我國東部水蝕區(qū)坡耕地土壤質(zhì)量現(xiàn)狀分析

馬芊紅，張光輝，耿韌，王浩

(1.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，100875，北京； 2.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，100875，北京)

我國東部水蝕區(qū)坡耕地土壤質(zhì)量現(xiàn)狀分析

馬芊紅，張光輝?，耿韌，王浩

(1.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，100875，北京； 2.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，100875，北京)

土壤質(zhì)量是土地生產(chǎn)力的基礎(chǔ)，為探討我國東部水蝕區(qū)坡耕地土壤質(zhì)量現(xiàn)狀，筆者采集36個樣點表層0～20 cm土樣，測定28項土壤理化指標(biāo)，利用主成分分析法確定表征土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)隸屬度與權(quán)重采用加權(quán)連乘法計算各采樣點的土壤質(zhì)量指數(shù)。結(jié)果表明：1)速效磷的變異系數(shù)最大，微團聚體體積分?jǐn)?shù)的變異系數(shù)最小，絕大部分指標(biāo)屬于中等強度變異，土壤物理指標(biāo)的變異系數(shù)明顯小于土壤化學(xué)指標(biāo)。2)黏粒體積分?jǐn)?shù)、粉粒體積分?jǐn)?shù)、微團聚體體積分?jǐn)?shù)、有機質(zhì)、pH值、Cd、Cr是表征土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，Cr隸屬度最高，而pH值隸屬度最低，Cd隸屬度在二級水蝕分區(qū)間差異顯著。3)36個采樣點的土壤質(zhì)量指數(shù)均值為0.64±0.16指數(shù)，6個二級水蝕分區(qū)間不存在顯著差異。36個采樣點土壤質(zhì)量指數(shù)屬較低、中等、較高和高等級的比例分別為8.33%、38.89%、36.11%、16.67%?？傮w而言，我國水蝕區(qū)坡耕地的土壤質(zhì)量整體狀況良好，但仍需要加強對土壤質(zhì)量偏低地區(qū)的培肥改良。本研究對認(rèn)識和維系我國東部水蝕區(qū)坡耕地土壤質(zhì)量、分等定級與區(qū)劃，合理開發(fā)利用坡耕地土地資源具有重要意義。

土壤質(zhì)量； 主成分分析； 關(guān)鍵指標(biāo)； 土壤質(zhì)量指數(shù)； 坡耕地； 水蝕區(qū)

土壤質(zhì)量是土壤在生態(tài)系統(tǒng)范圍內(nèi)維系生產(chǎn)力、凈化環(huán)境、保障動植物健康的能力[1-2]，是土地生產(chǎn)力的基礎(chǔ)。土壤質(zhì)量能夠敏感地反映土壤特性的動態(tài)變化，在時空尺度上轉(zhuǎn)化的方向和程度受自然環(huán)境和人類活動的共同影響[3]。土壤質(zhì)量直接關(guān)系到糧食安全和人類健康，隨著人地矛盾的不斷加劇，生態(tài)環(huán)境日益惡化，迫切需要科學(xué)的認(rèn)識和評價不同區(qū)域的土壤質(zhì)量。

