敦煌市不同土地利用類型土壤質量評價

高張+張福平+馬倩倩+燕玉超+雷聲劍+劉筱+李肖娟

摘要：以果園地、農田地、天然林地、灌木林地和荒地5種土地利用類型為研究對象，在對其土壤理化性質進行測定的基礎上，應用最小數據集、土壤質量綜合指數和土壤質量相對指數等方法對其土壤質量進行評價分析，為敦煌市土壤保水保肥、鹽堿化荒地改良與植被修復提供一定的參考。結果表明：（1）研究區各土地利用類型下土壤含水量極低，低于0.15%；荒地鹽分含量達到56.88 g/kg，鹽堿化嚴重。（2）適用于土壤質量評價最小數據集（DMS）的包括：速效鉀、含水量和物理性粘粒等9項指標。（3）對土壤質量綜合評價分析，得出土壤質量排序為灌木林地>天然林地>果園地>農田地>荒地。（4）依據全國地力等級劃分標準，荒地為4級地力，果園地和農田地為3級地力，天然林地和灌木林地為2級地力。（5）對土壤相對質量指數分析，灌木林地的土壤質量高于天然林地，果園地、農田地和荒地的土壤質量低于天然林地。

關鍵詞：敦煌市；土壤理化性質；最小數據集；土壤質量綜合指數；土壤質量評價

中圖分類號：S159文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2017）03-0100-06

AbstractChoosing five kinds of land use types， orchard land， farmland， natural forest land， shrub land and wasteland， as the materials， the soil physical and chemical properties were detected. The soil quality was evaluated and analyzed by applying the minimum data set （MDS）， soil quality synthesized index and soil quality relative index. It could provide some theoretic basis for soil water and fertilizer retention， wasteland salinization improvement and vegetation restoration in Dunhuang City. The results showed that the soil moisture content in every land use type was very low， below 0.15%. The salt content of wasteland had reached up to 56.88 g/kg， which showed that the soil salinization was very serious. The MDS fit for soil quality assessment included nine indexes， such as available potassium， moisture content， physical clay and so on. The synthesized assessment on soil quality showed that the rank of soil quality was shrub land > natural forest land > orchard land > farmland > wasteland. According to the national fertility grading standard， the wasteland fertility belonged to grade 4， the orchard land and farmland fertility belonged to grade 3， the natural forest land and shrub land fertility belonged to grade 2. The soil quality relative index analysis showed that the soil quality of shrub land was higher than that of natural forest land， while the soil quality of orchard land， farmland and wasteland were lower than that of natural forest land.

KeywordsDunhuang City； Soil physical and chemical properties； The minimum data set； Soil quality synthesized index； Soil quality assessment

我國內陸西北干旱地區由于其特殊的地形地貌以及極端惡劣的氣候條件，一直以來是我國備受關注的生態脆弱區[1]。近年來，隨著西部大開發計劃的實施與推廣，西北地區資源得到重點開發和利用。隨著經濟增長，人類對土壤資源不合理的開發和利用也給西部地區原本脆弱的土壤造成了嚴重的破壞。內陸河床干涸，水土流失加重，荒地沙化、鹽堿化嚴重，土壤退化等成為西部地區亟待解決的問題[2]。敦煌市地域遼闊，土地資源豐富，但沙漠戈壁占總面積的95.5%，綠洲地被沙漠戈壁所包圍，屬于極端干旱區。其中，耕地面積僅有2.13×104 hm2，草原面積3.73×104 hm2，天然林地6.26×104 hm2，還有27.1×104 hm2可開墾荒地。然而，敦煌市光照充足，是甘肅省以及河西走廊最大的棉花生產基地和瓜果之鄉[3]，其土壤質量的好壞制約著整個大西北農業的發展和經濟狀況[4]。土壤質量退化的控制和修復對敦煌市農業用地發展節水農業、荒地土壤重建、植被修復有著舉足輕重的作用。因此，了解敦煌市土壤理化性質，評價其土壤質量，對合理用水、防止水分流失以及鹽堿化荒地土壤改良有著重要意義。

