基于最小數據集的東北風沙土農田耕層土壤質量評價指標

喬云發, 鐘 鑫， 苗淑杰, 李 琪, 陸欣春

(1.南京信息工程大學 應用氣象學院, 南京 210044; 2.中國科學院 東北地理與農業生態研究所, 哈爾濱 150081)

東北風沙土區農田是東北三省西部與內蒙接壤地區分布最為廣泛的耕地土壤類型[1]。土壤以沙礫為主、黏粒含量少、保水保肥能力差、土壤貧瘠、有機質缺乏、易干旱。農業生產過程中小型農機具占據主導地位，長期以旋代耕造成土壤緊實、耕層變淺、犁底層增厚、通透性變差等諸多耕層結構問題，是該區域風沙土農田耕層質量下降的突出問題[2]。近年來人們越來越關注耕層土壤質量問題，因為對土壤質量的深入了解是土壤可持續管理的基礎。耕層土壤質量是土壤的健康、肥力和環境的綜合體現，能夠比較全面地反映土壤生產力[3]。準確提取適宜評價指標是耕層土壤質量評價的重要環節，而在評價指標篩選中，除了利用原始變量作為評價指標外，Larson和Pierce提出采用土壤參數最小數據集(MDS)來評價指標間的相互關系[3-4]。最小數據集是從大量土壤質量評價參數中篩選出相對獨立、影響土壤質量的敏感性指標，建立可以反映土壤質量最少的指標參數的集合，在土壤質量評價及監測工作中得到了廣泛的應用[5]。

土壤質量評價研究已在國內外普遍開展，一些評價方法如灰色系統理論、模糊數學、主成分分析、人工神經網絡以及隸屬度函數等已得到廣泛應用，但評價過程中參數的選擇仍較為模糊，尤其是涉及評價因子最小數據集的確定[6-9]。土壤最小數據集評價指標的建立是土壤質量評價的基礎和重要環節[9]。最小數據集建構有多種方法，常用的方法有聚類分析、主成分分析、相關性分析、Norm值提取指標[10]。不同最小數據集建構方法確定的評價指標差異較大，因此選取合適最小數據集建構方法進行評價指標體系的研究，使評價指標科學化、合理化顯得尤為重要[11]。近年來，關于土壤質量評價的研究已成為熱點。國內外學者分別對亞熱帶的農業試驗田、酸性稻田、水旱輪作農田、冷浸田、綠洲、黃土高原、人工林等建立了最小數據集[5,9-17]，而關于東北風沙土農田耕層土壤質量評價指標篩選和最小數據集的研究少見報道。本研究以黑龍江省西部風沙土區農田耕層土壤為靶區，基于耕層土壤理化指標，通過聚類分析建立最小數據集，探討應用最小數據集衡量風沙土農田耕層土壤結構特征的可行性和適用性，研究結果可為我國東北風沙土區農田合理耕層構建提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于黑龍江省杜爾伯特蒙古族自治縣，地處溫帶半干旱草原地帶，地理坐標為東經123°45′—124°42′，北緯45°53′—47°81′，南北長103 km，東西寬60 km，土壤以風沙土為主，四季分明，年均降水量400 mm，降水主要集中在7—9月。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集 試驗于2015年10月—2017年10月，在黑龍江省杜爾伯特蒙古自治縣域(以下簡稱杜蒙縣)，采用“S”形多點混合采樣，進行耕層土壤結構指標和玉米產量的測量，共取53個樣點(圖1)，采集0—20 cm耕層土壤樣品，去除植物根系和石塊，風干后用于理化性質測定。

圖1 杜蒙縣域內樣點分布

1.2.2 土壤理化性質測定 共測定土壤理化性狀指標21項，其中pH值、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮、速效磷、速效鉀、有機質、土壤容重、陽離子交換量(CEC)、土壤機械組成、平均重量直徑(MWD)、土壤含水量、田間持水量和土壤孔隙度參照《土壤農業化學分析方法》進行各項指標的分析測定[18]；耕層和犁底層厚度采用鋼卷尺測量、土壤滲透速率采用環刀法、耕層硬度采用硬度計田間原位測定，對每個所測指標進行3次平行測定，結果取其平均值；玉米產量測量采用多點采樣測量平均。