我國東部水蝕區(qū)面積為454.4萬km2，約占我國陸地總面積的47%，總?cè)丝谶_(dá)11.5億，占全國人口總數(shù)的94%[4]。優(yōu)越的自然環(huán)境和社會條件使水蝕區(qū)成為我國糧食主產(chǎn)區(qū)，同時也是我國工商業(yè)活動最密集的地區(qū)。根據(jù)其自然環(huán)境和水土流失特點，該區(qū)可進(jìn)一步劃分為6個二級水蝕區(qū)[5](圖1)。坡耕地是水蝕區(qū)重要的耕地資源，但也是該區(qū)水土流失的重要策源地，我國水蝕區(qū)坡耕地水土流失量占該區(qū)總流失量的50%～60%[6]。強烈的水土流失和密集的人類社會經(jīng)濟活動共同威脅著我國水蝕區(qū)坡耕地的土壤質(zhì)量。目前對坡耕地土壤質(zhì)量的研究多集中在黃土高原地區(qū)和西南地區(qū)[7-10]且以中小尺度為主，而對我國東部水蝕區(qū)坡耕地土壤質(zhì)量的整體研究未見報道。為更好地保護(hù)水蝕區(qū)坡耕地土壤資源，保障糧食安全，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，有必要對我國東部水蝕區(qū)坡耕地土壤質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)查與分析。筆者擬利用主成分分析法從眾多土壤理化指標(biāo)中選取若干關(guān)鍵指標(biāo)，計算指標(biāo)隸屬度與土壤質(zhì)量指數(shù)，對比分析6個二級水蝕分區(qū)土壤質(zhì)量惡劣，明確水蝕區(qū)土壤質(zhì)量的制約因素及土壤質(zhì)量整體現(xiàn)狀。

1～36為采樣點編號，Ⅲ1～Ⅲ6分別代表西北黃土高原區(qū)、東北低山丘陵和漫崗丘陵區(qū)、北方山地丘陵區(qū)、南方山地丘陵區(qū)、四川盆地及周圍山地丘陵區(qū)和云貴高原區(qū). The code 1-36 in the Figure are serial numbers of sampling sites, and Ⅲ1-Ⅲ6 represent the Loess Plateau region, the northeast low mountain and rolling hill region, the northern mountain and hill region, the southern mountain and hill region, the Sichuan Basin and surrounding hill region and the Yunnan-Guizhou Plateau region, respectively.圖1 采樣點分布及土壤質(zhì)量等級對比圖Fig.1 Sampling sites distribution and contrast of their soil quality grades

1 材料與方法

1.1 樣品采集

我國東部水蝕區(qū)幅員遼闊，自然條件復(fù)雜，采樣難度較大，本文采用GPS定位法在東部水蝕區(qū)19個省級行政區(qū)內(nèi)較均勻地布設(shè)36個采樣點(圖1)，分屬36種不同的土壤類型，樣地坡度適宜，與村落、道路距離適中，所種植的作物均為當(dāng)?shù)氐牡湫妥魑?，可基本滿足土壤質(zhì)量現(xiàn)狀分析的要求。采樣時間為2015年3月至5月，此期間東部水蝕區(qū)大部分地區(qū)尚未進(jìn)入雨季，方便采樣。到達(dá)預(yù)定采樣點后，選取坡面平整、面積約為100～200 m2的3個地塊作為樣地。在每個地塊上，使用竹鏟，按照“S”形采樣法(5點)，采集表層0～20 cm的土壤，充分混合后，用四分法留取1 kg左右土樣并裝袋帶回室內(nèi)備用。

1.2 土壤理化性質(zhì)測定

將野外采集的土樣及時風(fēng)干研磨，分別過孔徑為2、1和0.149 mm的尼龍篩后裝袋備測。土壤密度測定采用環(huán)刀法，土粒密度采用比重瓶法(孔隙度=(1-土壤密度/土粒密度)×100%)，機械組成和微團聚體體積分?jǐn)?shù)采用馬爾文法(所用儀器為Mastersizer2000激光粒度儀，粒度劃分采用美國制)，結(jié)合粒度和微團聚體體積分?jǐn)?shù)計算微團聚體平均質(zhì)量直徑(MICMWD)和結(jié)構(gòu)系數(shù)[7, 9]，田間持水量與凋萎系數(shù)采用壓力膜儀法，吸濕水采用烘干法[11]，有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、pH值和陽離子交換量(CEC)采用常規(guī)方法測定[12]，As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn全量采用等離子體光譜法[13]。土壤密度設(shè)置9個重復(fù)，重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定設(shè)置3個重復(fù)，其余指標(biāo)均設(shè)置2個重復(fù)。

