设施蔬菜土壤养分状况分析及综合评价

王秋君 马艳 郭德杰 王光飞 吴云成

摘要：综合运用主成分分析和模糊数学相结合的方法，分析了苏北地区设施蔬菜主产区土壤养分状况，对其土壤肥力进行综合评价。结果表明，苏北地区平均土壤有机质含量为2.6%，属中等水平，但盐城市土壤有机质含量不足。苏北地区的土壤pH平均值为7.2，但有34.2%土壤呈碱性，2.5%土壤呈酸性，淮安市的土壤碱化现象较为严重。土壤硝态氮、有效磷和速效钾平均含量分别为152.5 mg/kg、152.5 mg/kg、386.2 mg/kg，均存在过量积累现象，但不同城市土壤中3种养分积累程度不同。利用因子分析法确定各土壤指标权重，结合隶属度计算出土壤综合肥力指数，发现苏北地区的土壤综合肥力平均指数为0.5，处于中等水平，有25.2%的土壤综合肥力<0.4，即土壤肥力差。土壤速效钾为苏北地区土壤肥力的主要限制因子。

关键词：设施蔬菜;模糊数学;土壤养分;土壤肥力综合评价

中图分类号：S158

文献标识码：A

文章编号： 1000-4440（2019）03-0624-07

土壤养分是土壤肥力的主要部分，由于土壤的不均一性，土壤中养分的空间分布也具有非均一性[1]。近年来，对土壤各养分指标的综合定量研究已成为研究土壤肥力的主要方法。学者们将模糊数学和多元统计等方法应用到土壤肥力评价中，可得出反映土壤肥力的综合性指标[2-3]。正确地选择土壤肥力评价指标，是科学揭示土壤肥力的前提，直接影响到土壤肥力评价的准确程度，评价指标需对土壤肥力影响大且稳定性高[4]。据此，很多研究者将土壤pH、有机质、硝态氮、有效磷、速效钾作为土壤肥力评价指标来反映土壤综合肥力[5-8]。

截止2015年，江苏省设施蔬菜总面积为7.57x10s hm，占耕地面积比重达16.5%，占比居全国首位。设施蔬菜品种主要有番茄、辣椒、黄瓜、茄子、甘蓝、白菜等。江苏省设施蔬菜主要集中在苏北地区（徐州、盐城、淮安、连云港和宿迁），其设施蔬菜总面积为4.89x 10 hm，占全省设施蔬菜面积的61.2%。苏北地区的蔬菜自给率最高，盐城超过90%，徐州、连云港和宿迁在80%以上，淮安在70%以上[9]。

近年来，随着设施栽培的大力发展，苏北地区设施蔬菜生产规模化和产业化经营模式日趋成熟。然而，苏北地区设施蔬菜主产区的土壤肥力日益降低，该问题已成为制约该地区设施蔬菜生产可持续发展的瓶颈。大量研究结果表明，除了长期连作外，不合理施肥也是造成土壤发生障碍的主要原因[10-11]。为此，本研究基于模糊数学方法对苏北地区设施蔬菜主产区的土壤肥力进行综合评价，以提出适合的肥料施用技术和针对性的土壤肥力培育策略，对推动苏北地区设施蔬菜优质高效生产具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 土壤样品的采集

2016年11月在江苏省淮安市、徐州市、连云港市和盐城市设施蔬菜主产区，采集耕作层（0- 20cm）土壤样品158个。土样在实验室进行编号后自然风干，弃除作物残体和杂物，磨细，过筛后进行测定分析。

1.2 土壤性状分析

在实验室测定土壤pH、有机质、硝态氮、有效磷和速效钾含量。取过1 mm筛的风干土样10g，加超纯水25 ml，振荡5 min，静置30 min后测定pH。风干土样过1 mm筛后采用KCl浸提一酚二磺酸比色法测定硝态氮。风干土样过1 mm筛后采用NaHC03浸提一钼蓝比色法测定有效磷。风干土样过1 mm筛后采用醋酸铵浸提一火焰光度法测定速效钾。风干土样过0.149 mm筛后采用重铬酸钾容量法一稀释热法测定总有机质。

1.3 土壤养分指标权重和隶属度的确定

本研究利用主成分分析法确定各因子权重（表1）。根据土壤肥力指標与作物生长效应曲线将参评隶属度函数分为2种类型，即S型和抛物线型[12—13]。

S型隶属度函数：属于这类函数的土壤肥力指标有土壤有机质。相应的隶属度函数表达式为：

1.4 土壤肥力综合评价方法

首先根据文献报道和实践经验建立各肥力指标的隶属函数，计算不同土样各指标的隶属度值，然后采用主成分分析法确定各指标的权重系数，最终计算出各样品土壤综合肥力指数（ IFI）。计算公式为：

1.5 数据分析

数据采用Microsoft Excel处理。采用SPSS sta-tistical 22进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 土壤肥力描述性统计分析

