王 辉，任 丽，杨召武，杨联安

(1.咸阳市土壤肥料工作站，陕西 咸阳 712000;2.陕西天润科技股份有限公司，陕西，西安 710054;3.西北大学 城市与环境学院，陕西，西安710127)

土壤肥力是土壤的本质属性，是其区别于岩石、成土母质等其他地表覆盖物的关键特征[1]。土壤肥力状况直接影响作物的产量和品质，改善土壤肥力是增产保收的主要措施。土壤肥力是土壤物理、化学、生物等多方面性质的综合体现[2]，在自然成土环境和人为管理措施双重作用下具有极强空间变异性。土壤肥力评价是通过构建评价体系对土壤肥力水平进行分等定级进而衡量其土地生产能力的过程。目前土壤肥力评价还尚未有统一、规范的标准，肥力评价差异主要表现为参评指标、评价方法和评价尺度三个方面。反映土壤肥力的指标很多，出于实际应用考虑，通常选取容易测定、重现性好且能代表土壤肥力关键变量能力的指标参与评价[3]。土壤养分是作物生长必须的营养物质，有机质和氮磷钾是反映土壤养分状况的核心指标。土壤容重、耕层厚度、pH值和阳离子交换量(CEC)等分别是反映土壤物理性状和化学环境的指标。它们都是常用的肥力评价指标。当前土壤肥力评价方法趋于客观化和定量化，常用的有模糊数学法[4]、主成分分析法[5]、灰色关联分析[6]等，这些数理统计方法在肥力评价中的应用，可以有效减少人为主观干扰。评价单元通常按照行政区划进行选取，随着精细化农业的发展，基于田块尺度的肥力评价研究逐渐增加。咸阳市境内地形地貌复杂，南部平原区依靠优越的自然条件，农业经济高度发达，一年两熟的小麦-玉米种植制度使土地资源得到充分利用，但也存在土地利用不当、施肥不合理等问题，因此，通过采取灰色关联分析法对小麦-玉米轮作地的肥力水平进行定量评价，探究限制土壤肥力的障碍因子，为分区管理和测土配方施肥工作提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

咸阳市小麦-玉米轮作地主要分布在关中平原地区，关中平原地势平坦，临近渭河，灌溉水源充足，土地疏松肥沃，十分适宜发展种植业，是重要的粮食生产基地。该区气候属于温带大陆性季风气候，雨热同期，降水集中于夏季，年降水量为550～660 mm，年均气温为12～13.6℃，光照充足。关中平原农业种植历史悠久，土地利用强度大，人类对农田干扰强烈，土壤肥力水平随机变异程度较高。本研究中的小麦-玉米轮作地主要分布在乾县北部、武功县、兴平市、泾阳县和三原县，共布设了145个样点。

1.2 土壤样品采集与测定

根据农业部测土配方施肥技术规范和要求，综合考虑小麦-玉米轮作地的空间分布、地貌环境和土壤特性，按照“S”形或梅花形路线采集土样，每个样地均匀随机采集5～15个样点，用手持GPS跟踪记录地块中心经纬度位置，均匀混合后采取“四分法”取土样1 kg，登记土样编号。土壤样品采集工作于2017年作物收获后进行。

采集的土样自然风干后经研磨和过筛，对土壤各成分进行测定。pH采用电位法测定；有机质采用油浴加热-重铬酸钾容量法测定；全氮采用凯氏蒸馏法测定；有效磷采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定；速效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度法测定[7]。

1.3 研究方法

基于灰色关联分析的土壤肥力评价步骤[8]：

1.3.1 指标权重确定 土壤肥力是对各种土壤属性指标间综合特征的反映，不同指标对土壤肥力的影响程度有明显差异，因此各评价指标的权重也不相同。本文采用变异系数法确定评价指标权重，将各指标变异系数与所有指标变异系数的比值作为权重，变异程度大的指标，权重较大，反之亦然。

1.3.2 计算灰色关联度

(1)确定参考序列和比较序列。

以各采样点的不同肥力指标实测值作为比较序列，设为A(i,j)，表示第i个采样点的第j个评价指标。选取各指标实测值的最优值构成参考序列，设为A(0,j)。

(2)无量纲化处理

采用直线型标准化法对初始数据进行无量纲化处理，正向指标处理为A(ij)/A(0,J)，逆向指标处理为,1-A(i,j)/A(0,j)。

(3)计算关联系数

(4)计算加权关联度

土壤肥力水平通过比较序列与参考序列之间的关联度来表示，若关联度越大，表示该样点越接近该区域土壤肥力的理想状态，土壤肥力越高。根据各样点加权关联度的大小排序，可以反映不同地方土壤肥力水平在整个区域中所处的相对位置，实现对土壤肥力的定量化评价。

