基于模糊数学和主成分分析的长期施肥红壤旱地土壤肥力评价

2018-06-26杨旭初叶会财李大明余喜初柳开楼胡秋萍胡志华谷子寒胡惠文周利军黄庆海林小兵

中国土壤与肥料 2018年3期

杨旭初,叶会财，李大明，余喜初，柳开楼,胡秋萍，胡志华，谷子寒，胡惠文，周利军，黄庆海，林小兵

(江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心,江西南昌 331717)

玉米作为中国3大主产粮食之一，据《2015中国统计年鉴》显示，中国玉米播种面积占农作物播种总面积的22.9%，玉米产量占农作物总产量的36.1%[1]。随着畜牧业的发展，玉米用途主要由粮食向饲料原料转变，据廖永松等[2]估计，到2020年，80%以上的玉米将用来做饲料，我国饲料玉米仍有缺口，因此玉米生产同样关乎国家粮食安全。

施肥对土壤生产力、养分回收率、作物产量等方面具有主要贡献作用。国内外长期定位试验表明，均衡施肥或有机无机肥料配施是维持作物高产、稳产的有效措施，但是长期施用化肥(尤其是过量)，土壤质量及生产力出现下降[3]。据段英华等[4]研究表明，湖南红壤长期施用化肥，土壤pH值平均每年下降0.06个单位，在土壤pH值4.5～6.3范围内，pH值每降低1个单位，玉米氮肥回收率下降10.9%。

土壤肥力评价至今无统一的方法、指标和模型，目前主要有专家打分法、Fuzzy综合评判法、全量数据集法、最小数据集法等[5-6]。除专家打分是主观评价外，其余都是采用模糊数学和相关分析的理论，由于不同研究者对不同指标重要性的认识不同，因此土壤肥力指标的选择及权重确定各有不同[7]。例如包耀贤等[8]选用土壤有机质、速效氮、速效磷、速效钾、粘粒、团聚度、团聚体稳定率8个指标作为最小数据集评价红壤性水稻土综合肥力。温延臣等[9]选用土壤物理、化学、生物学共14个指标评价了潮土小麦-玉米轮作区土壤综合肥力。

我国红壤面积达218万km2，资源丰富，约占全国总土地面积的21.8%，主要分布在江西、湖南等长江以南的低山丘陵区。目前南方红壤旱地的土壤肥力评价方法较少，且缺少对其评价结果的客观性验证。因此，本研究选自1986年建立的江西省进贤县红壤旱地玉米定位试验，基于模糊数学和主成分分析的方法评价长期不同施肥模式下土壤综合肥力，并结合产量及产量稳定性进行验证，以期为玉米施肥提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

玉米长期定位试验位于江西省进贤县江西省红壤研究所内(116°20′24″N、28°15′30″E)，为典型低丘地形(海拔25 m，坡度5°)，土壤类型为第四纪红粘土发育的红壤。中亚热带季风气候，年平均气温18.7 ℃，年降水量1 807.5 mm ，年日照时数 1 657.8 h，>10℃有效积温3 511.1℃。试验前耕层土壤理化性状：pH值6.0，有机质16.2 g/kg，全氮0.9 g/kg，全磷14.2 g/kg，全钾15.8 g/kg，碱解氮60.3 mg/kg，有效磷12.9 mg/kg，速效钾102.5 mg/kg。种植制度为春玉米-秋玉米-冬闲，1986～2015年春秋季玉米品种为掖单13号。

1.2 试验设计

长期定位试验共设10个处理，分别为：不施肥(CK)、单施猪粪(M)、单施氮肥(N)、单施磷肥(P)、单施钾肥(K)、施氮磷肥(NP)、施氮钾肥(NK)、氮磷钾平衡施肥(NPK)、施2倍氮磷钾化肥(NPK2)、施氮磷钾化肥+猪粪(NPKM)。3次重复，小区面积22.2 m2，种植密度79 200株/hm2，春、秋季玉米肥料用量相同(表1)。氮肥为尿素(N 46%)，磷肥为钙镁磷肥(P2O512%)，钾肥为氯化钾(K2O 60%)。磷肥、猪粪作基肥施用，钾肥在播种后第7 d全部做追肥施用，氮肥在播种后第7和第14 d各追肥50%。

