基于修正内梅罗指数法的果园土壤肥力评价

耿庆龙, 李 娜, 赖 宁, 陈署晃

(新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091))

0 引 言

【研究意义】土壤肥力水平的高低直接关系到作物产量农产品品质以及农业可持续发展等[1-3]。我国耕地质量总体偏低，在利用中面临着粮食保障、肥力退化和土壤环境被污染等众多问题[4]。全面客观地评价土壤肥力水平对于科学合理地制定农田施肥方案，提高养分资源利用率，减少由于过量施肥造成环境污染，实现精确施肥具有重要意义。【前人研究进展】目前，国内外已有很多关于土壤肥力评价方法的研究和应用，包括模糊数学、多元统计分析、因子分析、聚类分析、主成分分析等方法[5-9]，客观的反应了土壤肥力的水平。“特尔斐”法与评价指标体系合理性之间并没有严格的逻辑关系，评价结果的准确性受评价者的专业水平影响较大[10]。内梅罗指数多用于土壤污染、水体质量的评价[11-14]，而通过对其改进作为评价土壤肥力方法的研究并不多见。石常蕴等[15]以苏州市水田为例通过建立各评价指标与土壤功能间的关系模型并将指标值标准化，然后确定各项评价指标的权重，将各指标的评分值与权重系数相乘加和既得到土壤肥力的综合指数。王洋等[16]对黑土地作了单因子肥力指数评价和内梅罗综合肥力指数的评价。耿庆龙等[17-19]将传统的统计方法与地统计学方法及GIS技术相结合，研究了中等尺度上土壤质量的空间分异规律。王娟等[20]采用机制法与地统计学方法及GIS技术相结合方法，分析了阿克苏市主要作物的生产潜力。【本研究切入点】土壤肥力评价过程中受人为主观因素影响较大，不同的专家可能有不同的认识，一般以“特尔斐”法平衡参与评价的各专家的意见，但专家的知识领域、经验、水平等存在各种差异。减少人为因素对结果的影响，最大程度的客观展现土壤肥力是十分必要的。研究运用改进内梅罗指数建立的土壤肥力评价体系合理性，最大程度地减少人为的主观性。【拟解决的关键问题】选取温宿县果园20～60 cm土层土壤5项常规养分指标(有机质、全氮、速效氮、有效磷和速效钾)和5项微量元素养分指标(有效铁、有效锰、有效铜、有效锌和有效硼)作为评价指标，采用隶属度函数和改进内梅罗指数评价方法相结合对土壤肥力进行综合评价。为快速准确地进行定量化果树养分评价和采取施肥决策方法的提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

温宿县地处塔里木盆地西北边缘，位于N40°52′-42°15′，E79°28′～81°30′，东西长171 km，南北宽158 km，总面积14，569.3 km2。地势北高南低，境内多山脉、河流、戈壁和平原，北部山区占温宿县总面积的56.67%。这种特殊的地理环境，与大气环流的共同作用，形成四季分明，昼夜温差大，春季升温快而不稳，秋季短暂而降温迅速，多晴少雨，光照充足，空气干燥。具有典型的暖温带大陆性干旱气候特征，年均降水量为83.9 mm，主要集中在7、8月，年平均蒸发量为1 456.3～1 966.2 mm。年平均气温为10.8℃，最高气温一般出现在7月，最低气温出现在1月。主要土壤类型为棕漠土和潮土，主要土壤母质为冲积物、洪冲积物、洪积物以及黄土物质；主要种植果树、棉花、水稻和蔬菜等。研究区位于温宿县西南部如，面积2，892 km2，占温宿县总面积的19.85%。

图1 温宿县研究区
Fig. 1 of and study location

1.2 方 法

将土地利用现状图、2 km×2 km方格网进行叠加，利用GPS定位，在半径10 m范围内采集6～8点(20～60 cm)土样混合，四分法取1 kg左右土壤样品带回分析。2015年10月在方格网划分果园地内随机采集土样共559个。有机质含量测定采用重铬酸钾法(DB/6500B111440-87)；全氮采用凯氏定氮法;速效氮含量测定采用碱解扩散法(DB/65008111442-87 )；速效磷含量测定采用碳酸氢钠法(DB6500B111446-87 )；速效钾含量测定采用醋酸按一火焰光度法(DB/6500B111448-87 )；微量元素养分含量采用二乙基三胺五乙酸(DTPA)溶液浸提-原子吸收光谱法测定。图2

图 2 温宿果园及采样点分布
Fig. 2 sampling sites (n=559)

1.3 数据处理

采用隶属度函数评价各指标肥力状况；利用各项肥力指标的隶属度值和修正内梅罗指数计算土壤综合肥力指数；传统统计分析采用SPSS16.0软件。

1.3.1 隶属度函数和土壤肥力评价

隶属度函数实际上是评价指标与果树生长效应曲线之间关系，表达了该项指标土壤含量的丰缺程度。根据各评价指标对作物产量的效应，土壤肥力指标相应的隶属度函数表达式为：

f(x)=

(1)

