模糊綜合評價法判斷重慶花椒種植區土壤肥力水平*

趙敬坤，陳松柏，李忠意，王洋，張濤，王帥

(1. 重慶市農業技術推廣總站，重慶市，401121； 2. 西南大學資源環境學院，重慶市，400715；3. 重慶市江津區農業技術推廣中心，重慶市，402260； 4. 重慶市農業科學院，重慶市，401329)

0 引言

花椒(Zanthoxylumbungeanum)是蕓香科花椒屬落葉小喬木或灌木，是我國特有的食用香辛料樹種，具有獨特的食用和藥用價值，在我國已有兩千多年的栽培歷史。花椒樹耐旱、喜光、根淺，適應性強，是我國極力推廣的一種生態經濟型樹種，在促進山區經濟發展和產業扶貧中具有重要作用。花椒廣泛種植于四川、重慶、甘肅、陜西等省市，其中以四川、重慶的花椒最為著名[1-2]。據林業統計資料，2015年全國干花椒總產量398 kt，重慶干花椒產量47 kt，占全國干花椒總產量的11.8%，是全國第四大花椒生產區[3]。

近年來，隨著花椒產業不斷發展，花椒種植區土壤的肥力水平狀況得到越來越多的關注[4-6]。王璐等[7]采用主成分分析法對貴州喀斯特石漠化地區的頂壇花椒土壤養分質量進行評價。喻陽華等[8]還對貴州喀斯特山區花椒林石槽、土面、石溝、石縫和石坑5種小環境的土壤質量特征進行評價，得到肥力水平較高的土面、石槽和石縫土壤可加以改造利用，肥力水平較低的石洞、石溝土壤應以自然恢復為主。謝毓芬等[9]對陜西花椒主產區椒園土壤養分狀況的調查研究發現花椒園土壤大部分存在低氮低磷高鉀現象。而陜西省渭北旱塬花椒園的土壤大多存在低有機質低氮高磷高鉀低的現象[10]。楊林生等[3]對重慶江津區的九葉青花椒施肥現狀進行了評價，發現施肥過量和不足問題同時存在。楊仕曦等[11]對重慶九龍坡區的土壤肥力進行了評價，認為該區域花椒種植區土壤養分失衡較為嚴重。可見，以往對于花椒種植區土壤肥力水平的研究存在尺度較小，評價指標單一的問題，尚缺乏對較大規模的花椒種植區施肥和土壤肥力的綜合評價研究。

本文以重慶花椒種植區土壤為研究對象，選取容重、pH值、有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳、有效硼、有效鉬、有效硫共13項評價指標，采用模糊綜合評價法對不同花椒種植區土壤質量進行比較，并對各評價指標進行空間變異特征分析，揭示土壤質量狀況和變化規律，旨在為該區土壤質量提升提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 土樣采集與分析

2019年在重慶的花椒主要種植區縣采集花椒地土壤樣品45個。采樣地分布在江津區、九龍坡區、銅梁區、永川區、綦江區、梁平區、墊江縣、石柱縣、豐都縣和忠縣共十個區縣。土壤類型除1個黃壤和2個石灰(巖)土外，其余均為紫色土。按梅花型布點法進行采樣，每個樣品的采集布置5～8個采樣點，每個采樣點選擇在花椒滴水線下內外30 cm處，采樣時先刮去 5 mm 左右厚度的表層土，以防止雜草對檢測結果干擾。用采樣鏟采集0～30 cm的表層土壤，然后把采到的土樣攤放在塑料布上，捏碎大塊，剔除石礫、動植物殘體等混雜物，充分拌勻后用“四分法”縮減至剩1 kg左右；最后將土壤樣品在室內風干，磨碎后過2.00 mm，1.00 mm和0.25 mm的尼龍篩備用。采用環刀法測定容重，采集方法為每個樣品選3個樣點，各取100 cm3的環刀樣品，該土壤的容重為3個環刀土樣容重的平均值。