2.1.1 土壤有机质从表2可以看出，苏北地区的土壤有机质平均含量为2.5%，淮安、徐州、连云港、盐城的土壤有机质平均含量分别为2.9%、2.9%、2.4%、1.9%，其变异系数（cv）范围为19.5%-33.1%。变异系数表示土壤肥力指标变异性的大小，CV<0.1时为弱变异性，0.1

2.1.2 土壤pH从表3可以看出，苏北地区的土壤pH平均值为7.2，淮安、徐州、连云港、盐城的土壤pH平均值分别为7.6、7.2、7.3、6.8，其变异系数范围为6.1% - 15.6%。根据文献[15]对土壤pH值进行分级，结果发现，苏北地区仅45.6%的土壤为中性，34.2%土壤呈碱性，2.5%土壤呈酸性。淮安、徐州、连云港、盐城的土壤呈中性的占比分别为3.2%、69.6%、52. 6%、46.5%，土壤呈酸性的占比分别为25. 9%、4.3%、18.5%、34.9%，土壤呈碱性的占比分别为70.9%、26.1%、28.9%、18.6%。

2.1.3 土壤硝态氮从表4中可以看出，苏北地区的土壤硝态氮平均含量为152.5 mg/kg，淮安、徐州、连云港、盐城的土壤硝态氮平均含量分别为175.8 mg/kg、199.2 mg/kg、166.7 mg/kg、74.8mg/kg，其变异系数范围为77.0% - 110. 6%，其中连云港的变异系数最高。根据文献[15]对土壤硝态氮含量进行分级，结果发现，苏北地区仅27. 80-/0的土壤硝态氮含量在正常范围（ 50.1 - 100.0 mg/kg）内，53. 8%的土壤硝态氮含量高于临界值。淮安、徐州、连云港、盐城的土壤硝态氮含量高于正常临界值的占比分别为64. 4%、65.1%、52.0%、18.5%。

2.1.4 土壤有效磷从表5可以看出，苏北地区的土壤有效磷平均含量为152.6 mg/kg，淮安、徐州、连云港、盐城的土壤有效磷平均含量分别为93.3 mg/kg、191.2 mg/kg、194.4 mg/kg、117.1 mg/kg，其变异系数范围为39. 7% - 44. 9%。根据文献[15]对土壤有效磷含量进行分级，结果发现，苏北地区仅22. 8%的土壤有效磷含量在正常范围（50.1- 100.0 mg/kg）内，70.8%的土壤有效磷含量高于临界值。淮安、徐州、连云港、盐城的土壤有效磷含量高于正常临界值的占比分别为32. 2%、86. 9%、72. 8%、62. 7%。2.1.5土壤速效钾从表6可以看出，苏北地区的土壤速效钾平均含量为386.1 mg/kg，淮安、徐州、连云港、盐城的土壤速效钾平均含量分别为138.4 mg/kg、490.7 mg/kg，608.4 mg/kg、256.4 mg/kg，其变异系数范围为44.2% - 56. 4%。根据文献[15]对土壤速效钾含量进行分级，结果发现，苏北地区仅7. 6%的土壤速效钾含量在正常范围（150.1- 200.0 mg/kg）内，68. 4%的土壤速效钾含量高于临界值。淮安、徐州、连云港、盐城的土壤速效钾含量高于正常临界值的占比分别为16.1%、89.0%、79.1%、55.7%。

2.2 土壤肥力综合评价

2.2.1 隶属度 土壤肥力指标单位和量纲不同，为了使各评价指标的测定值能够相互比较，本研究通过计算各指标的隶属度来对各评价指标进行量纲统一化。苏北地区设施蔬菜土壤各指标的状态及土壤肥力的整体状况用各指标的平均隶属度值制成雷达图来反映（图1）。从图1可看出，淮安地区土壤各指标中土壤pH平均隶属度最小（0.3）（图1A），徐州、连云港地区土壤各指标中土壤速效钾平均隶属度均为最小（0.3、0.2）（图1B、图IC），盐城地区土壤有机质平均隶属度最小（0.2）（图ID）。总体来看，苏北地区设施蔬菜土壤各指标中土壤速效钾平均隶属度最小（0.3）（图IE）。

2.2.2 土壤综合肥力指数本研究综合考虑了土壤肥力各指标的权重系数和隶属度，计算土壤综合肥力指数（ IFI）。苏北地区设施蔬菜主产区IFI及其分布频率见表7。从表7中可看出，苏北地区的平均IFI为0.5，淮安、徐州、连云港、盐城的平均IFI分别为0.5、0.5、0.4、0.5。参考文献[13]，将土壤综合肥力指数按照标准把研究区土壤分为5个等级。即优（>0.80），良（0.61-0. 80），中等（0.41-0.60），差（0.21-0.40），很差（≤0.20）。IFI分级结果表明，苏北地区25. 3%的IFI低于0.40。淮安、徐州、连云港、盐城的IFI低于0.40的占比分别为22.6%、26.1%、39.5%、13.9%。

