寧南黃土丘陵區旱作苜蓿地土壤綜合肥力質量評價

溫淑紅, 潘占兵, 許 浩

(寧夏農林科學院 荒漠治理研究所, 銀川 750002)

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寧南黃土丘陵區旱作苜蓿地土壤綜合肥力質量評價

溫淑紅, 潘占兵, 許 浩

(寧夏農林科學院 荒漠治理研究所, 銀川 750002)

采用改進的內梅羅綜合指數法計算得出的不同年限苜蓿地土壤綜合肥力指數研究，結果表明：苜蓿地表層(0—20 cm)土壤綜合肥力指數范圍在0.623～0.794，土壤肥力水平介于一般水平和貧瘠狀態，不同年限苜蓿地表層(0—20 cm)土壤綜合肥力指數呈：CK>6 a>2 a>8 a>3 a>20 a>10 a。說明寧南黃土丘陵區旱作苜蓿粗放經營(只刈割，不培肥)，導致土壤綜合肥力指數日趨下降。因此，在苜蓿經營過程中，有必要進行土壤培肥，在苜蓿退化嚴重時，可以通過輪作培肥等措施提高土壤肥力。

旱地苜蓿; 土壤肥力; 因子權重; 綜合評價

土壤是植物生活的基質和動物生活的基底，它為植物提供必需的營養和水分，也為土壤動物提供必要的生存場所，它與社會經濟緊密聯系。我國土壤學界對土壤肥力研究非常活躍，土壤肥力是土壤代謝功能、調節功能的強弱和在一定地理位置、自然條件下，土壤同內部水、養適量，氣、熱周期性動態，穩、勻、足、適程度；并從生態系統的角度把土壤肥力分為母質肥力、層次肥力、田塊肥力、耕作肥力、氣候肥力、地貌肥力、水文肥力和植被肥力。土壤肥力是土壤的本質，土壤肥力就是土壤為植物生產供應和協調營養條件和環境條件的能力，水分和養分是營養因素，溫度和空氣是環境因素；水既是養分因素，又是營養因素；土壤結構是肥力的重要基礎，肥力評價要考慮到土壤整體[1-2]。陳恩鳳等[3]認為：土壤肥力是土壤自動調節能力，是對水、肥、氣、熱的儲存和供應能力，肥土具有吸收容量大、轉化釋放供應量大的特征，從而有較大的適應植物生長需要和抵抗不良生長條件的能力。章家恩等[4]提出土壤生態肥力(Soil ecological fertility)概念，即土壤生態肥力指在一定的環境條件下，土壤及其生物群落(包括動物和微生物)之間長期協同進化、相互適應、相互作用而表現出的一種和諧共融特性，以及在該特性狀態下土壤保證植物生長所需物質與能量的可獲得性和可持續性的一種功能和能力。土壤肥力是土壤各方面性質的綜合反映，其本質就是從環境條件和營養條件供應和協調植物生長發育的能力。種植苜蓿既可以獲得較好的經濟效益，又可以改良土壤。對低產田種苜蓿肥田養畜研究結果顯示，豆科牧草會顯著提高土壤肥力，改善土壤理化性質[5]。因此，土壤肥力質量直接關系到苜蓿(MedicagosativaL)的生產潛力，對黃土高原地區牧草產業發展與生態環境的改善具有重要意義[6]。