土壤質量主要受成土因素和人類活動的影響[5]，是近年來土壤學研究的一個熱點，國內外學者做了大量的研究。土壤質量評價的方法多種多樣，主要有土壤質量指數法、土壤質量模型、土壤相對質量法以及多元線性回歸等[6]，近年來，最小數據集也被逐漸引入土壤質量評價指標的構建之中[7]。趙振亞等[8]基于層次分析和模糊數學法對公烏素鎮進行了質量評價；盧鐵光等[9]利用土壤相對質量法對黑龍江省富錦市進行了土壤質量評價；王飛等[10]利用最小數據集的思路，完成了福建冷浸田土壤質量評價因子最小數據集的構建。然而，敦煌市地理位置重要，其土壤質量在極端惡劣的氣候條件下面臨嚴峻的挑戰，其評價工作前人卻未有涉及。本研究以極端干旱區敦煌市作為研究對象，通過對敦煌市5種不同土地利用類型進行調查和實地采樣，在對其土壤理化性質進行測定的基礎上，綜合應用最小數據集、土壤質量指數法以及土壤相對質量法，進行土壤質量評價，為敦煌市土壤保水保肥、鹽堿化荒地土壤改良與植被修復提供一定的參考。

1材料與方法

1.1研究區概況

敦煌市位于河西走廊最西端，地處甘肅、青海、新疆三省交匯處，東經92°13′～95°30′，北緯39°53′～41°35′。地勢南北高、中間低，自西南向東北傾斜，平均海拔不足1 200 m。全市總面積3.12×104 km2，其中綠洲面積1 400 km2，僅占總面積的4.5%。敦煌市氣候干燥，年平均降水量39.9 mm，蒸發量2 486 mm；年平均氣溫為9.4℃，月平均最高氣溫為24.9℃，月平均最低氣溫為-9.3℃；全年日照時數為3 246.7 h，屬典型溫帶干旱性氣候。

1.2數據的采集與處理

本研究數據來源為野外實地采樣，在敦煌市南泉、陽光、玉門和黨河上游綠洲4個研究區域對不同土地利用類型土壤進行布點采樣。確定采樣點深度為1 m，每10 cm為一個土層，每個土層取土樣約50 g，封裝包好，移入實驗室待處理。用GPS記錄采樣點周圍地貌特征，特殊點經過拍照處理以便后期核對。果園地采樣點為8個，農田地采樣點為5個，天然林地采樣點為4個，灌木林地采樣點為8個，荒地采樣點為4個，共29個采樣點，每個采樣點10個土樣，共290個土樣。

依據易度量、重現性好的原則，借鑒前人建立的指標體系[11]，結合敦煌市的實際情況，在進行土壤質量評價時，選擇物理性粘粒、土壤含水量、鹽分、pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、堿解氮和C/N等12項指標。其中，土壤物理性粘粒和土壤含水量分別用Mastersizer 2000（激光粒度分析儀）和烘干稱重法進行測定；土壤鹽分、土壤pH值、土壤有機質和土壤養分，分別用離子色譜法、PHSJ-4A型實驗室pH計、重鉻酸鉀氧化-外加熱法和HTYF200型微電腦多功能養分速測儀進行測定。

1.3研究方法

1.3.1土壤質量評價指標最小數據集的構建計算選用的12個土壤質量評價指標的主成分載荷矩陣，選取特征值大于1的主成分中因子載荷大于0.5的土壤質量評價指標分為一組。某種土壤質量評價指標的因子載荷在不同的主成分中都大于0.5，則將其歸并到與其它土壤質量評價指標相關性較低的那一組。分組后，確定每組中土壤質量評價指標之間的相關性，某種指標與該組中其它指標之間的相關系數都小于0.3，說明其它指標均不能代表該指標中所包含的土壤質量信息，將該指標從該組中分離出來獨立形成一組。分別計算各組各指標的Norm值，Norm值在最高總分值10%范圍內[7]的土壤質量評價指標被選中，進一步對每組中選中的指標進行相關分析，指標之間的相關系數大于0.5，選擇Norm值最高的指標進入最小數據集（DMS），指標之間的相關系數小于0.3，將這些指標都選入DMS。Norm值的計算公式如下：

