基于模糊數學法的山東省蔬菜優勢產區土壤肥力綜合評價

高璐陽，馬志明，2，沈彥輝，劉中良

（1.農業農村部作物專用肥料重點實驗室·新洋豐農業科技股份有限公司 湖北荊門 448000；2.山東新洋豐肥業有限公司 山東菏澤 274000； 3.浙江大學山東（臨沂）現代農業研究院 山東臨沂 276000；4.泰安市農業科學院 山東泰安 271000）

蔬菜是我國重要的經濟作物，對土壤利用頻度高，需肥量較一般糧食作物高，具有生長快、產量高、復種指數高等特點[1]。土壤肥力是土壤的本質屬性，良好的土壤環境是作物正常生長的前提，土壤養分豐缺狀況直接影響蔬菜的生長發育[2]。當前，在蔬菜土壤養分管理過程中多存在盲目施肥、過量施肥現象，造成土壤酸化、有機質含量匱乏等問題，限制了蔬菜的可持續生產[3]。土壤養分過度累積，易導致土壤養分結構失衡、蔬菜產品質量下降和生態環境被破壞等問題，例如，氮、磷養分過度累積，會造成河流及地下水污染，出現水體富營養化；偏施某種化肥，易導致蔬菜營養結構失調，內部物質轉化受阻，進而影響蔬菜產品質量提升[4]。為響應國家“菜籃子工程”的號召，保證菜籃子產品供應，在精準測定蔬菜土壤養分狀況的基礎上，綜合評價蔬菜土壤肥力水平，實施精準施肥技術，可保障土壤養分的有效供給，促進蔬菜產業的健康發展。

土壤養分綜合評價是促進農業向精細化、生態化、可持續化方向發展的前提，客觀、準確的綜合評價可為作物精準施肥提供參考依據[5]。張楚楚等[6]通過建立土壤質量評價層次模型研究合肥市肥東縣蔬菜土壤質量空間變異，發現肥東縣蔬菜土壤質量由中南部向東北部地區逐漸變差。王秋君等[7]綜合運用主成分分析和模糊數學法分析蘇北地區設施蔬菜土壤養分，發現蘇北地區土壤綜合肥力平均指數為0.5，速效鉀含量為該地區土壤肥力的主要決定因子。王晶等[8]利用云模型對西安市蔬菜區土壤肥力進行綜合評價，發現西安市蔬菜區土壤肥力總體屬中上等水平，有機質含量是該地區土壤肥力的主要決定因素。韓春建等[9]選取有機質含量、土壤質地、CEC（土壤陽離子交換量）等作為評價因子，采用GIS（地理信息系統）和灰色關聯模型對鄭州市蔬菜土壤進行綜合評價，發現鄭州市西北部、東南和西南部地區土壤肥力較好。

山東省蔬菜產業具有良好的發展條件、經濟效益，在實行“菜籃子工程”以來，蔬菜種植面積不斷擴大，主要集中在棗莊市、臨沂市、濰坊市、聊城市等優勢產區，2020 年山東省蔬菜種 植 面 積 達148.7 萬hm2，產 量 為8 434.7 萬t，經濟效益達1 796.2 億元[10]。目前，針對山東省蔬菜土壤的研究多側重于重金屬污染和土壤修復等方面，對蔬菜土壤肥力綜合評價的研究相對較少[11-16]。筆者以棗莊市、臨沂市、濰坊市和聊城市采集的蔬菜土壤樣本為研究對象，采用模糊數學法對蔬菜土壤肥力進行綜合評價，以期為山東省蔬菜優勢產區土壤養分的管理和肥料的科學施用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

山東省為沿海地區，位于溫帶季風氣候區，春秋較短，冬夏較長，四季分明，雨量集中，年降水量在550～950 mm，平均降水量為680 mm，年均氣溫在11～14 ℃[17]。