1.3 土壤質量最小數據集建立

研究選用的21項評價指標，綜合考慮土壤基礎肥力和物理性質。在SPSS 22中運用Pearson距離對評價指標進行R型聚類分析。根據相關分析，每組中相關性顯著的指標可相互代替，選擇易度量、重現性好的指標，剔除冗余指標，選擇具有代表性且相互獨立的指標進入最小數據集[3,16]。

1.4 耕層土壤質量指數

耕層土壤質量指數是對耕層土壤結構評價指標的集成，耕層土壤指數越大，則土壤耕層結構越趨于合理，土壤生產力越高。計算耕層土壤質量指數對土壤生產力進行評價，可為土壤生產力狀況和合理耕層構建提供依據。基于不同最小數據集，由主成分分析獲得各指標權重，計算土壤耕層指數，計算公式如下[5]：

(1)

由于評價指標對作物的作用方式不同，評價指標得分隸屬函數類型不同，隸屬度函數一般分為升型和降型(表1)。

表1 耕層土壤質量評價指標隸屬函數

2 結果與分析

2.1 東北風沙土耕層土壤屬性描述性統計分析

耕層土壤質量一般采用土壤理化學指標反映，耕層土壤屬性特征差異明顯(表2)。本研究選取21項耕層結構因子作為評價指標，犁底層厚度、耕層厚度、pH值、田間持水量、土壤孔隙的變異系數12.98%～15.36%，變異程度較低，接近不敏感水平(CV<10%)，符合農業生產耕層淺、犁底層厚、蓄水能力差、通透性低的現狀。堿解氮、全氮、有機質、細沙、硬度、滲透速率為中敏感度指標(CV為31.91%～41.91%)，是耕層土壤質量調控與恢復的主要目標。全磷、容重和粗沙粒的變異系數CV<10%，屬于相對穩定指標，是維護耕層土壤結構穩定的主要因素。玉米產量為4.23～11.76 t/hm2，變異系數為24.21%，可見風沙土農田生產力空間變異性較大。K-S檢驗結果表明，各項指標均服從正態分布(p<0.05)。

表2 東北風沙土農田耕層質量評價土壤參數統計特征

2.2 風沙土農田耕層最小數據集(MDS)建立

運用SPSS 22中的聚類分析法中R型聚類，對全量數據集21項評價指標進行分類。圖2表明，在聚合水平10，評價指標劃分為6類，第1類為堿解氮、速效鉀、全氮、全鉀、有機質、陽離子交換量、黏粒、含水量、田間持水量和土壤孔隙度表征土壤基礎地力。由表3可見，土壤有機質與堿解氮(0.763**)、全氮(0.594**)、速效鉀(0.696**)、全磷(0.530**)、陽離子交換量(0.457*)、含水量(0.720**)、田間持水量(0.618**)、土壤孔隙度(0.520**)均為高度相關，提高有機質含量，可以改善土耕層土壤保水保肥能力，選擇有機質進入最小數據集。風沙土黏粒含量與21項評價指標中14項指標高度相關(表3)，一般風沙土黏粒含量直接影響耕層土壤保水保肥能力評價，是反映風沙土質量的重要指標，則黏粒含量進入MDS。第2類為耕層厚度和平均重量直徑，表征耕層土壤基本結構性狀，耕層厚度與平均重量直徑呈極顯著相關(0.366**)，耕層厚度是土壤生產力的基本限制條件，前人研究表明土壤質量評價指標中耕層厚度累積使用頻率達50%[3]，是反映土壤質量的重要指標，則耕層厚度進入MDS。第3類為速效磷和硬度，速效磷含量的變化可以反映土壤質量的變化，硬度是反映土壤耕性的重要指標，因此速效磷和硬度兩者都進入最小數據集MDS。犁底層厚度、pH值和滲透速率為第4類，表征犁底層特性和土壤酸堿度，土壤滲透速率與犁底層厚度存在相關性(0.268*)，犁底層厚度可以表征滲透速率部分信息，犁底層厚度也是合理耕層評價重要指標，選擇犁底層厚度進入MDS，pH值是衡量土壤酸堿度的主要指標，在土壤質量評價使用率達90%[3]，因此選擇pH值進入MDS；第5類為土壤細沙和耕層土壤容重，容重和細沙含量存在高度相關性(0.606**)，土壤容重能反映土壤孔隙特征和耕作特性，選擇土壤容重進入MDS。第6類為全鉀和粗沙，表征土壤鉀素和顆粒組成特征，粗沙含量高是風沙土一個固有特性，變異性僅為3.20%，屬于不敏感指標，選全鉀進入MDS。最終確定有機質、黏粒、耕層厚度、速效磷、硬度、犁底層厚度、pH值、容重和全鉀9項指標進入MDS。

