設施蔬菜土壤養分狀況分析及綜合評價

王秋君 馬艷 郭德杰 王光飛 吳云成

摘要：綜合運用主成分分析和模糊數學相結合的方法，分析了蘇北地區設施蔬菜主產區土壤養分狀況，對其土壤肥力進行綜合評價。結果表明，蘇北地區平均土壤有機質含量為2.6%，屬中等水平，但鹽城市土壤有機質含量不足。蘇北地區的土壤pH平均值為7.2，但有34.2%土壤呈堿性，2.5%土壤呈酸性，淮安市的土壤堿化現象較為嚴重。土壤硝態氮、有效磷和速效鉀平均含量分別為152.5 mg/kg、152.5 mg/kg、386.2 mg/kg，均存在過量積累現象，但不同城市土壤中3種養分積累程度不同。利用因子分析法確定各土壤指標權重，結合隸屬度計算出土壤綜合肥力指數，發現蘇北地區的土壤綜合肥力平均指數為0.5，處于中等水平，有25.2%的土壤綜合肥力<0.4，即土壤肥力差。土壤速效鉀為蘇北地區土壤肥力的主要限制因子。

關鍵詞：設施蔬菜;模糊數學;土壤養分;土壤肥力綜合評價

中圖分類號：S158

文獻標識碼：A

文章編號： 1000-4440（2019）03-0624-07

土壤養分是土壤肥力的主要部分，由于土壤的不均一性，土壤中養分的空間分布也具有非均一性[1]。近年來，對土壤各養分指標的綜合定量研究已成為研究土壤肥力的主要方法。學者們將模糊數學和多元統計等方法應用到土壤肥力評價中，可得出反映土壤肥力的綜合性指標[2-3]。正確地選擇土壤肥力評價指標，是科學揭示土壤肥力的前提，直接影響到土壤肥力評價的準確程度，評價指標需對土壤肥力影響大且穩定性高[4]。據此，很多研究者將土壤pH、有機質、硝態氮、有效磷、速效鉀作為土壤肥力評價指標來反映土壤綜合肥力[5-8]。

截止2015年，江蘇省設施蔬菜總面積為7.57x10s hm，占耕地面積比重達16.5%，占比居全國首位。設施蔬菜品種主要有番茄、辣椒、黃瓜、茄子、甘藍、白菜等。江蘇省設施蔬菜主要集中在蘇北地區（徐州、鹽城、淮安、連云港和宿遷），其設施蔬菜總面積為4.89x 10 hm，占全省設施蔬菜面積的61.2%。蘇北地區的蔬菜自給率最高，鹽城超過90%，徐州、連云港和宿遷在80%以上，淮安在70%以上[9]。

近年來，隨著設施栽培的大力發展，蘇北地區設施蔬菜生產規模化和產業化經營模式日趨成熟。然而，蘇北地區設施蔬菜主產區的土壤肥力日益降低，該問題已成為制約該地區設施蔬菜生產可持續發展的瓶頸。大量研究結果表明，除了長期連作外，不合理施肥也是造成土壤發生障礙的主要原因[10-11]。為此，本研究基于模糊數學方法對蘇北地區設施蔬菜主產區的土壤肥力進行綜合評價，以提出適合的肥料施用技術和針對性的土壤肥力培育策略，對推動蘇北地區設施蔬菜優質高效生產具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 土壤樣品的采集

2016年11月在江蘇省淮安市、徐州市、連云港市和鹽城市設施蔬菜主產區，采集耕作層（0- 20cm）土壤樣品158個。土樣在實驗室進行編號后自然風干，棄除作物殘體和雜物，磨細，過篩后進行測定分析。