1.2 樣本采集與分析

1.2.1 土壤樣品的采集 2018—2019 年在山東省棗莊市、臨沂市、濰坊市和聊城市4 個蔬菜優勢產區采集露地蔬菜土壤樣品392 份，其中棗莊市46份，臨沂市206 份，濰坊市78 份，聊城市62 份，采樣時期集中于當季蔬菜采收后。按照S 形隨機采集5 點土壤樣本，采樣深度為0～20 cm，剔除作物殘體和雜物后混合為一個樣本，采用四分法留存1 kg左右土壤，裝入自封袋中，記錄采樣日期、地點等信息。土壤樣本經風干、研磨、過篩后備用。

1.2.2 土壤養分的測定 土壤養分測定項目包括pH、有機質、堿解氮、有效磷、有效鉀及微量元素有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅等的含量。采用pH計進行（V水∶V土=2.5∶1）土壤pH 測定；采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[18]測定有機質含量；采用堿解擴散法[19]測定堿解氮含量；采用碳酸氫鈉浸提，鉬銻抗比色法[19]測定有效磷含量；采用乙酸銨浸提，火焰光度計法[19]測定有效鉀含量；采用DTPA 浸提，原子吸收分光光度法[20]測定微量元素有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅等的含量。

1.3 土壤養分豐缺評價指標體系構建

根據全國第二次土壤普查養分分級標準及以往研究結果[21-22]，結合山東省蔬菜田土壤肥力總體情況，確定山東省蔬菜田土壤pH 和養分評價指標分級標準，如表1～2 所示。

表1 蔬菜土壤pH 分級標準

1.4 土壤養分指標權重、隸屬度值和綜合肥力指數計算

1.4.1 指標權重的確定 采用主成分分析方法[23]確定蔬菜優勢產區土壤各肥力因子的權重（Wi）。

1.4.2 隸屬度函數建立及隸屬度值的計算 采用隸屬度函數計算蔬菜優勢產區土壤肥力因子的隸屬度值（Ni）。隸屬度函數是評價相關指標與作物生長曲線之間關系的數學表達式，將不同量綱的指標轉化為數值在0～1 之間的無量綱值，單一指標隸屬度值越大，該指標的含量水平越高[24]。根據相關研究可將隸屬度函數分為S 型和拋物線型，pH 值屬于拋物線型隸屬度函數，有機質、堿解氮、有效磷、有效鉀和微量元素有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅含量等屬于S 型隸屬度函數[25]。

（1）拋物線型隸屬度函數表達式：

（2）S 型隸屬度函數表達式：

式中，x為土壤養分指標的實際含量，x1、x2、x3、x4為隸屬度函數曲線拐點值。依據蔬菜土壤肥力特征及相關研究，各土壤肥力指標的拐點值如表3所示。

表3 各土壤肥力指標隸屬度函數轉折點取值

1.4.3 土壤綜合肥力指數計算與分級 采用模糊數學法[26]加權求和，計算蔬菜優勢產區土壤綜合肥力指數（SFI）。依據SFI值大小將山東省蔬菜優勢產區土壤綜合肥力水平劃分為優（0.8＜SFI≤1.0）、良（0.6＜SFI≤0.8）、中等（0.4＜SFI≤0.6）、差（0.2＜SFI≤0.4）和很差（0＜SFI≤0.2）5 個等級[7，27]。

土壤綜合肥力指數（SFI）計算公式為：

式中：n為參評因子個數，Wi為第i個因子的權重，Ni為第i個因子的隸屬度值。

1.5 數據處理與分析

使用Excel 2019 和SPSS 25.0 進行數據處理和統計分析。采用鄧肯式新復極差法進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 蔬菜優勢產區土壤養分豐缺狀況

