婁義寶， 史東梅?， 蔣光毅， 金慧芳， 陳正發(fā),3， 林 姿

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，400715，重慶；2.重慶市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，401147，重慶； 3.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，650051，昆明)

紫色土是我國西南地區(qū)一種主要的土壤類型，我國共有紫色土(主要為耕地)2 198.8萬hm2[1]。紫色土坡耕地是西南地區(qū)重要的耕地利用類型，由于紫色土抗侵蝕能力弱使其土壤侵蝕嚴(yán)重[2]。耕層是人類為了栽培作物，利用工具對土壤進(jìn)行擾動的深度層[3]，耕層土壤質(zhì)量關(guān)乎作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[4]。土壤質(zhì)量是個綜合的概念，涉及土壤學(xué)、土地利用、農(nóng)業(yè)種植措施和管理等眾多方面[5]，從農(nóng)作物的角度來看可以定義為土壤維持作物生長的能力而不引起土壤退化或損害環(huán)境[6]。土壤質(zhì)量評價是為了在更為廣泛的范圍內(nèi)綜合分析土壤各方面的功能[7]，從而有效管理和保護(hù)土壤。對紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量進(jìn)行評價，可為地塊尺度上紫色土坡耕地合理耕層調(diào)控及構(gòu)建技術(shù)提供理論支持。

通常來說評價指標(biāo)選取越多越能全面反映坡耕地耕層土壤的綜合質(zhì)量，而許多指標(biāo)之間都存在著一定的高度相關(guān)性，這便會造成指標(biāo)數(shù)據(jù)間的冗余問題。國外學(xué)者Larson等[8]提出采用最小數(shù)據(jù)集(minimum data set，MDS)對土壤質(zhì)量進(jìn)行評價[8]，其中土壤質(zhì)量指標(biāo)由土壤有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分、pH值、電導(dǎo)率、質(zhì)地、根系深度、密度、水分傳導(dǎo)率、有效持水量組成，并建議將土壤質(zhì)量指標(biāo)整合成一個綜合的質(zhì)量指標(biāo)。Doran等對MDS進(jìn)行了擴(kuò)展將微生物生物量和可礦化的氮等生物學(xué)指標(biāo)加了進(jìn)去，也得出了類似的土壤屬性指標(biāo)[9]。國內(nèi)學(xué)者在黃土高原黃土區(qū)、黑土區(qū)、巖溶區(qū)、紫色丘陵區(qū)也開展了類似研究。鄭粉莉等[10]在對黃土高原子午嶺地區(qū)近100年不同開墾年限的農(nóng)地研究，從20個指標(biāo)中篩選出有機(jī)碳、真菌數(shù)量、堿性磷酸酶活性、蔗糖酶活性、毛管孔隙度、物理性黏粒、粗粉粒和水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)等土壤性質(zhì)指標(biāo)，作為土壤質(zhì)量退化評價指標(biāo)體系；段興武等[11]對東北黑土區(qū)土壤生產(chǎn)力研究表明東北黑土區(qū)土壤生產(chǎn)力可用有效水含量、酸堿度、黏粒含量、有機(jī)質(zhì)表征；伍宇春等[12]對巖溶區(qū)坡耕地土壤肥力研究認(rèn)為有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、耕層厚度、粉黏比可有效地評價巖溶區(qū)坡耕地土壤肥力；史東梅等[13]對紫色丘陵區(qū)坡耕地耕層質(zhì)量研究認(rèn)為耕層厚度、田面坡度、土壤密度、土壤質(zhì)地、飽和導(dǎo)水率、土壤有機(jī)質(zhì)是評價耕層土壤質(zhì)量的主要指標(biāo)。

