戴士祥，任文杰，滕 應(yīng)*，陳 未，馬文亭，黃 陽(yáng)

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安徽省主要水稻土基本理化性質(zhì)及肥力綜合評(píng)價(jià)①

戴士祥1,2，任文杰1，滕 應(yīng)1,2*，陳 未1，馬文亭1，黃 陽(yáng)1

(1 中國(guó)科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

以安徽省不同地區(qū)水稻土為研究對(duì)象，采集了11個(gè)剖面共43個(gè)土壤樣品，測(cè)定其基本理化性質(zhì)并建模評(píng)價(jià)其肥力質(zhì)量。結(jié)果表明：根據(jù)中國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)法，安徽水稻土主要是鐵聚水耕人為土。土壤大體呈酸性，pH 5.0 ~ 6.5，土壤有機(jī)質(zhì)和氮素含量等相對(duì)較低，表層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮平均含量為23.65 g/kg、1.44 g/kg、127.29 mg/kg，土壤質(zhì)地主要是粉砂壤土?；诟倪M(jìn)層次分析法的模糊綜合評(píng)價(jià)模型結(jié)果顯示，安徽稻田表層土壤肥力質(zhì)量指數(shù)FI普遍介于0.7 ~ 0.8，肥力質(zhì)量大體處于良好水平，且土壤肥力質(zhì)量與土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮和堿解氮含量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)。

安徽；水稻土；改進(jìn)層次分析法；模糊綜合評(píng)價(jià)；肥力質(zhì)量

安徽省位于我國(guó)東南部，總面積為13.99萬(wàn)km2，其中耕地622.5萬(wàn)hm2，占總面積的44.5%，是我國(guó)糧食生產(chǎn)大省，水稻主產(chǎn)區(qū)之一，也是我國(guó)主要的糧倉(cāng)之一[1]。水稻土肥力狀況對(duì)于水稻的產(chǎn)量和質(zhì)量都起著至關(guān)重要的作用[2]，是水稻生長(zhǎng)過(guò)程所需養(yǎng)分的主要來(lái)源。因此，開(kāi)展安徽省水稻土基本理化性質(zhì)和肥力狀況調(diào)查研究顯得尤為必要，對(duì)充分發(fā)揮土壤生產(chǎn)潛力具有重要的指導(dǎo)意義。

土壤肥力是土壤物理、化學(xué)、生物等性質(zhì)的綜合表現(xiàn)，在土壤母質(zhì)、類(lèi)型等自然條件的影響下，不同農(nóng)田土壤的肥力狀況會(huì)產(chǎn)生較大差異，即使自然條件相同，農(nóng)田使用狀態(tài)和管理方式的不同也會(huì)造成土壤肥力的差異[3]。土壤肥力質(zhì)量是土壤各組分之間相互作用的綜合體現(xiàn)，受多指標(biāo)共同影響。對(duì)于土壤肥力質(zhì)量指標(biāo)的確定，不同土壤系統(tǒng)差異很大，至今沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[4]。由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)參差不齊，同時(shí)樣品實(shí)測(cè)值的量綱之間差異較大，因此需要一種有效的多因素決策方法[5]，而模糊綜合評(píng)價(jià)法[6]正是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度理論將定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，由此可以對(duì)多指標(biāo)制約的土壤肥力做出總體的評(píng)價(jià)。目前，研究相對(duì)較多的主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[7]、灰色關(guān)聯(lián)度法[8]、主成分分析法[9]、層次分析法[10]等模型。

改進(jìn)層次分析法是一種以一般層次分析法為基礎(chǔ)，在確定樣本所屬質(zhì)量級(jí)別上加以改進(jìn)的一種方法，該方法利用最優(yōu)傳遞矩陣時(shí)的最后的數(shù)據(jù)滿(mǎn)足一致性要求[11]。近年來(lái)該法在環(huán)境領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛，田紅和楊昉婧[12]采用改進(jìn)層次分析法評(píng)價(jià)了吳淞江蘇州段水環(huán)境質(zhì)量，不僅提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性而且更具有實(shí)用性；周旭等[13]以改進(jìn)層次分析法確定權(quán)重，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論實(shí)現(xiàn)了對(duì)貴州安普地區(qū)耕地土壤肥力的可視化評(píng)價(jià)。

