基于多元線性回歸的東北風沙土耕層土壤質量評價

鐘鑫 喬云發(fā) 趙紅飛 高雅曉玲 姚婷

摘要?[目的]采用耕作指數(shù)（TI）定量評價東北風沙土區(qū)農田耕層土壤質量，為準確評價東北風沙土區(qū)耕層土壤質量提供科學依據(jù)。[方法]以黑龍江省大慶市杜爾伯特蒙古族自治縣域內風沙土區(qū)玉米田塊為調查對象，依據(jù)土壤肥力差異，選取18個調查點進行28項常規(guī)土壤理化性狀指標和玉米產量的測量。采用多元線性回歸方法建立耕層質量評價最小數(shù)據(jù)集（MDS），計算土壤耕作指數(shù)（TI）。[結果]多元回歸結果表明，土壤有機質、全磷、堿解氮、孔隙度和pH構成評價風沙土壤質量的最小數(shù)據(jù)集（MDS）。最小集耕作指數(shù)（MDS-TI）分別與全量數(shù)據(jù)集耕作指數(shù)（TDS-TI）和玉米產量呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為r=0.95和r=0.96，表明可以用最小數(shù)據(jù)集替代全量數(shù)據(jù)集來評價土壤質量。依據(jù)耕作指數(shù)0～1取值范圍，將耕作指數(shù)分為0～0.33，0.33～0.66，0.66～1.00，對應耕層土壤地力高中低3個等級。該研究的18個調查點高產田占11.1%，中產田最多，占55.6%，低產田占33.3%，說明風沙土區(qū)農田以中低產田為主。[結論]利用最小數(shù)據(jù)集耕作指數(shù)可以有效評價東北風沙土壤質量，為東北風沙土質量評價和中低產田改良提供理論參考。

關鍵詞?風沙土;耕作指數(shù);玉米;土壤質量

中圖分類號?S154.1文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2020）02-0010-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.003

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Tillage Layer Quality Assessment of Aeolian Sandy Soil in Northeast China Based on Multiple Linear Regression

ZHONG Xin，QIAO Yun-fa，ZHAO Hong-fei et al?（Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing，Jiangsu 210044）

Abstract?[Objective]Using tillage index （TI） to quantitatively evaluate the soil quality of farmland plough layer in northeast aeolian sandy soil area，and provide scientific basis for accurately evaluating soil quality of plough layer in northeast aeolian sandy soil area.[Method]Based on the differences in soil fertility，18 survey sites were selected for the measurement of 28 routine soil physical and chemical properties and corn yield based on the differences in soil fertility in Heilongjiang Province.A multivariate linear regression method was used to establish a minimum data set （MDS） for the quality evaluation of the plough layer，and the soil tillage index （TI） was calculated.[Result]Multiple regression results indicated that soil organic matter，total phosphorus，basic nitrogen，porosity and pH constitute the minimum data set （MDS） for evaluating sandy soil quality.The minimum data set tillage index （MDS-TI） was significantly positively correlated with the full data data set tillage index （TDS-TI） and maize yield，with correlation coefficients r=0.95 and r=0.96，indicating that the minimum data may have been used to set up an alternate complete data set to assess soil quality.According to the range of farming index 0～1，the tillage index was divided into 0～0.33，0.33～0.66，0.66～1.00，corresponding to the high，medium and low grades of soil fertility.Among the 18 survey sites in this study，high-yield fields accounted for 11.1%，middle-yield fields accounted for the most，55.6%，and low-yield fields accounted for 33.3%，indicating that sandy soil fertility sandy soil areas were mainly low-yielding and middle-yielding fields.[Conclusion]Using the minimum data set tillage index can effectively evaluate the soil quality of the aeolian sandy soil in northeast China，and provide a theoretical reference for the quality evaluation of the aeolian sandy soil and the improvement of the middle-yielding and low-yielding fields.

Key words?Aeolian sandy soil;Tillage index;Maize;Soil quality

土壤質量是土壤的許多物理、化學和生物學性質，以及形成這些性質的一些重要過程的綜合體現(xiàn)[1]。近年來，人們越來越多關注耕層土壤質量問題，對土壤質量的深入研究有助于土壤可持續(xù)管理。土壤質量評價是反映土壤肥力的重要方法，能夠反映出土壤的健康狀況[2]。東北地區(qū)玉米種植面積占全國玉米種植面積的1/3以上，是我國玉米主產區(qū)，年均總產量為6 500萬t左右，占全國玉米產量的40%，被譽為我國的“糧倉”[3]。但是，東北平原約10%的中低產田主要分布在風沙土區(qū)，嚴重影響玉米總產[4]。東北風沙土區(qū)降雨量偏少，土壤干旱貧瘠、保水保肥能力較差，風沙土區(qū)農田成為東北玉米增產的主要障礙區(qū)[3]。合理評價東北風沙土區(qū)耕層土壤質量，對于提高玉米產量有著重要意義。近年來，關于土壤質量評價的研究已成為熱點，Tripathi等[5]利用定量化分析方法，研究耕層構建中土壤性狀對土壤質量的影響，再根據(jù)不同性狀對土壤質量影響力大小，有針對性地開展適宜的耕作方式。國內外學者多采用多元線性回歸、模糊數(shù)學、主成分分析方法建立最小數(shù)據(jù)集對油茶田、亞熱帶的農業(yè)試驗田、冷浸田、水旱輪作農田、綠洲等土壤質量進行評價[6-10]，而采用多元線性回歸對東北風沙土農田耕層土壤質量評價少見報道。該研究以黑龍江省西部風沙土玉米種植區(qū)為基礎，利用多元線性回歸方法建立評價指標最小數(shù)據(jù)集，利用耕作指數(shù)評價土壤質量，以期為東北風沙土玉米種植區(qū)中低產田改良提供科學依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?試驗區(qū)域概況