表1 不同处理施肥量 (kg/hm2)

1.3 土壤肥力综合指数计算

本研究构建土壤肥力综合指数(soil nutrient index，SNI)作为土壤养分综合评价依据，其值越高，土壤肥力越好，具体计算过程如下：

(1)

(2)

式中，Wj为第j个指标的权重。

(3)

式中，Qj表示第j个指标的隶属度值。

要计算SNI，一是土壤指标的选择；二是指标权重的确定，三是隶属函数的建立。

1.3.1 土壤指标的选择

参考文献[10]选取土壤pH值、有机质含量、有效磷含量、速效钾含量、阳离子交换量进行红壤旱地土壤肥力评价。土壤pH值的测定采用电极法(水土比为2.5∶1)，土壤有机质的测定采用水合重铬酸钾氧化-比色法，土壤有效磷的测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，土壤速效钾的测定采用醋酸铵浸提-火焰光度法，土壤阳离子交换量的测定采用醋酸铵交换-火焰光度法[11]。

1.3.2 指标权重的确定

利用主成分分析对上述土壤指标进行权重确定。

1.3.3 隶属函数建立和隶属度的计算

隶属度函数实际上是评价指标与作物生长曲线之间的数学表达式，它可以将不同量纲的指标转化数值为0～1之间的无量纲值，单一指标隶属度越大，反映该指标的肥力水平越高。土壤pH值采用梯型隶属函数，按公式(4)计算隶属度；土壤有机质含量、有效磷含量、速效钾含量、阳离子交换量采用S型隶属函数，按公式(5)计算隶属度。

(4)

(5)

公式(4)和(5)中X为上述土壤指标实际含量，X1、X2、X3、X4分别为各土壤指标的下临界值、上临界值、最优值下限、最优值上限。其值参考文献[12]及江西红壤旱地实际情况来确定。

表2 土壤指标的隶属函数类型和拐点值

1.4 土壤综合肥力验证

玉米产量受当季气候影响波动较大，因此选取试验30年的平均年产量及其变异系数(CV)、稳定系数(SYI)3个指标来验证土壤肥力[13]。产量统计方法：于1986～2015年每季玉米收获时，整个小区单收单晒，并按14%籽粒含水率折算产量，年产量为春、秋季产量之和；年产量变异系数、稳定系数按公式(6)、(7)计算，标准差越大，稳定系数越低，变异系数越大。

(6)

(7)

1.5 数据统计

数据采用SPSS 17.0进行方差分析， Duncan法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 长期施肥对红壤旱地土壤养分及特性的影响

由表3可知，长期不同施肥处理对土壤pH值及有机质含量、有效磷含量、速效钾含量、阳离子交换量均有显著影响(P<0.05)。土壤pH值、有效磷含量、阳离子交换量以单施猪粪(M)最高，偏施氮肥(N)最低；有机质含量以化肥配施猪粪(NPKM)处理最高，CK最低；速效钾含量以施2倍氮磷钾化肥(NPK2)最高，偏施氮磷肥(NP)最低。

表3长期施肥对土壤养分含量及特性的影响

处理pH值有机质(g/kg)有效磷(mg/kg)速效钾(mg/kg)阳离子交换量(cmol/kg)CK5 20c13 50c10 20c80 00ef9 71eM6 40a17 83a183 50a141 67d12 78aN4 40e14 67c9 80c78 33ef9 47eP5 34c14 73bc23 00bc103 33e10 33cdK5 26c13 73bc20 70bc268 33b10 17cdNP5 18c13 90bc22 90bc65 00f10 60cNK4 80d15 70c14 90bc206 67c9 89deNPK4 85d15 27bc16 70c185 00c9 59eNPK24 84d15 43b29 80b321 67a9 94deNPKM6 03b20 00a177 30a246 67b11 73b

