寧夏壓砂地棗園土壤肥力的層次-關(guān)聯(lián)度分析*

李 慧，魏天軍

（寧夏農(nóng)林科學(xué)院種質(zhì)資源研究所，銀川 750002）

壓砂地是我國西北地區(qū)農(nóng)民在長期實(shí)踐中形成的一種獨(dú)有的耕作形式，是指在地表鋪蓋一層10～15 cm的沙礫或卵石加粗砂的田地，具有增溫、蓄水、保墑等作用，主要分布在寧夏中衛(wèi)市南部干旱山區(qū)的香山、興仁、海原及中寧一帶[1-3]。壓砂地棗樹發(fā)展最早開始于2002年[4]，自2007年起，先后在原來種植西甜瓜的壓砂地基礎(chǔ)上發(fā)展了超過1.3萬hm2棗園，形成了一定的區(qū)域化發(fā)展規(guī)模，帶動(dòng)了寧夏“壓砂棗”的品牌效應(yīng)，成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的特色產(chǎn)業(yè)，對于打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

紅棗作為我國特色果樹，以其酸甜適口的風(fēng)味和豐富的營養(yǎng)價(jià)值，深受國民的喜愛。紅棗的品質(zhì)和產(chǎn)量除受品種影響外，土壤肥力是關(guān)鍵性因素。土壤肥力是土壤為植物生長提供、協(xié)調(diào)營養(yǎng)條件和環(huán)境條件的能力，是土壤各種基本性質(zhì)的綜合表現(xiàn)，也反映建植者對土壤的管理水平和利用強(qiáng)度[5-6]。土壤肥力評價(jià)方法側(cè)重于定性評價(jià)和單因素評價(jià)[7]，但是單項(xiàng)的土壤指標(biāo)無法定量評價(jià)土壤肥力的狀況，近年來，國內(nèi)學(xué)者大多采用層次分析法、模糊聚類分析法、主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法對土壤肥力進(jìn)行評價(jià)[8-10]。雖然土壤肥力綜合評價(jià)研究較多，但是關(guān)于棗園土壤養(yǎng)分綜合評價(jià)的研究較少，只有張亞鴿等[11]利用主成分分析對新疆阿克蘇地區(qū)棗園土壤肥力進(jìn)行了綜合評價(jià)。課題組從2008年開始，對壓砂地棗園土壤養(yǎng)分和水分[12-13]進(jìn)行系列研究，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。本研究在灰色關(guān)聯(lián)度分析法的基礎(chǔ)上，引入層次分析法賦予土壤指標(biāo)科學(xué)的權(quán)重值，2種方法的結(jié)合能夠?qū)ν寥婪柿ψ鞒隹陀^、可靠的綜合評價(jià)，通過對9個(gè)壓砂地棗園的土壤肥力進(jìn)行比較和評價(jià)，旨在摸清壓砂地棗園土壤肥力狀況，以期為壓砂地棗園土壤管理和可持續(xù)經(jīng)營提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于寧夏中部干旱帶地區(qū)，日照時(shí)間長，熱能資源充沛，晝夜溫差大；海拔1 300～1 700 m，年平均氣溫7.0～8.5 ℃，≥10 ℃年活動(dòng)積溫2 500～3 200 ℃，平均年日照時(shí)數(shù)2 800～3 000 h，平均年降水量200 mm左右，平均年蒸發(fā)量2 300 mm以上，無霜期140～150 d[14]。該區(qū)植被覆蓋率低，草少林稀，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。

1.2 樣品采集

在寧夏中衛(wèi)市興仁鎮(zhèn)、宣和鎮(zhèn)（中衛(wèi)寶塔農(nóng)林牧科技生態(tài)有限公司4個(gè)分公司、寺口路西）、中寧縣（天景山、滾泉坡）的9個(gè)盛果期具代表性的壓砂地棗園采集土壤樣品。在2016年棗果采收后基肥施入前進(jìn)行采集，樹齡為8～10年。采用十字交叉法，用土鉆按0～20、20～40 cm分層采集土壤樣品，每個(gè)棗園選取行間6個(gè)點(diǎn)，面積達(dá)667 hm2，相同土層混合均勻，共計(jì)18份土樣，做好標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室，詳見表1。

