熊管樂，邵孝候，張永濤，吳七斤，何 菁，邱椏柳，高海濤

（1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；

（2.江蘇諾麗慧農(nóng)農(nóng)業(yè)科技有限公司，江蘇 南京 211100；

（3.南京市高淳區(qū)水務(wù)局，江蘇 南京 2l1300；

（4.南京市水利建筑工程檢測中心有限公司，江蘇 南京 210036）

【研究意義】土壤酸化是我國農(nóng)業(yè)集約化之后產(chǎn)生的主要土壤問題［1］。酸性土壤環(huán)境中過高的交換性Al3+阻礙作物根系生長發(fā)育，從而抑制作物對養(yǎng)分的吸收，過低的pH導(dǎo)致土壤養(yǎng)分虧缺［2-4］，土壤酸化和肥力退化最終造成農(nóng)作物大幅減產(chǎn)甚至絕收［5-8］?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】施用土壤調(diào)理劑直接中和土壤酸度是改良酸性土壤的重要措施之一［5］。通過降低土壤酸度來發(fā)揮作用的土壤調(diào)理劑一般呈堿性，CaO和MgO是其常見的成分，其作用原理是利用調(diào)理劑中溶解出的Ca2+和Mg2+和土壤溶液中的活性酸、交換性Al3+、土壤官能團(tuán)中的氫以達(dá)到降低酸度的目的［4］。針對此類土壤調(diào)理劑對酸性土壤的改良效果已有不少研究，但是多數(shù)研究只針對土壤酸度指標(biāo)和肥力單因素的改良效果進(jìn)行描述和分析［9-13］，而對改良后酸性土壤肥力狀況的綜合評價(jià)的研究報(bào)道尚較有限。土壤肥力作為一個(gè)綜合指標(biāo)，其優(yōu)劣直接影響作物產(chǎn)量。在土壤質(zhì)量評價(jià)研究中，使用頻率較高的土壤指標(biāo)包括有機(jī)質(zhì)、pH、有效磷、速效鉀、全氮、重金屬和交換性鹽基離子等［14］，這些評價(jià)指標(biāo)的選取僅依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，難免帶有主觀性［15］。主成分分析法（ Principal Component Analysis，PCA） 通過線性變換將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為相互獨(dú)立的能充分反映總體信息的少數(shù)主成分，能最大程度地減少數(shù)據(jù)冗余且客觀準(zhǔn)確地篩選出指標(biāo)的變異性［16-17］，被越來越多應(yīng)用在土壤質(zhì)量定量評價(jià)中［18-21］。

【本研究切入點(diǎn)】改良后酸性土壤的肥力狀況對酸性土壤的科學(xué)改良具有參考意義，客觀綜合地對改良后的酸性土壤進(jìn)行評價(jià)顯得尤為重要?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究利用主成分分析法和土壤肥力指標(biāo)間的相關(guān)性分析篩選出能夠獨(dú)立、敏感地反映土壤肥力的最小數(shù)據(jù)集庫（MDS），通過隸屬度函數(shù)將最小數(shù)據(jù)集中的指標(biāo)全部轉(zhuǎn)化，繪制由單個(gè)肥力指標(biāo)的隸屬度值組成的雷達(dá)圖，直觀反映土壤調(diào)理劑不同用量下酸性土壤肥力的整體狀況及單個(gè)指標(biāo)間的差異，從而確定由土壤調(diào)理劑用量導(dǎo)致的土壤肥力的限制因子。最后，通過2種土壤綜合肥力指數(shù)模型計(jì)算出土壤調(diào)理劑不同用量下的土壤肥力綜合指數(shù)，從而為更系統(tǒng)地認(rèn)識土壤調(diào)理劑對酸性土壤肥力的改良效果及酸性土壤的科學(xué)改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)場地位于福建省邵武市水北鎮(zhèn)楊梅嶺村（117°27′41.48″E， 27°23′53.12″N，高程208 m），耕地類型為由紅壤發(fā)育而來的黃泥田，前作為空心菜，地下水埋深大于0.5 m。土壤pH為4.47，交換性酸度為1.55 cmol/kg，有機(jī)質(zhì)含量為31.14 g/kg，總氮為1.49 g/kg，堿解氮為119.50 mg/kg，有效磷為61.97 mg/kg，速效鉀為60.44 mg/kg。