目前利用MDS對土壤質(zhì)量進(jìn)行評價的研究成果較多，然而針對坡耕地耕層土壤質(zhì)量評價研究卻較少，紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量進(jìn)行客觀的評價是防治紫色土坡耕地侵蝕退化、保證耕層土壤生產(chǎn)力高效穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)，對于紫色土坡耕地合理耕層構(gòu)建有重要意義。因此本文以紫色土坡耕地耕層土壤為研究對象，以主成分Norm值和相關(guān)分析技術(shù)手段，擬建立坡耕地耕層土壤質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集(MDS)，并以此進(jìn)行坡耕地耕層土壤質(zhì)量評價，研究結(jié)果為紫色土坡耕地耕層土壤改良和合理耕層構(gòu)建提供科學(xué)參數(shù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東南雄、廣西桂林、江西興國、云南楚雄4個區(qū)域(表1)。廣東坡耕地面積15.4萬hm2，占廣東總耕地的4.94%；田面坡度一般在15°～25°，以陡坡耕地為主。南雄市地處廣東省東北部，E 113°55′30″～114°44′38″，N 24°56′59″～25°25′20″，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，具有氣溫較高，年平均降雨量1 524.7 mm，雨量頗豐的偏海洋性氣候特點(diǎn)，山地雨量比平原要多約10%左右。廣西坡耕地面積282.4萬hm2，占廣西總耕地的63.7%；田面坡度一般在2°～6°，以緩坡耕地為主。桂林地處南嶺山系西南部。E 109°36′50″～111°29′30″、N 24°15′23″～26°23′30″，平均海拔150 m，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為19.3 ℃。年平均降雨量1 949.5 mm，年平均日照時間為1 670 h。江西坡耕地面積23.52萬hm2，占總耕地的8.31%；田面坡度一般在2°～6°，以緩坡耕地為主，興國位于江西省中南部，地理位置為E 115°01′～115°51′，N 26°03′～26°41′，屬低山丘陵區(qū)，年均溫18.9 ℃，年降水量1 522.3 mm。云南坡耕地面積348.45萬hm2，占總耕地的57.39%，田面坡度一般在5°～25°，以中坡和陡坡耕地為主，云南省楚雄市位于云貴高原中部，地跨E 100°43′～102°32′、N 24°13′～26°30′，年均氣溫14.8～21.9 ℃，年均降雨量800～1 000 mm，且主要集中在7—10月，而其蒸發(fā)量年平均為2 432 mm，年均日照時間為2 450 h。

表1 坡耕地耕層土壤采樣點(diǎn)基本情況Tab.1 Basic situation of sampling locations in the cultivated-layer of slope farmland

2 材料與方法

2.1 樣品采集與數(shù)據(jù)處理

樣品采集于2015年7—8月、2016年7—8月進(jìn)行。在廣東南雄、廣西桂林、江西興國、云南楚雄，每個區(qū)域5個采樣點(diǎn)，分別按照1 m×1 m×0.6 m(長×寬×高)的規(guī)格挖取耕層剖面觀察土壤結(jié)構(gòu)，并采集土樣(圖1)。對0～20 cm層進(jìn)行采樣，樣品用塑料薄膜密封，分別采集鋁盒樣品用于土壤自然含水率的測定，采集土壤環(huán)刀(100 cm3)樣品用于土壤密度、飽和導(dǎo)水率的測定，各樣品分別重復(fù)3次；同時，采集2 kg左右的散樣帶回室內(nèi)風(fēng)干，用于土壤物理性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)的測定。土壤抗剪強(qiáng)度和貫入阻力值分別采用三頭抗剪儀(荷蘭產(chǎn)便攜式14.10Pocket Vane Tester 型)、PT袖珍型貫入儀(江蘇省漂陽市天目儀器廠的 PT 型)進(jìn)行測定。土壤化學(xué)指標(biāo)的測定方法[14]分別為：pH值采用土水比1∶1電極法、有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法、全氮采用半微量凱氏定氮法、有效磷采用Olsen法進(jìn)行測定。

圖1 紫色土坡耕地耕層土壤剖面示意圖Fig.1 Schematic diagram of soil profile in the cultivated-layer of purple soil slope

數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理采用Excel 2003和SPSS 19.0進(jìn)行分析，應(yīng)用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析和相關(guān)分析。