寧夏半干旱黃土丘陵區由于特殊的自然地理和社會經濟條件,水土流失嚴重,生態環境脆弱，目前該區80%的土地為坡耕地,水土流失面積達22 897 km2,年土壤侵蝕模數1 000～10 000 t/km2,年輸入黃河泥沙達0.6億t,蠶食土地1 333 hm2，是水土流失最為嚴重的區域之一[7]。寧夏自治區政府以西部大開發為契機，通過實施退耕還林還草、退牧還草等工程，使寧夏地區人工種草面積達到約5.33×105hm2,其中紫花苜蓿為主的多年生人工草地迅速增加至約4.00×105hm2,極大地促進了寧夏地區草畜產業的快速發展[8]。退耕還林還草種植苜蓿不僅增加植被蓋度，改善生態環境，緩解天然草場載畜壓力，促進生態自然修復，而且在推動畜牧業經濟快速發展，增加農民收入等方面具有重要的作用。然而，作為寧南半干早黃土丘陵區發展畜牧業物質基礎之一的旱作苜蓿老化嚴重，養分失調等，已成為該區草畜產業發展的瓶頸[9]。苜蓿地土壤肥力下降和持續旱化將導致植物群落衰敗和生態系統退化，直接威脅畜牧業經濟、生態效益的持續穩定發揮，揭示了土壤旱化誘發土壤養分失調的機理的緊迫性和重要性，土壤肥力指標體系的正確建立對土壤旱化與生態環境的改善顯得尤為重要。土壤質量的綜合評價涉及到諸多土壤因子，如何確定土壤質量評價指標一直是土壤質量評價的核心問題[10-11]。因此，本文針對寧南山區長期種植苜蓿土壤肥力退化的實際，應用改進的內梅羅綜合指數法評價不同年限苜蓿地土壤綜合肥力，以期為寧南山區苜蓿地及苜蓿資源的合理利用與管理提供科學依據。

1　材料與方法

1.1研究區概況

研究區隸屬寧夏固原市彭陽縣白陽鎮中莊村,位于彭陽縣東北13 km，地理坐標在105°9′—106°58′E, 34°14′—37°4′N，地貌類型屬于黃土高原腹部梁峁丘陵地，區內梁峁相間,溝壑縱橫,地形破碎,地面傾斜度大,平均海拔在1 600～1 700 m。該村年平均氣溫7.6℃,≥10℃的積溫2 200～2 750℃,境內年蒸發量較大，干燥度為3.58,無霜期140～160 d。降雨是雨水資源量的決定因素,項目區多年平均年降水量475 mm,降水量集中且年內分配不均,雨量集中月份常以暴雨形式出現，易發局部地區暴雨洪水。水土流失和土地退化等問題已成為困擾該區社會經濟可持續發展和農民脫貧致富的主要瓶頸[12]。自2000年實施退耕還林還草工程以來，中莊村旱作苜蓿種植面積累計達到157 hm2，部分苜蓿地土壤旱化嚴重，苜蓿干草產量甚至低于300 kg，對該區草畜產業的可持續發展產生了極大地影響。

彭陽縣中莊村轄7個村民小組,共390戶1 757人,其中回族119戶498人,全村總面積16.5 km2,耕地面積1 076 hm2，其中退耕面積319.9 hm2。區內土壤以普通黑壚土為典型土壤,土壤母質為黃土及黃土狀物,pH值在8～8.5,呈弱堿性反應,土層深厚,土質疏松。植被類型以草原植被為基礎,屬于半干旱干草原區,生長有長茅草、角蒿、鐵桿蒿、白羊草、賴草、星毛萎陵菜等;其次還有中生和旱中生的落葉闊葉灌叢、落葉闊葉林、草甸。人工植被以山桃、沙棘、山杏、山楊等為主。農、林、牧三業用地比例為1∶0.71∶0.95。其氣候、土壤、土地利用、小流域生態治理及經濟發展等諸多方面在寧南山區及其黃土高原西部丘陵區均具有一定的代表性[13]。

1.2樣品采集與處理

選擇立地條件相近的3 a，7 a，19 a生苜蓿為研究對象，以種植坡耕地為對照(CK)，參考全國第二次土壤普查的結果和分級標準分析。采用多點取樣法,對不同年限苜蓿地0—100 cm分層取土樣。先風干土樣，再剔除根系、石塊等雜物，混勻磨細，分別用1 mm和0.25 mm的土壤過篩待測，對旱作苜蓿地土壤養分的時空變化規律進行分析。

1.3測定方法

土壤養分測定內容為土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、pH。其中：有機質采用K2Cr2O7容量法測定；全氮用凱氏法測定；全磷用酸溶—鉬銻抗比色法測定；全鉀用NaOH熔融火焰光度計法測定；速效氮用堿解擴散法測定；速效磷用NaHCO3浸提比色法測定；速效鉀用NH4OAC浸提—火焰光度計法測定[14]。

