喬云發(fā), 鐘 鑫， 苗淑杰, 李 琪, 陸欣春

(1.南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用氣象學(xué)院, 南京 210044; 2.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 哈爾濱 150081)

東北風(fēng)沙土區(qū)農(nóng)田是東北三省西部與內(nèi)蒙接壤地區(qū)分布最為廣泛的耕地土壤類型[1]。土壤以沙礫為主、黏粒含量少、保水保肥能力差、土壤貧瘠、有機(jī)質(zhì)缺乏、易干旱。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中小型農(nóng)機(jī)具占據(jù)主導(dǎo)地位，長期以旋代耕造成土壤緊實(shí)、耕層變淺、犁底層增厚、通透性變差等諸多耕層結(jié)構(gòu)問題，是該區(qū)域風(fēng)沙土農(nóng)田耕層質(zhì)量下降的突出問題[2]。近年來人們越來越關(guān)注耕層土壤質(zhì)量問題，因?yàn)閷ν寥蕾|(zhì)量的深入了解是土壤可持續(xù)管理的基礎(chǔ)。耕層土壤質(zhì)量是土壤的健康、肥力和環(huán)境的綜合體現(xiàn)，能夠比較全面地反映土壤生產(chǎn)力[3]。準(zhǔn)確提取適宜評價(jià)指標(biāo)是耕層土壤質(zhì)量評價(jià)的重要環(huán)節(jié)，而在評價(jià)指標(biāo)篩選中，除了利用原始變量作為評價(jià)指標(biāo)外，Larson和Pierce提出采用土壤參數(shù)最小數(shù)據(jù)集(MDS)來評價(jià)指標(biāo)間的相互關(guān)系[3-4]。最小數(shù)據(jù)集是從大量土壤質(zhì)量評價(jià)參數(shù)中篩選出相對獨(dú)立、影響土壤質(zhì)量的敏感性指標(biāo)，建立可以反映土壤質(zhì)量最少的指標(biāo)參數(shù)的集合，在土壤質(zhì)量評價(jià)及監(jiān)測工作中得到了廣泛的應(yīng)用[5]。

土壤質(zhì)量評價(jià)研究已在國內(nèi)外普遍開展，一些評價(jià)方法如灰色系統(tǒng)理論、模糊數(shù)學(xué)、主成分分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及隸屬度函數(shù)等已得到廣泛應(yīng)用，但評價(jià)過程中參數(shù)的選擇仍較為模糊，尤其是涉及評價(jià)因子最小數(shù)據(jù)集的確定[6-9]。土壤最小數(shù)據(jù)集評價(jià)指標(biāo)的建立是土壤質(zhì)量評價(jià)的基礎(chǔ)和重要環(huán)節(jié)[9]。最小數(shù)據(jù)集建構(gòu)有多種方法，常用的方法有聚類分析、主成分分析、相關(guān)性分析、Norm值提取指標(biāo)[10]。不同最小數(shù)據(jù)集建構(gòu)方法確定的評價(jià)指標(biāo)差異較大，因此選取合適最小數(shù)據(jù)集建構(gòu)方法進(jìn)行評價(jià)指標(biāo)體系的研究，使評價(jià)指標(biāo)科學(xué)化、合理化顯得尤為重要[11]。近年來，關(guān)于土壤質(zhì)量評價(jià)的研究已成為熱點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者分別對亞熱帶的農(nóng)業(yè)試驗(yàn)田、酸性稻田、水旱輪作農(nóng)田、冷浸田、綠洲、黃土高原、人工林等建立了最小數(shù)據(jù)集[5,9-17]，而關(guān)于東北風(fēng)沙土農(nóng)田耕層土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)篩選和最小數(shù)據(jù)集的研究少見報(bào)道。本研究以黑龍江省西部風(fēng)沙土區(qū)農(nóng)田耕層土壤為靶區(qū)，基于耕層土壤理化指標(biāo)，通過聚類分析建立最小數(shù)據(jù)集，探討應(yīng)用最小數(shù)據(jù)集衡量風(fēng)沙土農(nóng)田耕層土壤結(jié)構(gòu)特征的可行性和適用性，研究結(jié)果可為我國東北風(fēng)沙土區(qū)農(nóng)田合理耕層構(gòu)建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于黑龍江省杜爾伯特蒙古族自治縣，地處溫帶半干旱草原地帶，地理坐標(biāo)為東經(jīng)123°45′—124°42′，北緯45°53′—47°81′，南北長103 km，東西寬60 km，土壤以風(fēng)沙土為主，四季分明，年均降水量400 mm，降水主要集中在7—9月。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集 試驗(yàn)于2015年10月—2017年10月，在黑龍江省杜爾伯特蒙古自治縣域(以下簡稱杜蒙縣)，采用“S”形多點(diǎn)混合采樣，進(jìn)行耕層土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)和玉米產(chǎn)量的測量，共取53個(gè)樣點(diǎn)(圖1)，采集0—20 cm耕層土壤樣品，去除植物根系和石塊，風(fēng)干后用于理化性質(zhì)測定。

