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(jià)東北風(fēng)沙土區(qū)農(nóng)田耕層土壤質(zhì)量，為準(zhǔn)確評價(jià)東北風(fēng)沙土區(qū)耕層土壤質(zhì)量提供科學(xué)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(nèi)風(fēng)沙土區(qū)玉米田塊為調(diào)查對象，依據(jù)土壤肥力差異，選取18個(gè)調(diào)查點(diǎn)進(jìn)行28項(xiàng)常規(guī)土壤理化性狀指標(biāo)和玉米產(chǎn)量的測量。采用多元線性回歸方法建立耕層質(zhì)量評價(jià)最小數(shù)據(jù)集（MDS），計(jì)算土壤耕作指數(shù)（TI）。[結(jié)果]多元回歸結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)、全磷、堿解氮、孔隙度和pH構(gòu)成評價(jià)風(fēng)沙土壤質(zhì)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(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)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(jià)土壤質(zhì)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(yīng)耕層土壤地力高中低3個(gè)等級。該研究的18個(gè)調(diào)查點(diǎn)高產(chǎn)田占11.1%，中產(chǎn)田最多，占55.6%，低產(chǎn)田占33.3%，說明風(fēng)沙土區(qū)農(nóng)田以中低產(chǎn)田為主。[結(jié)論]利用最小數(shù)據(jù)集耕作指數(shù)可以有效評價(jià)東北風(fēng)沙土壤質(zhì)量，為東北風(fēng)沙土質(zhì)量評價(jià)和中低產(chǎn)田改良提供理論參考。

關(guān)鍵詞?風(fēng)沙土;耕作指數(shù);玉米;土壤質(zhì)量

中圖分類號?S154.1文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)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(zhì)量是土壤的許多物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，以及形成這些性質(zhì)的一些重要過程的綜合體現(xiàn)[1]。近年來，人們越來越多關(guān)注耕層土壤質(zhì)量問題，對土壤質(zhì)量的深入研究有助于土壤可持續(xù)管理。土壤質(zhì)量評價(jià)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(chǎn)區(qū)，年均總產(chǎn)量為6 500萬t左右，占全國玉米產(chǎn)量的40%，被譽(yù)為我國的“糧倉”[3]。但是，東北平原約10%的中低產(chǎn)田主要分布在風(fēng)沙土區(qū)，嚴(yán)重影響玉米總產(chǎn)[4]。東北風(fēng)沙土區(qū)降雨量偏少，土壤干旱貧瘠、保水保肥能力較差，風(fēng)沙土區(qū)農(nóng)田成為東北玉米增產(chǎn)的主要障礙區(qū)[3]。合理評價(jià)東北風(fēng)沙土區(qū)耕層土壤質(zhì)量，對于提高玉米產(chǎn)量有著重要意義。近年來，關(guān)于土壤質(zhì)量評價(jià)的研究已成為熱點(diǎn)，Tripathi等[5]利用定量化分析方法，研究耕層構(gòu)建中土壤性狀對土壤質(zhì)量的影響，再根據(jù)不同性狀對土壤質(zhì)量影響力大小，有針對性地開展適宜的耕作方式。國內(nèi)外學(xué)者多采用多元線性回歸、模糊數(shù)學(xué)、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(nóng)業(yè)試驗(yàn)田、冷浸田、水旱輪作農(nóng)田、綠洲等土壤質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)[6-10]，而采用多元線性回歸對東北風(fēng)沙土農(nóng)田耕層土壤質(zhì)量評價(jià)少見報(bào)道。該研究以黑龍江省西部風(fēng)沙土玉米種植區(qū)為基礎(chǔ)，利用多元線性回歸方法建立評價(jià)指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集，利用耕作指數(shù)評價(jià)土壤質(zhì)量，以期為東北風(fēng)沙土玉米種植區(qū)中低產(chǎn)田改良提供科學(xué)依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?試驗(yàn)區(qū)域概況

野外調(diào)查區(qū)域在黑龍江省大慶市杜爾伯特蒙古族自治縣域內(nèi)，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(fēng)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(fēng)沙土。

1.2?野外調(diào)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(nèi)風(fēng)沙土玉米生產(chǎn)區(qū)，采用“S”形多點(diǎn)混合采樣，依據(jù)土壤肥力差異，隨機(jī)選取18個(gè)樣點(diǎn)，采集0～20 cm耕層土壤樣品，測量土壤理化性狀，同時(shí)采用5點(diǎn)測定玉米產(chǎn)量，采樣點(diǎn)分布見圖1。

1.3?測定項(xiàng)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(kuò)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(jī)質(zhì)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(jì);土壤機(jī)械組成測定采用吸管法。

1.4?耕作指數(shù)計(jì)算?28項(xiàng)土壤性狀與玉米產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量單獨(dú)作相關(guān)性分析，得到各自的相關(guān)系數(shù)ri2，將ri2與所有回歸確定的土壤性狀的相關(guān)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(gè)數(shù)。TI的計(jì)算公式為：

