石羊河流域土壤肥力綜合評價

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(甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

肥力是土壤的本質(zhì)屬性，是反映土壤動態(tài)變化最重要的指標(biāo)。土壤肥力的高低直接影響著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局、作物生長和農(nóng)業(yè)種植效益等[1]，最能體現(xiàn)自然因素及人類活動對土壤的綜合影響。因此，土壤肥力評價成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究的重要內(nèi)容之一。但由于土壤本底的差異，導(dǎo)致各種土壤肥力有著性質(zhì)上的差異。因此，科學(xué)、合理、實用地評價土壤肥力，對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整具有十分重要的意義。如何進(jìn)行土壤肥力評價，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行過許多探索性研究，沈漢[2]選定了適用于全國六種利用類型下的參評因素及劃分為四等五級的土壤分級指標(biāo)；曹承綿等[3]采用數(shù)值綜合評價法評價了各個地塊的肥力水平，以土壤肥力指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，計算單個肥力因素的貢獻(xiàn)度，在此基礎(chǔ)上推求肥力綜合指標(biāo)總分?jǐn)?shù)；評價方法中模糊數(shù)學(xué)方法應(yīng)用較多，張波、馬強、周旭、吳玉紅等分別采用模糊評價或改進(jìn)的模糊評價方法評價了東南丘陵山區(qū)、東北黑土農(nóng)田、貴州普安縣和西北楊凌示范區(qū)的土壤肥力[4-8]；指數(shù)和法、聚類分析法和主成分分析[9-11]等數(shù)學(xué)評價方法也有應(yīng)用；雖然評價方法和評價內(nèi)容也各有側(cè)重，但都是通過對大量信息的處理，得出反映土壤肥力高低的綜合性指標(biāo)。隨著石羊河流域重點治理規(guī)劃的逐步實施，各區(qū)域的土壤肥力狀況已成為迫切需要研究的問題，但針對石羊河流域的此類研究缺乏。文章以石羊河流域各灌區(qū)土壤為研究對象，在對土壤養(yǎng)分普查的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)原理，對流域各灌區(qū)的土壤肥力狀況進(jìn)行了綜合評價，評價結(jié)果可以為為流域綜合治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，烏稍嶺以西，祁連山北麓，介于東經(jīng)101°41′～104°16′，北緯36°29′～39°27′之間。東南與甘肅省白銀、蘭州兩市相連，西北與甘肅省張掖市毗鄰，西南緊靠青海省，東北與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤，流域土地總面積4.16萬km2。石羊河流域行政區(qū)劃涉及甘肅省武威市古浪縣、涼州區(qū)、民勤縣以及天祝藏族自治鄉(xiāng)，金昌市永昌縣、金川區(qū)，張掖市肅南裕固族自治縣、山丹縣，白銀市景泰縣。截止2010年底，流域總?cè)丝?19.4萬人，耕地面積43.8萬hm2，農(nóng)田有效灌溉面積24.3萬hm2，生態(tài)林地灌溉面積1.7萬hm2；流域土地資源豐富，光熱條件好，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá)，是甘肅省主要糧食生產(chǎn)區(qū)。

1.2 樣品采集與分析

在石羊河流域各灌區(qū)共采集有代表性樣本72個，每個樣本采用“S”形多點采樣后混合[12]，自然風(fēng)干后磨細(xì)，分別過20目、100目篩后保存待分析。采樣深度0～30 cm，時間為2011年 4月。采樣區(qū)及采樣個數(shù)如表 1。

表1 樣品采集情況表Tab.1 Sample collection table

1.3 測定方法

土壤pH 采用電位法測定(水土比1:1)，土壤有機質(zhì)采用外加熱重鉻酸鉀氧化法測定，土壤全氮采用凱氏定氮法測定，土壤全磷采用碳酸鈉熔融-鉬銻抗比色法測定，土壤全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定，土壤速效氮采用堿解擴散法測定，土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，土壤速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定[13]。

1.4 評價指標(biāo)選擇

土壤肥力是反映土壤性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，但受多種因素的影響，氣候、地形、水分等自然因素和農(nóng)民管理水平、勞動投入等社會因素影響較大，影響因素使土壤肥力表現(xiàn)出較強的空間異質(zhì)性。鑒于此，國內(nèi)外對土壤肥力評價尚未形成統(tǒng)一、規(guī)范的評價指標(biāo)體系和評價方法；土壤肥力的評價通常通過構(gòu)建評價指標(biāo)體系，采用與評價指標(biāo)體系相匹配的方法，評價土壤肥力水平。評價指標(biāo)體系的構(gòu)建遵循主導(dǎo)性、差異性、穩(wěn)定性和可度量、可測量等原則，選取能真正反映土壤肥力特征的指標(biāo)因子，建立評價指標(biāo)體系。本次石羊河流域土壤肥力評價考慮石羊河流域土壤屬性的空間變異性，根據(jù)獲取的樣本和因子間的相互關(guān)系等因素，結(jié)合流域內(nèi)灌區(qū)土壤理化性質(zhì)，主要選取土壤理化指標(biāo)pH值以及土壤養(yǎng)分指標(biāo)如有機質(zhì)、全氮、速效氮、全磷、有效磷、全鉀和速效鉀等作為評價指標(biāo)。見表2。

