~40cm土壤有12%達(dá)到2級(jí)標(biāo)準(zhǔn),76%的土壤達(dá)到3級(jí)標(biāo)準(zhǔn),與5~15年果園耕層相比較,5~15年果園耕層2級(jí)土壤的比例比下層土壤2級(jí)的比例高出32個(gè)百分點(diǎn),然而在3級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)里的比例卻是下層土壤高出上層土壤26個(gè)百分點(diǎn)。

結(jié)合表3可以從圖6看出,>15年果園耕層土壤IFI值在0.44~0.64,變幅小,其中有37.5%的土壤達(dá)到2級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),有62.5%土壤達(dá)到3級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。由圖7可知,>15年果園20~40cm土壤IFI值在0.36~0.61,有12.5%的土壤達(dá)到2級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),62.5%的土壤達(dá)到3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。20~40cm土層的土壤質(zhì)量低于0~20cm,上層達(dá)到2級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的比例比下層土壤高了25個(gè)百分點(diǎn),3級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的比例上下層一樣。

綜上所述,隨著果樹種植年限的增加,在0~20cm耕層,達(dá)到2級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的比例大小順序是5~15年(44%)>5年以下果園(37.5%)=15年以上果園(37.5%),3級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的比例則以5~15年的相對(duì)較少(50%)。其原因是5~15年果園正處于果樹的壯年時(shí)期,即掛果盛期,為了保持和提高產(chǎn)量,該時(shí)期農(nóng)民施肥量很高,土壤養(yǎng)分相對(duì)過剩,從而導(dǎo)致土壤質(zhì)量較高。在20~40cm土層,15年以上果園和5~15年果園相比,達(dá)到2級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的比例相當(dāng)(12%左右),但達(dá)到3級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的有所減少,達(dá)到4級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的增加,說明15年以上果園的下層(20~40cm)土壤的質(zhì)量有所下降。對(duì)于果園,雖然農(nóng)民的施肥深度相對(duì)較深(與農(nóng)田相比)但20~40cm土層的土壤質(zhì)量明顯低于0~20cm,這與果樹根系分布和吸收養(yǎng)分特性有關(guān),0~20cm表層根系分布少,表層養(yǎng)分相對(duì)富集[11]。

3結(jié)論與討論

黃土溝壑區(qū)果園土壤IFI值在0.22~0.70,其中有27%達(dá)到了2級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),64%達(dá)到了3級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),9%達(dá)到了4級(jí)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),由此評(píng)定出黃土溝壑區(qū)果園土壤質(zhì)量為3級(jí)。隨著果園種植年限的增加,以5~15年果園土壤質(zhì)量最好,超過這一年限果園土壤質(zhì)量有所下降。無論哪一年限的果園,0~20cm耕層的土壤質(zhì)量均優(yōu)于20~40cm下層土壤。模糊綜合評(píng)價(jià)法用于土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)不僅能夠較科學(xué)地判別土壤環(huán)境質(zhì)量級(jí)別,并且能判斷出土壤質(zhì)量的優(yōu)劣順序,對(duì)屬于同一個(gè)級(jí)別的土壤,可根據(jù)評(píng)判分值的高低判定出土壤質(zhì)量的優(yōu)劣順序[2]。同時(shí)偏相關(guān)系數(shù)法可以明確第1、第2因素之間正確的相關(guān)關(guān)系而不受第3因素的影響,使之結(jié)果更加符合實(shí)際情況。

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