1.3 主成分分析

主成分分析是將原來指標(biāo)重新組合成一組新的互相無關(guān)的幾個綜合指標(biāo)來代替原來指標(biāo)的一種分析方法[15]。通過主成分分析，將選出特征值≥1的主成分和因子載荷≥0.5的土壤屬性指標(biāo)分為一組。分組后，比較每組中的指標(biāo)之間的相關(guān)性和Norm值，若高度相關(guān)則選取Norm值大的指標(biāo)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集(MDS)，若相關(guān)度低則全部進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集?？紤]到本文中研究區(qū)域范圍大，選擇相關(guān)系數(shù)大于0.4為高度相關(guān)[16,17]。

2.3 矢量常模(Norm)值計算

Norm的幾何意義為該變量在由主成分組成的多維空間中矢量常模(Norm)的長度，長度越長，則表明該變量對所有主成分的綜合荷載越大，其解釋綜合信息的能力越強(qiáng)。Norm值的計算公式[17]如下：

(1)

式中：Nik為第i個變量在特征值≥1的前k個主成分上的綜合荷載；uik為第i個變量在第k個主成分上的荷載；λk為第k個主成分的特征值。

2.4 土壤質(zhì)量評價方法

土壤質(zhì)量指數(shù)能夠?qū)ν寥肋M(jìn)行定性和定量化的評價，結(jié)果能夠反應(yīng)土壤的關(guān)鍵信息，符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要[18]。采用加權(quán)求和模型計算土壤質(zhì)量指數(shù)，求得土壤全量指標(biāo)數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI-TDS)和最小數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI-MDS)。土壤質(zhì)量評價指數(shù)計算公式如下：

(2)

式中：SQI為土壤質(zhì)量指數(shù)(soil quality index)；Wi為第i項土壤指標(biāo)的權(quán)重；Ni為第i項土壤指標(biāo)的隸屬度；n為所有參評指標(biāo)/最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)。

隸屬度由評價指標(biāo)所屬的隸屬度函數(shù)確定。隸屬度函數(shù)一般分為升型和降型，各指標(biāo)隸屬函數(shù)計算公式[19]如下：

升型隸度屬函數(shù)公式

(3)

降型隸度屬函數(shù)公式

(4)

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)各個指標(biāo)對土壤質(zhì)量的正負(fù)效應(yīng)選擇函數(shù)和確定其隸屬度。各個指標(biāo)的最小值和最大值作為函數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)x1和x2。本文中選取的土壤密度、pH值、土壤質(zhì)地(粉粒、砂粒、黏粒)、貫入阻力選擇降型隸屬函數(shù)計算隸屬度，飽和導(dǎo)水率、抗剪強(qiáng)度、耕層厚度、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷選取升型隸屬函數(shù)計算指標(biāo)的隸屬度。

3 結(jié)果與分析

3.1 紫色土坡耕地耕層土壤理化性質(zhì)變化特征

筆者對紫色土坡耕地耕層土壤12個土壤屬性指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計分析。由表2可知：土壤密度在0.93～1.62 g/cm3之間變化，平均值為1.29 g/cm3；飽和導(dǎo)水率在0～37.26 mm/min之間變化，平均值為6.65 mm/min；耕層厚度在15～30 cm之間變化，平均值為19.71 cm；粉粒含量、砂粒含量、黏粒含量分別在29.80%～68.20%、16.60%～65.20%、3.4%～34.40%之間變化，平均值分別表現(xiàn)為48.77%、37.76%、13.47%；土壤貫入阻力、土壤抗剪強(qiáng)度分別在0.38～2.87 kg/cm2、1.14～4.68 kPa之間變化，平均值為1.66 kg/cm3、3.40 kPa；有機(jī)質(zhì)、pH值、全氮、有效磷分別在4.27～59.48 g/kg、4.6～8.3、0.39～2.08 g/kg、3.75～80.00 mg/kg之間變化，平均值為14.89 g/kg、0.85 g/kg、28.84 mg/kg。其中：土壤密度、粉粒含量、耕層厚度、pH值、砂粒含量、抗剪強(qiáng)度變異系數(shù)較小為低度敏感指標(biāo)，變異系數(shù)介于13.78%～36.89%之間；貫入阻力、全氮、黏粒含量、有機(jī)質(zhì)、有效磷變異系數(shù)較大為中度敏感指標(biāo)，變異系數(shù)介于44.45%～79.23%之間；飽和導(dǎo)水率變異系數(shù)最大為144.75%，屬于高度敏感指標(biāo)。從中可以看出，總體上紫色土坡耕地耕層土壤化學(xué)指標(biāo)的變異性大于物理指標(biāo)的變異性。