土壤樣品的化學性質采用常規分析方法測定[12]。土壤pH值采用電位法測定(土水比1∶2.5)；有機質采樣重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用NaHCO3提取—鉬銻抗比色法測定；速效鉀的測定采用NH4Ac提取—火焰光度法；有效鐵、錳、銅、鋅的測定采用DTPA(二乙三胺五乙酸)提取—原子吸收分光光度法(Z-5000)；有效硼的測定采用沸水提取—姜黃素比色法；有效鉬的測定采用草酸/草酸銨浸提—等離子體發射光譜法(Optima 8000)；有效磷的測定采用純水提取—BaSO4比濁法。

1.2 模糊綜合評價方法

模糊綜合評價法是以模糊數學為基礎，利用隸屬度理論和權重矩陣對相互制約的多因素進行總體量化評價，本文利用該方法衡量重慶市花椒地各樣點多因子影響土壤肥力水平高低，能夠系統、科學地橫向量化比較。

1.2.1 構建綜合評價指標體系

模糊綜合評價法的基礎是建立評價指標體系，其選取是否合理直接影響綜合評價的準確性。根據花椒生長所需關鍵養分和參照趙蛟等[13]土壤質量評價方法，本文以45個土壤樣品為評價單元，選取容重、pH值、有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳、有效硼、有效鉬、有效硫建立因素評價集，共11個化學指標和2個物理指標。

1.2.2 計算各評價指標隸屬度值

建立因素評價集之后，需對每個評價因素選取隸屬函數，進而確定隸屬度值，主要目的是將各因素值標準化處理，使其無量綱化。本文中具體指各肥力因素與土壤質量之間的函數關系，隸屬度值越接近于1，表示某評價單元中該肥力指標值對構成土壤質量程度越高。

1.2.3 計算各評價指標權重系數

權重是因素評價集中各因素對土壤質量的貢獻程度。本文利用相關系數法確定權重值，首先計算某指標與其他指標之間的相關系數，并對相關系數絕對值求平均值，單項指標相關系數平均值占所有指標相關系數平均值總和的比例，即為單項指標在綜合指標中的權重，所有指標權重之和等于1。

1.2.4 計算綜合評價值

通過模糊數學中的加權乘法原理，計算綜合評價值。本文中土壤肥力綜合指數計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：FII——土壤肥力綜合指數；

wi——第i項指標的權重；

qi(x)——第i項指標隸屬度值；

n——指標數量。

1.3 數據處理

采用Excel 2019對數據進行整理和繪圖，采用SPSS 22.0對數據進行統計分析和相關性分析，利用ArcGIS中的Geostatistical Anaylst工具進行半變異差函數分析和模型擬合。

2 結果與分析

2.1 土壤養分含量描述性統計分析

各土壤養分指標測定結果的統計特征分析如表1所示。土壤容重和pH值的含量范圍分別為0.95～1.62 g/cm3和4.5～8.7，可見花椒地土壤緊實程度和土壤酸堿度的變化幅度較大。土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀的總體含量一般，但個別土壤的含量極低，另有部分土壤的有效磷含量極高，土壤有效磷最高值為162 mg/kg。供試花椒地土壤的有效微量元素含量分別為1.00±0.80 mg/kg(有效銅)、1.99±1.64 mg/kg(有效鋅)、50.4±50.4 mg/kg(有效鐵)、24.0±25.6 mg/kg(有效錳)、0.27±0.24 mg/kg(有效硼)、0.193±0.184 mg/kg(有效鉬)、40.9±27.5 mg/kg(有效硫)，所有的土壤有效微量元素含量的變異系數均較大，均在67%以上，說明重慶地區花椒種植地土壤的有效微量元素含量的空間分布很不均衡，不同地區或類型土壤的肥力水平差異較大。

表1 土壤肥力指標測定結果統計分析Tab. 1 Statistical analysis of soil fertility indicators

2.2 土壤養分指標空間變異特征分析

利用ArcGIS軟件，對重慶市花椒地采樣點進行土壤養分插值，并利用Geostatistical Anaylst工具對各養分指標進行半變異函數擬合，并通過均方誤差(MSE)和均方根誤差(RMSE)分析擬合模型的優度，MES越接近于0、RMSE越近于1，則擬合優度越高。由表2所得，容重、pH、有效鐵、有效硼均符合球狀模型，有機質、堿解氮、有效錳、有效鉬、有效硫均符合指數模型，有效磷、有效銅符合高斯模型，速效鉀、有效鋅符合線性模型。通過預測誤差發現，有效硼的MSE、RMSE其值分別為0.207、1.457，說明其擬合優度較低，其余理論模型均能較好地反映各養分指標的空間結構特征。容重、pH、有機質、堿解氮、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效錳、有效鉬的塊金值和基臺值比值C0/C均小于0.5，說明具有較高的空間相關性，其空間變異主要受結構性因素影響，而有效磷、有效鐵、有效硼、有效硫的C0/C分別為0.58、0.54、0.81、0.52，說明其空間相關性較弱，空間變異主要受隨機性因素影響。