對山東省蔬菜優勢產區土壤養分狀況進行描述性統計分析，依據養分分級標準對土壤養分豐缺狀況進行判斷。由表4～5 可知，山東省蔬菜主產區土壤pH 值介于3.98～8.90 之間，平均值為6.30，變異系數為18.71%，約58.67% 的土壤樣本呈酸性，pH 值適宜的土壤數量占比僅為23.47%，蔬菜土壤整體偏酸性。有機質含量（w，后同）在6.27～56.05 g·kg-1，平均為22.67 g·kg-1，約50.51% 土壤有機質含量處于偏低水平，蔬菜主產區土壤有機質含量較匱乏。堿解氮含量在47.93～320.38 mg·kg-1，約43.88%蔬菜土壤堿解氮含量充足，36.22%土壤堿解氮含量處于中等水平。有效磷含量極小值為8.57 mg·kg-1，極大值為345.54 mg·kg-1，不同土壤中有效磷含量變化幅度較大，但整體磷含量充足，僅有14.28%土壤有效磷含量缺乏。有效鉀含量范圍在18.50～574.88 mg·kg-1，變異系數為59.23%，約38.78% 蔬菜土壤有效鉀含量缺乏。微量元素有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅的平均含量分別為29.90、23.63、3.66、5.45 mg·kg-1，變異系數分別為51.61%、81.77%、92.16%、76.46%。蔬菜主產區土壤微量元素含量整體充足，僅少數蔬菜地微量元素含量缺乏，有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅含量處于中等及以上的土壤數量占比分別為86.23%、89.80%、84.18%和75.52%。

表4 蔬菜種植區pH 值含量及其分布狀況

2.2 蔬菜優勢產區土壤養分因子權重系數

對蔬菜土壤各項養分指標進行主成分分析，得出抽樣適度測定值（KMO 值）為0.701，Bartlett 球形度檢驗呈極顯著性，說明采用主成分分析可行。筆者對山東省蔬菜優勢產區土壤pH 值、有機質含量、堿解氮含量、有效磷含量、有效鉀含量以及微量元素有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅含量等9 項肥力指標進行主成分分析并計算權重，結果如表6 所示。根據特征值λ>1 的原則，提取3 個主成分，其方差累積貢獻率為70.195%，總體上可反映蔬菜優勢產區土壤肥力基本信息。第一主成分包括有機質含量、堿解氮含量、有效磷含量、有效鉀含量、有效鋅含量和有效銅含量。9 項土壤肥力指標權重占比不同，其中有效鐵含量權重占比最大，為0.16；pH值和有效鉀含量權重占比最小，均為0.06。蔬菜優勢產區土壤養分指標權重由大到小為有效鐵含量、有效鋅含量、有機質含量、有效錳含量、有效磷含量、有效銅含量、堿解氮含量、pH 值和有效鉀含量。

表6 土壤各肥力指標主成分分析結果與指標權重系數

2.3 蔬菜優勢產區土壤肥力指標隸屬度

由圖1 可知，棗莊市蔬菜土壤肥力水平的主要決定因子為有機質含量、pH 值、有效銅含量和有效鋅含量，其隸屬度平均值分別為0.15、0.26、0.33 和0.37，有機質含量、有效銅含量和有效鋅含量水平較低。臨沂市蔬菜土壤有機質含量、有效鉀含量和pH 值的隸屬度平均值較低，分別為0.34、0.45 和0.48，其他土壤養分含量較充足，有機質含量、有效鉀含量和pH 值是該地區土壤肥力水平的主要決定因子。濰坊市蔬菜土壤有機質含量和有效錳含量的隸屬度平均值分別為0.35 和0.45，是該地區土壤肥力水平的主要決定因子，濰坊市蔬菜產區土壤pH 值整體水平較適宜，有效磷、鉀和微量元素有效鐵、有效銅、有效鋅含量整體充足。有機質含量是聊城市蔬菜土壤肥力水平的主要決定因子，其隸屬度平均值僅為0.26。山東省蔬菜優勢產區土壤養分狀況整體表現為有機質較匱乏，土壤多偏酸性或偏堿性，部分地區蔬菜土壤有效鉀、有效錳、有效銅、有效鋅含量較低。在蔬菜種植生產過程中應注重增施有機肥，提升土壤有機質含量，調節土壤pH值，并合理施用鉀肥，適量配施微肥，以滿足蔬菜的正常生長需求。

