基于隸屬函數(shù)值法的邊坡土壤肥力綜合評(píng)價(jià)
——以深圳市為例

杜林峰，劉永金，許建新，沈 彥，葉小萍，吳彩瓊

(1.深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳 518040；2.深圳市梧桐山風(fēng)景區(qū)管理處，廣東 深圳 518004)

近年來(lái)，隨著生態(tài)政策的進(jìn)一步完善、國(guó)民生態(tài)意識(shí)的逐步提高，開(kāi)山采石、挖山填海、劈山開(kāi)路、河道裁彎取直、房地產(chǎn)建設(shè)等造成的大面積裸露山體邊坡逐漸被重視和治理。一般邊坡都存在無(wú)土少土、缺水、少肥，水熱安全性差，生態(tài)限制因子多，生態(tài)恢復(fù)治理困難等情況。在困難立地條件下，如何使植物能夠正常生長(zhǎng)，并與周圍環(huán)境互相促進(jìn)，逐步形成植物微生物能夠正常生長(zhǎng)演替的可持續(xù)自然生態(tài)環(huán)境，這就需要研究邊坡土壤的特性，并對(duì)邊坡的土壤肥力資源進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，挖掘其潛力，防止其退化。

隨著深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模興建，開(kāi)山采石和取土形成了眾多的裸露山體缺口，為此深圳市在全國(guó)率先開(kāi)展了有組織的大規(guī)模裸露山體缺口生態(tài)治理工作。經(jīng)過(guò)10多年的努力，深圳市在巖質(zhì)邊坡治理技術(shù)方面取得了較大突破，在治理工作中取得了多項(xiàng)可喜成果。但是，經(jīng)過(guò)治理的邊坡其土壤肥力狀況如何，對(duì)邊坡植被的影響如何，還需要進(jìn)一步跟蹤研究。本研究對(duì)深圳市14個(gè)裸露邊坡治理工程的土壤肥力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，并對(duì)不同工程措施在實(shí)際中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

1 研究地概況

研究地深圳市位于廣東省南部，珠江三角洲南端，地理坐標(biāo)為22°27′—22°39′N、113°52′—114°21′E。本次研究根據(jù)不同的治理措施選擇了位于深圳市南山、羅湖、寶安、龍崗、鹽田等五區(qū)的14個(gè)邊坡治理工程，各邊坡所在地點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 各邊坡地點(diǎn)分布

2 研究方法

在每塊邊坡上采用蛇形取樣法取樣，每點(diǎn)取0—20 cm土層(理論值，有些點(diǎn)位實(shí)際土層未達(dá)到20 cm)，各點(diǎn)土樣充分混合，采用四分法棄土，直至保留1 kg左右土樣。對(duì)風(fēng)干過(guò)篩的土樣按照規(guī)定方法測(cè)定其pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀含量。土壤pH值的測(cè)定采用玻璃電極法[1]，有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法，全氮含量的測(cè)定采用凱氏-蒸餾滴定法，土壤速效磷含量的測(cè)定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，土壤速效鉀含量的測(cè)定采用乙酸銨浸提-火焰原子吸收分光光度法[2]。

使用模糊數(shù)學(xué)的隸屬函數(shù)值法對(duì)邊坡土壤的肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

土壤肥力是土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的綜合反映，包括土壤的營(yíng)養(yǎng)因素、環(huán)境因素等多方面因素，各種因素同時(shí)存在、相互聯(lián)系、相互制約。單獨(dú)評(píng)價(jià)某一因素的優(yōu)劣對(duì)于土壤肥力來(lái)說(shuō)都存在片面性。事實(shí)上，各土壤因素在對(duì)肥力的影響作用上存在漸變性，而不是非此即彼的絕對(duì)性。因此，采用模糊數(shù)學(xué)的隸屬函數(shù)值法，能夠更科學(xué)地評(píng)價(jià)土壤肥力狀況[3]。

3.1 隸屬函數(shù)值的確定

3.1.1 拋物線型隸屬度函數(shù)

土壤pH值在一定的范圍內(nèi)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起促進(jìn)作用，當(dāng)超過(guò)此范圍時(shí)，隨著偏離程度的增大，其對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響朝不利的方向發(fā)展，直到完全不能適應(yīng)植物生長(zhǎng)。這種趨勢(shì)適用拋物線型隸屬度函數(shù)[3-4]，其表達(dá)式為

其臨界值轉(zhuǎn)折點(diǎn)的選擇根據(jù)邊坡的地理位置及土壤貧瘠特性確定如表1[3]。

表1 拋物線型隸屬度函數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值

3.1.2 S型隸屬度函數(shù)

土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀等在一定的含量范圍內(nèi)與植物的生長(zhǎng)狀況呈正相關(guān)，而低于或高于此范圍的含量變化對(duì)植物產(chǎn)生的影響較小。此種特性適用S型隸屬度函數(shù)，表達(dá)式為

結(jié)合所在地的實(shí)際情況，可以確定臨界值轉(zhuǎn)折點(diǎn)的數(shù)值大小，見(jiàn)表2[3]。

表2 S型隸屬度函數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值

3.1.3 各土壤指標(biāo)的隸屬函數(shù)值

據(jù)隸屬度函數(shù)可算出各肥力指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，見(jiàn)表3。各指標(biāo)隸屬函數(shù)值大小介于0.1～1.0之間，最大值為1.0表示土壤肥力指標(biāo)完全適宜植物生長(zhǎng)，最小值0.1則表示土壤肥力指標(biāo)嚴(yán)重缺乏[5]。

