基于耕作指數(shù)評價耕作措施對東北風沙土耕層土壤質(zhì)量的影響

苗淑杰，趙紅飛，喬云發(fā)*，陸欣春，李 琪

（1．南京信息工程大學應用氣象學院，江蘇 南京 210044；2．中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081）

土壤質(zhì)量是指土壤在生態(tài)系統(tǒng)的范圍內(nèi)，維持生產(chǎn)能力、保護環(huán)境質(zhì)量及促進動植物健康的綜合能力［1］。土壤質(zhì)量是一種指示土壤條件動態(tài)變化最敏感的表示方法，反映土壤管理的變化［2］。改善土壤質(zhì)量對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要意義［3］。耕作措施影響土壤水分、養(yǎng)分的分布和遷移，是影響耕層土壤質(zhì)量變化最普通、最直接、最深刻的因素，合理耕作措施即提高土壤質(zhì)量,又改善生態(tài)環(huán)境［2，4-7］。東北風沙土區(qū)，氣候干旱、土壤貧瘠、土壤保水保肥能力弱、耕層土壤質(zhì)量差，影響作物生長［8］。因此，在東北風沙土區(qū)農(nóng)田開展耕作措施對耕層土壤質(zhì)量的影響研究具有重要意義。

土壤質(zhì)量是在土壤不同功能間尋求平衡和綜合而確定的土壤本身的內(nèi)在屬性，土壤質(zhì)量評價工作是根據(jù)已知的土壤外部性質(zhì)對土壤的這一內(nèi)在屬性進行量化表達［9］。定量化分析耕作措施對土壤質(zhì)量的影響，根據(jù)量化評價的實際情況選擇適宜的耕作方式［7，10］。土壤質(zhì)量不能直接測定，目前國內(nèi)外對土壤質(zhì)量的評價主要通過選擇土壤理化性質(zhì)等土壤屬性作為評價指標，建立評價模型，利用各種數(shù)學方法，根據(jù)量化的土壤屬性，計算出土壤質(zhì)量的“分數(shù)”，最好的土壤得到最高的分數(shù)［9，11］。土壤耕作指數(shù)是將特定土壤耕作下土壤質(zhì)量進行定量描述的指數(shù)，通過計算不同耕作措施下的耕作指數(shù)（TI），評價耕作措施對土壤質(zhì)量的影響［7，12］。通過耕作指數(shù)對土壤生產(chǎn)力進行評價，可為土壤生產(chǎn)力狀況和合理耕層構(gòu)建提供依據(jù)。徐尚起等［7］、Bockari-Gevao等［13］認為利用土壤耕作指數(shù)定量評價土壤質(zhì)量，對于選擇合理耕作措施，提高耕層土壤質(zhì)量的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。通過耕作與秸稈還田、有機肥施用集成模式是構(gòu)建合理耕層常用措施。合理耕作措施改善土壤理化學及生物學性狀，有利于農(nóng)田土壤質(zhì)量的提高，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展［7，9］。土壤質(zhì)量的評價受研究尺度、土壤類型、氣候等因素的綜合影響，選擇的評價指標方法是相對的而不是絕對的；而對于農(nóng)田土壤，土壤質(zhì)量的評價與生產(chǎn)力評價類似；在小區(qū)尺度上，需要進行田間試驗來理解土壤質(zhì)量和作物生產(chǎn)之間的關(guān)系［2，7］。