根据研究区土壤肥力特点、果树品种特点和前期研究的结果[21-23]，确定隶属度函数曲线拐点的取值。表1

表1 隶属函数曲线拐点取值
Table 1 Values of point in membership function(mg/kg)

拐点Turning piontSOM(g/kg)TN(g/kg)AN(mg/kg)AP(mg/kg)AK(mg/kg)AFe(mg/kg)AMn(mg/kg)ACu(mg/kg)AZn(mg/kg)AB(mg/kg)X150.2530670570.51.00.5X2201.0803021010101.02.01.0

注:SOM表示土壤有机质，TN表示全氮，AN表示碱解氮，AP表示有效磷，AK表示速效钾，AFe表示有效铁，AMn表示有效锰，ACu表示有效铜，AZn表示有效锌，AB表示有效硼。下同

Note:SOM represents soil organic matter, TN represents total nitrogen, AN represents available nitrogen, AP represents available phosphorus, AK represents available potassium, AFe represents available Fe, AMn represents available Mn, ACu represents available Cu, AZn represents available Zn, AB represents available B. The same as below

1.3.2 综合评价指数的计算

内梅罗(N.L.Nemerow)指数是一种兼顾极值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数。其特别考虑了污染最严重的因子，内梅罗环境质量指数在加权过程中避免了权系数中主观因素的影响，是目前仍然应用较多的一种环境质量指数。

(2)

(3)

表2 土壤各肥力指标描述性统计特征
Table 2 The descriptive statistics of soil fertility factors contents in study area

肥力指标Fertility indices样点数Samples分布类型Distribution types极小值Min.极大值Max.均值Mean标准差St.d变异系数CV偏度Skewness峰度KurtosisSOM 559正态 0.44 36.48 10.11 4.64 0.46 0.41 1.66 TN 559对数正态0.19 1.44 0.67 0.23 0.34 0.64 0.13 AN 559偏态3.95 239.00 41.01 20.99 0.51 2.05 14.24 AP559对数正态1.14 164.97 17.61 22.52 1.28 3.22 12.44 AK559偏态38.73 488.98 143.65 52.31 0.36 1.36 5.22 AFe559对数正态1.80 46.30 12.01 6.74 0.56 1.82 5.51 AMn559正态1.40 11.10 5.05 1.68 0.33 0.74 1.64 ACu559正态0.10 3.60 1.49 0.78 0.53 -0.07 -0.30 AZn559对数正态0.20 20.00 2.31 3.09 1.34 3.14 11.67 AB559对数正态0.22 2.73 0.95 0.47 0.49 1.24 1.98

2 结果与分析

2.1 土壤肥力指标描述性统计

研究表明,土壤有机质、有效锰、有效铜含量服从正态分布，全氮、有效磷、有效铁、有效锰、有效硼服从对数正态分布(K-S检验，P<0.05)，而土壤碱解氮、速效钾养分含量既不服从正态分布，也不服从对数正态分布，说明表层土壤碱解氮和速效钾受施肥的影响较大。变异系数可以表征土壤特性的空间变异程度，最大为有效锌(1.34)，次之有效磷(1.28)，两者变异强度较高，远高于其它肥力指标。其它肥力指标变异系数处于0.33～0.56，属于中等变异强度。从变异系数分析，有效锌、有效磷变异系数均大于1，说明长期大量的磷肥和含锌制剂的施用致使土壤有效磷和有效锌含量有明显地积累。据研究表明，由于过量施磷而导致作物对其他元素的吸收作用减弱，出现营养缺素症状，反而影响了作物的产量与品质[24]，而锌素营养过剩时细胞结构破坏,叶肉细胞严重收缩，叶绿体明显减少。根据新疆第二次土壤普查的养分含量分级标准[25-26]，研究区土壤有机质、全氮、碱解氮、有效锰平均含量处于较低水平；有效磷、速效钾、有效硼平均含量处于中等水平；有效铜、有效铁和有效锌平均含量处于较高水平。表2

2.2 土壤肥力指标隶属度

研究表明,平均隶属度越大，所反映的单一指标的肥力水平越高。有效锰的平均隶属度最小，仅为0.121，速效氮、有效磷和有机质次之，均不足0.5；其他养分的平均隶属度均在0.5以上，其中以有效铜最高，达0.860。10个肥力指标中：碱解氮、有效磷、有效锰的隶属度小于0.325的样本数，分别占总样本数的57.78%、56.35%、96.96%，有效铜、有效铁、有效硼的隶属度大于0.775的样本数，分别占总样本数的82.47%、76.74%、59.03%。研究区果园土壤中有效铜、有效铁、有效硼含量丰富，碱解氮、有效磷、有效锰含量缺少。表3