圖2 東北風沙土農田耕層質量評價聚類分析樹

表3 東北風沙土農田耕層評價指標Person相關系數矩陣

注:*為相關關系顯著(p<0.05)；**為相關關系極顯著(p<0.01)。

2.3 土壤質量指數

分別對全量數據集指標以及最小數據集指標做主成分分析，獲得各個指標的公因子方差，提取評價指標的公因子方差，得到全量數據集指標權重分別為耕層厚度0.015，犁底層厚度0.002，pH值0.017，堿解氮0.086，速效磷0.043，速效鉀0.065，全氮0.090，全磷0.067，全鉀0.021，有機質0.114，陽離子交換量0.034，沙粒0.057，細沙0.062，黏粒0.099，平均重量直徑0.018，容重0.054，硬度0.005，含水量0.068，持水量0.077，孔隙度0.006和滲透速率0.001；得到MDS指標權重分別為有機質0.138，黏粒0.182，耕層厚度0.053，速效磷0.109，硬度0.138，犁底層厚度0.042，pH值0.053，容重0.183和全鉀0.115。采取土壤質量指數函數計算各個土壤質量評價數據集的土壤質量指數，得到全量數據集土壤質量指數和最小數據集土壤質量指數。全量數據集土壤質量指數變化幅度為0.21～0.80，均值為0.46±0.17，變異系數為37.8%，屬中度變異性。最小數據集土壤質量指數變化幅度為0.23～0.72，均值為0.46±0.11，變異系數為24.2%，屬中度變異性。最小數據集評價指標體系合理性驗證是耕層土壤質量評價的重要環節[19-20]。圖3表明，全量數據集土壤質量指數、玉米產量與最小數據集土壤質量指數均呈極顯著正相關關系，這說明選擇最小數據集能夠替代全量數據集對風沙土耕層土壤質量進行評價。

注：**表示相關性極顯著。

圖3 全量數據集土壤質量指數、玉米產量與最小數據集土壤質量指數的相關性

2.4 風沙土耕地耕層土壤地力分析

基于風沙土耕地耕層土壤質量MDS診斷結果，以基于聚類分析得出的最小數據集指標：耕層厚度、犁底層厚度、pH值、速效磷、有機質、全鉀、黏粒、容重和硬度作為合理耕層診斷指標。土壤質量指數(SQI-MDS)取值范圍為0～1，其值越高，表明各診斷指標對作物生長貢獻率越大，作物產量越高[3]。根據耕層土壤質量指數，把土壤地力劃分為5級(表4)。野外調查53個點中34.0%樣點土壤質量指數0.2～0.4，地力Ⅳ級，52.8%樣點土壤質量指數0.4～0.6，土壤地力Ⅲ級，11.2%樣點土壤質量指數0.6～0.8，土壤地力Ⅱ級，調查風沙土區域沒有Ⅰ級和Ⅴ級地力耕層分布。調查區域風沙土的平均土壤質量指數為0.46，總體上東北風沙土屬于地力Ⅲ級。根據玉米產量差異，把土壤地力劃分為5級(表4)，野外調查53個點中1個樣點玉米產量為4.2 Mg/hm2，地力Ⅴ級，19個樣點玉米產量4.4～6.8 Mg/hm2土壤地力屬于Ⅳ級，22個樣點玉米產量6.8～9.3 Mg/hm2土壤地力屬于Ⅲ級，10個樣點玉米產量9.3～11.7 Mg/hm2土壤地力屬于Ⅱ級，1個樣點玉米產量11.8 Mg/hm2土壤地力屬于Ⅰ級。調查區域風沙土的平均玉米產量7.6 Mg/hm2，總體上東北風沙土屬于地力Ⅲ級。由表4推測風沙土合理耕層具備較厚的耕層，適當的犁底層、pH值、黏粒、容重，較小的硬度，較高的速效磷、全鉀和有機質含量。

