基于聚類及PCA分析的紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量評價指標(biāo)

金慧芳，史東梅※，陳正發(fā)，劉益軍，婁義寶，楊 旭

?

基于聚類及PCA分析的紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量評價指標(biāo)

金慧芳1，史東梅1※，陳正發(fā)2，劉益軍1，婁義寶1，楊 旭1

（1. 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715； 2. 中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，昆明 650051）

為準(zhǔn)確評價紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量特征，該文采用聚類分析法（CA）和主成分分析法（PCA）分別建立了南方紅壤丘陵區(qū)坡耕地耕層質(zhì)量診斷最小數(shù)據(jù)集（minimum data set，MDS），并利用最小數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)（soil quality index-CA, SQI-CA和soil quality index-PCA, SQI-PCA）和全量數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)（soil quality index-total, SQI-T）對坡耕地耕層特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：1）紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量變化特征差異明顯，其中耕層平均厚度(19.93±4.9) cm，接近作物生長適宜水平；土壤有機(jī)質(zhì)、全氮平均含量分別為(17.43±8.71)和(0.97±0.42) g/kg，處于中度貧瘠化水平；土壤有效磷和速效鉀含量豐富，平均含量分別為(26.1±22.22)和(155.46±88.35 )mg/kg；pH均值為(5.34±0.77)，土壤呈弱酸性。2）紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集由耕層厚度、土壤容重、土壤貫入阻力、土壤有機(jī)質(zhì)、pH值和有效磷組成。基于不同數(shù)據(jù)集的耕層土壤質(zhì)量評價結(jié)果差異明顯，土壤質(zhì)量指數(shù)變化范圍、均值表現(xiàn)為SQI-T>SQI-CA>SQI-PCA，變異系數(shù)表現(xiàn)為SQI-T

土壤；聚類分析；主成分分析；最小數(shù)據(jù)集；紅壤坡耕地；合理耕層；土壤質(zhì)量

0 引 言

紅壤坡耕地是中國南方丘陵區(qū)分布最為廣泛的耕地類型。土壤酸化、有機(jī)質(zhì)缺乏、養(yǎng)分貧瘠、黏重板結(jié)，水土流失嚴(yán)重并出現(xiàn)耕層退化等現(xiàn)象，是該區(qū)域紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量下降的突出表現(xiàn)。坡耕地耕層土壤質(zhì)量是反映土壤抗侵蝕性能和生產(chǎn)性能等多種功能的綜合體現(xiàn)，其優(yōu)劣受降雨、土壤和人類活動等多種因素的影響。準(zhǔn)確提取適宜評價指標(biāo)是耕層土壤質(zhì)量評價的重要環(huán)節(jié)，而在評價指標(biāo)篩選中，除了利用原始變量作為評價指標(biāo)外，Larson等提出采用土壤參數(shù)最小數(shù)據(jù)集來鑒別評價指標(biāo)間的相互關(guān)系以及反映對土壤特性和作物的影響[1]，從大量土壤參數(shù)中篩選出相對獨立、影響土壤質(zhì)量的敏感性指標(biāo)建立最小數(shù)據(jù)集。最小數(shù)據(jù)集作為一種評價指標(biāo)篩選方法，在土壤質(zhì)量評價及監(jiān)測工作中使用廣泛[2-4]。目前該方法在國內(nèi)外不同氣候區(qū)、不同土壤類型以及不同土地利用類型土壤質(zhì)量評價中得到了廣泛的應(yīng)用[5-7]。土壤質(zhì)量指數(shù)比較法[8]、作物產(chǎn)量與最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)相關(guān)性分析法[9]，最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)與未入選指標(biāo)相關(guān)性分析法[10]等是當(dāng)前最小數(shù)據(jù)集合理性驗證的主要方法。

近年來，關(guān)于紅壤區(qū)土壤質(zhì)量評價的研究已成為熱點，王效舉等[11]對紅壤質(zhì)量時空變化的定量化評價做了研究，并根據(jù)紅壤自身特點來選取評價指標(biāo)。孫波等[12]對退化紅壤土壤質(zhì)量評價指標(biāo)及方法進(jìn)行總結(jié)，提出了紅壤質(zhì)量評價指標(biāo)選擇原則。史志華等[13]研究了紅壤丘陵區(qū)兩個時期土地利用變化對土壤質(zhì)量的影響，表明土地利用方式和管理措施是影響土壤質(zhì)量演變方向和強(qiáng)度的關(guān)鍵因子。王華等[14]基于定位研究對不同輪作系統(tǒng)紅壤區(qū)稻田土壤質(zhì)量進(jìn)行評價，當(dāng)前對紅壤區(qū)土壤質(zhì)量研究多側(cè)重于農(nóng)用地土壤質(zhì)量評價結(jié)果、方法及影響因素分析，而針對紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量的評價且關(guān)于評價指標(biāo)篩選和最小數(shù)據(jù)集建立的研究較少。因此，本文以南方丘陵區(qū)紅壤坡耕地耕層土壤為研究對象，基于反映抗侵蝕性能和生產(chǎn)性能的土壤質(zhì)量指標(biāo)，通過聚類分析和主成分分析分別建立最小數(shù)據(jù)集，并采用土壤質(zhì)量指數(shù)法驗證最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)合理性，探討了應(yīng)用最小數(shù)據(jù)集衡量紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量特征的可行性和適用性，研究結(jié)果可為中國南方丘陵區(qū)紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量調(diào)控、作物增產(chǎn)和合理施肥提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國紅壤坡耕地廣泛分布的南方丘陵區(qū)，選擇廣東、廣西、江西和云南4省（自治區(qū)）的紅壤坡耕地耕層土壤為研究對象，成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅色黏土。土體深厚、結(jié)構(gòu)緊實、質(zhì)地黏重，通透性差，以棱狀或大塊狀結(jié)構(gòu)為主。廣東采樣點具有大陸性氣候 特征，四季分明，常年平均氣溫19.7 ℃，年均降雨量 1 550 mm，年日照時數(shù)1 654.7 h，全年無霜期273 d， ≥10 ℃有效積溫在6 100 ℃以上。廣西采樣點屬于中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫18.9～23.3 ℃，年平均降雨量1 949.5～2 450 mm，降雨量年分配不均，秋冬季干燥少雨；年平均日照時數(shù)1670 h左右，全年無霜期300～336 d，≥10 ℃有效積溫5 064～6 380 ℃以上。江西采樣點屬于亞熱帶東南季風(fēng)氣候，年均溫度18～22 ℃，年降雨量1 600～2 000 mm，多集中在4～6月，年均日照 1 860 h左右，無霜期284～320 d，≥10 ℃有效積溫 6 135～6 699 ℃以上。云南采樣點屬于北亞熱帶、南溫帶和中溫帶多種氣候帶并存的低緯高原季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫13.4～20.3 ℃，年均降雨量950～1 150 mm，年均日照2 450 h左右，無霜期241～315 d，≥10 ℃有效積溫2 500 ℃以上。研究區(qū)常見種植制度有花生—玉米/甘蔗輪作、花生—油菜輪作、大豆—甘薯輪作等，主要為一年一熟或一年兩熟制，近年來，三熟制開始逐漸增多，各采樣區(qū)基本情況見表1。

