基于隸屬度函數(shù)和主成分分析的耕地土壤肥力評(píng)價(jià)

姜 冰，王松濤，孫增兵，張海瑞，王 建，劉 陽

（1山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東濰坊 261021；2山東省地礦局海岸帶地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊 261021）

0 引言

土壤肥力是影響土地生產(chǎn)力的核心因素，是土壤的本質(zhì)屬性，它是土壤各種基本性質(zhì)或指標(biāo)的綜合表現(xiàn)[1]，也是土壤作為自然資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的物質(zhì)基礎(chǔ)[2-3]。近年來許多學(xué)者采用多種方法，結(jié)合GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)，對(duì)多種土地利用類型的土壤肥力進(jìn)行了研究，如趙滿興等[4]采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法綜合評(píng)價(jià)了延安新區(qū)（北區(qū)）行道樹土壤肥力質(zhì)量，指出堿解氮和速效磷是該區(qū)土壤肥力的主要限制因子，王遠(yuǎn)鵬等[5]基于相關(guān)系數(shù)法和隸屬度函數(shù)，采用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合，研究了黑龍江方正縣稻田土壤肥力的空間變異特征和分布格局，得出有效磷和速效鉀是造成該區(qū)稻田土壤肥力差異的主要因子，馬光躍等[6]基于主成分分析提取主成分，劃分了臨猗縣冬棗園樣地肥力等級(jí)，同時(shí)對(duì)該區(qū)肥力指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行了排序，唐健等[7]采用模糊數(shù)學(xué)法評(píng)價(jià)了廣西桉樹人工林地土壤肥力質(zhì)量，并研究了其演變特征，其他類似研究還有黃先飛等[8]、吳玉紅等[9]、楊旭初等[10]、章海波等[11]。正確評(píng)價(jià)土壤肥力，是保持或改善土壤肥力質(zhì)量、促進(jìn)土壤養(yǎng)分有效利用的重要前提，土壤肥力的評(píng)價(jià)研究在土壤資源利用過程中具有重要意義[12]。

山東省高密市作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大縣，素有“糧倉”美譽(yù)，多年來糧食及經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)穩(wěn)中有增，而這種生產(chǎn)力水平的維持受土壤各項(xiàng)肥力指標(biāo)之間協(xié)調(diào)程度的綜合影響。為了研究高密市耕地土壤肥力的區(qū)域性發(fā)生規(guī)律和特征，總結(jié)土壤與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之間的內(nèi)在規(guī)律，找出人為活動(dòng)與耕地土壤肥力發(fā)生分布的聯(lián)系，通過網(wǎng)格化采樣分析測(cè)試，選取土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀等8項(xiàng)肥力指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子，采用模糊數(shù)學(xué)隸屬度函數(shù)模型和主成分分析計(jì)算土壤肥力綜合指數(shù)，并繪制綜合指數(shù)空間分布，以期為耕地土壤資源的可持續(xù)利用與管理，以及土壤培肥與改良提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)高密市隸屬于山東省濰坊市，地處膠東半島和山東內(nèi)陸的結(jié)合部、膠萊平原腹地、膠萊河和濰河之間，面積1525.7 km2，其中耕地面積1081.7 km2，占總面積的70.9%，屬季風(fēng)性暖溫帶大陸性半濕潤(rùn)氣候，冬冷夏熱，四季分明，年平均氣溫12.7℃，年平均降水量689.1 mm，6—9月降雨量占全年70%以上，南部雨量偏大，一般為700～720 mm，北部偏小，為645～680 mm，年平均蒸發(fā)量1227.6 mm，相對(duì)濕度平均為69%，年平均日照總量2452.7 h，無霜期226天。境域內(nèi)總體地勢(shì)南高北低，南部為低殘丘，中北部為低平地和平原，地面總坡度約1/600。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

本研究采集耕地中0～20 cm的表層土壤，以網(wǎng)格化為原則采集376件。以采樣點(diǎn)為中心，在周邊50～100 m范圍內(nèi)，采用“S”形或“X”形多點(diǎn)采樣，各采樣點(diǎn)的采樣部位、深度及重量要一致，并剔除土壤之外的雜物，由4～6個(gè)子樣等量混合組成1件樣品，充分混勻，四分法縮分至600 g裝入干凈棉布袋，通風(fēng)陰涼處自然風(fēng)干。