注：同列不同小写字母表示在0.05水平上差异显著，下同。

2.2 长期施肥红壤旱地土壤肥力评价

从图1可知，5个土壤指标的平均隶属度以氮磷钾配施猪粪(NPKM)最高，为0.94；其次为单施猪粪(M)，为0.92；单施氮肥(N)最低，为0.41。从5个指标来看，土壤有效磷平均隶属度最高，为0.83；土壤速效钾次之，为0.75；土壤pH值最低，为0.52。

将土壤pH值、有机质含量、有效磷含量、速效钾含量、阳离子交换量数据进行球形假设检验，KMO值为0.73，Bartlett值为127.98，sig=0.00<0.01，且Person相关性分析(表4)表明除土壤速效钾外，土壤pH值、有机质含量、有效磷含量、阳离子交换量之间均呈极显著正相关(P<0.01)，说明5个指标之间可以进行主成分分析。前2个主因子的方差贡献率为92.0%，说明前2个主因子可以代表原始数据92.0%的数据。土壤pH值和土壤养分指标的权重结果见表5。

图1 土壤指标平均隶属度雷达图

表4 土壤养分及特性的相关性

注：**表示在0.01水平上显著相关。

从图2可知，试验30年后，玉米土壤肥力综合指数(SNI)从高到低依次为NPKM>M>K>P>NPK2>NPK>NP>NK>CK>N。化肥配施猪粪(NPKM)土壤肥力综合指数最高，为0.94；单施猪粪(M)次之，为0.92；单施氮肥(N)最差，为0.42。

表5 变量在主成分上的载荷矩阵及变量权重

图2 各土壤指标综合肥力贡献率雷达图

2.3 红壤旱地土壤肥力验证

从表6可知，除单施猪粪(M)处理外，其余各处理平均年产量、产量稳定系数、产量变异系数与土壤肥力综合指数相比，排名规律基本相同。长年单施猪粪(M)，土壤肥力综合指数排第2，而平均周年产量、产量稳定系数、产量变异系数分别排第3、第6、第6。

表6 玉米平均周年产量描述性统计

3 讨论与结论

土壤基础肥力是作物可持续生产的物质基础，长期不同施肥模式通过影响土壤肥力从而影响土壤生产力。南方红壤具有酸、瘦、板、粘的特点，其中土壤酸化严重[14]。本文研究表明，与试验前相比，试验30年后，单施猪粪和氮磷钾配施猪粪处理土壤pH值提高0.40、0.03个单位，其余处理下降0.74～1.60个单位，对照处理下降0.80个单位。说明酸沉降等自然因素是红壤旱地酸化的主要原因之一，施用有机肥猪粪和氮磷钾配施猪粪可以维持和提高土壤pH值，是阻控红壤酸化的有效措施，不均衡施肥显著加剧红壤酸化。这与前人[15-16]的研究结果一致。

南方红壤富含铝铁氧化物，对有效磷固定能力很强，使磷素由可溶态向难溶态转变，大大降低了土壤磷素的有效性，造成红壤普遍缺磷[17]。本研究表明，不同处理间土壤有效磷含量为9.80～177.30 mg/kg，长期施用猪粪和氮磷钾配施猪粪土壤有效磷含量较对照分别提高16.99、16.38倍，活化了土壤磷素，提高了土壤有效磷含量。可能的原因是施用猪粪降低了土壤交换性Al3+浓度，减轻了铝铁氧化物对磷素的固定，从而缓解了铝毒。

长期定位试验系统科学地反映了土壤肥力演变及肥效变化规律，是研究土壤的经典试验[18]。土壤肥力评价关键在于土壤指标的选择、指标权重和隶属函数阀值的确定，本评价体系表明，采用主成分分析确定指标权重的方法是可行的。本文研究表明，红壤旱地土壤肥力综合指数排名以氮磷钾配施猪粪最高，施用猪粪次之，偏施氮肥最低。对比产量、产量稳定系数、变异系数排名顺序，除单施猪粪处理外，其余各处理土壤肥力验证结果均较好。施用猪粪处理土壤肥力综合指数和平均年产量排名靠前，产量稳定系数和变异系数排名靠后。可能的原因是猪粪中有机质含量高，养分释放过程较慢，其主要功能在于培肥，玉米产量逐年缓慢增加，因此，产量稳定系数较低、变异系数较高。

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