模糊綜合評價法判斷重慶花椒種植區(qū)土壤肥力水平*

趙敬坤，陳松柏，李忠意，王洋，張濤，王帥

(1. 重慶市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，重慶市，401121； 2. 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶市，400715；3. 重慶市江津區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，重慶市，402260； 4. 重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶市，401329)

0 引言

花椒(Zanthoxylumbungeanum)是蕓香科花椒屬落葉小喬木或灌木，是我國特有的食用香辛料樹種，具有獨特的食用和藥用價值，在我國已有兩千多年的栽培歷史?；ń窐淠秃怠⑾补?、根淺，適應(yīng)性強，是我國極力推廣的一種生態(tài)經(jīng)濟型樹種，在促進山區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)扶貧中具有重要作用。花椒廣泛種植于四川、重慶、甘肅、陜西等省市，其中以四川、重慶的花椒最為著名[1-2]。據(jù)林業(yè)統(tǒng)計資料，2015年全國干花椒總產(chǎn)量398 kt，重慶干花椒產(chǎn)量47 kt，占全國干花椒總產(chǎn)量的11.8%，是全國第四大花椒生產(chǎn)區(qū)[3]。

近年來，隨著花椒產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，花椒種植區(qū)土壤的肥力水平狀況得到越來越多的關(guān)注[4-6]。王璐等[7]采用主成分分析法對貴州喀斯特石漠化地區(qū)的頂壇花椒土壤養(yǎng)分質(zhì)量進行評價。喻陽華等[8]還對貴州喀斯特山區(qū)花椒林石槽、土面、石溝、石縫和石坑5種小環(huán)境的土壤質(zhì)量特征進行評價，得到肥力水平較高的土面、石槽和石縫土壤可加以改造利用，肥力水平較低的石洞、石溝土壤應(yīng)以自然恢復(fù)為主。謝毓芬等[9]對陜西花椒主產(chǎn)區(qū)椒園土壤養(yǎng)分狀況的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)花椒園土壤大部分存在低氮低磷高鉀現(xiàn)象。而陜西省渭北旱塬花椒園的土壤大多存在低有機質(zhì)低氮高磷高鉀低的現(xiàn)象[10]。楊林生等[3]對重慶江津區(qū)的九葉青花椒施肥現(xiàn)狀進行了評價，發(fā)現(xiàn)施肥過量和不足問題同時存在。楊仕曦等[11]對重慶九龍坡區(qū)的土壤肥力進行了評價，認為該區(qū)域花椒種植區(qū)土壤養(yǎng)分失衡較為嚴重?？梢?，以往對于花椒種植區(qū)土壤肥力水平的研究存在尺度較小，評價指標(biāo)單一的問題，尚缺乏對較大規(guī)模的花椒種植區(qū)施肥和土壤肥力的綜合評價研究。

本文以重慶花椒種植區(qū)土壤為研究對象，選取容重、pH值、有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳、有效硼、有效鉬、有效硫共13項評價指標(biāo)，采用模糊綜合評價法對不同花椒種植區(qū)土壤質(zhì)量進行比較，并對各評價指標(biāo)進行空間變異特征分析，揭示土壤質(zhì)量狀況和變化規(guī)律，旨在為該區(qū)土壤質(zhì)量提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土樣采集與分析