圖1 杜蒙縣域內(nèi)樣點(diǎn)分布

1.2.2 土壤理化性質(zhì)測定 共測定土壤理化性狀指標(biāo)21項(xiàng)，其中pH值、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、土壤容重、陽離子交換量(CEC)、土壤機(jī)械組成、平均重量直徑(MWD)、土壤含水量、田間持水量和土壤孔隙度參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的分析測定[18]；耕層和犁底層厚度采用鋼卷尺測量、土壤滲透速率采用環(huán)刀法、耕層硬度采用硬度計(jì)田間原位測定，對每個(gè)所測指標(biāo)進(jìn)行3次平行測定，結(jié)果取其平均值；玉米產(chǎn)量測量采用多點(diǎn)采樣測量平均。

1.3 土壤質(zhì)量最小數(shù)據(jù)集建立

研究選用的21項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)，綜合考慮土壤基礎(chǔ)肥力和物理性質(zhì)。在SPSS 22中運(yùn)用Pearson距離對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行R型聚類分析。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，選擇易度量、重現(xiàn)性好的指標(biāo)，剔除冗余指標(biāo)，選擇具有代表性且相互獨(dú)立的指標(biāo)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集[3,16]。

1.4 耕層土壤質(zhì)量指數(shù)

耕層土壤質(zhì)量指數(shù)是對耕層土壤結(jié)構(gòu)評價(jià)指標(biāo)的集成，耕層土壤指數(shù)越大，則土壤耕層結(jié)構(gòu)越趨于合理，土壤生產(chǎn)力越高。計(jì)算耕層土壤質(zhì)量指數(shù)對土壤生產(chǎn)力進(jìn)行評價(jià)，可為土壤生產(chǎn)力狀況和合理耕層構(gòu)建提供依據(jù)?；诓煌钚?shù)據(jù)集，由主成分分析獲得各指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算土壤耕層指數(shù)，計(jì)算公式如下[5]：

(1)

由于評價(jià)指標(biāo)對作物的作用方式不同，評價(jià)指標(biāo)得分隸屬函數(shù)類型不同，隸屬度函數(shù)一般分為升型和降型(表1)。

表1 耕層土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 東北風(fēng)沙土耕層土壤屬性描述性統(tǒng)計(jì)分析

耕層土壤質(zhì)量一般采用土壤理化學(xué)指標(biāo)反映，耕層土壤屬性特征差異明顯(表2)。本研究選取21項(xiàng)耕層結(jié)構(gòu)因子作為評價(jià)指標(biāo)，犁底層厚度、耕層厚度、pH值、田間持水量、土壤孔隙的變異系數(shù)12.98%～15.36%，變異程度較低，接近不敏感水平(CV<10%)，符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耕層淺、犁底層厚、蓄水能力差、通透性低的現(xiàn)狀。堿解氮、全氮、有機(jī)質(zhì)、細(xì)沙、硬度、滲透速率為中敏感度指標(biāo)(CV為31.91%～41.91%)，是耕層土壤質(zhì)量調(diào)控與恢復(fù)的主要目標(biāo)。全磷、容重和粗沙粒的變異系數(shù)CV<10%，屬于相對穩(wěn)定指標(biāo)，是維護(hù)耕層土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要因素。玉米產(chǎn)量為4.23～11.76 t/hm2，變異系數(shù)為24.21%，可見風(fēng)沙土農(nóng)田生產(chǎn)力空間變異性較大。K-S檢驗(yàn)結(jié)果表明，各項(xiàng)指標(biāo)均服從正態(tài)分布(p<0.05)。

表2 東北風(fēng)沙土農(nóng)田耕層質(zhì)量評價(jià)土壤參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