式（4）和（5）中，a和b分別為土壤質量評價指標的閾值，分別為各個土壤質量評價指標的最小值和最大值。

2結果與分析

2.1不同土地利用類型土壤理化性質

由表1可以看出，研究區土壤含水量介于0.07%～0.15%之間，土壤含水量極低，限制了植被對土壤養分的吸收。灌木林地和荒地土壤鹽分含量大于20 g/kg，屬于鹽土[12]，其含量分別為68.41 g/kg和56.88 g/kg，遠高于其它3種用地類型下的土壤鹽分。在干旱區，pH值大于7.5，土壤顯堿性[13]，研究區pH值介于7.61～9.17之間，pH值過高，影響了土壤酶的活性。農田地土壤氮含量相對偏低，全氮和堿解氮僅為0.43 g/kg和70.68 mg/kg，是因為棉花對氮的需求量大，吸收利用了土壤中的氮元素。研究區果園地、農田地、灌木林地和荒地的C/N值小于15，土壤C/N含量偏低，限制植物根系的生長，也限制了植物通過深根方式汲取地下水分。物理性粘粒、全磷和速效磷在各土地利用類型下含量差異不顯著，有機質、全鉀和速效鉀在研究區分布存在較大的波動。

2.2土壤質量評價指標最小數據集的構建

通過主成分分析對12個土壤質量評價指標進行歸納分組，結果表明，前4個主成分的特征值都大于1且累積貢獻率為91.69%。綜合前述方法，將所有土壤質量評價指標歸納為6個小組（表3），物理性粘粒、含水量、pH值、全氮、全磷、速效磷、速效鉀、堿解氮和C/N 這9個指標共同構成了本研究土壤質量評價指標最小數據集（表3）。這9項指標間相關系數都小于0.5（表2），指標間沒有冗余并且很好地代表了研究區土壤質量信息。其中，物理性粘粒具有很好的保水保肥性質，是土壤廢物降解的介質，也是土壤中理化反應的場所；土壤含水量的高低直接影響著干旱區植被對養分的利用，是土壤質量評價的重要影響因素；全氮、全磷、速效磷、速效鉀和堿解氮等土壤養分直接關系到土壤質量的好壞；土壤C/N含量的高低與植被根系的生長密切相關。

2.3土壤質量綜合評價

選擇表3進入最小數據集的9個土壤質量指標，結合公式（3）計算得出每個指標所占的權重（表4）。判斷各個指標數量級最大的因子載荷值的正負確定指標隸屬度函數的升降性，pH值指標為降型隸屬度函數，其余的8項指標為升型隸屬度函數，得到各個土壤質量評價指標在不同利用類型下的隸屬值（表5）。由表4得出的最小數據集中各個指標的權重以及表5得出的隸屬度值，結合公式（2）計算得出不同土地利用類型的土壤質量綜合指數。其中，果園地、農田地、天然林地、灌木林地和荒地的土壤質量綜合指數分別為0.59、0.58、0.71、0.74和0.32，土壤質量排序為灌木林地>天然林地>果園地>農田地>荒地。根據全國地力等級劃分[14]，采用等間距法將土壤質量分為5個等級，土壤質量綜合指數值小于0.2，為5級；介于0.2～0.4之間，為4級；介于>0.4～0.6之間，為3級；介于>0.6～0.8之間，為2級；大于0.8，為1級。其中，荒地為4級地力，果園地和農田地為3級地力，天然林地和灌木林地為2級地力。