1.3 研究方法

1.3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 土壤理化指標(biāo)測定值經(jīng)Excel 2010預(yù)處理后，采用軟件SPSS 18.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析、相關(guān)分析、單因素方差分析、主成分分析等，使用軟件ArcMap 10.2和Origin 8.5制作圖形。

1.3.2 選取關(guān)鍵指標(biāo) 相關(guān)分析是主成分分析的前提，本文中28項土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性很強，可利用主成分分析法從中選取若干主成分，結(jié)合指標(biāo)的Norm值和指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)篩選若干關(guān)鍵指標(biāo)，從而降低數(shù)據(jù)冗余，提高計算效率[10,14]。主成分選取的原則是特征值>1且貢獻(xiàn)率較大，每個主成分上，旋轉(zhuǎn)因子載荷>0.5的指標(biāo)可作為該主成分因子的代表指標(biāo)劃分為同一組。Norm值是綜合反映某指標(biāo)對土壤質(zhì)量整體特征解釋能力的統(tǒng)計量[15]，計算公式如下：

(1)

式中：Ni為第i個指標(biāo)的Norm值，uij是第i個指標(biāo)在第j個主成分上的因子載荷，λj是第j個主成分的特征值，j=1，2，…，k。每組中Norm值小于最大Norm值10%的指標(biāo)對反映土壤質(zhì)量整體特征的貢獻(xiàn)較小，可忽略不計[16]。

1.3.3 計算指標(biāo)隸屬度 根據(jù)關(guān)鍵指標(biāo)對土壤質(zhì)量作用的方式，筆者選用S型、反S型和拋物線型3種隸屬度函數(shù)計算指標(biāo)隸屬度，為方便計算，將曲線函數(shù)簡化為相應(yīng)的折線函數(shù)[17-18]。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤理化指標(biāo)統(tǒng)計特征

受自然環(huán)境和人類活動的影響，36個采樣點土壤理化特性存在較大差異(表1)。從指標(biāo)測定值平均水平來看，土壤質(zhì)地為粉壤土，土壤密度與孔隙度適宜，土壤有機質(zhì)、氮磷鉀全量、堿解氮、速效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較高，土壤酸堿性接近中性，陽離子交換量偏低，土壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體不高。從變異系數(shù)來看，速效磷的變異系數(shù)最大，砂粒體積分?jǐn)?shù)、pH值和As的變異系數(shù)均>100%，同屬強變異指標(biāo)；微團聚體體積分?jǐn)?shù)的變異系數(shù)最小，屬于弱變異指標(biāo)，其余23項指標(biāo)的變異系數(shù)介于10%～100%之間，為中等強度變異指標(biāo)?？傮w而言，土壤化學(xué)指標(biāo)變異系數(shù)的均值是土壤物理指標(biāo)變異系數(shù)均值的2.23倍，因此本文中土壤化學(xué)指標(biāo)對土壤質(zhì)量總體變異的貢獻(xiàn)相對較大。這可能是由于土壤養(yǎng)分和重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)更易受耕作方式、土地管理強度等人類活動的影響而發(fā)生改變；而物理指標(biāo)受自然環(huán)境、成土母質(zhì)等較穩(wěn)定因素的影響較大。

2.2 土壤質(zhì)量關(guān)鍵指標(biāo)