2.2 風(fēng)沙土農(nóng)田耕層最小數(shù)據(jù)集(MDS)建立

運(yùn)用SPSS 22中的聚類分析法中R型聚類，對全量數(shù)據(jù)集21項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分類。圖2表明，在聚合水平10，評價(jià)指標(biāo)劃分為6類，第1類為堿解氮、速效鉀、全氮、全鉀、有機(jī)質(zhì)、陽離子交換量、黏粒、含水量、田間持水量和土壤孔隙度表征土壤基礎(chǔ)地力。由表3可見，土壤有機(jī)質(zhì)與堿解氮(0.763**)、全氮(0.594**)、速效鉀(0.696**)、全磷(0.530**)、陽離子交換量(0.457*)、含水量(0.720**)、田間持水量(0.618**)、土壤孔隙度(0.520**)均為高度相關(guān)，提高有機(jī)質(zhì)含量，可以改善土耕層土壤保水保肥能力，選擇有機(jī)質(zhì)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。風(fēng)沙土黏粒含量與21項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)中14項(xiàng)指標(biāo)高度相關(guān)(表3)，一般風(fēng)沙土黏粒含量直接影響耕層土壤保水保肥能力評價(jià)，是反映風(fēng)沙土質(zhì)量的重要指標(biāo)，則黏粒含量進(jìn)入MDS。第2類為耕層厚度和平均重量直徑，表征耕層土壤基本結(jié)構(gòu)性狀，耕層厚度與平均重量直徑呈極顯著相關(guān)(0.366**)，耕層厚度是土壤生產(chǎn)力的基本限制條件，前人研究表明土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)中耕層厚度累積使用頻率達(dá)50%[3]，是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，則耕層厚度進(jìn)入MDS。第3類為速效磷和硬度，速效磷含量的變化可以反映土壤質(zhì)量的變化，硬度是反映土壤耕性的重要指標(biāo)，因此速效磷和硬度兩者都進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集MDS。犁底層厚度、pH值和滲透速率為第4類，表征犁底層特性和土壤酸堿度，土壤滲透速率與犁底層厚度存在相關(guān)性(0.268*)，犁底層厚度可以表征滲透速率部分信息，犁底層厚度也是合理耕層評價(jià)重要指標(biāo)，選擇犁底層厚度進(jìn)入MDS，pH值是衡量土壤酸堿度的主要指標(biāo)，在土壤質(zhì)量評價(jià)使用率達(dá)90%[3]，因此選擇pH值進(jìn)入MDS；第5類為土壤細(xì)沙和耕層土壤容重，容重和細(xì)沙含量存在高度相關(guān)性(0.606**)，土壤容重能反映土壤孔隙特征和耕作特性，選擇土壤容重進(jìn)入MDS。第6類為全鉀和粗沙，表征土壤鉀素和顆粒組成特征，粗沙含量高是風(fēng)沙土一個(gè)固有特性，變異性僅為3.20%，屬于不敏感指標(biāo)，選全鉀進(jìn)入MDS。最終確定有機(jī)質(zhì)、黏粒、耕層厚度、速效磷、硬度、犁底層厚度、pH值、容重和全鉀9項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)入MDS。

圖2 東北風(fēng)沙土農(nóng)田耕層質(zhì)量評價(jià)聚類分析樹

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

注:*為相關(guān)關(guān)系顯著(p<0.05)；**為相關(guān)關(guān)系極顯著(p<0.01)。

2.3 土壤質(zhì)量指數(shù)

分別對全量數(shù)據(jù)集指標(biāo)以及最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)做主成分分析，獲得各個(gè)指標(biāo)的公因子方差，提取評價(jià)指標(biāo)的公因子方差，得到全量數(shù)據(jù)集指標(biāo)權(quán)重分別為耕層厚度0.015，犁底層厚度0.002，pH值0.017，堿解氮0.086，速效磷0.043，速效鉀0.065，全氮0.090，全磷0.067，全鉀0.021，有機(jī)質(zhì)0.114，陽離子交換量0.034，沙粒0.057，細(xì)沙0.062，黏粒0.099，平均重量直徑0.018，容重0.054，硬度0.005，含水量0.068，持水量0.077，孔隙度0.006和滲透速率0.001；得到MDS指標(biāo)權(quán)重分別為有機(jī)質(zhì)0.138，黏粒0.182，耕層厚度0.053，速效磷0.109，硬度0.138，犁底層厚度0.042，pH值0.053，容重0.183和全鉀0.115。采取土壤質(zhì)量指數(shù)函數(shù)計(jì)算各個(gè)土壤質(zhì)量評價(jià)數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)，得到全量數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)和最小數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)。全量數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)變化幅度為0.21～0.80，均值為0.46±0.17，變異系數(shù)為37.8%，屬中度變異性。最小數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)變化幅度為0.23～0.72，均值為0.46±0.11，變異系數(shù)為24.2%，屬中度變異性。最小數(shù)據(jù)集評價(jià)指標(biāo)體系合理性驗(yàn)證是耕層土壤質(zhì)量評價(jià)的重要環(huán)節(jié)[19-20]。圖3表明，全量數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)、玉米產(chǎn)量與最小數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，這說明選擇最小數(shù)據(jù)集能夠替代全量數(shù)據(jù)集對風(fēng)沙土耕層土壤質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。

