咸陽市小麥-玉米輪作地土壤肥力評價(jià)

王 輝，任 麗，楊召武，楊聯(lián)安

(1.咸陽市土壤肥料工作站，陜西 咸陽 712000;2.陜西天潤科技股份有限公司，陜西，西安 710054;3.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西，西安710127)

土壤肥力是土壤的本質(zhì)屬性，是其區(qū)別于巖石、成土母質(zhì)等其他地表覆蓋物的關(guān)鍵特征[1]。土壤肥力狀況直接影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，改善土壤肥力是增產(chǎn)保收的主要措施。土壤肥力是土壤物理、化學(xué)、生物等多方面性質(zhì)的綜合體現(xiàn)[2]，在自然成土環(huán)境和人為管理措施雙重作用下具有極強(qiáng)空間變異性。土壤肥力評價(jià)是通過構(gòu)建評價(jià)體系對土壤肥力水平進(jìn)行分等定級進(jìn)而衡量其土地生產(chǎn)能力的過程。目前土壤肥力評價(jià)還尚未有統(tǒng)一、規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，肥力評價(jià)差異主要表現(xiàn)為參評指標(biāo)、評價(jià)方法和評價(jià)尺度三個(gè)方面。反映土壤肥力的指標(biāo)很多，出于實(shí)際應(yīng)用考慮，通常選取容易測定、重現(xiàn)性好且能代表土壤肥力關(guān)鍵變量能力的指標(biāo)參與評價(jià)[3]。土壤養(yǎng)分是作物生長必須的營養(yǎng)物質(zhì)，有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀是反映土壤養(yǎng)分狀況的核心指標(biāo)。土壤容重、耕層厚度、pH值和陽離子交換量(CEC)等分別是反映土壤物理性狀和化學(xué)環(huán)境的指標(biāo)。它們都是常用的肥力評價(jià)指標(biāo)。當(dāng)前土壤肥力評價(jià)方法趨于客觀化和定量化，常用的有模糊數(shù)學(xué)法[4]、主成分分析法[5]、灰色關(guān)聯(lián)分析[6]等，這些數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法在肥力評價(jià)中的應(yīng)用，可以有效減少人為主觀干擾。評價(jià)單元通常按照行政區(qū)劃進(jìn)行選取，隨著精細(xì)化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，基于田塊尺度的肥力評價(jià)研究逐漸增加。咸陽市境內(nèi)地形地貌復(fù)雜，南部平原區(qū)依靠優(yōu)越的自然條件，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)，一年兩熟的小麥-玉米種植制度使土地資源得到充分利用，但也存在土地利用不當(dāng)、施肥不合理等問題，因此，通過采取灰色關(guān)聯(lián)分析法對小麥-玉米輪作地的肥力水平進(jìn)行定量評價(jià)，探究限制土壤肥力的障礙因子，為分區(qū)管理和測土配方施肥工作提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

咸陽市小麥-玉米輪作地主要分布在關(guān)中平原地區(qū)，關(guān)中平原地勢平坦，臨近渭河，灌溉水源充足，土地疏松肥沃，十分適宜發(fā)展種植業(yè)，是重要的糧食生產(chǎn)基地。該區(qū)氣候?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，雨熱同期，降水集中于夏季，年降水量為550～660 mm，年均氣溫為12～13.6℃，光照充足。關(guān)中平原農(nóng)業(yè)種植歷史悠久，土地利用強(qiáng)度大，人類對農(nóng)田干擾強(qiáng)烈，土壤肥力水平隨機(jī)變異程度較高。本研究中的小麥-玉米輪作地主要分布在乾縣北部、武功縣、興平市、涇陽縣和三原縣，共布設(shè)了145個(gè)樣點(diǎn)。

1.2 土壤樣品采集與測定

根據(jù)農(nóng)業(yè)部測土配方施肥技術(shù)規(guī)范和要求，綜合考慮小麥-玉米輪作地的空間分布、地貌環(huán)境和土壤特性，按照“S”形或梅花形路線采集土樣，每個(gè)樣地均勻隨機(jī)采集5～15個(gè)樣點(diǎn)，用手持GPS跟蹤記錄地塊中心經(jīng)緯度位置，均勻混合后采取“四分法”取土樣1 kg，登記土樣編號。土壤樣品采集工作于2017年作物收獲后進(jìn)行。

采集的土樣自然風(fēng)干后經(jīng)研磨和過篩，對土壤各成分進(jìn)行測定。pH采用電位法測定；有機(jī)質(zhì)采用油浴加熱-重鉻酸鉀容量法測定；全氮采用凱氏蒸餾法測定；有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定[7]。

1.3 研究方法

基于灰色關(guān)聯(lián)分析的土壤肥力評價(jià)步驟[8]：

1.3.1 指標(biāo)權(quán)重確定 土壤肥力是對各種土壤屬性指標(biāo)間綜合特征的反映，不同指標(biāo)對土壤肥力的影響程度有明顯差異，因此各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重也不相同。本文采用變異系數(shù)法確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，將各指標(biāo)變異系數(shù)與所有指標(biāo)變異系數(shù)的比值作為權(quán)重，變異程度大的指標(biāo)，權(quán)重較大，反之亦然。