2019年在重慶的花椒主要種植區(qū)縣采集花椒地土壤樣品45個。采樣地分布在江津區(qū)、九龍坡區(qū)、銅梁區(qū)、永川區(qū)、綦江區(qū)、梁平區(qū)、墊江縣、石柱縣、豐都縣和忠縣共十個區(qū)縣。土壤類型除1個黃壤和2個石灰(巖)土外，其余均為紫色土。按梅花型布點法進行采樣，每個樣品的采集布置5～8個采樣點，每個采樣點選擇在花椒滴水線下內(nèi)外30 cm處，采樣時先刮去 5 mm 左右厚度的表層土，以防止雜草對檢測結(jié)果干擾。用采樣鏟采集0～30 cm的表層土壤，然后把采到的土樣攤放在塑料布上，捏碎大塊，剔除石礫、動植物殘體等混雜物，充分拌勻后用“四分法”縮減至剩1 kg左右；最后將土壤樣品在室內(nèi)風(fēng)干，磨碎后過2.00 mm，1.00 mm和0.25 mm的尼龍篩備用。采用環(huán)刀法測定容重，采集方法為每個樣品選3個樣點，各取100 cm3的環(huán)刀樣品，該土壤的容重為3個環(huán)刀土樣容重的平均值。

土壤樣品的化學(xué)性質(zhì)采用常規(guī)分析方法測定[12]。土壤pH值采用電位法測定(土水比1∶2.5)；有機質(zhì)采樣重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用NaHCO3提取—鉬銻抗比色法測定；速效鉀的測定采用NH4Ac提取—火焰光度法；有效鐵、錳、銅、鋅的測定采用DTPA(二乙三胺五乙酸)提取—原子吸收分光光度法(Z-5000)；有效硼的測定采用沸水提取—姜黃素比色法；有效鉬的測定采用草酸/草酸銨浸提—等離子體發(fā)射光譜法(Optima 8000)；有效磷的測定采用純水提取—BaSO4比濁法。

1.2 模糊綜合評價方法

模糊綜合評價法是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，利用隸屬度理論和權(quán)重矩陣對相互制約的多因素進行總體量化評價，本文利用該方法衡量重慶市花椒地各樣點多因子影響土壤肥力水平高低，能夠系統(tǒng)、科學(xué)地橫向量化比較。

1.2.1 構(gòu)建綜合評價指標(biāo)體系

模糊綜合評價法的基礎(chǔ)是建立評價指標(biāo)體系，其選取是否合理直接影響綜合評價的準(zhǔn)確性。根據(jù)花椒生長所需關(guān)鍵養(yǎng)分和參照趙蛟等[13]土壤質(zhì)量評價方法，本文以45個土壤樣品為評價單元，選取容重、pH值、有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳、有效硼、有效鉬、有效硫建立因素評價集，共11個化學(xué)指標(biāo)和2個物理指標(biāo)。

1.2.2 計算各評價指標(biāo)隸屬度值

建立因素評價集之后，需對每個評價因素選取隸屬函數(shù)，進而確定隸屬度值，主要目的是將各因素值標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其無量綱化。本文中具體指各肥力因素與土壤質(zhì)量之間的函數(shù)關(guān)系，隸屬度值越接近于1，表示某評價單元中該肥力指標(biāo)值對構(gòu)成土壤質(zhì)量程度越高。

1.2.3 計算各評價指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

權(quán)重是因素評價集中各因素對土壤質(zhì)量的貢獻程度。本文利用相關(guān)系數(shù)法確定權(quán)重值，首先計算某指標(biāo)與其他指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，并對相關(guān)系數(shù)絕對值求平均值，單項指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值占所有指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值總和的比例，即為單項指標(biāo)在綜合指標(biāo)中的權(quán)重，所有指標(biāo)權(quán)重之和等于1。

1.2.4 計算綜合評價值

通過模糊數(shù)學(xué)中的加權(quán)乘法原理，計算綜合評價值。本文中土壤肥力綜合指數(shù)計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：FII——土壤肥力綜合指數(shù)；

wi——第i項指標(biāo)的權(quán)重；

qi(x)——第i項指標(biāo)隸屬度值；

n——指標(biāo)數(shù)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019對數(shù)據(jù)進行整理和繪圖，采用SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和相關(guān)性分析，利用ArcGIS中的Geostatistical Anaylst工具進行半變異差函數(shù)分析和模型擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量描述性統(tǒng)計分析