2.2 樣品處理與測(cè)試

山東省地礦局海岸帶地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)本次樣品的分析測(cè)試。根據(jù)《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求（試行）》[13]，風(fēng)干樣品經(jīng)木棒壓碎后全部過2 mm孔徑的尼龍篩，混勻后四分法分成若干份，總量不少于300 g待測(cè)，一份直接供測(cè)土壤pH、有效磷、速效鉀，一份過1 mm孔徑篩供測(cè)堿解氮，一份碾磨全部過0.25 mm孔徑篩供測(cè)有機(jī)質(zhì)、全氮，一份碾磨全部過0.074 mm孔徑篩供測(cè)全磷、全鉀。土壤pH采用玻璃電極法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)采用油浴加熱-重鉻酸鉀容量法測(cè)定，全氮采用酸堿容量法測(cè)定，全磷、全鉀采用X射線熒光光譜法測(cè)定，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，有效磷、速效鉀采用電感耦合等離子體光譜法測(cè)定。對(duì)樣品報(bào)出率、準(zhǔn)確度、精密度、抽查合格率進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)控，其中報(bào)出率均為100%，準(zhǔn)確度、精密度的合格率均為100%，內(nèi)部密碼抽查10%試樣的合格率為100%，測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)質(zhì)量達(dá)到規(guī)范要求。

2.3 數(shù)據(jù)處理

主成分分析和變量之間的相關(guān)性分析采用SPSS 22.0軟件完成。采用EXCEL 2010軟件對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)。土壤綜合肥力空間分布利用MapGis6.7中的Kring泛克立格法網(wǎng)格化進(jìn)行制圖。

2.4 評(píng)價(jià)方法

2.4.1 指標(biāo)隸屬值計(jì)算 利用隸屬度函數(shù)，對(duì)不同量綱的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，可以定量表征各指標(biāo)優(yōu)劣程度[8,14]。本研究采用峰值型隸屬度函數(shù)和戒上型隸屬度函數(shù)。

土壤pH過高或過低都不利于植物生長(zhǎng)，偏離最佳范圍越大，對(duì)植物生長(zhǎng)影響越明顯[15]，因此采用峰值型隸屬度函數(shù)。其他7項(xiàng)指標(biāo)含量在一定范圍內(nèi)越高，越有利于植物生長(zhǎng)，超出該范圍則影響較小，因此采用戒上型隸屬度函數(shù)。峰值型隸屬度函數(shù)和戒上型隸屬度函數(shù)計(jì)算公式分別如式(1)～(2)所示。

式中，U為上限值，L為下限值，O1和O2為最佳值，x為指標(biāo)測(cè)定值。

參照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》[16]分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)土壤pH范圍＞8.5、7.5～8.5、6.5～7.5、5.0～6.5、＜5.0依次將土壤酸堿度劃分為強(qiáng)堿性、堿性、中性、酸性、強(qiáng)酸性5個(gè)等級(jí)，其他7項(xiàng)土壤肥力單指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。因此各指標(biāo)選取的界限值如表2所示，通過隸屬度函數(shù)計(jì)算即可得到土壤肥力各指標(biāo)隸屬值。

表1 土壤肥力單指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 土壤肥力單指標(biāo)隸屬度函數(shù)類型及其界限值

2.4.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算及土壤肥力綜合評(píng)價(jià) 通過主成分分析，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)降維，計(jì)算各指標(biāo)的公因子方差占比，賦以各指標(biāo)權(quán)重[9-10]。本研究根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的加乘法原則，將各指標(biāo)的權(quán)重值和隸屬值加權(quán)求和得出土壤肥力綜合指數(shù)(integrated fertility index,IFI)，其計(jì)算公式如式(3)所示。

式中，n為肥力指標(biāo)數(shù)量，fi為第i項(xiàng)指標(biāo)的隸屬值，wi為第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值。IFI值范圍為0～1，分為5級(jí)，即IFI≥0.8為土壤綜合肥力好，0.6≤IFI＜0.8為≤較好，0.4≤IFI＜0.6為中等，0.2≤IFI＜0.4為較差，＜0.2為差[11]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤肥力單指標(biāo)統(tǒng)計(jì)與分級(jí)

采樣點(diǎn)土壤肥力指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)見表3。各指標(biāo)受自然因素和人類活動(dòng)的影響，存在較大差異。變異系數(shù)依次為速效鉀＞有效磷＞全磷＞堿解氮＞有機(jī)質(zhì)＞全氮＞pH＞全鉀，變異系數(shù)越大，表明空間分布差異性越大，局部易缺乏或富集[17]。其中全鉀、pH為弱變異，變異系數(shù)低于16%；全氮為中等變異，變異系數(shù)在16%～36%；其他指標(biāo)為強(qiáng)變異，變異系數(shù)大于36%，其中速效鉀變異系數(shù)最大，達(dá)170.45%。