式中，r(i,j)为灰色关联度，N=5，ωij为第i个采样点的第j个指标的权重。

2 结果与分析

2.1 单项肥力指标丰缺诊断

根据全国第二次土壤普查养分分级标准[9]，咸阳市小麦-玉米轮作地的土壤pH平均值8.51，整体呈偏碱性土壤，这是由于该地土壤中碳酸钙含量丰富，同时小麦-玉米轮作地灌溉水源充足，但灌溉方式多以漫灌、畦灌方式为主，这种粗放型灌溉方式也会对土壤酸碱环境造成一定影响。有机质平均值为17.76 g·kg-1，处于分级标准的第4级，整体属于中等偏低水平，这与农民施肥观念有关，为追求经济效益，农民通常多施用化肥而忽略了有机肥的投入，植物消耗的有机质得不到有效补充，因此土壤有机质含量偏低。应大力宣传增施有机肥的积极效应，逐步转变农民的施肥观念，引导农户多施农家肥、有机肥，提倡秸秆还田等方式来提高有机质含量。全氮平均值为1.11 g·kg-1，处于分级标准的第3级，属于中等水平，土壤中的氮素多来源于有机质，全氮含量受有机质影响明显。有效磷平均值为20.55 mg·kg-1，处于分级标准的第2级，整体处于较高水平，表明有效磷的整体含量比较合理。速效钾平均值为230.86 mg·kg-1，处于分级标准的第1级，速效钾含量丰富，原因是土壤中所含钾元素较多，并且近年来农民逐渐意识到钾肥对作物生长的作用，对钾肥投入有所增加，在实际生产中应根据需要酌情合理施用钾肥。从变异系数来看，pH属于弱变异，其他4个指标均属于中等程度变异，其中有效磷的变异程度最大，超过了50%，表明土壤中磷元素受人为干扰最为强烈，磷肥用量不足与过量使用现象同时存在，在实际生产中应区别对待，对于不足地区应合理施用磷肥，对于过量地区应控制磷肥投入，当季少施甚至不施磷肥，待土壤中的磷得到有效利用后再按需继续施肥。

表1 土壤肥力指标基本统计特征

2.2 灰色关联分析

本文选取pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾作为评价指标，将各指标的最优值设为参考序列：{7.46，27.80，1.76，66.56，340.30}。由于研究区土壤整体属于偏碱性，随着pH值增大，土壤碱性增强，不利于养分的吸收和转化，因此对pH采取逆向处理方法，其余4个指标作正向处理，将实测值转化为评价值，以消除各指标物理量纲对评价结果的影响。根据1.3.2中所述步骤计算关联系数。各项土壤肥力指标的权重分别为pH 0.019，有机质0.169，全氮0.169，有效磷0.454，速效钾0.189。根据各项指标的关联系数和权重计算加权关联度，结果表明咸阳市小麦-玉米轮作地的加权关联度介于0.407～0.858之间，平均值为0.522，标准差为0.083，变异系数为15.90%。将关联度按照等距法划分为五级：高(0.8～1)、较高(0.6～0.8)、中等(0.4～0.6)、较低(0.2～0.4)、低(0～0.2)。根据该标准，咸阳市小麦-玉米轮作地土壤肥力综合等级分别处于中等、较高和高三个等级，其中中等占84.14%，较高占14.48%，高占1.38%，高水平样点均位于兴平市境内。关联度平均值和土壤肥力等级频数分布均表明咸阳市小麦-玉米轮作地土壤肥力整体处于中等水平。从区域角度看，各地土壤肥力加权关联度平均值分别为兴平市0.563，泾阳县0.554，武功县0.531，乾县0.524，三原县0.475，三原县土壤肥力整体水平明显低于其他四个区域，其他四个县域的土壤肥力水平相差不大，各县域土壤肥力均属于中等水平。

土壤肥力是各项肥力指标的综合体现，明确土壤肥力的限制性因子是提升土壤肥力、改良土壤环境、实施分区管理的前提和基础。分别统计各县域有机质、全氮、有效磷和速效钾的平均含量，从区划角度分析咸阳市小麦-玉米轮作地的限制性因子，pH在研究区变异程度较弱，各县域其值变化不大，故此处不对其进行分析。结果表明，有机质是制约小麦-玉米地肥力水平的关键因子，各县土壤有机质平均含量均<20 g·kg-1，其中兴平市有机质平均含量最高，为19.12 g·kg-1，三原县最低，为15.80 g·kg-1，其他县均在18 g·kg-1左右；兴平市的有效磷平均含量最高，为27.03 mg·kg-1，三原县有效磷含量偏低，平均值为14.59 mg·kg-1，不利于肥力提高，其他县域的有效磷均在22 mg·kg-1左右，含量较合理。

土壤肥力受自然和人为因素双重作用，施肥是引起土壤肥力变化的直接原因，此外，不同土壤类型的肥力也有所差异，本次采样点土壤类型主要以褐土、黄绵土和潮土为主，其中褐土的有机质和全氮含量为三者中最高，黄绵土中的有效磷和速效钾高于其他两种土类，这可能是受土壤自身特性影响所致。

3 结论与讨论

土壤肥力评价是通过数个主导性和独立性土壤指标反映肥力综合水平的过程，土壤肥力就相当于一个灰色系统，采用变异系数-灰色关联分析法研究咸阳市小麦-玉米轮作地土壤肥力水平，通过客观赋权法变异系数确定权重，有效避免了人为的主观干扰，利用灰色关联度反映各样点肥力水平与理想参考序列的接近程度，对关联度进行排序得到各样点肥力相对高低水平，计算简便，应用性强。主要结论如下：

咸阳市小麦-玉米轮作地的土壤呈偏碱性，pH分布较均匀，变异程度较弱，有机质属于中等偏低，全氮含量中等，有效磷含量较高，速效钾含量丰富。应积极引导农民多施有机质，采用有机肥和化肥搭配使用的方式提高肥力。

土壤肥力灰色关联分析表明，咸阳市小麦-玉米轮作地的土壤肥力整体属于中等水平，其中兴平市肥力值最高，三原县最低，有机质是制约肥力提升的关键因子，三原县除有机质外，有效磷也是限制因子。

基于灰色关联分析法法的土壤肥力评价结果科学可靠，具有较强的推广性和应用性。土壤肥力评价是涉及多个指标的高维非线性问题，未来可尝试利用非线性数据挖掘算法进行肥力评价。本文通过等距法将土壤肥力划分为五个等级，仅能表示土壤肥力相对高低水平，土壤等级划分标准还需进一步完善。