各土壤養(yǎng)分指標(biāo)測定結(jié)果的統(tǒng)計特征分析如表1所示。土壤容重和pH值的含量范圍分別為0.95～1.62 g/cm3和4.5～8.7，可見花椒地土壤緊實程度和土壤酸堿度的變化幅度較大。土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀的總體含量一般，但個別土壤的含量極低，另有部分土壤的有效磷含量極高，土壤有效磷最高值為162 mg/kg。供試花椒地土壤的有效微量元素含量分別為1.00±0.80 mg/kg(有效銅)、1.99±1.64 mg/kg(有效鋅)、50.4±50.4 mg/kg(有效鐵)、24.0±25.6 mg/kg(有效錳)、0.27±0.24 mg/kg(有效硼)、0.193±0.184 mg/kg(有效鉬)、40.9±27.5 mg/kg(有效硫)，所有的土壤有效微量元素含量的變異系數(shù)均較大，均在67%以上，說明重慶地區(qū)花椒種植地土壤的有效微量元素含量的空間分布很不均衡，不同地區(qū)或類型土壤的肥力水平差異較大。

表1 土壤肥力指標(biāo)測定結(jié)果統(tǒng)計分析Tab. 1 Statistical analysis of soil fertility indicators

2.2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)空間變異特征分析

利用ArcGIS軟件，對重慶市花椒地采樣點進行土壤養(yǎng)分插值，并利用Geostatistical Anaylst工具對各養(yǎng)分指標(biāo)進行半變異函數(shù)擬合，并通過均方誤差(MSE)和均方根誤差(RMSE)分析擬合模型的優(yōu)度，MES越接近于0、RMSE越近于1，則擬合優(yōu)度越高。由表2所得，容重、pH、有效鐵、有效硼均符合球狀模型，有機質(zhì)、堿解氮、有效錳、有效鉬、有效硫均符合指數(shù)模型，有效磷、有效銅符合高斯模型，速效鉀、有效鋅符合線性模型。通過預(yù)測誤差發(fā)現(xiàn)，有效硼的MSE、RMSE其值分別為0.207、1.457，說明其擬合優(yōu)度較低，其余理論模型均能較好地反映各養(yǎng)分指標(biāo)的空間結(jié)構(gòu)特征。容重、pH、有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效錳、有效鉬的塊金值和基臺值比值C0/C均小于0.5，說明具有較高的空間相關(guān)性，其空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素影響，而有效磷、有效鐵、有效硼、有效硫的C0/C分別為0.58、0.54、0.81、0.52，說明其空間相關(guān)性較弱，空間變異主要受隨機性因素影響。

表2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)半變異模型及其參數(shù)Tab. 2 Semi-variation model of soil nutrient index and its parameters

2.3 隸屬度值計算

不同肥力指標(biāo)對作物生長的影響情況不同，根據(jù)肥力指標(biāo)對作物生長的影響情況可分別采用拋物線型和S型函數(shù)計算各養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬度值[14]。由于土壤容重和pH值過高或過低均不利于作物生長，而其余肥力指標(biāo)通常是含量越高越有益于作物生長。因此，本研究選用的13種肥力指標(biāo)中，土壤容重和pH值采用拋物線型函數(shù)計算隸屬度值，拋物線型函數(shù)的計算公式為式(2)，式中土壤容重在拋物線函數(shù)中轉(zhuǎn)折點取值為：x1=1.0，x2=1.1，x3=1.4，x4=1.6；土壤pH值在拋物線函數(shù)中轉(zhuǎn)折點取值為：x1=4.5，x2=6.5，x3=7.5，x4=8.5[15]。

(2)

式中：Nik——第k項指標(biāo)隸屬度值；

xjk——第k項指標(biāo)實測值；

x1、x2、x3、x4——對應(yīng)折線的轉(zhuǎn)折點取值。

有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅、有效硼、有效硫、有效鉬采用S型函數(shù)計算隸屬度值。S型函數(shù)的計算公式如式(3)所示。