基于此，本研究根據(jù)安徽水稻種植區(qū)的實(shí)際情況和土壤采樣位點(diǎn)的分布情況，選擇變異系數(shù)較大、影響土壤肥力和作物生長(zhǎng)[14-17]的12項(xiàng)土壤理化性質(zhì)(有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀、全鈣、全鎂、pH，以及陽(yáng)離子交換量(CEC))作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用基于改進(jìn)層次分析法的模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)安徽省水稻土肥力現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)影響土壤肥力的重要指標(biāo)進(jìn)行分析，以期為提高安徽省水稻優(yōu)良品質(zhì)和農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)利用提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

根據(jù)我國(guó)第二次土壤普查結(jié)果，在安徽省不同地區(qū)的水稻集中種植地中選取11個(gè)采樣點(diǎn)，以分別代表各城市水稻土的基本情況。采集土壤樣品時(shí)，根據(jù)各采樣點(diǎn)的土壤分層、地下水水位等實(shí)際情況對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)挖取深度0.8 ~ 1.2 m的剖面，依據(jù)成土母質(zhì)、土壤類(lèi)型對(duì)剖面土壤進(jìn)行分層，每個(gè)土壤剖面可大致分為3 ~ 5層，各采樣點(diǎn)詳細(xì)采樣信息見(jiàn)表1。剖面各層土壤進(jìn)行土層整體混合取樣，按照四分法取土壤樣品1 kg。本次土壤樣品采集于安徽省水稻收割后進(jìn)行，采樣時(shí)間為2015年10月下旬。

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

對(duì)11個(gè)采樣點(diǎn)采集的各剖面土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、pH、CEC、顆粒組成、土壤質(zhì)地、全鈣、全鎂、硝態(tài)氮以及銨態(tài)氮等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[18]。數(shù)據(jù)處理運(yùn)用Excel、R語(yǔ)言、MATLAB等軟件。

1.3 基于改進(jìn)層次分析法的模糊綜合評(píng)價(jià)模型

1.3.1 建立土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)的隸屬度矩陣 模糊綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果不是絕對(duì)地肯定或否定，而是以一個(gè)模糊集合來(lái)表示。模糊集合即隸屬度函數(shù)，根據(jù)一定范圍內(nèi)各評(píng)價(jià)指標(biāo)與土壤基本理化性質(zhì)實(shí)測(cè)值的關(guān)系計(jì)算其隸屬度值。隸屬度函數(shù)為：

表1 安徽省水稻土采樣點(diǎn)基本情況

式中：1和2分別為指標(biāo)的下限值(每個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)中的最小值)和上限值(每個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)中的最大值)。表2為本研究評(píng)價(jià)指標(biāo)1和2的對(duì)應(yīng)值。

表2 S型隸屬函數(shù)對(duì)應(yīng)的上下限值

注： pH在6.5 ~ 7.5時(shí)，賦值為1；pH>9.5或<4.5時(shí)賦值0.1；pH介于4.5 ~ 6.5、7.5 ~ 9.5由公式計(jì)算。

測(cè)定結(jié)果顯示，安徽稻田土壤的質(zhì)地絕大多數(shù)屬于粉砂壤土，只有少數(shù)樣品質(zhì)地為壤土或砂質(zhì)壤土。因此本模型建立過(guò)程中未考慮土壤質(zhì)地的差異對(duì)模型評(píng)價(jià)土壤肥力的影響。