試驗(yàn)區(qū)年平均溫度17.7 ℃，全年以7月份最熱，月平均溫度27.5 ℃。1月份最冷，月平均溫度6.8℃。該地區(qū)雨量豐沛，年平均降雨量1 770 mm，最大降雨量為2 403 mm，最小為1 231 mm。年蒸發(fā)量為1 347.6 mm，其中7—9月蒸發(fā)量最大，達(dá)到155～240 mm，12—2月蒸發(fā)量最小，蒸發(fā)量為50～60 mm。年平均相對濕度為82%，一年內(nèi)相對濕度變化不大，春季和雨季到來之前，隨氣溫逐漸升高，相對濕度低于平均值。試驗(yàn)區(qū)全年日照時(shí)數(shù)達(dá)1 740.4 h，平均日照率39%，≥10℃積溫為5 597.2 ℃，無霜期平均為264 d。

1.2 試驗(yàn)材料

供試小白菜品種為閩樟五月慢。土壤調(diào)理劑由江蘇諾麗慧農(nóng)農(nóng)業(yè)科技有限公司提供，由海洋貝類發(fā)酵造粒烘干制備而成，pH范圍在10～11，主要成分為30%CaO、15%MgO等中微量元素，能對酸性土壤進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高土壤pH值。對經(jīng)濟(jì)作物土壤調(diào)理劑建議施用量為150～600 kg/hm2。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)施用土壤調(diào)理劑150、300、450、600 kg/hm2和空白對照5個(gè)處理（分別記為T150、T300、T450、T600、CK），每個(gè)處理 3次重復(fù)，完全隨機(jī)排列，小區(qū)面積12 m2（3 m×4 m）。土壤調(diào)理劑施用方法為表面撒施后翻耕，深度約為10 cm。翻耕后起壟，壟長3 m、寬2 m、高0.2 m，壟間距1 m。各試驗(yàn)處理除了土壤調(diào)理劑用量不同外，其他耕作措施及田間日常管理等方面均完全一致。小白菜幼苗于2019年1月9日定植于壟上，每壟定植14行10列，行距株距均為0.2 m。定植兩周后第一次施肥（鄂中15-15-15生態(tài)級多肽純硫基復(fù)合肥，總養(yǎng)分≥45%），用量為333.33 kg/hm2，于2019年2月24日追肥，肥料品種與用量與第一次相同。小白菜于2019年3月22日采收，共定植71 d。每個(gè)小區(qū)取5顆小白菜作為代表，以其平均值作為參試材料的實(shí)測值。待小白菜全部收獲后，分別在不同處理的地塊取5點(diǎn)混合土樣（0～20 cm），自然風(fēng)干后測定土壤各項(xiàng)指標(biāo)。

本試驗(yàn)共涉及14項(xiàng)土壤指標(biāo)，測定方法［22］如下：土壤pH值采用土水比（ W∶W） 為1∶2.5，交換性酸度（EA）及交換性H+（Ex-H）采用KCl交換-中和滴定法，交換性Al3+（Ex-Al）為交換性酸與交換性H+之差，交換性K+（Ex-K）、交換性Na+（Ex-Na）采用乙酸銨溶液交換-火焰光度法，交換性Ca2+（Ex-Ca）、交換性Mg2+（Ex-Mg）采用乙酸銨交換-原子吸收分光光度法，交換性鹽基（EB）為交換性K+、交換性Na+、交換性Ca2+、交換性Mg2+之和，總氮（TN）采用半微量開氏法，堿解氮（AN）采用堿解擴(kuò)散法，有效磷（AP）采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀（AK）采用NH4OAc浸提-火焰光度法，有機(jī)質(zhì)（OM）采用重鉻酸鉀容重法-外加熱法測定。

