葉潤根, 陳國建, 王震, 何謙, 張春葉

重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶 401331

土壤是指在陸地表層具有肥力性質(zhì)的疏松物質(zhì)，由礦物質(zhì)、微生物、有機(jī)質(zhì)、水分和空氣五大類所構(gòu)成。土壤肥力在作為農(nóng)作物生長基礎(chǔ)的同時，對農(nóng)作物的質(zhì)量與產(chǎn)量也會產(chǎn)生重要影響[1,2]；而土地的利用方式對土壤肥力水平的高低又有顯著的影響[3-6]。研究土地利用和管理方式對土壤肥力質(zhì)量的影響成為現(xiàn)代土壤學(xué)的主要任務(wù)之一[7-10]，目前，在研究土壤肥力質(zhì)量方面所使用的方法可以分為以下幾類：模糊數(shù)學(xué)法、地學(xué)統(tǒng)計(jì)法、灰色關(guān)聯(lián)度法、主成分分析法和聚類分析法等[11-18]。

重慶地形起伏較大，多山地、丘陵，農(nóng)業(yè)耕作更易造成土壤酸化、肥力水平下降及水土流失等問題。本文選取全氮、pH值、全磷、速效磷、有機(jī)質(zhì)、全鉀和速效鉀7個指標(biāo)，采集旱地、林地和水田三種土地利用方式下的土壤，以模糊數(shù)學(xué)法與主成分分析法對小流域土壤養(yǎng)分及肥力質(zhì)量進(jìn)行分析，評價(jià)研究區(qū)綜合肥力水平，以期為合理耕作、科學(xué)施肥提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選為重慶市南川區(qū)西南部的雙河小流域（107°06′15.37″—107°07′05.38″E、29°05′13.50″—29°05′28.07″N），大致呈西北-東南流向，流域面積約 5.31 km2，海拔高度 614～966 m（見圖1）。流域氣候?yàn)閬啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，四季分明，年均氣溫16.6 ℃，無霜期較長；降雨集中在夏秋兩季，年均降雨量約1 180 mm。土壤類型主要有紫色土和紅壤兩類，農(nóng)作物為紅薯、土豆、水稻、青菜等。

2 研究方法

2.1 樣品采集與測定

圖 1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)情況Fig. 1 Study area and sampling points

2018年12月，綜合考慮研究區(qū)海拔、坡度等影響因素，以四分法采集0～20 cm土層土樣81個并逐個編號，其中旱地45，林地與水田各18，同時用GPS記錄取樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)、海拔、坡度及周圍環(huán)境信息[19]。帶回實(shí)驗(yàn)室篩除礫石、殘?bào)w和其余雜物后自然風(fēng)干，研磨并過0.25 mm和1 mm篩，以測定土壤的相關(guān)化學(xué)性質(zhì)。方法如下：土壤pH值使用電極法，有機(jī)質(zhì)使用重鉻酸鉀法，全氮使用凱式定氮儀，全磷使用NaOH熔融-鉬銻抗比色法，全鉀使用NaOH熔融-原子吸收分光光度法，速效磷使用0.5 mol·L-1NaH-CO3法，速效鉀使用 1 mol·L-1NH4AC火焰光度計(jì)法[20]。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.2.1 主成分分析與隸屬度函數(shù)

對所7項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行主成分分析[21]，可得出各指標(biāo)的得分系數(shù)并計(jì)算出權(quán)重系數(shù)，而隸屬度函數(shù)可用于評價(jià)各類指標(biāo)與作物生長效應(yīng)曲線之間關(guān)系，隸屬度值在0.1～1范圍內(nèi)，隸屬度值越大，表明其含量水平越高。

土壤pH值使用拋物線型隸屬度函數(shù)計(jì)算[22,23]：

土壤全氮、全磷、速效磷、有機(jī)質(zhì)、全鉀、速效鉀使用S型隸屬度函數(shù)計(jì)算[22,23]：

基于重慶地區(qū)的土壤養(yǎng)分特性以及相關(guān)研究成果[24,25]，結(jié)合全國第二次土壤普查制定的養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)（后文以此標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)各養(yǎng)分級別的土壤樣本數(shù)），劃分出各指標(biāo)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)值（見表1）[26]。

表 1 隸屬度函數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值Tab. 1 Turning point value of subordination function

2.2.2 土壤綜合肥力指數(shù)

采用模糊數(shù)學(xué)中的加乘法為基礎(chǔ)，結(jié)合各項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)的權(quán)重與隸屬度值，計(jì)算土壤綜合肥力指數(shù)（integrated fertility index, IFI），表達(dá)式為：