經(jīng)過(guò)土壤樣品指標(biāo)的實(shí)測(cè)值在隸屬度函數(shù)計(jì)算后的數(shù)據(jù)處理，消除了各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的量綱差異，建立了土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)的隸屬度矩陣：

×n={r|=1~,=1~} (2)

式中：r的值均在0.1 ~ 1.0，其大小反映了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬程度。

1.3.2 各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定 1)建立土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)的判斷矩陣。根據(jù)隸屬度矩陣的值確定權(quán)重，使得確定的權(quán)重值更符合研究地區(qū)的實(shí)際情況[28]。根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)模型的內(nèi)在要求，某個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值內(nèi)部變化程度越大，則該指標(biāo)傳遞的綜合評(píng)價(jià)的信息量越大[25]。因此可以通過(guò)采用各評(píng)價(jià)指標(biāo)的樣本方差()(=1~)來(lái)反映各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)的影響程度，并用于構(gòu)造判斷矩陣×n的值b。

式中：max和min分別為{()|=1~}的最大值和最小值；相對(duì)重要性程度參數(shù)值：

其中：min和int分別為取最小和取整函數(shù)。

本研究評(píng)價(jià)指標(biāo)1至指標(biāo)12的()值分別為0.76、6.20、0.38、0.16、2.90、35.43、21.08、33.53、3.94、4.38、5.96和4.65，相對(duì)重要程度值b=9，再由式(3)即得用于確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的判斷矩陣。

2)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)數(shù)分配。根據(jù)判斷矩陣×n，求出最大特征根所對(duì)應(yīng)的特征向量。所求特征向量即為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)數(shù)分配，采用方根法求解：

表3 1 ~ 12階判斷矩陣的RI值

1.3.4 模糊綜合評(píng)價(jià)模型 根據(jù)隸屬度函數(shù)的計(jì)算得出的各評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值，并結(jié)合權(quán)重，建立土壤肥力質(zhì)量的模糊綜合評(píng)價(jià)模型。某一采樣點(diǎn)的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)為：

2 結(jié)果與討論

2.1 安徽水稻土基本理化性質(zhì)

安徽省水稻土的質(zhì)地按照美國(guó)制分類(lèi)大部分屬粉砂壤土，只有個(gè)別地方如安慶太湖地區(qū)、合肥肥東表層土壤為壤土，合肥肥東心層、底層土壤為砂質(zhì)壤土。根據(jù)土壤剖面不同層次的顏色變化以及各層次土壤的有機(jī)質(zhì)、全鐵、游離鐵的含量，按照我國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)法分類(lèi)，采樣點(diǎn)土壤所屬土壤亞類(lèi)主要是鐵聚水耕人為土，包括普通鐵聚水耕人為土和底淺鐵聚水耕人為土，并零星分布有普通簡(jiǎn)育水耕人為土。

由表4可知，安徽水稻土表層土壤基本呈現(xiàn)酸性。黃山祁門(mén)水稻土表層土壤pH為4.98，顯強(qiáng)酸性；銅陵天門(mén)水稻土表層土壤pH為7.60，顯堿性；其余所有地區(qū)表層土壤pH 5.0 ~ 6.5，偏酸性。在各個(gè)土壤剖面上，隨著土壤深度增加，土壤pH略有升高，即土壤酸性隨著土壤深度增加而降低。

安徽水稻土表層土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為23.65 g/kg，差異相對(duì)較大。合肥長(zhǎng)豐等地土壤有機(jī)質(zhì)含量?jī)H13 g/kg，安慶太湖和黃山祁門(mén)等地表層土壤有機(jī)質(zhì)含量超過(guò)30 g/kg。整體來(lái)看，安徽水稻土表層土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低，低于耕層土壤的平均水平。

安徽水稻土土壤氮磷鉀含量均呈現(xiàn)出由表層向深層遞減的趨勢(shì)，其中全氮、全磷含量隨深度增加降低較為顯著，而全鉀含量在剖面深度上變化并不顯著，并有第二層全鉀含量大于表層的情況。表層土壤全氮、磷、鉀平均含量分別是1.44、1.44、0.56 g/kg，且在全省范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)變化不大。