表2 坡耕地耕層土壤屬性變化的統(tǒng)計特征Tab.2 Statistical characteristics of soil properties change in the cultivated-layer of slope farmland

注：樣本數(shù)n=20。Notes: The number of samples isn=20.

由土壤第2次普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)可知：有機(jī)質(zhì)(14.89 g/kg)和全氮(0.85 g/kg)為四級屬中等水平，有效磷(28.84 mg/kg)為二級屬豐富水平，說明紫色土坡耕地耕層中養(yǎng)分較為貧瘠的，有效磷水平較高，可能是因?yàn)樵谑┓蔬^程中，磷得到補(bǔ)充，且磷元素在土壤中比較固定運(yùn)動性很弱。pH值顯弱酸性可能是由于南方地區(qū)土壤風(fēng)化程度大、氣溫高降雨多、富鋁化作用明顯，及長期不合理施用化肥。

3.2 耕層土壤質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集建立及驗(yàn)證

3.2.1 最小數(shù)據(jù)集建立 最小數(shù)據(jù)集可以反映土壤質(zhì)量最少的指標(biāo)參數(shù)集合[19]，通過建立MDS可以從大量預(yù)選指標(biāo)中篩選出少量最合適的反映土壤質(zhì)量的指標(biāo)，減小數(shù)據(jù)冗余。通過對紫色土耕層土壤各個指標(biāo)進(jìn)行主成分分析(表3)，其中特征值大于1的有4個主成分，其累計貢獻(xiàn)率為75.922%，可見4個主成分可以解釋大部分參評指標(biāo)的變異性。

通過主成分分析，將黏粒含量、貫入阻力、抗剪強(qiáng)度、有效磷、耕層厚度為第1組；有機(jī)質(zhì)、密度、全氮、飽和導(dǎo)水率為第2組；粉粒含量、砂粒含量、pH值為第3組。分組后，選取每組中Norm值在最高Norm值10%范圍內(nèi)的指標(biāo)，同時若所選的指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)大于0.4，則選取Norm值最高的進(jìn)入MDS，反之則全部進(jìn)入MDS。

由表4可知，第1組中有效磷的相關(guān)性小直接進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集，貫入阻力與黏粒、抗剪強(qiáng)度、耕層厚度的相關(guān)系數(shù)分別為0.519*、0.743**、-0.686**呈高度相關(guān)，結(jié)合四者Norm值大小，將Norm值較小的粘粒、抗剪強(qiáng)度、耕層厚度剔除，最終第1組進(jìn)入MDS的指標(biāo)有貫入阻力、有效磷。第2組中有機(jī)質(zhì)、飽和導(dǎo)水率的相關(guān)性小直接進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集，密度和全氮的相關(guān)系數(shù)為-0.489*呈高度相關(guān)，根據(jù)Norm的大小比較值剔除全氮，最終第2組進(jìn)入MDS的指標(biāo)有密度、有機(jī)質(zhì)、飽和導(dǎo)水率。第3組中pH值的相關(guān)性小直接進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集，粉粒含量和砂粒含量二者的相關(guān)系數(shù)為-0.694**呈高度相關(guān)，根據(jù)Norm的大小比較值剔除粉粒，最終第3組進(jìn)入MDS的指標(biāo)有砂粒含量、pH值。其中砂粒含量是土壤質(zhì)地一部分，土壤質(zhì)地能影響土壤物理、化學(xué)等特性，砂粒含量代替土壤質(zhì)地入選，pH值能直接影響著土壤養(yǎng)分的存在狀態(tài)、轉(zhuǎn)化和有效性。

表3 土壤屬性主成分因子載荷和Norm值Tab.3 Soil properties principal component factor load and Norm value

注：“—”表示“無此數(shù)據(jù)”。Notes: “—” refers to “no this data”.