1.2 土壤性狀分析

在實驗室測定土壤pH、有機質、硝態氮、有效磷和速效鉀含量。取過1 mm篩的風干土樣10g，加超純水25 ml，振蕩5 min，靜置30 min后測定pH。風干土樣過1 mm篩后采用KCl浸提一酚二磺酸比色法測定硝態氮。風干土樣過1 mm篩后采用NaHC03浸提一鉬藍比色法測定有效磷。風干土樣過1 mm篩后采用醋酸銨浸提一火焰光度法測定速效鉀。風干土樣過0.149 mm篩后采用重鉻酸鉀容量法一稀釋熱法測定總有機質。

1.3 土壤養分指標權重和隸屬度的確定

本研究利用主成分分析法確定各因子權重（表1）。根據土壤肥力指標與作物生長效應曲線將參評隸屬度函數分為2種類型，即S型和拋物線型[12—13]。

S型隸屬度函數：屬于這類函數的土壤肥力指標有土壤有機質。相應的隸屬度函數表達式為：

1.4 土壤肥力綜合評價方法

首先根據文獻報道和實踐經驗建立各肥力指標的隸屬函數，計算不同土樣各指標的隸屬度值，然后采用主成分分析法確定各指標的權重系數，最終計算出各樣品土壤綜合肥力指數（ IFI）。計算公式為：

1.5 數據分析

數據采用Microsoft Excel處理。采用SPSS sta-tistical 22進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 土壤肥力描述性統計分析

2.1.1 土壤有機質從表2可以看出，蘇北地區的土壤有機質平均含量為2.5%，淮安、徐州、連云港、鹽城的土壤有機質平均含量分別為2.9%、2.9%、2.4%、1.9%，其變異系數（cv）范圍為19.5%-33.1%。變異系數表示土壤肥力指標變異性的大小，CV<0.1時為弱變異性，0.1

2.1.2 土壤pH從表3可以看出，蘇北地區的土壤pH平均值為7.2，淮安、徐州、連云港、鹽城的土壤pH平均值分別為7.6、7.2、7.3、6.8，其變異系數范圍為6.1% - 15.6%。根據文獻[15]對土壤pH值進行分級，結果發現，蘇北地區僅45.6%的土壤為中性，34.2%土壤呈堿性，2.5%土壤呈酸性。淮安、徐州、連云港、鹽城的土壤呈中性的占比分別為3.2%、69.6%、52. 6%、46.5%，土壤呈酸性的占比分別為25. 9%、4.3%、18.5%、34.9%，土壤呈堿性的占比分別為70.9%、26.1%、28.9%、18.6%。

2.1.3 土壤硝態氮從表4中可以看出，蘇北地區的土壤硝態氮平均含量為152.5 mg/kg，淮安、徐州、連云港、鹽城的土壤硝態氮平均含量分別為175.8 mg/kg、199.2 mg/kg、166.7 mg/kg、74.8mg/kg，其變異系數范圍為77.0% - 110. 6%，其中連云港的變異系數最高。根據文獻[15]對土壤硝態氮含量進行分級，結果發現，蘇北地區僅27. 80-/0的土壤硝態氮含量在正常范圍（ 50.1 - 100.0 mg/kg）內，53. 8%的土壤硝態氮含量高于臨界值。淮安、徐州、連云港、鹽城的土壤硝態氮含量高于正常臨界值的占比分別為64. 4%、65.1%、52.0%、18.5%。

