黃土高原溝壑區果園土壤質量現狀評價

黃 婷 王旭東 王彩霞 岳西杰

摘要以長武北部黃土高原溝壑區為代表,研究了不同果園種植年限下的土壤質量現狀,運用偏相關系數法確定權重,結合隸屬度函數評價了該地區土壤的綜合肥力水平,分析果樹種植中土壤質量隨著種植年限的變化趨勢,結果表明:黃土溝壑區果園土壤IFI值在0.22~0.70,其中有27%達到了2級土壤質量標準,64%達到了3級土壤質量標準,9%達到了4級土壤質量標準。隨著果樹種植年限的增加,在0~20cm耕層,達到2級土壤質量標準的比例大小順序是5~15年(44%)>5年以下果園(37.5%)=15年以上果園(37.5%),以5~15年果園的土壤質量相對較好,果園0~20cm土層的土壤質量優于20~40cm土層的土壤質量。

關鍵詞果園;土壤質量現狀;評價;黃土高原溝壑區

中圖分類號S158.2;S155.4+6文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2009)21-0212-03

土壤質量作為土壤肥力質量、環境質量和健康質量的綜合量度,是土壤維持生產力、環境凈化能力以及保障動植物健康能力的集中體現。人類干擾在很大程度上影響了土壤質量在時空尺度上變換的方向和程度,由此產生的土壤侵蝕、酸化、養分耗竭、污染和其他自然資源問題已影響了人類的發展[1]。土壤質量評價是近十幾年逐步發展起來的新興交叉學科,在現行的土壤質量評價方法中采用數學模型評價土壤質量的方法較為普遍,包括指數評價法、模糊評價法和灰色聚類法等,其中模糊數學方法可以通過隸屬度描述土壤質量的漸變性和模糊性,使評價結果更加準確可靠[2]。

長武縣位于陜西省西北黃土高原丘陵溝壑區,屬于渭北與隴東高原結合部的過渡地帶。海拔高達1 200m,年均降雨量578.5mm,年均氣溫9.1℃,無霜期171d,屬暖溫帶半濕潤大陸型季風氣候,是典型的雨養農業區。土壤為黃蓋黏黑壚土,土壤養分含量、地貌特征在黃土高原溝壑區很好的代表性[3]。20世紀80年代以來,果樹面積逐年增加,長武縣也由傳統的糧食生產基地到目前轉化為以水果(蘋果)為主,糧食為次的果糧生產基地。此過程中,土壤質量狀況如何演變,尤其是果樹栽培年限不同對這一種植方式轉化過程中土壤質量演變的響應還不清楚,這關系到該地區的農業持續發展和生態環境變化。為此,筆者在長武縣北部地區不同樹齡的果園上進行了土壤質量狀況研究,并采用模糊數學法進行土壤質量的綜合評價,為該地區在果樹種植過程中土壤質量的演變研究奠定基礎。

1材料與方法

1.1土壤樣品采集

從長武縣北部的溝壑區自東到西(涉及芋園鄉、相公鄉、彭公鄉和馬寨鄉等5個鄉)采集不同樹齡的果園土壤表層(0~20cm)和亞表層(20～40cm)共101個樣品,隨機布點采樣。

1.2分析方法

土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱氧化法,易氧化有機質采用袁可能改進法[4],全氮采用半微量凱氏蒸餾法,速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法,速效鉀采用醋酸銨浸提-原子吸收法,堿解氮采用堿解擴散法[5]。其他為常規方法。

1.3果園土壤質量評價指標體系的建立及權重的確定

1.3.1指標體系的建立。黃土高原溝壑區果園土地利用評價指標體系的建立以長武縣近20年生態經濟系統的演變過程為依據,在動態監測和實地調研的基礎上,遵循土壤質量評價指標選取的基本原則,征求相關領域多位專家的意見,從土壤養分、環境因素、微生物3個方面選取了19個具體的評價指標。該研究評價指標分為3個層次,第1層為土壤質量的綜合指標;第2層中包含相互獨立的4類因素,分別表示土壤養分狀況、土壤的環境因子、土壤的微量元素、土壤的微生物酶;第3層為相互交叉的單項指標(見圖1)。

1.3.2評價指標值的標準化。對土壤中各指標建立相應的隸屬函數[6-9],計算其隸屬度值,以此來表示各肥力指標的狀態值。常用的隸屬度函數有2類,分別是拋物線型隸屬度函數和S型隸屬度函數。根據各項評價指標與果樹營養的關系確定各自所屬的隸屬度函數。

(1)S型(正相關型)隸屬度函數。屬于這種類型的評價因子,其指標越高,表明評價對象質量越好,但達到一定臨界值后,其效用也趨于恒定。其隸屬度函數表達式為:

f(x)=1.0,x≥x20.9(x-x1)/(x2-x1)+0.1,x1≤x

式中x1、x2為這種類型質量評價指標在曲線中的轉折點。結合果園土壤中各種養分的實際含量和專家經驗,在所分析的土壤質量評價指標中有機質、活性有機質[8]、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、粘粒、CEC、pH值、微量元素以及微生物酶采用S型隸屬度函數。

(2)拋物線型隸屬度函數。屬于這種類型的評價因子,其指標在一定范圍內,評價對象的質量最好,高于或低于該范圍則變差。根據長武地區土壤生產力狀況,參照全國農業地力等級劃分標準[10]及實際測定數據,確定pH值的隸屬度函數為拋物線型,其函數表達式為:

f(x)=1.0,x≤5.5或x≥9.00.9(9-x)/1.5+0.1,7.5≤x<9.01.0,6.5≤x≤7.51.0-0.9(x-5.5)+0.1,5.5