耕層土壤質(zhì)量評價是東北風沙土區(qū)合理耕層構(gòu)建的重要內(nèi)容。由于土壤質(zhì)量評價的困難性，對耕層土壤質(zhì)量定量評價的研究相對較少，特別是以定量方法評價耕作措施對東北風沙土耕層土壤質(zhì)量的影響鮮見報道。本文針對東北風沙土區(qū)農(nóng)田，基于土壤生產(chǎn)性能指標基礎上，利用聚類分析建立最小數(shù)據(jù)集，并采用土壤質(zhì)量指數(shù)法驗證最小數(shù)據(jù)集指標的合理性，計算土壤耕作指數(shù)。應用耕作指數(shù)定量評價耕作措施對東北風沙區(qū)農(nóng)田合理耕層構(gòu)建效果，為選擇合理的耕作措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2017年4～10月在黑龍江省大慶市杜爾伯特蒙古族自治縣第一糧種場進行。該區(qū)屬溫帶大陸性半干旱季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，四季分明，雨熱同季，年均降水量400 mm，年平均氣溫3.1℃，≥10℃活動積溫2 600～2 800℃，無霜期145～150 d，冬春季風大，氣候干燥，蒸發(fā)力大，春旱嚴重，為典型春玉米農(nóng)作區(qū)。試驗區(qū)土壤肥力屬于中下等，0～20 cm耕層土壤中砂粒、粉粒和粘粒含量分別為71.36%、10.65%和17.99%；20～40 cm土壤中砂粒、粉粒和粘粒含量分別為66.96%、12.33 %和20.71%；40～50 cm土壤中砂粒、粉粒和粘粒含量分別為68.01%、11.10 %和20.89%，土壤為砂壤土質(zhì)地。種植制度為一年一熟制，種植方式為壟作。試驗前土壤基本理化性質(zhì):有機質(zhì)為15.2 g·kg-1，全氮為1.02 g·kg-1，全磷為 0.99 g·kg-1，全鉀為 24.1 g·kg-1，堿解氮53.8 mg·kg-1，有效磷為15.9 mg·kg-1，速效鉀為121.21 mg·kg-1，pH值為7.81，耕層厚度17.0 cm，犁底層厚度10.5 cm。

1.2 試驗設計

試驗設施化肥（NPK）、化肥+秸稈還田（簡稱，秸稈還田，NPK+S）和化肥+有機肥（簡稱，有機肥，NPK+OM）3種施肥模式，5種耕作方式（表1）共15個處理，每個處理3次重復，每個小區(qū)面積84 m2，隨機排列。5月5日播種，施玉米專用肥400kg·hm-2作基肥，在拔節(jié)期追施尿素1次，施肥量150kg·hm-2，秸稈全量還田，有機肥8 t·hm-2，10月2日測產(chǎn)，采集耕層土壤樣品。玉米品種為吉農(nóng)302，種植密度為5.5萬株·hm-2。

表1 不同耕作措施田間操作描述

1.3 土壤理化分析

測定土壤理化性狀指標16項，其中pH值、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮、全磷、全鉀、有機質(zhì)、容重、陽離子交換量（CEC）、團聚體平均重量直徑（MWD）、含水量、田間持水量和孔隙度參照《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》進行各項指標的分析測定［14］；土壤滲透速率采用環(huán)刀法、耕層硬度采用田間原位硬度計測定，玉米產(chǎn)量測量采用多點采樣測量平均值。

1.4 最小數(shù)據(jù)集建立［7］

聚類分析是對評價指標的諸多特性進行分類。在SPSS 22中運用Pearson距離對評價指標進行R型聚類分析。在相應聚合水平之間，將評價指標劃分為反映耕層構(gòu)建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)性顯著的指標可相互代替，選擇易度量、重現(xiàn)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(shù)據(jù)集。

1.5 耕作指數(shù)計算［15］

耕作指數(shù)（TI）是對耕層土壤結(jié)構(gòu)評價指標的集成，耕作指數(shù)越大，土壤生產(chǎn)力越強，作物產(chǎn)量越高，則耕層土壤結(jié)構(gòu)越趨于合理。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(shù)類型不同，本研究采取S型、反S型和拋物線型三類函數(shù)。對數(shù)據(jù)集指標做主成分分析，提取評價指標的公因子方差，各指標公因子方差占公因子方差之和的比例即為評價指標權(quán)重值，計算公式如下:

式中Ai是各個評價指標權(quán)重，X′i是各個評價指標隸屬度值。

1.6 耕作指數(shù)評價精度驗證［16］

利用Nash有效系數(shù)（Ef）和相對偏差系數(shù)（Er）評價基于聚類分析最小數(shù)據(jù)集的精確程度。計算公式為:

式中I0和為基于全量數(shù)據(jù)集計算得出的耕作指數(shù)值和耕作指數(shù)平均值，Ical為基于MDS計算得出的耕作指數(shù)值。

1.7 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 22軟件和Excel 2010對數(shù)據(jù)進行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 東北風沙土耕層土壤屬性描述性統(tǒng)計分析

