石羊河流域土壤肥力综合评价

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(甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000)

0 引 言

肥力是土壤的本质属性，是反映土壤动态变化最重要的指标。土壤肥力的高低直接影响着农业产业结构布局、作物生长和农业种植效益等[1]，最能体现自然因素及人类活动对土壤的综合影响。因此，土壤肥力评价成为农业可持续发展研究的重要内容之一。但由于土壤本底的差异，导致各种土壤肥力有着性质上的差异。因此，科学、合理、实用地评价土壤肥力，对指导农业生产布局和种植结构调整具有十分重要的意义。如何进行土壤肥力评价，国内外学者进行过许多探索性研究，沈汉[2]选定了适用于全国六种利用类型下的参评因素及划分为四等五级的土壤分级指标；曹承绵等[3]采用数值综合评价法评价了各个地块的肥力水平，以土壤肥力指标的相关关系，计算单个肥力因素的贡献度，在此基础上推求肥力综合指标总分数；评价方法中模糊数学方法应用较多，张波、马强、周旭、吴玉红等分别采用模糊评价或改进的模糊评价方法评价了东南丘陵山区、东北黑土农田、贵州普安县和西北杨凌示范区的土壤肥力[4-8]；指数和法、聚类分析法和主成分分析[9-11]等数学评价方法也有应用；虽然评价方法和评价内容也各有侧重，但都是通过对大量信息的处理，得出反映土壤肥力高低的综合性指标。随着石羊河流域重点治理规划的逐步实施，各区域的土壤肥力状况已成为迫切需要研究的问题，但针对石羊河流域的此类研究缺乏。文章以石羊河流域各灌区土壤为研究对象，在对土壤养分普查的基础上，应用模糊数学原理，对流域各灌区的土壤肥力状况进行了综合评价，评价结果可以为为流域综合治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

石羊河流域位于甘肃省河西走廊东部，乌稍岭以西，祁连山北麓，介于东经101°41′～104°16′，北纬36°29′～39°27′之间。东南与甘肃省白银、兰州两市相连，西北与甘肃省张掖市毗邻，西南紧靠青海省，东北与内蒙古自治区接壤，流域土地总面积4.16万km2。石羊河流域行政区划涉及甘肃省武威市古浪县、凉州区、民勤县以及天祝藏族自治乡，金昌市永昌县、金川区，张掖市肃南裕固族自治县、山丹县，白银市景泰县。截止2010年底，流域总人口219.4万人，耕地面积43.8万hm2，农田有效灌溉面积24.3万hm2，生态林地灌溉面积1.7万hm2；流域土地资源丰富，光热条件好，农业生产发达，是甘肃省主要粮食生产区。

1.2 样品采集与分析

在石羊河流域各灌区共采集有代表性样本72个，每个样本采用“S”形多点采样后混合[12]，自然风干后磨细，分别过20目、100目筛后保存待分析。采样深度0～30 cm，时间为2011年 4月。采样区及采样个数如表 1。

表1 样品采集情况表Tab.1 Sample collection table

1.3 测定方法

土壤pH 采用电位法测定(水土比1:1)，土壤有机质采用外加热重铬酸钾氧化法测定，土壤全氮采用凯氏定氮法测定，土壤全磷采用碳酸钠熔融-钼锑抗比色法测定，土壤全钾采用氢氧化钠熔融-火焰光度法测定，土壤速效氮采用碱解扩散法测定，土壤速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，土壤速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定[13]。

1.4 评价指标选择

土壤肥力是反映土壤性质的重要指标之一，但受多种因素的影响，气候、地形、水分等自然因素和农民管理水平、劳动投入等社会因素影响较大，影响因素使土壤肥力表现出较强的空间异质性。鉴于此，国内外对土壤肥力评价尚未形成统一、规范的评价指标体系和评价方法；土壤肥力的评价通常通过构建评价指标体系，采用与评价指标体系相匹配的方法，评价土壤肥力水平。评价指标体系的构建遵循主导性、差异性、稳定性和可度量、可测量等原则，选取能真正反映土壤肥力特征的指标因子，建立评价指标体系。本次石羊河流域土壤肥力评价考虑石羊河流域土壤属性的空间变异性，根据获取的样本和因子间的相互关系等因素，结合流域内灌区土壤理化性质，主要选取土壤理化指标pH值以及土壤养分指标如有机质、全氮、速效氮、全磷、有效磷、全钾和速效钾等作为评价指标。见表2。

表2土壤肥力评价指标
Tab.2 Soil fertility index

指标类型 Type of index评价指标 Index土壤理化指标Soil physical and chemical indexpH 土壤养分指标Soil nutrient index有机质、全氮、速效氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾Organic matter,Total N,Available N,Total P,Available P,Total K,Available K

1.5 研究方法

土壤肥力是一个综合的和相对模糊的概念，“高”和“低”之间无准确界限，模糊评价法[14]能够把区间值、语言值以及定性指标等定量化，将多种制约因素综合，得出定量的总体评价结论，显著地提高了评价结果的可靠性。因此，本次评价采用模糊评价法对石羊河流域土壤肥力进行评价。具体评价过程为：首先，采用模糊数学方法计算各肥力指标的隶属度，再用多元统计分析原理计算权重系数，最后，应用隶属度和隶属度权重系数加权求和，得出综合肥力指标，土壤肥力指标结果范围在0 ～ 1之间，取值越大说明土壤肥力越高。

土壤肥力指标评价中，肥力指标与作物生长曲线的数学表达式即为隶属度函数，隶属度函数将肥力评价指标标准化，转变为0 ～ 1的无量纲值。根据土壤肥力指标函数的属性和隶属度函数的拟合程度，分别选取S型隶属度函数和抛物线型隶属度函数计算隶属度。