表1 采樣地基本信息

1.3 樣品分析測定

土壤測定項(xiàng)目包括土壤的pH值，全鹽、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、有效鋅、有效錳、有效銅、有效鐵含量。土樣由寧夏農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所（銀川）測定，測定方法分別參照標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1239—1999、LY/T 125 1—1999、NY/T 1121.6—2006、LY/T 1228—2015、LY/T 1232—2015、LY/T 1234—2015、NY/T 890—2004。

1.4 研究方法

1.4.1灰色關(guān)聯(lián)度分析

根據(jù)灰色系統(tǒng)理論[15]，將9個(gè)壓砂地棗園土壤的13項(xiàng)指標(biāo)作為一個(gè)灰色系統(tǒng)，以各土壤指標(biāo)最優(yōu)值構(gòu)成參考數(shù)列：X0(j)=｛X0(1)，X0(2)，…，X0(n)｝，以不同層次土壤各指標(biāo)的測定值構(gòu)成比較數(shù)列：Xi(j)=｛Xi(1)，Xi(2)，…，Xi(n)｝，其中，j=1，2，…，n，n為測定土壤指標(biāo)數(shù)（n=13）；i=1，2，…，m，m為測定不同棗園數(shù)量（m=9）。然后對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，將其化為0～1間的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（1）求出關(guān)聯(lián)系數(shù)，根據(jù)公式（2）求出加權(quán)關(guān)聯(lián)度。

其中：︱X0(j)-Xi(j)︱?yàn)閄0數(shù)列與Xi在j點(diǎn)的絕對差值，iminjmin︱X0(j)-Xi(j)︱?yàn)槎壸钚〔?，imaxjmax︱X0(j)-Xi(j)︱?yàn)槎壸畲蟛?，?為分辨系數(shù)，一般取ρ=0.5。rj為第i個(gè)壓砂地棗園土壤肥力的加權(quán)關(guān)聯(lián)度，Wj為第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值，n為指標(biāo)數(shù)。

1.4.2構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)模型

采用層次分析法確定土壤肥力各指標(biāo)的權(quán)重。采用已改進(jìn)的標(biāo)度[16]，元素之間重要性“相等、較強(qiáng)、強(qiáng)、很強(qiáng)、絕對強(qiáng)”評分分別為5/5、6/4、7/3、8/2、9/1。綜合各指標(biāo)間的相互重要性，建立兩兩比較矩陣，計(jì)算最大特征值λmax和特征向量，根據(jù)規(guī)范列平均法求得下層第n個(gè)因素對上層因素影響程度值權(quán)重wj。

檢驗(yàn)判斷矩陣一致性指標(biāo)（CI），計(jì)算公式如下：

查找相應(yīng)的一致性指標(biāo)（RI），計(jì)算一致性比例（CR），計(jì)算公式如下：

（3）式中n即為矩陣階數(shù)。（4）式當(dāng)CR≤0.1時(shí)，比較矩陣的一致性是可以接受的；當(dāng)CR＞0.1時(shí)，比較矩陣應(yīng)做適當(dāng)修正。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓砂地棗園土壤肥力狀況分析