耕層土壤質(zhì)量一般采用土壤理化指標反映，耕層土壤屬性特征差異明顯（表2）。本研究選取16項耕層結(jié)構(gòu)因子作為評價指標，有效磷（6.53 mg·kg-1）和滲透速率（5.68 mm·min-1）為中敏感度指標，變異系數(shù)分別為37.29%和39.17%；堿解氮65.99～107.30 mg·kg-1、速效鉀100.33～ 205.93 mg·kg-1、全氮1.03～1.67 g·kg-1、團聚體平均重量直徑0.41～0.74 mm和耕層土壤硬度113.20～196.73kg·cm-2的變異系數(shù)接近不敏感水平（＜10%）；pH值、有機質(zhì)、全磷、全鉀、陽離子交換量、容重、含水量、田間持水量和孔隙度的平均值分別為7.67、18.40 g·kg-1、0.52 g·kg-1、24.09 g·kg-1、15.01 cmol·kg-1、0.82 g·cm-3、13.80%、27.55%和40.01%，它們的變異系數(shù)＜10%，屬于相對穩(wěn)定指標，是維護耕層土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要因素。K-S檢驗結(jié)果表明，各項指標均服從正態(tài)分布。

表2 東北風沙土農(nóng)田耕層質(zhì)量評價土壤參數(shù)統(tǒng)計特征

2.2 土壤質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集

運用SPSS 22中的聚類分析法中R型聚類，對全量數(shù)據(jù)集16個評價指標進行分類。圖1表明，在聚合水平為10，評價指標劃分為4類，第一類為有效磷、速效鉀、有機質(zhì)、全鉀、堿解氮、全氮、pH值、陽離子交換量、全磷、田間持水量和孔隙度表征土壤基礎地力。由表3可見，土壤有機質(zhì)與堿解氮（0.792**）、全氮（0.647**）、速效鉀（0.812**）和全鉀（0.774**）均呈極顯著相關(guān)，土壤有機質(zhì)是反映土壤質(zhì)量的最重要的化學參數(shù)之一，除了作為營養(yǎng)來源，它可以改善土壤的結(jié)構(gòu)和提高生物活性，是評價風沙土土壤質(zhì)量重要評價指標，選擇有機質(zhì)進入最小數(shù)據(jù)集（MDS）。有效磷是作物從土壤中獲取的主要養(yǎng)分資源之一，有效磷與全磷（0.668**）、田間持水量（0.703**）均呈極顯著相關(guān)，有效磷變異性大（37.29%），選擇有效磷進入MDS。全氮與陽離子交換量（0.674*）和孔隙度（0.567*）都顯著相關(guān)，全氮是評價土壤肥力必備指標，全氮進入MDS。pH值是衡量土壤酸堿度的指標，在土壤質(zhì)量評價使用率達90%［3］，故pH值進入MDS。第二類為團聚體平均重量直徑，表征耕層土壤基本結(jié)構(gòu)性狀，是反映土壤物理結(jié)構(gòu)的重要指標，則團聚體平均重量直徑進入MDS。第三類為含水量和土壤水分滲透速率，表征土壤保水性能，土壤含水量和水分滲透速率相關(guān)系數(shù)0.569*，含水量可以直接反映土壤濕潤狀況并且測定快速、方便，選擇土壤含水量進入MDS。土壤容重和硬度為第四類，表征土壤緊實度，對于特定的土壤類型，容重可用于監(jiān)測土壤的硬度，通常情況下，土壤容重越大，土壤硬度相應越大，土壤容重和硬度相關(guān)系數(shù)0.615*，土壤容重的變化除了本身影響水分和氧氣的供應外，還可影響許多其它性質(zhì)和過程，選擇土壤容重進入MDS。最終確定有機質(zhì)、有效磷、全氮、pH值、團聚體平均重量直徑、含水量和容重7項指標進入MDS。提取評價指標的公因子方差，得到進入MDS指標權(quán)重分別為有機質(zhì)0.088、有效磷0.148、全氮0.141、pH值0.050、團聚體平均重量直徑0.117、含水量0.245和容重0.212。

