宁夏压砂地枣园土壤肥力的层次-关联度分析*

李 慧，魏天军

（宁夏农林科学院种质资源研究所，银川 750002）

压砂地是我国西北地区农民在长期实践中形成的一种独有的耕作形式，是指在地表铺盖一层10～15 cm的沙砾或卵石加粗砂的田地，具有增温、蓄水、保墒等作用，主要分布在宁夏中卫市南部干旱山区的香山、兴仁、海原及中宁一带[1-3]。压砂地枣树发展最早开始于2002年[4]，自2007年起，先后在原来种植西甜瓜的压砂地基础上发展了超过1.3万hm2枣园，形成了一定的区域化发展规模，带动了宁夏“压砂枣”的品牌效应，成为当地农村经济发展的特色产业，对于打赢脱贫攻坚战具有重大的现实意义。

红枣作为我国特色果树，以其酸甜适口的风味和丰富的营养价值，深受国民的喜爱。红枣的品质和产量除受品种影响外，土壤肥力是关键性因素。土壤肥力是土壤为植物生长提供、协调营养条件和环境条件的能力，是土壤各种基本性质的综合表现，也反映建植者对土壤的管理水平和利用强度[5-6]。土壤肥力评价方法侧重于定性评价和单因素评价[7]，但是单项的土壤指标无法定量评价土壤肥力的状况，近年来，国内学者大多采用层次分析法、模糊聚类分析法、主成分分析法、灰色关联度分析法对土壤肥力进行评价[8-10]。虽然土壤肥力综合评价研究较多，但是关于枣园土壤养分综合评价的研究较少，只有张亚鸽等[11]利用主成分分析对新疆阿克苏地区枣园土壤肥力进行了综合评价。课题组从2008年开始，对压砂地枣园土壤养分和水分[12-13]进行系列研究，为后续研究奠定了基础。本研究在灰色关联度分析法的基础上，引入层次分析法赋予土壤指标科学的权重值，2种方法的结合能够对土壤肥力作出客观、可靠的综合评价，通过对9个压砂地枣园的土壤肥力进行比较和评价，旨在摸清压砂地枣园土壤肥力状况，以期为压砂地枣园土壤管理和可持续经营提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于宁夏中部干旱带地区，日照时间长，热能资源充沛，昼夜温差大；海拔1 300～1 700 m，年平均气温7.0～8.5 ℃，≥10 ℃年活动积温2 500～3 200 ℃，平均年日照时数2 800～3 000 h，平均年降水量200 mm左右，平均年蒸发量2 300 mm以上，无霜期140～150 d[14]。该区植被覆盖率低，草少林稀，生态环境十分脆弱。

1.2 样品采集

在宁夏中卫市兴仁镇、宣和镇（中卫宝塔农林牧科技生态有限公司4个分公司、寺口路西）、中宁县（天景山、滚泉坡）的9个盛果期具代表性的压砂地枣园采集土壤样品。在2016年枣果采收后基肥施入前进行采集，树龄为8～10年。采用十字交叉法，用土钻按0～20、20～40 cm分层采集土壤样品，每个枣园选取行间6个点，面积达667 hm2，相同土层混合均匀，共计18份土样，做好标记，带回实验室，详见表1。

表1 采样地基本信息

1.3 样品分析测定

土壤测定项目包括土壤的pH值，全盐、有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾、有效锌、有效锰、有效铜、有效铁含量。土样由宁夏农产品质量标准与检测技术研究所（银川）测定，测定方法分别参照标准LY/T 1239—1999、LY/T 125 1—1999、NY/T 1121.6—2006、LY/T 1228—2015、LY/T 1232—2015、LY/T 1234—2015、NY/T 890—2004。

1.4 研究方法

1.4.1灰色关联度分析

根据灰色系统理论[15]，将9个压砂地枣园土壤的13项指标作为一个灰色系统，以各土壤指标最优值构成参考数列：X0(j)=｛X0(1)，X0(2)，…，X0(n)｝，以不同层次土壤各指标的测定值构成比较数列：Xi(j)=｛Xi(1)，Xi(2)，…，Xi(n)｝，其中，j=1，2，…，n，n为测定土壤指标数（n=13）；i=1，2，…，m，m为测定不同枣园数量（m=9）。然后对原始数据进行无量纲化处理，将其化为0～1间的标准化数据，根据公式（1）求出关联系数，根据公式（2）求出加权关联度。

其中：︱X0(j)-Xi(j)︱为X0数列与Xi在j点的绝对差值，iminjmin︱X0(j)-Xi(j)︱为二级最小差，imaxjmax︱X0(j)-Xi(j)︱为二级最大差，ρ 为分辨系数，一般取ρ=0.5。rj为第i个压砂地枣园土壤肥力的加权关联度，Wj为第j个指标的权重值，n为指标数。

