基于最小數據集的周至縣獼猴桃園地土壤質量評價

張福平,高 張,李肖娟,聶 碩,李 玲,劉潔遙

(陜西師范大學地理科學與旅游學院,陜西 西安 710062)

土壤質量是土壤在生態(tài)系統(tǒng)邊界范圍內,維持作物生產能力,保持環(huán)境質量及促進動植物健康的能力[1-2]。作為表征土壤條件動態(tài)變化最敏感的指標,土壤質量能反映土壤管理水平,對退化土地的恢復、區(qū)域土地資源管理和土地持續(xù)利用也具有重要意義[3]。對土壤質量進行系統(tǒng)評價,定量分析作物生長過程中的主要限制指標,可為調節(jié)作物生產和增產增收提供技術支持。然而,由于土壤質量評價目的和評價對象尺度不同,且評價工作復雜，易受外界因素干擾,國內外對土壤質量評價并沒有建立統(tǒng)一標準[4-5]。同時,由于土壤利用方式的多變性、土壤性質的時空變異性和數據獲取的高成本等因素,難以獲取所有能表征土壤性質指標的數據[6-7]。目前大多數研究是利用一些土壤指標,建立最小數據集(minimum data set,MDS)進行分析[8-9],如GOVAERTS等[10]基于MDS評估墨西哥高原地區(qū)小麥和玉米農田土壤質量,RAHMANIPOUR等[11]基于MDS評估伊朗加茲溫省土壤質量,VOLCHKO等[12]基于MDS評估生態(tài)恢復進程中綠地區(qū)域土壤狀況。國內學者也基于MDS評價南方地區(qū)[13]、黃河三角洲地區(qū)[14]和塔里木河流域[15]土壤質量。李桂林等[16]對MDS進行優(yōu)化,提出將要素在各主成分上的綜合載荷作為土壤指標篩選依據。上述研究表明MDS可用于評價土壤質量,但目前對果園土壤鮮有涉及。

陜西省周至縣是全球最大的獼猴桃生產基地,生產的獼猴桃暢銷全國乃至海外,獼猴桃為當地經濟發(fā)展和農民增收做出了重要貢獻,但土壤質量一直是影響獼猴桃產業(yè)發(fā)展的重要因素之一。獼猴桃是一種多年生藤本植物,根部在吸收土壤養(yǎng)分的同時會不斷分泌化學物質,與土壤之間形成一種耦合關系,使土壤質量處于動態(tài)變化中。而獼猴桃對土壤質量要求很高,當土壤條件不適時,往往會出現生理性病害,嚴重時甚至死苗。近年來,關于獼猴桃園地土壤質量的研究主要集中在土壤養(yǎng)分分布狀況、養(yǎng)分空間變異性和污染等理化性質方面[17-19],而對獼猴桃園地土壤質量評價研究較少。因此,筆者以不同年限獼猴桃園地為研究對象,測定18個土壤理化指標,基于MDS對研究區(qū)土壤質量進行定量評價,揭示獼猴桃不同生長年限對土壤理化指標和土壤質量的影響,以期為獼猴桃種植研究提供科學支撐,同時為產業(yè)調整和種植方式改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

周至縣獼猴桃產業(yè)帶位于34°06′～34°13′ N,108°00′～108°32′ E,地勢西南高、東北低,地形主要為平原、淺山和黃土原區(qū),海拔400～500 m(圖1),80%以上區(qū)域為礫質潮砂土(潮土),黑壚土、褐土和紅土分布區(qū)域較少。研究區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候區(qū),年平均氣溫12～13.6 ℃,作物一年兩熟,年降水量600～800 mm,秋季多陰雨,日照少,降溫快。周至縣獼猴桃種植面積為266.67 km2,占全縣耕地總面積的80%以上,為全國提供60%的獼猴桃鮮果和80%的獼猴桃果干,是我國認定的唯一一個獼猴桃標準化管理示范縣,素有“獼猴桃之鄉(xiāng)”的美稱。

