寧夏壓砂地棗園土壤肥力的層次-關聯度分析*

李 慧，魏天軍

（寧夏農林科學院種質資源研究所，銀川 750002）

壓砂地是我國西北地區農民在長期實踐中形成的一種獨有的耕作形式，是指在地表鋪蓋一層10～15 cm的沙礫或卵石加粗砂的田地，具有增溫、蓄水、保墑等作用，主要分布在寧夏中衛市南部干旱山區的香山、興仁、海原及中寧一帶[1-3]。壓砂地棗樹發展最早開始于2002年[4]，自2007年起，先后在原來種植西甜瓜的壓砂地基礎上發展了超過1.3萬hm2棗園，形成了一定的區域化發展規模，帶動了寧夏“壓砂棗”的品牌效應，成為當地農村經濟發展的特色產業，對于打贏脫貧攻堅戰具有重大的現實意義。

紅棗作為我國特色果樹，以其酸甜適口的風味和豐富的營養價值，深受國民的喜愛。紅棗的品質和產量除受品種影響外，土壤肥力是關鍵性因素。土壤肥力是土壤為植物生長提供、協調營養條件和環境條件的能力，是土壤各種基本性質的綜合表現，也反映建植者對土壤的管理水平和利用強度[5-6]。土壤肥力評價方法側重于定性評價和單因素評價[7]，但是單項的土壤指標無法定量評價土壤肥力的狀況，近年來，國內學者大多采用層次分析法、模糊聚類分析法、主成分分析法、灰色關聯度分析法對土壤肥力進行評價[8-10]。雖然土壤肥力綜合評價研究較多，但是關于棗園土壤養分綜合評價的研究較少，只有張亞鴿等[11]利用主成分分析對新疆阿克蘇地區棗園土壤肥力進行了綜合評價。課題組從2008年開始，對壓砂地棗園土壤養分和水分[12-13]進行系列研究，為后續研究奠定了基礎。本研究在灰色關聯度分析法的基礎上，引入層次分析法賦予土壤指標科學的權重值，2種方法的結合能夠對土壤肥力作出客觀、可靠的綜合評價，通過對9個壓砂地棗園的土壤肥力進行比較和評價，旨在摸清壓砂地棗園土壤肥力狀況，以期為壓砂地棗園土壤管理和可持續經營提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于寧夏中部干旱帶地區，日照時間長，熱能資源充沛，晝夜溫差大；海拔1 300～1 700 m，年平均氣溫7.0～8.5 ℃，≥10 ℃年活動積溫2 500～3 200 ℃，平均年日照時數2 800～3 000 h，平均年降水量200 mm左右，平均年蒸發量2 300 mm以上，無霜期140～150 d[14]。該區植被覆蓋率低，草少林稀，生態環境十分脆弱。

1.2 樣品采集

在寧夏中衛市興仁鎮、宣和鎮（中衛寶塔農林牧科技生態有限公司4個分公司、寺口路西）、中寧縣（天景山、滾泉坡）的9個盛果期具代表性的壓砂地棗園采集土壤樣品。在2016年棗果采收后基肥施入前進行采集，樹齡為8～10年。采用十字交叉法，用土鉆按0～20、20～40 cm分層采集土壤樣品，每個棗園選取行間6個點，面積達667 hm2，相同土層混合均勻，共計18份土樣，做好標記，帶回實驗室，詳見表1。

表1 采樣地基本信息

1.3 樣品分析測定

土壤測定項目包括土壤的pH值，全鹽、有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、有效鋅、有效錳、有效銅、有效鐵含量。土樣由寧夏農產品質量標準與檢測技術研究所（銀川）測定，測定方法分別參照標準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灰色關聯度分析

根據灰色系統理論[15]，將9個壓砂地棗園土壤的13項指標作為一個灰色系統，以各土壤指標最優值構成參考數列：X0(j)=｛X0(1)，X0(2)，…，X0(n)｝，以不同層次土壤各指標的測定值構成比較數列：Xi(j)=｛Xi(1)，Xi(2)，…，Xi(n)｝，其中，j=1，2，…，n，n為測定土壤指標數（n=13）；i=1，2，…，m，m為測定不同棗園數量（m=9）。然后對原始數據進行無量綱化處理，將其化為0～1間的標準化數據，根據公式（1）求出關聯系數，根據公式（2）求出加權關聯度。

其中：︱X0(j)-Xi(j)︱為X0數列與Xi在j點的絕對差值，iminjmin︱X0(j)-Xi(j)︱為二級最小差，imaxjmax︱X0(j)-Xi(j)︱為二級最大差，ρ 為分辨系數，一般取ρ=0.5。rj為第i個壓砂地棗園土壤肥力的加權關聯度，Wj為第j個指標的權重值，n為指標數。