圖1 蔬菜優勢產區土壤肥力因子隸屬度

2.4 不同蔬菜優勢產區土壤肥力綜合狀況

由表7 可知，山東省蔬菜優勢產區土壤平均SFI值為0.59，棗莊市、臨沂市、濰坊市、聊城市蔬菜土壤平均SFI值分別為0.54、0.63、0.60、0.50。SFI分級結果表明，山東省蔬菜優勢產區土壤肥力整體較好，約有77.04% 土壤養分狀況處于中等偏上水平（SFI≥0.4）。就不同蔬菜產區而言，臨沂市蔬菜土壤綜合肥力最好，約有84.47% 土壤養分狀況處于中等偏上水平（SFI≥0.4）；聊城市蔬菜土壤綜合肥力最差，僅有58.06% 土壤養分狀況處于中等偏上水平（SFI≥0.4）。不同蔬菜優勢產區土壤綜合肥力水平整體表現為臨沂市＞濰坊市＞棗莊市＞聊城市。

表7 不同蔬菜主產區土壤肥力綜合狀況

3 討 論

土壤pH 值、有機質含量、堿解氮含量、有效磷含量和有效鉀含量是土壤肥力評價中最具代表性的因子[28]。pH 值是土壤肥力的重要指標之一，唐高霞等[29]研究表明，土壤偏酸會使磷酸與鐵、鋁離子發生反應，生成不溶物；土壤偏堿會促使水溶性磷酸根與鈣離子結合生成難溶性的磷酸鈣，同時容易固定鐵、鋅等微量元素，使蔬菜發生缺素癥。李濤等[30]通過研究近30 年山東省耕地土壤pH 值時空變化發現，山東省耕地土壤整體表現為酸性土壤面積增加，局部耕地酸化，耕地土壤整體偏酸性。筆者的研究中，山東省蔬菜主產區約58.67% 的土壤樣本呈酸性，17.85% 的土壤偏堿性，蔬菜主產區土壤整體偏酸，與山東省耕地土壤pH 狀況整體一致。有機質含量是土壤中各種營養元素的重要來源，直接影響腐殖質和土壤團粒的形成，進而影響土壤保水保肥性、透氣性和緩沖性等[31]。陳倫壽等[32]提出，理想菜田的土壤有機質含量應該在30 g·kg-1以上。張煥菊等[33]研究表明，山東省除棗莊市、淄博市和日照市外，濰坊市、臨沂市、聊城市等地蔬菜土壤有機質含量整體上比較缺乏。筆者的研究結果表明，山東省蔬菜優勢產區土壤有機質平均含量為22.67 g·kg-1，79.59%土壤有機質含量低于30 g·kg-1，50.51% 土壤有機質含量處于偏低水平（＜20 g·kg-1），蔬菜土壤有機質養分較缺乏，與前人研究結果基本一致[33]。氮、磷、鉀是植物生長發育所必需的大量元素，在植物生長發育過程中發揮著不可替代的作用[34]。氮元素是植物體內氨基酸、蛋白質等含氮化合物的重要構成元素，對植物莖葉生長和果實的發育具有重要作用，直接影響作物產量[35]。堿解氮含量直接反映土壤對當季作物的氮素供應能力。有效磷含量是衡量土壤養分狀況不可或缺的指標，磷元素通過多種途徑參與植物體內的代謝過程[36]，施用磷肥可促進作物根系生長，提高作物根系活力[37]。筆者的研究中，蔬菜優勢產區土壤堿解氮和有效磷的平均含量分別為123.27、148.68 mg·kg-1，養分含量處于中等及以上水平的土壤數量占比分別為80.10% 和85.72%，整體上養分含量較充足。鉀元素對蔬菜生長發育和質量提升有重要作用，能夠延長蔬菜的貯藏期、使蔬菜有更好的外觀、豐富蔬菜的營養[38]。筆者的研究中，約38.78%土壤有效鉀養分缺乏，蔬菜優勢產區土壤有效鉀養分豐缺并存。針對山東省蔬菜主產區土壤大量元素養分狀況，在生產過程中可增施有機肥、提高土壤有機質含量、調節土壤酸堿度、注重補施鉀肥，以滿足蔬菜對土壤鉀元素的需求。