2.1.4 土壤有效磷從表5可以看出，蘇北地區的土壤有效磷平均含量為152.6 mg/kg，淮安、徐州、連云港、鹽城的土壤有效磷平均含量分別為93.3 mg/kg、191.2 mg/kg、194.4 mg/kg、117.1 mg/kg，其變異系數范圍為39. 7% - 44. 9%。根據文獻[15]對土壤有效磷含量進行分級，結果發現，蘇北地區僅22. 8%的土壤有效磷含量在正常范圍（50.1- 100.0 mg/kg）內，70.8%的土壤有效磷含量高于臨界值。淮安、徐州、連云港、鹽城的土壤有效磷含量高于正常臨界值的占比分別為32. 2%、86. 9%、72. 8%、62. 7%。2.1.5土壤速效鉀從表6可以看出，蘇北地區的土壤速效鉀平均含量為386.1 mg/kg，淮安、徐州、連云港、鹽城的土壤速效鉀平均含量分別為138.4 mg/kg、490.7 mg/kg，608.4 mg/kg、256.4 mg/kg，其變異系數范圍為44.2% - 56. 4%。根據文獻[15]對土壤速效鉀含量進行分級，結果發現，蘇北地區僅7. 6%的土壤速效鉀含量在正常范圍（150.1- 200.0 mg/kg）內，68. 4%的土壤速效鉀含量高于臨界值。淮安、徐州、連云港、鹽城的土壤速效鉀含量高于正常臨界值的占比分別為16.1%、89.0%、79.1%、55.7%。

2.2 土壤肥力綜合評價

2.2.1 隸屬度 土壤肥力指標單位和量綱不同，為了使各評價指標的測定值能夠相互比較，本研究通過計算各指標的隸屬度來對各評價指標進行量綱統一化。蘇北地區設施蔬菜土壤各指標的狀態及土壤肥力的整體狀況用各指標的平均隸屬度值制成雷達圖來反映（圖1）。從圖1可看出，淮安地區土壤各指標中土壤pH平均隸屬度最小（0.3）（圖1A），徐州、連云港地區土壤各指標中土壤速效鉀平均隸屬度均為最小（0.3、0.2）（圖1B、圖IC），鹽城地區土壤有機質平均隸屬度最小（0.2）（圖ID）。總體來看，蘇北地區設施蔬菜土壤各指標中土壤速效鉀平均隸屬度最小（0.3）（圖IE）。

2.2.2 土壤綜合肥力指數本研究綜合考慮了土壤肥力各指標的權重系數和隸屬度，計算土壤綜合肥力指數（ IFI）。蘇北地區設施蔬菜主產區IFI及其分布頻率見表7。從表7中可看出，蘇北地區的平均IFI為0.5，淮安、徐州、連云港、鹽城的平均IFI分別為0.5、0.5、0.4、0.5。參考文獻[13]，將土壤綜合肥力指數按照標準把研究區土壤分為5個等級。即優（>0.80），良（0.61-0. 80），中等（0.41-0.60），差（0.21-0.40），很差（≤0.20）。IFI分級結果表明，蘇北地區25. 3%的IFI低于0.40。淮安、徐州、連云港、鹽城的IFI低于0.40的占比分別為22.6%、26.1%、39.5%、13.9%。

3 討論

3.1 土壤養分狀況分析

通過對蘇北設施蔬菜主產區土壤化學性狀進行測定分析，發現蘇北地區設施蔬菜土壤養分和肥力狀況仍存在較多問題。蘇北地區有23.5%的土壤有機質含量低于臨界值（2.0%），其中鹽城地區的土壤有機質平均含量最低，有53.5%的土壤有機質含量低于2.0%，這說明鹽城設施蔬菜主產區的大多數土壤有機質含量未達到設施蔬菜種植所需要求，需增施有機肥。蘇北地區設施蔬菜主產區的土壤存在堿化和酸化現象，有34. 2%的土壤pH值大于7.5，有20. 2%的土壤pH值小于6.5，這說明蘇北設施蔬菜主產區的土壤堿化重于酸化。本研究在調研過程中發現農戶施用有機肥用量較大，且大多為未腐熟的農家糞，這可能是造成土壤發生堿化的原因。有研究者認為，施用有機肥可提高土壤pH[16]，而長期大量施用有機肥，尤其是施用未腐熟的農家肥，則導致土壤發生堿化，其原因可能是有機肥中官能團加強了對H+和Al3+的吸附作用，從而提高土壤pH值。

