基于模糊數(shù)學和主成分分析的長期施肥紅壤旱地土壤肥力評價

楊旭初,葉會財，李大明，余喜初，柳開樓,胡秋萍，胡志華，谷子寒，胡惠文，周利軍，黃慶海，林小兵

(江西省紅壤研究所/國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心,江西 南昌 331717)

玉米作為中國3大主產(chǎn)糧食之一，據(jù)《2015中國統(tǒng)計年鑒》顯示，中國玉米播種面積占農(nóng)作物播種總面積的22.9%，玉米產(chǎn)量占農(nóng)作物總產(chǎn)量的36.1%[1]。隨著畜牧業(yè)的發(fā)展，玉米用途主要由糧食向飼料原料轉(zhuǎn)變，據(jù)廖永松等[2]估計，到2020年，80%以上的玉米將用來做飼料，我國飼料玉米仍有缺口，因此玉米生產(chǎn)同樣關(guān)乎國家糧食安全。

施肥對土壤生產(chǎn)力、養(yǎng)分回收率、作物產(chǎn)量等方面具有主要貢獻作用。國內(nèi)外長期定位試驗表明，均衡施肥或有機無機肥料配施是維持作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的有效措施，但是長期施用化肥(尤其是過量)，土壤質(zhì)量及生產(chǎn)力出現(xiàn)下降[3]。據(jù)段英華等[4]研究表明，湖南紅壤長期施用化肥，土壤pH值平均每年下降0.06個單位，在土壤pH值4.5～6.3范圍內(nèi)，pH值每降低1個單位，玉米氮肥回收率下降10.9%。

土壤肥力評價至今無統(tǒng)一的方法、指標和模型，目前主要有專家打分法、Fuzzy綜合評判法、全量數(shù)據(jù)集法、最小數(shù)據(jù)集法等[5-6]。除專家打分是主觀評價外，其余都是采用模糊數(shù)學和相關(guān)分析的理論，由于不同研究者對不同指標重要性的認識不同，因此土壤肥力指標的選擇及權(quán)重確定各有不同[7]。例如包耀賢等[8]選用土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀、粘粒、團聚度、團聚體穩(wěn)定率8個指標作為最小數(shù)據(jù)集評價紅壤性水稻土綜合肥力。溫延臣等[9]選用土壤物理、化學、生物學共14個指標評價了潮土小麥-玉米輪作區(qū)土壤綜合肥力。

我國紅壤面積達218萬km2，資源豐富，約占全國總土地面積的21.8%，主要分布在江西、湖南等長江以南的低山丘陵區(qū)。目前南方紅壤旱地的土壤肥力評價方法較少，且缺少對其評價結(jié)果的客觀性驗證。因此，本研究選自1986年建立的江西省進賢縣紅壤旱地玉米定位試驗，基于模糊數(shù)學和主成分分析的方法評價長期不同施肥模式下土壤綜合肥力，并結(jié)合產(chǎn)量及產(chǎn)量穩(wěn)定性進行驗證，以期為玉米施肥提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

玉米長期定位試驗位于江西省進賢縣江西省紅壤研究所內(nèi)(116°20′24″N、28°15′30″E)，為典型低丘地形(海拔25 m，坡度5°)，土壤類型為第四紀紅粘土發(fā)育的紅壤。中亞熱帶季風氣候，年平均氣溫18.7 ℃，年降水量1 807.5 mm ，年日照時數(shù) 1 657.8 h，>10℃有效積溫3 511.1℃。試驗前耕層土壤理化性狀：pH值6.0，有機質(zhì)16.2 g/kg，全氮0.9 g/kg，全磷14.2 g/kg，全鉀15.8 g/kg，堿解氮60.3 mg/kg，有效磷12.9 mg/kg，速效鉀102.5 mg/kg。種植制度為春玉米-秋玉米-冬閑，1986～2015年春秋季玉米品種為掖單13號。

1.2 試驗設(shè)計

長期定位試驗共設(shè)10個處理，分別為：不施肥(CK)、單施豬糞(M)、單施氮肥(N)、單施磷肥(P)、單施鉀肥(K)、施氮磷肥(NP)、施氮鉀肥(NK)、氮磷鉀平衡施肥(NPK)、施2倍氮磷鉀化肥(NPK2)、施氮磷鉀化肥+豬糞(NPKM)。3次重復，小區(qū)面積22.2 m2，種植密度79 200株/hm2，春、秋季玉米肥料用量相同(表1)。氮肥為尿素(N 46%)，磷肥為鈣鎂磷肥(P2O512%)，鉀肥為氯化鉀(K2O 60%)。磷肥、豬糞作基肥施用，鉀肥在播種后第7 d全部做追肥施用，氮肥在播種后第7和第14 d各追肥50%。

表1 不同處理施肥量 (kg/hm2)