土壤交換性能在土壤肥力評(píng)價(jià)中起到重要的作用，也是土壤保肥能力的一個(gè)重要體現(xiàn)。安徽水稻土表層土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)除安徽宣城和安慶望江兩個(gè)地區(qū)略低于10 cmol/kg外，其余介于10 ~ 20 cmol/kg，屬于交換性能一般的土壤，其中淮南大通水稻土CEC最高，高達(dá)30 cmol/kg。在各個(gè)剖面不同層次土壤樣品中，CEC值大體上隨著土壤深度的增加而降低。通觀安徽全省不同地區(qū)來(lái)看，CEC隨土壤深度的變化并不顯著，并且心層土、底層土的CEC稍大于表層土。

安徽水稻土顆粒組成以粉砂(0.002 ~ 0.05 mm)含量最高，平均約占66%，黏粒(＜0.002 mm)和砂礫(0.05 ~ 2 mm)比例大體相近，平均各占18.5% 和14.8%。在各個(gè)土壤剖面的不同層次上土壤顆粒組成無(wú)明顯規(guī)律，但均以粉砂含量較高。

2.2 安徽水稻土肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型，根據(jù)改進(jìn)層次分析法的計(jì)算程序，由式(3)得出用于確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的判斷矩陣12×12：

表4 安徽省各采樣點(diǎn)土壤基本理化性質(zhì)

根據(jù)判斷矩陣12×12，求出最大特征根所對(duì)應(yīng)的特征向量。所求特征向量即為各評(píng)價(jià)因素重要性排序，即權(quán)數(shù)分配，由式(5)和式(6)求得特征向量：

表5 安徽土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

根據(jù)式(9)和表5，計(jì)算安徽省稻田土壤肥力綜合指數(shù)值FI，結(jié)果如圖1所示，按照五級(jí)分類(lèi)法：FI≥0.8為土壤肥力質(zhì)量好，0.6≤FI＜0.8為較好，0.4≤FI＜0.6為中等，0.2≤FI＜0.4為較差，F(xiàn)I＜0.2為差。根據(jù)綜合評(píng)價(jià)模型結(jié)果，采集的11個(gè)剖面共43個(gè)安徽水稻土的樣本中，土壤肥力質(zhì)量為：5個(gè)質(zhì)量好，7個(gè)質(zhì)量較好，7個(gè)中等，14個(gè)為較差，10個(gè)為差。根據(jù)土壤樣品采集時(shí)記錄的各層次土壤深度，以及模糊綜合評(píng)價(jià)模型得到的各層次土壤肥力指數(shù)FI，利用R語(yǔ)言繪圖工具對(duì)11個(gè)采樣點(diǎn)不同深度的土壤肥力指數(shù)繪制堆疊柱狀圖，如圖2所示。

圖1 安徽省水稻土采樣點(diǎn)剖面各層土壤肥力指數(shù)

圖2 安徽省各采樣點(diǎn)土壤肥力指數(shù)堆疊圖

2.3 安徽稻田土壤肥力質(zhì)量的影響因素

2.3.1 土壤有機(jī)質(zhì) 土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力與土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[31]，有機(jī)質(zhì)能夠提供作物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分，同時(shí)能夠改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤緩沖性[32]，在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面起著重要作用[33]。根據(jù)綜合評(píng)價(jià)模型FI結(jié)果與土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較(圖3)發(fā)現(xiàn)：土壤有機(jī)質(zhì)與土壤肥力呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性，其2達(dá)0.807，土壤肥力質(zhì)量指數(shù)隨土壤有機(jī)質(zhì)含量增加而升高，這也與Doran和Safley[34]的理論相符合，同時(shí)該結(jié)論也驗(yàn)證了土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要指示物，與程少敏等[35]研究相符。