1.4.2構造層次結構模型

采用層次分析法確定土壤肥力各指標的權重。采用已改進的標度[16]，元素之間重要性“相等、較強、強、很強、絕對強”評分分別為5/5、6/4、7/3、8/2、9/1。綜合各指標間的相互重要性，建立兩兩比較矩陣，計算最大特征值λmax和特征向量，根據規范列平均法求得下層第n個因素對上層因素影響程度值權重wj。

檢驗判斷矩陣一致性指標（CI），計算公式如下：

查找相應的一致性指標（RI），計算一致性比例（CR），計算公式如下：

（3）式中n即為矩陣階數。（4）式當CR≤0.1時，比較矩陣的一致性是可以接受的；當CR＞0.1時，比較矩陣應做適當修正。

2 結果與分析

2.1 壓砂地棗園土壤肥力狀況分析

由表2可知，寧夏壓砂地棗園土層深度0～20、20～40 cm土壤pH值分別為8.10～8.57、8.20～8.65，土壤整體偏堿性；全鹽含量分別為0.33～1.34、0.38～1.20 g/kg，屬于輕度鹽漬化土壤[17]；有機質含量分別為1.85～8.25、1.49～7.36 g/kg；全氮含量分別為0.18～0.66、0.13～0.53 g/kg；全磷含量分別為0.27～0.68、0.27～0.66 g/kg；全鉀含量分別為15.00～20.80、14.60～20.00 g/kg；速效氮含量分別為11.0～64.0、9.0～51.0 mg/kg；速效磷含量分別為1.38～4.10、1.26～4.20 mg/kg；速效鉀含量分別為36～145、33～92 mg/kg。根據中國第2次土壤普查制定的養分分級標準[18]，寧夏壓砂地棗園土層深度0～20、20～40 cm土壤整體上有機質屬于極缺和缺乏級別，全氮屬于極缺乏和缺乏級別，全磷屬于缺乏、中等級別（除興仁鎮），全鉀屬于豐富級別，速效氮屬于極缺和缺乏級別，速效磷屬于極缺和缺乏級別，速效鉀屬于缺乏、中等級別（除興仁鎮）。0～20、20～40 cm土壤有效鋅含量分別為0.24～0.54、0.16～0.31 mg/kg，有效錳含量分別為3.00～6.60、2.10～9.70 mg/kg，有效銅含量分別為0.78～1.67、0.69～1.38 mg/kg，有效鐵含量分別為5.01～8.90、5.55～9.90 mg/kg。根據我國土壤微量元素分級標準[19]，有效鋅屬于極缺乏、缺乏級別（除宣和鎮寺口路），有效錳屬于缺乏和中等級別，有效銅屬于中等和豐富級別，有效鐵屬于中等級別。分析可知，寧夏壓砂地棗園土壤肥力狀況較差，目前棗園管理首要任務是根據土壤養分豐缺情況，進行平衡施肥。

表2 寧夏壓砂地棗園土壤質量評價指標分析

2.2 壓砂地棗園肥力灰色關聯度分析指標體系

根據灰色系統理論要求，將9個棗園土壤13個指標視為一個整體，在土壤pH值、全鹽、有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、有效鋅、有效錳、有效銅、有效鐵13項指標中，根據棗樹對土壤養分需求特點，選擇13項指標的理想值為最優指標集。0～20 cm土層最優指標集為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土層最優指標集為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｝。對不同棗園不同深度土壤指標做無量綱化處理，結果見表3。

2.3 求關聯系數

根據參考數列，參試土壤各指標值構成比較數列。計算二級最小差iminjmin︱X0(j)-Xi(j)︱，二級最大差imaxjmax︱X0(j)-Xi(j)︱，并根據公式（1）分別計算關聯系數（表4）。

2.4 確定土壤肥力評價指標權重

在所選擇的土壤肥力指標中，不同的指標對土壤肥力綜合評價結果的影響程度不盡相同，這需要對每個指標賦予不同權重。本研究采用層次分析法來確定各個土壤肥力的權重。首先要構造層次結構模型，根據劃分評價因子的層次類別關系，分為3層（表5）：第1層為目標層（A），為土壤肥力綜合評價；第2層為準則層（B），記為B=｛B1，B2，B3，B4｝；第3層為指標層（C），為影響土壤肥力指標，記為C=｛C1，C2，C3，C4，…，C13｝。

采用改進層次分析法新標度[17]，根據評價指標的性質及其對土壤肥力影響的特點，最終得到比較矩陣（表6）。通過公式（3）得出判斷矩陣一致性指標CI，然后查找相應的一致性指標RI，通過公式（4）得出一致性比例CR，詳見表6。由表6可知，所有比較矩陣的CR＜0.1，滿足一致性要求，說明建立的判斷矩陣是合理的。