当函数为S型隶属度函数时：

(1)

式中：x—评价指标值；x1—该指标下限；x2—该指标上限。

当函数为抛物线型隶属度函数时：

(2)

式中：x—评价指标值；x1—该指标下限；x2、x3—该指标最优值；x4—该指标上限。

根据指标的函数类型，采用测定的肥力评价指标，计算各指标的上限、下限和最优值；将实测数据和阈值参数，代入函数公式，计算得出隶属度值。

确定肥力指标权重是土壤肥力综合评价的关键，权重值反映该指标对土壤肥力水平的影响程度，大多数人凭经验确定权重，造成评价过程的任意性和评价结果的主观性。为避免评价的任意性和主观性。本次评价确定权重选用因子分析方法，主要是通过寻找对结果起支配作用的潜在因子(潜变量)作为权重。根据土壤肥力各指标隶属度结果，使用SPSS统计软件计算各评价指标的公因子方差，公因子方差的贡献率即为评价指标的权重。

F=Fi*Wi

(3)

式中：F—土壤肥力综合水平；Fi—第i项评价指标的隶属度值；Wi—第i项评价指标的权重。

2 结果与分析

2.1 土壤肥力评价指标隶属度

根据土壤样品的实测值，统计分析土壤肥力指标，见表3。根据生产实践经验，土壤pH值适中，才能促进作物生长、提高产量，过大或过小，都将对作物生长和产量产生影响，因此，归一化处理采用抛物线型隶属度函数较适宜；土壤的有机质、全氮、全磷、全钾和碱解氮、有效磷、有效钾等指标与作物生长呈正相关，指标越大，作物生长越好，但达到一定程度后，影响水平将稳定在同一水平，因此，归一化处理采用S型隶属度函数进行较适宜。各肥力指标所选用的隶属度函数类型和阈值见表4。

2.2 土壤肥力评价指标权重

使用SPSS软件计算各评价指标的公因子方差，计算值表示该指标对土壤肥力的贡献，再根据公因子方差占总公因子方差的比重，计算得出各项肥力指标的权重，权重分析结果见表5。

表3 石羊河流域各灌区土壤肥力指标统计参数表Tab.3 The statistical parameter of Shiyang River Basin soil fertility index

表4 石羊河流域土壤肥力评价指标隶属度函数类型及阈值Tab.4 Type of membership function and threshold value of Shiyang River Basin soil fertility index

表5 石羊河流域各项肥力指标公因子方差和权重Tab.5 Estimated communality and weight value of Shiyang River Basin soil fertility index

2.3 土壤肥力综合评价指标

通过公式(3)计算石羊河流域各灌区内样本点的土壤肥力综合评价指标值，结果范围在0.41～0.63之间，平均值为0.509，标准差为0.08，变异系数为0.01。石羊河流域各灌区土壤肥力指标分布见图1，石羊河流域土壤肥力状况见图2。

图1 石羊河流域土壤肥力综合指标分布图Fig.1 Cumulative frequency of integrated fertility index

图2 石羊河流域土壤肥力状况图Fig.2 The distribution of soil fertility in the Shiyang River Basin

从石羊河流域土壤肥力状况综合评价结果可以看出，石羊河流域土壤肥力状况具有明显的空间异质性，自西南向东北土壤肥力逐渐降低；土壤肥力较好的区域主要分布在中游凉州区境内各灌区，下游民勤县境内各灌区土壤肥力相对较弱，见图2。土壤肥力的规律性分布与石羊河流域平原区土壤类型分布基本一致。中游凉州区内各灌区主要位于洪积扇扇缘，为河谷冲积平原，灌区内土壤经过长期灌淤、耕作、培肥而形成，主要以绿洲灌溉耕作土和草甸土为主，灌区土壤肥力相对较好，土壤肥力综合评价指标值在0.53～0.63之间；而民勤县位于流域下游，未形成绿洲前，主要为湖盆洼地和扇缘，形成绿洲后土壤又经受盐碱化和风沙的侵蚀，灌区内土壤主要以沼泽土、盐土和风沙土为主，土壤肥力相对较弱，土壤肥力综合评价指标值在0.41～0.49之间。

中游凉州区和下游民勤县区域内土壤肥力也有差异，中游凉州区永昌灌区和下游民勤县环河、泉山灌区土壤肥力明显低于区域内的平均水平，由于地理位置、气候条件、开垦年限等原因，这些区域的土壤开发力度较大，区域内人多地少，大量使用化肥，生物产量基本为人畜所利用，有机物料难以有效还田，造成土壤腐殖质层变薄，降低了土壤酶活性[15]，改变了土壤养分收支平衡的状态，长时间过度开发利用使区域内土壤肥力水平相对较低[16]。

3 讨 论

与收集到东北和南方省区的土壤肥力评价结果比较发现，石羊河流域土壤肥力整体结果相对较低，综合分析认为，石羊河流域的土壤开发指数相对较高，而在耕地投入和管理水平等方面还相对较低。因此，建议在土壤开发过程中追求高产的同时，应充分分析土壤养分的平衡状况，大力推行测土配方施肥技术；为防止流域内土壤退化，在使用化肥的同时，应进一步加大有机肥使用力度，保持土壤系统养分的可持续利用。

本次石羊河流域土壤肥力综合评价主要从土壤潜在生产能力角度进行，而土壤的现实生产力受气候、水、热状况、施肥和经营制度等自然和人为因素影响较大，无法将这些指标具体量化到评价指标体系中。在今后的评价工作中，应进一步加强土壤潜在生产能力和现实生产能力之间差异的研究，找出造成土壤肥力差异的评价因子和量化评价方法，提出更加科学合理的评价结果，从而为科学、高效利用土地资源，指导农业生产，提高作物产量提供依据。

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