摘要以长武北部黄土高原沟壑区为代表,研究了不同果园种植年限下的土壤质量现状,运用偏相关系数法确定权重,结合隶属度函数评价了该地区土壤的综合肥力水平,分析果树种植中土壤质量随着种植年限的变化趋势,结果表明:黄土沟壑区果园土壤IFI值在0.22~0.70,其中有27%达到了2级土壤质量标准,64%达到了3级土壤质量标准,9%达到了4级土壤质量标准。随着果树种植年限的增加,在0~20cm耕层,达到2级土壤质量标准的比例大小顺序是5~15年(44%)>5年以下果园(37.5%)=15年以上果园(37.5%),以5~15年果园的土壤质量相对较好,果园0~20cm土层的土壤质量优于20~40cm土层的土壤质量。
关键词果园;土壤质量现状;评价;黄土高原沟壑区
中图分类号S158.2;S155.4+6文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)21-0212-03
土壤质量作为土壤肥力质量、环境质量和健康质量的综合量度,是土壤维持生产力、环境净化能力以及保障动植物健康能力的集中体现。人类干扰在很大程度上影响了土壤质量在时空尺度上变换的方向和程度,由此产生的土壤侵蚀、酸化、养分耗竭、污染和其他自然资源问题已影响了人类的发展[1]。土壤质量评价是近十几年逐步发展起来的新兴交叉学科,在现行的土壤质量评价方法中采用数学模型评价土壤质量的方法较为普遍,包括指数评价法、模糊评价法和灰色聚类法等,其中模糊数学方法可以通过隶属度描述土壤质量的渐变性和模糊性,使评价结果更加准确可靠[2]。
长武县位于陕西省西北黄土高原丘陵沟壑区,属于渭北与陇东高原结合部的过渡地带。海拔高达1 200m,年均降雨量578.5mm,年均气温9.1℃,无霜期171d,属暖温带半湿润大陆型季风气候,是典型的雨养农业区。土壤为黄盖黏黑垆土,土壤养分含量、地貌特征在黄土高原沟壑区很好的代表性[3]。20世纪80年代以来,果树面积逐年增加,长武县也由传统的粮食生产基地到目前转化为以水果(苹果)为主,粮食为次的果粮生产基地。此过程中,土壤质量状况如何演变,尤其是果树栽培年限不同对这一种植方式转化过程中土壤质量演变的响应还不清楚,这关系到该地区的农业持续发展和生态环境变化。为此,笔者在长武县北部地区不同树龄的果园上进行了土壤质量状况研究,并采用模糊数学法进行土壤质量的综合评价,为该地区在果树种植过程中土壤质量的演变研究奠定基础。
1材料与方法
1.1土壤样品采集
从长武县北部的沟壑区自东到西(涉及芋园乡、相公乡、彭公乡和马寨乡等5个乡)采集不同树龄的果园土壤表层(0~20cm)和亚表层(20～40cm)共101个样品,随机布点采样。
1.2分析方法
土壤有机质采用重铬酸钾外加热氧化法,易氧化有机质采用袁可能改进法[4],全氮采用半微量凯氏蒸馏法,速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法,速效钾采用醋酸铵浸提-原子吸收法,碱解氮采用碱解扩散法[5]。其他为常规方法。
1.3果园土壤质量评价指标体系的建立及权重的确定
1.3.1指标体系的建立。黄土高原沟壑区果园土地利用评价指标体系的建立以长武县近20年生态经济系统的演变过程为依据,在动态监测和实地调研的基础上,遵循土壤质量评价指标选取的基本原则,征求相关领域多位专家的意见,从土壤养分、环境因素、微生物3个方面选取了19个具体的评价指标。该研究评价指标分为3个层次,第1层为土壤质量的综合指标;第2层中包含相互独立的4类因素,分别表示土壤养分状况、土壤的环境因子、土壤的微量元素、土壤的微生物酶;第3层为相互交叉的单项指标(见图1)。
1.3.2评价指标值的标准化。对土壤中各指标建立相应的隶属函数[6-9],计算其隶属度值,以此来表示各肥力指标的状态值。常用的隶属度函数有2类,分别是抛物线型隶属度函数和S型隶属度函数。根据各项评价指标与果树营养的关系确定各自所属的隶属度函数。