表1 紅壤坡耕地采樣區(qū)基本情況

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集

于2015年7月和2016年7月在4個區(qū)域選擇典型紅壤坡耕地地塊進(jìn)行耕層質(zhì)量調(diào)查，于樣點中間位置布置1 m′1 m樣框，采集0～20 cm耕層土壤樣品，裝入硬質(zhì)塑料盒帶回實驗室自然風(fēng)干，過篩后用于土壤理化性質(zhì)測定。

1.2.2 土壤理化及力學(xué)性質(zhì)測定

共測定土壤物理和化學(xué)指標(biāo)11項，方法如下：耕層厚度采用鋼卷尺測量；土壤飽和導(dǎo)水率和土壤容重測定采用環(huán)刀法；黏粒、粉粒和砂粒含量測定采用吸管法；土壤有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；pH值測定采用土水比1∶1電極法；全氮測定采用半微量凱氏定氮法；有效磷測定采用Olsen法；速效鉀測定采用lmol/LNH4Ac提取-火焰光度法。采用產(chǎn)自荷蘭便攜式14.10Pocket Vane Tester型三頭抗剪儀測定土壤抗剪強(qiáng)度，采用江蘇省漂陽市天目儀器廠生產(chǎn)的PT型袖珍貫入儀測定土壤貫入阻力。

1.3 最小數(shù)據(jù)集建立

1.3.1 聚類分析法

聚類分析是以歐式距離來衡量評價指標(biāo)之間的差異性，將各指標(biāo)分類并建立最小數(shù)據(jù)集，在土壤質(zhì)量評價中應(yīng)用廣泛。在SPSS19.0中運用歐式距離最短法對評價指標(biāo)進(jìn)行R型聚類分析。在相應(yīng)聚合水平之間，將評價指標(biāo)劃分為反映耕層土壤質(zhì)量不同方面特征的若干分組。根據(jù)相關(guān)分析，每組中相關(guān)性顯著的指標(biāo)可相互代替，與野外調(diào)查、文獻(xiàn)資料和前人研究成果相結(jié)合，剔除冗余指標(biāo)，選擇具有代表性且相互獨立的指標(biāo)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。

1.3.2 主成分分析法

主成分分析是最小數(shù)據(jù)集建立的核心方法，通過降維將多個指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)指標(biāo)，消除多重指標(biāo)間的相關(guān)性，使彼此之間具有獨立性[15]。運用SPSS19.0對評價指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，提取特征值≥1的主成分，將同一主成分載荷≥0.5的指標(biāo)分為1組，若某評價指標(biāo)在各主成分上的載荷均低于0.5，則將其劃分到載荷值最高的一組，計算評價指標(biāo)的Norm值。Norm值為該指標(biāo)在由成分組成的多維空間中矢量常模的長度，長度越長，表明該指標(biāo)在所有主成分的綜合載荷越大，其解釋綜合信息的能力就越強(qiáng)。Norm值計算公式如下：

式中，N是第個指標(biāo)在特征值≥1的前個主成分上的綜合載荷；u是第個指標(biāo)在第個主成分上的載荷；λ是第個主成分的特征值。

分別計算各組指標(biāo)Norm值，選取每組中Norm值在最高總分值10%范圍的指標(biāo)[16]，進(jìn)一步分析每組所選 指標(biāo)的相關(guān)性，高度相關(guān)，則Norm值最大的指標(biāo)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集（minimum data set，MDS），相關(guān)度低則同組指標(biāo)均進(jìn)入MDS?？紤]本研究區(qū)跨度較大，選擇相關(guān)系數(shù)>0.3即為高度相關(guān)[10,17]。

1.4 土壤質(zhì)量指數(shù)構(gòu)建

土壤質(zhì)量指數(shù)（soil quality index, SQI）是對土壤質(zhì)量評價指標(biāo)的集成，土壤質(zhì)量指數(shù)越大，則土壤質(zhì)量越高。計算土壤質(zhì)量指數(shù)對土壤質(zhì)量進(jìn)行評價，可為土壤質(zhì)量狀況和合理耕層形成障礙因素分析提供依據(jù)。根據(jù)評價指標(biāo)對耕層土壤質(zhì)量的正負(fù)效應(yīng)，建立指標(biāo)與土壤生產(chǎn)力之間的隸屬函數(shù)，耕層厚度、土壤飽和導(dǎo)水率、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀與耕層質(zhì)量呈正相關(guān)，界定為S型函數(shù)；土壤抗剪強(qiáng)度和貫入阻力是土壤侵蝕的重要表征指標(biāo)，但與耕層質(zhì)量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，則界定為反S型函數(shù)[18-19]，土壤容重、黏粒、粉粒、砂粒以及pH值與耕層質(zhì)量存在適宜臨界范圍，則界定為拋物線型函數(shù)，評價指標(biāo)的最小值和最大值作為函數(shù)的轉(zhuǎn)折點，拋物線型函數(shù)指標(biāo)的轉(zhuǎn)折點參見相關(guān)文獻(xiàn)[20]，詳見表2。

表2 耕層土壤質(zhì)量評價指標(biāo)隸屬函數(shù)[18-20]

基于不同數(shù)據(jù)集，各指標(biāo)權(quán)重均由主成分分析獲得。分別對3種數(shù)據(jù)集指標(biāo)做主成分分析，提取評價指標(biāo)的公因子方差，各指標(biāo)公因子方差占公因子方差之和的比例即為各數(shù)據(jù)集中評價指標(biāo)權(quán)重值，計算不同數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)，計算公式如下：