表4 東北風沙耕地耕層地力閾值診斷

3 討 論

在一定土壤—作物—氣候條件下，土壤質量的高低是衡量土壤肥力、土壤環境及作物生產可持續性的重要指標[21]。國內外已在土壤質量評價指標方面開展了大量的研究工作。但目前并沒有統一的土壤質量評價標準和評價方法，因為不同的評價者目的不一樣，側重的土壤功能也不一樣，決定了評價指標的差異[22]。基于國內外通過建立MDS對耕地土壤質量評價的研究成果[3]，本研究選用21項耕層理化性質作為耕層土壤質量評價指標，對東北風沙土農田耕層全量數據集和最小數據集評價指標進行了對比分析，全量數據集評價指標中包括國內外土壤質量評價使用頻率最高的土壤容重、黏粒、pH值、全氮、團聚體平均重量直徑、粉粒、砂粒、有機質、孔隙度和有效磷前10項指標[3]；最小數據集9項評價指標中的土壤容重、黏粒、pH值、有機質和有效磷5項指標進入最小數據集評價指標使用頻率前10位，表明本研究中全量數據集和最小數據集評價指標體系均與前人研究結果相似，有較好代表性。根據土壤質量指數評價與根據土壤生產力評價土壤質量結果相一致，研究區域東北風沙土屬于地力Ⅲ級，土壤質量指數評價適宜于風沙土耕層土壤質量評價。

根據MDS數據集篩選出的9項評價指標，結合農業生產實際情況，土壤有機質、耕層厚度、速效磷、硬度、犁底層厚度和容重6個指標通過耕作和施肥易于改善[2,6,12]；而土壤黏粒含量和pH值是土壤難于改善的特有屬性，一般通過常規耕作和施肥是難于改良的，所以在農業生產過程中應多注意施用黏粒含量高的有機肥和酸性肥料。MDS數據集中土壤容重、黏粒、pH值、有機質和有效磷這5項指標屬于土壤質量評價指標最小數據集使用頻率最高的前10位評價指標[3]，結合MDS中各項指標權重，土壤容重、黏粒、有機質和有效磷4項指標可以解釋風沙土質量評價結果的61.2%，土壤容重可以反映土壤的基本物理性狀，黏粒是評價土壤質量的重要指標，有機質是土壤質量評價中必備指標，另外土壤有機質與土壤質量全量評價指標中13項指標顯著相關(表3)，磷是植物生長三大必需營養元素之一，風沙土又是缺磷土壤(表2)，有效磷是植物可以直接吸收利用態磷，所以可以將土壤容重、黏粒、有機質和有效磷4項指標作為風沙土質量評價最直接指標。