(1)S型(正相关型)隶属度函数。属于这种类型的评价因子,其指标越高,表明评价对象质量越好,但达到一定临界值后,其效用也趋于恒定。其隶属度函数表达式为:
f(x)=1.0,x≥x20.9(x-x1)/(x2-x1)+0.1,x1≤x 式中x1、x2为这种类型质量评价指标在曲线中的转折点。结合果园土壤中各种养分的实际含量和专家经验,在所分析的土壤质量评价指标中有机质、活性有机质[8]、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾、粘粒、CEC、pH值、微量元素以及微生物酶采用S型隶属度函数。 (2)抛物线型隶属度函数。属于这种类型的评价因子,其指标在一定范围内,评价对象的质量最好,高于或低于该范围则变差。根据长武地区土壤生产力状况,参照全国农业地力等级划分标准[10]及实际测定数据,确定pH值的隶属度函数为抛物线型,其函数表达式为: 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 由隶属函数计算出各养分的隶属度值,其值大小反应了土壤养分所处的优劣状态。隶属度值最小取0.1;最大值取1.0,隶属度取值由0.1至1.0升高,表示该项土壤因子所处状态越来越好[9]。 1.3.3指标权重的确定。权重系数的确定是土壤质量综合评价中的一个关键问题,为了避免人为主观因素的影响,笔者采用偏相关(或净相关、纯相关)法来确定各因子的权重。由此得出各项因子指标的权重(Wi)(见表1)。 1.4土壤质量的综合评价 根据模糊数学中的加乘法原则,土壤质量综合评价指标值(Integrated Fertility Index,IFI)采用下列公式计算: IFI=∑Wi×Ni 式中,Wi、Ni分别为第i种评价指标的权重和隶属度值。IFI的大小反映了土壤质量的高低,IFI取值在0和1之间,该值越高,表明土壤质量越好,IFI值越低表明土壤质量越差。结合长武黄土高原的实际情况,该研究采用等间距法将值按照1级土壤(IFI>0.8)、2级土壤(0.6 2结果与分析 2.1果园土壤质量的总体状况 从表3可以看出,果园IFI值在0.22~0.70,根据图2、表2可以看出,果园土壤中有27%达到了2级土壤质量标准,64%达到了3级土壤质量标准,9%达到了4级土壤质量标准。该地区果园土壤3级水平的比例高出2级水平近37个百分点,因此果园土壤的总体肥力水平一般,土壤质量中等。 2.2不同种植年限下果园土壤质量现状 从表3和图3可以看出,<5年果园耕层土壤IFI值范围在0.47~0.62,结合表2的分级标准,<5年的果园(耕层)土壤有37.5%属于2级标准,62.5%达到了3级标准,所以<5年的果园(耕层)土壤的综合肥力一般,土壤质量中等稍偏上。 从表3和图4可以看出,5~15年果园耕层土壤IFI值主要在0.26~0.70,根据表2的分级标准,5~15年果园耕层有50%的土壤质量达到3级标准,44%的土壤达到2级质量标准。与<5年果园耕层土壤相比较,5~15年果园耕层达到2级土壤质量的比例比5年以下果园耕层土壤的高6.5个百分点,但达到3级土壤质量标准的比例有所降低。从图5得知,5~15年果园20~40cm下层土壤的IFI值范围在0.22~0.67,相应比上层土壤降低。5~15年果园20~40cm土壤有12%达到2级标准,76%的土壤达到3级标准,与5~15年果园耕层相比较,5~15年果园耕层2级土壤的比例比下层土壤2级的比例高出32个百分点,然而在3级土壤标准里的比例却是下层土壤高出上层土壤26个百分点。 结合表3可以从图6看出,>15年果园耕层土壤IFI值在0.44~0.64,变幅小,其中有37.5%的土壤达到2级质量标准,有62.5%土壤达到3级质量标准。