咸陽市小麥-玉米輪作地土壤肥力評價

王 輝，任 麗，楊召武，楊聯安

(1.咸陽市土壤肥料工作站，陜西 咸陽 712000;2.陜西天潤科技股份有限公司，陜西，西安 710054;3.西北大學 城市與環境學院，陜西，西安710127)

土壤肥力是土壤的本質屬性，是其區別于巖石、成土母質等其他地表覆蓋物的關鍵特征[1]。土壤肥力狀況直接影響作物的產量和品質，改善土壤肥力是增產保收的主要措施。土壤肥力是土壤物理、化學、生物等多方面性質的綜合體現[2]，在自然成土環境和人為管理措施雙重作用下具有極強空間變異性。土壤肥力評價是通過構建評價體系對土壤肥力水平進行分等定級進而衡量其土地生產能力的過程。目前土壤肥力評價還尚未有統一、規范的標準，肥力評價差異主要表現為參評指標、評價方法和評價尺度三個方面。反映土壤肥力的指標很多，出于實際應用考慮，通常選取容易測定、重現性好且能代表土壤肥力關鍵變量能力的指標參與評價[3]。土壤養分是作物生長必須的營養物質，有機質和氮磷鉀是反映土壤養分狀況的核心指標。土壤容重、耕層厚度、pH值和陽離子交換量(CEC)等分別是反映土壤物理性狀和化學環境的指標。它們都是常用的肥力評價指標。當前土壤肥力評價方法趨于客觀化和定量化，常用的有模糊數學法[4]、主成分分析法[5]、灰色關聯分析[6]等，這些數理統計方法在肥力評價中的應用，可以有效減少人為主觀干擾。評價單元通常按照行政區劃進行選取，隨著精細化農業的發展，基于田塊尺度的肥力評價研究逐漸增加。咸陽市境內地形地貌復雜，南部平原區依靠優越的自然條件，農業經濟高度發達，一年兩熟的小麥-玉米種植制度使土地資源得到充分利用，但也存在土地利用不當、施肥不合理等問題，因此，通過采取灰色關聯分析法對小麥-玉米輪作地的肥力水平進行定量評價，探究限制土壤肥力的障礙因子，為分區管理和測土配方施肥工作提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

咸陽市小麥-玉米輪作地主要分布在關中平原地區，關中平原地勢平坦，臨近渭河，灌溉水源充足，土地疏松肥沃，十分適宜發展種植業，是重要的糧食生產基地。該區氣候屬于溫帶大陸性季風氣候，雨熱同期，降水集中于夏季，年降水量為550～660 mm，年均氣溫為12～13.6℃，光照充足。關中平原農業種植歷史悠久，土地利用強度大，人類對農田干擾強烈，土壤肥力水平隨機變異程度較高。本研究中的小麥-玉米輪作地主要分布在乾縣北部、武功縣、興平市、涇陽縣和三原縣，共布設了145個樣點。

1.2 土壤樣品采集與測定

根據農業部測土配方施肥技術規范和要求，綜合考慮小麥-玉米輪作地的空間分布、地貌環境和土壤特性，按照“S”形或梅花形路線采集土樣，每個樣地均勻隨機采集5～15個樣點，用手持GPS跟蹤記錄地塊中心經緯度位置，均勻混合后采取“四分法”取土樣1 kg，登記土樣編號。土壤樣品采集工作于2017年作物收獲后進行。

采集的土樣自然風干后經研磨和過篩，對土壤各成分進行測定。pH采用電位法測定；有機質采用油浴加熱-重鉻酸鉀容量法測定；全氮采用凱氏蒸餾法測定；有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定[7]。

1.3 研究方法

基于灰色關聯分析的土壤肥力評價步驟[8]：

1.3.1 指標權重確定 土壤肥力是對各種土壤屬性指標間綜合特征的反映，不同指標對土壤肥力的影響程度有明顯差異，因此各評價指標的權重也不相同。本文采用變異系數法確定評價指標權重，將各指標變異系數與所有指標變異系數的比值作為權重，變異程度大的指標，權重較大，反之亦然。

