雷州半島桉樹林地土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

李孔生，周保彪，陳馬興，簡(jiǎn) 明

(1.中國(guó)林業(yè)集團(tuán)國(guó)營(yíng)雷州林業(yè)局，廣東 遂溪 524348；2.湛江市林業(yè)良種繁育場(chǎng)，廣東 湛江 524300)

雷州半島桉樹林地土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

李孔生1，周保彪2，陳馬興1，簡(jiǎn) 明1

(1.中國(guó)林業(yè)集團(tuán)國(guó)營(yíng)雷州林業(yè)局，廣東 遂溪 524348；2.湛江市林業(yè)良種繁育場(chǎng)，廣東 湛江 524300)

利用相關(guān)分析和模糊數(shù)學(xué)原理，建立土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)體系。根據(jù)作物效應(yīng)曲線，對(duì)雷州半島桉樹林地12項(xiàng)肥力指標(biāo)建立隸屬度函數(shù)，并依據(jù)各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)確定各指標(biāo)的權(quán)重，求得土壤肥力綜合指標(biāo)(IFI)。結(jié)果表明：土壤肥力綜合指標(biāo)值IFI主要分布在0.2 ~ 0.4之間，平均值為0.27，土壤肥力總體處于四級(jí)低等水平。

土壤肥力；綜合評(píng)價(jià)；模糊數(shù)學(xué)；隸屬度

桉樹(Eucalyptus)于 1890年引入我國(guó)，具有適應(yīng)性強(qiáng)、材質(zhì)好、用途廣的優(yōu)良特性。其人工林由于具有輪伐期短、耐旱耐瘠、速生豐產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)價(jià)值高等特點(diǎn)，在20世紀(jì)50年代后得到迅速發(fā)展，至2013年已發(fā)展到450萬(wàn)hm2[1]。桉樹人工林的廣泛種植對(duì)雷州半島的水土保持起了一定作用[2-3]。土壤是林木生長(zhǎng)的載體，林木生長(zhǎng)量的高低取決于土壤肥力的大小程度。土壤肥力是土壤各種性質(zhì)的綜合表現(xiàn)，是土壤的基本屬性，反映土壤為植物生長(zhǎng)提供適宜條件的能力。雷州半島林區(qū)由于歷經(jīng)多代桉樹人工林經(jīng)營(yíng)以及缺乏完善的土壤管理措施，土壤肥力呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，影響了當(dāng)?shù)亓謽I(yè)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展。

隨著土壤研究的不斷深入，人們已認(rèn)識(shí)到土壤肥力的高低不僅取決于某幾項(xiàng)肥力指標(biāo)含量的高低，還與各肥力指標(biāo)之間的相互適應(yīng)程度有關(guān)。對(duì)土壤肥力的正確認(rèn)識(shí)和科學(xué)客觀的評(píng)價(jià)是準(zhǔn)確了解土壤本質(zhì)以及更好利用土壤資源的保障?？茖W(xué)的土壤肥力評(píng)價(jià)是基于其評(píng)價(jià)過(guò)程的科學(xué)性，主要包括評(píng)價(jià)尺度和評(píng)價(jià)單元的選擇、評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇、土壤樣品采集、評(píng)價(jià)方法的選擇，每個(gè)過(guò)程都會(huì)影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確度[4]。近年來(lái)，隨著數(shù)值化評(píng)價(jià)方法的提出和進(jìn)一步應(yīng)用，以及模糊數(shù)學(xué)方法和多元統(tǒng)計(jì)分析方法等研究方法的廣泛應(yīng)用，相關(guān)學(xué)者對(duì)土壤肥力的研究已取得了較多的成果[5-8]，對(duì)土壤肥力的評(píng)價(jià)越來(lái)越趨于定量化和標(biāo)準(zhǔn)化，使評(píng)價(jià)結(jié)果更準(zhǔn)確、客觀。

本文以雷州半島為研究區(qū)域，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法，務(wù)求客觀全面地對(duì)雷州半島桉樹林地的土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為桉樹人工林地力退化防治和桉樹人工林的合理經(jīng)營(yíng)及科學(xué)施肥提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