1.3.2 計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度

(1)確定參考序列和比較序列。

以各采樣點(diǎn)的不同肥力指標(biāo)實(shí)測值作為比較序列，設(shè)為A(i,j)，表示第i個(gè)采樣點(diǎn)的第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)。選取各指標(biāo)實(shí)測值的最優(yōu)值構(gòu)成參考序列，設(shè)為A(0,j)。

(2)無量綱化處理

采用直線型標(biāo)準(zhǔn)化法對初始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，正向指標(biāo)處理為A(ij)/A(0,J)，逆向指標(biāo)處理為,1-A(i,j)/A(0,j)。

(3)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)

(4)計(jì)算加權(quán)關(guān)聯(lián)度

土壤肥力水平通過比較序列與參考序列之間的關(guān)聯(lián)度來表示，若關(guān)聯(lián)度越大，表示該樣點(diǎn)越接近該區(qū)域土壤肥力的理想狀態(tài)，土壤肥力越高。根據(jù)各樣點(diǎn)加權(quán)關(guān)聯(lián)度的大小排序，可以反映不同地方土壤肥力水平在整個(gè)區(qū)域中所處的相對位置，實(shí)現(xiàn)對土壤肥力的定量化評價(jià)。

式中，r(i,j)為灰色關(guān)聯(lián)度，N=5，ωij為第i個(gè)采樣點(diǎn)的第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 單項(xiàng)肥力指標(biāo)豐缺診斷

根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[9]，咸陽市小麥-玉米輪作地的土壤pH平均值8.51，整體呈偏堿性土壤，這是由于該地土壤中碳酸鈣含量豐富，同時(shí)小麥-玉米輪作地灌溉水源充足，但灌溉方式多以漫灌、畦灌方式為主，這種粗放型灌溉方式也會對土壤酸堿環(huán)境造成一定影響。有機(jī)質(zhì)平均值為17.76 g·kg-1，處于分級標(biāo)準(zhǔn)的第4級，整體屬于中等偏低水平，這與農(nóng)民施肥觀念有關(guān)，為追求經(jīng)濟(jì)效益，農(nóng)民通常多施用化肥而忽略了有機(jī)肥的投入，植物消耗的有機(jī)質(zhì)得不到有效補(bǔ)充，因此土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低。應(yīng)大力宣傳增施有機(jī)肥的積極效應(yīng)，逐步轉(zhuǎn)變農(nóng)民的施肥觀念，引導(dǎo)農(nóng)戶多施農(nóng)家肥、有機(jī)肥，提倡秸稈還田等方式來提高有機(jī)質(zhì)含量。全氮平均值為1.11 g·kg-1，處于分級標(biāo)準(zhǔn)的第3級，屬于中等水平，土壤中的氮素多來源于有機(jī)質(zhì)，全氮含量受有機(jī)質(zhì)影響明顯。有效磷平均值為20.55 mg·kg-1，處于分級標(biāo)準(zhǔn)的第2級，整體處于較高水平，表明有效磷的整體含量比較合理。速效鉀平均值為230.86 mg·kg-1，處于分級標(biāo)準(zhǔn)的第1級，速效鉀含量豐富，原因是土壤中所含鉀元素較多，并且近年來農(nóng)民逐漸意識到鉀肥對作物生長的作用，對鉀肥投入有所增加，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)需要酌情合理施用鉀肥。從變異系數(shù)來看，pH屬于弱變異，其他4個(gè)指標(biāo)均屬于中等程度變異，其中有效磷的變異程度最大，超過了50%，表明土壤中磷元素受人為干擾最為強(qiáng)烈，磷肥用量不足與過量使用現(xiàn)象同時(shí)存在，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)區(qū)別對待，對于不足地區(qū)應(yīng)合理施用磷肥，對于過量地區(qū)應(yīng)控制磷肥投入，當(dāng)季少施甚至不施磷肥，待土壤中的磷得到有效利用后再按需繼續(xù)施肥。

