謝 軍，方林發(fā)，徐春麗，張淑香，張躍強,3，石孝均,4*

（1 西南大學資源環(huán)境學院/農(nóng)業(yè)部西南耕地保育重點實驗室，重慶 400716；2 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃所，北京 100081；3 國家紫色土土壤肥力與肥料效益監(jiān)測站，重慶 400716；4 西南大學農(nóng)業(yè)科學研究院，重慶 400716）

土壤肥力的高低是表征土壤肥沃性的重要因素，土壤中吸收儲存的水分和養(yǎng)分能為植物生長提供良好的環(huán)境[1]，研究表明，土壤肥力質量是土壤肥力的核心內(nèi)容，土壤肥力會影響土壤的生產(chǎn)力[2]，土壤退化會對糧食安全和生態(tài)環(huán)境造成深刻影響[3]，因而評價土壤肥力質量顯得尤為重要。長期定位試驗因其連續(xù)性的對作物產(chǎn)量和土壤性質進行監(jiān)測，用于評價土壤肥力的變化時結果更加可信，更能闡釋科學問題，能很好地反映土壤肥力的演變[4–5]。洛桑長期定位試驗結果表明，長期施用化肥對提高土壤有機質含量的效果遠小于長期施用農(nóng)家肥[6]。崔喜安等[7]發(fā)現(xiàn)長期施肥使暗棕壤有機質含量呈下降趨勢，施用有機肥在一定程度上可以有效控制土壤有機質含量的降低，而且有機肥在一定程度上可以有效控制土壤的酸化。曾玲玲等[8]的研究結果表明，長期不同施肥均能有效增加土壤有機質、全磷、速效磷和速效鉀含量，但白漿土的全氮以及堿解氮含量則表現(xiàn)出降低趨勢，導致土壤氮素養(yǎng)分庫的匱乏。目前國內(nèi)關于土壤肥力的研究多集中反映土壤單項肥力指標的變化，單項肥力指標僅僅局限于單因素的變化，不能代表土壤的綜合肥力水平，綜合肥力指數(shù)能更好地反映土壤肥力的高低，而這一過程必須借助數(shù)學方法，綜合化學、物理、生物多個因子進行土壤肥力評價[9]。前人的研究已經(jīng)表明，聚類分析法、主成分分析法、模糊數(shù)學法和內(nèi)梅羅指數(shù)法等均可對土壤進行綜合肥力評價[10–14]，但是至今還沒有標準的量化評價方法。目前關于土壤綜合肥力的評價多集中在南方紅壤[15]和北方潮土[16]等，對西南紫色土區(qū)域報道極少，尤其是不同評價方法下紫色土綜合肥力的變化。本研究采用內(nèi)梅羅指數(shù)法、因子分析法和相關系數(shù)法評價連續(xù)7年的不同施肥模式下紫色土區(qū)域土壤綜合肥力的演變，同時分析不同評價方法下土壤綜合肥力指數(shù)與作物產(chǎn)量的相關性，以期為西南紫色土地區(qū)作物保持高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和合理施肥提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗點位于西南大學國家紫色土肥力與肥料效益監(jiān)測站，該試驗點經(jīng)度為 106°26′，緯度為 30°26′，海拔為266.3 m，年平均氣溫為18.3℃，年平均降水量為1115.3 mm。供試土壤為中性紫色土，為侏羅系沙溪廟組紫色砂頁巖母質上發(fā)育的灰棕紫泥，質地為重壤。試驗前土壤的pH為6.56 (土水比1∶2.5)、有機質16.20 g/kg、全氮0.86 g/kg、全磷1.01 g/kg、全鉀16.96 g/kg、堿解氮110.0 mg/kg、有效磷21.4 mg/kg、速效鉀95.5 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗開始于2007年下半年，種植制度為蔬菜?玉米輪作，蔬菜為冬季填閑作物，2007—2010年種植的蔬菜為榨菜，2011—2013年為大白菜。本研究選取其中四個施肥處理：1) 不施肥 (CK); 2) 優(yōu)化施肥 (OP)；3) 在優(yōu)化施肥基礎上有機肥氮替代50%化肥氮 (MF)；4) 在優(yōu)化施肥基礎上有機肥氮替代100%化肥氮 (OM)。每個處理設置3次重復，每個小區(qū)為長1.5 m、寬1 m，面積為1.5 m2的水泥池，池深1 m(為原狀土壤)，確保小區(qū)之間不互相影響。小區(qū)隨機區(qū)組排列。優(yōu)化施肥 (OP) 和有機替代 (MF和OM)處理的氮磷鉀養(yǎng)分用量相同。蔬菜純養(yǎng)分用量為：N 300 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2，有機肥帶入的磷養(yǎng)分含量不足90 kg/hm2，鉀養(yǎng)分含量不足150 kg/hm2時用化學肥料補足。玉米純養(yǎng)分用量為：N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，有機肥帶入的磷鉀養(yǎng)分含量不足90 kg/hm2時用化學肥料補足。