由表6可知，壓砂地棗園土壤速效養分和理化性質比較重要，權重值分別為0.479、0.313，微量養分的權重值最低。在全量養分的指標中，全氮、全磷、全鉀權重值分別為0.454、0.301、0.245，全氮權重值最大，全鉀權重值最小。在速效養分指標中，速效氮、速效磷、速效鉀權重值分別為0.455、0.282、0.263，速效氮權重值最大，速效鉀權重值最小。在微量養分的指標中，有效鋅、有效錳、有效銅、有效鐵權重值分別為0.189、0.144、0.271、0.395，有效鐵權重值最大，有效錳權重值最小。在理化性質指標中，pH值、全鹽、有機質權重值分別為0.167、0.130、0.702，有機質權重值最大，全鹽權重值最小。由表6各層指標的權重，可得出指標層（C）對目標層（A）土壤肥力綜合評價的權重值，詳見表7。由此可知，有機質是影響土壤肥力綜合評價的首要指標，其次為速效氮、速效磷、速效鉀，權重值分別為0.220、0.218、0.135、0.126。

表3 土壤肥力指標的無量綱化處理

表4 土壤肥力指標的關聯系數

表5 壓砂地棗園土壤肥力綜合品質評價因子的分層模型

表6 比較矩陣及一致性檢驗

2.5 綜合評估模型的構建

本研究將層次分析法和灰色關聯度分析法結合對土壤進行評價，首先依據層次分析法確定土壤肥力指標的權重（表7），其次根據公式（2）求得壓砂地棗園土壤肥力的加權關聯度（表8），并將其依據結果高低進行排序。加權關聯度能比較客觀、真實地反映出被評價土壤指標與最優指標集之間的差異，按照關聯分析的原則，關聯值越大，表明該棗園與最優指標值相似程度越高，對應的棗園土壤質量越好，反之則越低。

從分析結果可知（表8），興仁鎮壓砂地棗園土壤的加權關聯度最大，為1.655，土壤肥力最佳；中衛市寶塔一公司棗園土壤加權關聯度最小，為0.852，土壤肥力最差。寶塔公司土壤加權關聯度平均為0.915 5，農戶經營壓砂地棗園土壤加權關聯度平均為1.300 6，因此農戶經營壓砂地棗園土壤養分狀況相對較好。

表7 土壤肥力評價指標的權重

表8 不同壓砂地棗園土壤加權關聯度

3 結論與討論

土壤是棗樹生長的重要基質，不僅為棗樹生長發育提供必要的養分，而且對果實品質有著一定影響。土壤肥力除了與自身成土母質有關，同時也受到土壤管理制度、施肥方式等外在因素的影響，因此土壤肥力在不同壓砂地棗園中表現出明顯差異。土壤肥力綜合評價是由多個指標變量作用的結果，對土壤進行科學的評價，是提高土壤資源有效利用的基礎和前提。本研究采用層次分析法確定指標權重，可以將人的主觀判斷為主的定性分析進行定量化，使各種判斷要素之間的差異數值化，結合了定性、定量信息，是目前應用比較廣泛的權重確定方法[16,20]。灰色關聯度通過系統態勢的量化比較分析，以矩陣的形式將所有性狀兩兩間的關聯度直觀呈現出來[21]，具備可靠的統計學基礎；近年來，灰色系統理論被廣泛用到土壤評價的領域，對土壤肥力進行綜合評價[6,9,22]。因此，在層次分析法的基礎上，運用灰色關聯度分析法進行綜合評價，結果更加可靠、科學。通過分析9個壓砂地棗園土壤肥力狀況，發現興仁鎮棗園土壤肥力最佳，其次是中寧縣天景山和滾泉坡地區棗園，土壤肥力最差的地區是中衛市寶塔農林牧科技生態有限公司基地。

正確進行土壤肥力評價的基礎是確定評價指標，影響土壤肥力的指標有多種，本研究選取土壤全量養分、速效養分、微量養分、理化性質中的13項指標。全量養分一般與土壤肥力沒有必然的相關性，但與速效養分之間存在一定的動態平衡關系，對土壤速效養分的供應潛力有一定影響，因此選為土壤肥力評價指標。在土壤肥力灰色關聯度評價中，選取的指標一般都是有機質、全量養分、速效養分[6,23-24]，但是對于植物生長而言，微量元素是必不可少的，而且de Lima等[25]在評價土壤質量狀況時表明，土壤微量元素是重要指標之一。因此本研究將微量元素納入土壤肥力評價指標。通過對13項土壤肥力指標進行層次-關聯度分析，對微量養分指標進行賦值，發現微量養分權重值為0.082，對土壤肥力評價有一定作用。結合層次指標權重值對供試9個壓砂地棗園土壤肥力排序，篩選出肥力好的棗園，分析其田間管理經驗，為寧夏中部干旱帶壓砂地棗園提供技術樣板。

綜上而言，利用層次分析法和灰色關聯度相結合的方法對土壤肥力評價，能夠對土壤肥力各指標做出全方位的科學評估，篩選出土壤管理好的棗園，豐富了壓砂地棗園土壤肥力評價方法，促進了棗產業的健康有序發展。