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業(yè)生態(tài)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081）

土壤質量是指土壤在生態(tài)系統(tǒng)的范圍內，維持生產能力、保護環(huán)境質量及促進動植物健康的綜合能力［1］。土壤質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］。改善土壤質量對農業(yè)生產有重要意義［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、耕層土壤質量差，影響作物生長［8］。因此，在東北風沙土區(qū)農田開展耕作措施對耕層土壤質量的影響研究具有重要意義。

土壤質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在屬性，土壤質量評價工作是根據(jù)已知的土壤外部性質對土壤的這一內在屬性進行量化表達［9］。定量化分析耕作措施對土壤質量的影響，根據(jù)量化評價的實際情況選擇適宜的耕作方式［7，10］。土壤質量不能直接測定，目前國內外對土壤質量的評價主要通過選擇土壤理化性質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量的影響［7，12］。通過耕作指數(shù)對土壤生產力進行評價，可為土壤生產力狀況和合理耕層構建提供依據(jù)。徐尚起等［7］、Bockari-Gevao等［13］認為利用土壤耕作指數(shù)定量評價土壤質量，對于選擇合理耕作措施，提高耕層土壤質量的可持續(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，有利于農田土壤質量的提高，促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展［7，9］。土壤質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；而對于農田土壤，土壤質量的評價與生產力評價類似；在小區(qū)尺度上，需要進行田間試驗來理解土壤質量和作物生產之間的關系［2，7］。

耕層土壤質量評價是東北風沙土區(qū)合理耕層構建的重要內容。由于土壤質量評價的困難性，對耕層土壤質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量的影響鮮見報道。本文針對東北風沙土區(qū)農田，基于土壤生產性能指標基礎上，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)農田合理耕層構建效果，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:有機質為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，采集耕層土壤樣品。玉米品種為吉農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、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建不同方面特征的若干分組。根據(jù)相關分析，每組中相關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）是對耕層土壤結構評價指標的集成，耕作指數(shù)越大，土壤生產力越強，作物產量越高，則耕層土壤結構越趨于合理。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重值，計算公式如下:

式中Ai是各個評價指標權重，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項耕層結構因子作為評價指標，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、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，是維護耕層土壤結構穩(wěn)定的主要因素。K-S檢驗結果表明，各項指標均服從正態(tài)分布。

表2 東北風沙土農田耕層質量評價土壤參數(shù)統(tǒng)計特征

2.2 土壤質量評價最小數(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、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，土壤有機質是反映土壤質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構和提高生物活性，是評價風沙土土壤質量重要評價指標，選擇有機質進入最小數(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，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，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構性狀，是反映土壤物理結構的重要指標，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和過程，選擇土壤容重進入MDS。最終確定有機質、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指標權重分別為有機質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 東北風沙土農田耕層質量評價聚類分析樹圖

表3 東北風沙土農田耕層評價指標Person相關系數(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計算的耕層土壤質量指數(shù)相對于TI-TDS基準值偏差越小，結果越精確［17］。玉米產量分別與TI-TDS和TI-MDS進行線性擬合（圖3），從擬合效果來看，玉米產量與TI-TDS、TI-MDS均呈極顯著正相關，相關系數(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)的相關性

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

2.4 耕作措施對東北風沙土耕層土壤質量的影響

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，表明作物產量越高，耕層結構越合理［3］。根據(jù)耕作指數(shù)與作物產量的對應關系，人為把土壤質量劃定分為五級，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建合理耕層的有效培肥方式，秸稈還田對合理耕層構建效果不顯著。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構。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。

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

耕層土壤質量評價一般是基于農作物的生產力、土壤理化及力學性質［15］。準確提取適宜評價指標是耕層土壤質量評價的重要環(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，在國內外土壤質量評價及監(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、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、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、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，適宜于耕層土壤質量評價。

3.2 土壤耕作指數(shù)評價土壤質量

應用耕作指數(shù)評價土壤質量在國內外得到廣泛應用，對于土壤質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合運用于土壤質量評價，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合方法計算耕作指數(shù)，結果表明TI-TDS與TI-MDS呈極顯著正相關，相關系數(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，與玉米產量顯著正相關（r=0.767），可作為定量評價土壤質量的指標。有機質、有效磷、全氮和pH值屬于土壤基礎理化性質，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。可以通過計算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 結論

依據(jù)聚類構建的最小數(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量情況，耕作指數(shù)TI（0.26～0.85）與玉米產量呈顯著正相關（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量的指標，能預測不同耕作措施下的玉米產量。不同耕作措施下，風沙土區(qū)化肥配施有機肥是構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。