表1 土壤肥力指標(biāo)基本統(tǒng)計(jì)特征

2.2 灰色關(guān)聯(lián)分析

本文選取pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀作為評價(jià)指標(biāo)，將各指標(biāo)的最優(yōu)值設(shè)為參考序列：{7.46，27.80，1.76，66.56，340.30}。由于研究區(qū)土壤整體屬于偏堿性，隨著pH值增大，土壤堿性增強(qiáng)，不利于養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)化，因此對pH采取逆向處理方法，其余4個(gè)指標(biāo)作正向處理，將實(shí)測值轉(zhuǎn)化為評價(jià)值，以消除各指標(biāo)物理量綱對評價(jià)結(jié)果的影響。根據(jù)1.3.2中所述步驟計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)。各項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)的權(quán)重分別為pH 0.019，有機(jī)質(zhì)0.169，全氮0.169，有效磷0.454，速效鉀0.189。根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)和權(quán)重計(jì)算加權(quán)關(guān)聯(lián)度，結(jié)果表明咸陽市小麥-玉米輪作地的加權(quán)關(guān)聯(lián)度介于0.407～0.858之間，平均值為0.522，標(biāo)準(zhǔn)差為0.083，變異系數(shù)為15.90%。將關(guān)聯(lián)度按照等距法劃分為五級：高(0.8～1)、較高(0.6～0.8)、中等(0.4～0.6)、較低(0.2～0.4)、低(0～0.2)。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，咸陽市小麥-玉米輪作地土壤肥力綜合等級分別處于中等、較高和高三個(gè)等級，其中中等占84.14%，較高占14.48%，高占1.38%，高水平樣點(diǎn)均位于興平市境內(nèi)。關(guān)聯(lián)度平均值和土壤肥力等級頻數(shù)分布均表明咸陽市小麥-玉米輪作地土壤肥力整體處于中等水平。從區(qū)域角度看，各地土壤肥力加權(quán)關(guān)聯(lián)度平均值分別為興平市0.563，涇陽縣0.554，武功縣0.531，乾縣0.524，三原縣0.475，三原縣土壤肥力整體水平明顯低于其他四個(gè)區(qū)域，其他四個(gè)縣域的土壤肥力水平相差不大，各縣域土壤肥力均屬于中等水平。

土壤肥力是各項(xiàng)肥力指標(biāo)的綜合體現(xiàn)，明確土壤肥力的限制性因子是提升土壤肥力、改良土壤環(huán)境、實(shí)施分區(qū)管理的前提和基礎(chǔ)。分別統(tǒng)計(jì)各縣域有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀的平均含量，從區(qū)劃角度分析咸陽市小麥-玉米輪作地的限制性因子，pH在研究區(qū)變異程度較弱，各縣域其值變化不大，故此處不對其進(jìn)行分析。結(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)是制約小麥-玉米地肥力水平的關(guān)鍵因子，各縣土壤有機(jī)質(zhì)平均含量均<20 g·kg-1，其中興平市有機(jī)質(zhì)平均含量最高，為19.12 g·kg-1，三原縣最低，為15.80 g·kg-1，其他縣均在18 g·kg-1左右；興平市的有效磷平均含量最高，為27.03 mg·kg-1，三原縣有效磷含量偏低，平均值為14.59 mg·kg-1，不利于肥力提高，其他縣域的有效磷均在22 mg·kg-1左右，含量較合理。

土壤肥力受自然和人為因素雙重作用，施肥是引起土壤肥力變化的直接原因，此外，不同土壤類型的肥力也有所差異，本次采樣點(diǎn)土壤類型主要以褐土、黃綿土和潮土為主，其中褐土的有機(jī)質(zhì)和全氮含量為三者中最高，黃綿土中的有效磷和速效鉀高于其他兩種土類，這可能是受土壤自身特性影響所致。

3 結(jié)論與討論

土壤肥力評價(jià)是通過數(shù)個(gè)主導(dǎo)性和獨(dú)立性土壤指標(biāo)反映肥力綜合水平的過程，土壤肥力就相當(dāng)于一個(gè)灰色系統(tǒng)，采用變異系數(shù)-灰色關(guān)聯(lián)分析法研究咸陽市小麥-玉米輪作地土壤肥力水平，通過客觀賦權(quán)法變異系數(shù)確定權(quán)重，有效避免了人為的主觀干擾，利用灰色關(guān)聯(lián)度反映各樣點(diǎn)肥力水平與理想?yún)⒖夹蛄械慕咏潭龋瑢﹃P(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序得到各樣點(diǎn)肥力相對高低水平，計(jì)算簡便，應(yīng)用性強(qiáng)。主要結(jié)論如下：

咸陽市小麥-玉米輪作地的土壤呈偏堿性，pH分布較均勻，變異程度較弱，有機(jī)質(zhì)屬于中等偏低，全氮含量中等，有效磷含量較高，速效鉀含量豐富。應(yīng)積極引導(dǎo)農(nóng)民多施有機(jī)質(zhì)，采用有機(jī)肥和化肥搭配使用的方式提高肥力。

土壤肥力灰色關(guān)聯(lián)分析表明，咸陽市小麥-玉米輪作地的土壤肥力整體屬于中等水平，其中興平市肥力值最高，三原縣最低，有機(jī)質(zhì)是制約肥力提升的關(guān)鍵因子，三原縣除有機(jī)質(zhì)外，有效磷也是限制因子。

基于灰色關(guān)聯(lián)分析法法的土壤肥力評價(jià)結(jié)果科學(xué)可靠，具有較強(qiáng)的推廣性和應(yīng)用性。土壤肥力評價(jià)是涉及多個(gè)指標(biāo)的高維非線性問題，未來可嘗試?yán)梅蔷€性數(shù)據(jù)挖掘算法進(jìn)行肥力評價(jià)。本文通過等距法將土壤肥力劃分為五個(gè)等級，僅能表示土壤肥力相對高低水平，土壤等級劃分標(biāo)準(zhǔn)還需進(jìn)一步完善。