表2 土壤養分指標半變異模型及其參數Tab. 2 Semi-variation model of soil nutrient index and its parameters

2.3 隸屬度值計算

不同肥力指標對作物生長的影響情況不同，根據肥力指標對作物生長的影響情況可分別采用拋物線型和S型函數計算各養分指標的隸屬度值[14]。由于土壤容重和pH值過高或過低均不利于作物生長，而其余肥力指標通常是含量越高越有益于作物生長。因此，本研究選用的13種肥力指標中，土壤容重和pH值采用拋物線型函數計算隸屬度值，拋物線型函數的計算公式為式(2)，式中土壤容重在拋物線函數中轉折點取值為：x1=1.0，x2=1.1，x3=1.4，x4=1.6；土壤pH值在拋物線函數中轉折點取值為：x1=4.5，x2=6.5，x3=7.5，x4=8.5[15]。

(2)

式中：Nik——第k項指標隸屬度值；

xjk——第k項指標實測值；

x1、x2、x3、x4——對應折線的轉折點取值。

有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅、有效硼、有效硫、有效鉬采用S型函數計算隸屬度值。S型函數的計算公式如式(3)所示。

(3)

各肥力指標在S型函數中轉折點的取值如表3所示[16]。根據建立的式(1)和式(2)隸屬度函數計算得到各土壤樣品中每種肥力指標的隸屬度值。

表3 S型隸屬度函數曲線轉折點的取值Tab. 3 Value of the turning points of curve in the S-type function

由于隸屬度值的計算是基于土壤肥力因子和作物產量和品質間的相互關系建立的，因此隸屬度值的意義在于可以反映出單個肥力因子的含量水平，從而進一步對土壤肥力進行總體評價。本研究中對45個樣品的單項肥力指標的隸屬度值求平均值，從而獲得的不同肥力指標的隸屬度值如圖1所示。

圖1 計算得到的不同肥力指標的隸屬度值Fig. 1 Calculated membership values ofdifferent fertility indicators

圖1中，重慶花椒種植地土壤的有效鋅和有效鐵的隸屬度值為0.89±0.26和0.91±0.24，隸屬度均值在各肥力指標中最高，所以花椒種植地土壤的有效鋅和有效鐵含量較為豐富。土壤有效硼的隸屬度值最低，為0.15±0.18，不足有效鋅和有效鐵隸屬度值的1/5，供試土樣中只有一個土樣的有效硼含量達到 1.0 mg/kg 的豐富水平，所以重慶花椒種植區土壤硼的有效性較低，這也許會對產區內的花椒產量產生負作用。除有效硼含量外，花椒種植區土壤有機質的隸屬度值也較低，為0.34±0.23，可能受重施化肥輕施有機肥的影響。調查表明重慶市花椒種植地氮磷鉀養分平均施用量分別為350.7 kg/hm2、220.3 kg/hm2和288.2 kg/hm2，而有機肥投入的氮磷鉀養分量分別僅占其總養分投入量的2.64%、1.75%和2.22%，有機肥的投入占比較低[3]。

2.4 單項指標權重系數確定

在確定好每種養分的隸屬度后，還需進一步確定每種養分對土壤整體肥力的貢獻程度，既每個養分指標的權重系數。本研究中采用相關系數法確定每個養分指標的權重系數，該方法可避免人為主觀因素對權重系數的影響。該方法確定權重系數大小的步驟為：首先采用SPSS軟件獲得不同肥力指標間的相關系數(表4)，然后計算得到某一肥力指標與其余肥力指標間相關系數絕對值之和的平均值，該平均值占所有肥力指標相關系數平均值總和的百分比即為該項肥力指標的權重系數(表5)。