表4 土壤指標(biāo)間Pearson相關(guān)性分析Tab.4 Analysis of Pearson correlations among soil indexes

注：** 表示在 0.01 水平(雙側(cè))上呈顯著相關(guān)；*表示在 0.05 水平(雙側(cè))上呈顯著相關(guān)；n=20。Notes: ** indicates a significant correlation at the 0.01 level (both sides); * indicates a significant correlation at the 0.05 level (both sides);n=20.

由于pH值變異系數(shù)較小(15.72%)，故在研究范圍內(nèi)pH值變異性小，屬于低度敏感性指標(biāo)[20]，因此將其剔除，不納入最終建立的最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)體系中。雖然密度的變異系數(shù)為13.78%也比較小，但是土壤密度是反應(yīng)土壤質(zhì)量的重要物理指標(biāo)，與土壤侵蝕性、土壤孔隙結(jié)構(gòu)、土壤滲透性等多項土壤功能具有直接緊密的關(guān)系；因此將土壤密度保留納入最終的最小數(shù)據(jù)集。根據(jù)我國土壤質(zhì)量評價指標(biāo)體系土壤物理性質(zhì)因子中土層厚度使用頻率達(dá)到34.7%[21]，且耕層厚度變淺是坡耕地面臨的較嚴(yán)重的問題，因此將耕層厚度納入最小數(shù)據(jù)集當(dāng)中。綜上所述，最終進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集(MDS)評價指標(biāo)體系有土壤密度、有效磷、有機(jī)質(zhì)、飽和導(dǎo)水率、貫入阻力、砂粒含量，耕層厚度。

3.2.2 最小數(shù)據(jù)集準(zhǔn)確性驗(yàn)證 最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)選擇的合理性，可直接影響耕層土壤質(zhì)量評價的準(zhǔn)確性。根據(jù)4個研究區(qū)域內(nèi)各個指標(biāo)的權(quán)重和指標(biāo)隸屬度函數(shù)，分別計算全部初選12個指標(biāo)(TDS)和最小數(shù)據(jù)集(MDS)指標(biāo)的土壤質(zhì)量指數(shù)SQI值。計算表明，全量指標(biāo)下的土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI-TDS)介于0.398～0.663，平均值為0.508，最小數(shù)據(jù)集下土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI-MDS)介于0.272～0.778，平均值為0.442。由圖2(a)可知，除4、5、12 3個樣點(diǎn)的最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)的土壤質(zhì)量指數(shù)大于全量指標(biāo)數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)外，其余最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)的土壤質(zhì)量指數(shù)均小于全量指標(biāo)數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)，且最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)的土壤質(zhì)量指數(shù)曲線的變化趨勢與全量指標(biāo)數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)曲線變化趨勢相同。進(jìn)一步對SQI-TDS和SQI-MDS進(jìn)行線性擬合(圖2(b))得出二者關(guān)系為：MDS=1.341TSD-0.240，R2=0.601，P=0，由其可知，最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)的土壤質(zhì)量指數(shù)與全量指標(biāo)數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。說明建立的紫色土耕層土壤質(zhì)量評價的最小數(shù)據(jù)集能夠較好地反映全量數(shù)據(jù)集對紫色土耕層土壤質(zhì)量評價的信息，且評價結(jié)果具有較好的代表性。

對最小數(shù)據(jù)集的各個指標(biāo)與其土壤質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，得出最小數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)與耕層厚度、有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.543*、0.767**，與貫入阻力、密度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.525*、-0.578**。這說明各個指標(biāo)在一定范圍內(nèi)變化時，耕層厚度越大、有機(jī)質(zhì)含量越多，貫入阻力、密度越小，耕層土壤質(zhì)量指數(shù)越大，即耕層土壤質(zhì)量越好。