小白菜地上部分鮮重：收獲時(shí)沿土壤表面用鐮刀割斷小白菜地上部分，用干凈軟布擦拭沾附在葉片上的土粒后稱取地上部分鮮重。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖表采用Microsoft Excel 2007和SPSS20.0軟件進(jìn)行處理。

1.4 土壤肥力評價(jià)方法

1.4.1 評價(jià)土壤肥力的最小數(shù)據(jù)庫集（MDS）及各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定 利用主成分分析和土壤肥力指標(biāo)間的相關(guān)性分析［23］，從與酸性土壤肥力密切相關(guān)的土壤屬性指標(biāo)中篩選出MDS。為統(tǒng)一量綱，先將所有數(shù)據(jù)通過隸屬函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換［24］。利用主成分分析法篩選MDS評價(jià)指標(biāo)時(shí)，通過計(jì)算變量的Norm值避免該變量在其他特征值≥1的主成分上信息丟失的缺陷［25］。將肥力指標(biāo)按照其在主成分的荷載進(jìn)行分組，分組后根據(jù)組內(nèi)Norm值對指標(biāo)進(jìn)行篩選，結(jié)合指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)，以及指標(biāo)的易測性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和實(shí)用性等原則，剔除高度相關(guān)的多余指標(biāo)，保留與其他指標(biāo)相關(guān)性均較低的指標(biāo)，最終進(jìn)入MDS［25-27］。最后，通過計(jì)算各保留指標(biāo)在主成分分析中得到的公因子方差占公因子方差總和的百分比來表征各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)［17］。

1.4.2 單個(gè)肥力指標(biāo)隸屬度函數(shù)值的計(jì)算及其雷達(dá)圖的繪制 根據(jù)各指標(biāo)對土壤肥力質(zhì)量影響的特點(diǎn)，選用“S”型和拋物線型兩種隸屬度函數(shù)對肥力指標(biāo)進(jìn)行處理，表達(dá)式如下：

式中，Ki為指標(biāo)隸屬度，x為指標(biāo)實(shí)測值，x1、x2、x3、x4為對應(yīng)隸屬度函數(shù)的臨界值。

根據(jù)試驗(yàn)土壤特點(diǎn)，參考第二次全國土壤普查標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為各肥力指標(biāo)選取適宜的隸屬度函數(shù)類型及臨界值（表1）。將各土壤肥力指標(biāo)的實(shí)測值和對應(yīng)隸屬度函數(shù)的臨界值帶入表達(dá)式，得到各肥力指標(biāo)的隸屬度值。利用計(jì)算出的各肥力指標(biāo)的隸屬度值繪制雷達(dá)圖，以反映土壤調(diào)理劑不同用量下單個(gè)肥力指標(biāo)的狀態(tài)及土壤肥力的整體狀況。

表1 土壤肥力指標(biāo)隸屬度函數(shù)類型及臨界值Table 1 Membership function type of soil fertility indicators and their critical values

1.4.3 土壤肥力指數(shù)的計(jì)算 采用模糊數(shù)學(xué)中的綜合肥力指數(shù)評價(jià)模型IFI（integrated soil fertility indices）及權(quán)重加權(quán)求和指數(shù)模型ADD FQI（additive fertility quality indices）對土壤肥力進(jìn)行比較［28-29］，計(jì)算公式如下：

式中，Ki表示第i個(gè)指標(biāo)的隸屬度，wi表示第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，n表示最小數(shù)據(jù)集中參評指標(biāo)的個(gè)數(shù)（n=5）。

為了更加直觀地反映土壤調(diào)理劑不同用量下的土壤肥力狀況及對應(yīng)的小白菜產(chǎn)量，繪制2種指數(shù)模型下土壤肥力指數(shù)折線圖并結(jié)合不同處理對應(yīng)的小白菜產(chǎn)量進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤肥力評價(jià)最小數(shù)據(jù)庫集及各指標(biāo)權(quán)重的確定