研究土壤采自廣東省雷州半島桉樹林地。該林區(qū)位于北緯20°13＇ ~ 21°55＇，東經(jīng)109°39＇ ~ 110°38＇。地勢(shì)較平坦開(kāi)闊，屬熱帶北緣海洋性季風(fēng)氣候。年平均氣溫23.5℃，7月份平均氣溫28.9℃，1月份平均氣溫15.2℃。該區(qū)域桉樹以5 a短輪伐期為主，栽培密度為株行距1.2 m ~ 1.5 m × 2.5 m ~ 3 m，通過(guò)機(jī)械全墾、撫育，植苗前施基肥，每年追肥至栽培滿3 a后施最后一次肥。

2 研究方法

2.1 材料與測(cè)定方法

按照《森林土壤樣品的采集與制備》(LY/T 1210—1999)的方法[9]，于2011年3—6月在未經(jīng)過(guò)煉山的采伐跡地采樣，共采集了523個(gè)混合土樣。采樣深度為0 ~ 50 cm，采用S形取樣法，每個(gè)采樣單元的混合樣品由7個(gè)以上樣點(diǎn)的土壤混合而成，充分混合后用四分法反復(fù)取舍，至保留1 kg左右。送至實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)風(fēng)干、研磨和過(guò)篩，備用。

考慮到土壤養(yǎng)分元素對(duì)土壤肥力的影響，盡量選用較多的元素來(lái)表征土壤綜合肥力。因而選用土壤大量元素和中微量元素的含量來(lái)共同分析研究土壤肥力，以達(dá)到全面評(píng)價(jià)的目的。因此本研究選用12項(xiàng)肥力特征作為土壤肥力綜合評(píng)價(jià)的參考指標(biāo)，包括pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮(N)、堿解氮(N)、速效磷(P)、速效鉀(K)、交換性鈣(Ca)、交換性鎂(Mg)、有效銅(Cu)、有效鋅(Zn)、有效錳(Mn)、有效硼(B)。各指標(biāo)的測(cè)定均采用《土壤農(nóng)化分析》中的分析方法[10]：pH值采用2.5:1水土比水浸提電位法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀濃硫酸外加熱法測(cè)定；全N采用半微量凱氏法測(cè)定；堿解N采用堿解—擴(kuò)散法測(cè)定；速效P采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定；速效K采用中性乙酸銨浸提——火焰光度法測(cè)定；交換性Ca、Mg采用乙酸銨交換——原子吸收分光光度法測(cè)定；有效Cu、Zn采用稀鹽酸浸提——原子吸收分光光度法測(cè)定；有效Mn采用對(duì)苯二酚—醋酸銨浸提—原子吸收分光光度法測(cè)定；有效B采用沸水浸提——姜黃素比色法測(cè)定。

2.2 評(píng)價(jià)方法

土壤綜合肥力評(píng)價(jià)已有相關(guān)研究，對(duì)土壤肥力數(shù)值化綜合評(píng)價(jià)也有一定的探討[11-17]，但對(duì)土壤參評(píng)因素的選定、各肥力因素分級(jí)指標(biāo)的劃分，權(quán)重系數(shù)的確定尚未統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，隨意性較多，而各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文在綜合考慮各種方法的基礎(chǔ)上，采用模糊數(shù)學(xué)原理對(duì)土壤中各肥力指標(biāo)建立相應(yīng)的隸屬函數(shù)，計(jì)算其隸屬度值，以此來(lái)表示各肥力指標(biāo)的狀態(tài)值，然后加權(quán)各項(xiàng)指標(biāo)求得綜合性指標(biāo)值 IFI (Integrated Fertility Index)，最后以簡(jiǎn)單的數(shù)值指標(biāo)來(lái)表達(dá)復(fù)雜的土壤肥力。