圖1 周至縣獼猴桃產業(yè)帶及采樣點分布

1.2 樣品采集與處理

根據周至縣行政區(qū)劃圖和土地利用現狀圖,并結合實地調查,共設33個采樣點,于2017年5月分別采用土鉆法和環(huán)刀法采集土樣,環(huán)刀尺寸為直徑50.46 mm×高50 mm,容積100 cm3。采樣深度30 cm,每10 cm 1個土層,每個土層2個土壤樣品,每個樣品約100 g,共計198個土壤樣品。樣品采集后封裝包好,移入實驗室待測定。

根據獼猴桃生長習性[20-21]選取18個土壤理化指標進行測定:(1)土壤性質,選擇物理性黏粒(SCC)、容重(BD)、毛管孔隙度(CP)、總孔隙度(TPO)、非毛管孔隙度(NCP)、通氣度(CA)等指標。(2)水分,選擇土壤含水量(SWC)。(3)pH,選擇土壤pH值。(4)養(yǎng)分,選擇有機質(SOM)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、速效氮(AN)、速效磷(AP)和速效鉀(AK)含量等養(yǎng)分指標。(5)鹽分,選擇土壤鹽分(SSC)。(6)微量元素,選擇Mg2+和SO42-含量。容重、含水量、孔隙度(毛管孔隙度、總孔隙度和非毛管孔隙度)和通氣度采用環(huán)刀法測定后根據經驗公式計算得到;物理性黏粒、土壤鹽分、pH值、有機質含量和土壤養(yǎng)分(全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷和速效鉀)含量分別采用Mastersizer 2000激光粒度分析儀、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(yǎng)分速測儀測定。

1.3 研究方法

1.3.1MDS的構建

對選取的指標進行主成分分析,計算各指標所在主成分特征值大于1的載荷,并將在同一主成分載荷大于0.5的土壤指標歸為1組;若某個指標同時在2個主成分上的載荷都大于0.5,則將他歸入與其他指標相關系數較低的那一組。同時,計算各指標在所在主成分上的綜合載荷Norm值,值越大說明該指標解釋的土壤質量信息就越大。選擇各組Norm值在最高總分值10%范圍內的指標[22],進一步進行相關分析,建立MDS。Norm值計算公式為

(1)

式(1)中,Nik為第i個指標在特征值大于1的前k個主成分Norm值;uik為第i個指標在第k個主成分上指標載荷;ek為第k個主成分特征值。

1.3.2土壤質量評價方法

通過土壤質量評價指數進行土壤質量評價,計算公式為

(2)

式(2)中,ISQ為土壤質量評價指數;Wi為第i個指標權重;Ni為第i個指標隸屬度。

通過主成分分析法得到各土壤評價指標公因子方差,各指標權重為各指標公因子方差占公因子方差總和的百分數。隸屬度由土壤指標所屬的隸屬度函數確定。隸屬度函數可以分為升型和降型兩種,計算公式為

(3)

(4)

式(3)～(4)中,f(x)為隸屬度;x為土壤指標值;a和b分別為土壤指標閾值,即指標最小值和最大值。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質

18個土壤指標統(tǒng)計特征值見表1。

表1土壤指標統(tǒng)計特征值

Table1Statisticalcharacteristicvalueofsoilindicators

指標最小值最大值極差均值標準差變異系數/%偏度系數峰度系數正態(tài)分布 w(SCC)/%18.0362.5244.4939.4310.0025.36-0.26-0.47是 BD/(g·cm-3)0.981.660.681.380.128.91-0.060.40是 w(SWC)/%8.9435.3026.3618.113.3118.281.881.14是 CP/%33.0167.8134.8044.668.8919.900.890.08是 TPO/%35.0674.8839.8249.419.3718.970.870.09是 NCP/%0.1912.9412.744.802.5452.941.021.60是 CA/%4.1650.7346.5724.3510.9344.910.51-0.29是 pH值6.857.460.617.160.111.530.070.43是 w(SOM)/%0.334.454.122.490.8735.12-0.410.17是 w(SSC)/(g·kg-1)0.8726.6225.752.452.53103.070.180.61是 w(Mg2+)/(mg·kg-1)0.5092.0091.5055.000.3531.60-0.751.34是 w(SO42-)/(mg·kg-1)32.00817.50786.00374.002.3531.41-0.303.66是 w(TN)/(g·kg-1)0.012.932.920.680.5275.521.482.64是 w(TP)/(g·kg-1)0.593.342.751.320.5844.091.491.90是 w(TK)/(g·kg-1)24.3031.507.2027.701.806.400.46-0.52是 w(AN)/(mg·kg-1)11.80149.60137.8054.7726.5048.391.201.62是 w(AP)/(mg·kg-1)0.77138.20137.4344.4031.3070.490.880.50是 w(AK)/(mg·kg-1)4.07476.80472.73160.59105.7865.870.870.39是