注：**表示相關(guān)性極顯著。

圖3 全量數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)、玉米產(chǎn)量與最小數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)的相關(guān)性

2.4 風(fēng)沙土耕地耕層土壤地力分析

基于風(fēng)沙土耕地耕層土壤質(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、犁底層厚度、pH值、速效磷、有機(jī)質(zhì)、全鉀、黏粒、容重和硬度作為合理耕層診斷指標(biāo)。土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI-MDS)取值范圍為0～1，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[3]。根據(jù)耕層土壤質(zhì)量指數(shù)，把土壤地力劃分為5級(表4)。野外調(diào)查53個(gè)點(diǎn)中34.0%樣點(diǎn)土壤質(zhì)量指數(shù)0.2～0.4，地力Ⅳ級，52.8%樣點(diǎn)土壤質(zhì)量指數(shù)0.4～0.6，土壤地力Ⅲ級，11.2%樣點(diǎn)土壤質(zhì)量指數(shù)0.6～0.8，土壤地力Ⅱ級，調(diào)查風(fēng)沙土區(qū)域沒有Ⅰ級和Ⅴ級地力耕層分布。調(diào)查區(qū)域風(fēng)沙土的平均土壤質(zhì)量指數(shù)為0.46，總體上東北風(fēng)沙土屬于地力Ⅲ級。根據(jù)玉米產(chǎn)量差異，把土壤地力劃分為5級(表4)，野外調(diào)查53個(gè)點(diǎn)中1個(gè)樣點(diǎn)玉米產(chǎn)量為4.2 Mg/hm2，地力Ⅴ級，19個(gè)樣點(diǎn)玉米產(chǎn)量4.4～6.8 Mg/hm2土壤地力屬于Ⅳ級，22個(gè)樣點(diǎn)玉米產(chǎn)量6.8～9.3 Mg/hm2土壤地力屬于Ⅲ級，10個(gè)樣點(diǎn)玉米產(chǎn)量9.3～11.7 Mg/hm2土壤地力屬于Ⅱ級，1個(gè)樣點(diǎn)玉米產(chǎn)量11.8 Mg/hm2土壤地力屬于Ⅰ級。調(diào)查區(qū)域風(fēng)沙土的平均玉米產(chǎn)量7.6 Mg/hm2，總體上東北風(fēng)沙土屬于地力Ⅲ級。由表4推測風(fēng)沙土合理耕層具備較厚的耕層，適當(dāng)?shù)睦绲讓印H值、黏粒、容重，較小的硬度，較高的速效磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)含量。

表4 東北風(fēng)沙耕地耕層地力閾值診斷

3 討 論

在一定土壤—作物—?dú)夂驐l件下，土壤質(zhì)量的高低是衡量土壤肥力、土壤環(huán)境及作物生產(chǎn)可持續(xù)性的重要指標(biāo)[21]。國內(nèi)外已在土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)方面開展了大量的研究工作。但目前并沒有統(tǒng)一的土壤質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)方法，因?yàn)椴煌脑u價(jià)者目的不一樣，側(cè)重的土壤功能也不一樣，決定了評價(jià)指標(biāo)的差異[22]?；趪鴥?nèi)外通過建立MDS對耕地土壤質(zhì)量評價(jià)的研究成果[3]，本研究選用21項(xiàng)耕層理化性質(zhì)作為耕層土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)，對東北風(fēng)沙土農(nóng)田耕層全量數(shù)據(jù)集和最小數(shù)據(jù)集評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了對比分析，全量數(shù)據(jù)集評價(jià)指標(biāo)中包括國內(nèi)外土壤質(zhì)量評價(jià)使用頻率最高的土壤容重、黏粒、pH值、全氮、團(tuán)聚體平均重量直徑、粉粒、砂粒、有機(jī)質(zhì)、孔隙度和有效磷前10項(xiàng)指標(biāo)[3]；最小數(shù)據(jù)集9項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)中的土壤容重、黏粒、pH值、有機(jī)質(zhì)和有效磷5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集評價(jià)指標(biāo)使用頻率前10位，表明本研究中全量數(shù)據(jù)集和最小數(shù)據(jù)集評價(jià)指標(biāo)體系均與前人研究結(jié)果相似，有較好代表性。根據(jù)土壤質(zhì)量指數(shù)評價(jià)與根據(jù)土壤生產(chǎn)力評價(jià)土壤質(zhì)量結(jié)果相一致，研究區(qū)域東北風(fēng)沙土屬于地力Ⅲ級，土壤質(zhì)量指數(shù)評價(jià)適宜于風(fēng)沙土耕層土壤質(zhì)量評價(jià)。