式中w是第個評價指標(biāo)權(quán)重，N是第個評價指標(biāo)隸屬度值，為評價指標(biāo)個數(shù)。

1.5 耕層土壤質(zhì)量評價精度驗證

利用Nash有效系數(shù)（E）和相對偏差系數(shù)（E）分別評價基于聚類分析和主成分分析最小數(shù)據(jù)集的精確程度[21]。計算公式為：

式中R和R為基于全量數(shù)據(jù)集（total data set, TDS）計算得出的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)值和土壤質(zhì)量指數(shù)平均值，R為基于MDS計算得出的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)值。有效系數(shù)（E）越接近于1，表示基于MDS計算的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)與基準(zhǔn)值越接近，精度較高。相對偏差系數(shù)（E）越接近于0，表明基于MDS計算的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)相對于基準(zhǔn)值偏差越小，結(jié)果越精確。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量特征

農(nóng)業(yè)土壤質(zhì)量一般采用土壤物理、化學(xué)和力學(xué)指標(biāo)反映，紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量特征差異明顯。對研究區(qū)耕層土壤質(zhì)量進(jìn)行描述性統(tǒng)計特征分析，由表3可知，耕層平均厚度(19.93±4.9) cm，接近適宜作物生長的耕層厚度20 cm[15]，黏粒、粉粒和砂粒平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(16.17±10.69)%、(49.7±14.68)%和(24.13±14.44)%，土壤抗剪強(qiáng)度平均值為(3.0 ±1.12) kg/cm2，不合理耕作活動和水土流失造成耕作土壤結(jié)構(gòu)破壞、耕作性能降低，可采取適當(dāng)翻耕等耕作措施。土壤貫入阻力平均值為(1.21± 0.69) kg/cm3，這主要是因為農(nóng)業(yè)機(jī)械長期碾壓沒有翻耕所致其緊實，應(yīng)采取適當(dāng)耕作措施（如22-24 cm以下深松等）[22]。根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮平均值分別為(17.43±8.71) g/kg和(0.97±0.42) g/kg，均為第4級，處于中度貧瘠化水平；土壤有效磷和速效鉀分別為(26.1±22.22) mg/kg和(155.46±88.35) mg/kg，處于第2級，養(yǎng)分含量豐富。合理耕作和施肥，可促進(jìn)作物生長，提高作物產(chǎn)量。平均pH值為(5.34±0.77)，土壤偏酸性，農(nóng)戶盲目施肥和過量施肥是導(dǎo)致土壤酸化的主要原因，深松深耕、秸稈還田等耕作技術(shù)可有效調(diào)節(jié)土壤酸堿度。

表3 紅壤坡耕地耕層質(zhì)量評價土壤參數(shù)統(tǒng)計特征

變異系數(shù)（CV）主要反映耕層土壤質(zhì)量空間變異性及敏感性，變異系數(shù)越大說明評價指標(biāo)對土壤質(zhì)量差異性越敏感。由表3可以看出各評價指標(biāo)總體上處于中低度敏感性水平。土壤飽和導(dǎo)水率、黏粒、砂粒、土壤貫入阻力、土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀為中度敏感指標(biāo)（CV為40%～100%），是土壤質(zhì)量調(diào)控與恢復(fù)的主要目標(biāo)。屬于低度敏感（CV為10%～40%）指標(biāo)有耕層厚度、土壤容重、粉粒、土壤抗剪強(qiáng)度、pH值和全氮，是維護(hù)耕層土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要因素，其中pH值（CV為14.3%）和土壤容重（CV為12.1%）變異系數(shù)相對較低，接近不敏感（CV<10%）水平，這說明土壤酸化是紅壤坡耕地合理耕層面臨的主要障礙因素，而土壤類型相同可能是導(dǎo)致土壤容重變異系數(shù)低的主要原因。檢驗結(jié)果表明，各項指標(biāo)均服從正態(tài)分布（＞0.05）。

2.2 紅壤坡耕地耕層最小數(shù)據(jù)集MDS建立

2.2.1 基于聚類分析最小數(shù)據(jù)集MDS建立

基于聚類分析法中R型聚類，對全量數(shù)據(jù)集13個評價指標(biāo)進(jìn)行分類且分類意義明確。圖1表明，在聚合水平14～17之間，指標(biāo)可明顯劃分為6類，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、耕層厚度和土壤飽和導(dǎo)水率為第一類，表征土壤生產(chǎn)性能；有效磷和速效鉀進(jìn)入第二類，表征耕層養(yǎng)分特征；第三類為pH值和砂粒，表征土壤酸堿度；土壤貫入阻力和粘粒為第四類，表征土壤耕性特征；第五類有土壤容重和土壤抗剪強(qiáng)度，表征土壤抗侵蝕性能；土壤粉粒成為第六類，表征土壤顆粒組成特征。

圖1 紅壤坡耕地耕層質(zhì)量評價指標(biāo)聚類分析樹狀圖

由表4可見，第一類中土壤有機(jī)質(zhì)與全氮（0.885**）、土壤飽和導(dǎo)水率（0.618**）均為高度相關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量的增加會促進(jìn)全氮含量的增加；通過合理施肥提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，可對土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)行有效調(diào)控，選擇有機(jī)質(zhì)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。耕層厚度是土壤生產(chǎn)力的基本限制條件，坡耕地隨著坡度增加，耕層厚度變薄，耕作條件逐級變差，前人研究表明土壤質(zhì)量評價指標(biāo)中耕層厚度累積使用頻率達(dá)50%，是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，則耕層厚度進(jìn)入MDS。第二類中有效磷是作物從土壤中獲取的主要養(yǎng)分資源，受施肥等外在措施補給效果甚微，王華等[14]指出紅壤中有效磷含量的變化可以反映土壤質(zhì)量的變化，許明祥[20]在坡耕地質(zhì)量評價中選擇有效磷代替速效鉀進(jìn)入MDS，因此，選擇有效磷進(jìn)入MDS。pH值是衡量土壤酸堿度的主要指標(biāo)，砂粒和pH值呈顯著正相關(guān)（0.387*），土壤酸化導(dǎo)致紅壤坡耕地質(zhì)地疏松、砂粒含量高，選擇pH值進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。土壤貫入阻力與黏粒相關(guān)性顯著（0.441**），兩者選一項指標(biāo)即可，土壤貫入阻力是反映土壤耕性的重要指標(biāo)且與抗剪強(qiáng)度有較高相關(guān)度（0.350*），可反映耕層土壤質(zhì)量多方面特征，第四組中將黏粒剔除。第五組中土壤容重和土壤抗剪強(qiáng)度是反映土壤抗侵蝕性能的重要指標(biāo)，兩者具有顯著相關(guān)性（0.476**），土壤容重能反映土壤孔隙特征、入滲性能等土壤可蝕性多方面特征，是影響土壤抗剪強(qiáng)度的重要因素，土壤抗剪強(qiáng)度與貫入阻力相關(guān)性高，可通過土壤貫入阻力解釋部分信息，鑒于指標(biāo)選擇有重復(fù)性，選擇土壤容重進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。黏重板結(jié)是紅壤坡耕地的主要障礙因素，本研究中反映紅壤坡耕地土壤顆粒組成特征的黏粒、粉粒、砂粒變異系數(shù)分別為66.1%、29.5%和42.3%，粉粒的敏感性最低，只能反映土壤顆粒組成的少量信息，不具有代表性，因此，第六組中粉粒暫不考慮。最終確定耕層厚度、土壤容重、土壤貫入阻力、土壤有機(jī)質(zhì)、pH值和有效磷共6個指標(biāo)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集?；谥鞒煞址治龇ǖ玫街笜?biāo)權(quán)重分別為耕層厚度0.161、土壤容重0.207、土壤貫入阻力0.108、土壤有機(jī)質(zhì)0.172、有效磷0.208和pH值0.144。

