基于隶属函数值法的边坡土壤肥力综合评价——以深圳市为例

杜林峰，刘永金，许建新，沈 彦，叶小萍，吴彩琼

(1.深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东 深圳 518040；2.深圳市梧桐山风景区管理处，广东 深圳 518004)

近年来，随着生态政策的进一步完善、国民生态意识的逐步提高，开山采石、挖山填海、劈山开路、河道裁弯取直、房地产建设等造成的大面积裸露山体边坡逐渐被重视和治理。一般边坡都存在无土少土、缺水、少肥，水热安全性差，生态限制因子多，生态恢复治理困难等情况。在困难立地条件下，如何使植物能够正常生长，并与周围环境互相促进，逐步形成植物微生物能够正常生长演替的可持续自然生态环境，这就需要研究边坡土壤的特性，并对边坡的土壤肥力资源进行综合评价，挖掘其潜力，防止其退化。

随着深圳经济特区的发展，基础设施大规模兴建，开山采石和取土形成了众多的裸露山体缺口，为此深圳市在全国率先开展了有组织的大规模裸露山体缺口生态治理工作。经过10多年的努力，深圳市在岩质边坡治理技术方面取得了较大突破，在治理工作中取得了多项可喜成果。但是，经过治理的边坡其土壤肥力状况如何，对边坡植被的影响如何，还需要进一步跟踪研究。本研究对深圳市14个裸露边坡治理工程的土壤肥力进行了综合评价，并对不同工程措施在实际中的应用进行了分析。

1 研究地概况

研究地深圳市位于广东省南部，珠江三角洲南端，地理坐标为22°27′—22°39′N、113°52′—114°21′E。本次研究根据不同的治理措施选择了位于深圳市南山、罗湖、宝安、龙岗、盐田等五区的14个边坡治理工程，各边坡所在地点分布见图1。

图1 各边坡地点分布

2 研究方法

在每块边坡上采用蛇形取样法取样，每点取0—20 cm土层(理论值，有些点位实际土层未达到20 cm)，各点土样充分混合，采用四分法弃土，直至保留1 kg左右土样。对风干过筛的土样按照规定方法测定其pH值、有机质、全氮、速效磷和速效钾含量。土壤pH值的测定采用玻璃电极法[1]，有机质含量的测定采用重铬酸钾-硫酸外加热法，全氮含量的测定采用凯氏-蒸馏滴定法，土壤速效磷含量的测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，土壤速效钾含量的测定采用乙酸铵浸提-火焰原子吸收分光光度法[2]。

使用模糊数学的隶属函数值法对边坡土壤的肥力进行综合评价，数据处理采用Microsoft Excel 2007进行。

3 结果与分析

土壤肥力是土壤物理、化学和生物学性质的综合反映，包括土壤的营养因素、环境因素等多方面因素，各种因素同时存在、相互联系、相互制约。单独评价某一因素的优劣对于土壤肥力来说都存在片面性。事实上，各土壤因素在对肥力的影响作用上存在渐变性，而不是非此即彼的绝对性。因此，采用模糊数学的隶属函数值法，能够更科学地评价土壤肥力状况[3]。

3.1 隶属函数值的确定

3.1.1 抛物线型隶属度函数

土壤pH值在一定的范围内对植物的生长发育起促进作用，当超过此范围时，随着偏离程度的增大，其对植物生长发育的影响朝不利的方向发展，直到完全不能适应植物生长。这种趋势适用抛物线型隶属度函数[3-4]，其表达式为

其临界值转折点的选择根据边坡的地理位置及土壤贫瘠特性确定如表1[3]。

表1 抛物线型隶属度函数的转折点取值

3.1.2 S型隶属度函数

土壤的有机质、全氮、速效磷和速效钾等在一定的含量范围内与植物的生长状况呈正相关，而低于或高于此范围的含量变化对植物产生的影响较小。此种特性适用S型隶属度函数，表达式为

结合所在地的实际情况，可以确定临界值转折点的数值大小，见表2[3]。

表2 S型隶属度函数的转折点取值

3.1.3 各土壤指标的隶属函数值

据隶属度函数可算出各肥力指标的隶属函数值，见表3。各指标隶属函数值大小介于0.1～1.0之间，最大值为1.0表示土壤肥力指标完全适宜植物生长，最小值0.1则表示土壤肥力指标严重缺乏[5]。