圖2 基于最小數(shù)據(jù)集和全量數(shù)據(jù)集的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)變化特征Fig.2 Changing characteristics of soil quality index of a cultivated-layer based on minimum data set and full data set

3.3 紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量評價

土壤質(zhì)量指數(shù)能夠反映土壤綜合特性，對土壤質(zhì)量評價指標(biāo)集成，將各個指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換成0～1量綱一的值，數(shù)值越大土壤質(zhì)量越好。本文采用耕層評價MDS對不同區(qū)域紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量進(jìn)行評價。由表5可見，紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)依次為云南楚雄(0.627)>廣西桂林(0.433)>江西興國(0.421)>廣東南雄(0.410)，表明云南楚雄坡耕地耕層土壤質(zhì)量較好，廣西桂林次之，廣東南雄最差。對耕層最小數(shù)據(jù)集(MDS)特征值進(jìn)一步分析可見，耕層厚度表現(xiàn)為云南楚雄和江西興國較厚，在 20～25 cm范圍變化，平均22.5 cm；廣西桂林的耕層厚度較薄，在15～18 cm范圍變化，平均17.13 cm。貫入阻力表現(xiàn)為廣東南雄(1.91 kg/cm2)和廣西桂林(1.91 kg/cm2)較大，其次是江西興國(0.82 kg/cm2)，云南楚雄(0.56 kg/cm2)最小。土壤密度表現(xiàn)為廣東南雄(1.43 g/cm3)>江西興國(1.3 g/cm3)>廣西桂林(1.22 g/cm3)>云南楚雄(1.02 g/m3)。從中可以看出基本上是土壤質(zhì)量指數(shù)越大，貫入阻力越小，密度越小，有機(jī)質(zhì)含量越多，飽和導(dǎo)水率越大。綜合前人研究成果[3,13,22]和野外調(diào)查試驗(yàn)結(jié)果分析，紫色土坡耕地最小數(shù)據(jù)集各個指標(biāo)適宜值范圍如下表所示。

表5 坡耕地耕層土壤質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集變化特征Tab.5 Variation characteristics of minimum data set for soil quality assessment in the cultivated-layer of slope farmland

注：“—”表示“無此數(shù)據(jù)”。Notes: “—” refers to “no data”.

由表5可知：云南楚雄坡耕地的貫入阻力和密度的平均值均比適宜性值??；廣西桂林紫色土坡耕地耕層厚度平均值比適宜性范圍值薄，其余地點(diǎn)耕層厚度均在適宜值范圍內(nèi)；江西興國紫色土坡耕地砂粒含量略高于適宜性值，貫入阻力、有效磷、飽和導(dǎo)水率均小于適宜性值，其中飽和導(dǎo)水率最差僅為適宜性值得4.19%。廣東南雄紫色土坡耕地密度略高于適宜性值，土壤有機(jī)質(zhì)低于適宜性值，其余各指標(biāo)值均在適宜性范圍內(nèi)。