表4 紅壤坡耕地耕層評價指標(biāo)Person相關(guān)系數(shù)矩陣

Note:**＜0.01; *＜0.05

2.2.2 基于主成分分析最小數(shù)據(jù)集MDS建立

基于主成分分析結(jié)果，紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量評價指標(biāo)中特征值大于1的有4個主成分，累計貢獻(xiàn)率達(dá)73.51%，滿足信息提取的要求。土壤速效鉀在4個主成分中因子載荷都小于0.5，則將其劃分到載荷值最高的一組（見表5）。耕層厚度、土壤容重、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效磷進(jìn)入第一組，耕層厚度與全氮、有機(jī)質(zhì)相關(guān)性高（0.502**，0.561**），則Norm值最高的土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。土壤有機(jī)質(zhì)和土壤容重相關(guān)性高（-0.522**），結(jié)合Norm值將土壤容重剔除。土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷相關(guān)性高（0.449**），則土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)入MDS。第二組中粉粒和砂粒相關(guān)性高（-0.731**），結(jié)合Norm值粉粒被剔除。第三組黏粒和土壤貫入阻力有較高相關(guān)性（0.441*），比較兩者Norm值大小，土壤貫入阻力進(jìn)入MDS。第四組土壤抗剪強(qiáng)度和速效鉀相關(guān)性低，均進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。最終確定土壤飽和導(dǎo)水率、砂粒、土壤貫入阻力、土壤抗剪強(qiáng)度、土壤有機(jī)質(zhì)、pH值和速效鉀共7個指標(biāo)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。提取評價指標(biāo)的公因子方差，得到最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)權(quán)重依次為土壤飽和導(dǎo)水率0.184、砂粒0.137、土壤貫入阻力0.142、土壤抗剪強(qiáng)度0.133、土壤有機(jī)質(zhì)0.182、pH值0.144和速效鉀0.078。

2.2.3 最小數(shù)據(jù)集合理性驗證

最小數(shù)據(jù)集評價指標(biāo)體系合理性驗證是耕層土壤質(zhì)量評價的重要環(huán)節(jié)。計算基于不同數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)，全量數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI-T）變化幅度為0.318～0.696，均值為0.529±0.09，變異系數(shù)為20.1%，屬中度變異性?；诰垲惙治鐾寥蕾|(zhì)量指數(shù)（SQI-CA）在0.349～0.636之間變化，均值為0.476±0.11，變異系數(shù)為23.1%，為中度變異性?；谥鞒煞址治鐾寥蕾|(zhì)量指數(shù)（SQI-PCA）的變化區(qū)間值為0.298～0.529，均值和變異系數(shù)分別為0.463±0.12和53.9%，接近高度變異性。SQI-CA較SQI- PCA變化幅度、均值和變異系數(shù)更接近SQI-T。將SQI-T分別與SQI-CA、SQI-PCA作散點圖，進(jìn)行回歸分析，從擬合效果來看(圖2)，SQI-T與SQI-CA、SQI-PCA均呈顯著正相關(guān)，但R分別為0.745和0.706，SQI-T與SQI-CA擬合效果更優(yōu)，SQI-T與SQI-CA、SQI-PCA的Nash有效系數(shù)分別為0.539和0.528，偏差系數(shù)分別為0.122和0.124，平均相對誤差分別為0.122和0.128。結(jié)果表明采用基于聚類分析最小數(shù)據(jù)集（MDS-CA）較基于主成分分析最小數(shù)據(jù)集（MDS-PCA）對紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量進(jìn)行評價準(zhǔn)確性更高，故選擇MDS-CA替代全量數(shù)據(jù)集對紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量進(jìn)行評價。

表5 紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量評價指標(biāo)載荷矩陣和Norm值

計算采樣點基于MDS-CA的土壤質(zhì)量指數(shù)值來衡量研究區(qū)耕層土壤質(zhì)量水平。將紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量等距離劃分為低（0

圖2 基于不同數(shù)據(jù)集紅壤坡耕地土壤質(zhì)量指數(shù)的相關(guān)性

2.3 紅壤坡耕地耕層合理性診斷

基于紅壤坡耕地耕層質(zhì)量MDS診斷結(jié)果，以基于聚類分析得出的最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)，耕層厚度、土壤容重、土壤貫入阻力、土壤有機(jī)質(zhì)、pH值和有效磷作為合理耕層診斷指標(biāo)。土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI-CA）取值范圍在0～1之間，其值越高，表明各診斷指標(biāo)對作物生長貢獻(xiàn)率越大，作物產(chǎn)量越高[23]，根據(jù)耕層土壤質(zhì)量與作物產(chǎn)量的對應(yīng)關(guān)系，判定土壤質(zhì)量指數(shù)（0