肥料種類為尿素、磷酸二氫鉀、硫酸鉀和雞糞有機肥。在蔬菜季，雞糞有機肥和磷肥作為基肥一次施用，鉀肥基施50%，12葉期時施用50%，氮肥分3次施用，分別按照苗期∶12葉期∶15葉期=2∶7∶1施用；在玉米季，雞糞有機肥、磷肥、鉀肥作為基肥一次施用，氮肥分3次施用，分別按照苗期∶拔節(jié)期∶大喇叭口期 = 5∶1∶4施用。基肥為撒施，追肥為穴施。有機肥養(yǎng)分中N 1.4%、P2O53.0%、K2O 3.1%、pH 8.9、C/N 25.7。

供試榨菜品種為永安小葉，每年11月上旬種植，翌年2月下旬收獲；供試大白菜品種為鑫豐100，每年10月上旬種植，翌年1月上旬收獲；供試玉米品種為璐玉18，每年3月下旬種植，7月下旬收獲。種植蔬菜的行距為33 cm、株距為33 cm；種植玉米的行距為50 cm、株距為37.5 cm，按常規(guī)進行統(tǒng)一田間管理。

1.3 取樣及測定

每季作物收獲時，分小區(qū)將作物齊地收割，蔬菜以鮮重計產(chǎn)，玉米脫粒后風干測產(chǎn)換算為含水量為14%時的產(chǎn)量。每年選擇在玉米收獲后采集土壤樣品，每個處理取3個重復，在每個小區(qū)按S形采樣法采集0—20 cm的土壤樣品，混勻，風干過篩后測定土壤的理化性質[17]：土壤pH用pH計測定 (土水比為1∶2.5)；有機質用K2Cr2O7?H2SO4氧化法測定；土壤全氮用半微量凱氏定氮法測定；土壤全磷用氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀用氫氧化鈉熔融—火焰光度計測定；有效磷用Olsen法測定；速效鉀用NH4Ac浸提—火焰光度計法測定。

1.4 參評指標的選取

在選擇評價指標時，土壤的物理性質相對穩(wěn)定，生物肥力變化太快，一般不用來評價土壤綜合肥力，通常選用土壤有機質、氮、磷、鉀等養(yǎng)分指標來評價土壤綜合肥力[18]。基于目前對長期定位試驗的研究結果[9,19]，本研究選取了長期定位試驗連續(xù)監(jiān)測的土壤pH 值、土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀 7項指標作為參評指標綜合反映土壤肥力狀況。

1.5 土壤綜合肥力的計算

1.5.1 因子分析法和相關系數(shù)法 二者均屬于模糊評價法，應首先對評價指標進行數(shù)據(jù)歸一化處理，根據(jù)隸屬度函數(shù)計算出每個評價指標的隸屬度值。用因子分析法確定權重，采用因子分析法計算出各評價指標的公因子方差，某評價指標的公因子方差與所有評價指標的公因子方差之和的比值即為該評價指標的權重；用相關系數(shù)法確定權重，某評價指標與其他評價指標的相關系數(shù)均值與所有評價指標的相關系數(shù)的總和的比值即為該評價指標的權重。

根據(jù)模糊數(shù)學加乘法原則，計算土壤的綜合肥力指數(shù)[20–21](integrated fertility index，IFI)。

式中：Wi和Pi分別表示第i項的權重和隸屬度值；n代表評價指標的個數(shù)。IFI取值在0～1之間，IFI值越大，表示土壤綜合肥力越高。

1.5.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法 根據(jù)全國土壤第二次普查標準對土壤進行分級 (表1)，分別計算出各評價指標的分肥力系數(shù)IFIi，采用修正后的內(nèi)梅羅指數(shù)法計算土壤的綜合肥力。

1) 分肥力系數(shù)IFIi的計算：

式中：IFIi表示分肥力系數(shù)；X表示測定值；Xa、Xc和Xp值參照表1。

2) 用修正的內(nèi)梅羅[22](Nemoro) 公式計算土壤的綜合肥力指數(shù)(IFI)。

表1 土壤各屬性的分級標準值Table 1 Grading standards of soil properties

式中：IFI為土壤綜合肥力指數(shù)；IFIi平均為各分肥力系數(shù)均值；IFIi最小為各分肥力系數(shù)最小值；n代表評價指標的個數(shù)。IFI值介于0～3之間，IFI值越大，表示土壤的綜合肥力越高。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS18.0軟件處理試驗數(shù)據(jù)和繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 不同施肥模式對蔬菜?玉米產(chǎn)量的影響