根據(jù)MDS數(shù)據(jù)集篩選出的9項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)，結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況，土壤有機(jī)質(zhì)、耕層厚度、速效磷、硬度、犁底層厚度和容重6個(gè)指標(biāo)通過耕作和施肥易于改善[2,6,12]；而土壤黏粒含量和pH值是土壤難于改善的特有屬性，一般通過常規(guī)耕作和施肥是難于改良的，所以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)多注意施用黏粒含量高的有機(jī)肥和酸性肥料。MDS數(shù)據(jù)集中土壤容重、黏粒、pH值、有機(jī)質(zhì)和有效磷這5項(xiàng)指標(biāo)屬于土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集使用頻率最高的前10位評價(jià)指標(biāo)[3]，結(jié)合MDS中各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，土壤容重、黏粒、有機(jī)質(zhì)和有效磷4項(xiàng)指標(biāo)可以解釋風(fēng)沙土質(zhì)量評價(jià)結(jié)果的61.2%，土壤容重可以反映土壤的基本物理性狀，黏粒是評價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，有機(jī)質(zhì)是土壤質(zhì)量評價(jià)中必備指標(biāo)，另外土壤有機(jī)質(zhì)與土壤質(zhì)量全量評價(jià)指標(biāo)中13項(xiàng)指標(biāo)顯著相關(guān)(表3)，磷是植物生長三大必需營養(yǎng)元素之一，風(fēng)沙土又是缺磷土壤(表2)，有效磷是植物可以直接吸收利用態(tài)磷，所以可以將土壤容重、黏粒、有機(jī)質(zhì)和有效磷4項(xiàng)指標(biāo)作為風(fēng)沙土質(zhì)量評價(jià)最直接指標(biāo)。

合理耕層結(jié)構(gòu)是衡量風(fēng)沙土生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素，是一系列土壤理化性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)的綜合反映[23]。本研究通過聚類分析篩選出的最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)，初步確定風(fēng)沙土耕層地力分級閾值。耕層厚度及有效耕作土壤是影響耕層水分、養(yǎng)分庫容量的關(guān)鍵，耕層越厚，有效耕作土壤越多，儲(chǔ)存水分和養(yǎng)分能力越強(qiáng)，產(chǎn)量越高[24]。土壤貫穿阻力越小，土壤穩(wěn)定性越弱，容重越小，有利于水分滲透，降雨形成的地表徑流越弱，養(yǎng)分損失越小，耕層結(jié)構(gòu)越合理[1-3,11]。風(fēng)沙土主要是沙粒組成，黏粒含量少，團(tuán)聚化能力弱，造成保水保肥能力差，適當(dāng)增加黏粒含量，增加耕層土壤保水保肥能力[1-2]。風(fēng)沙土沙粒含量高，通透性強(qiáng)，田間持水量平均為22.23%，小于其他類型土壤，耕層大孔隙水容易淋溶，有適當(dāng)厚度犁底層可以阻礙耕層水的淋溶，增加耕層保水保肥能力[2,17,19]。風(fēng)沙土是有機(jī)質(zhì)含量低的農(nóng)田土壤類型之一，土壤有機(jī)質(zhì)與土壤13項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)具有較好的相關(guān)性，特別是作為生長所需要的氮磷鉀養(yǎng)分(表2)，基于最小數(shù)據(jù)集MDS建立時(shí)，有機(jī)質(zhì)代替8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集，這說明風(fēng)沙土農(nóng)田養(yǎng)分很容易受施入有機(jī)質(zhì)的影響，所以對于養(yǎng)分缺乏的風(fēng)沙土Ⅲ—Ⅴ級產(chǎn)田，采用有機(jī)肥與氮磷鉀化肥配合施用的肥料管理措施，土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力就可以得到有效改善，從而提升耕層土壤質(zhì)量[21]。pH值對作物生長影響較大，適宜的pH值是風(fēng)沙土耕層合理性重要評價(jià)指標(biāo)[3,19]。結(jié)果表明風(fēng)沙土合理耕層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，耕層厚度偏后，犁底層厚度、pH值、黏粒含量和容重適當(dāng)，土壤速效磷、有機(jī)質(zhì)和全鉀含量較高。本研究結(jié)果可以客觀、清晰、準(zhǔn)確地分析東北風(fēng)沙土區(qū)域土壤質(zhì)量的空間分布，在有限有機(jī)肥資源條件下，針對不同質(zhì)量田塊采取相應(yīng)耕作培肥措施，提高土壤質(zhì)量，有利于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。總體上看，合理耕層構(gòu)建采取適當(dāng)深翻/深松增加耕層厚度，降低土壤容重和貫穿阻力，施用有機(jī)肥培肥土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量，改善耕層物理性狀，增加耕層儲(chǔ)水能力，促進(jìn)作物增產(chǎn)。

