范海榮，吳素霞，常連生

(河北科技師范學(xué)院生命科技學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

秦皇島市草坪土壤肥力數(shù)值化綜合評(píng)價(jià)與對(duì)策研究

范海榮，吳素霞，常連生

(河北科技師范學(xué)院生命科技學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

以秦皇島市草坪土壤為例，對(duì)土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行了室內(nèi)分析，并根據(jù)各肥力因子的植物效應(yīng)建立了相應(yīng)的隸屬度函數(shù)，計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值；利用主成分分析法，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，通過(guò)模糊數(shù)學(xué)法對(duì)土壤肥力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，秦皇島市草坪土壤綜合肥力水平較低，主要限制因子為容重、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀。評(píng)價(jià)結(jié)果與草坪草生長(zhǎng)狀況相一致，表明該評(píng)價(jià)方法能準(zhǔn)確、客觀地評(píng)價(jià)草坪土壤的肥力水平，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果得出的土壤肥力限制因子，提出了提高土壤肥力的管理措施，對(duì)秦皇島市草坪土壤的維護(hù)和治理提供了重要的指導(dǎo)和參考依據(jù)。

城市草坪；土壤肥力；主成分分析；模糊數(shù)學(xué)；綜合評(píng)價(jià)

城市草坪在改善城市生態(tài)環(huán)境、提高城市自凈能力、調(diào)節(jié)城市小氣候、美化城市景觀和豐富生物多樣性方面發(fā)揮著重要作用，是衡量現(xiàn)代化城市環(huán)境質(zhì)量和文明程度的重要標(biāo)志之一[1-5]。土壤是草坪生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，具有提供營(yíng)養(yǎng)、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)、涵養(yǎng)水分的作用，其肥力狀況直接關(guān)系到草坪的正常生長(zhǎng)和生態(tài)景觀效果。只有當(dāng)土壤的肥力狀況能完全滿足草坪的生長(zhǎng)需求時(shí)，草坪才能發(fā)揮最大功效。因此，科學(xué)、合理、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)城市草坪土壤肥力狀況尤為重要。本研究根據(jù)秦皇島市草坪土壤肥力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將主成分分析和模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合，對(duì)土壤肥力狀況進(jìn)行數(shù)值化綜合評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果提出改善土壤肥力的對(duì)策。

1 材料與方法

1.1供試土壤 2010年3月，在秦皇島海港區(qū)和北戴河區(qū)主要街道、部分公園、廣場(chǎng)草坪進(jìn)行土樣采集，考慮到草坪根系分布不深，只取表層(0～30 cm)土壤進(jìn)行研究，多點(diǎn)(5～8個(gè))采樣混合為一個(gè)土樣，共采集61個(gè)混合樣品。在實(shí)驗(yàn)室，將土樣充分混合后，進(jìn)行風(fēng)干、分選、去雜、磨碎、過(guò)篩等處理后，供分析測(cè)試使用。

1.2測(cè)定指標(biāo)及方法 在實(shí)驗(yàn)室對(duì)土壤的pH值、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、容重、電導(dǎo)率等理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定分析(表1)。pH值采用電位法，有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀氧化容量法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，速效磷采用碳酸氫鈉提取鉬銻抗比色法，速效鉀采用乙酸銨提取火焰光度法，容重采用環(huán)刀法，土壤電導(dǎo)率EC值采用5.0∶1.0水浸電導(dǎo)法[5-6]。每個(gè)分析樣品分3次重復(fù)測(cè)定(樣品測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%)。