表6 紅壤坡耕地合理耕層適宜性閾值診斷

綜合分析野外調(diào)查、室內(nèi)試驗結(jié)果以及評價指標(biāo)隸屬度函數(shù)類型，表明上述指標(biāo)中土壤容重、土壤有機(jī)質(zhì)和pH值存在一個合理耕層適宜區(qū)間，多或少都將成為限制因子。耕層厚度、土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷是越大越好，土壤貫入阻力則是越小越好，超過某一值，影響將越來越小。由于土壤參數(shù)變異性較大，以耕層土壤參數(shù)平均值為參考基準(zhǔn)，結(jié)合診斷指標(biāo)隸屬度為1表征最優(yōu)值，隸屬度為0表征最差值，將土壤參數(shù)適宜度等距離劃分為不適宜、較適宜和最適宜[27]，選擇土壤參數(shù)隸屬度在較適宜（0.33～0.66）和最適宜（0.66～1）為土壤參數(shù)適宜范圍。綜合分析及比較各采樣點土壤參數(shù)較適宜和最適宜變化范圍以及土壤質(zhì)量指數(shù)為中產(chǎn)、高產(chǎn)樣點對應(yīng)土壤參數(shù)變化范圍，初步界定紅壤坡耕地合理耕層適宜性閾值（合理耕層土壤參數(shù)變化范圍臨界值）為：耕層厚度≥20.39 cm，土壤容重0.92～1.21 g/cm3，土壤貫入阻力≤1.21 kg/cm3，土壤有機(jī)質(zhì)含量≥18.82 g/kg，pH值5.04～5.38，有效磷≥28.83 mg/kg。

3 討 論

坡耕地耕層土壤質(zhì)量評價一般是基于農(nóng)作物的生產(chǎn)力、土壤理化及力學(xué)性質(zhì)。基于國內(nèi)外通過建立MDS對耕地土壤質(zhì)量評價的研究成果[17,20,28-35]，本研究對其全量數(shù)據(jù)集和最小數(shù)據(jù)集評價指標(biāo)進(jìn)行了匯總及對比分析，結(jié)果表明土壤質(zhì)量評價指標(biāo)涉及范圍廣泛，幾乎涵蓋了土壤質(zhì)量的物理、化學(xué)和生物等各個方面的特征。

圖3分別列出了全量數(shù)據(jù)集和最小數(shù)據(jù)集評價指標(biāo)中使用頻率最高的前10個指標(biāo)。從全量指標(biāo)使用頻率排序（圖3a）來看，土壤容重、黏粒、pH值是土壤質(zhì)量評價中幾乎必須考慮的指標(biāo)，使用頻率達(dá)90%；全氮使用頻率為70%；團(tuán)聚體平均重量直徑（mean weight diameter, MWD）、粉粒、砂粒、有機(jī)質(zhì)和孔隙度次之，均為60%；使用頻率為50%的是有效磷。最小數(shù)據(jù)集(圖3b)中使用頻率最高的前3位是土壤容重、pH值和MWD，三者均為40%；有機(jī)質(zhì)、全氮和鈉吸附比次之，使用頻率為30%；使用頻率為20%的有粘粒、土壤有效含水量、有效磷和有機(jī)碳。本研究13個全量數(shù)據(jù)集評價指標(biāo)中有7個進(jìn)入全量數(shù)據(jù)集評價指標(biāo)使用頻率前10位；最小數(shù)據(jù)集（MDS-CA）6個評價指標(biāo)中有4個進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集評價指標(biāo)使用頻率前10位，與前人研究結(jié)果相似，表明本研究中全量數(shù)據(jù)集和最小數(shù)據(jù)集評價指標(biāo)體系均有較好代表性，適宜于耕層土壤質(zhì)量評價。

土壤侵蝕是衡量土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因素，土壤侵蝕的發(fā)生會加速耕層退化，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分和生產(chǎn)力逐漸減弱，作物產(chǎn)量和耕層質(zhì)量降低[29]。在土壤侵蝕的過程中，隨著土層深度增加，土層厚度不斷減薄，土壤抗侵蝕性能和生產(chǎn)力不斷降低。紅壤坡耕地耕層厚度與作物產(chǎn)量呈顯“上梯型”關(guān)系，耕層越厚，產(chǎn)量越高，以20 cm處為顯著分界點，高于此厚度，作物產(chǎn)量有很大提高[15]。土壤容重對土壤入滲有重要影響，容重越大，其阻礙水分入滲越明顯。當(dāng)容重為1.15 g/cm3時為紅壤坡耕地防止土壤侵蝕，增加水分入滲的最佳狀態(tài)[36]。土壤貫入阻力越大，土壤穩(wěn)定性越強(qiáng)，耕作頻率和施肥處理均可通過改變土壤容重和含水率來改變紅壤坡耕地耕層土壤貫入阻力大小[37]。隨著土壤侵蝕程度的加劇，紅壤坡耕地耕層土壤養(yǎng)分流失越明顯，土壤有機(jī)質(zhì)含量在20.1～38.08 g/kg，有效磷含量在0.31～1.33 mg/kg、PH值在4.06～4.16之間時為輕度侵蝕或無明顯侵蝕程度[38-39]。其中磷素流失主要集中在6-9月，強(qiáng)暴雨下對土壤的沖刷是造成紅壤坡耕地養(yǎng)分流失的直接原因。本研究中紅壤坡耕地耕層厚度總體處于適宜水平，土壤平均容重1.24 g/cm3，抗侵蝕性能較強(qiáng)、入滲性能略差。土壤貫入阻力偏小，有利于作物根系生長。土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷總體處于輕度或無明顯侵蝕程度，pH值處于中度侵蝕水平?？傮w上看，土壤侵蝕程度將直接影響到耕層土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量高低。在坡耕地采取深松少耕、秸稈還田等保護(hù)性耕作措施以及合理施肥調(diào)節(jié)土壤酸堿度，可減少土壤侵蝕，改進(jìn)耕層土壤質(zhì)量，促進(jìn)作物增產(chǎn)。

圖3 全量數(shù)據(jù)集與最小數(shù)據(jù)集耕地土壤質(zhì)量評價指標(biāo)使用頻率排序

4 結(jié) 論

1）紅壤坡耕地耕層土壤各評價指標(biāo)特征差異明顯。耕層平均厚度(19.93±4.9) cm，接近作物生長適宜厚度；土壤有機(jī)質(zhì)和全氮平均含量分別為(17.43±8.71)和(0.97± 0.42 )g/kg，處于中度貧瘠化水平；有效磷和速效鉀平均含量分別為(26.1±22.22) g和(155.46±88.35) mg/kg，含量豐富；平均pH值為(5.34±0.77)，土壤呈若酸性。各評價指標(biāo)總體處于中低度敏感水平。