由表2可知，寧夏壓砂地棗園土層深度0～20、20～40 cm土壤pH值分別為8.10～8.57、8.20～8.65，土壤整體偏堿性；全鹽含量分別為0.33～1.34、0.38～1.20 g/kg，屬于輕度鹽漬化土壤[17]；有機(jī)質(zhì)含量分別為1.85～8.25、1.49～7.36 g/kg；全氮含量分別為0.18～0.66、0.13～0.53 g/kg；全磷含量分別為0.27～0.68、0.27～0.66 g/kg；全鉀含量分別為15.00～20.80、14.60～20.00 g/kg；速效氮含量分別為11.0～64.0、9.0～51.0 mg/kg；速效磷含量分別為1.38～4.10、1.26～4.20 mg/kg；速效鉀含量分別為36～145、33～92 mg/kg。根據(jù)中國第2次土壤普查制定的養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[18]，寧夏壓砂地棗園土層深度0～20、20～40 cm土壤整體上有機(jī)質(zhì)屬于極缺和缺乏級別，全氮屬于極缺乏和缺乏級別，全磷屬于缺乏、中等級別（除興仁鎮(zhèn)），全鉀屬于豐富級別，速效氮屬于極缺和缺乏級別，速效磷屬于極缺和缺乏級別，速效鉀屬于缺乏、中等級別（除興仁鎮(zhèn)）。0～20、20～40 cm土壤有效鋅含量分別為0.24～0.54、0.16～0.31 mg/kg，有效錳含量分別為3.00～6.60、2.10～9.70 mg/kg，有效銅含量分別為0.78～1.67、0.69～1.38 mg/kg，有效鐵含量分別為5.01～8.90、5.55～9.90 mg/kg。根據(jù)我國土壤微量元素分級標(biāo)準(zhǔn)[19]，有效鋅屬于極缺乏、缺乏級別（除宣和鎮(zhèn)寺口路），有效錳屬于缺乏和中等級別，有效銅屬于中等和豐富級別，有效鐵屬于中等級別。分析可知，寧夏壓砂地棗園土壤肥力狀況較差，目前棗園管理首要任務(wù)是根據(jù)土壤養(yǎng)分豐缺情況，進(jìn)行平衡施肥。

表2 寧夏壓砂地棗園土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)分析

2.2 壓砂地棗園肥力灰色關(guān)聯(lián)度分析指標(biāo)體系

根據(jù)灰色系統(tǒng)理論要求，將9個(gè)棗園土壤13個(gè)指標(biāo)視為一個(gè)整體，在土壤pH值、全鹽、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、有效鋅、有效錳、有效銅、有效鐵13項(xiàng)指標(biāo)中，根據(jù)棗樹對土壤養(yǎng)分需求特點(diǎn)，選擇13項(xiàng)指標(biāo)的理想值為最優(yōu)指標(biāo)集。0～20 cm土層最優(yōu)指標(biāo)集為X0（j）=｛0.66，0.68，20.80，64.0，4.10，145，0.54，6.60，1.67，8.90，8.57，1.34，8.25｝，20～40 cm土層最優(yōu)指標(biāo)集為X0（j）=｛0.53，0.66，20.00，51.0，4.20，92，0.31，9.70，1.38，9.90，8.66，1.20，7.36｝。對不同棗園不同深度土壤指標(biāo)做無量綱化處理，結(jié)果見表3。

2.3 求關(guān)聯(lián)系數(shù)

根據(jù)參考數(shù)列，參試土壤各指標(biāo)值構(gòu)成比較數(shù)列。計(jì)算二級最小差iminjmin︱X0(j)-Xi(j)︱，二級最大差imaxjmax︱X0(j)-Xi(j)︱，并根據(jù)公式（1）分別計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)（表4）。

2.4 確定土壤肥力評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

在所選擇的土壤肥力指標(biāo)中，不同的指標(biāo)對土壤肥力綜合評價(jià)結(jié)果的影響程度不盡相同，這需要對每個(gè)指標(biāo)賦予不同權(quán)重。本研究采用層次分析法來確定各個(gè)土壤肥力的權(quán)重。首先要構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)劃分評價(jià)因子的層次類別關(guān)系，分為3層（表5）：第1層為目標(biāo)層（A），為土壤肥力綜合評價(jià)；第2層為準(zhǔn)則層（B），記為B=｛B1，B2，B3，B4｝；第3層為指標(biāo)層（C），為影響土壤肥力指標(biāo)，記為C=｛C1，C2，C3，C4，…，C13｝。