1.3土壤肥力綜合評(píng)價(jià)方法

1.3.1評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理 由于各評(píng)價(jià)因子存在著量綱上的差異，不便于分析，所以要通過(guò)建立相應(yīng)的隸屬度函數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除量綱的影響。有些土壤肥力因子不會(huì)無(wú)限地對(duì)植物發(fā)揮作用，而是存在著上限值。屬于這種類型的土壤肥力指標(biāo)為有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀，其指標(biāo)數(shù)值越高表明土壤肥力越好，但達(dá)到一定數(shù)值后，其對(duì)植物的效用趨于恒定不變，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的反應(yīng)呈“S”型[7-15]。為方便計(jì)算，將其曲線型隸屬度函數(shù)簡(jiǎn)化為相應(yīng)的折線形式[7-15]。相關(guān)的隸屬度函數(shù)式為：

表1 土壤肥力指標(biāo)測(cè)定值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Measurement values of soil fertility parameters of turf

而容重、EC值越小，其隸屬度函數(shù)值越大，因此，針對(duì)容重、EC值建立如下隸屬度函數(shù):

土壤pH值在一定范圍內(nèi)，植物才能夠正常生長(zhǎng)，高于或低于該范圍則抑制植物生長(zhǎng)，屬于拋物線型隸屬度函數(shù)。其隸屬度函數(shù)為：

根據(jù)隸屬度函數(shù)和折線取值，可以計(jì)算出各肥力指標(biāo)的隸屬度值。由于土壤中不可能沒(méi)有某種養(yǎng)分，因此，最小值沒(méi)有取零[7-15]。

1.3.2評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定 土壤肥力是土壤諸多肥力因子的綜合反映，各種因子間既有區(qū)別又緊密聯(lián)系、相互作用，且對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)率大小不同，因此必須要確定它們的權(quán)重。本研究應(yīng)用主成分分析方法在SPSS 13.0中計(jì)算出7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣(表3)、特征值及主成分貢獻(xiàn)率(表4)。6個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率接近91%，達(dá)到累計(jì)貢獻(xiàn)率應(yīng)在80%以上的要求。各評(píng)價(jià)指標(biāo)在主成分上載荷值(表5)乘以其對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率后取絕對(duì)值后再相加，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)率[19，22]。最后把各指標(biāo)所得值除以各指標(biāo)所得值相加之和即得到各肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。其中pH值的權(quán)重系數(shù)為0.148，有機(jī)質(zhì)的權(quán)重系數(shù)為0.145，堿解氮的權(quán)重系數(shù)為0.149，速效磷的權(quán)重系數(shù)為0.139，速效鉀的權(quán)重系數(shù)為0.131，EC的權(quán)重系數(shù)為0.145，容重的權(quán)重系數(shù)為0.142。

表2 曲線臨界點(diǎn)的取值Table 2 Designated values of the critical points

表3 土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣Table 3 Matrix of correlation coefficient for soil fertility evaluation parameter

表4 特征值及主成分貢獻(xiàn)率Table 4 Eigenvalues and contribution rates of principal components

1.3.3土壤肥力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值的計(jì)算 根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的加乘法則，用加權(quán)求和公式求出土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值IFI。計(jì)算公式為：

IFI=∑Wi×Ni.

式中，Wi、Ni分別表示第i種土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值和隸屬度矩陣[5，11-14，23-24]。

根據(jù)草坪草的生長(zhǎng)狀況并參考相關(guān)文獻(xiàn)，將土壤肥力綜合指標(biāo)值按照一定的標(biāo)準(zhǔn)把土壤肥力劃分為很肥沃、肥沃、一般、較低、貧瘠5個(gè)等級(jí)[7，9-10，25](表6)。

2 結(jié)果與分析

草坪土壤肥力綜合指標(biāo)最大值僅為0.501，綜合指標(biāo)值平均為0.374，這說(shuō)明秦皇島市草坪土壤綜合肥力較低。其中31.15%的土壤肥力屬于一般水平，68.85%的土壤肥力屬于較低水平(表7)。由各肥力指標(biāo)隸屬度值平均大小得出主要限制因子為容重、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀。評(píng)價(jià)結(jié)果與草坪草的生長(zhǎng)狀況和草坪品質(zhì)相一致，符合實(shí)際情況，表明該評(píng)價(jià)方法能準(zhǔn)確、客觀地反映草坪土壤肥力狀況，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