合理耕層結構是衡量風沙土生產力的關鍵因素，是一系列土壤理化性質和力學性質的綜合反映[23]。本研究通過聚類分析篩選出的最小數據集指標，初步確定風沙土耕層地力分級閾值。耕層厚度及有效耕作土壤是影響耕層水分、養分庫容量的關鍵，耕層越厚，有效耕作土壤越多，儲存水分和養分能力越強，產量越高[24]。土壤貫穿阻力越小，土壤穩定性越弱，容重越小，有利于水分滲透，降雨形成的地表徑流越弱，養分損失越小，耕層結構越合理[1-3,11]。風沙土主要是沙粒組成，黏粒含量少，團聚化能力弱，造成保水保肥能力差，適當增加黏粒含量，增加耕層土壤保水保肥能力[1-2]。風沙土沙粒含量高，通透性強，田間持水量平均為22.23%，小于其他類型土壤，耕層大孔隙水容易淋溶，有適當厚度犁底層可以阻礙耕層水的淋溶，增加耕層保水保肥能力[2,17,19]。風沙土是有機質含量低的農田土壤類型之一，土壤有機質與土壤13項評價指標具有較好的相關性，特別是作為生長所需要的氮磷鉀養分(表2)，基于最小數據集MDS建立時，有機質代替8項指標進入最小數據集，這說明風沙土農田養分很容易受施入有機質的影響，所以對于養分缺乏的風沙土Ⅲ—Ⅴ級產田，采用有機肥與氮磷鉀化肥配合施用的肥料管理措施，土壤養分的供應能力就可以得到有效改善，從而提升耕層土壤質量[21]。pH值對作物生長影響較大，適宜的pH值是風沙土耕層合理性重要評價指標[3,19]。結果表明風沙土合理耕層結構特點，耕層厚度偏后，犁底層厚度、pH值、黏粒含量和容重適當，土壤速效磷、有機質和全鉀含量較高。本研究結果可以客觀、清晰、準確地分析東北風沙土區域土壤質量的空間分布，在有限有機肥資源條件下，針對不同質量田塊采取相應耕作培肥措施，提高土壤質量，有利于指導農業生產。總體上看，合理耕層構建采取適當深翻/深松增加耕層厚度，降低土壤容重和貫穿阻力，施用有機肥培肥土壤有機質和全氮含量，改善耕層物理性狀，增加耕層儲水能力，促進作物增產。

4 結 論

(1) 本研究所選擇的21項風沙土耕層土壤質量評價指標特征差異明顯，覆蓋評價指標中使用頻率最高的前10個指標，全量數據集有較好代表性。全量數據集土壤質量指數、玉米產量與最小數據集土壤質量指數均呈極顯著正相關關系，這說明選擇最小數據集能夠替代全量數據集對風沙土耕地耕層土壤質量進行評價。最小數據集由耕層深度、犁底層厚度、pH值、速效磷、有機質、全鉀、黏粒、容重和硬度9項評價指標組成。

(2) 根據土壤質量評價指數劃分土壤地力，野外調查53個點中34.0%樣點土壤質量指數0.2～0.4，地力Ⅳ級，52.8%樣點土壤質量指數0.4～0.6，土壤地力Ⅲ級，11.2%樣點土壤質量指數0.6～0.8，土壤地力Ⅱ級，調查風沙土區域沒有Ⅰ級和Ⅴ級地力耕層分布。研究區域東北風沙土土壤質量指數0.22～0.72，平均土壤質量指數為0.46，總體上東北風沙土屬于地力Ⅲ級。

(3) 根據玉米產量劃分土壤地力，野外調查53個點中1.9%樣點屬于地力Ⅴ級，35.8%樣點土壤地力屬于Ⅳ級，41.5%樣點土壤地力屬于Ⅲ級，18.9%樣點土壤地力屬于Ⅱ級，1.9%樣點土壤地力屬于Ⅰ級。調查區域風沙土的平均玉米產量7.6 Mg/hm2，總體上東北風沙土屬于地力Ⅲ級。

(4) 調查區域風沙土合理耕層具備較厚的耕層，適當的犁底層、pH值、黏粒、容重，較小的硬度，較高的速效磷、全鉀和有機質含量。不同生產力風沙土的質量水平與農業生產管理水平有密切關系。通過深耕施有機肥和化肥，風沙土中低產田養分狀況可以在比較短的時間內迅速改善，使土壤質量得到提高。由于土壤質量指標本身的復雜性，特別是土壤理化性質和生物化學性質共同對土壤質量的影響有待于進一步深入研究。