采用改進(jìn)層次分析法新標(biāo)度[17]，根據(jù)評價(jià)指標(biāo)的性質(zhì)及其對土壤肥力影響的特點(diǎn)，最終得到比較矩陣（表6）。通過公式（3）得出判斷矩陣一致性指標(biāo)CI，然后查找相應(yīng)的一致性指標(biāo)RI，通過公式（4）得出一致性比例CR，詳見表6。由表6可知，所有比較矩陣的CR＜0.1，滿足一致性要求，說明建立的判斷矩陣是合理的。

由表6可知，壓砂地棗園土壤速效養(yǎng)分和理化性質(zhì)比較重要，權(quán)重值分別為0.479、0.313，微量養(yǎng)分的權(quán)重值最低。在全量養(yǎng)分的指標(biāo)中，全氮、全磷、全鉀權(quán)重值分別為0.454、0.301、0.245，全氮權(quán)重值最大，全鉀權(quán)重值最小。在速效養(yǎng)分指標(biāo)中，速效氮、速效磷、速效鉀權(quán)重值分別為0.455、0.282、0.263，速效氮權(quán)重值最大，速效鉀權(quán)重值最小。在微量養(yǎng)分的指標(biāo)中，有效鋅、有效錳、有效銅、有效鐵權(quán)重值分別為0.189、0.144、0.271、0.395，有效鐵權(quán)重值最大，有效錳權(quán)重值最小。在理化性質(zhì)指標(biāo)中，pH值、全鹽、有機(jī)質(zhì)權(quán)重值分別為0.167、0.130、0.702，有機(jī)質(zhì)權(quán)重值最大，全鹽權(quán)重值最小。由表6各層指標(biāo)的權(quán)重，可得出指標(biāo)層（C）對目標(biāo)層（A）土壤肥力綜合評價(jià)的權(quán)重值，詳見表7。由此可知，有機(jī)質(zhì)是影響土壤肥力綜合評價(jià)的首要指標(biāo)，其次為速效氮、速效磷、速效鉀，權(quán)重值分別為0.220、0.218、0.135、0.126。

表3 土壤肥力指標(biāo)的無量綱化處理

表4 土壤肥力指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)

表5 壓砂地棗園土壤肥力綜合品質(zhì)評價(jià)因子的分層模型

表6 比較矩陣及一致性檢驗(yàn)

2.5 綜合評估模型的構(gòu)建

本研究將層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)度分析法結(jié)合對土壤進(jìn)行評價(jià)，首先依據(jù)層次分析法確定土壤肥力指標(biāo)的權(quán)重（表7），其次根據(jù)公式（2）求得壓砂地棗園土壤肥力的加權(quán)關(guān)聯(lián)度（表8），并將其依據(jù)結(jié)果高低進(jìn)行排序。加權(quán)關(guān)聯(lián)度能比較客觀、真實(shí)地反映出被評價(jià)土壤指標(biāo)與最優(yōu)指標(biāo)集之間的差異，按照關(guān)聯(lián)分析的原則，關(guān)聯(lián)值越大，表明該棗園與最優(yōu)指標(biāo)值相似程度越高，對應(yīng)的棗園土壤質(zhì)量越好，反之則越低。

從分析結(jié)果可知（表8），興仁鎮(zhèn)壓砂地棗園土壤的加權(quán)關(guān)聯(lián)度最大，為1.655，土壤肥力最佳；中衛(wèi)市寶塔一公司棗園土壤加權(quán)關(guān)聯(lián)度最小，為0.852，土壤肥力最差。寶塔公司土壤加權(quán)關(guān)聯(lián)度平均為0.915 5，農(nóng)戶經(jīng)營壓砂地棗園土壤加權(quán)關(guān)聯(lián)度平均為1.300 6，因此農(nóng)戶經(jīng)營壓砂地棗園土壤養(yǎng)分狀況相對較好。