表5 主成分載荷值Table 5 Load values of principal components

表6 土壤肥力等級(jí)劃分Table 6 Grade division for the turf soil fertility

由于秦皇島市的街道、廣場(chǎng)、公園均屬于開(kāi)放式，游人多，土壤受人為踐踏和干擾的頻率較大，所以土壤普遍存在壓實(shí)的現(xiàn)象，土壤容重偏大；并且由于美化的需要，草坪草修剪后的草坪草殘?bào)w等作為垃圾被清除，使土壤營(yíng)養(yǎng)循環(huán)中斷，土壤有機(jī)質(zhì)含量極低；另外秦皇島市園林部門重種植，輕養(yǎng)護(hù)，草坪土壤缺少人工培肥，導(dǎo)致土壤速效養(yǎng)分堿解氮和速效鉀嚴(yán)重缺乏，土壤養(yǎng)分含量低，成為秦皇島市草坪土壤肥力和草坪品質(zhì)提高的限制因子。因此要想改善秦皇島市草坪的質(zhì)量狀況，必須要重點(diǎn)針對(duì)以上限制因子進(jìn)行土壤的管理和改良。

表7 各采樣點(diǎn)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 7 Comprehensive evaluation of turf soil fertility for each sampling point in Qinhuangdao

續(xù)表7

樣品編號(hào)Samplecode隸屬度值MembershipdegreevaluepH容重Bulkdensity電導(dǎo)率Electricconducitivity有機(jī)質(zhì)Organicmatter堿解氮AlkalihydrolyzableN速效磷Availablephosphorus速效鉀AvailablepotassiumIFIIntegratedfertilityindex320．7300．1001．0000．1000．1000．4040．2830．390330．7930．1001．0000．1000．1000．4040．1380．380340．4600．1001．0000．1000．1000．7050．2830．392350．7390．1001．0000．1000．1000．1730．2830．359360．6400．1001．0000．1000．1000．1030．1000．311370．4780．1001．0000．1000．1001．0000．1000．411380．7210．1001．0000．1000．1000．4040．1000．365390．6940．1001．0000．1000．1000．4040．1380．366400．6580．1001．0000．1000．1000．7050．1000．397410．7120．1001．0000．1000．1000．1030．1000．321420．7390．1001．0000．1000．1000．4040．1000．367430．8380．1001．0000．1000．1001．0000．1000．465440．7030．1001．0000．1000．1000．2930．2110．361451．0000．1001．0000．1000．1000．4570．1000．413460．1900．1001．0000．1000．1000．4570．1000．293470．7120．1001．0000．1520．1000．1000．2830．352480．5950．1000．8050．3300．1000．4110．1000．352490．7840．1001．0000．1000．1000．1000．1000．332500．7120．1001．0000．2130．1411．0000．1380．474510．7930．1001．0000．1000．1001．0000．1000．458520．7210．1001．0000．1610．1001．0000．2110．471530．7390．1001．0000．1000．1000．1000．2830．349540．7120．1001．0000．1000．1430．1030．1000．328550．8380．1001．0000．1000．1000．1000．4280．383560．6580．1001．0000．1000．1001．0000．5000．490570．1360．1001．0000．1000．1000．1730．1380．251580．7300．1001．0000．1000．1000．1030．1000．324590．7210．1001．0000．1000．1001．0000．1000．447600．7210．1001．0000．1000．1000．1030．1000．323610．7390．1001．0000．1000．1000．1000．1000．325平均值Mean0．6860．1000．9750．1100．1010．4630．1630．374