4 結(jié) 論

(1) 本研究所選擇的21項(xiàng)風(fēng)沙土耕層土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)特征差異明顯，覆蓋評價(jià)指標(biāo)中使用頻率最高的前10個(gè)指標(biāo)，全量數(shù)據(jù)集有較好代表性。全量數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)、玉米產(chǎn)量與最小數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，這說明選擇最小數(shù)據(jù)集能夠替代全量數(shù)據(jù)集對風(fēng)沙土耕地耕層土壤質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。最小數(shù)據(jù)集由耕層深度、犁底層厚度、pH值、速效磷、有機(jī)質(zhì)、全鉀、黏粒、容重和硬度9項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)組成。

(2) 根據(jù)土壤質(zhì)量評價(jià)指數(shù)劃分土壤地力，野外調(diào)查53個(gè)點(diǎn)中34.0%樣點(diǎn)土壤質(zhì)量指數(shù)0.2～0.4，地力Ⅳ級，52.8%樣點(diǎn)土壤質(zhì)量指數(shù)0.4～0.6，土壤地力Ⅲ級，11.2%樣點(diǎn)土壤質(zhì)量指數(shù)0.6～0.8，土壤地力Ⅱ級，調(diào)查風(fēng)沙土區(qū)域沒有Ⅰ級和Ⅴ級地力耕層分布。研究區(qū)域東北風(fēng)沙土土壤質(zhì)量指數(shù)0.22～0.72，平均土壤質(zhì)量指數(shù)為0.46，總體上東北風(fēng)沙土屬于地力Ⅲ級。

(3) 根據(jù)玉米產(chǎn)量劃分土壤地力，野外調(diào)查53個(gè)點(diǎn)中1.9%樣點(diǎn)屬于地力Ⅴ級，35.8%樣點(diǎn)土壤地力屬于Ⅳ級，41.5%樣點(diǎn)土壤地力屬于Ⅲ級，18.9%樣點(diǎn)土壤地力屬于Ⅱ級，1.9%樣點(diǎn)土壤地力屬于Ⅰ級。調(diào)查區(qū)域風(fēng)沙土的平均玉米產(chǎn)量7.6 Mg/hm2，總體上東北風(fēng)沙土屬于地力Ⅲ級。

(4) 調(diào)查區(qū)域風(fēng)沙土合理耕層具備較厚的耕層，適當(dāng)?shù)睦绲讓印H值、黏粒、容重，較小的硬度，較高的速效磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)含量。不同生產(chǎn)力風(fēng)沙土的質(zhì)量水平與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理水平有密切關(guān)系。通過深耕施有機(jī)肥和化肥，風(fēng)沙土中低產(chǎn)田養(yǎng)分狀況可以在比較短的時(shí)間內(nèi)迅速改善，使土壤質(zhì)量得到提高。由于土壤質(zhì)量指標(biāo)本身的復(fù)雜性，特別是土壤理化性質(zhì)和生物化學(xué)性質(zhì)共同對土壤質(zhì)量的影響有待于進(jìn)一步深入研究。