不同施肥處理下蔬菜和玉米的平均產(chǎn)量均表現(xiàn)為MF處理最高，顯著高于OP和OM處理 (P ＜ 0.05)(表2)。相比不施肥處理，施肥顯著提高了蔬菜和玉米的產(chǎn)量。在蔬菜季，MF處理顯著提高了產(chǎn)量，相比OP和OM處理，榨菜分別增產(chǎn)27.8%和16.0%，大白菜分別增產(chǎn)28.6%和8.7%；在玉米季，MF處理的產(chǎn)量最大，為9907 kg/hm2，顯著高于OP和OM處理，分別增產(chǎn)1199 kg/hm2和1273 kg/hm2。綜上，有機肥替代50%化肥能夠顯著提高蔬菜和玉米的產(chǎn)量。

2.2 土壤單項肥力指標與產(chǎn)量的相關關系

單項肥力指標與產(chǎn)量的相關性分析表明 (表3)，土壤pH值和土壤全鉀與作物產(chǎn)量均不存在相關關系；在榨菜?玉米輪作體系下，土壤全磷與玉米產(chǎn)量、榨菜產(chǎn)量和榨菜玉米總產(chǎn)量存在極顯著正相關關系；在大白菜?玉米輪作體系下，土壤速效鉀與大白菜產(chǎn)量和大白菜玉米總產(chǎn)量存在極顯著正相關關系；土壤有機質、全氮和有效磷與作物產(chǎn)量均存在顯著或極顯著正相關關系, 表明土壤有機質、全氮和有效磷對紫色土土壤肥力貢獻大，是表征紫色土土壤肥力的重要指標。

2.3 土壤肥力綜合評價

由圖1可知，隨著種植年限的增加，3種評價方法計算的IFI值在CK處理整體表現(xiàn)為下降趨勢，表明長期不施肥會導致土壤綜合肥力不斷降低。OP、MF和OM處理的IFI值總體均呈上升趨勢，其中以MF和OM處理的IFI提升最大，表明有機肥氮替代部分化肥氮或有機肥處理能夠培肥土壤，提高土壤的綜合肥力。

相關系數(shù)法和因子分析法的IFI值分布極為接近且變化趨勢一致，表明因子分析法和相關系數(shù)法在評價土壤的綜合肥力時表現(xiàn)出一致性和通用性。內(nèi)梅羅指數(shù)法評價IFI值的變化趨勢與相關系數(shù)法和因子分析法的IFI值一致，但是內(nèi)梅羅指數(shù)法的IFI值相對分散，變化幅度較大。

表2 不同施肥處理下的蔬菜和玉米產(chǎn)量 (kg/hm2)Table 2 Yields of vegetable and maize under different fertilization

表3 單項肥力指標與產(chǎn)量的相關關系Table 3 Correlation coefficients between individual fertility index and crop yields

圖1 不同評價方法下各施肥處理土壤綜合肥力指數(shù)演變Fig. 1 Dynamics of IFI under different fertilization using different evaluation methods

3種評價方法下不同施肥處理的IFI值從大到小均為 OM ＞ MF ＞ OP ＞ CK(圖 2)。施用有機肥處理(OM和MF) 的IFI值均顯著高于OP處理 (P ＜ 0.05)。相比OP處理，MF和OM處理的IFI值在內(nèi)梅羅指數(shù)法中分別提高16.8%和29.4%，在因子分析法中分別提高了10.4%和22.4%，在相關系數(shù)法中分別提高了6.7%和18.7%。

2.4 評價結果的驗證

作物產(chǎn)量在一定程度上可以反映出土壤綜合肥力的高低，一般采用產(chǎn)量與綜合肥力指數(shù)的相關關系來驗證評價結果的準確性。由表4可知，3種評價方法的IFI值與產(chǎn)量的相關分析中，二者均呈顯著或極顯著正相關關系，但是計算相關系數(shù)的平均值可知，3種評價方法的精確性相關系數(shù)法 (0.5292) ＞ 內(nèi)梅羅指數(shù)法 (0.5252) ＞ 因子分析法 (0.5130)，表明相關系數(shù)法計算的IFI值較其他兩種方法的評價更可靠，在實踐中應優(yōu)先選擇使用該方法。