前5個主成分的特征值均>1且累積貢獻(xiàn)率超過80%，結(jié)合指標(biāo)的Norm值和相關(guān)系數(shù)，確定土壤質(zhì)量分析關(guān)鍵指標(biāo)。由表2可知，第1組中，有機質(zhì)與其他10項土壤養(yǎng)分指標(biāo)、土壤水分指標(biāo)和土壤密度間均存在較強的相關(guān)性(R>0.5，P<0.01)，而在土壤質(zhì)量評價中常把有機質(zhì)作為最重要的指標(biāo)[19]；因此，該組中將有機質(zhì)列為土壤質(zhì)量分析關(guān)鍵指標(biāo)。第2組中，黏粒體積分?jǐn)?shù)與物理性黏粒體積分?jǐn)?shù)、砂粒體積分?jǐn)?shù)間的相關(guān)性很強(R>0.7，P<0.01)，而粉粒體積分?jǐn)?shù)與黏粒體積分?jǐn)?shù)、砂粒體積分?jǐn)?shù)的相關(guān)性較弱；因此，黏粒體積分?jǐn)?shù)和粉粒體積分?jǐn)?shù)均可作為分析土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。第3組中，Cr與Ni、Cu和全鉀均呈極顯著相關(guān)(P<0.01)且相關(guān)系數(shù)>0.7；因此Cr可列為關(guān)鍵指標(biāo)之一。第4組中，Cd與As、Pb、Zn間存在極強的相關(guān)性(R>0.8，P<0.01)；因此，Cd成為該組中表征土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。第5組中，微團聚體體積分?jǐn)?shù)與MICMWD和結(jié)構(gòu)系數(shù)呈極顯著相關(guān)(P<0.01)且相關(guān)系數(shù)>0.6，而pH值與其他指標(biāo)的相關(guān)性較弱；因此將微團聚體體積分?jǐn)?shù)和pH值均作為土壤質(zhì)量分析關(guān)鍵指標(biāo)。綜上所述，將黏粒體積分?jǐn)?shù)、粉粒體積分?jǐn)?shù)、微團聚體體積分?jǐn)?shù)、有機質(zhì)、pH值、Cd和Cr 7項指標(biāo)作為反映我國東部水蝕區(qū)坡耕地土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

表1 土壤理化指標(biāo)統(tǒng)計特征Tab.1 Statistical characteristics of soil physical and chemical indexes

注：MICMWD是微團聚體平均質(zhì)量直徑；CEC是陽離子交換量。Note: MICMWD: microaggregate mean weighted diameter; CEC: abbreviation of cation exchange capacity.

2.3 土壤質(zhì)量綜合分析

2.3.1 指標(biāo)隸屬度及權(quán)重 關(guān)鍵指標(biāo)隸屬度是計算土壤質(zhì)量指數(shù)，綜合分析水蝕區(qū)坡耕地土壤質(zhì)量的基礎(chǔ)。參照曹志洪[19]、許明祥等[7]、李強等[8]的研究結(jié)果和GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，確定關(guān)鍵指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化所選用的隸屬度函數(shù)類型及臨界值(表3)。結(jié)果表明，Cr的隸屬度最高，其次為黏粒體積分?jǐn)?shù)隸屬度，pH值隸屬度和粉粒體積分?jǐn)?shù)隸屬度偏低；因此，pH值和粉粒體積分?jǐn)?shù)是最主要的土壤質(zhì)量限制因素。各指標(biāo)隸屬度的變異系數(shù)介于20%～50%之間，均為中等強度變異。由單因素方差分析結(jié)果可知，黏粒體積分?jǐn)?shù)、粉粒體積分?jǐn)?shù)、微團聚體體積分?jǐn)?shù)、有機質(zhì)、pH值和Cr的隸屬度值在6個二級水蝕分區(qū)間不存在顯著差異；四川盆地及周圍山地丘陵區(qū)Cd隸屬度值顯著高于西北黃土高原區(qū)、東北低山丘陵和漫崗丘陵區(qū)、北方山地丘陵區(qū)和云貴高原區(qū)(P<0.01)，這表明與其他地區(qū)相比，四川盆地及周圍山地丘陵區(qū)坡耕地土壤鎘污染可能較為嚴(yán)重。

表2 土壤理化指標(biāo)分組、旋轉(zhuǎn)因子載荷與Norm值Tab.2 Teams, rotated factor loadings and Norm valves of soil physical and chemical indicators

注：PC1～PC5為前5個主成分。Note: PC1-PC5: the first five principal components.