依據實地調查，結合實測數據分析，灌木林地的土壤質量最高，隸屬度值為0.74，其通過枯枝落葉腐解來提高土壤養分，其全氮、全磷和速效鉀的隸屬度值都為1，堿解氮的隸屬度值為0.93，土壤養分含量高，對改善土壤質量起到重大作用；同時枯枝落葉覆蓋在在土壤表層，有助于防止水分蒸發，灌木林地土壤含水量相對較高，其隸屬度值為0.93。和灌木林地屬于同一級地力的用地類型是天然林地，其土壤質量相對來說較高，是由于天然林地通過根部吸收水分和養分調節土壤水鹽平衡。天然林地生長的植被主要為喬木紅柳，其C/N值大于15，有助于根系的生長，可以通過深根方式汲取地下水分，緩解表層土壤水分壓力，其土壤含水量隸屬度值為0.90。果園地和農田地同屬第3級地力，其土壤質量相對來說較低。果園地土壤翻耕周期長，粘粒性土壤含量少，土壤容易板結，雨季水分難以入滲，旱季地表蒸發大，果園地水分缺乏較為嚴重，僅次于荒地。果園地C/N的隸屬度值僅為0.1，也不利于植被吸收深層地下水。農田地出現退化，主要是缺乏養分，全氮和速效鉀的隸屬度值僅為0.65和0.39，全磷和堿解氮的隸屬度值都為0.10。因為敦煌市主要種植棉花，棉花對氮肥的需求量極高，土壤氮含量極低，通常農民采用大量施用氮肥的方法解決這一問題。調查統計資料顯示，農業用地每年對氮肥的施用量遠遠高于磷肥、鉀肥以及復合肥，長此以往會導致土壤養分元素失調甚至引起化肥污染降低土壤質量；加之，敦煌市農業主要采用棉花連作的方式，棉花種植面積逐年擴大，豆類作物因為產量低而不被考慮，長期種植棉花會導致土壤質量降低。荒地土壤質量最低，隸屬度值僅為0.32，屬4級地力，荒地鹽堿化嚴重，植被難以生長，水土流失嚴重，土壤質量長期得不到改善而處于不斷惡化的狀況。

引入土壤相對質量指數[15]，通過設定天然林地的土壤為理想土壤，將果園地、農田地、灌木林地和荒地的土壤質量綜合指數與之進行對比分析，計算出果園地、農田地、灌木林地和荒地的土壤相對質量指數，分別為-16.56%、-18.28%、5.23%和-56.41%。灌木林地的土壤相對質量指數為正值，是因為灌木林地對土壤質量有改善作用，種植天然植物對提高土壤質量的作用是最大的；果園地、農田地和荒地的土壤相對質量指數均為負值，是因為人工種植、人為耕作和撂荒會降低土壤質量，果園地、農田地和荒地的土壤質量均有退化趨勢。

3討論

土壤含水量是干旱區土壤質量的關鍵限制因子，對干旱區土壤質量和作物產量的影響不可忽視[16]。敦煌市土壤含水量極低，介于0.07%～0.15%之間，遠小于8%，屬于干土[17]，不利于棉花等作物的萌芽[18]和生長。研究區農田采取大規模灌溉，同時由于灌溉技術落后、灌溉效率低下的原因，70%的灌溉水都白白地浪費掉了[19]。我國是一個水資源貧乏的國家，尤其是在敦煌市極端干旱地區，發展節水農業勢在必行。鑒于李和平等對塔里木河中下游棉花地膜下滴灌技術研究，成功節省了該區域78%的農業用水的經驗[20]，在敦煌市發展節水農業刻不容緩。果園地地表植被覆蓋少，水分蒸發量大，借鑒灌木林地地表層枯枝落葉的原理，可以在果園地地表鋪一層作物秸稈，不僅可以減少水分蒸發，秸稈腐化后還可以作為有機肥提高土壤養分。在農田地和果園地開溝建渠，可以防止降雨侵蝕帶走表層肥沃土壤。