1.3 土壤肥力綜合指數(shù)計算

本研究構(gòu)建土壤肥力綜合指數(shù)(soil nutrient index，SNI)作為土壤養(yǎng)分綜合評價依據(jù)，其值越高，土壤肥力越好，具體計算過程如下：

(1)

(2)

式中，Wj為第j個指標的權(quán)重。

(3)

式中，Qj表示第j個指標的隸屬度值。

要計算SNI，一是土壤指標的選擇；二是指標權(quán)重的確定，三是隸屬函數(shù)的建立。

1.3.1 土壤指標的選擇

參考文獻[10]選取土壤pH值、有機質(zhì)含量、有效磷含量、速效鉀含量、陽離子交換量進行紅壤旱地土壤肥力評價。土壤pH值的測定采用電極法(水土比為2.5∶1)，土壤有機質(zhì)的測定采用水合重鉻酸鉀氧化-比色法，土壤有效磷的測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，土壤速效鉀的測定采用醋酸銨浸提-火焰光度法，土壤陽離子交換量的測定采用醋酸銨交換-火焰光度法[11]。

1.3.2 指標權(quán)重的確定

利用主成分分析對上述土壤指標進行權(quán)重確定。

1.3.3 隸屬函數(shù)建立和隸屬度的計算

隸屬度函數(shù)實際上是評價指標與作物生長曲線之間的數(shù)學表達式，它可以將不同量綱的指標轉(zhuǎn)化數(shù)值為0～1之間的無量綱值，單一指標隸屬度越大，反映該指標的肥力水平越高。土壤pH值采用梯型隸屬函數(shù)，按公式(4)計算隸屬度；土壤有機質(zhì)含量、有效磷含量、速效鉀含量、陽離子交換量采用S型隸屬函數(shù)，按公式(5)計算隸屬度。

(4)

(5)

公式(4)和(5)中X為上述土壤指標實際含量，X1、X2、X3、X4分別為各土壤指標的下臨界值、上臨界值、最優(yōu)值下限、最優(yōu)值上限。其值參考文獻[12]及江西紅壤旱地實際情況來確定。

表2 土壤指標的隸屬函數(shù)類型和拐點值

1.4 土壤綜合肥力驗證

玉米產(chǎn)量受當季氣候影響波動較大，因此選取試驗30年的平均年產(chǎn)量及其變異系數(shù)(CV)、穩(wěn)定系數(shù)(SYI)3個指標來驗證土壤肥力[13]。產(chǎn)量統(tǒng)計方法：于1986～2015年每季玉米收獲時，整個小區(qū)單收單曬，并按14%籽粒含水率折算產(chǎn)量，年產(chǎn)量為春、秋季產(chǎn)量之和；年產(chǎn)量變異系數(shù)、穩(wěn)定系數(shù)按公式(6)、(7)計算，標準差越大，穩(wěn)定系數(shù)越低，變異系數(shù)越大。

(6)

(7)

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0進行方差分析， Duncan法進行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施肥對紅壤旱地土壤養(yǎng)分及特性的影響

由表3可知，長期不同施肥處理對土壤pH值及有機質(zhì)含量、有效磷含量、速效鉀含量、陽離子交換量均有顯著影響(P<0.05)。土壤pH值、有效磷含量、陽離子交換量以單施豬糞(M)最高，偏施氮肥(N)最低；有機質(zhì)含量以化肥配施豬糞(NPKM)處理最高，CK最低；速效鉀含量以施2倍氮磷鉀化肥(NPK2)最高，偏施氮磷肥(NP)最低。

表3長期施肥對土壤養(yǎng)分含量及特性的影響

處理pH值有機質(zhì)(g/kg)有效磷(mg/kg)速效鉀(mg/kg)陽離子交換量(cmol/kg)CK5 20c13 50c10 20c80 00ef9 71eM6 40a17 83a183 50a141 67d12 78aN4 40e14 67c9 80c78 33ef9 47eP5 34c14 73bc23 00bc103 33e10 33cdK5 26c13 73bc20 70bc268 33b10 17cdNP5 18c13 90bc22 90bc65 00f10 60cNK4 80d15 70c14 90bc206 67c9 89deNPK4 85d15 27bc16 70c185 00c9 59eNPK24 84d15 43b29 80b321 67a9 94deNPKM6 03b20 00a177 30a246 67b11 73b

注：同列不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著，下同。

2.2 長期施肥紅壤旱地土壤肥力評價

從圖1可知，5個土壤指標的平均隸屬度以氮磷鉀配施豬糞(NPKM)最高，為0.94；其次為單施豬糞(M)，為0.92；單施氮肥(N)最低，為0.41。從5個指標來看，土壤有效磷平均隸屬度最高，為0.83；土壤速效鉀次之，為0.75；土壤pH值最低，為0.52。