表3 關(guān)鍵指標(biāo)選用的隸屬度函數(shù)類型及臨界值Tab.3 Membership function types and the critical values for the key indexes

權(quán)重系數(shù)可以定量表征關(guān)鍵指標(biāo)對土壤質(zhì)量的貢獻(xiàn)程度，為確保權(quán)重系數(shù)的客觀性和準(zhǔn)確性，筆者將主成分分析結(jié)果中各指標(biāo)公因子方差占公因子方差總和的比例作為權(quán)重系數(shù)[10]。結(jié)果表明，黏粒體積分?jǐn)?shù)、粉粒體積分?jǐn)?shù)、微團聚體體積分?jǐn)?shù)、有機質(zhì)、pH值、Cd、Cr權(quán)重系數(shù)分別為0.15、0.09、0.17、0.16、0.16、0.13、0.14。

2.3.2 土壤質(zhì)量指數(shù) 土壤質(zhì)量指數(shù)可綜合定量地表征各采樣點及水蝕區(qū)土壤質(zhì)量狀況，數(shù)值越大，土壤質(zhì)量越高。本文采用模糊數(shù)學(xué)中的加權(quán)連乘法將單指標(biāo)隸屬度轉(zhuǎn)化為綜合的土壤質(zhì)量指數(shù)[7]，便于直觀地比較各采樣點的土壤質(zhì)量，計算公式如下：

(2)

式中：Isq為土壤質(zhì)量指數(shù)，Ki是第i個指標(biāo)的隸屬度，wi是第i個指標(biāo)的權(quán)重，n是關(guān)鍵指標(biāo)的個數(shù)，n=7，連乘運算更能體現(xiàn)土壤系統(tǒng)是一個各部分緊密聯(lián)系的有機整體，某一方面的不足將嚴(yán)重制約整體土壤質(zhì)量[7]。

土壤質(zhì)量指數(shù)計算結(jié)果表明(圖1)，36個采樣點土壤質(zhì)量指數(shù)均值為0.64±0.16，6個二級水蝕分區(qū)間土壤質(zhì)量指數(shù)均值不存在顯著差異，云貴高原區(qū)土壤質(zhì)量指數(shù)均值最大(0.77±0.01)，四川盆地及周圍山地丘陵區(qū)均值最小(0.55±0.04)，西北黃土高原區(qū)與南方山地丘陵區(qū)土壤質(zhì)量指數(shù)大小相當(dāng)，東北低山丘陵和漫崗丘陵區(qū)略高于北方山地丘陵區(qū)。

為更加直觀地對比分析土壤質(zhì)量，采用等距法將土壤質(zhì)量指數(shù)分為5個等級，分別為低(0

3 結(jié)論

1)從指標(biāo)變異性來看，砂粒體積分?jǐn)?shù)、速效磷、pH值和As為強變異指標(biāo)，微團聚體體積分?jǐn)?shù)屬弱變異指標(biāo)，其余指標(biāo)均為中等強度變異；土壤物理指標(biāo)的變異系數(shù)均值明顯小于土壤化學(xué)指標(biāo)。

2)黏粒體積分?jǐn)?shù)、粉粒體積分?jǐn)?shù)、微團聚體體積分?jǐn)?shù)、有機質(zhì)、pH值、Cd和Cr為土壤質(zhì)量分析關(guān)鍵指標(biāo)，Cr與黏粒體積分?jǐn)?shù)隸屬度較大，pH值與粉粒體積分?jǐn)?shù)隸屬度偏小。四川盆地及周圍山地丘陵區(qū)Cd的隸屬度值顯著偏高，其余指標(biāo)隸屬度值在6個二級水蝕分區(qū)間不存在顯著差異。

3)36個采樣點的土壤質(zhì)量指數(shù)均值為0.64±0.16，6個二級水蝕分區(qū)間土壤質(zhì)量指數(shù)均值不存在顯著差異。土壤質(zhì)量指數(shù)屬較低、中等、較高和高等級的樣點數(shù)所占比例分別為8.33%、38.89%、36.11%、16.67%，絕大部分采樣點土壤質(zhì)量指數(shù)處于中等及以上水平。