SCC為物理性黏粒,BD為容重,SWC為含水量,CP為毛管孔隙度,TPO為總孔隙度,NCP為非毛管孔隙度,CA為通氣度,SOM為有機質,SSC為鹽分,TN為全氮,TP為全磷,TK為全鉀,AN為速效氮,AP為速效磷,AK為速效鉀。

K-S檢驗結果表明18項理化指標均呈正態(tài)分布,說明實驗設計科學合理。土壤物理性黏粒、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和土壤通氣度分別為39.43%、44.66%、4.80%和24.35%;容重為1.38 g·cm-3,且大于1.4 g·cm-3的樣品數量占總數40%以上；總孔隙度為49.41%,小于50%,說明土壤緊實度高;含水量為18.11%,表明土壤濕潤度適宜;pH值為7.16,土壤呈中性;w(有機質)為2.49%,有機質含量偏高;w(鹽分)為2.45 g·kg-1,土壤呈現輕度鹽漬化;w(Mg2+)為55.00 mg·kg-1,w(Mg)適宜;w(SO42-)為374.00 mg·kg-1,S含量適宜;w(全氮)為0.68 g·kg-1，土壤全氮含量偏低;w(全磷)為1.32 g·kg-1,土壤全磷含量偏高;w(全鉀)為27.7 g·kg-1,土壤全鉀含量偏高;w(速效氮)為54.77 mg·kg-1,土壤速效氮含量偏低;w(速效磷)為44.40 mg·kg-1,土壤速效磷含量偏低;w(速效鉀)為160.59 mg·kg-1,土壤速效鉀含量偏高。容重、pH和全鉀3個指標的變異系數小于10%,屬于弱變異性;物理性黏粒、含水量、毛管孔隙度、總孔隙度、非毛管孔隙度、土壤通氣度、有機質、Mg2+、SO42-、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效鉀變異系數介于10%～100%之間,屬于中等變異性;鹽分變異系數最大,大于100%,為強變異性。變異性強弱反映土壤指標值在空間分布上的離散程度與代表性。

2.2 不同種植年限和土層深度土壤特性的變化

不同種植年限園地土壤指標平均值見表2。隨獼猴桃園地種植年限的增加,容重表現出先減小再增加的趨勢,最小值出現在種植時間為>10～15 a時。毛管孔隙度、總孔隙度、非毛管孔隙度、通氣度和有機質呈逐漸減小的趨勢;而含水量、Mg2+、SO42-、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷和速效鉀呈逐漸增加的趨勢。單因子方差分析結果表明,除物理性黏粒與園地種植年限相關性不顯著外,其他指標均與園地種植年限不同程度呈顯著相關,其中pH、鹽分、Mg2+、SO42-、全磷、速效磷和速效鉀呈極顯著相關。