表2土壤肥力評價指標(biāo)
Tab.2 Soil fertility index

指標(biāo)類型 Type of index評價指標(biāo) Index土壤理化指標(biāo)Soil physical and chemical indexpH 土壤養(yǎng)分指標(biāo)Soil nutrient index有機質(zhì)、全氮、速效氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀Organic matter,Total N,Available N,Total P,Available P,Total K,Available K

1.5 研究方法

土壤肥力是一個綜合的和相對模糊的概念，“高”和“低”之間無準(zhǔn)確界限，模糊評價法[14]能夠把區(qū)間值、語言值以及定性指標(biāo)等定量化，將多種制約因素綜合，得出定量的總體評價結(jié)論，顯著地提高了評價結(jié)果的可靠性。因此，本次評價采用模糊評價法對石羊河流域土壤肥力進(jìn)行評價。具體評價過程為：首先，采用模糊數(shù)學(xué)方法計算各肥力指標(biāo)的隸屬度，再用多元統(tǒng)計分析原理計算權(quán)重系數(shù)，最后，應(yīng)用隸屬度和隸屬度權(quán)重系數(shù)加權(quán)求和，得出綜合肥力指標(biāo)，土壤肥力指標(biāo)結(jié)果范圍在0 ～ 1之間，取值越大說明土壤肥力越高。

土壤肥力指標(biāo)評價中，肥力指標(biāo)與作物生長曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式即為隸屬度函數(shù)，隸屬度函數(shù)將肥力評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化，轉(zhuǎn)變?yōu)? ～ 1的無量綱值。根據(jù)土壤肥力指標(biāo)函數(shù)的屬性和隸屬度函數(shù)的擬合程度，分別選取S型隸屬度函數(shù)和拋物線型隸屬度函數(shù)計算隸屬度。

當(dāng)函數(shù)為S型隸屬度函數(shù)時：

(1)

式中：x—評價指標(biāo)值；x1—該指標(biāo)下限；x2—該指標(biāo)上限。

當(dāng)函數(shù)為拋物線型隸屬度函數(shù)時：

(2)

式中：x—評價指標(biāo)值；x1—該指標(biāo)下限；x2、x3—該指標(biāo)最優(yōu)值；x4—該指標(biāo)上限。

根據(jù)指標(biāo)的函數(shù)類型，采用測定的肥力評價指標(biāo)，計算各指標(biāo)的上限、下限和最優(yōu)值；將實測數(shù)據(jù)和閾值參數(shù)，代入函數(shù)公式，計算得出隸屬度值。

確定肥力指標(biāo)權(quán)重是土壤肥力綜合評價的關(guān)鍵，權(quán)重值反映該指標(biāo)對土壤肥力水平的影響程度，大多數(shù)人憑經(jīng)驗確定權(quán)重，造成評價過程的任意性和評價結(jié)果的主觀性。為避免評價的任意性和主觀性。本次評價確定權(quán)重選用因子分析方法，主要是通過尋找對結(jié)果起支配作用的潛在因子(潛變量)作為權(quán)重。根據(jù)土壤肥力各指標(biāo)隸屬度結(jié)果，使用SPSS統(tǒng)計軟件計算各評價指標(biāo)的公因子方差，公因子方差的貢獻(xiàn)率即為評價指標(biāo)的權(quán)重。

F=Fi*Wi

(3)

式中：F—土壤肥力綜合水平；Fi—第i項評價指標(biāo)的隸屬度值；Wi—第i項評價指標(biāo)的權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤肥力評價指標(biāo)隸屬度

根據(jù)土壤樣品的實測值，統(tǒng)計分析土壤肥力指標(biāo)，見表3。根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，土壤pH值適中，才能促進(jìn)作物生長、提高產(chǎn)量，過大或過小，都將對作物生長和產(chǎn)量產(chǎn)生影響，因此，歸一化處理采用拋物線型隸屬度函數(shù)較適宜；土壤的有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀和堿解氮、有效磷、有效鉀等指標(biāo)與作物生長呈正相關(guān)，指標(biāo)越大，作物生長越好，但達(dá)到一定程度后，影響水平將穩(wěn)定在同一水平，因此，歸一化處理采用S型隸屬度函數(shù)進(jìn)行較適宜。各肥力指標(biāo)所選用的隸屬度函數(shù)類型和閾值見表4。

2.2 土壤肥力評價指標(biāo)權(quán)重

使用SPSS軟件計算各評價指標(biāo)的公因子方差，計算值表示該指標(biāo)對土壤肥力的貢獻(xiàn)，再根據(jù)公因子方差占總公因子方差的比重，計算得出各項肥力指標(biāo)的權(quán)重，權(quán)重分析結(jié)果見表5。