不考慮C/N這項指標，果園地、農田地、天然林地、灌木林地和荒地的土壤質量綜合指數分別為0.65、0.62、0.67、0.75和0.32。果園地和農田地從3級地力升為2級地力，和天然林地屬同一級地力。果園地和農田地受人為活動的影響十分強烈，其土壤質量也只有在人為活動的維護下才能持續，一旦離開這種狀態，果園地和農田地的土壤質量會立刻出現嚴重的退化甚至崩潰。所以，果園地和農田地地力等級的提升削弱了它們自身的脆弱性，也減弱了它們對土壤質量的破壞。同時，天然林地土壤質量評價指數的降低，嚴重削弱了天然林地小型喬木紅柳深根吸水的作用，進一步減弱了土壤水對干旱區土壤質量的限制，也忽視了人為用地對土壤質量的影響。因此，本研究認為C/N這項指標在干旱區進行土壤質量評價十分必要。

研究區土壤質量退化主要表現為土壤含水量偏低與荒地鹽堿化嚴重，鹽堿化也是干旱區土壤質量的關鍵限制因子[16]。在進行最小數據集的構建過程中，鹽分沒有成為土壤質量評價指標，與鹽分對干旱區土壤質量有重要的影響并不矛盾。果園地和荒地由于人為作用的影響，其土壤鹽分含量分別為0.78 g/kg和1.05 g/kg，土壤未表現出鹽漬化；天然林地因為深根吸水對土壤鹽分進行調節，土壤鹽分含量為6.44 g/kg，土壤鹽化并不嚴重；灌木林地生長耐鹽堿地的黑果枸杞，土壤并未出現退化；而荒地由于鹽堿化嚴重，土壤質量出現嚴重退化，這進一步說明鹽堿化對干旱區土壤質量的影響不容忽視。鹽分與pH值和速效磷的相關系數分別為0.80和-0.78，相關性顯著，這兩項指標包含了鹽分的土壤質量信息。由于研究區特殊的用地類型，鹽分在果園地、農田地、天然林地和灌木林地的作用不顯著，在荒地中，pH值和速效磷的隸屬度值分別為0.10和0.45，涵蓋了鹽分所包含的土壤質量信息，從而替代了鹽分進入最小數據集。敦煌市荒地鹽分含量為56.88 g/kg，遠遠大于20 g/kg，植被難以生長，進一步導致土壤中水分和養分的流失，土壤質量持續惡化。研究區和荒地鹽堿化最接近的用地類型是灌木林地，灌木林地中黑果枸杞的大量生長改善了土壤質量。王龍強等[21]認為黑果枸杞通過在體內累積有機滲透物質以適應鹽堿地；林麗等[22]認為黑果枸杞可以改善鹽堿地的生態環境。這些研究都證明黑果枸杞在改善荒地鹽堿化方面切實可行，因此可以在鹽堿化嚴重的荒地種植黑果枸杞以對土壤質量進行修復。

4結論

4.1對土壤理化性質綜合分析，得出土壤物理性粘粒、土壤含水量和鹽分等12項指標的含量范圍。其中，土壤含水量介于0.07%～0.15%，土壤含水量極低；荒地鹽分含量為56.88 g/kg，鹽堿化嚴重，土壤質量退化主要表現為土壤含水量偏低與荒地鹽堿化嚴重。

4.2對土壤質量評價指標最小數據集的構建，得出速效鉀、含水量、物理性粘粒、全氮、pH值、速效磷、全磷、堿解氮和C/N這9個指標共同構成了本次研究評價土壤質量的評價指標最小數據集。

4.3對土壤質量綜合評價分析，得出果園地、農田地、天然林地、灌木林地和荒地的土壤質量綜合指數分別為0.59、0.58、0.71、0.74和0.32，土壤質量排序為灌木林地>天然林地>果園地>農田地>荒地。在土壤質量評價的基礎上，根據全國地力等級劃分，荒地為4級地力，果園地和農田地為3級地力，天然林地和灌木林地為2級地力。