總之，黏粒體積分?jǐn)?shù)、粉粒體積分?jǐn)?shù)、微團聚體體積分?jǐn)?shù)、有機質(zhì)、pH值、Cd和Cr7個指標(biāo)具有較好的代表性，能夠反映我國水蝕區(qū)坡耕地土壤質(zhì)量現(xiàn)狀。總體而言，我國水蝕區(qū)坡耕地土壤質(zhì)量整體狀況良好，6個二級分區(qū)間不存在顯著差異，但仍有少數(shù)采樣點土壤質(zhì)量指數(shù)偏低，應(yīng)進(jìn)一步尋找原因及對策，改善當(dāng)?shù)赝寥蕾|(zhì)量。需要說明的是，本文中采樣點相對較少且目前沒有同類研究結(jié)果作比較，因此還需要進(jìn)一步在生產(chǎn)實踐中驗證本文的研究結(jié)果。

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Present condition analysis of sloping farmland soil quality inthe eastern water erosion zone of China

MA Qianhong, ZHANG Guanghui, GENG Ren, WANG Hao

(1.State Key Laboratory of Earth Surface Process and Resource Ecology, Beijing Normal University, 100875, Beijing, China;2.Faculty of Geographical Science, Beijing Normal University, 100875, Beijing, China)

[Background] Soil quality is the foundation of land productivity. Sloping farmland is an important kind of cultivable land resource in the water erosion zone of China. The current study is aimed at investigating the general situation of sloping farmland soil quality in this region. [Methods] We collected 36 soil samples from the soil layer of 0-20 cm in this region dispersedly and tested 28 soil physical and chemical indicators for each soil sample. The method of principal component analysis (PCA) was used to select the key indicators for soil quality analysis. Membership functions were used to transform the key indicators into dimensionless data, and the weighted multiplication method was applied to calculate soil quality index (SQI) for each sampling point. [Results] 1) The variation coefficient of available P was the maximum, and the variation coefficient of microaggregate volume fraction was the minimum. Most of the indicators had intermediate variability. The mean variation coefficient of soil physical indicators was much smaller than soil chemical indicators. 2) The key indicators for assessing soil quality were clay volume fraction, silt volume fraction, microaggregate volume fraction, soil organic matter, pH，Cd and Cr. Cr had the highest membership value, while pH had the lowest membership value. The membership values of Cd were significantly different between the six secondary partition regions. 3) The mean value of the SQI was 0.64±0.16. There was no significant difference about SQI between the six secondary partition regions. The proportions of SQI ranked as low, middle, high, higher level were 8.33%, 38.89%, 36.11% and 16.67% of the total area of sloping farmland, respectively. [Conclusions] On the whole, the general situation of sloping farmland soil quality in the region was fine, but we still need to strengthen fertilization and amelioration in the regions with low soil quality. These findings of the study had great significance for understanding and maintaining sloping farmland soil quality, soil quality grade classification and regionalization, exploiting and utilizing land resource reasonably in the eastern water erosion zone of our country.

soil quality; principal component analysis; key indicator; soil quality index; sloping farmland; the eastern water erosion zone of China

2016-07-22

2017-03-22

項目名稱： 國家自然科學(xué)基金重點項目“退耕驅(qū)動近地表特性變化對侵蝕過程的影響及其動力機制”(41530858)；國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目“地表過程模型與模擬”(41621061)

馬芊紅(1991—)，女，碩士研究生。主要研究方向：水文與水資源。E-mail:maqianhong@mail.bnu.edu.cn

?通信作者簡介： 張光輝(1969—)，男，博士，教授。主要研究方向：土壤侵蝕與水土保持。E-mail:ghzhang@bnu.edu.cn

S158; S159.2

A

2096-2673(2017)03-0036-07

10.16843/j.sswc.2017.03.005