式中，n為參評指標(biāo)的個數(shù)，Wi與Fi分別表示第i個指標(biāo)的權(quán)重與隸屬度值。

2.2.3 土壤綜合肥力等級劃分

將樣品的綜合肥力指數(shù)導(dǎo)入Excel，按升序排列，對應(yīng)序號為x軸，對應(yīng)土壤肥力綜合指數(shù)為y軸，繪制綜合指數(shù)分布圖，以曲線斜率的突變點(diǎn)確定分級點(diǎn)，以此劃分土壤肥力水平。此方法利用樣品土壤綜合肥力指數(shù)的分布規(guī)律來確定等級數(shù)目與分級點(diǎn)，避免等距法確定等級的機(jī)械性[27]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤肥力指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

3.1.1 pH值與有機(jī)質(zhì)統(tǒng)計(jì)特征

統(tǒng)計(jì)分析表明，pH值最高為水田（4.64），其次是旱地（4.52）、林地(4.13)，相應(yīng)的變異系數(shù)為9.1%，10.1%和7.3%。參考第二次土壤普查制定的分級標(biāo)準(zhǔn)：≤4.5為強(qiáng)酸性土壤，4.5～5.5時為中強(qiáng)酸性土壤。研究區(qū)內(nèi)多強(qiáng)酸性土壤，原因主要有成土母質(zhì)、土壤淋溶作用等，其中林地酸化較為嚴(yán)重的原因?yàn)閾碛写罅课⑸铮纸庥袡C(jī)質(zhì)時會產(chǎn)生有機(jī)酸。

有機(jī)質(zhì)含量是土壤肥力水平高低的標(biāo)志之一，主要來源是動、植物分解與有機(jī)肥。有機(jī)質(zhì)均值依次為林地（27.7 g·kg?1）、旱地（25.6 g·kg?1）、水田（24.4 g·kg?1），相應(yīng)變異系數(shù)為 35.7%，30.9% 和40.4%（見表2）。林地各有39%的樣品為二、三級，含量較為豐富；旱地各有53%與20%為三、四級，水田各有39%樣品為三、四級，含量一般；原因?yàn)檠芯繀^(qū)降雨、熱量充足，林地生態(tài)系統(tǒng)完整，生物種類多，在演替過程中累積豐富的枯枝腐葉，同時有大量微生物進(jìn)行分解并釋放各類營養(yǎng)物質(zhì)。

表 2 有機(jī)質(zhì)統(tǒng)計(jì)及各等級樣本數(shù)Tab. 2 Statistical result of organic matter and number of samples in each grade

3.1.2 氮素統(tǒng)計(jì)特征

氮素是土壤中最活躍的元素，有促進(jìn)作物生長的功能；研究區(qū)全氮含量依次為旱地（1.4 g·kg?1）、林地（1.2 g·kg?1）、水田（1.1 g·kg?1），變異系數(shù)為44.8%，71.0%，56.6%，屬中等變異程度（見表3）。旱地、林地、水田皆有50%左右的樣品為五級水平，較為缺乏。據(jù)《土壤理化分析》，土壤全氮與有機(jī)質(zhì)之間會呈正相關(guān)[20]，研究區(qū)內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量為林地>旱地>水田，全氮含量為旱地>林地>水田，并未呈正相關(guān)，主要原因?yàn)椋毫值負(fù)碛胸S富的植被與微生物，在演替過程中累積大量的有機(jī)質(zhì)，旱地種植農(nóng)作物，會有大量氮肥施入以保證產(chǎn)量。

表 3 氮素統(tǒng)計(jì)及各等級樣本數(shù)Tab. 3 Statistical result of nitrogen and number of samples in each grade

3.1.3 磷素統(tǒng)計(jì)特征

旱地、林地、水田的全磷含量分別為0.8 g·kg?1、0. 8 g·kg?1、0. 7 g·kg?1，變異系數(shù)為 29.4%，26.4%，23.2%（見表4）；其中旱地、林地各有47%、61%的樣品為在一、二級，其余樣品多為五級，差異較大；水田的樣品多為五級，含量較少。研究表明速效磷多作為土壤磷素供給的指標(biāo)而非全磷，且速效磷與全磷不存在相關(guān)性[28]，分析表明，林地的速效磷含量（20.49 mg·kg?1）>旱地（17.59 mg·kg?1）>水田（10.27 mg·kg?1），對應(yīng)的變異系數(shù)為 95.1%，96.4%，120%。林地有33%的樣品為六級，45%的樣品為一、二級，分布不均，原因?yàn)榱值厮傩Я讈碓礊榭葜β淙~與生物分解，越往林地深處，受人為影響越小，磷素積累越多；旱地速效磷含量多為一、二、三級，較為豐富，原因?yàn)檗r(nóng)作物生成需施入磷肥，且旱地長期耕作，土質(zhì)細(xì)膩，施入土中的磷肥移動較??；水田則因間耕原因相對較低。

表 4 磷素統(tǒng)計(jì)及各等級樣本數(shù)Tab. 4 Statistical result of phosphorus and number of samples in each grade