3 讨论

3.1 土壤养分状况分析

通过对苏北设施蔬菜主产区土壤化学性状进行测定分析，发现苏北地区设施蔬菜土壤养分和肥力状况仍存在较多问题。苏北地区有23.5%的土壤有机质含量低于临界值（2.0%），其中盐城地区的土壤有机质平均含量最低，有53.5%的土壤有机质含量低于2.0%，这说明盐城设施蔬菜主产区的大多数土壤有机质含量未达到设施蔬菜种植所需要求，需增施有机肥。苏北地区设施蔬菜主产区的土壤存在碱化和酸化现象，有34. 2%的土壤pH值大于7.5，有20. 2%的土壤pH值小于6.5，這说明苏北设施蔬菜主产区的土壤碱化重于酸化。本研究在调研过程中发现农户施用有机肥用量较大，且大多为未腐熟的农家粪，这可能是造成土壤发生碱化的原因。有研究者认为，施用有机肥可提高土壤pH[16]，而长期大量施用有机肥，尤其是施用未腐熟的农家肥，则导致土壤发生碱化，其原因可能是有机肥中官能团加强了对H+和Al3+的吸附作用，从而提高土壤pH值。

有研究者认为，设施蔬菜土壤中硝态氮和有效磷含量高于100 mg/kg，且速效钾含量高于200mg/kg时才能满足设施蔬菜高产需要[15]。本研究结果表明，苏北地区53.8%土壤硝态氮含量和70.8%的土壤有效磷含量高于100 mg/kg，且68.4%的土壤速效钾含量高于200 mg/kg，这可能是由于部分农户过量施用氮、磷、钾肥所致。本研究采集土样过程中调研了农户施肥状况，发现很多农户在施肥中并未针对土壤养分状况和蔬菜养分需求规律进行施肥，存在盲目性，且为了保证设施蔬菜产量的稳定，过量施用化肥。土壤中硝态氮和有效磷积累不仅会形成土壤盐渍化，影响蔬菜生长，同时也增加对水体环境污染的风险。由于不同地区土壤肥力差异及施肥习惯的不同，使得土壤有效养分在不同地区的积累程度不同。根据土壤养分等级分类标准，发现本研究区域内只有淮安地区的有效磷含量（ 93.3mg/kg）、速效钾含量（138. 44 mg/kg）及盐城地区的硝态氮含量（ 74.8 mg/kg）的平均值属于正常范围，而徐州地区和连云港地区的硝态氮、有效磷和速效钾含量的平均值都高于临界值，这说明徐州和连云港地区的土壤有效养分积累程度重于淮安和盐城地区，徐州和连云港地区的设施蔬菜种类以日光温室番茄为主，淮安地区的设施蔬菜种类以大棚辣椒为主，盐城地区的设施蔬菜种类以大棚辣椒和番茄为主。大棚辣椒和日光温室番茄的氮磷钾养分需求量差异较大，据文献报道，666 m辣椒整个生育期中所需氮磷钾养分总量为15. 6-37.3 kg[17-18]，而日光温室番茄666 m2的氮磷钾养分需求量为30.7- 80.2kg[19-21]，这使得日光温室番茄栽培中施肥量要大于大棚辣椒所施肥料量，且由于徐州和连云港地区的日光温室番茄多为长季节栽培，揭棚期较短，更加剧了土壤养分的积累。

3.2 土壤综合肥力评价

目前对土壤肥力的评价指标主要包括：作物产量或生长指标、单一土壤养分指标、土壤综合肥力指标[22-24]。在区域尺度条件下采用作物产量评价土壤肥力难以操作，采用单一土壤养分指标难以反映出土壤的综合肥力。对多种土壤肥力指标进行综合评价时要处理大量的指标数据，需借助数学方法从多因素角度对土壤肥力进行综合评价[25]。本研究基于模糊数学方法对苏北地区设施蔬菜主产区的土壤肥力状况进行了总体评价。参照文献[11]，将土壤的综合肥力指数按照标准把研究区土壤分为5个等级。即优（>0.80），良（0. 61-0.80），中等（0. 41-0. 60），差（0.21-0. 40），很差（≤0.20）。结果表明苏北地区的土壤综合肥力指数平均值为0.5，即土壤肥力属于中等，然而有25. 2%的土壤综合肥力指数低于0.4，即土壤综合肥力差。各指标隶属度结果可表明苏北地区土壤肥力的主要限制因子为土壤速效钾，即土壤速效钾积累现象普遍。不同地区的土壤肥力限制因子并不相同，淮安土壤肥力限制因子为土壤pH（土壤碱化现象严重），徐州和连云港土壤肥力限制因子为速效钾（速效钾积累过多），盐城土壤肥力限制因子为土壤有机质（有机质含量低）。据此，在淮安设施蔬菜主产区应减少农家肥的施用或者以适量的商品有机肥替代农家肥，在徐州和连云港应减少钾肥施用，在盐城应增施有机肥以提高土壤有机质含量。

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（责任编辑：陈海霞）