2.3.2 土壤氮素 相關(guān)性分析顯示(圖4)，安徽稻田土壤全氮、堿解氮含量與土壤肥力質(zhì)量指數(shù)呈正相關(guān)，其相關(guān)性系數(shù)平方(2)均達(dá)到0.83以上，呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。土壤堿解氮又稱(chēng)土壤水解性氮，指示土壤氮素供應(yīng)的強(qiáng)度也是作物有效氮素的主要來(lái)源[36]。氮是植物的基本營(yíng)養(yǎng)元素之一，土壤氮素在提高作物產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)等方面起到至關(guān)重要的作用。水稻生長(zhǎng)過(guò)程中氮素的吸收對(duì)土壤氮素的依存超過(guò)一半[37]。

圖3 土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤肥力質(zhì)量指數(shù)的關(guān)系

土壤氮含量受多重因素的影響，其含量處于動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程中，其中以水田條件下氮素?fù)p失量最少[38]。本研究發(fā)現(xiàn)，安徽省稻田表層土壤全氮平均含量為1.44 g/kg，表層土壤堿解氮平均含量為127.29 mg/kg，相比其他稻田土壤全氮、堿解氮含量均較低，這可能是與土壤的輪作方式、肥料施用量和肥料類(lèi)型的差異有關(guān)。因此，該地區(qū)應(yīng)在水稻種植期增加氮肥的施用量以確保氮素的供給。

圖4 土壤氮素含量與土壤肥力質(zhì)量指數(shù)之間的關(guān)系

3 結(jié)論

安徽省水稻土類(lèi)型主要是鐵聚水耕人為土，土壤質(zhì)地以粉砂壤土為主，表層土壤大體呈酸性，有機(jī)質(zhì)含量差異較大。表層土壤肥力指數(shù)均處于中等或以上肥力水平，僅有兩個(gè)土壤采樣位點(diǎn)的土壤肥力質(zhì)量為中等，其余均為好和較好，顯示安徽省作為我國(guó)糧食生產(chǎn)大省其土壤肥力的良好狀況，同時(shí)土壤肥力與土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮和堿解氮的含量呈顯著正相關(guān)。因此在水稻種植期可以通過(guò)增加有機(jī)肥、氮肥等的施用以提高土壤肥力狀況，從而保證水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。

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Basic Physico-chemical Properties and Fertility Comprehensive Evaluation of Main Paddy Soils in Anhui Province

DAI Shixiang1,2, REN Wenjie1, TENG Ying1,2*, CHEN Wei1, MA Wenting1, HUANG Yang1

(1 Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In total 43 horizon samples were collected from 11 paddy soil profiles in different areas in Anhui province, the basic physical and chemical properties were analyzed, and then a model was established to evaluate the fertility quality. The results showed that most paddy soils in Anhui Province are belonging to Fe-accumuli-stagnic Anthrosols according to the Chinese Soil Taxonomy. On the whole, the soils appear to be acidic, with pH value is roughly between 5.0-6.5, the contents of organic matter and nitrogen are relatively low, the average contents of organic matter, total nitrogen and available nitrogen in plough soil are 23.65 g/kg, 1.44 g/kg and 127.29 mg/kg respectively, and the textures of majority of the soils are silt loam. The fuzzy comprehensive evaluation model based on the improved analytic hierarchy process (AHP) showed that the plough soil fertility index FI is generally between 0.7-0.8, which indicate the fertility quality is in good level, and there are significant positive correlations between soil fertility and the contents of soil organic matter, total nitrogen and available nitrogen.

Anhui; Paddy soil; Improved analytical hierarchy process; Fuzzy comprehensive evaluation; Fertility quality

科技基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2015FY110700)資助。

(yteng@issas.ac.cn)

戴士祥(1992—)，男，河北滄州人，碩士研究生，主要從事土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)與修復(fù)方面研究。E-mail: shxdai1992@126.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.01.009

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