由隸屬函數計算出各養分的隸屬度值,其值大小反應了土壤養分所處的優劣狀態。隸屬度值最小取0.1;最大值取1.0,隸屬度取值由0.1至1.0升高,表示該項土壤因子所處狀態越來越好[9]。

1.3.3指標權重的確定。權重系數的確定是土壤質量綜合評價中的一個關鍵問題,為了避免人為主觀因素的影響,筆者采用偏相關(或凈相關、純相關)法來確定各因子的權重。由此得出各項因子指標的權重(Wi)(見表1)。

1.4土壤質量的綜合評價

根據模糊數學中的加乘法原則,土壤質量綜合評價指標值(Integrated Fertility Index,IFI)采用下列公式計算:

IFI=∑Wi×Ni

式中,Wi、Ni分別為第i種評價指標的權重和隸屬度值。IFI的大小反映了土壤質量的高低,IFI取值在0和1之間,該值越高,表明土壤質量越好,IFI值越低表明土壤質量越差。結合長武黃土高原的實際情況,該研究采用等間距法將值按照1級土壤(IFI>0.8)、2級土壤(0.6

2結果與分析

2.1果園土壤質量的總體狀況

從表3可以看出,果園IFI值在0.22~0.70,根據圖2、表2可以看出,果園土壤中有27%達到了2級土壤質量標準,64%達到了3級土壤質量標準,9%達到了4級土壤質量標準。該地區果園土壤3級水平的比例高出2級水平近37個百分點,因此果園土壤的總體肥力水平一般,土壤質量中等。

2.2不同種植年限下果園土壤質量現狀

從表3和圖3可以看出,<5年果園耕層土壤IFI值范圍在0.47~0.62,結合表2的分級標準,<5年的果園(耕層)土壤有37.5%屬于2級標準,62.5%達到了3級標準,所以<5年的果園(耕層)土壤的綜合肥力一般,土壤質量中等稍偏上。

從表3和圖4可以看出,5~15年果園耕層土壤IFI值主要在0.26~0.70,根據表2的分級標準,5~15年果園耕層有50%的土壤質量達到3級標準,44%的土壤達到2級質量標準。與<5年果園耕層土壤相比較,5~15年果園耕層達到2級土壤質量的比例比5年以下果園耕層土壤的高6.5個百分點,但達到3級土壤質量標準的比例有所降低。從圖5得知,5~15年果園20~40cm下層土壤的IFI值范圍在0.22~0.67,相應比上層土壤降低。5~15年果園20~40cm土壤有12%達到2級標準,76%的土壤達到3級標準,與5~15年果園耕層相比較,5~15年果園耕層2級土壤的比例比下層土壤2級的比例高出32個百分點,然而在3級土壤標準里的比例卻是下層土壤高出上層土壤26個百分點。

結合表3可以從圖6看出,>15年果園耕層土壤IFI值在0.44~0.64,變幅小,其中有37.5%的土壤達到2級質量標準,有62.5%土壤達到3級質量標準。由圖7可知,>15年果園20~40cm土壤IFI值在0.36~0.61,有12.5%的土壤達到2級質量標準,62.5%的土壤達到3級標準。20~40cm土層的土壤質量低于0~20cm,上層達到2級土壤質量標準的比例比下層土壤高了25個百分點,3級土壤質量標準的比例上下層一樣。

綜上所述,隨著果樹種植年限的增加,在0~20cm耕層,達到2級土壤質量標準的比例大小順序是5~15年(44%)>5年以下果園(37.5%)=15年以上果園(37.5%),3級土壤質量標準的比例則以5~15年的相對較少(50%)。其原因是5~15年果園正處于果樹的壯年時期,即掛果盛期,為了保持和提高產量,該時期農民施肥量很高,土壤養分相對過剩,從而導致土壤質量較高。在20~40cm土層,15年以上果園和5~15年果園相比,達到2級土壤質量標準的比例相當(12%左右),但達到3級土壤質量標準的有所減少,達到4級土壤質量標準的增加,說明15年以上果園的下層(20~40cm)土壤的質量有所下降。對于果園,雖然農民的施肥深度相對較深(與農田相比)但20~40cm土層的土壤質量明顯低于0~20cm,這與果樹根系分布和吸收養分特性有關,0~20cm表層根系分布少,表層養分相對富集[11]。

3結論與討論

黃土溝壑區果園土壤IFI值在0.22~0.70,其中有27%達到了2級土壤質量標準,64%達到了3級土壤質量標準,9%達到了4級土壤質量標準,由此評定出黃土溝壑區果園土壤質量為3級。隨著果園種植年限的增加,以5~15年果園土壤質量最好,超過這一年限果園土壤質量有所下降。無論哪一年限的果園,0~20cm耕層的土壤質量均優于20~40cm下層土壤。模糊綜合評價法用于土壤環境質量評價不僅能夠較科學地判別土壤環境質量級別,并且能判斷出土壤質量的優劣順序,對屬于同一個級別的土壤,可根據評判分值的高低判定出土壤質量的優劣順序[2]。同時偏相關系數法可以明確第1、第2因素之間正確的相關關系而不受第3因素的影響,使之結果更加符合實際情況。

4參考文獻

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