有研究者認為，設施蔬菜土壤中硝態氮和有效磷含量高于100 mg/kg，且速效鉀含量高于200mg/kg時才能滿足設施蔬菜高產需要[15]。本研究結果表明，蘇北地區53.8%土壤硝態氮含量和70.8%的土壤有效磷含量高于100 mg/kg，且68.4%的土壤速效鉀含量高于200 mg/kg，這可能是由于部分農戶過量施用氮、磷、鉀肥所致。本研究采集土樣過程中調研了農戶施肥狀況，發現很多農戶在施肥中并未針對土壤養分狀況和蔬菜養分需求規律進行施肥，存在盲目性，且為了保證設施蔬菜產量的穩定，過量施用化肥。土壤中硝態氮和有效磷積累不僅會形成土壤鹽漬化，影響蔬菜生長，同時也增加對水體環境污染的風險。由于不同地區土壤肥力差異及施肥習慣的不同，使得土壤有效養分在不同地區的積累程度不同。根據土壤養分等級分類標準，發現本研究區域內只有淮安地區的有效磷含量（ 93.3mg/kg）、速效鉀含量（138. 44 mg/kg）及鹽城地區的硝態氮含量（ 74.8 mg/kg）的平均值屬于正常范圍，而徐州地區和連云港地區的硝態氮、有效磷和速效鉀含量的平均值都高于臨界值，這說明徐州和連云港地區的土壤有效養分積累程度重于淮安和鹽城地區，徐州和連云港地區的設施蔬菜種類以日光溫室番茄為主，淮安地區的設施蔬菜種類以大棚辣椒為主，鹽城地區的設施蔬菜種類以大棚辣椒和番茄為主。大棚辣椒和日光溫室番茄的氮磷鉀養分需求量差異較大，據文獻報道，666 m辣椒整個生育期中所需氮磷鉀養分總量為15. 6-37.3 kg[17-18]，而日光溫室番茄666 m2的氮磷鉀養分需求量為30.7- 80.2kg[19-21]，這使得日光溫室番茄栽培中施肥量要大于大棚辣椒所施肥料量，且由于徐州和連云港地區的日光溫室番茄多為長季節栽培，揭棚期較短，更加劇了土壤養分的積累。

3.2 土壤綜合肥力評價

目前對土壤肥力的評價指標主要包括：作物產量或生長指標、單一土壤養分指標、土壤綜合肥力指標[22-24]。在區域尺度條件下采用作物產量評價土壤肥力難以操作，采用單一土壤養分指標難以反映出土壤的綜合肥力。對多種土壤肥力指標進行綜合評價時要處理大量的指標數據，需借助數學方法從多因素角度對土壤肥力進行綜合評價[25]。本研究基于模糊數學方法對蘇北地區設施蔬菜主產區的土壤肥力狀況進行了總體評價。參照文獻[11]，將土壤的綜合肥力指數按照標準把研究區土壤分為5個等級。即優（>0.80），良（0. 61-0.80），中等（0. 41-0. 60），差（0.21-0. 40），很差（≤0.20）。結果表明蘇北地區的土壤綜合肥力指數平均值為0.5，即土壤肥力屬于中等，然而有25. 2%的土壤綜合肥力指數低于0.4，即土壤綜合肥力差。各指標隸屬度結果可表明蘇北地區土壤肥力的主要限制因子為土壤速效鉀，即土壤速效鉀積累現象普遍。不同地區的土壤肥力限制因子并不相同，淮安土壤肥力限制因子為土壤pH（土壤堿化現象嚴重），徐州和連云港土壤肥力限制因子為速效鉀（速效鉀積累過多），鹽城土壤肥力限制因子為土壤有機質（有機質含量低）。據此，在淮安設施蔬菜主產區應減少農家肥的施用或者以適量的商品有機肥替代農家肥，在徐州和連云港應減少鉀肥施用，在鹽城應增施有機肥以提高土壤有機質含量。

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（責任編輯：陳海霞）