野外調查區(qū)域在黑龍江省大慶市杜爾伯特蒙古族自治縣域內，其位于松嫩平原西部（45°53′～47°81′N，123°45′～124°42′E），地勢開闊平坦，春風大，降雨少，“十年九旱”，年降雨量400 mm，主要集中在6—8月，年平均氣溫3.1 ℃，≥10 ℃活動積溫2 600～2 800 ℃，為一年一熟制。土壤類型為風沙土。

1.2?野外調查

2015年10月在黑龍江省大慶市杜爾伯特蒙古族自治縣域內風沙土玉米生產區(qū)，采用“S”形多點混合采樣，依據(jù)土壤肥力差異，隨機選取18個樣點，采集0～20 cm耕層土壤樣品，測量土壤理化性狀，同時采用5點測定玉米產量，采樣點分布見圖1。

1.3?測定項目與方法?耕層深度和犁底層厚度采用直尺測量;pH測定采用電位法;堿解氮測定采用堿解擴散法;速效磷測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法;速效鉀測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法;總氮測定采用凱氏定氮法;全磷測

定采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法;全鉀測定采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法;有機質測定采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法;陽離子交換量（CEC）測定采用EDTA-銨鹽快速法;滲透速率、容重、土壤含水量、飽和含水量、田間持水量測定采用環(huán)刀法;土壤硬度測定采用TYD-2土壤硬度計;土壤機械組成測定采用吸管法。

1.4?耕作指數(shù)計算?28項土壤性狀與玉米產量作多元回歸分析[11]，得到多元線性回歸方程：

Y=a+b1X1+b2X2+…+bnXn（1）

式（1）中，Y是玉米產量;a，b1，b2，…，bn是回歸分析中的常數(shù);X1，X2，…，Xn是不同的土壤性狀，將這些性狀與玉米產量單獨作相關性分析，得到各自的相關系數(shù)ri2，將ri2與所有回歸確定的土壤性狀的相關系數(shù)之和相比，用Ai表示：

Ai=ri2/∑nri2（2）

式（2）中，n表示在回歸分析中確定的土壤性狀的個數(shù)。TI的計算公式為：

TI=nAiXi′（3）

式（3）中，Xi′是被選指標的隸屬度值，根據(jù)指標與玉米產量的正負相關性，隸屬度函數(shù)一般分為升型和降型2種[12]（表1），求出評價指數(shù)TI值，用作評價土壤質量的依據(jù)。

1.5?數(shù)據(jù)處理與分析?采用SPSS 17.0軟件和Excel 2007對數(shù)據(jù)進行分析處理。

2?結果與分析

2.1?耕層最小數(shù)據(jù)集（MDS）建立

最小數(shù)據(jù)集的確定是土壤質量評價中較為重要的一個環(huán)節(jié)[13]，該研究利用SPSS 17.0回歸分析法中的向前法，對28項土壤理化性狀與玉米產量作多元線性回歸分析，得到玉米產量與土壤性狀之間的線性回歸方程為：

Y=1.924+0.144SOM +0.529AN+0.395TP-0.201SP+0.147pH（4）

式（4）中，樣本量n=28，r=0.979;Y為玉米產量（mg/hm2）;SOM為有機質（g/kg），AN為堿解氮（mg/kg）;TP為全磷（g/kg），SP為土壤孔隙度（%）;pH為酸堿度。其中，有機質、堿解氮、全磷、pH表征土壤化學性狀，土壤孔隙度表征土壤物理性狀。回歸方程顯示，玉米產量與上述5項指標之間的相關系數(shù)為0.979，說明這5項指標對評價東北風沙土質量可信度為97.9%。選取土壤有機質進入最小數(shù)據(jù)集，這與大多數(shù)研究者在評價土壤質量時選取的指標相一致，提高耕層土壤有機質含量有利于土壤保水保肥的能力，有機質在土壤質量評價中使用率為60%[14];堿解氮表征土壤中可供作物直接吸收利用的氮，全磷表征土壤中磷素的總貯量，故選取兩者同時進入最小數(shù)據(jù)集;土壤孔隙度代表土壤的通氣狀況，pH是反映土壤酸堿度的一個重要指標，在土壤質量評價中使用率達90%[14]，選取土壤孔隙度、pH進入最小數(shù)據(jù)集。該研究所選取的5個最小數(shù)據(jù)集指標，有4個指標在最小數(shù)據(jù)集指標使用率前10位當中[14]，說明該研究的最小數(shù)據(jù)集具有較好的代表性，適宜于土壤質量評價。