(3)

各肥力指標(biāo)在S型函數(shù)中轉(zhuǎn)折點的取值如表3所示[16]。根據(jù)建立的式(1)和式(2)隸屬度函數(shù)計算得到各土壤樣品中每種肥力指標(biāo)的隸屬度值。

表3 S型隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點的取值Tab. 3 Value of the turning points of curve in the S-type function

由于隸屬度值的計算是基于土壤肥力因子和作物產(chǎn)量和品質(zhì)間的相互關(guān)系建立的，因此隸屬度值的意義在于可以反映出單個肥力因子的含量水平，從而進一步對土壤肥力進行總體評價。本研究中對45個樣品的單項肥力指標(biāo)的隸屬度值求平均值，從而獲得的不同肥力指標(biāo)的隸屬度值如圖1所示。

圖1 計算得到的不同肥力指標(biāo)的隸屬度值Fig. 1 Calculated membership values ofdifferent fertility indicators

圖1中，重慶花椒種植地土壤的有效鋅和有效鐵的隸屬度值為0.89±0.26和0.91±0.24，隸屬度均值在各肥力指標(biāo)中最高，所以花椒種植地土壤的有效鋅和有效鐵含量較為豐富。土壤有效硼的隸屬度值最低，為0.15±0.18，不足有效鋅和有效鐵隸屬度值的1/5，供試土樣中只有一個土樣的有效硼含量達到 1.0 mg/kg 的豐富水平，所以重慶花椒種植區(qū)土壤硼的有效性較低，這也許會對產(chǎn)區(qū)內(nèi)的花椒產(chǎn)量產(chǎn)生負作用。除有效硼含量外，花椒種植區(qū)土壤有機質(zhì)的隸屬度值也較低，為0.34±0.23，可能受重施化肥輕施有機肥的影響。調(diào)查表明重慶市花椒種植地氮磷鉀養(yǎng)分平均施用量分別為350.7 kg/hm2、220.3 kg/hm2和288.2 kg/hm2，而有機肥投入的氮磷鉀養(yǎng)分量分別僅占其總養(yǎng)分投入量的2.64%、1.75%和2.22%，有機肥的投入占比較低[3]。

2.4 單項指標(biāo)權(quán)重系數(shù)確定

在確定好每種養(yǎng)分的隸屬度后，還需進一步確定每種養(yǎng)分對土壤整體肥力的貢獻程度，既每個養(yǎng)分指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。本研究中采用相關(guān)系數(shù)法確定每個養(yǎng)分指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，該方法可避免人為主觀因素對權(quán)重系數(shù)的影響。該方法確定權(quán)重系數(shù)大小的步驟為：首先采用SPSS軟件獲得不同肥力指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)(表4)，然后計算得到某一肥力指標(biāo)與其余肥力指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)絕對值之和的平均值，該平均值占所有肥力指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值總和的百分比即為該項肥力指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)(表5)。

表4中，土壤pH值與有效鐵和有效錳間呈極顯著的負相關(guān)性，這可能是由于土壤pH值越低，土壤中鐵錳氧化物的溶解度越高，土壤中鐵錳的有效性增加。土壤有機質(zhì)與堿解氮間的相關(guān)性系數(shù)為0.705，呈極顯著的正相關(guān)性，這是由于土壤中的氮素絕大部分以有機態(tài)存在，所以土壤碳氮間的相關(guān)性極為密切。此外，受復(fù)合肥施用等因素的影響，土壤氮磷鉀三元素之間的相關(guān)性均達到了顯著性水平。進一步通過相關(guān)系數(shù)計算得到的土壤各肥力指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)如表5所示，pH值和堿解氮的相關(guān)系數(shù)絕對值的平均值最大，二者的權(quán)重系數(shù)也最大，分別為0.095 9和0.134 4。作為土壤物理指標(biāo)的容重與其他化學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)性最差，其權(quán)重系數(shù)最低，為0.051 5。