圖1 東北風沙土農(nóng)田耕層質(zhì)量評價聚類分析樹圖

表3 東北風沙土農(nóng)田耕層評價指標Person相關(guān)系數(shù)矩陣

2.3 最小數(shù)據(jù)集合理性驗證

最小數(shù)據(jù)集評價指標體系合理性驗證是耕層土壤質(zhì)量評價的重要環(huán)節(jié)［17］。計算基于不同數(shù)據(jù)集的耕作指數(shù)，全量數(shù)據(jù)集耕作指數(shù)（TI-TDS）變化幅度為0.35～0.87，均值為0.57，基于聚類分析最小數(shù)據(jù)集的耕作指數(shù)（TI-MDS）在0.26～0.85之間變化，均值為0.53，TI-TDS和TI-MDS變化幅度、均值和變異系數(shù)接近。將TI-TDS與TI-MDS進行線性擬合分析（圖2），相關(guān)系數(shù)r為0.928。TI-TDS與TI-MDS的Nash有效系數(shù)Ef為0.761，偏差系數(shù)Er為0.079，平均相對誤差分別為0.044和0.048。有效系數(shù)（Ef）越接近于1，表示基于MDS計算的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)與TI-TSD基準值越接近，精度越高［3，17］。相對偏差系數(shù)（Er）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TI-TDS基準值偏差越小，結(jié)果越精確［17］。玉米產(chǎn)量分別與TI-TDS和TI-MDS進行線性擬合（圖3），從擬合效果來看，玉米產(chǎn)量與TI-TDS、TI-MDS均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r分別為0.722**和0.767**，達到極顯著水平，故MDS適合替代全量數(shù)據(jù)集對風沙土耕地耕層土壤質(zhì)量進行評價。

圖2 基于不同數(shù)據(jù)集東北風沙土耕作指數(shù)的相關(guān)性

圖3 東北風沙土不同數(shù)據(jù)集耕作指數(shù)與玉米產(chǎn)量的相關(guān)性

2.4 耕作措施對東北風沙土耕層土壤質(zhì)量的影響

基于風沙土耕地聚類分析得出的最小數(shù)據(jù)集的耕作指數(shù)，耕作指數(shù)（TI-MDS）取值范圍在0～1之間，其值越高，表明作物產(chǎn)量越高，耕層結(jié)構(gòu)越合理［3］。根據(jù)耕作指數(shù)與作物產(chǎn)量的對應關(guān)系，人為把土壤質(zhì)量劃定分為五級，耕作指數(shù)0.80～1.0為Ⅰ級、0.60～0.80為Ⅱ級、0.40～0.60為Ⅲ級、0.20～0.40為Ⅳ級、0～0.20為V級。由圖4表明，施有機肥耕層土壤耕作指數(shù)為0.70～0.85，平均為0.76±0.03，達到Ⅱ級水平；秸稈還田耕層土壤耕作指數(shù)為0.26～0.51，平均為0.41±0.04，達到Ⅲ級水平；施用化肥耕層土壤耕作指數(shù)為0.26～0.52，平均為0.41±0.04，達到Ⅲ級水平，這表明風沙土區(qū)化肥配施有機肥是構(gòu)建合理耕層的有效培肥方式，秸稈還田對合理耕層構(gòu)建效果不顯著。從耕作方式角度來看，不考慮施肥因素，把3種施肥相同耕作方式平均耕作指數(shù)，翻耕＞旋耕＞常規(guī)＞超深翻＞深翻，翻耕達到Ⅱ級，其他耕作為Ⅲ 級，可見，翻耕可以改善耕層結(jié)構(gòu)。從耕作措施分析，翻耕施用有機肥耕作指數(shù)最大，為0.85，達到I級，深翻打破犁底層秸稈還田和超深翻施化肥耕作措施土壤質(zhì)量嚴重下降，耕作指數(shù)為0.26，耕層土壤為Ⅳ級。除超深翻以外，其他4種耕作方式秸稈還田沒有增加耕作指數(shù)，深翻打破犁底層秸稈還田耕作指數(shù)下降40.0%，由Ⅳ級地降為V級，說明秸稈直接還田不適用于風沙土區(qū)玉米生產(chǎn)。