表3 土壤肥力指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)

研究區(qū)土壤以堿性和中性為主，樣本數(shù)分別為142個(gè)和111個(gè)（圖1）。其他7項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)分級(jí)統(tǒng)計(jì)如圖2，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀以較缺乏為主，全氮、全鉀以中等為主，全磷、有效磷以豐富為主。肥力單指標(biāo)的含量水平直接影響著土壤綜合肥力水平，尤其是有機(jī)質(zhì)較缺乏的樣本數(shù)占比達(dá)65.96%。

圖1 土壤酸堿度分級(jí)柱形圖

圖2 土壤肥力單指標(biāo)分級(jí)柱形圖

3.2 土壤肥力單指標(biāo)隸屬值

按公式(1)～(2)計(jì)算得出各項(xiàng)肥力指標(biāo)的隸屬值如表4所示。各參數(shù)平均隸屬值由大到小依次為：有效磷(0.725)＞全磷(0.719)＞pH(0.667)＞全鉀(0.638)＞速效鉀(0.587)＞堿解氮(0.556)＞全氮(0.316)＞有機(jī)質(zhì)(0.305)，因此有機(jī)質(zhì)和全氮是土壤肥力的主要限制因子。全鉀隸屬值為弱變異(＜16%)，表明其對(duì)肥力的作用非常穩(wěn)定；其他指標(biāo)隸屬值均為強(qiáng)變異(＞36%)，表明對(duì)肥力作用的局部差異性[18]。

表4 土壤肥力指標(biāo)隸屬值統(tǒng)計(jì)

3.3 土壤肥力單指標(biāo)權(quán)重值

對(duì)網(wǎng)格化采樣點(diǎn)位8項(xiàng)肥力指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。由表5可知，特征值大于1的主成分有3個(gè)，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)74.174%，即這3個(gè)主成分對(duì)解釋變量的貢獻(xiàn)最大；主成分P1代表的變量組合為全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀，P2代表的變量組合為有機(jī)質(zhì)、全氮，P3代表的變量組合為pH、全鉀。利用各指標(biāo)的公因子方差求得各指標(biāo)權(quán)重依次為：全氮(0.151)＞全磷(0.145)＞有機(jī)質(zhì)(0.145)＞有效磷(0.136)＞pH(0.132)＞全鉀(0.114)＞速效鉀(0.096)＞堿解氮(0.081)，權(quán)重反映各指標(biāo)對(duì)土壤綜合肥力的貢獻(xiàn)度[19]，研究區(qū)內(nèi)全氮貢獻(xiàn)度最大，堿解氮貢獻(xiàn)度最小。

表5 主成分分析土壤肥力指標(biāo)

3.4 土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

結(jié)合單指標(biāo)權(quán)重值與各點(diǎn)位單指標(biāo)隸屬值，按公式(3)加權(quán)求和得出各點(diǎn)位土壤肥力綜合指數(shù)，采用泛克立格法對(duì)指數(shù)進(jìn)行插值，繪制土壤肥力綜合指數(shù)空間分布圖（圖3）?？芍?，土壤綜合肥力好(IFI≥0.8)面積約 20.19 km2，僅占比 1.32%；較好(0.6≤IFI＜0.8)面積約460.44 km2，占比30.18%；中等(0.4≤IFI＜0.6)面積最大，約953.88 km2，占比62.51%；較差(0.2≤IFI＜0.4)面積約91.35 km2，占比5.99%；無土壤綜合肥力差分布。

圖3 土壤肥力綜合指數(shù)空間分布圖

3.5 土壤肥力綜合指數(shù)與單指標(biāo)相關(guān)性分析

土壤肥力綜合指數(shù)與各肥力指標(biāo)存在一定的相關(guān)性（表6）。土壤綜合肥力指數(shù)除與土壤pH不相關(guān)外，與其他肥力指標(biāo)均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的大小表明單指標(biāo)對(duì)肥力綜合指數(shù)的影響程度，即全氮影響最顯著，全鉀影響最小，pH基本無影響。土壤對(duì)K+的吸附量隨pH升高而增大[20]，pH影響土壤膠體系統(tǒng)的離子組成和元素形態(tài)[21]，同時(shí)土壤酸化會(huì)增加某些元素的有效性[22]，因此pH與全鉀呈顯著正相關(guān)，與堿解氮、有效磷呈顯著負(fù)相關(guān)。有機(jī)質(zhì)是土壤養(yǎng)分的主要來源[23]，與氮、磷、鉀及其有效量呈顯著正相關(guān)。其他單指標(biāo)除全鉀與堿解氮不相關(guān)外，兩兩之間呈顯著正相關(guān)，表明單指標(biāo)間關(guān)系密切，應(yīng)注意平衡施肥。