由图7可知,>15年果园20~40cm土壤IFI值在0.36~0.61,有12.5%的土壤达到2级质量标准,62.5%的土壤达到3级标准。20~40cm土层的土壤质量低于0~20cm,上层达到2级土壤质量标准的比例比下层土壤高了25个百分点,3级土壤质量标准的比例上下层一样。 综上所述,随着果树种植年限的增加,在0~20cm耕层,达到2级土壤质量标准的比例大小顺序是5~15年(44%)>5年以下果园(37.5%)=15年以上果园(37.5%),3级土壤质量标准的比例则以5~15年的相对较少(50%)。其原因是5~15年果园正处于果树的壮年时期,即挂果盛期,为了保持和提高产量,该时期农民施肥量很高,土壤养分相对过剩,从而导致土壤质量较高。在20~40cm土层,15年以上果园和5~15年果园相比,达到2级土壤质量标准的比例相当(12%左右),但达到3级土壤质量标准的有所减少,达到4级土壤质量标准的增加,说明15年以上果园的下层(20~40cm)土壤的质量有所下降。对于果园,虽然农民的施肥深度相对较深(与农田相比)但20~40cm土层的土壤质量明显低于0~20cm,这与果树根系分布和吸收养分特性有关,0~20cm表层根系分布少,表层养分相对富集[11]。 3结论与讨论 黄土沟壑区果园土壤IFI值在0.22~0.70,其中有27%达到了2级土壤质量标准,64%达到了3级土壤质量标准,9%达到了4级土壤质量标准,由此评定出黄土沟壑区果园土壤质量为3级。随着果园种植年限的增加,以5~15年果园土壤质量最好,超过这一年限果园土壤质量有所下降。无论哪一年限的果园,0~20cm耕层的土壤质量均优于20~40cm下层土壤。模糊综合评价法用于土壤环境质量评价不仅能够较科学地判别土壤环境质量级别,并且能判断出土壤质量的优劣顺序,对属于同一个级别的土壤,可根据评判分值的高低判定出土壤质量的优劣顺序[2]。同时偏相关系数法可以明确第1、第2因素之间正确的相关关系而不受第3因素的影响,使之结果更加符合实际情况。 4参考文献 [1] PARR J F,PAPENDICK R I,HORNICK S B.Soil Quality:Attributes and Relationship to Alternative and Sustainable Agriculture[J].Am.J.Alter.Agric,1992(7):5-11. [2] 王建国,杨林章,单艳红,等.模糊数学在土壤质量评价中的应用研究[J].土壤学报,2001,38(2):176-183. [3] 王旭刚,郝明德,张春霞,等.王东沟小流域土壤养分变化研究[J].水土保持研究,2003,10(1):81-84. [4] 袁可能.土壤有机矿质复合体研究Ⅰ.土壤有机矿质复合体中腐殖质氧化稳定性的初步研究[J].土壤学报,1963,11(3):286-292. [5] 鲍士旦.土壤农化分析(三版)[M].北京:中国农业出版社,2000. [6] 张建辉.川江流域防护林区土壤质量评价方法[J].山地研究,1992,10(2):109-115. [7] 李效芳.土地资源评价的基本原理和方法[M].长沙:湖南科学技术出版社,1989. [8] 曹承绵,严长生,张志明,等.关于土壤肥力数值化综合评价的探讨[J].土壤通报,1983,(4):13-15. [9] 叶文虎,栾胜基.环境质量评价学[M].北京:高等教育出版社,1994. [10] 中华人民共和国农业部.中华人民共和国农业行业标准NY/T 3092—1996全国耕地类型区耕地地力等级划分[S].北京:中国农业出版社,1996. [11] 章家恩,廖宗文.试论土壤的生态肥力及其培育[J].土壤与环境,2000,9(3):253-256.