1.4.2构造层次结构模型

采用层次分析法确定土壤肥力各指标的权重。采用已改进的标度[16]，元素之间重要性“相等、较强、强、很强、绝对强”评分分别为5/5、6/4、7/3、8/2、9/1。综合各指标间的相互重要性，建立两两比较矩阵，计算最大特征值λmax和特征向量，根据规范列平均法求得下层第n个因素对上层因素影响程度值权重wj。

检验判断矩阵一致性指标（CI），计算公式如下：

查找相应的一致性指标（RI），计算一致性比例（CR），计算公式如下：

（3）式中n即为矩阵阶数。（4）式当CR≤0.1时，比较矩阵的一致性是可以接受的；当CR＞0.1时，比较矩阵应做适当修正。

2 结果与分析

2.1 压砂地枣园土壤肥力状况分析

由表2可知，宁夏压砂地枣园土层深度0～20、20～40 cm土壤pH值分别为8.10～8.57、8.20～8.65，土壤整体偏碱性；全盐含量分别为0.33～1.34、0.38～1.20 g/kg，属于轻度盐渍化土壤[17]；有机质含量分别为1.85～8.25、1.49～7.36 g/kg；全氮含量分别为0.18～0.66、0.13～0.53 g/kg；全磷含量分别为0.27～0.68、0.27～0.66 g/kg；全钾含量分别为15.00～20.80、14.60～20.00 g/kg；速效氮含量分别为11.0～64.0、9.0～51.0 mg/kg；速效磷含量分别为1.38～4.10、1.26～4.20 mg/kg；速效钾含量分别为36～145、33～92 mg/kg。根据中国第2次土壤普查制定的养分分级标准[18]，宁夏压砂地枣园土层深度0～20、20～40 cm土壤整体上有机质属于极缺和缺乏级别，全氮属于极缺乏和缺乏级别，全磷属于缺乏、中等级别（除兴仁镇），全钾属于丰富级别，速效氮属于极缺和缺乏级别，速效磷属于极缺和缺乏级别，速效钾属于缺乏、中等级别（除兴仁镇）。0～20、20～40 cm土壤有效锌含量分别为0.24～0.54、0.16～0.31 mg/kg，有效锰含量分别为3.00～6.60、2.10～9.70 mg/kg，有效铜含量分别为0.78～1.67、0.69～1.38 mg/kg，有效铁含量分别为5.01～8.90、5.55～9.90 mg/kg。根据我国土壤微量元素分级标准[19]，有效锌属于极缺乏、缺乏级别（除宣和镇寺口路），有效锰属于缺乏和中等级别，有效铜属于中等和丰富级别，有效铁属于中等级别。分析可知，宁夏压砂地枣园土壤肥力状况较差，目前枣园管理首要任务是根据土壤养分丰缺情况，进行平衡施肥。

表2 宁夏压砂地枣园土壤质量评价指标分析

2.2 压砂地枣园肥力灰色关联度分析指标体系

根据灰色系统理论要求，将9个枣园土壤13个指标视为一个整体，在土壤pH值、全盐、有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾、有效锌、有效锰、有效铜、有效铁13项指标中，根据枣树对土壤养分需求特点，选择13项指标的理想值为最优指标集。0～20 cm土层最优指标集为X0（j）=｛0.66，0.68，20.80，64.0，4.10，145，0.54，6.60，1.67，8.90，8.57，1.34，8.25｝，20～40 cm土层最优指标集为X0（j）=｛0.53，0.66，20.00，51.0，4.20，92，0.31，9.70，1.38，9.90，8.66，1.20，7.36｝。对不同枣园不同深度土壤指标做无量纲化处理，结果见表3。

2.3 求关联系数

根据参考数列，参试土壤各指标值构成比较数列。计算二级最小差iminjmin︱X0(j)-Xi(j)︱，二级最大差imaxjmax︱X0(j)-Xi(j)︱，并根据公式（1）分别计算关联系数（表4）。

2.4 确定土壤肥力评价指标权重

在所选择的土壤肥力指标中，不同的指标对土壤肥力综合评价结果的影响程度不尽相同，这需要对每个指标赋予不同权重。本研究采用层次分析法来确定各个土壤肥力的权重。首先要构造层次结构模型，根据划分评价因子的层次类别关系，分为3层（表5）：第1层为目标层（A），为土壤肥力综合评价；第2层为准则层（B），记为B=｛B1，B2，B3，B4｝；第3层为指标层（C），为影响土壤肥力指标，记为C=｛C1，C2，C3，C4，…，C13｝。

采用改进层次分析法新标度[17]，根据评价指标的性质及其对土壤肥力影响的特点，最终得到比较矩阵（表6）。通过公式（3）得出判断矩阵一致性指标CI，然后查找相应的一致性指标RI，通过公式（4）得出一致性比例CR，详见表6。由表6可知，所有比较矩阵的CR＜0.1，满足一致性要求，说明建立的判断矩阵是合理的。