表3 石羊河流域各灌區(qū)土壤肥力指標(biāo)統(tǒng)計參數(shù)表Tab.3 The statistical parameter of Shiyang River Basin soil fertility index

表4 石羊河流域土壤肥力評價指標(biāo)隸屬度函數(shù)類型及閾值Tab.4 Type of membership function and threshold value of Shiyang River Basin soil fertility index

表5 石羊河流域各項肥力指標(biāo)公因子方差和權(quán)重Tab.5 Estimated communality and weight value of Shiyang River Basin soil fertility index

2.3 土壤肥力綜合評價指標(biāo)

通過公式(3)計算石羊河流域各灌區(qū)內(nèi)樣本點的土壤肥力綜合評價指標(biāo)值，結(jié)果范圍在0.41～0.63之間，平均值為0.509，標(biāo)準(zhǔn)差為0.08，變異系數(shù)為0.01。石羊河流域各灌區(qū)土壤肥力指標(biāo)分布見圖1，石羊河流域土壤肥力狀況見圖2。

圖1 石羊河流域土壤肥力綜合指標(biāo)分布圖Fig.1 Cumulative frequency of integrated fertility index

圖2 石羊河流域土壤肥力狀況圖Fig.2 The distribution of soil fertility in the Shiyang River Basin

從石羊河流域土壤肥力狀況綜合評價結(jié)果可以看出，石羊河流域土壤肥力狀況具有明顯的空間異質(zhì)性，自西南向東北土壤肥力逐漸降低；土壤肥力較好的區(qū)域主要分布在中游涼州區(qū)境內(nèi)各灌區(qū)，下游民勤縣境內(nèi)各灌區(qū)土壤肥力相對較弱，見圖2。土壤肥力的規(guī)律性分布與石羊河流域平原區(qū)土壤類型分布基本一致。中游涼州區(qū)內(nèi)各灌區(qū)主要位于洪積扇扇緣，為河谷沖積平原，灌區(qū)內(nèi)土壤經(jīng)過長期灌淤、耕作、培肥而形成，主要以綠洲灌溉耕作土和草甸土為主，灌區(qū)土壤肥力相對較好，土壤肥力綜合評價指標(biāo)值在0.53～0.63之間；而民勤縣位于流域下游，未形成綠洲前，主要為湖盆洼地和扇緣，形成綠洲后土壤又經(jīng)受鹽堿化和風(fēng)沙的侵蝕，灌區(qū)內(nèi)土壤主要以沼澤土、鹽土和風(fēng)沙土為主，土壤肥力相對較弱，土壤肥力綜合評價指標(biāo)值在0.41～0.49之間。

中游涼州區(qū)和下游民勤縣區(qū)域內(nèi)土壤肥力也有差異，中游涼州區(qū)永昌灌區(qū)和下游民勤縣環(huán)河、泉山灌區(qū)土壤肥力明顯低于區(qū)域內(nèi)的平均水平，由于地理位置、氣候條件、開墾年限等原因，這些區(qū)域的土壤開發(fā)力度較大，區(qū)域內(nèi)人多地少，大量使用化肥，生物產(chǎn)量基本為人畜所利用，有機物料難以有效還田，造成土壤腐殖質(zhì)層變薄，降低了土壤酶活性[15]，改變了土壤養(yǎng)分收支平衡的狀態(tài)，長時間過度開發(fā)利用使區(qū)域內(nèi)土壤肥力水平相對較低[16]。

3 討 論

與收集到東北和南方省區(qū)的土壤肥力評價結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，石羊河流域土壤肥力整體結(jié)果相對較低，綜合分析認(rèn)為，石羊河流域的土壤開發(fā)指數(shù)相對較高，而在耕地投入和管理水平等方面還相對較低。因此，建議在土壤開發(fā)過程中追求高產(chǎn)的同時，應(yīng)充分分析土壤養(yǎng)分的平衡狀況，大力推行測土配方施肥技術(shù)；為防止流域內(nèi)土壤退化，在使用化肥的同時，應(yīng)進(jìn)一步加大有機肥使用力度，保持土壤系統(tǒng)養(yǎng)分的可持續(xù)利用。

本次石羊河流域土壤肥力綜合評價主要從土壤潛在生產(chǎn)能力角度進(jìn)行，而土壤的現(xiàn)實生產(chǎn)力受氣候、水、熱狀況、施肥和經(jīng)營制度等自然和人為因素影響較大，無法將這些指標(biāo)具體量化到評價指標(biāo)體系中。在今后的評價工作中，應(yīng)進(jìn)一步加強土壤潛在生產(chǎn)能力和現(xiàn)實生產(chǎn)能力之間差異的研究，找出造成土壤肥力差異的評價因子和量化評價方法，提出更加科學(xué)合理的評價結(jié)果，從而為科學(xué)、高效利用土地資源，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高作物產(chǎn)量提供依據(jù)。

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