將土壤pH值、有機質(zhì)含量、有效磷含量、速效鉀含量、陽離子交換量數(shù)據(jù)進行球形假設(shè)檢驗，KMO值為0.73，Bartlett值為127.98，sig=0.00<0.01，且Person相關(guān)性分析(表4)表明除土壤速效鉀外，土壤pH值、有機質(zhì)含量、有效磷含量、陽離子交換量之間均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，說明5個指標之間可以進行主成分分析。前2個主因子的方差貢獻率為92.0%，說明前2個主因子可以代表原始數(shù)據(jù)92.0%的數(shù)據(jù)。土壤pH值和土壤養(yǎng)分指標的權(quán)重結(jié)果見表5。

圖1 土壤指標平均隸屬度雷達圖

表4 土壤養(yǎng)分及特性的相關(guān)性

注：**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

從圖2可知，試驗30年后，玉米土壤肥力綜合指數(shù)(SNI)從高到低依次為NPKM>M>K>P>NPK2>NPK>NP>NK>CK>N?；逝涫┴i糞(NPKM)土壤肥力綜合指數(shù)最高，為0.94；單施豬糞(M)次之，為0.92；單施氮肥(N)最差，為0.42。

表5 變量在主成分上的載荷矩陣及變量權(quán)重

圖2 各土壤指標綜合肥力貢獻率雷達圖

2.3 紅壤旱地土壤肥力驗證

從表6可知，除單施豬糞(M)處理外，其余各處理平均年產(chǎn)量、產(chǎn)量穩(wěn)定系數(shù)、產(chǎn)量變異系數(shù)與土壤肥力綜合指數(shù)相比，排名規(guī)律基本相同。長年單施豬糞(M)，土壤肥力綜合指數(shù)排第2，而平均周年產(chǎn)量、產(chǎn)量穩(wěn)定系數(shù)、產(chǎn)量變異系數(shù)分別排第3、第6、第6。

表6 玉米平均周年產(chǎn)量描述性統(tǒng)計

3 討論與結(jié)論

土壤基礎(chǔ)肥力是作物可持續(xù)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，長期不同施肥模式通過影響土壤肥力從而影響土壤生產(chǎn)力。南方紅壤具有酸、瘦、板、粘的特點，其中土壤酸化嚴重[14]。本文研究表明，與試驗前相比，試驗30年后，單施豬糞和氮磷鉀配施豬糞處理土壤pH值提高0.40、0.03個單位，其余處理下降0.74～1.60個單位，對照處理下降0.80個單位。說明酸沉降等自然因素是紅壤旱地酸化的主要原因之一，施用有機肥豬糞和氮磷鉀配施豬糞可以維持和提高土壤pH值，是阻控紅壤酸化的有效措施，不均衡施肥顯著加劇紅壤酸化。這與前人[15-16]的研究結(jié)果一致。

南方紅壤富含鋁鐵氧化物，對有效磷固定能力很強，使磷素由可溶態(tài)向難溶態(tài)轉(zhuǎn)變，大大降低了土壤磷素的有效性，造成紅壤普遍缺磷[17]。本研究表明，不同處理間土壤有效磷含量為9.80～177.30 mg/kg，長期施用豬糞和氮磷鉀配施豬糞土壤有效磷含量較對照分別提高16.99、16.38倍，活化了土壤磷素，提高了土壤有效磷含量。可能的原因是施用豬糞降低了土壤交換性Al3+濃度，減輕了鋁鐵氧化物對磷素的固定，從而緩解了鋁毒。

長期定位試驗系統(tǒng)科學地反映了土壤肥力演變及肥效變化規(guī)律，是研究土壤的經(jīng)典試驗[18]。土壤肥力評價關(guān)鍵在于土壤指標的選擇、指標權(quán)重和隸屬函數(shù)閥值的確定，本評價體系表明，采用主成分分析確定指標權(quán)重的方法是可行的。本文研究表明，紅壤旱地土壤肥力綜合指數(shù)排名以氮磷鉀配施豬糞最高，施用豬糞次之，偏施氮肥最低。對比產(chǎn)量、產(chǎn)量穩(wěn)定系數(shù)、變異系數(shù)排名順序，除單施豬糞處理外，其余各處理土壤肥力驗證結(jié)果均較好。施用豬糞處理土壤肥力綜合指數(shù)和平均年產(chǎn)量排名靠前，產(chǎn)量穩(wěn)定系數(shù)和變異系數(shù)排名靠后?？赡艿脑蚴秦i糞中有機質(zhì)含量高，養(yǎng)分釋放過程較慢，其主要功能在于培肥，玉米產(chǎn)量逐年緩慢增加，因此，產(chǎn)量穩(wěn)定系數(shù)較低、變異系數(shù)較高。

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