圖4 耕作措施對東北風沙土耕作指數(shù)的影響

3 討論

3.1 土壤耕作指數(shù)評價指標選擇

耕層土壤質(zhì)量評價一般是基于農(nóng)作物的生產(chǎn)力、土壤理化及力學性質(zhì)［15］。準確提取適宜評價指標是耕層土壤質(zhì)量評價的重要環(huán)節(jié)，而在評價指標篩選中，除了利用原始變量作為評價指標外，從大量土壤參數(shù)中篩選出相對獨立、影響土壤質(zhì)量的敏感性指標建立最小數(shù)據(jù)集［15］。最小數(shù)據(jù)集作為一種評價指標篩選方法，在國內(nèi)外土壤質(zhì)量評價及監(jiān)測中得到了廣泛的應用［18-19］。不同的研究目的對土壤質(zhì)量評價時選取的指標存在差異［7］。從全量數(shù)據(jù)集指標使用頻率排序來看，使用頻率最高的前3位是土壤容重、黏粒、pH值，是土壤質(zhì)量評價中必須考慮的指標，使用頻率達90%；全氮使用頻率為70%；團聚體平均重量直徑、粉粒、砂粒、有機質(zhì)和孔隙度次之，均為60%；有效磷使用頻率為50%［15］。本研究全量數(shù)據(jù)集16項評價指標中有土壤容重、pH值、全氮、團聚體平均重量直徑、有機質(zhì)、孔隙度和有效磷7項進入全量數(shù)據(jù)集評價指標使用頻率前10位。最小數(shù)據(jù)集中土壤容重、pH值和團聚體平均重量直徑三者使用率均為40%；有機質(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、有效磷和有機碳［15］。最小數(shù)據(jù)集評價指標中容重、pH值、團聚體平均重量直徑、有機質(zhì)、全氮、含水量和有效磷7項評價指標全部進入最小數(shù)據(jù)集評價指標使用頻率前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)集評價指標體系均有較好代表性，適宜于耕層土壤質(zhì)量評價。

3.2 土壤耕作指數(shù)評價土壤質(zhì)量

應用耕作指數(shù)評價土壤質(zhì)量在國內(nèi)外得到廣泛應用，對于土壤質(zhì)量的評價方法多種多樣，但目前尚無統(tǒng)一的被廣泛使用的土壤質(zhì)量評價方法，原因在于絕大多數(shù)方法無法同時做到準確和簡單實用［20］。近年來，越來越多的學者將聚類分析與主成分分析方法相結(jié)合運用于土壤質(zhì)量評價，以各原始指標為變量進行聚類分析篩選出主要評價指標，再以各主成分得分作為評價新指標權(quán)重［17，21-22］，這一方法不僅簡化了原始變量，而且消除多指標間的相互影響，使評價結(jié)果更為準確、可靠［17］。本研究利用聚類分析與主成分分析相結(jié)合方法計算耕作指數(shù)，結(jié)果表明TI-TDS與TI-MDS呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r為0.928（圖2），TI-TDS與TIMDS的Nash有效系數(shù)Ef為0.761，偏差系數(shù)Er為0.079，TI-MDS取值范圍為0.26～0.85，與玉米產(chǎn)量顯著正相關(guān)（r=0.767），可作為定量評價土壤質(zhì)量的指標。有機質(zhì)、有效磷、全氮和pH值屬于土壤基礎理化性質(zhì)，團聚體平均重量直徑、含水量和容重測定方法簡單便捷，利用公式即可計算TIMDS，可作為評價不同耕作措施的簡單有效的方法?？梢酝ㄟ^計算TI評價與試驗地氣候土壤情況相似的東北風沙土玉米田土壤質(zhì)量，是否能在其它地區(qū)及種植制度下運用仍需進一步的試驗驗證。

4 結(jié)論

依據(jù)聚類構(gòu)建的最小數(shù)據(jù)集計算土壤耕作指數(shù)，能夠準確地反映耕層土壤質(zhì)量情況，耕作指數(shù)TI（0.26～0.85）與玉米產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)（r=0.767），利用此法計算TI-MDS簡單有效，可以用做評價東北風沙土玉米田土壤質(zhì)量的指標，能預測不同耕作措施下的玉米產(chǎn)量。不同耕作措施下，風沙土區(qū)化肥配施有機肥是構(gòu)建合理耕層的有效培肥方式，秸稈還田對風沙土合理耕層構(gòu)建效果不明顯。不考慮施肥因素，從耕作方式角度來看土壤耕作指數(shù)，翻耕＞旋耕＞常規(guī)＞超深翻＞深翻。把耕作方式與有機物料培肥融為一體，翻耕+有機肥耕作指數(shù)最大，為0.85，達到I級，深翻+秸稈還田和超深翻+化肥耕作措施土壤質(zhì)量嚴重下降，耕作指數(shù)均為0.260，土壤為Ⅳ級。除超深翻耕作外，其它4種耕作方式秸稈還田沒有增加耕作指數(shù)，深翻+秸稈還田耕作指數(shù)下降40%，由Ⅳ級地降為V級，說明秸稈還田不適用于風沙土區(qū)玉米生產(chǎn)。