表7 土壤肥力評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

表8 不同壓砂地棗園土壤加權(quán)關(guān)聯(lián)度

3 結(jié)論與討論

土壤是棗樹生長的重要基質(zhì)，不僅為棗樹生長發(fā)育提供必要的養(yǎng)分，而且對果實(shí)品質(zhì)有著一定影響。土壤肥力除了與自身成土母質(zhì)有關(guān)，同時(shí)也受到土壤管理制度、施肥方式等外在因素的影響，因此土壤肥力在不同壓砂地棗園中表現(xiàn)出明顯差異。土壤肥力綜合評價(jià)是由多個(gè)指標(biāo)變量作用的結(jié)果，對土壤進(jìn)行科學(xué)的評價(jià)，是提高土壤資源有效利用的基礎(chǔ)和前提。本研究采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，可以將人的主觀判斷為主的定性分析進(jìn)行定量化，使各種判斷要素之間的差異數(shù)值化，結(jié)合了定性、定量信息，是目前應(yīng)用比較廣泛的權(quán)重確定方法[16,20]?；疑P(guān)聯(lián)度通過系統(tǒng)態(tài)勢的量化比較分析，以矩陣的形式將所有性狀兩兩間的關(guān)聯(lián)度直觀呈現(xiàn)出來[21]，具備可靠的統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)；近年來，灰色系統(tǒng)理論被廣泛用到土壤評價(jià)的領(lǐng)域，對土壤肥力進(jìn)行綜合評價(jià)[6,9,22]。因此，在層次分析法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法進(jìn)行綜合評價(jià)，結(jié)果更加可靠、科學(xué)。通過分析9個(gè)壓砂地棗園土壤肥力狀況，發(fā)現(xiàn)興仁鎮(zhèn)棗園土壤肥力最佳，其次是中寧縣天景山和滾泉坡地區(qū)棗園，土壤肥力最差的地區(qū)是中衛(wèi)市寶塔農(nóng)林牧科技生態(tài)有限公司基地。

正確進(jìn)行土壤肥力評價(jià)的基礎(chǔ)是確定評價(jià)指標(biāo)，影響土壤肥力的指標(biāo)有多種，本研究選取土壤全量養(yǎng)分、速效養(yǎng)分、微量養(yǎng)分、理化性質(zhì)中的13項(xiàng)指標(biāo)。全量養(yǎng)分一般與土壤肥力沒有必然的相關(guān)性，但與速效養(yǎng)分之間存在一定的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，對土壤速效養(yǎng)分的供應(yīng)潛力有一定影響，因此選為土壤肥力評價(jià)指標(biāo)。在土壤肥力灰色關(guān)聯(lián)度評價(jià)中，選取的指標(biāo)一般都是有機(jī)質(zhì)、全量養(yǎng)分、速效養(yǎng)分[6,23-24]，但是對于植物生長而言，微量元素是必不可少的，而且de Lima等[25]在評價(jià)土壤質(zhì)量狀況時(shí)表明，土壤微量元素是重要指標(biāo)之一。因此本研究將微量元素納入土壤肥力評價(jià)指標(biāo)。通過對13項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行層次-關(guān)聯(lián)度分析，對微量養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行賦值，發(fā)現(xiàn)微量養(yǎng)分權(quán)重值為0.082，對土壤肥力評價(jià)有一定作用。結(jié)合層次指標(biāo)權(quán)重值對供試9個(gè)壓砂地棗園土壤肥力排序，篩選出肥力好的棗園，分析其田間管理經(jīng)驗(yàn)，為寧夏中部干旱帶壓砂地棗園提供技術(shù)樣板。

綜上而言，利用層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)度相結(jié)合的方法對土壤肥力評價(jià)，能夠?qū)ν寥婪柿Ω髦笜?biāo)做出全方位的科學(xué)評估，篩選出土壤管理好的棗園，豐富了壓砂地棗園土壤肥力評價(jià)方法，促進(jìn)了棗產(chǎn)業(yè)的健康有序發(fā)展。