1.4土壤肥力質量的綜合評價指標體系

土壤肥力評價指標的確定直接影響著評價結果的正確性、客觀性和指導性。由于選取的指標不同，分析目標的差異，選擇的評價方法也不同，因而，沒有統一的評價方法。同時，隨著計算機技術的普及，國外統計軟件的引進，使得那些過去因數據量大、計算復雜的分析方法也得到廣泛的應用，大大地提高了土壤肥力評價的定量經水平和科學性[15]。本研究在參考現有土壤肥力評價因子選取的基礎上，采用土壤養分指標(土壤pH、有機質、速效氮、速效磷、速效鉀、全氮、全磷)等為評價因子，對不同旱作年限苜蓿地土壤肥力進行綜合評價。進行土壤肥力綜合評價時盡可能多的選擇和土壤肥力有關的單項指標。為了避免人為主觀影響，將相關分析法、灰色關聯法、變異系數法相結合,計算土壤肥力因子的權重；并按照最小因子率理論，采用隸屬函數法對實測數據進行標準化。

1.5土壤綜合肥力指數計算

從土壤—植物—環境整體角度看，土壤肥力是土壤的養分針對特定植物的供應能力，以及土壤養分供應植物時的環境條件的綜合體現，土壤養分、植物、環境條件共同構成土壤肥力的外延；土壤肥力高低不僅受土壤養分、植物的吸收能力和植物生長的環境條件各因子的獨立作用，更重要取決于各因子的諧調程度。土壤肥力單項指標(屬性值)是不可加和的，為了統一量綱，消除各指標間的量綱差別首先應對數據進行標準化。標準化的方法常見有標準差標準化、極差標準化、均值標準化、初值標準化等，但這些方法用在這里都存在可比性較差的缺點。因此，本文采用如下的方法：

當屬性值屬于差一級時，即ci≤xa時，pi=ci/xa，(pi≤1)；當屬性值屬于中等一級時，即xaxp時，pi=3，以上各式中pi稱為分肥力系數，ci為該屬性測定值，xi為分級指標，屬性值的分極標準(xa，xc，xp)主要參照第二次全國土壤普查標準(表1)。通過該計算方法標準化后得到的各單項土壤肥力系數可比性較高，且當某屬性測定值超過一定標準的肥力系數(xp)后分肥力系數值便不再提高，恒為3，它真實地模擬了植物生長過程中對某些屬性的要求并不是越高越好，而是存在一個飽和值的現象，科學掌握和控制這個飽和點，才能保障土壤肥力系數的合理性。

表1　土壤各屬性分級標準

參考全國第二次土壤普查的結果和土壤養分等級標準的基礎上[16]，根據普查土壤肥力因子分級標準，實測數據標準化結果如表2所示。

表2　土壤肥力因子標準化值

1.5.1土壤肥力因子權重的計算由于各項土壤肥力因子對土壤肥力的貢獻是不同的，故對各項指標應給以一定的權重，然而，如何確定單項肥力指標的權重系數，這是肥力綜合評價中的一個關鍵問題。在以往的研究中，普遍采用人為打分法、因子分析法、聚類分析法、TOPSIS分析法、灰色關聯度法、因子加權綜合法、變異系數法等確定權重系數。為了避免人為主觀影響，本研究分別采用相關分析法、灰色關聯法、變異系數法計算了土壤肥力因子的權重。

(1) 相關分析法：相關分析法是研究隨機變量之間相互關系規律性的一種統計方法。它的客觀基礎是，任何一種現象及其過程都必然會同其他現象與過程處在一種相互依存、相互制約的關系之中，因而人們可以根據與該現象、過程相互聯系的其他現象、過程的變動規律與趨勢，來預測該現象、過程的未來發展變化的規律與趨勢。通過相關分析法計算各單項肥力指標間的相關系數，再求各單項肥力指標與其它肥力指標間相關系數的平均值，以其平均值占所有肥力指標的相關系數平均值總和的比作為比單項肥力指標的權重系數。