1.3.2 計算灰色關聯度

(1)確定參考序列和比較序列。

以各采樣點的不同肥力指標實測值作為比較序列，設為A(i,j)，表示第i個采樣點的第j個評價指標。選取各指標實測值的最優值構成參考序列，設為A(0,j)。

(2)無量綱化處理

采用直線型標準化法對初始數據進行無量綱化處理，正向指標處理為A(ij)/A(0,J)，逆向指標處理為,1-A(i,j)/A(0,j)。

(3)計算關聯系數

(4)計算加權關聯度

土壤肥力水平通過比較序列與參考序列之間的關聯度來表示，若關聯度越大，表示該樣點越接近該區域土壤肥力的理想狀態，土壤肥力越高。根據各樣點加權關聯度的大小排序，可以反映不同地方土壤肥力水平在整個區域中所處的相對位置，實現對土壤肥力的定量化評價。

式中，r(i,j)為灰色關聯度，N=5，ωij為第i個采樣點的第j個指標的權重。

2 結果與分析

2.1 單項肥力指標豐缺診斷

根據全國第二次土壤普查養分分級標準[9]，咸陽市小麥-玉米輪作地的土壤pH平均值8.51，整體呈偏堿性土壤，這是由于該地土壤中碳酸鈣含量豐富，同時小麥-玉米輪作地灌溉水源充足，但灌溉方式多以漫灌、畦灌方式為主，這種粗放型灌溉方式也會對土壤酸堿環境造成一定影響。有機質平均值為17.76 g·kg-1，處于分級標準的第4級，整體屬于中等偏低水平，這與農民施肥觀念有關，為追求經濟效益，農民通常多施用化肥而忽略了有機肥的投入，植物消耗的有機質得不到有效補充，因此土壤有機質含量偏低。應大力宣傳增施有機肥的積極效應，逐步轉變農民的施肥觀念，引導農戶多施農家肥、有機肥，提倡秸稈還田等方式來提高有機質含量。全氮平均值為1.11 g·kg-1，處于分級標準的第3級，屬于中等水平，土壤中的氮素多來源于有機質，全氮含量受有機質影響明顯。有效磷平均值為20.55 mg·kg-1，處于分級標準的第2級，整體處于較高水平，表明有效磷的整體含量比較合理。速效鉀平均值為230.86 mg·kg-1，處于分級標準的第1級，速效鉀含量豐富，原因是土壤中所含鉀元素較多，并且近年來農民逐漸意識到鉀肥對作物生長的作用，對鉀肥投入有所增加，在實際生產中應根據需要酌情合理施用鉀肥。從變異系數來看，pH屬于弱變異，其他4個指標均屬于中等程度變異，其中有效磷的變異程度最大，超過了50%，表明土壤中磷元素受人為干擾最為強烈，磷肥用量不足與過量使用現象同時存在，在實際生產中應區別對待，對于不足地區應合理施用磷肥，對于過量地區應控制磷肥投入，當季少施甚至不施磷肥，待土壤中的磷得到有效利用后再按需繼續施肥。