2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分和計(jì)算

由于各肥力指標(biāo)對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)不完全相同，而且各項(xiàng)實(shí)測(cè)值之間的量綱也各有差別，所以在求算土壤肥力綜合指標(biāo)時(shí)，不能將各單項(xiàng)肥力指標(biāo)簡(jiǎn)單地直接相加，而是經(jīng)過(guò)一定的數(shù)學(xué)運(yùn)算，對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

對(duì)土壤各肥力因素建立相應(yīng)的隸屬函數(shù)，計(jì)算其隸屬度值，以此來(lái)表示各肥力指標(biāo)的狀態(tài)值。對(duì)于酸性土壤，其肥力指標(biāo)包括pH值、有機(jī)質(zhì)、全N、有效N、P、K、交換性Ca、Mg和有效微量元素Cu、Zn、Mn、B等，在一定的范圍內(nèi)，作物的效應(yīng)曲線呈現(xiàn)為S型，所以其隸屬度函數(shù)也采用S型曲線[18]，并將曲線函數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的折線函數(shù)以利于計(jì)算(圖1)。

圖1 S型隸屬度函數(shù)曲線

由于各單項(xiàng)肥力豐缺指標(biāo)因土壤和作物類型的不同而各異，因此綜合前人研究結(jié)果[18-19]，結(jié)合酸性土壤下桉樹生長(zhǎng)的實(shí)際情況，確定曲線中轉(zhuǎn)折 點(diǎn)的相應(yīng)取值(表1)。

表1 S型隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值

2.2.2 單項(xiàng)肥力指標(biāo)權(quán)重確定

由于各肥力因素對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)是不同的，故對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)給予一定的權(quán)重。權(quán)重系數(shù)的確定是肥力綜合評(píng)價(jià)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，為了避免人為主觀因素的影響，應(yīng)根據(jù)土壤肥力本身的內(nèi)在關(guān)系作出正確的選擇。

相關(guān)系數(shù)是反映變量之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，在相關(guān)分析中，Spearman秩相關(guān)系數(shù)是一個(gè)非參數(shù)性質(zhì)(與分布無(wú)關(guān))的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性指標(biāo)，由Spearman于1904年提出，用來(lái)度量?jī)蓚€(gè)變量之間聯(lián)系的強(qiáng)弱。由于土壤肥力各要素之間是相互作用并相互影響，它們之間存在一種友好協(xié)同的關(guān)系，在土壤中有機(jī)地結(jié)合為一個(gè)整體，任意兩因子之間的關(guān)系必然受到其它因素變化的影響[18]。因此，對(duì)土壤肥力的研究，各項(xiàng)肥力指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)可由Spearman相關(guān)系數(shù)來(lái)確定。計(jì)算步驟為：

①計(jì)算各單項(xiàng)肥力指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)(ri)；

②再求各單項(xiàng)肥力指標(biāo)與其它肥力指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)的平均值(ˉri)，以該平均值占所有肥力指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)平均值總和(Σˉri)的比值(ˉri/Σˉri)作為該單項(xiàng)肥力指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)Wi。

2.2.3 土壤肥力綜合指標(biāo)值的計(jì)算

根據(jù)加乘法則，在相互交叉的同類指標(biāo)間采用加法合成，求出土壤肥力的綜合性指標(biāo)值IFI。計(jì)算公式為：

式(1)中Wi和Ni分別表示第i種肥力指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)和相應(yīng)的第i種肥力指標(biāo)隸屬度值。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)S型隸屬度函數(shù)(圖1)及表1的取值，計(jì)算得出各肥力指標(biāo)的隸屬度值為0.1 ~ 1.0，其值的大小反映了其指標(biāo)隸屬的程度。最大值1.0表示土壤肥力狀況適宜作物的生長(zhǎng)，最小值0.1表示土壤肥力嚴(yán)重缺乏。由于土壤中沒(méi)有某種養(yǎng)分是完全缺乏的，并且為了計(jì)算的方便，將最小值定為0.1而非0，以此避免了零值過(guò)多的問(wèn)題，消除了各參數(shù)指標(biāo)間的量綱差異。

