基于最小數(shù)據(jù)集的紫色丘陵區(qū)坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

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(cè)總站，401147，重慶； 3.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，650051，昆明)

紫色土是我國(guó)西南地區(qū)一種主要的土壤類(lèi)型，我國(guó)共有紫色土(主要為耕地)2 198.8萬(wàn)hm2[1]。紫色土坡耕地是西南地區(qū)重要的耕地利用類(lèi)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(lèi)為了栽培作物，利用工具對(duì)土壤進(jìn)行擾動(dòng)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(gè)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(lái)看可以定義為土壤維持作物生長(zhǎng)的能力而不引起土壤退化或損害環(huán)境[6]。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)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(duì)紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(lái)說(shuō)評(píng)價(jià)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(huì)造成指標(biāo)數(shù)據(jù)間的冗余問(wèn)題。國(guó)外學(xué)者Larson等[8]提出采用最小數(shù)據(jù)集(minimum data set，MDS)對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)[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(gè)綜合的質(zhì)量指標(biāo)。Doran等對(duì)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(lèi)似的土壤屬性指標(biāo)[9]。國(guó)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(kāi)展了類(lèi)似研究。鄭粉莉等[10]在對(duì)黃土高原子午嶺地區(qū)近100年不同開(kāi)墾年限的農(nóng)地研究，從20個(gè)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系；段興武等[11]對(duì)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(duì)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(píng)價(jià)巖溶區(qū)坡耕地土壤肥力；史東梅等[13]對(duì)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(píng)價(jià)耕層土壤質(zhì)量的主要指標(biāo)。

目前利用MDS對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的研究成果較多，然而針對(duì)坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(duì)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(duì)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)，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(guó)、云南楚雄4個(gè)區(qū)域(表1)。廣東坡耕地面積15.4萬(wàn)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(rùn)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(wàn)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(shí)間為1 670 h。江西坡耕地面積23.52萬(wàn)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(guó)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(wàn)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(shí)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(guó)、云南楚雄，每個(gè)區(qū)域5個(gè)采樣點(diǎn)，分別按照1 m×1 m×0.6 m(長(zhǎng)×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(duì)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(cè)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(cè)定，各樣品分別重復(fù)3次；同時(shí)，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(cè)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(yáng)市天目?jī)x器廠的 PT 型)進(jìn)行測(cè)定。土壤化學(xué)指標(biāo)的測(cè)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(cè)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(jì)處理采用Excel 2003和SPSS 19.0進(jìn)行分析，應(yīng)用SPSS 19.0軟件對(duì)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(lái)指標(biāo)重新組合成一組新的互相無(wú)關(guān)的幾個(gè)綜合指標(biāo)來(lái)代替原來(lái)指標(biāo)的一種分析方法[15]。通過(guò)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(jì)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(zhǎng)度，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則表明該變量對(duì)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(jì)算公式[17]如下：

(1)

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

2.4 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)，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(jì)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(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)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(xiàng)土壤指標(biāo)的權(quán)重；Ni為第i項(xiàng)土壤指標(biāo)的隸屬度；n為所有參評(píng)指標(biāo)/最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)。

隸屬度由評(píng)價(jià)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(jì)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(gè)指標(biāo)對(duì)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(gè)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(jì)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(jì)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(duì)紫色土坡耕地耕層土壤12個(gè)土壤屬性指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)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(jì)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(jí)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(jí)屬中等水平，有效磷(28.84 mg/kg)為二級(jí)屬豐富水平，說(shuō)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^(guò)程中，磷得到補(bǔ)充，且磷元素在土壤中比較固定運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)期不合理施用化肥。

3.2 耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)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(guò)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(guò)對(duì)紫色土耕層土壤各個(gè)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(gè)主成分，其累計(jì)貢獻(xiàn)率為75.922%，可見(jiàn)4個(gè)主成分可以解釋大部分參評(píng)指標(biāo)的變異性。

通過(guò)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(shí)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(wú)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(xiàng)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(guó)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)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(wèn)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。根據(jù)4個(gè)研究區(qū)域內(nèi)各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重和指標(biāo)隸屬度函數(shù)，分別計(jì)算全部初選12個(gè)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(jì)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(gè)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(shì)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(shì)相同。進(jìn)一步對(duì)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(shuō)明建立的紫色土耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集能夠較好地反映全量數(shù)據(jù)集對(duì)紫色土耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的信息，且評(píng)價(jià)結(jié)果具有較好的代表性。

對(duì)最小數(shù)據(jù)集的各個(gè)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(shuō)明各個(gè)指標(biāo)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，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(píng)價(jià)

土壤質(zhì)量指數(shù)能夠反映土壤綜合特性，對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)集成，將各個(gè)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(píng)價(jià)MDS對(duì)不同區(qū)域紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。由表5可見(jiàn)，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(guó)(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(duì)耕層最小數(shù)據(jù)集(MDS)特征值進(jìn)一步分析可見(jiàn)，耕層厚度表現(xiàn)為云南楚雄和江西興國(guó)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(guó)(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(guó)(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(gè)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(píng)價(jià)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(wú)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小；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(guó)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(duì)科學(xué)評(píng)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(píng)價(jià)是對(duì)坡耕地耕層土壤質(zhì)量情況的判別和鑒定，評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)盡可能地簡(jiǎn)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(duì)坡耕地土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，所選取的指標(biāo)應(yīng)該對(duì)坡耕地地力有較大的影響，在評(píng)價(jià)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(duì)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(lái)衡量坡耕地耕層土壤質(zhì)量。綜合土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)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(gè)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(gè)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(gè)貫入阻力、抗剪強(qiáng)度；土壤化學(xué)指標(biāo)5個(gè)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(gè)土壤屬性指標(biāo)。

由表6可見(jiàn)由于研究區(qū)域不同和評(píng)價(jià)的目的不同，評(píng)價(jià)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(duì)紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取時(shí)應(yīng)注意選取的指標(biāo)能對(duì)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(zhǎng)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(wèn)題，具有較好的操作性。總的來(lái)說(shuō)，建立坡耕地合理耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集初選指標(biāo)的選擇應(yīng)該針對(duì)研究區(qū)的特點(diǎn)和主要評(píng)價(jià)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(duì)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(jià)值。

表6 基于評(píng)價(jià)目的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)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(jí)水平，有效磷(28.84 mg/kg)為二級(jí)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(píng)價(jià)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?jī)?yōu)劣；但對(duì)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(guó)(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(guó)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。