表2不同種植年限和土層深度土壤指標平均值

Table2Theaveragesoilindexesindifferentyearsandwithdifferentdepthsofsoillayer

指標種植年限/a0^5 >5^10>10^15>15^20 >20P顯著性 w(SCC)/%36.70±10.0740.12±9.7450.47±6.2544.99±8.2938.25±7.420.469不顯著 BD/(g·cm-3)1.40±0.111.36±0.141.34±0.091.41±0.101.43±0.120.099一般顯著 w(SWC)/%17.14±2.2817.87±4.3118.49±1.6418.57±2.7819.60±12.880.032顯著 CP/%44.87±8.7147.04±10.2743.84±6.3241.23±4.6943.90±9.560.087一般顯著 TPO/%50.56±9.2352.19±10.7847.86±5.6545.07±5.1048.10±9.870.090一般顯著 NCP/%5.69±2.785.15±2.644.39±2.373.84±1.714.21±2.220.047顯著 CA/%26.55±10.0527.96±12.1423.08±7.2019.62±6.7720.00±11.690.042顯著 pH值7.16±0.117.15±0.127.19±0.097.12±0.127.19±0.070.003極顯著 w(SOM)/%2.68±0.722.50±0.862.42±0.892.37±0.982.41±0.890.096一般顯著 w(SSC)/(g·kg-1)1.89±0.583.03±4.202.19±0.362.53±0.362.05±0.640.008極顯著 w(Mg2+)/(mg·kg-1)52.00±20.0054.00±17.0056.50±20.0056.50±16.0058.00±12.000.005極顯著 w(SO42-)/(mg·kg-1)333.00±135.50374.50±83.50372.00±58.50449.00±116.50337.00±144.500.007極顯著 w(TN)/(g·kg-1)0.64±0.480.63±0.460.99±0.760.55±0.410.79±0.410.044顯著 w(TP)/(g·kg-1)1.16±0.361.22±0.471.18±0.351.50±0.631.64±0.870.003極顯著 w(TK)/(g·kg-1)26.84±1.1828.07±1.8427.21±1.4227.58±1.8228.47±1.850.069一般顯著 w(AN)/(mg·kg-1)41.81±16.4155.21±25.0147.57±19.2053.57±27.3879.16±27.680.029顯著 w(AP)/(mg·kg-1)45.07±22.1842.53±29.7450.74±9.7352.53±35.1452.96±37.750.003極顯著 w(AK)/(mg·kg-1)120.76±73.00147.29±84.37141.35±114.34195.16±93.24219.52±145.890.001極顯著

SCC為物理性黏粒,BD為容重,SWC為含水量,CP為毛管孔隙度,TPO為總孔隙度,NCP為非毛管孔隙度,CA為通氣度,SOM為有機質,SSC為鹽分,TN為全氮,TP為全磷,TK為全鉀,AN為速效氮,AP為速效磷,AK為速效鉀。P≥0.1表示呈不顯著相關;0.05≤P<0.1表示呈一般顯著相關;0.01≤P<0.05表示呈顯著相關;P<0.01表示呈極顯著相關。

2.3 MDS的指標選擇

前7個主成分特征值大于1,累積貢獻率為72.27%,可將18個土壤指標分為7組(表3)。研究區(qū)土壤質量評價的MDS為總孔隙度、全磷、速效氮、Mg2+、全鉀、有機質、含水量、速效磷和物理性黏粒9個指標,且指標間相關系數均小于0.5(表4)。這些指標中,總孔隙度包含大孔隙和小空隙,大孔隙通水透氣,小空隙持水保水;全磷、速效氮、全鉀、有機質和速效磷為獼猴桃生長必需的養(yǎng)分;Mg2+為獼猴桃生長所需的微量元素,同時能調節(jié)根部滲透作用;含水量直接影響土壤養(yǎng)分有效性、無機陰陽離子吸收和各種物理化學反應的順利進行;物理性黏粒能夠防止土壤沙化,保持土壤活性。