土壤肥力是土壤諸多基本特性的綜合反映，所以評(píng)價(jià)土壤肥力，不能只簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)土壤的單個(gè)肥力因子，而應(yīng)綜合各個(gè)肥力因子的實(shí)際貢獻(xiàn)情況，進(jìn)行土壤肥力的數(shù)值化綜合評(píng)價(jià)[26]。目前，有關(guān)土壤肥力評(píng)價(jià)的指標(biāo)選擇、權(quán)重系數(shù)的確定、肥力等級(jí)的劃分還沒(méi)有形成一套被廣泛認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)和方法。以往的評(píng)價(jià)多為咨詢征求專家意見(jiàn)，專家憑經(jīng)驗(yàn)打分確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，評(píng)價(jià)結(jié)果受人為因素的影響比較大，致使評(píng)價(jià)結(jié)果不能完全真實(shí)的反映土壤肥力的實(shí)際情況。目前國(guó)內(nèi)對(duì)草坪土壤肥力的研究大多采用傳統(tǒng)的幾個(gè)土壤理化性質(zhì)、少數(shù)生物學(xué)性狀來(lái)分析描述評(píng)價(jià)[5，27-29]，很少進(jìn)行數(shù)值化綜合評(píng)價(jià)。本研究用幾個(gè)簡(jiǎn)單、典型的土壤物理、化學(xué)指標(biāo)，將主成分分析和模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合來(lái)反映復(fù)雜的土壤肥力，劃分出土壤肥力等級(jí)并發(fā)現(xiàn)其限制因子，對(duì)于草坪土壤的管理具有一定的指導(dǎo)意義。

在進(jìn)行土壤肥力綜合評(píng)價(jià)時(shí)，土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)包括土壤肥力的各個(gè)方面[11]。本研究評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇還不盡全面，缺少土壤生物學(xué)特性和土壤環(huán)境指標(biāo)。在進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，為了更深入分析掌握土壤肥力狀況，可進(jìn)一步分析IFI值。

3 結(jié)論與對(duì)策

3.1結(jié)論 土壤肥力是土壤諸多基本特性的綜合反映，所以在評(píng)價(jià)土壤肥力時(shí)需進(jìn)行土壤肥力數(shù)值化綜合評(píng)價(jià)。本研究根據(jù)秦皇島市草坪土壤肥力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用主成分分析與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法對(duì)土壤肥力進(jìn)行數(shù)值化綜合評(píng)價(jià)，在一定程度上避免了人為因素的干擾，評(píng)價(jià)結(jié)果得出秦皇島市草坪土壤綜合指標(biāo)值平均為0.374，根據(jù)劃分的土壤肥力等級(jí)，表明秦皇島市草坪土壤綜合肥力較低；由各肥力指標(biāo)隸屬度值平均大小得出主要限制因子為容重、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀。評(píng)價(jià)結(jié)果符合草坪草的實(shí)際生長(zhǎng)情況，表明該評(píng)價(jià)方法能準(zhǔn)確、客觀地反映土壤肥力的實(shí)際狀況，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3.2管理對(duì)策 由于秦皇島市草坪土壤主要為客土，所以草坪土壤各指標(biāo)隸屬度大小分布無(wú)規(guī)律，土壤地帶性不明顯。由評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，所有秦皇島市草坪土壤樣品肥力限制因子幾乎均為容重、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀，因此，在進(jìn)行草坪土壤管理改良時(shí)，要根據(jù)草坪草的生長(zhǎng)需要重點(diǎn)改善土壤限制因子。

3.2.1降低土壤容重 城市園林土壤的容重要求一般要小于1.30 g·cm-3[21]，而秦皇島市草坪土壤容重過(guò)大，最小值為1.39 g·cm-3，最大值為1.59 g·cm-3，平均值為1.49 g·cm-3。一般適于植物生長(zhǎng)發(fā)育的土壤總孔隙度為50%～56%，秦皇島市草坪土壤平均孔隙度為43.74%，土壤孔隙度小。表明秦皇島市草坪土壤緊實(shí)，土壤結(jié)構(gòu)性和通氣透水能力較差，不利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育。因此，應(yīng)采取有效措施，降低土壤容重。首先要加強(qiáng)管理，減少機(jī)械對(duì)草坪過(guò)度壓實(shí)和人為踐踏，如在草坪周圍建立柵欄，設(shè)置警示標(biāo)語(yǔ)，減少人為因素對(duì)草坪土壤的壓實(shí)；其次可摻入樹(shù)木屑、腐葉土等多孔性有機(jī)物或者混入少量煤渣、沙粒等，從而增加土壤孔隙度，增強(qiáng)通氣、透水性能，促進(jìn)草坪的生長(zhǎng)發(fā)育。