由表2可知，特征值≥1的主成分有3個(gè)（PC-1、PC-2和PC-3），累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到95.79%，能夠解釋絕大部分的原始信息。結(jié)合表3可知，在第1組中，pH與交換性總酸達(dá)極顯著相關(guān)，交換性H+與pH、總酸、交換性Al3+、交換性鹽基、交換性Ca2+、交換性Na+相關(guān)性均＞0.5；交換性Ca2+與交換性鹽基、交換性Na+達(dá)極顯著相關(guān)，總氮與交換性K+達(dá)顯著相關(guān)，與堿解氮、有效磷、速效鉀達(dá)極顯著相關(guān)，因此保留pH、交換性Ca2+、總氮；第2組中，交換性Al3+和第1組中保留的pH達(dá)極顯著相關(guān)，故剔除，與交換性Mg2+達(dá)顯著相關(guān)的指標(biāo)為堿解氮、速效鉀，但未在第1組中保留，因此第2組中只保留交換性Mg2+一個(gè)指標(biāo)；第3組中只含有有機(jī)質(zhì)這一個(gè)因子，故保留。綜上，最終進(jìn)入MSD的指標(biāo)有：pH、交換性Ca2+、總氮、交換性Mg2+和有機(jī)質(zhì)5個(gè)指標(biāo)。經(jīng)1.4.1方法計(jì)算得出，pH、交換性Ca2+、總氮、交換性Mg2+和有機(jī)質(zhì)的權(quán)重系數(shù)分別為0.071、0.074、0.074、0.075和0.072。

表2 土壤肥力指標(biāo)主成分因子荷載、Norm值及公因子方差Table 2 Principal component factor load, Norm value and common factor variance of soil fertility indicators

表3 土壤肥力指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient between soil fertility indicators

2.2 利用雷達(dá)圖對單個(gè)肥力指標(biāo)狀態(tài)及土壤肥力進(jìn)行評價(jià)

圖1 MDS肥力指標(biāo)隸屬度函數(shù)值雷達(dá)圖Fig.1 Radar chart for membership function values of MDS fertility indicators

利用計(jì)算出的各肥力指標(biāo)隸屬度值繪制雷達(dá)圖，見圖1，由圖1可知，單個(gè)肥力指標(biāo)的隸屬度函數(shù)值均好于CK，即施用土壤調(diào)理劑后土壤的肥力單因素都得到了改善，其中，不同處理間pH值和交換性Mg2+的隸屬度函數(shù)值呈現(xiàn)明顯的等級分化，其余3個(gè)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)值分布較為集中，所以pH值和交換性Mg2+的狀態(tài)直接影響到代表肥力的五邊形的分布及面積大小，說明土壤調(diào)理劑的用量會對土壤pH和交換性Mg2+的狀態(tài)造成較大影響，因而土壤pH和交換性Mg2+的改善程度限制了土壤肥力的改善程度。施用土壤調(diào)理劑處理的交換性Ca2+隸屬度函數(shù)值均好于CK且達(dá)到最佳狀態(tài)，說明施用土壤調(diào)理劑均可以很好地改善土壤中交換性Ca2+的狀態(tài)。施用土壤調(diào)理劑處理的總氮狀態(tài)均好于CK，且都處于較好狀態(tài)。圖1中有機(jī)質(zhì)的隸屬度函數(shù)值均介于0.5～0.9之間，雖然不同處理間的有機(jī)質(zhì)隸屬度函數(shù)值存在波動(dòng)，但土壤有機(jī)質(zhì)一般比較穩(wěn)定［30］，種植時(shí)間只有71 d，處理間有機(jī)質(zhì)的差異很可能是由于大田本身有機(jī)質(zhì)的分布不均造成的，而土壤調(diào)理劑的施用不構(gòu)成主要原因。在土壤調(diào)理劑不同用量條件下，從由5項(xiàng)參評因子組成的綜合肥力五邊形的面積和分布來看，面積最小的是CK，T150處理的面積略大于CK，T600處理的面積大于T500，但分布明顯偏向下方，T300處理的面積明顯大于T600處理，但五邊形整體明顯向上方偏移，T450處理的面積及分布相對較好，但仍未達(dá)到各指標(biāo)均處于最佳狀態(tài)的正五邊形。由此可見，土壤調(diào)理劑不同用量會造成土壤肥力的明顯差異，其中，土壤調(diào)理劑用量造成土壤pH值和交換性Mg2+的差異是土壤肥力的主要限制因子。