表3主成分載荷矩陣與MDS的確定

Table3Principalcomponentloadmatrixandthedeterminationoftheminimumdataset

指標主成分1234567Norm值公因子方差分組MDS SCC-0.14-0.110.160.430.110.090.771.030.867是 BD-0.660.03-0.170.030.16-0.180.041.310.531 SWC0.170.350.290.36-0.59-0.34-0.271.120.905是 CP0.83-0.350.190.120.20-0.14-0.121.710.931 TPO0.90-0.300.150.060.08-0.08-0.041.780.941是 NCP0.560.13-0.09-0.22-0.420.230.271.110.691 CA0.85-0.420.05-0.110.240.110.071.760.991 pH0.22-0.090.050.58-0.300.310.120.790.594 SOM0.240.410.31-0.56-0.30-0.060.121.130.754是 SSC-0.53-0.150.10-0.050.260.100.070.750.401 Mg2+0.290.21-0.72-0.030.210.15-0.211.310.763是 SO42--0.33-0.260.55-0.220.270.11-0.191.200.653 TN0.160.570.180.430.250.27-0.121.170.712 TP0.270.69-0.18-0.240.18-0.120.251.300.752是 TK0.240.30-0.800.050.100.100.001.380.813是 AN0.120.640.410.380.240.12-0.131.320.832是 AP0.210.180.010.040.25-0.770.211.020.786是 AK0.130.480.51-0.440.200.230.061.260.803 特征值3.562.422.281.391.191.151.02 貢獻率/%19.7713.4412.657.726.616.415.68 累計貢獻率/%19.7733.2145.8653.5860.1966.6072.28

SCC為物理性黏粒,BD為容重,SWC為含水量,CP為毛管孔隙度,TPO為總孔隙度,NCP為非毛管孔隙度,CA為通氣度,SOM為有機質,SSC為鹽分,TN為全氮,TP為全磷,TK為全鉀,AN為速效氮,AP為速效磷,AK為速效鉀。

表4主成分不同分組內土壤指標之間Pearson相關系數

Table4PrincipalcomponentsPearsoncorrelationcoefficientbetweensoilindicatorsindifferentgroups

分組指標Pearson相關系數BDCPTPONCPCA1CP-0.14TPO-0.18 0.32??NCP0.00-0.07 0.28??CA-0.140.130.31??0.13SSC-0.12-0.21?0.030.160.08分組指標Pearson相關系數TNTP2TP 0.73??AN-0.26??-0.11分組指標Pearson相關系數Mg2+SO42-TK3SO42- 0.11TK-0.06-0.15AK-0.14-0.08-0.29??分組指標Pearson相關系數pH4SOM 0.45??

BD為容重,CP為毛管孔隙度,TPO為總孔隙度,NCP為非毛管孔隙度,CA為通氣度,SOM為有機質,SSC為鹽分,TN為全氮,TP為全磷,TK為全鉀,AN為速效氮,AK為速效鉀。*表示P<0.05,**表示P<0.01。

2.4 土壤質量評價

MDS指標權重見表5。有機質、全氮、全鉀、速效氮和速效磷都反映土壤養(yǎng)分,在土壤質量評價中權重總占比達53%,說明養(yǎng)分是研究區(qū)土壤質量的重要限制指標。

表5MDS指標權重

Table5Minimumfactorweightsofdatasets

MDS指標公因子方差權重 SCC0.860.12 SWC0.900.12 TPO0.940.13 SOM0.750.10 Mg2+0.760.10 TP0.750.10 TK0.810.11 AN0.830.11 AP0.780.11

SCC為物理性黏粒,SWC為含水量,TPO為總孔隙度,SOM為有機質,TP為全磷,TK為全鉀,AN為速效氮,AP為速效磷。

速效鉀與全鉀呈極顯著相關(表4),說明研究區(qū)范圍內全鉀能代表土壤鉀元素信息。周至縣獼猴桃果園土壤物理性黏粒、含水量、總孔隙度、微量元素和養(yǎng)分含量都略偏低,因此MDS指標對土壤質量均表現為正效應,屬于升型隸屬度函數。不同種植年限獼猴桃園地土壤質量評價指數隨種植年限增加而增加,大小依次為0.68(>20 a)、0.64(>15～20 a)、0.64(>10～15 a)、0.64(>5～10 a)和0.60(0～5 a),表明種植年限越高,園地土壤質量越好。種植年限<10 a的園地土壤指標值均有所提升,土壤質量提升較快;種植年限>10～15 a的園地土壤孔隙度、通氣度和有機質含量開始降低,而含水量、微量元素和養(yǎng)分持續(xù)增加,土壤質量相對穩(wěn)定;種植年限>15～20 a園地土壤孔隙度、通氣度和有機質保持穩(wěn)定,其他指標增加明顯,土壤質量再次提升。隨獼猴桃園地種植年限的增加,土壤質量呈現先提升后穩(wěn)定再提升的趨勢。