TI=nAiXi′（3）

式（3）中，Xi′是被選指標(biāo)的隸屬度值，根據(jù)指標(biāo)與玉米產(chǎn)量的正負(fù)相關(guān)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(jià)指數(shù)TI值，用作評價(jià)土壤質(zhì)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(jìn)行分析處理。

2?結(jié)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(zhì)量評價(jià)中較為重要的一個(gè)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(xiàng)土壤理化性狀與玉米產(chǎn)量作多元線性回歸分析，得到玉米產(chǎn)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(chǎn)量（mg/hm2）;SOM為有機(jī)質(zhì)（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(jī)質(zhì)、堿解氮、全磷、pH表征土壤化學(xué)性狀，土壤孔隙度表征土壤物理性狀。回歸方程顯示，玉米產(chǎn)量與上述5項(xiàng)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)為0.979，說明這5項(xiàng)指標(biāo)對評價(jià)東北風(fēng)沙土質(zhì)量可信度為97.9%。選取土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集，這與大多數(shù)研究者在評價(jià)土壤質(zhì)量時(shí)選取的指標(biāo)相一致，提高耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量有利于土壤保水保肥的能力，有機(jī)質(zhì)在土壤質(zhì)量評價(jià)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(shí)進(jìn)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(gè)重要指標(biāo)，在土壤質(zhì)量評價(jià)中使用率達(dá)90%[14]，選取土壤孔隙度、pH進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。該研究所選取的5個(gè)最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)，有4個(gè)指標(biāo)在最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)使用率前10位當(dāng)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(zhì)量評價(jià)。

2.2?玉米產(chǎn)量與最小數(shù)據(jù)集中土壤性狀的關(guān)系

從表2可以看出，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、全磷與玉米產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，而土壤孔隙度、pH與玉米產(chǎn)量相關(guān)性不顯著。玉米產(chǎn)量與有機(jī)質(zhì)（0.857**）相關(guān)性極顯著，這一結(jié)果與前人研究結(jié)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(chǔ)肥力時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)與土壤基礎(chǔ)地力貢獻(xiàn)率顯著正相關(guān)，長期施用有機(jī)肥有利于耕地土壤基礎(chǔ)地力的提升。堿解氮（0.882**）同樣與玉米產(chǎn)量有極顯著的相關(guān)性，因?yàn)橥寥缐A解氮含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)，耕地枯枝落葉多，土壤有機(jī)質(zhì)含量就多，枯枝落葉經(jīng)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(jī)質(zhì)含量與氮素含量都比較高。全磷（0.888**）與玉米產(chǎn)量相關(guān)性極顯著，因?yàn)榱讓χ参锷L發(fā)育、品質(zhì)和產(chǎn)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(dǎo)致植物無法正常生長，過多則會導(dǎo)致“燒苗”現(xiàn)象。

2.3?土壤耕作指數(shù)

根據(jù)耕作指數(shù)計(jì)算方法，依照各相關(guān)因子的權(quán)重，結(jié)合隸屬度函數(shù)，得最小數(shù)據(jù)集的TI計(jì)算公式為：

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

計(jì)算出最小數(shù)據(jù)集耕作指數(shù)（MDS-TI）。分別將28項(xiàng)理化性狀與玉米產(chǎn)量作相關(guān)性分析，根據(jù)相關(guān)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(yàn)證最小數(shù)據(jù)集評價(jià)土壤質(zhì)量的合理性是研究土壤質(zhì)量評價(jià)方法的重要步驟[20-21]，利用全量數(shù)據(jù)集驗(yàn)證最小數(shù)據(jù)集得出的結(jié)果的合理性，能確保最小數(shù)據(jù)集的科學(xué)有效性，使研究結(jié)果具有較高的可信度[14]。將MDS-TI值與玉米產(chǎn)量和TDS-TI分別作相關(guān)性分析，結(jié)果顯示其與玉米產(chǎn)量和TDS-TI呈極顯著正相關(guān)（圖2），說明風(fēng)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(fēng)沙土區(qū)土壤質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。

2.4?風(fēng)沙土耕地土壤地力分析

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

3?結(jié)論

該研究對杜蒙縣風(fēng)沙土玉米產(chǎn)區(qū)地力狀況進(jìn)行了評價(jià)，利用多元線性回歸模型和隸屬度函數(shù)，從28項(xiàng)土壤理化性狀指標(biāo)中，篩選出有機(jī)質(zhì)、土壤全磷、土壤堿解氮、土壤孔隙度以及pH這5項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成評價(jià)風(fēng)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(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，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(jià)土壤質(zhì)量。根據(jù)MDS-TI值取值范圍0～1特點(diǎn)，將耕層土壤地力劃分為高、中、低3個(gè)等級，18個(gè)樣點(diǎn)平均耕作指數(shù)為0.47，說明東北風(fēng)沙土區(qū)玉米田主要屬于中產(chǎn)田?？傊?，利用目的線性回歸模型，通過耕作指數(shù)TI對風(fēng)沙土地力評價(jià)，該方法簡單有效，可以較好地評價(jià)東北風(fēng)沙土區(qū)土壤質(zhì)量，為開展風(fēng)沙土區(qū)中低產(chǎn)田改造提供科學(xué)參考。

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