3.2 权重系数的确定

由于各单项指标对土壤肥力的贡献不同，因此对各项指标应给以一定的权重。确定各个评价因素的权重系数是科学合理地作出评价的关键。权重系数根据确定方式分为主观权重系数和客观权重系数。客观权重系数是指经过对实际发生的资料进行整理、计算和分析，从而得出的权重系数。本研究采用的即是客观权重系数。

表3 各土壤指标的隶属函数值

本研究首先采用相关系数法计算各单项肥力指标间的相关系数，建立各肥力指标的相关系数矩阵R，即

然后由相关系数矩阵求出其逆矩阵R-1，即

再由逆矩阵中的相关元素值计算偏相关系数rij，即

计算各因子与其他因子偏相关系数的平均值，该平均值占所有肥力指标相关系数平均值之和的百分率即为该单项肥力指标在表征土壤肥力中的贡献率，由此得出各肥力指标的权重[6]，见表4。

表4 各肥力指标的权重系数

3.3 土壤肥力综合指数的计算

运用模糊综合评价模型，以模糊数学中的加乘原则为原理，利用各项肥力指标的权重值和隶属度，计算土壤肥力综合指数(IFI)，计算公式为

IFI=Σ(Fi×Ci) (i=1,2,3,…,n)

式中：IFI为土壤肥力综合指数；Fi为第i个因素的隶属度；Ci为第i个因素的权重[7]。经计算得到各边坡的土壤肥力综合指数，见表5。

表5 各边坡的基本情况及土壤肥力综合指数

由于各边坡的复绿年限不同，在同种工程措施下的边坡土壤肥力没有表现出一致性。采用五级分类法对土壤肥力质量进行分类，即：Ⅰ级IFI≥80，为土壤肥力质量好；Ⅱ级60≤IFI<80，为较好；Ⅲ级40≤IFI<60，为中等；Ⅳ级20≤IFI<40，为较差；Ⅴ级IFI<20，为差[8]。在此次调查的14处边坡中，有6处边坡的土壤肥力处于Ⅱ级以上，除B的复绿年限为2年外，其余5处的复绿年限都在8年以上；中等以上(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ级)的边坡有9处，占此次调查总数的64%；肥力较差(Ⅳ级)的5处边坡中有4处的复绿年限都在2～3年。

4 结论与讨论

(1)根据边坡植被的生长规律，在边坡治理初期，由于有基质、肥料等的加入，短期内土壤肥力较好；随着植被生长对土壤养分的消耗以及地表径流的影响，在地表植被与土壤建立良好的循环机制之前，土壤肥力会逐步下降，人工植被出现衰退；此后本地植物因对自然条件具有高度的生态适应性而逐步侵入，边坡土壤在有丰富植被存在的条件下，会同时引入土壤动物和土壤微生物，经过光合作用以及微生物的分解、合成作用进一步转化，使边坡土质的营养物质和能量逐渐丰富，从而推动土壤肥力的发展。因此，边坡土壤的肥力随着治理年限的推移存在一个先下降后上升的趋势。从本研究的分析结果也可以看出，复绿年限长的边坡土壤肥力状况较好，复绿2～3年的边坡土壤肥力处在较低值上。要使土壤肥力达到较好的状态，需要相对长的恢复时间。

(2)土壤是植物生长的主要环境因子之一，植被的建立过程也是植物与土壤相互影响和相互作用的过程，在这个过程中作为土壤本质特征的土壤肥力处于不断发展变化中[9]。本次调查的14处边坡的治理方式比较单一，虽然在工程实施过程中会使用客土、基质、肥料等来改良土壤，但2～3年后土壤肥力仍下降到较低水平。若能够因地制宜，将飘台、植生盆、植生袋等工艺措施联合使用、综合治理，会大大提高边坡的种植面积，增加植物的多样性，提高植被覆盖度，延缓治理初期土壤肥力的下降趋势，给正在生长的人工植被和本地入侵植物提供更长的演替时间，最后使人工植被和入侵植物的竞争逐渐达到平衡，形成结构合理、功能健全、种群稳定的群落结构，进一步促进土壤肥力提高。

[参考文献]

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