2）紅壤坡耕地最小數(shù)據(jù)集由耕層厚度、土壤容重、土壤貫入阻力、土壤有機(jī)質(zhì)、pH值和有效磷組成。不同數(shù)據(jù)集耕層土壤質(zhì)量評價結(jié)果及相關(guān)性差異明顯，土壤質(zhì)量指數(shù)變化范圍表現(xiàn)為SQI-T（0.318～0.696）>SQI-CA（0.349～0.636）>SQI-PCA（0.298～0.529），平均值為SQI-T（0.529±0.09）>SQI-CA（0.476±0.11）>SQI-PCA（0.463±0.12）。變異系數(shù)表現(xiàn)為SQI-T（20.1%）

3）紅壤坡耕地大部分耕層土壤質(zhì)量處于中等水平，具備保水、保土、保肥及增產(chǎn)潛力合理耕層應(yīng)具備較厚的耕層厚度，適當(dāng)?shù)耐寥廊葜?、有機(jī)質(zhì)含量和pH值，較小的土壤貫入阻力，較高的有效磷含量。初步確定紅壤坡耕地合理耕層適宜性閾值為：耕層厚度≥20.39 cm，土壤容重0.92～1.21 g/cm3，土壤貫入阻力≤1.21 kg/cm3，土壤有機(jī)質(zhì)含量≥18.82 g/kg，pH值5.04～5.38，有效磷≥28.83 mg/kg，合理深松是構(gòu)建合理耕層的有效措施 之一。

[1] Lason We, Pierce F J. The dynamics of soil quality as a measure of sustainable management[C] Doran J W, Coleman DC, Bezedick D F, et al, eds. Defining soil quality for sustainable environment. Soil Sci.Soc. Am, Special Pub No.35, Am, Soc, Agron, Madison, Wise, U.S.A.1994: 37－51.

[2] Andrews S S, Karlen D L, Mitchell J P. A comparison of soil quality indexing methods for vegetable[J]. Agriculture Ecosystems and Environment, 2002, 90(1): 25－45.

[3] Sparling G P, P Schipper L A, Bettjeman W, Soil quality moi-toring in new zealand:Practical lessons from a 6-year trial[J]. Agri-culture Ecosystems and Environment, 2004, 104: 523－534.

[4] Govaerts B, Sayre K D, Deckers J. A minimum data set for soil quality assessment of wheat and maize cropping in the highlands of Mexico[J]. Soil and Tillage Research, 2006, 87(2): 163－174.

[5] Rahmanipour F, Marzaioli R, Bahrami H. Assessment of soil quality indices in agricultural lands of qavin province, Iran[J]. Ecological indicators, 2014, 40(5): 19－26.

[6] Volchko Y, Norman J, Rosen L, et al. A minmum date set for evaluating the ecological soil functions in remediation projects[J]. Journal of soils and sediments, 2014, 14(11): 1850－1860.

[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(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集確定[J]. 生態(tài)學(xué)報，2007，27(7)：2715－2724. Li Guilin, Chen Jie, Sun Zhiying, et al. Establishing a minimum data set for soil quality assessment based on soil properties and land use change[J]. Ecologic Science. 2007, 27(7): 2715－2724. (in Chinese with English abstract)

[8] 李桂林，陳杰，檀滿枝，等. 基于土地利用變化建立土壤質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集[J]. 土壤學(xué)報，2008，45(1)：16－25. Li Guilin, Chen Jie, Tan Manzhi,et al. Establishment of a minmum dataset for soil quality assessment based on land use change[J]. Acta Pedologica Sinica, 2008, 45(1): 16－25. (in Chinese with English abstract)

[9] Zhang C, Xue S, Liu G B. A comparison of soil qualities of different revegetation types in the Loess Plateau, China[J]. Plant and Soil, 2011, 347(1/2): 163－178.

[10] 鄧紹歡，曾令濤，關(guān)強(qiáng)等. 基于最小數(shù)據(jù)集的南方冷浸田土壤質(zhì)量評價[J]. 土壤學(xué)報，2016，53(2)：1326－1333. Deng Shaohuan, Zeng Lingtao, Guan Qiang, et al. Minimum dataset-based soil quality assessment of waterlogged paddy field in south china[J]. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(2): 1326－1333. (in Chinese with English abstract)

[11] 王效舉，龔子同. 紅壤丘陵小區(qū)域水平上不同時段土壤質(zhì)量變化的評價和分析[J]. 地理科學(xué)，1997，17(2)：141－149. Wang Xiaoju, Gong Zitong. Evaluation and analysis of soil quality changes in different time periods at small regional level in red soil hilly regions[J]. Scientia Geagrophica Sinica, 1997, 17(2): 141－149. (in Chinese with English abstract)

[12] 孫波，趙其國. 紅壤退化中的土壤質(zhì)量評價指標(biāo)及評價方法[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展，1999，18(2)：118－128. Sun Bo, Zhao Qiguo. Evaluation indexes and methods of soil quality concerning red soil degradation[J]. Progress in Geography, 1999, 18(2): 118－128. (in Chinese with English abstract)

[13] 史志華，蔡崇法，王天巍. 紅壤丘陵區(qū)土地利用變化對土壤質(zhì)量的影響[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2001，10(6)： 537－543 Shi Zhihua, Cai Congfa, Wang Tianwei. Influence of landuse changes on soil quality in hilly region of red soil[J]. Resources and environment in the Yangze Basin, 2001, 10(6): 537－543. (in Chinese with English abstract)

[14] 王華，黃宇，陽柏蘇，等. 中亞熱帶紅壤地區(qū)稻-稻-草輪作系統(tǒng)稻田土壤質(zhì)量評價[J]. 生態(tài)學(xué)報，2005，25(12)：3271－3281. Wang Hua, Huang Yu, Yang Bosu, et al. Paddy soil quality assessment under rice-ryegrass rotation system in red soil region of mid-subtropics[J]. Ecologic Science. 2005, 25(12): 3271－3281. (in Chinese with English abstract)

[15] 蔣端生. 紅壤丘陵區(qū)耕地肥力質(zhì)量演變規(guī)律及其影響因素研究[D]. 長沙: 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008. Jiang Duansheng. Studies on the Evolution Law of the Fertility Quality of Arable Land and Its Influencing Factors in Red Soil Hilly Areas[D]. Chang Sha:Hunan Agricultural University, 2008. (in Chinese with English abstract)