3.2.2提高土壤有機(jī)質(zhì)含量 由于美化、衛(wèi)生、防火的需要，城市綠地植物的枯枝落葉、修剪的枝葉和草屑都被運(yùn)走，造成土壤中有機(jī)質(zhì)的含量不斷減少。秦皇島市草坪土壤有機(jī)質(zhì)含量低，平均為9.13 g·kg-1，因此必須重視草坪土壤中有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)充，盡量避免將枯枝落葉作為垃圾焚燒或運(yùn)走，可稍加粉碎作為肥料再施入土壤；還可以將城市綠地廢棄物集中堆漚腐熟后，作為有機(jī)肥料使用；也可使用沼氣肥或城市垃圾堆肥、污泥堆肥、泥炭、菇渣堆肥等[30]，既能提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量，同時(shí)也能起到改良土壤物理、化學(xué)和生物特性，熟化土壤，培肥地力的作用。

3.2.3科學(xué)施肥，補(bǔ)充土壤養(yǎng)分 秦皇島市草坪土壤氮素和鉀素非常缺乏，應(yīng)根據(jù)草坪草生長(zhǎng)的需求，有針對(duì)性的適量增施氮肥和鉀肥，在施化肥時(shí)，應(yīng)盡可能少量多次，減少對(duì)地下水的污染。還可將有機(jī)肥、菌肥以及化肥進(jìn)行科學(xué)組合施用，形成生物有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合肥，發(fā)揮有機(jī)肥增加土壤長(zhǎng)效養(yǎng)分、菌肥活化土壤緩效養(yǎng)分、化肥滿足植物對(duì)速效養(yǎng)分需要的作用[31]，科學(xué)地補(bǔ)充土壤養(yǎng)分。

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ComprehensivedigitizationevaluationofturfsoilfertilityandmanagementcountermeasureresearchonturfsoilinQinhuangdao

FAN Hai-rong, WU Su-xia, CHANG Lian-sheng

(Life of Science amp; Technology college of Hebei Normal University of Science amp; Technology, Qinhuangdao 066004, China)

Analysis of soil physical and chemical properties was made on turf soil in Oinghuangdao city. The corresponding membership function was built according to the plant effect of each fertilizer factor. The membership value of each evaluation index was calculated. The weight of each fertility factor was determined by the principal component analysis. Through fuzzy mathematics assessment, soil fertility quality was comprehensively evaluated. The result showed that the turf soil synthesis level was low, the main limiting factors were the bulk density, organic matter, alkali-hydrolysable nitrogen, and available potassium. The result was consistent with the growth status of the turf grass, which could reflect the fertilizer quality of the turf soil correctly and objectively. It showed that the evaluation method had some application value. In the light of the limiting factors of soil fertilizer obtained from the evaluation, the management countermeasures to improve the soil fertility were put forward and could bring important guidance and reference for the maintenance and treatment of the turf soil in Qinhuangdao.

urban turf; soil fertility; the principal component analysis; fuzzy mathematics; comprehensively evaluated

FAN Hai-rong E-mail:hairongfan@163.com

2012-03-26接受日期：2012-08-10

河北科技師范學(xué)院青年基金資助項(xiàng)目(2006NY035)

范海榮(1979-)，女，山東陵縣人，講師，碩士，主要從事生態(tài)環(huán)境的污染與治理研究。 E-mail:hairongfan@163.com

S158.3

A

1001-0629(2013)01-0009-07