圖2 不同施肥處理的綜合土壤肥力指數(shù)Fig. 2 IFI under different fertilization

3 討論

通過分析土壤單項肥力指標與作物產(chǎn)量的相關關系表明，土壤有機質、全氮和有效磷對紫色土土壤肥力貢獻大，是表征紫色土土壤肥力的重要指標。陳軒敬等[14]研究結果表明，有機質、全磷、全氮和有效磷是影響紫色土土壤肥力的重要指標，這與本研究的結果基本一致。土壤有機質是土壤肥力的一個重要方面[23]，范明生等[24]研究表明，近30年中國作物系統(tǒng)土壤基礎肥力的提高在于土壤有機質含量的提升。氮素是限制作物增產(chǎn)的重要原因[25]，長期沒有氮素的投入會造成作物減產(chǎn)[26]。王定勇等[27]研究表明，不施磷肥10年后，紫色土土壤的供磷能力呈下降趨勢，僅為第一年土壤供磷量的37%～50%，原因可能是紫色土有效磷含量低，長期不施用磷肥，會耗竭土壤磷素，造成作物減產(chǎn)，同時作物收獲帶走的磷素主要來自于土壤磷的釋放，這大大降低了土壤的供磷能力。本研究同時也表明，土壤鉀素對紫色土土壤肥力影響不顯著，原因是紫色土含鉀豐富[28]，土壤鉀素能夠持續(xù)供應作物生長。

在3種不同評價方法下，不同施肥處理的土壤綜合肥力指數(shù)IFI值從大到小均為OM ＞ MF ＞ OP ＞CK，不同施肥處理的IFI值的相對高低和處理間的顯著性基本一致，尤其是因子分析法和相關系數(shù)法，這表明這兩種方法在評價土壤肥力時具有高度的一致性和通用性，同時也較好地體現(xiàn)了3種評價方法的適宜性。同時，土壤肥力演變趨勢的合理性同樣可以判斷評價方法的適宜性，從圖1可知，不施肥CK處理土壤綜合肥力指數(shù)呈緩慢下降趨勢，施肥處理能夠提高土壤綜合肥力指數(shù)，尤以單施有機肥和有機肥替代50%化肥提升最為明顯，原因可能是有機肥的有機質含量高，養(yǎng)分全面，肥效長，能夠改善土壤微生物群落結構，改良土壤，維持地力[29–30]。陳軒敬等[14]運用內(nèi)梅羅指數(shù)法研究土壤綜合肥力演變表明，IFI值在1.63～2.01之間可以獲得作物相對最高產(chǎn)量。本研究中，運用內(nèi)梅羅指數(shù)法評價有機肥氮替代50%化肥氮和有機肥氮替代100%化肥氮的IFI值的平均值分別為1.67和1.85，而優(yōu)化施肥的IFI值僅為1.43，表明有機肥氮替代化肥氮能夠提高土壤肥力，進而增加作物產(chǎn)量。此外，大量的研究表明長期施用有機肥或化肥能夠提高土壤肥力，尤其是有機無機配施或施用有機肥提升幅度最大[21,31–32]。

為了消除氣候因子對作物產(chǎn)量的干擾，本研究對IFI值與不同作物產(chǎn)量及其總產(chǎn)量分別做了相關分析，從作物產(chǎn)量與對應的IFI值的相關性來看，無論是蔬菜季、玉米季和全年，內(nèi)梅羅指數(shù)法、因子分析法和相關系數(shù)法的IFI值與作物產(chǎn)量均達到顯著或極顯著相關關系。李方敏等[33]運用因子分析法和相關系數(shù)法對土壤綜合肥力指數(shù) (IFI) 與相應水稻產(chǎn)量進行相關分析表明，二者達到極顯著差異，表明綜合評價結果能夠較好地反映土壤肥力變化。包耀賢等[19]對湖南望城和江西進賢的長期試驗的研究結果表明，內(nèi)梅羅指數(shù)法、因子分析法和相關系數(shù)法的IFI值與水稻產(chǎn)量有極顯著相關關系，這與本研究的結果基本一致。分析不同年份的IFI值與作物產(chǎn)量的相關系數(shù)的平均值來看，本研究中相關系數(shù)法 (0.5292) ＞內(nèi)梅羅指數(shù)法 (0.5252) ＞ 因子分析法 (0.5130)，表明在評價土壤肥力時，相關系數(shù)法要比內(nèi)梅羅指數(shù)法和因子分析法更加可靠，在實際生產(chǎn)中應優(yōu)先選用。

表4 綜合肥力指數(shù)與產(chǎn)量的相關關系Table 4 Correlation coefficients between IFI and crop yields

4 結論

1) 相比優(yōu)化施肥和有機肥氮替代100%化肥氮，有機肥氮替代50%化肥氮能顯著提高蔬菜和玉米的產(chǎn)量。

2) 在蔬菜–玉米輪作體系下，施用有機肥或有機肥氮替代部分化肥氮能培肥土壤，提高土壤的綜合肥力，從三種評價方法的精確性來看，相關系數(shù)法比內(nèi)梅羅指數(shù)法和因子分析法更加可靠，在實踐中應優(yōu)先使用。