2.3 土壤肥力綜合評價(jià)

由圖2可知，IFI和FQI的折線變化趨勢基本一致，肥力排序均為T450＞T300＞T600＞T150＞CK，與圖1結(jié)果相符。T450處理肥力單因素隸屬度函數(shù)值不都是最大，但是通過2種指數(shù)模型計(jì)算后T450處理的肥力綜合得分最高，與圖1觀察到的結(jié)果一致，小白菜產(chǎn)量也是最高，說明本試驗(yàn)中土壤調(diào)理劑的最佳施用量為450 kg/hm2；T300處理的肥力綜合指數(shù)略低于T450處理，結(jié)合圖1，T300處理的綜合肥力指數(shù)五邊形由于交換性Mg2+和有機(jī)質(zhì)隸屬度函數(shù)值的偏差使得整體明顯偏向上方，雖然改良后土壤的pH值、總氮和交換性Ca2+達(dá)到最佳狀態(tài)，但是交換性Mg2+和有機(jī)質(zhì)隸屬度函數(shù)值的不足仍然影響了土壤肥力綜合指數(shù)的提升，小白菜產(chǎn)量相比CK有顯著提高，但并不是各處理中的最高產(chǎn)量，說明肥力單因素的最佳并不代表肥力的最佳；T600、T300處理的情況類似，雖然改良后土壤中交換性Ca2+、總氮和有機(jī)質(zhì)的狀態(tài)得到改善，但是極低的pH隸屬度函數(shù)值和中等的交換性Mg2+隸屬度函數(shù)值降低了T600處理的綜合肥力指數(shù)，雖然小白菜產(chǎn)量相較CK有了明顯提高，但不是各處理中的最高產(chǎn)量；T150處理的肥力綜合指數(shù)略高于CK，雖然改良后的總氮、交換性Ca2+狀態(tài)最佳，有機(jī)質(zhì)狀態(tài)也得到改善，但其pH和交換性Mg2+狀態(tài)極差，因此小白菜產(chǎn)量相較CK并沒有顯著提高。

圖2 土壤調(diào)理劑不同用量下的產(chǎn)量及肥力指數(shù)Fig.2 Yield and soil fertility indicators under soil conditioner with different dosages

3 討論

從試驗(yàn)結(jié)果來看，雖然土壤肥力在施用土壤改良劑后都得到改善，但土壤pH和交換性Mg2+的改善程度限制了土壤肥力的改善程度。酸性土壤中鎂普遍缺乏［31］，而鎂是植物光合作用必需的營養(yǎng)元素［32］，且過低的土壤pH會加速土壤養(yǎng)分的流失，因此酸性土壤中有效鎂的含量會對酸性土壤的肥力及作物產(chǎn)量造成限制［33］。試驗(yàn)使用的土壤調(diào)理劑pH范圍為10～11，主要成分為30%CaO、15%MgO等中微量元素，施用后能夠直接中和一部分土壤酸性并對酸性土壤中缺失的鈣、鎂離子進(jìn)行直接補(bǔ)充，然而改良后的酸性土壤的pH以及土壤中的鈣、鎂離子含量與土壤調(diào)理劑的施用量并不存在顯著線性關(guān)系?？赡茉蚴钦{(diào)理劑施用前期與土壤中的活性酸中和消耗，后期土壤中的潛性酸緩慢釋放土壤導(dǎo)致pH下降［11］。大田土壤中潛性酸的分布不均對土壤pH的下降會造成影響，而土壤中的交換性Mg2+在一定范圍內(nèi)會隨pH的升高而增加［11］。同時(shí)也會受土壤改良劑中的鈣、鎂比例造成的影響，雖然鈣、鎂離子和土壤溶液中的質(zhì)子反應(yīng)都能達(dá)到降酸目的，但是當(dāng)?shù)V物中的鈣替換為鎂時(shí)，礦物的晶體結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變，而這一結(jié)構(gòu)的改變將導(dǎo)致礦物的溶解度降低，進(jìn)而影響降酸效果［34-35］。