表3 土壤各肥力指标平均隶属度统计
Table 3 The descriptive statistics of soil fertility factors contents in study area

肥力指标Fertility indices样点数Samples均值Mean比例(%)0.1～0.3250.325～0.550.55～0.7750.775～1.0SOM 5590.422 36.3136.8518.438.41TN 5590.594 14.3131.6629.3424.69AN 5590.335 57.7822.9010.738.59AP5590.385 56.3518.436.0819.14AK5590.553 20.7529.8727.5521.82AFe5590.844 10.733.588.9476.74AMn5590.121 96.961.610.181.25ACu5590.860 13.422.501.6182.47AZn5590.579 37.2110.0210.2042.58AB5590.744 14.3110.0216.6459.03

2.3土壤肥力综合评价

研究表明,样点IFI 值总体为偏态分布，其值处于0.10～0.85，平均值为0.39，变异系数为0.04，属于弱度变异，说明研究区果园土壤的综合肥力，变异性不大，土壤肥力总体处于中等偏低水平。

土壤综合肥力指标综合肥力贡献率统计表表明，温宿县的土壤常规养分和微量元素养分的肥力贡献率分别为0.55和0.45；单一指标中有效铜的贡献率均值最高，达1.139；其次为有效铁，为1.132；贡献率均值最小的为有效磷，仅为0.001；此外，碱解氮、有效锰的贡献率均值也在0以下。单一指标中全氮、有效铁、有效铜、有效硼贡献率较高，分别有89.80%、93.20%、87.12%、88.01%的样本的贡献率为正。其次是速效钾、有效锌，分别有77.10%、60.82%。有效锰贡献率最小，有98.75%的样本的贡献率为负。其次是碱解氮、有效磷，分别有72.27%、63.51%。研究区土壤综合肥力指数总体平均为0.39。表4

表4 土壤综合肥力指标综合肥力贡献率统计
Table 4 Soil comprehensive fertility index comprehensive fertility contribution rate

肥力指标Fertility indices样点数Samples贡献率均值Mean比例(%)≤0>0SOM5590.060 49.3750.63TN5590.538 10.2089.80AN559-0.198 72.2727.73AP5590.001 63.5136.49AK5590.417 22.9077.10AFe5591.132 6.8093.20AMn559-0.666 98.751.25ACu5591.139 12.8887.12AZn5590.419 39.1860.82AB5590.830 11.9988.01

3 讨 论

评价方法是土壤肥力评价的核心工作，直接关系到评价结果的客观性。研究基于“最小养分律”理论，引入改进型内梅罗法对研究区土壤肥力进行评价，同时将微量元素养分也纳入评价指标体系，以能更为全面，更多地解释土壤肥力。研究区5种微量元素养分指标综合肥力贡献率达45%，因此，说明在土壤肥力质量评价过程中应当考虑微量元素养分。De Lima等[27]在评价不同农业管理体系和不同质地类型土壤质量状况时表明，土壤微量元素养分指标(Cu、Zn和Mn)也是最重要的指标。对不同土地利用类型的贡献也不同，其结果表明,菜地的土壤微量元素养分的肥力水平及综合肥力的贡献率均高于果园和菜地，菜地高化肥以及农药的投入都有可能导致结果偏高，施入含锰、锌和铜的化肥以及含锰、锌和铜农药均会使土壤锰、锌和铜含量增加[26-28]；过量的施入氮肥会导致土壤酸化[29]，进一步活化了土壤养分。

土壤综合肥力和单一养分指标的空间分布既有区别又有相似之处。主要原因是因为土壤综合肥力既受单一养分指标的作用，也受所有养分指标的综合作用，同时，还受自然和人为因素的综合影响[30]。此外，因子加权法是计算土壤综合肥力的方法之一，一定程度上考虑了评价指标之间的依赖关系，避免了主观的随意性，因此已被广泛应用于确定评价指标的计算中；研究没有考虑主成分分析法，只统计土壤综合肥力样本数据的比例及其贡献率。在今后的研究中还应考虑主成分分析法分析。

4 结 论

研究区土壤常规养分和微量元素养分的综合肥力贡献率分别为0.55和0.45；菜地土壤单一有效微量元素指标的肥力水平和综合肥力水平总体上均要高于果园和粮田；土壤综合肥力指数的空间变异具有一阶趋势，去除趋势后所剩残差的空间异质性主要受随机部分(人为因素等)的作用；其空间分布总体上主要受有机质和全氮的作用，但局部地区分布还受有效铜、有效锌等微量元素养分的影响。将土壤常规养分和微量元素养分同时纳入土壤肥力质量评价指标体系是必要的，利用地统计学方法能较好地揭示土壤肥力质量的空间变异规律。该研究区土壤肥力总体处于中等偏低水平。土壤肥力指标包括土壤营养(化学)指标，土壤物理性状指标、土壤生物学指标和土壤环境指标等多种因子。