(2) 灰色關聯法：灰色關聯度法是一種定性分析和定量分析相結合的綜合評價方法，可以較好地解決評價指標難以準確量化和統計的問題，排除人為因素帶來的影響，使評價結果更加客觀準確。其計算過程簡單，易于掌握；數據不必進行歸一化處理，可用于原始數據直接計算，可靠性強。

(3) 變異系數法：變異系數又稱“標準差率”，是衡量資料中各觀測值變異程度的一個統計量。當進行兩個或多個資料變異程度的比較時，如果單位和(或)平均數不同時，比較其變異程度就不能采用標準差，而需采用標準差與平均數的比值(相對值)來比較。計算出各指標的變異系數，以其變異系數占所有肥力指標變異系數和的比作為單項肥力指標的權重系數。

1.5.2改進的內梅羅綜合指數法計算土壤肥力指數通過有關資料的對比，分析了土壤肥力的各單項指標，但單項指標在評價土壤整體肥力狀況上還缺乏說服力。因此，本文還進行了改進的內梅羅綜合指數法進行了綜合評價。改進的內梅羅公式計算土壤綜合肥力系數，反映了植物生長最小因子律(限制因子)。該法能較全面又較簡單地定量化反映土壤肥力水平。修正的內梅羅(Nemoro)公式如下：

采用Pimin代替原內梅羅公式中的Pimax是為了突出土壤屬性中最差一項指標對肥力的影響，即突出限制性因子，增加修正項(n-1)/n是為了反映可信度，即參評土壤屬性項目(n)越多，可信度越高。根據公式可以計算土壤肥力系數，通常土壤肥力分為很肥沃(P≥2.12)、肥沃(1.426a>2a>8a>3a>20a>10a。

表3　土壤綜合肥力評比

2　結果與分析

2.1土壤綜合肥力評價體系的特征分析

土壤肥力評價就是對土壤肥力高低的評判和鑒定。土壤的肥力水平是諸多肥力因素綜合作用的反映。目前，土壤肥力評價時主要以養分指標為主，其次是土壤物理性狀指標，而土壤生物指標和環境條件因子相對較少。因此，以最能直觀表達土壤肥力高低的土壤養分指標(土壤pH、有機質、速效氮、速效磷、速效鉀、全氮、全磷等)為評價因子。由于土壤綜合肥力指標包括多個土壤養分指標，對這些指標進行單獨分析，難以客觀評價土壤整體肥力狀況，必須對肥力指標進行綜合定量評價，才能更直觀地評價旱作苜蓿地土壤肥力的高低。評價過程一般以人為劃分土壤肥力評價指標的數量級別以及各指標的權重系數，然后利用簡單的加、乘合成一項綜合性的指標評價土壤肥力的高低。

由土壤肥力單因子指標的權重(表4)計算結果可以看出，不同的計算方法，計算出的土壤肥力因子結果不同。這主要是由于各種客觀評價方法原理迥異，導致權重計算結果的不同。土壤肥力評價指標選取應避免指標間多重共線性問題。如果選取的指標間存在多重共線性，既增加了不必要的計算量和分析量，又影響到土壤肥力評價結論的真實性。為避免指標間多重共線性問題，在進行土壤肥力評價時，應對選取的指標進獨立性分析，去除存在共線性的指標。因此，本研究為了排除了人為干擾，使評價結果更加可靠，采用上述三種方法計算肥力單因子權重值的算術平均值作為土壤肥力綜合指數計算的權重。由算數平均值得到的土壤肥力因子權重計算結果可以看出，對寧南半干旱黃土丘陵苜蓿地土壤綜合肥力指數貢獻較大的因子為土壤有機質、速效氮和速效磷。土壤有機質、速效氮、全量氮、土壤pH的因子得分值明顯大于速效鉀。這表明土壤有機質、速效氮、全量氮、土壤pH是該區旱作苜蓿地主要的肥力指標，其含量的高低直接影響苜蓿地土壤綜合肥力指數。