3.2 權(quán)重系數(shù)的確定

由于各單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)不同，因此對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)給以一定的權(quán)重。確定各個(gè)評(píng)價(jià)因素的權(quán)重系數(shù)是科學(xué)合理地作出評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。權(quán)重系數(shù)根據(jù)確定方式分為主觀權(quán)重系數(shù)和客觀權(quán)重系數(shù)?？陀^權(quán)重系數(shù)是指經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)際發(fā)生的資料進(jìn)行整理、計(jì)算和分析，從而得出的權(quán)重系數(shù)。本研究采用的即是客觀權(quán)重系數(shù)。

表3 各土壤指標(biāo)的隸屬函數(shù)值

本研究首先采用相關(guān)系數(shù)法計(jì)算各單項(xiàng)肥力指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)，建立各肥力指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣R，即

然后由相關(guān)系數(shù)矩陣求出其逆矩陣R-1，即

再由逆矩陣中的相關(guān)元素值計(jì)算偏相關(guān)系數(shù)rij，即

計(jì)算各因子與其他因子偏相關(guān)系數(shù)的平均值，該平均值占所有肥力指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值之和的百分率即為該單項(xiàng)肥力指標(biāo)在表征土壤肥力中的貢獻(xiàn)率，由此得出各肥力指標(biāo)的權(quán)重[6]，見(jiàn)表4。

表4 各肥力指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)

3.3 土壤肥力綜合指數(shù)的計(jì)算

運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)模型，以模糊數(shù)學(xué)中的加乘原則為原理，利用各項(xiàng)肥力指標(biāo)的權(quán)重值和隸屬度，計(jì)算土壤肥力綜合指數(shù)(IFI)，計(jì)算公式為

IFI=Σ(Fi×Ci) (i=1,2,3,…,n)

式中：IFI為土壤肥力綜合指數(shù)；Fi為第i個(gè)因素的隸屬度；Ci為第i個(gè)因素的權(quán)重[7]。經(jīng)計(jì)算得到各邊坡的土壤肥力綜合指數(shù)，見(jiàn)表5。

表5 各邊坡的基本情況及土壤肥力綜合指數(shù)

由于各邊坡的復(fù)綠年限不同，在同種工程措施下的邊坡土壤肥力沒(méi)有表現(xiàn)出一致性。采用五級(jí)分類法對(duì)土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行分類，即：Ⅰ級(jí)IFI≥80，為土壤肥力質(zhì)量好；Ⅱ級(jí)60≤IFI<80，為較好；Ⅲ級(jí)40≤IFI<60，為中等；Ⅳ級(jí)20≤IFI<40，為較差；Ⅴ級(jí)IFI<20，為差[8]。在此次調(diào)查的14處邊坡中，有6處邊坡的土壤肥力處于Ⅱ級(jí)以上，除B的復(fù)綠年限為2年外，其余5處的復(fù)綠年限都在8年以上；中等以上(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ級(jí))的邊坡有9處，占此次調(diào)查總數(shù)的64%；肥力較差(Ⅳ級(jí))的5處邊坡中有4處的復(fù)綠年限都在2～3年。

4 結(jié)論與討論

(1)根據(jù)邊坡植被的生長(zhǎng)規(guī)律，在邊坡治理初期，由于有基質(zhì)、肥料等的加入，短期內(nèi)土壤肥力較好；隨著植被生長(zhǎng)對(duì)土壤養(yǎng)分的消耗以及地表徑流的影響，在地表植被與土壤建立良好的循環(huán)機(jī)制之前，土壤肥力會(huì)逐步下降，人工植被出現(xiàn)衰退；此后本地植物因?qū)ψ匀粭l件具有高度的生態(tài)適應(yīng)性而逐步侵入，邊坡土壤在有豐富植被存在的條件下，會(huì)同時(shí)引入土壤動(dòng)物和土壤微生物，經(jīng)過(guò)光合作用以及微生物的分解、合成作用進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，使邊坡土質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量逐漸豐富，從而推動(dòng)土壤肥力的發(fā)展。因此，邊坡土壤的肥力隨著治理年限的推移存在一個(gè)先下降后上升的趨勢(shì)。從本研究的分析結(jié)果也可以看出，復(fù)綠年限長(zhǎng)的邊坡土壤肥力狀況較好，復(fù)綠2～3年的邊坡土壤肥力處在較低值上。要使土壤肥力達(dá)到較好的狀態(tài)，需要相對(duì)長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間。

(2)土壤是植物生長(zhǎng)的主要環(huán)境因子之一，植被的建立過(guò)程也是植物與土壤相互影響和相互作用的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中作為土壤本質(zhì)特征的土壤肥力處于不斷發(fā)展變化中[9]。本次調(diào)查的14處邊坡的治理方式比較單一，雖然在工程實(shí)施過(guò)程中會(huì)使用客土、基質(zhì)、肥料等來(lái)改良土壤，但2～3年后土壤肥力仍下降到較低水平。若能夠因地制宜，將飄臺(tái)、植生盆、植生袋等工藝措施聯(lián)合使用、綜合治理，會(huì)大大提高邊坡的種植面積，增加植物的多樣性，提高植被覆蓋度，延緩治理初期土壤肥力的下降趨勢(shì)，給正在生長(zhǎng)的人工植被和本地入侵植物提供更長(zhǎng)的演替時(shí)間，最后使人工植被和入侵植物的競(jìng)爭(zhēng)逐漸達(dá)到平衡，形成結(jié)構(gòu)合理、功能健全、種群穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步促進(jìn)土壤肥力提高。

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