表2為利用SPSS 19軟件分析得出矩陣表，表中負(fù)值表示兩指標(biāo)為負(fù)相關(guān)。表3中大量養(yǎng)分元素及有機(jī)質(zhì)的權(quán)重總和為0.531 0，說(shuō)明擬合結(jié)果符合生產(chǎn)實(shí)際。

表2 肥力指標(biāo)Spearm an相關(guān)系數(shù)半矩陣

表3 肥力指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值和權(quán)重系數(shù)

經(jīng)計(jì)算，土壤肥力綜合指標(biāo)值IFI主要分布在0.2 ~ 0.4之間，平均值為0.27。如表4，一級(jí)水平的樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為0個(gè)；二級(jí)水平的樣點(diǎn)數(shù)為2個(gè)，占樣點(diǎn)總數(shù)的0.38%；三級(jí)水平樣點(diǎn)數(shù)為33個(gè)，占樣點(diǎn)總數(shù)的6.32%；四級(jí)水平樣點(diǎn)數(shù)為443個(gè)，占樣點(diǎn)總數(shù)的84.70%；五級(jí)水平樣點(diǎn)數(shù)為45個(gè)，占樣點(diǎn)總數(shù)的8.60%。

對(duì)523個(gè)土壤樣品利用SPSS19軟件進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)，并按照全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)其分級(jí)狀況[20]，發(fā)現(xiàn)土壤大量養(yǎng)分含量非常低，部分已達(dá)到缺乏的程度。表5 ~ 6顯示，雷州半島桉樹林地土壤呈強(qiáng)酸性，土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為8.87 g·kg-1，土壤肥力質(zhì)量為五級(jí)缺乏水平；全 N和速效 K 平均含量分別為 0.46 g·kg-1和 19.70 mg·kg-1，屬六級(jí)極缺乏水平；堿解 N平均含量為91.64 mg·kg-1，為三級(jí)中等水平；速效K平均含量為5.25 mg·kg-1，為四級(jí)低等水平；土壤中Cu、Mn、B元素含量中等，但Mn元素分布差異大；土壤中缺乏B元素。這與鐘繼洪等[21]的觀測(cè)結(jié)果相符，表明桉樹人工林多代經(jīng)營(yíng)后，土壤肥力退化嚴(yán)重，養(yǎng)分含量缺乏，說(shuō)明本文所采用的方法和所獲得的土壤養(yǎng)分肥力數(shù)值化綜合評(píng)價(jià)結(jié)果是可取的，它在一定程度上能反映土壤肥力狀況。

綜上所述，雷州半島桉樹林地土壤肥力總體處于四級(jí)低等水平。

表4 土壤肥力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果IFI

表5 土壤肥力指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表6 土壤肥力指標(biāo)分級(jí)分布狀況 %

4 結(jié)語(yǔ)

土壤肥力是諸多肥力因素綜合作用的反映，雖然有關(guān)土壤肥力指標(biāo)的選擇、肥力等級(jí)的劃分以及權(quán)重系數(shù)的確定，在國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但是運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法得出簡(jiǎn)單的數(shù)量指標(biāo)來(lái)表示復(fù)雜的土壤肥力，模型簡(jiǎn)單可靠，在較大程度上避免了主觀隨意性的影響，使評(píng)價(jià)結(jié)果可信度高，是一個(gè)值得探討的方向。有關(guān)參評(píng)指標(biāo)的篩選、隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的取值和權(quán)重系數(shù)的確定等還有待進(jìn)一步完善。

[1] 陳少雄,陳小菲.我國(guó)桉樹經(jīng)營(yíng)的技術(shù)問(wèn)題與思考[J].桉樹科技,2013,30(3):52?59.

[2] 張順恒,陳輝.桉樹人工林的水源涵養(yǎng)功能[J].福建林學(xué)院學(xué)報(bào),2010,30(4):300?303.

[3] 趙筱青,和春蘭,易琦.大面積桉樹引種區(qū)土壤水分及水源涵養(yǎng)性能研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2012,26(3):205?210.

[4] 吳玉紅,田霄鴻,同延安,等.基于主成分分析的土壤肥力綜合指數(shù)評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)雜志,2010,29(1):173?180.