表4中，土壤pH值與有效鐵和有效錳間呈極顯著的負相關性，這可能是由于土壤pH值越低，土壤中鐵錳氧化物的溶解度越高，土壤中鐵錳的有效性增加。土壤有機質與堿解氮間的相關性系數為0.705，呈極顯著的正相關性，這是由于土壤中的氮素絕大部分以有機態存在，所以土壤碳氮間的相關性極為密切。此外，受復合肥施用等因素的影響，土壤氮磷鉀三元素之間的相關性均達到了顯著性水平。進一步通過相關系數計算得到的土壤各肥力指標的權重系數如表5所示，pH值和堿解氮的相關系數絕對值的平均值最大，二者的權重系數也最大，分別為0.095 9和0.134 4。作為土壤物理指標的容重與其他化學指標間的相關性最差，其權重系數最低，為0.051 5。

表4 土壤肥力指標間的相關系數矩陣Tab. 4 Correlation coefficients among soil properties

表5 各土壤肥力指標的相關系數平均值和權重系數Tab. 5 Average value of the correlation coefficient and theweight coefficient of each soil property

2.5 土壤肥力等級綜合評價

確定每個土壤各肥力指標的隸屬度值和各肥力指標的權重系數后，采用累加法可獲得每個土樣的土壤肥力綜合指數，然后根據土壤肥力綜合指數對土壤肥力進行判斷。本研究中獲得的重慶花椒種植區土壤的綜合肥力指數如圖2所示。土壤肥力綜合指數的變化范圍為0.22～0.84，土壤肥力綜合指數越大，土壤肥力水平越高。按土壤肥力綜合指數大小可對土壤肥力狀況進行分級，分別為高(>0.8)、較高(0.6～0.8)、中(0.4～0.6)、較低(0.2～0.4)和低(<0.2)[16]。按此分級方法，供試的45個花椒種植地土樣僅1個土樣的肥力水平為高；肥力水平較高的有18個；肥力水平中等的占比51.1%，達23個；另有3個土樣的肥力水平為較低水平，占6.7%；無低肥力水平的土樣。因此，按照模糊綜合評價法，重慶花椒種植區土壤的肥力水平整體處于中等偏上水平。

圖2 各土壤樣品的肥力綜合指數Fig. 2 Comprehensive index of each soil based onfuzzy synthetic evaluation

2.6 土壤肥力綜合指數空間變異特征分析

由表6可以看出，重慶市花椒地土壤肥力綜合指數符合球狀模型，MSE和RMSE分別為-0.018、1.071，說明該理論模型能夠極好地反映重慶花椒地土壤肥力綜合指數空間結構特征。塊金值和基臺值的比值為0.157，由此發現整個區域肥力綜合指數在空間表現出較高空間相關性，其空間變異主要受結構性因素影響。

表6 土壤綜合肥力指數半變異模型及其參數Tab. 6 Semi-variation model of soil comprehensive fertility index and its parameters

3 結論

1) 對重慶市45個花椒種植區土壤進行采樣，通過測定分析得到不同區域土壤養分含量差異較大，其變異系數為14.8%～171.4%，尤其微量元素均在67%以上，說明受區域影響，花椒種植區肥力水平差異較大。

2) 通過空間變異特征分析，得到容重、pH、有機質、堿解氮、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效錳、有效鉬的塊金值和基臺值比值均小于0.5，說明具有較高的空間相關性，而有效磷、有效鐵、有效硼、有效硫的空間相關性較弱，主要受隨機性因素影響。

3) 通過隸屬度和權重計算分析，得到有效鋅和有效鐵的隸屬度較高，其值分別為0.89、0.91，有效硼和有機質隸屬度較低，其值分別為0.15、0.34，說明花椒種植區鋅和鐵含量較為豐富，而硼和有機質較為缺乏。堿解氮權重為0.134 4，對土壤質量貢獻最大，而容重權重最低，其值為0.051 5。

4) 通過模糊綜合評價法計算分析，得到花椒種植區土壤肥力綜合指數變化范圍為0.22～0.84，在空間上服從球狀半變異函數。土壤肥力等級水平整體在中等偏上水平，其中，中等肥力水平的占51.1%，中等偏上肥力水平的占42.2%，中等肥力偏下水平的占6.7%。