微量元素有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅是土壤肥力的重要組成要素，直接或間接參與植物體內酶類、多糖、核酸、維生素等分子的合成，對植物的各種生理代謝過程起到重要的調控作用，能夠改善作物品質，提高作物抗逆性[39-40]。鐵是合成葉綠素所必需的，植物缺鐵會導致葉綠素結構被破壞；錳參與植物光合過程中水的光解，有利于氨基酸合成肽，促進蛋白質的合成[41]。王影影等[42]和李珊等[43]的研究表明，土壤中鐵、錳有效性與pH 值呈負相關，土壤酸性強是鐵、錳含量高的主要原因。筆者的研究中，山東省蔬菜優勢產區土壤酸性較強，有效鐵、有效錳含量充足，鐵、錳缺乏的土壤數量占比分別為13.77% 和10.20%，與前人研究結果基本一致[42-43]。銅是植物體內多種氧化酶的成分，參與植物體內氧化還原反應[41]。筆者的研究中，約有15.82% 的土壤有效銅缺乏。土壤鋅含量對蔬菜生長具有一定影響，茄果類蔬菜缺鋅，會造成葉片失綠、皺縮，植株矮小、落花落果等問題[44]。筆者的研究中，蔬菜主產區有效鋅豐缺并存，處于較豐富和豐富水平的土壤數量達62.76%。針對山東省微量元素缺乏的蔬菜產區，在生產過程中可通過葉面噴施或施用微肥等方式，補充土壤微量元素養分。

目前土壤肥力綜合評價方法主要有層次分析法[6]、灰色聚類法[9]、模糊數學法[24]、指數和評價法[45]和生態適宜度分析法[46]等。筆者的研究利用主成分分析方法[47]確定不同土壤評價指標權重，采用模糊數學法[24]計算蔬菜優勢產區土壤綜合肥力指數，將蔬菜土壤劃分為優（＞0.8～1.0）、良（＞0.6～0.8）、中等（＞0.4～0.6）、差（＞0.2～0.4）和很差（0～0.2）5 個等級，處于中等偏上肥力水平（SFI≥0.4）的土壤數量占比達77.04%，能夠較為全面地反映山東省蔬菜主產區土壤肥力水平。但由于筆者研究選定的評價指標未包含土壤全量養分、重金屬養分、蔬菜產量和養分吸收量等指標，致使土壤肥力綜合評價研究具有一定的局限性，需進一步綜合考慮多種相關指標，構建更為全面的蔬菜土壤肥力評價體系。

4 結 論

山東省蔬菜優勢產區土壤養分條件整體適宜蔬菜生長，處于中等偏上肥力水平的土壤占比達77.04%，不同地區土壤肥力水平表現為臨沂市＞濰坊市＞棗莊市＞聊城市。針對山東省蔬菜優勢產區土壤整體偏酸、有機質養分嚴重缺乏、部分地區有效鉀及土壤微量元素養分缺乏等問題，棗莊市、臨沂市、濰坊市和聊城市地區應采取增施有機肥、合理施用化肥并注重適施石灰等措施，提高土壤有機質含量，調節土壤酸堿度。臨沂市應合理施用鉀肥，提高菜田土壤速效鉀的有效性，棗莊市和濰坊市可通過采用葉面噴施或施用微肥等方式，補充蔬菜生長所需的微量元素銅、鋅、錳等養分，以提高蔬菜經濟效益。