表1 土壤肥力指標基本統計特征

2.2 灰色關聯分析

本文選取pH、有機質、全氮、有效磷和速效鉀作為評價指標，將各指標的最優值設為參考序列：{7.46，27.80，1.76，66.56，340.30}。由于研究區土壤整體屬于偏堿性，隨著pH值增大，土壤堿性增強，不利于養分的吸收和轉化，因此對pH采取逆向處理方法，其余4個指標作正向處理，將實測值轉化為評價值，以消除各指標物理量綱對評價結果的影響。根據1.3.2中所述步驟計算關聯系數。各項土壤肥力指標的權重分別為pH 0.019，有機質0.169，全氮0.169，有效磷0.454，速效鉀0.189。根據各項指標的關聯系數和權重計算加權關聯度，結果表明咸陽市小麥-玉米輪作地的加權關聯度介于0.407～0.858之間，平均值為0.522，標準差為0.083，變異系數為15.90%。將關聯度按照等距法劃分為五級：高(0.8～1)、較高(0.6～0.8)、中等(0.4～0.6)、較低(0.2～0.4)、低(0～0.2)。根據該標準，咸陽市小麥-玉米輪作地土壤肥力綜合等級分別處于中等、較高和高三個等級，其中中等占84.14%，較高占14.48%，高占1.38%，高水平樣點均位于興平市境內。關聯度平均值和土壤肥力等級頻數分布均表明咸陽市小麥-玉米輪作地土壤肥力整體處于中等水平。從區域角度看，各地土壤肥力加權關聯度平均值分別為興平市0.563，涇陽縣0.554，武功縣0.531，乾縣0.524，三原縣0.475，三原縣土壤肥力整體水平明顯低于其他四個區域，其他四個縣域的土壤肥力水平相差不大，各縣域土壤肥力均屬于中等水平。

土壤肥力是各項肥力指標的綜合體現，明確土壤肥力的限制性因子是提升土壤肥力、改良土壤環境、實施分區管理的前提和基礎。分別統計各縣域有機質、全氮、有效磷和速效鉀的平均含量，從區劃角度分析咸陽市小麥-玉米輪作地的限制性因子，pH在研究區變異程度較弱，各縣域其值變化不大，故此處不對其進行分析。結果表明，有機質是制約小麥-玉米地肥力水平的關鍵因子，各縣土壤有機質平均含量均<20 g·kg-1，其中興平市有機質平均含量最高，為19.12 g·kg-1，三原縣最低，為15.80 g·kg-1，其他縣均在18 g·kg-1左右；興平市的有效磷平均含量最高，為27.03 mg·kg-1，三原縣有效磷含量偏低，平均值為14.59 mg·kg-1，不利于肥力提高，其他縣域的有效磷均在22 mg·kg-1左右，含量較合理。

土壤肥力受自然和人為因素雙重作用，施肥是引起土壤肥力變化的直接原因，此外，不同土壤類型的肥力也有所差異，本次采樣點土壤類型主要以褐土、黃綿土和潮土為主，其中褐土的有機質和全氮含量為三者中最高，黃綿土中的有效磷和速效鉀高于其他兩種土類，這可能是受土壤自身特性影響所致。

3 結論與討論

土壤肥力評價是通過數個主導性和獨立性土壤指標反映肥力綜合水平的過程，土壤肥力就相當于一個灰色系統，采用變異系數-灰色關聯分析法研究咸陽市小麥-玉米輪作地土壤肥力水平，通過客觀賦權法變異系數確定權重，有效避免了人為的主觀干擾，利用灰色關聯度反映各樣點肥力水平與理想參考序列的接近程度，對關聯度進行排序得到各樣點肥力相對高低水平，計算簡便，應用性強。主要結論如下：

咸陽市小麥-玉米輪作地的土壤呈偏堿性，pH分布較均勻，變異程度較弱，有機質屬于中等偏低，全氮含量中等，有效磷含量較高，速效鉀含量豐富。應積極引導農民多施有機質，采用有機肥和化肥搭配使用的方式提高肥力。

土壤肥力灰色關聯分析表明，咸陽市小麥-玉米輪作地的土壤肥力整體屬于中等水平，其中興平市肥力值最高，三原縣最低，有機質是制約肥力提升的關鍵因子，三原縣除有機質外，有效磷也是限制因子。

基于灰色關聯分析法法的土壤肥力評價結果科學可靠，具有較強的推廣性和應用性。土壤肥力評價是涉及多個指標的高維非線性問題，未來可嘗試利用非線性數據挖掘算法進行肥力評價。本文通過等距法將土壤肥力劃分為五個等級，僅能表示土壤肥力相對高低水平，土壤等級劃分標準還需進一步完善。