2.5 MDS的檢驗

如表6所示,MDS指標與其他指標均呈極顯著相關(P<0.01)或顯著相關(P<0.05),說明MDS指標一定程度上可反映其他指標代表的土壤質量信息,采用MDS指標評價土壤質量具有可行性。

表6MDS指標與其他土壤指標間的Pearson相關系數

Table6MinimumdatasetfactorandotherPearsoncorrelationcoefficientbetweensoilindexes

MDS指標BDCPNCPCApHSSCSO42-TNAK SCC0.11-0.15-0.03-0.060.04-0.190.130.120.14 SWC0.100.20-0.02-0.15-0.06-0.19-0.20-0.29??-0.09 TPO-0.180.32??0.28??0.31??0.150.03-0.24?-0.35??0.39?? SOM-0.060.22?0.050.45??0.45??0.45??-0.010.18-0.17 Mg2+-0.060.010.11-0.060.080.42??0.11-0.06-0.14 TP-0.04-0.27??-0.14-0.21-0.08-0.060.66??0.73??-0.12 TK0.29??-0.16-0.11-0.31??-0.25?-0.16-0.150.18-0.29?? AN0.03-0.05-0.110.00-0.20-0.05-0.25?-0.26??0.10 AP-0.160.180.00-0.03-0.21?-0.21-0.22?-0.35??0.09

SCC為物理性黏粒,BD為容重,SWC為含水量,CP為毛管孔隙度,TPO為總孔隙度,NCP為非毛管孔隙度,CA為通氣度,SOM為有機質,SSC為鹽分,TN為全氮,TP為全磷,TK為全鉀,AN為速效氮,AP為速效磷,AK為速效鉀。*表示P<0.05,**表示P<0.01。

3 討論

采用主成分分析和相關分析等統(tǒng)計學方法定量分析不同種植年限獼猴桃園地對土壤因子的影響,并建立土壤質量評價最小數據集。主成分分析法被廣泛用于土壤質量評價,但是僅靠變量在單個主成分中的載荷值作為選入MDS的依據,會剔除過多指標,而造成具有重要價值的土壤質量信息缺失,筆者引入Norm值則可避免這一問題[1,13,23],提升評價結果準確性。然而,土壤質量還受到其他因素影響,該研究僅依據測定的18項土壤理化性質指標進行分析,而未考慮土地利用方式、生態(tài)系統(tǒng)類型、地理區(qū)位等其他因素對土壤質量的影響,這將是下一步研究工作的重點。

從不同種植年限獼猴桃園地土壤指標的變化趨勢來看,隨種植年限增加,物理性黏粒先增加再減小,而容重先減小再增加,毛管孔隙度、總孔隙度、非毛管孔隙度、土壤通氣度和有機質則逐漸減小。這說明隨種植年限增加,土壤逐漸形成板結。另外,制約土壤質量的決定指標是養(yǎng)分,養(yǎng)分在土壤質量評價中的總權重占比達53%,而研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量總體偏低,因此提高獼猴桃產量與質量,首先需要提高土壤養(yǎng)分質量,改變耕作方式,改善土壤結構。

4 結論

(1)適用于周至縣獼猴桃園地土壤質量評價的MDS指標為土壤總孔隙度、全磷、速效氮、Mg2+、全鉀、有機質、含水量、速效磷和物理性黏粒9個指標。

(2)有機質、全氮、全鉀、速效氮和速效磷等土壤養(yǎng)分指標在土壤質量評價中總權重占比達53%,養(yǎng)分是研究區(qū)土壤質量重要限制指標。

(3)隨獼猴桃園地種植年限增加,土壤物理性黏粒、容重、毛管孔隙度、總孔隙度、非毛管孔隙度、土壤通氣度和有機質等會發(fā)生改變,土壤逐漸形成板結。