3.1.4 鉀素統(tǒng)計(jì)特征

土壤中全鉀含量多為1%～2%，研究區(qū)全鉀含量依次為旱地（14.6 g·kg?1），林地（13.4 g·kg?1），水田（12.5 g·kg?1），變異系數(shù)分別為 28.7%、35.5%、46.9%，屬中等變異（見表5）；速效鉀依次為旱地（ 77.34 mg·kg?1）， 水 田 （ 64.07 mg·kg?1）， 林 地（63.06 mg·kg?1），變異系數(shù)為 58%、41.9%、50.3%，屬于中等變異。土壤全鉀與速效鉀含量整體水平較低，多為三、四級水平，原因可能為山區(qū)土壤易發(fā)生淋溶與水土流失，可考慮適當(dāng)施入鉀肥。

表 5 鉀素統(tǒng)計(jì)及各等級樣本數(shù)Tab. 5 Statistical result of potassium and number of samples in each grade

3.2 土壤肥力質(zhì)量評價(jià)

3.2.1 單因素土壤肥力分析

單因素土壤肥力分析是分析土壤肥力質(zhì)量的基礎(chǔ)，也是分析肥力質(zhì)量限制因素的重要途徑,?？梢钥闯?，在3種土地利用方式下（見表6），pH值與速效鉀的隸屬度值較低，是山區(qū)小流域土壤肥力的重要限制因素；全氮、全鉀和速效磷處于中等狀態(tài)；有機(jī)質(zhì)與全磷隸屬度值最高，對土壤肥力的影響較大。

表 6 土壤肥力指標(biāo)隸屬度值Tab. 6 Subordination function value of soil fertility index

3.2.2 土壤肥力綜合指數(shù)評價(jià)

以肥力綜合指數(shù)分布圖（見圖2）的突變點(diǎn)將研究區(qū)土壤肥力劃分為6個等級：Ⅰ級（>0.8）、Ⅱ級（ 0.64～0.8）、 Ⅲ 級 （ 0.58～0.64）、 Ⅳ 級 （ 0.43～0.58）、Ⅴ級（0.37～0.43）、Ⅵ級（<0.37）。

圖 2 研究區(qū)綜合指數(shù)分布圖Fig. 2 Distribution map of comprehensive index in the study area

對所有樣品的肥力等級進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)（見圖3），其中5%的樣品為Ⅰ級，23%為Ⅱ級，9%為Ⅲ級，23%為Ⅳ級，26%為Ⅴ級，14%為Ⅵ級，表明研究區(qū)土壤肥力水平為中等偏下。對3種土地利用方式下的肥力等級進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)，其中旱地1～6級肥力的頻率分別為9%、29%、11%、18%、22%、11%，在各等級上均有分布，其中2級與5級肥力相對較多，原因?yàn)椴煌淖魑镱愋陀胁煌墓芾硗度耄缂t薯地大多在種植前期施肥，而菜地則會被施用更多的肥料；水田1～6級肥力的頻率分別為 0%、11%、11%、22%、39%、17%，多為4～6級，肥力水平相對較低，因水稻種植有季節(jié)性，在收獲水稻時也會帶走一定量的土壤養(yǎng)分，且在水田擱置時間內(nèi)缺乏養(yǎng)分投入；林地1～6級肥力的頻率分別為0%、22%、0%、39%、22%、17%，多為2、4、5級肥力水平，因林地在長時間的演替過程中累積了豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，說明退耕還林還草的重要性，不但可以恢復(fù)土壤肥力，同時也可逐步恢復(fù)山區(qū)的生態(tài)環(huán)境。綜合而言，研究區(qū)三種土地利用方式下的綜合肥力水平依次為旱地>林地>水田。

圖 3 各級土壤肥力頻率圖Fig. 3 Frequency chart of soil fertility at all levels

4 結(jié)論

以模糊數(shù)學(xué)法建立的隸屬度函數(shù)初值化后，發(fā)現(xiàn)pH值與鉀素是最主要的限制性因子，表明研究區(qū)土壤酸化嚴(yán)重，導(dǎo)致作物生長不良且產(chǎn)量較低；建議當(dāng)?shù)乜蛇x種耐酸經(jīng)濟(jì)作物，并以有機(jī)肥配合無機(jī)肥使用，不但可以提高農(nóng)作物產(chǎn)量，而且有機(jī)肥對調(diào)節(jié)土壤酸堿性具有有一定作用，以達(dá)到土壤資源可持續(xù)利用。研究區(qū)Ⅰ級土壤肥力區(qū)域缺乏，僅占5%，Ⅱ、Ⅲ級土壤肥力區(qū)域分別為23%與9%，而超過60%的區(qū)域?yàn)棰簟ⅱ?、Ⅵ級肥力水平，總體肥力水平為中等偏下。對3種土地利用方式的土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行分析，結(jié)果為旱地>林地>水田，表明不同土地利用方式對土壤肥力質(zhì)量有較大的影響，可見科學(xué)施肥與退耕還林可逐漸提高土壤肥力質(zhì)量。