表4　不同方法土壤肥力因子權重

2.2苜蓿地土壤肥力的動態變化

不同旱作年限苜蓿地土壤綜合肥力指數計算結果表明(表5)，隨著苜蓿旱作年限的增加，土壤綜合肥力指數呈現7 a生>3 a生>19 a生的趨勢。在苜蓿生長初期，由于苜蓿根系較小，固氮作用較弱，土壤氮素水平較低；但隨著苜蓿旱作時間的增長，苜蓿固氮作用增強，苜蓿地土壤氮素含量增加，導致土壤綜合肥力指數逐漸增加，但肥力總體水平仍然較低，均在0.847以下。19 a生時，苜蓿老化嚴重，根系密度下降，苜蓿固氮作用減弱，苜蓿地土壤綜合肥力指數僅為0.539，苜蓿地土壤肥力比較貧瘠，已逐漸不能滿足苜蓿的正常生長。與坡耕地相比，苜蓿地土壤綜合肥力指數明顯偏低。不同旱作年限苜蓿地土壤綜合肥力指數的變化規律也證明，在寧南半干旱黃土丘陵區苜蓿粗放經營(只刈割，不培肥)，導致土壤綜合肥力指數日益下降。因此，在寧南半干旱黃土丘陵區，為了促進苜蓿地可持續利用，有必要在苜蓿老化時，對苜蓿地翻拆補種，同時加強苜蓿地有機肥、磷肥的施用量。

表5　不同旱作年限苜蓿地土壤綜合肥力指數

3　結 論

采用算術均數賦值法將相關分析法、灰色關聯法、變異系數法等3種方法相結合，計算土壤肥力因子的權重，實現了評價方法的優勢互補，使得到的評價結果更為合理、科學。研究結果顯示，在寧南半干旱黃土丘陵區土壤有機質、速效氮、全量氮、土壤pH的權重值相對較高，是該區旱作苜蓿地最為關鍵的肥力指標，其含量的高低直接影響苜蓿地土壤綜合肥力指數。

對寧南半干旱黃土丘陵苜蓿地土壤綜合肥力指數貢獻較大的因子為土壤速效磷、有機質和速效氮。因此，在苜蓿經營過程中，有必要進行土壤培肥，在苜蓿退化嚴重時，可以通過輪作培肥等措施提高土壤肥力。旱作苜蓿地土壤綜合肥力指數隨時間的生長時間的變化，呈現先增大、再減小的趨勢。旱作苜蓿只刈割，不培肥，使部分土壤養分隨著苜蓿刈割帶離生境，導致土壤綜合肥力指數日趨下降。

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Comprehensive Evaluation of Soil Fertility Quality of Alfalfa Field in the Dryland of Loess Hilly Region in Southern Ningxia

WEN Shuhong, PAN Zhanbing, XU Hao

(Institute of Desertification Control, Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Yinchuan 750002, China)

Soil integrated fertility index of fields with different years of alfalfa growth was calculated by the improved Nemero index. The results showed that soil integrated fertility index surface layer(0—20 cm) in the alfalfa field ranged from 0.623 to 0.794, the level of soil fertility belonged to the average or poor states, soil fertility index of surface layer(0—20 cm) of the field with different years of alfalfa growth decreased in the order:CK>6 a>2 a>8 a>3 a>20 a>10 a. The loess hilly areas of South Ningxia dryland alfalfa extensive management(only cutting, no fertilizer) led to decline of soil integrated fertility index. Therefore, in the alfalfa management process, it is necessary to improve soil fertility in alfalfa field, and when degeneration of the alfalfa is serious, soil fertility should be improved by rotation and fertilization measures.

alfalfa field; soil fertility quality; factor weight; comprehensive evaluation

2014-09-04

2014-09-26

寧夏回族自治區自然科學資助項目“寧南山區土壤養分對不同生態恢復模式的響應”(NZ12246)

溫淑紅(1971—),女,寧夏銀川人,助理研究員,在職碩士研究生,主要從事植物保護，退化生態恢復與重建等研究工作。E-mail:wshh.951@163.com

潘占兵(1975—)，男，寧夏惠農人，副研究員，在職碩士研究生，主要從事荒漠化防治與生態環境建設方面等研究。E-mail:pan7536@163.com

S541

A

1005-3409(2015)04-0056-05