表6 肥力綜合指數(shù)與各指標(biāo)相關(guān)性

4 結(jié)論

（1）土壤肥力單指標(biāo)的含量水平直接影響著綜合肥力水平，研究區(qū)土壤以堿性和中性為主，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀以較缺乏為主，全氮、全鉀以中等為主，全磷、有效磷以豐富為主。

（2）隸屬值有機(jī)質(zhì)最低，其次為全氮，有機(jī)質(zhì)和全氮是研究區(qū)耕地土壤肥力的主要限制因子。各指標(biāo)對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)具有差異，全氮貢獻(xiàn)度最大，堿解氮貢獻(xiàn)度最小。

（3）研究區(qū)耕地土壤綜合肥力指數(shù)中等以上的面積約占94%，土壤綜合肥力尚可。控制土壤酸化、注重增施有機(jī)肥、減少不合理施肥是研究區(qū)應(yīng)采取的農(nóng)業(yè)措施。

5 討論

pH和有機(jī)質(zhì)是土壤重要的理化指標(biāo)[24]。土壤pH過低則礦質(zhì)養(yǎng)分易淋失，過高則養(yǎng)分易被土壤固定[25]，研究區(qū)土壤平均pH 7.08，以堿性和中性為主，但仍存在小部分的酸性和強(qiáng)酸性土壤，土壤酸化是不容忽視的問題，應(yīng)注重酸化改良，同時(shí)不合理施肥也是土壤酸化的重要因素[26]。有機(jī)質(zhì)是土壤重要組成部分，具有促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)形成、改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤保肥能力和緩沖性能等作用[27]，研究區(qū)內(nèi)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量低，平均值僅為16.66 g/kg，以較缺乏為主，從隸屬值來看，有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的首要限制因子，應(yīng)注重實(shí)施種植綠肥、增施有機(jī)肥料、秸稈還田等調(diào)控措施。

全氮與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性最為顯著，土壤中的氮絕大部分以有機(jī)形態(tài)存在，當(dāng)土壤C/N比達(dá)到平衡時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)含量基本決定了土壤氮素水平[28]，全氮為研究區(qū)土壤肥力的第二限制因子，均值為1.03 g/kg，以中等為主，合理增施有機(jī)肥是提高土壤氮素水平的有效措施。堿解氮與有機(jī)質(zhì)的含量及熟化程度有關(guān)，研究區(qū)內(nèi)堿解氮對(duì)土壤綜合肥力的貢獻(xiàn)最小，與有機(jī)質(zhì)含量和熟化程度低有關(guān)。全磷對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)較大，含量也相對(duì)豐富。有效磷直接影響作物對(duì)磷素的吸收，研究區(qū)有效磷整體處于較豐富至豐富水平，有效磷含量豐富的樣本占44%以上，空間變異性也很強(qiáng)，表明局部可能存在磷肥的過量施用，可能增加磷肥施用的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[29]，另外土壤局部酸化也是有效磷含量升高的因素之一。全鉀空間變化最為穩(wěn)定，變異系數(shù)僅為7.50%，鉀元素以占90%以上的礦物鉀存在于土壤粗粒部分，植物極難吸收，同時(shí)作物對(duì)于鉀的需要量均高于氮、磷，人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)有鉀肥的輸入，但是對(duì)于全鉀的影響有限，速效鉀含量的高低直接反映了施肥狀況。堿解氮、有效磷、速效鉀的變異系數(shù)均顯著高于對(duì)應(yīng)全量的變異系數(shù)，這與不合理的盲目施肥有直接關(guān)系，化肥施用對(duì)提高糧食產(chǎn)量發(fā)揮了很大的作用，但增加化肥用量不相應(yīng)增補(bǔ)有機(jī)肥，勢(shì)必使土壤有機(jī)質(zhì)減少，長(zhǎng)期單用多量化肥也往往使土壤板結(jié)，物理性狀變劣。

堿解氮、有效磷、速效鉀是全氮、全磷、全鉀可被植物直接吸收利用的有效存在形式[30]，土壤酸堿度是因土種植、因土施肥的重要依據(jù)之一，有機(jī)質(zhì)又是土壤養(yǎng)分的主要來源，通過隸屬度函數(shù)和主成分分析計(jì)算土壤肥力綜合指數(shù)，并將其在空間上進(jìn)行展現(xiàn)，對(duì)于摸清土壤肥力狀況、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)科學(xué)合理施肥具有重要意義。