[16] 貢路，張海峰，呂光輝，等. 塔里木河上游典型綠洲不同連作年限棉田土壤質(zhì)量評價[J]. 生態(tài)學(xué)報，2011，31(14)：4136－4143. Gong Lu, Zhang Haifeng, Lü Guanghui, et al. Soil quality assessment of continuous cropping cotton fields for different years in a typical oasis in the upper reaches of the Tarim River[J]. Ecologic Science. 2011, 31(14): 4136－4143. (in Chinese with English abstract)

[17] 吳春生，劉高煥，黃翀，等. 基于MDS和模糊邏輯的黃河三角洲土壤質(zhì)量評估[J]. 資源科學(xué). 2016，38(7)：1275－1286. Wu Chunsheng, Liu Gaohuan, Huang Chong, et al. Soil quality assessment of the yellow river delta based on MDS and fuzzy logic model[J]. Resources Science, 2016, 38(7): 1275－1286. (in Chinese with English abstract)

[18] 丁文斌，蔣平，史東梅，等.紫色土坡耕地耕層蓄水保土及耕性特征研究[J]. 水土保持學(xué)報，2016，30(6)：24－29. Ding Wenbin, Jiang Ping, Shi Dongmei, et al. The Study of Soil and Water Conservation and Tilth Characteristics of Cultivated-layer in Purple Soil Farmland[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(6): 24－29. (in Chinese with English abstract)

[19] 張愛國，李銳，楊勤科. 中國水蝕土壤抗剪強(qiáng)度研究[J]. 水土保持通報，2001，21(3)：5－9.Zhang Aiguo, Li Rui, Yang Qinke. Study on soil anti-shearing intensity of water erosion in China[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2001, 21(3): 5－9. (in Chinese with English abstract)

[20] 許明祥. 黃土丘陵區(qū)生態(tài)恢復(fù)過程中土壤質(zhì)量演變及調(diào)控[D]. 楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2003. Xu Ming Xiang. Soil Quality Evolvement Mechanism in the Process of Ecosystem Restoration and Its Management in the Hilly Loess Plateau[D]. Yang Ling:Northwest Agriculture and Forestry University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[21] Nash J E, Sutcliffe J V. River flow forecasting through conceptual models[J]. A discussion of principles. Journal of Hydrology, 1970, l0(3): 282－290.

[22] 丁文斌，蔣光毅，史東梅，等. 紫色土坡耕地土壤屬性差異對耕層土壤質(zhì)量的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報，2017，37(19)： 1－14. Ding Wenbin, Jiang Guangyi, Shi Dongmei, etal. Effect of different soil properties on plow layer soil quality of sloping farmland in purple hilly areas[J]. Ecologic Science. 2017, 37(19): 1－14. (in Chinese with English abstract)

[23] 張銀平，杜瑞成，刁培松，等. 機(jī)械化生態(tài)沃土耕作模式提高土壤質(zhì)量及作物產(chǎn)量[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(7)：33－38. Zhang Yinping, Du Ruicheng, Diao Peisong, et al. Mechanical and ecological tillage pattern improving soil quality and crop yields[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(7): 33－38. (in Chinese with English abstract)

[24] 姜小鳳，張步陡，王玲英，等. 不同耕作方式對旱地土壤酸解有機(jī)總氮的影響[J]. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，41(1)：48－51. Jiang Xiaofeng, Zhang Budou, Wang Lingying, etal. Effect of no2tillage with straw cover on soil organic nitrogen in dry land[J]. Journal of gansu agricultural university, 2006, 41(1): 48－51. (in Chinese with English abstract)

[25] 鄭洪兵，齊華，劉武仁，等. 玉米農(nóng)田耕層現(xiàn)狀、存在問題及合理耕層構(gòu)建探討[J]. 耕作與栽培，2014，5：39－42 Zheng Hongbin, Qi Hua, Liu Renwu, et al. Press and problem of tillage layer of maize cropland and discussion of optimun tillage layer[J].Tillage and Cultivation,2014, 5: 39－42. (in Chinese with English abstract)

[26] 宮亮，邢月華，劉艷，等. 棕壤土合理耕層標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查研究[J]. 玉米科學(xué)，2016，24(5)：94－99. Gong Liang, Xing Yuehua, Liu Yan, et al. Investigation on standards of the rational plough layer of brown soil[J]. Maize Sciences, 2016, 24(5): 94－99. (in Chinese with English abstract)

[27] 陳海生，劉國順，劉大雙，等. GIS支持下的河南省煙草生態(tài)適宜性綜合評價[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，42(7)：2425－2433. Chen Haisheng, Liu Guoshun, Liu Dashuang, et al. Studies on comprehensive evaluation of tobacco ecological suitability of henan province supported by GIS[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(7): 2425－2433. (in Chinese with English abstract)

[28] 段興武，謝云，馮艷杰，等. 東北黑土區(qū)土壤生產(chǎn)力評價方法研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，42(5)：1656－1664. Duan Xingwu, Xie Yun, Feng Yanjie, et al. Study on the Method of Soil Productivity assessment in northeast black soil regions of china[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(5): 1656－1664. (in Chinese with English abstract)

[29] 楊維鴿. 典型黑土區(qū)土壤侵蝕對土壤質(zhì)量和玉米產(chǎn)量的影響研究[D]. 楊凌：中國科學(xué)院大學(xué)，2016. Yang Weige. Investigating the Impacts of Soil Erosion on Soil Quality and Corn Yield in the Typical Black Soil Region[D]. Yang Ling: Northwest Agriculture and Forestry University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[30] 李強(qiáng)，許明祥，趙允格，等. 黃土高原坡耕地溝蝕土壤質(zhì)量評價[J]. 自然資源學(xué)報，2012，27(6)：1001－1012. Li Qiang, Xu Mingxiang, Zhao Yunge, et al. Gully erosion soil quality assessment on the cultivated slope land in the loess plateau region, china[J]. Journal of Natural Resources, 2012, 27(6): 1001－1012. (in Chinese with English abstract)

[31] Mohammad S, Nicholas H. Quantitative soil quality indexing of temperate arable management systems[J]. Soil and Tillage Research, 2015, 150(6). 57－67.