2.2?玉米產量與最小數(shù)據(jù)集中土壤性狀的關系

從表2可以看出，有機質、堿解氮、全磷與玉米產量呈極顯著正相關，而土壤孔隙度、pH與玉米產量相關性不顯著。玉米產量與有機質（0.857**）相關性極顯著，這一結果與前人研究結果是相同的，柳開樓等[15]在研究鄱陽湖流域雙季稻田土壤基礎肥力時發(fā)現(xiàn)，土壤有機質與土壤基礎地力貢獻率顯著正相關，長期施用有機肥有利于耕地土壤基礎地力的提升。堿解氮（0.882**）同樣與玉米產量有極顯著的相關性，因為土壤堿解氮含量與土壤有機質含量有關，耕地枯枝落葉多，土壤有機質含量就多，枯枝落葉經過微生物分解，氮素又重新回到土壤中[16-17]，使得土壤中有機質含量與氮素含量都比較高。全磷（0.888**）與玉米產量相關性極顯著，因為磷對植物生長發(fā)育、品質和產量影響顯著，土壤全磷含量在一定程度上可以反映土壤磷庫的大小及其潛在的供磷能力[18-19]，磷含量過少會導致植物無法正常生長，過多則會導致“燒苗”現(xiàn)象。

2.3?土壤耕作指數(shù)

根據(jù)耕作指數(shù)計算方法，依照各相關因子的權重，結合隸屬度函數(shù)，得最小數(shù)據(jù)集的TI計算公式為：

TI=0.302SOM′+0.319AN′+0.324TP′+0.010SP′+0.045pH′（5）

計算出最小數(shù)據(jù)集耕作指數(shù)（MDS-TI）。分別將28項理化性狀與玉米產量作相關性分析，根據(jù)相關系數(shù)和隸屬度函數(shù)，再由公式（3）獲得全量數(shù)據(jù)集耕作指數(shù)（TDS-TI）。驗證最小數(shù)據(jù)集評價土壤質量的合理性是研究土壤質量評價方法的重要步驟[20-21]，利用全量數(shù)據(jù)集驗證最小數(shù)據(jù)集得出的結果的合理性，能確保最小數(shù)據(jù)集的科學有效性，使研究結果具有較高的可信度[14]。將MDS-TI值與玉米產量和TDS-TI分別作相關性分析，結果顯示其與玉米產量和TDS-TI呈極顯著正相關（圖2），說明風沙土耕層最小數(shù)據(jù)集可以取代全量數(shù)據(jù)集對東北風沙土區(qū)土壤質量進行評價。

2.4?風沙土耕地土壤地力分析

耕地的基礎生產能力稱為耕地地力，地力的高低直接影響地上作物產量[22]。基于耕作指數(shù)取值0～1，將風沙土區(qū)土壤地力劃分為高、中、低3個等級（表3），TI值越接近于1，代表土壤質量越高[11]，作物產量越高。該研究18個樣點的耕作指數(shù)為0.15～0.90，其中有6個樣點耕作指數(shù)為0～0.33，屬于低產田，玉米產量為4.2～6.3 mg/hm2;中產田最多，有10個樣點，約占總采樣點的55.6%，耕作指數(shù)為0.33～0.66;高產田有2個，耕作指數(shù)為0.60～0.80，玉米產量高于8.4 mg/hm2?？偟膩碚f，18個樣點平均玉米產量為7.0 mg/hm2，平均耕作指數(shù)為0.47，屬于中產田地力水平，說明東北風沙土區(qū)玉米田地力屬于中產田。在風沙土區(qū)中低產田改造中，增施有機質和氮磷肥有助于改善土壤理化性質，提高土壤地力。

3?結論

該研究對杜蒙縣風沙土玉米產區(qū)地力狀況進行了評價，利用多元線性回歸模型和隸屬度函數(shù)，從28項土壤理化性狀指標中，篩選出有機質、土壤全磷、土壤堿解氮、土壤孔隙度以及pH這5項指標構成評價風沙土壤地力的最小數(shù)據(jù)集（MDS），獲得最小數(shù)據(jù)集的耕作指數(shù)（MDS-TI），最小數(shù)據(jù)集耕作指數(shù)與全量數(shù)據(jù)集耕作指數(shù)（TDS-TI）和玉米產量呈極顯著正相關，說明用最小數(shù)據(jù)集耕作指數(shù)可以替代全量數(shù)據(jù)集來評價土壤質量。根據(jù)MDS-TI值取值范圍0～1特點，將耕層土壤地力劃分為高、中、低3個等級，18個樣點平均耕作指數(shù)為0.47，說明東北風沙土區(qū)玉米田主要屬于中產田?？傊?，利用目的線性回歸模型，通過耕作指數(shù)TI對風沙土地力評價，該方法簡單有效，可以較好地評價東北風沙土區(qū)土壤質量，為開展風沙土區(qū)中低產田改造提供科學參考。

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