由表6可知，压砂地枣园土壤速效养分和理化性质比较重要，权重值分别为0.479、0.313，微量养分的权重值最低。在全量养分的指标中，全氮、全磷、全钾权重值分别为0.454、0.301、0.245，全氮权重值最大，全钾权重值最小。在速效养分指标中，速效氮、速效磷、速效钾权重值分别为0.455、0.282、0.263，速效氮权重值最大，速效钾权重值最小。在微量养分的指标中，有效锌、有效锰、有效铜、有效铁权重值分别为0.189、0.144、0.271、0.395，有效铁权重值最大，有效锰权重值最小。在理化性质指标中，pH值、全盐、有机质权重值分别为0.167、0.130、0.702，有机质权重值最大，全盐权重值最小。由表6各层指标的权重，可得出指标层（C）对目标层（A）土壤肥力综合评价的权重值，详见表7。由此可知，有机质是影响土壤肥力综合评价的首要指标，其次为速效氮、速效磷、速效钾，权重值分别为0.220、0.218、0.135、0.126。

表3 土壤肥力指标的无量纲化处理

表4 土壤肥力指标的关联系数

表5 压砂地枣园土壤肥力综合品质评价因子的分层模型

表6 比较矩阵及一致性检验

2.5 综合评估模型的构建

本研究将层次分析法和灰色关联度分析法结合对土壤进行评价，首先依据层次分析法确定土壤肥力指标的权重（表7），其次根据公式（2）求得压砂地枣园土壤肥力的加权关联度（表8），并将其依据结果高低进行排序。加权关联度能比较客观、真实地反映出被评价土壤指标与最优指标集之间的差异，按照关联分析的原则，关联值越大，表明该枣园与最优指标值相似程度越高，对应的枣园土壤质量越好，反之则越低。

从分析结果可知（表8），兴仁镇压砂地枣园土壤的加权关联度最大，为1.655，土壤肥力最佳；中卫市宝塔一公司枣园土壤加权关联度最小，为0.852，土壤肥力最差。宝塔公司土壤加权关联度平均为0.915 5，农户经营压砂地枣园土壤加权关联度平均为1.300 6，因此农户经营压砂地枣园土壤养分状况相对较好。

表7 土壤肥力评价指标的权重

表8 不同压砂地枣园土壤加权关联度

3 结论与讨论

土壤是枣树生长的重要基质，不仅为枣树生长发育提供必要的养分，而且对果实品质有着一定影响。土壤肥力除了与自身成土母质有关，同时也受到土壤管理制度、施肥方式等外在因素的影响，因此土壤肥力在不同压砂地枣园中表现出明显差异。土壤肥力综合评价是由多个指标变量作用的结果，对土壤进行科学的评价，是提高土壤资源有效利用的基础和前提。本研究采用层次分析法确定指标权重，可以将人的主观判断为主的定性分析进行定量化，使各种判断要素之间的差异数值化，结合了定性、定量信息，是目前应用比较广泛的权重确定方法[16,20]。灰色关联度通过系统态势的量化比较分析，以矩阵的形式将所有性状两两间的关联度直观呈现出来[21]，具备可靠的统计学基础；近年来，灰色系统理论被广泛用到土壤评价的领域，对土壤肥力进行综合评价[6,9,22]。因此，在层次分析法的基础上，运用灰色关联度分析法进行综合评价，结果更加可靠、科学。通过分析9个压砂地枣园土壤肥力状况，发现兴仁镇枣园土壤肥力最佳，其次是中宁县天景山和滚泉坡地区枣园，土壤肥力最差的地区是中卫市宝塔农林牧科技生态有限公司基地。

正确进行土壤肥力评价的基础是确定评价指标，影响土壤肥力的指标有多种，本研究选取土壤全量养分、速效养分、微量养分、理化性质中的13项指标。全量养分一般与土壤肥力没有必然的相关性，但与速效养分之间存在一定的动态平衡关系，对土壤速效养分的供应潜力有一定影响，因此选为土壤肥力评价指标。在土壤肥力灰色关联度评价中，选取的指标一般都是有机质、全量养分、速效养分[6,23-24]，但是对于植物生长而言，微量元素是必不可少的，而且de Lima等[25]在评价土壤质量状况时表明，土壤微量元素是重要指标之一。因此本研究将微量元素纳入土壤肥力评价指标。通过对13项土壤肥力指标进行层次-关联度分析，对微量养分指标进行赋值，发现微量养分权重值为0.082，对土壤肥力评价有一定作用。结合层次指标权重值对供试9个压砂地枣园土壤肥力排序，筛选出肥力好的枣园，分析其田间管理经验，为宁夏中部干旱带压砂地枣园提供技术样板。

综上而言，利用层次分析法和灰色关联度相结合的方法对土壤肥力评价，能够对土壤肥力各指标做出全方位的科学评估，筛选出土壤管理好的枣园，丰富了压砂地枣园土壤肥力评价方法，促进了枣产业的健康有序发展。