表4 土壤肥力指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)矩陣Tab. 4 Correlation coefficients among soil properties

表5 各土壤肥力指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)平均值和權(quán)重系數(shù)Tab. 5 Average value of the correlation coefficient and theweight coefficient of each soil property

2.5 土壤肥力等級綜合評價

確定每個土壤各肥力指標(biāo)的隸屬度值和各肥力指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)后，采用累加法可獲得每個土樣的土壤肥力綜合指數(shù)，然后根據(jù)土壤肥力綜合指數(shù)對土壤肥力進行判斷。本研究中獲得的重慶花椒種植區(qū)土壤的綜合肥力指數(shù)如圖2所示。土壤肥力綜合指數(shù)的變化范圍為0.22～0.84，土壤肥力綜合指數(shù)越大，土壤肥力水平越高。按土壤肥力綜合指數(shù)大小可對土壤肥力狀況進行分級，分別為高(>0.8)、較高(0.6～0.8)、中(0.4～0.6)、較低(0.2～0.4)和低(<0.2)[16]。按此分級方法，供試的45個花椒種植地土樣僅1個土樣的肥力水平為高；肥力水平較高的有18個；肥力水平中等的占比51.1%，達23個；另有3個土樣的肥力水平為較低水平，占6.7%；無低肥力水平的土樣。因此，按照模糊綜合評價法，重慶花椒種植區(qū)土壤的肥力水平整體處于中等偏上水平。

圖2 各土壤樣品的肥力綜合指數(shù)Fig. 2 Comprehensive index of each soil based onfuzzy synthetic evaluation

2.6 土壤肥力綜合指數(shù)空間變異特征分析

由表6可以看出，重慶市花椒地土壤肥力綜合指數(shù)符合球狀模型，MSE和RMSE分別為-0.018、1.071，說明該理論模型能夠極好地反映重慶花椒地土壤肥力綜合指數(shù)空間結(jié)構(gòu)特征。塊金值和基臺值的比值為0.157，由此發(fā)現(xiàn)整個區(qū)域肥力綜合指數(shù)在空間表現(xiàn)出較高空間相關(guān)性，其空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素影響。

表6 土壤綜合肥力指數(shù)半變異模型及其參數(shù)Tab. 6 Semi-variation model of soil comprehensive fertility index and its parameters

3 結(jié)論

1) 對重慶市45個花椒種植區(qū)土壤進行采樣，通過測定分析得到不同區(qū)域土壤養(yǎng)分含量差異較大，其變異系數(shù)為14.8%～171.4%，尤其微量元素均在67%以上，說明受區(qū)域影響，花椒種植區(qū)肥力水平差異較大。

2) 通過空間變異特征分析，得到容重、pH、有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效錳、有效鉬的塊金值和基臺值比值均小于0.5，說明具有較高的空間相關(guān)性，而有效磷、有效鐵、有效硼、有效硫的空間相關(guān)性較弱，主要受隨機性因素影響。

3) 通過隸屬度和權(quán)重計算分析，得到有效鋅和有效鐵的隸屬度較高，其值分別為0.89、0.91，有效硼和有機質(zhì)隸屬度較低，其值分別為0.15、0.34，說明花椒種植區(qū)鋅和鐵含量較為豐富，而硼和有機質(zhì)較為缺乏。堿解氮權(quán)重為0.134 4，對土壤質(zhì)量貢獻最大，而容重權(quán)重最低，其值為0.051 5。

4) 通過模糊綜合評價法計算分析，得到花椒種植區(qū)土壤肥力綜合指數(shù)變化范圍為0.22～0.84，在空間上服從球狀半變異函數(shù)。土壤肥力等級水平整體在中等偏上水平，其中，中等肥力水平的占51.1%，中等偏上肥力水平的占42.2%，中等肥力偏下水平的占6.7%。