[5] 陳少雄.桉樹人工林土壤養(yǎng)分現(xiàn)狀與施肥研究[J].桉樹科技,2009,26(1):52?63.

[6] 戴國(guó)樹,徐杏,繆翠云,等.上海農(nóng)場(chǎng)耕地土壤肥力評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)與裝備,2013(11):64?66.

[7] 陳澤鵬,詹振壽,郭治興,等.廣東植煙土壤肥力綜合評(píng)價(jià)[J].中國(guó)煙草科學(xué),2006(1):35?37.

[8] 張加云,李向陽(yáng),余凌翔,等.云南省新煙區(qū)土壤肥力狀況綜合評(píng)價(jià)[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2011,24(4):1386?1389.

[9] 張萬(wàn)儒,楊光瀅,屠星南,等.LY/T 1210—1999森林土壤樣品的采集與制備[S].北京:國(guó)家林業(yè)局,1999.

[10] 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析(第三版)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2005.

[11] 闞文杰,吳啟堂.一個(gè)定量綜合評(píng)價(jià)土壤肥力的方法初探[J].土壤通報(bào),1994,25(6):245?247.

[12] 翟玉順,章熙谷.南方紅壤地區(qū)水稻土的肥力評(píng)價(jià)[J].自然資源學(xué)報(bào),1994,9(4):341?349.

[13] 孫波,張?zhí)伊?趙其國(guó).我國(guó)東南丘陵山區(qū)土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)[J].土壤學(xué)報(bào),1995,32(4):362?369.

[14] 王建國(guó),楊林章,單艷紅.模糊數(shù)學(xué)在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究[J].土壤學(xué)報(bào),2001,38(2):176?183.

[15] 呂新,寇金梅,李宏偉.模糊評(píng)判方法在土壤肥力綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2004,22(3):56?59.

[16] 龔弘娟,蘇志堯,朱劍云,等.東莞林科園土壤養(yǎng)分狀況分析[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,27(2):88?91.

[17] 鐘來(lái)元,郭良珍.雷州半島南部土壤肥力綜合評(píng)價(jià)及空間變異[J].廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(3):76?81.

[18] 駱伯勝,鐘繼洪,陳俊堅(jiān).土壤肥力數(shù)值化綜合評(píng)價(jià)研究[J].土壤,2004,36(1):104?106.

[19] 呂曉男,陸允甫,王人潮.土壤肥力綜合評(píng)價(jià)初步研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版),1999,25(4):378?382.

[20] 全國(guó)土壤普查辦公室.中國(guó)土壤普查技術(shù)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,1992.

[21] 鐘繼洪,李淑儀,藍(lán)佩玲,等.雷州半島桉樹人工林土壤肥力特征及其成因[J].水土保持通報(bào),2005,25(3):44?48.

Soil Fertility Integrated Evaluation of Eucalypt Plantation in Leizhou Peninsula

LI Kong-sheng1, ZHOU Bao-biao2, CHEN Ma-xing1, JIAN M ing1
(1. Leizhou Forestry Bureau of China Forestry Group, Suixi 524348, Guangdong, China; 2. Zhanjiang Forestry Breeding Farm, Zhanjiang 524300, Guangdong, China)

A comprehensive soil fertility evaluation system was developed using correlation analyses and fuzzy mathematics. From the crop-effect curves obtained, 12 soil indices were found to be important for defining the fertility of Eucalyptus plantations in Leizhou Peninsula. Correlation coefficients of each index were used to determine weights for each of these 12 indicators in formulating an Integrated Soil Fertility Index (IFI) function. The results showed that values of this IFI on the Leizhou peninsular were distributed mainly in the range of 0.2 ~ 0.4, w ith the average value being 0.27. Overall, soil fertility in the region is considered to be of a low level and categorized as grade 4.

soil fertility; integrated evaluation; fuzzy mathematics; membership function

S714.8

A

2014-11-12

李孔生(1987— )，男，助理工程師，主要從事桉樹施肥研究.E-mail: likongsheng@126.com