4.4引入土壤相對質量指數，通過設定天然林地的土壤為理想土壤，計算出果園地、農田地、灌木林地和荒地的土壤相對質量指數，分別為-16.56%、-18.28%、5.23%和-56.41%，灌木林地的土壤相對質量指數為正，灌木林地對土壤質量有改善作用；果園地、農田地和荒地的土壤相對質量指數為負，果園地、農田地和荒地的土壤質量均有退化趨勢。

參考文獻：

[1]蔣霞，倪健.西北干旱區10種荒漠植物地理分布與大氣候的關系及其可能潛在分布區的估測[J].植物生態學報，2005，29（1）：98-107.

[2]李福興.我國西部地區耕地退化現狀及其防治對策[J].水土保持學報，2002，16（1）：1-5.

[3]李虹，馬駿，王春玲，等.酒泉市棉花壟作雙膜栽培技術[J].甘肅農業科技，2011，63（12）：58-59.

[4]張志成，崔增團，姜生林，等.淺談敦煌市農業可持續發展的思路及措施[J].甘肅水利水電技術，2010，46（11）：42-43.

[5]魏建斌，張多勇，康利軍.歷史時期哈密綠洲的時空分布特征與動力機制[J].干旱區研究，2014，31（1）：182-187.

[6]黃勇，楊忠芳.土壤質量評價國外研究進展[J].地質通報，2009，39（1）：130-136.

[7]李桂林，陳杰，孫志英，等.基于土壤特征和土地利用變化的土壤質量評價最小數據集確定[J].生態學報，2007，27（7）：2715-2724.

[8]趙振亞，姬寶霖，宋小園，等.基于層次分析和模糊數學法的公烏素土壤質量評價[J].干旱區研究，2014，31（6）：1010-1016.

[9]盧鐵光，楊廣林，王立坤.基于相對土壤質量指數法的土壤質量變化評價與分析[J].東北農業大學學報，2003，34（1）：56-59.

[10]王飛，李清華，林誠，等.福建冷浸田土壤質量評價因子的最小數據集[J].應用生態學報，2015，26（5）：1461-1468.

[11]孫波，趙其國.紅壤退化中的土壤質量評價指標及評價方法[J].地理科學進展，1999，19（2）：118-128.

[12]王玉剛，李彥，肖篤寧.土地利用對天山北麓土壤鹽漬化的影響[J].水土保持學報，2009，23（5）：179-183.

[13]王翠玲.蘭州地區葡萄缺鐵黃化病的研究[D].蘭州：甘肅農業大學，2003.

[14]張亞麗，周揚，翟曉藝，等.縣域-市域耕地地力評價結果尺度轉換方法及應用研究[J].水土保持學報， 2015，29（4）：327-331.

[15]劉夢云，安韶山，常慶瑞，等.寧南山區不同土地利用方式土壤質量評價方法研究[J].水土保持研究，2005，12（3）：35-37.

[16]巨龍，王全九，王琳芳，等.灌水量對半干旱區土壤水鹽分布特征及冬小麥產量的影響[J].農業工程學報，2007，23（1）：86-90.

[17]尹佳宜.東北黑土區切溝溝壁崩塌物理模型研究[D].北京：北京師范大學，2007.

[18]楊鳳梅.不同灌溉處理對棉花生長發育及產量的影響[J].塔里木大學學報，2008，20（2）：29-32.

[19]劉紅梅，王克強，黃智俊.農戶采用節水灌溉技術激勵機制的研究[J].中國水利，2006，23（19）：33-35.

[20]李和平，李國振，田長彥.塔里木河孔雀河中下游地區棉花膜下滴灌節水技術研究[J].干旱地區農業研究，2006，24（3）：82-84.

[21]王龍強，藺海明.黑果枸杞苗期耐鹽機制研究[J].科技導報，2011，29（10）：29-33.

[22]林麗，張裴斯，晉玲，等.黑果枸杞的研究進展[J].中國藥房，2013，24（47）：4493-4497.