4 討論

最小數(shù)據(jù)集(MDS)是反映土壤質(zhì)量的最少指標(biāo)結(jié)合，對科學(xué)評估坡耕地耕層土壤質(zhì)量高低，實(shí)現(xiàn)坡耕地土壤侵蝕有效阻控有著重要意義。坡耕地耕層土壤質(zhì)量評價是對坡耕地耕層土壤質(zhì)量情況的判別和鑒定，評價指標(biāo)應(yīng)盡可能地簡明實(shí)用，易于量化，可操作性強(qiáng)，且能反映地區(qū)實(shí)際情況[23]。對坡耕地土壤質(zhì)量進(jìn)行評價，所選取的指標(biāo)應(yīng)該對坡耕地地力有較大的影響，在評價的區(qū)域內(nèi)變異性較大，指標(biāo)間相互獨(dú)立的，具有實(shí)際意義。針對坡耕地耕層土壤質(zhì)量本文以土壤物理、化學(xué)和力學(xué)指標(biāo)主要從坡耕地生產(chǎn)性能、坡耕地侵蝕特征方面來衡量坡耕地耕層土壤質(zhì)量。綜合土壤質(zhì)量評價相關(guān)研究，結(jié)合紫色土的特性及數(shù)據(jù)可獲得性，分別選擇土壤物理、化學(xué)、力學(xué)特性擬選取13個指標(biāo)作為最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)篩選的初始指標(biāo)。土壤物理指標(biāo)6個有土壤密度、土壤質(zhì)地(粉粒、砂粒、黏粒)、飽和導(dǎo)水率、耕層厚度。土壤力學(xué)指標(biāo)2個貫入阻力、抗剪強(qiáng)度；土壤化學(xué)指標(biāo)5個有土壤有機(jī)質(zhì)、pH值、全氮、有效磷、速效鉀。由于紫色土供鉀能力較好[24]，故在將速效鉀從最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)篩選的初始指標(biāo)中剔除。所以本文中最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)篩選的初選取指標(biāo)為密度、土壤質(zhì)地(粉粒、砂粒、黏粒)、飽和導(dǎo)水率、貫入阻力等12個土壤屬性指標(biāo)。

由表6可見由于研究區(qū)域不同和評價的目的不同，評價的指標(biāo)體系的選取存在很大的差異。但是有機(jī)質(zhì)作為土壤肥力的重要指標(biāo)，被普遍的使用。所以在對紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量評價指標(biāo)的選取時應(yīng)注意選取的指標(biāo)能對坡耕地地力影響較大，且在研究區(qū)域內(nèi)變異性較大，穩(wěn)定性好能夠長期使用，指標(biāo)與指標(biāo)之間相關(guān)性較小，避免指標(biāo)間的冗余問題，具有較好的操作性?？偟膩碚f，建立坡耕地合理耕層土壤質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集初選指標(biāo)的選擇應(yīng)該針對研究區(qū)的特點(diǎn)和主要評價目的進(jìn)行具體的分析和選擇。在后續(xù)研究中，增加四川盆地紫色土坡耕樣本量，進(jìn)一步篩選出對生產(chǎn)性能和侵蝕性能的敏感指標(biāo)，提高最小數(shù)據(jù)集的普適性和實(shí)踐價值。

表6 基于評價目的評價指標(biāo)體系對比Tab.6 Comparison of evaluation index system based on evaluation purpose

5 結(jié)論

1)紫色土坡耕地耕層土壤養(yǎng)分比較貧瘠，土壤化學(xué)指標(biāo)變異性大于物理指標(biāo)變異性。土壤有機(jī)質(zhì)(14.89 g/kg)、全氮(0.85 g/kg)為四級水平，有效磷(28.84 mg/kg)為二級水平；土壤密度、粉粒含量、耕層厚度、pH值變異性較??；砂粒含量、貫入阻力、抗剪強(qiáng)度、全氮變異性一般；黏粒含量、飽和導(dǎo)水率、有機(jī)質(zhì)、有效磷變異性較大。

2)紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集(MDS)由土壤密度、砂粒含量、飽和導(dǎo)水率、耕層厚度、貫入阻力、有機(jī)質(zhì)、有效磷組成；最小數(shù)據(jù)集可以較好地反映紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量優(yōu)劣；但對同一地塊而言，基于最小數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)(0.442)小于全量數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)(0.508)。

3)根據(jù)調(diào)查，紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量依次為云南楚雄(0.627)>廣西桂林(0.433)>江西興國(0.421)>廣東南雄(0.410)。云南楚雄障礙表現(xiàn)為貫入阻力和密度偏小，廣西桂林障礙表現(xiàn)為耕層淺薄，江西興國障礙表現(xiàn)為砂粒含量略高，飽和導(dǎo)水率低，廣東南雄障礙表現(xiàn)為土壤有機(jī)質(zhì)含量低。