[32] Zhi W, Li Z W. Assessing the soil quality of long-term reclaimed waste water-irrigated cropland[J]. Geoderma, 2003, 114(3-4): 261－278.

[33] Shaba H, Emami. Pore size distribution as a soil physical quality index for agricultural and pasture soils in northeastern iran[J]. Pedosphere, 2013, 23(3): 312－320.

[34] Duraisamy V, Surendra KS. Soil quality index (SQI) as a tool to evaluate crop productivity in semi-arid deccan plateau india[J]. Geoderma, 2016, 282(11) : 70－79.

[35] Ranjbar A, Emami.H, Khorassani R. Soil quality assessments in some iranian saffron fields[J]. JAST, 2016, 18: 865－878.

[36] 劉曉梅，呂殿青. 土壤容重對紅壤坡地降雨侵蝕和入滲的影響[J]. 長沙大學(xué)學(xué)報，2013，27(2)：13－18. Liu Xiaomei, Lü Dianqing. Effects of soil bulk density on rainfall erosion and infiltration in red soil slope[J]. Journal of changsha university, 2013, 27(2): 13－18. (in Chinese with English abstract)

[37] 高冰可. 紅壤穿透阻力的影響因素及預(yù)測[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013. Gao Bingke. Influencing Factors and Prediction Model on Red Soil Penetration Resistance[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[38] 竇曉琳，李銘，王偉波，等. 福建紅壤區(qū)不同侵蝕強(qiáng)度馬尾松林地土壤營養(yǎng)元素變化特征[J]. 植物科學(xué)學(xué)報，2012，30(2)：161－168. Dou Xiaolin, Li Ming, Wang Weibo, et al. Changes in soil nutrients in different eroded soils in pinus massoniana forest ecosystems in Fujian Province, China[J]. Plant Science Journal, 2012, 30(2): 161－168. (in Chinese with English abstract)

[39] 左繼超，胡建民，王凌云，等. 侵蝕程度對紅壤團(tuán)聚體分布及養(yǎng)分含量的影響[J]. 水土保持通報, 2017, 37(1): 112－117. Zuo J i chao, Hu Jianmin, Wang Lingyun, et al. Effects of soil erosion intensity on aggregate size distribution and nutrient content in red soil region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation 2017, 37(1): 112－117. (in Chinese with English abstract)

Evaluation indicators of cultivated layer soil quality for red soil slope farmland based on cluster and PCA analysis

Jin Huifang1, Shi Dongmei1※, Chen Zhengfa2, Liu Yijun1, Lou Yibao1, Yang Xu1

(1.400715,;2.650051,)

The minimum data set (MDS) is the least indicators collection that can reflect the information of total soil quality well, which can effectively improve the real-time characteristic and application of soil quality assessment. In order to characterize the soil quality of cultivated layer for slope farmland in southern red soil hilly area, the paper established the MDS for quality diagnosis of cultivated layer for slope farmland by cluster analysis (CA) and principal component analysis (PCA) respectively, and furthermore analyzed soil quality characteristics of cultivated layer adopting 3 different soil quality indices (SQI), including SQI-T (data from total soil indicators), SQI-CA (data from CA indicators) and SQI-PCA (data from PCA indicators). The results showed: 1) Soil quality of cultivated layer for slope farmland varied significantly among different red soil sites. The average cultivated layer thickness of 19.93±4.9 cm was in suitable level for crop growth, and the soil organic matter content of 17.43±8.71 g/kg and the soil total nitrogen content of 0.97±0.42 g/kg were in moderately barren level, but the soil nutrients of effective phosphorus of 26.1±22.22 mg/kg and available potassium of 155.46±88.35 mg/kg were rich for crop growth. The soil pH value of 5.34±0.77 was faintly acidic. 2) The MDS on soil quality diagnosis of cultivated layer for red soil slope farmland included such indicators as cultivated layer thickness, soil bulk density, soil penetration resistance, soil organic substance, pH value and soil available phosphorus. The assessment results of soil quality of cultivated layer based on 3 different data sets are distinct greatly, the variation range and the mean of soil quality index were showed as SQI-T > SQI-CA > SQI-PCA and the variation coefficients presented as SQI-T < SQI-CA < SQI-PCA. Furthermore, the relevance and Nash efficiency coefficient between SQI-CA and SQI-T were higher than that between SQI-PCA and SQI-T, and the relative deviation coefficient and the average relative error between SQI-CA and SQI-T were lower than that between SQI-PCA and SQI-T, which illustrated that MDS-CA (MDS based on CA) was more appropriate than MDS-PCA (MDS based on PCA) to reflect the information of the total data set (TDS) for soil quality assessment of cultivated layer for red soil slope farmland. 3)From the perspective of soil and water conservation, fertilizer conservation and yield-increasing potential, the suitability thresholds of those diagnostic parameters for cultivated layer of red soil slope farmland were indicated as follows: the cultivated layer thickness of ≥20.39 cm, the soil bulk density of 0.92-1.21 g/cm3, the soil penetration resistance of ≤1.21 kg/cm3, the soil organic matter content of≥18.82 g/kg, the pH value of 5.04-5.38 and the effective phosphorus content of ≥28.83 mg/kg. Rational deep-loosening is one of the effective measures for reasonable cultivated layer construction. These results can provide some useful parameters not only for the soil quality recovery of the cultivated layer but also for the suitability regulation of the crop growth and the control of soil and water loss of slope farmland, which are also conducive to the sustainable utilization of the slope farmland resources in red soil hilly area.

soils;cluster analysis; principal component analysis; minimum data set; red soil slope farmland; reasonable cultivated layer; soil quality

金慧芳，史東梅，陳正發(fā)，劉益軍，婁義寶，楊 旭. 基于聚類及PCA分析的紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量評價指標(biāo)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(7)：155－164. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.020 http://www.tcsae.org

Jin Huifang, Shi Dongmei, Chen Zhengfa, Liu Yijun, Lou Yibao, Yang Xu. Evaluation indicators of cultivated layer soil quality for red soil slope farmland based on cluster and PCA analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 155－164. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.020 http://www.tcsae.org

2017-09-11

2018-02-28

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項“坡耕地合理耕層評價指標(biāo)體系建立（201503119-01-01）”

金慧芳，博士，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究。 Email：jinhuifangicola@163.com

史東梅，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水土生態(tài)工程、土壤侵蝕與水土保持研究。Email：shidm_1970@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.020

S157.1

A

1002-6819(2018)-07-0155-10