土壤調(diào)理劑的不同用量會造成土壤肥力的明顯差異，但是土壤調(diào)理劑中并未含有可以直接補(bǔ)充土壤中氮素的成分，土壤中總氮的增加主要是依靠氮肥的施用，所有各處理的氮肥施用量相同，而添加了土壤調(diào)理劑的處理的總氮狀況好于未添加土壤調(diào)理劑的處理，可能原因是土壤調(diào)理劑改善了土壤環(huán)境，增強(qiáng)了土壤對總氮的吸持能力。添加土壤調(diào)理劑并不能增加土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，而有機(jī)質(zhì)能對土壤酸化起到很好的緩沖作用并有利于作物生長［36-37］，因此建議在施用堿性土壤調(diào)理劑改良土壤的同時(shí)注意土壤中有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)充。

探討不同調(diào)理劑對酸性土壤改良效果的研究已有很多，但大多集中在對土壤酸度指標(biāo)和肥力單因素變化的描述和分析，決定小白菜產(chǎn)量的是土壤肥力，單個(gè)肥力指標(biāo)的改善雖然有一定程度的改良效果，可以促進(jìn)小白菜產(chǎn)量的提高，但是不能起到顯著增產(chǎn)作用，因此改良土壤酸化必須做到土壤酸度改良與肥力提升同步進(jìn)行，對土壤改良的效果評價(jià)也不應(yīng)該只關(guān)注單個(gè)指標(biāo)的改善，而應(yīng)該對土壤肥力進(jìn)行綜合評價(jià)。當(dāng)土壤調(diào)理劑用量為450 kg/hm2時(shí)，雖然土壤酸度與土壤肥力同步提升，小白菜顯著增產(chǎn)，但是土壤總氮、交換性Mg2+、pH、有機(jī)質(zhì)并未達(dá)到最佳狀態(tài)，說明土壤肥力仍有提升空間，土壤調(diào)理劑的最佳用量還有待進(jìn)一步驗(yàn)證，更加合理的針對酸化土壤的改良配方也仍需進(jìn)一步探索。

4 結(jié)論

（1）通過主成分分析和土壤肥力指標(biāo)間的相關(guān)性分析，從14項(xiàng)與酸性土壤肥力密切相關(guān)的土壤屬性指標(biāo)中篩選出酸性土壤肥力評價(jià)的最小數(shù)據(jù)集庫（MDS）中包括pH、交換性Ca2+、總氮、交換性Mg2+、有機(jī)質(zhì)5個(gè)肥力指標(biāo)，這5個(gè)肥力指標(biāo)是酸性土壤肥力評價(jià)的高度敏感指標(biāo)，是酸性土壤質(zhì)量恢復(fù)與調(diào)控的主要目標(biāo)。

（2）施用土壤調(diào)理劑可以提升酸性土壤肥力，肥力提升的程度受調(diào)理劑用量控制，其中土壤調(diào)理劑用量造成的pH和交換性Mg2+差異是肥力的限制因子。

（3）土壤肥力是小白菜產(chǎn)量的決定因素，單個(gè)肥力指標(biāo)的改善雖然有一定程度的改良效果，但是不能起到顯著增產(chǎn)作用，因此土壤酸化改良應(yīng)參考肥力綜合值進(jìn)行改良效果評價(jià)。

（4）當(dāng)土壤調(diào)理劑的施用量為450 kg/hm2時(shí)，土壤綜合肥力指數(shù)最高，小白菜產(chǎn)量最高，因此土壤調(diào)理劑的建議施用量為450 kg/hm2。