陳正發(fā)，史東梅，金慧芳，婁義寶，何 偉，夏建榮

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基于土壤管理評(píng)估框架的云南坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

陳正發(fā)1,2，史東梅1※，金慧芳1，婁義寶1，何 偉2，夏建榮2

（1. 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶，400716；2. 中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明，650051）

坡耕地作為云南地區(qū)耕地資源的重要組成部分，坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)和參數(shù)適宜范圍確定是合理耕層構(gòu)建的基礎(chǔ)?；谕寥拦芾碓u(píng)估框架（soil management assessment framework，SMAF），構(gòu)建坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)評(píng)價(jià)模型（cultivated-layer soil quality index，CLSQI），采用最小數(shù)據(jù)集（minimum data set，MDS）法篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)云南地區(qū)坡耕地耕層土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出坡耕地合理耕層土壤參數(shù)適宜范圍。結(jié)果表明：云南坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集由pH值、全氮、總孔隙度、抗剪強(qiáng)度、田面坡度5個(gè)指標(biāo)組成，基于MDS的坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)精度較高。在初選指標(biāo)體系中，土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、抗剪強(qiáng)度、田面坡度5個(gè)指標(biāo)的權(quán)重較大，而在MDS指標(biāo)體系中，田面坡度、全氮含量的權(quán)重較大。坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)（CLSQI）分布在0.39～0.84之間，均值為0.59±0.11，變異系數(shù)為0.19，坡耕地耕層土壤質(zhì)量總體處于“中等”偏上水平。不同采樣區(qū)坡耕地 CLSQI差異顯著（＜0.05），其大小關(guān)系為：楚雄＞雙柏＞宣威＞寧洱＞馬龍＞石林。0～20 cm采樣深度坡耕地 CLSQI（均值0.59）大于＞20 cm（均值0.56），紫色土坡耕地CLSQI（均值0.61）大于紅壤（均值0.54）（＜0.05），壟作和等高耕作模式坡耕地CLSQI大于順坡耕作，旋耕方式下的坡耕地CLSQI大于翻耕，不同農(nóng)業(yè)分區(qū)坡耕地CLSQI的大小順序?yàn)椋旱釚|北山原區(qū)＞滇中高原湖盆區(qū)＞滇西南中山寬谷區(qū)。坡耕地合理耕層MDS土壤指標(biāo)適宜范圍為：pH值5.58～7.82，全氮≥1.37 g/kg，總孔隙度≥52.28%，抗剪強(qiáng)度≥5.19 kPa，田面坡度≤11.79°。研究可為坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)及合理耕層構(gòu)建提供理論依據(jù)和參數(shù)支持。

土壤；模型；相關(guān)分析；耕層土壤質(zhì)量；土壤管理評(píng)估框架；最小數(shù)據(jù)集；坡耕地；參數(shù)適宜范圍

0 引 言

坡耕地是中國(guó)耕地資源的重要組成部分，現(xiàn)有坡耕地3 513×104hm2，約占耕地總面積的17.5%[1]。作為耕地的重要組成部分，坡耕地的數(shù)量、質(zhì)量與國(guó)家的糧食安全密切相關(guān)[2]。土壤質(zhì)量是土壤供養(yǎng)、維持作物生長(zhǎng)的能力[3]，良好的土壤質(zhì)量不僅具有較高的生產(chǎn)力，而且對(duì)區(qū)域水土生態(tài)環(huán)境的改善具有重要的意義[4]。坡耕地耕層土壤質(zhì)量反映坡耕地耕層土壤供養(yǎng)、維持作物生長(zhǎng)的能力，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)坡耕地耕層土壤質(zhì)量特征，是合理耕層構(gòu)建的基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)外土壤質(zhì)量研究主要集中在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方面。徐夢(mèng)潔等[5]提出了涵蓋生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)3個(gè)層面的耕地可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。孔祥斌等[6]從農(nóng)戶土地利用變化理論的角度，分析“壓力-狀態(tài)-效應(yīng)-響應(yīng)”（PSR）特征，提出了耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。劉占峰等[7]在分析土壤質(zhì)量指標(biāo)及其評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，提出了耕地土壤質(zhì)量研究的發(fā)展趨勢(shì)。路鵬等[8]提出了結(jié)合3S和空間分析模型等新的分析理論和技術(shù)。李桂林等[9]探討了土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集的確定方法。Pierce等[10]、Mulengera等[11]對(duì)土壤生產(chǎn)力指數(shù)（PI）模型做了進(jìn)一步的發(fā)展和完善。段興武等[12]將土壤有機(jī)質(zhì)指標(biāo)引入 PI 模型，建立土壤生產(chǎn)力指數(shù)模型（MPI）。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤質(zhì)量指數(shù)模型（SQI）進(jìn)行了大量研究[13-15]，也有學(xué)者采用系統(tǒng)分析方法，對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究[16]。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中往往需要對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行篩選，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用主成分分析法（PCA）[17]、最小數(shù)據(jù)集（MDS）[18-20]等方法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行重疊信息過(guò)濾。劉士梁等[21]對(duì)綜合土壤質(zhì)量指數(shù)法（QI）與土壤退化指數(shù)法（DO）兩種定量方法進(jìn)行了比較，表明這2種方法都能有效地評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量。金慧芳等[22]比較了基于主成分分析法（PCA）和聚類分析法（CA）建立坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集。近年來(lái)，美國(guó)農(nóng)業(yè)部提出了土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的土壤管理評(píng)估框架（SMAF）[23]，該方法強(qiáng)調(diào)土壤管理措施對(duì)土壤質(zhì)量的影響，將土壤質(zhì)量與土壤管理目標(biāo)、氣候、土壤類型等結(jié)合起來(lái)，使土壤質(zhì)量評(píng)估和土壤質(zhì)量管理結(jié)合更加緊密，具有很強(qiáng)的綜合性[24]，在國(guó)外研究中得到了關(guān)注[25-26]。

隨著坡耕地作為耕地重要組成部分的認(rèn)識(shí)不斷深化，針對(duì)坡耕地土壤質(zhì)量的研究得到了重視。王道杰[27]研究了長(zhǎng)江上游坡耕地土壤侵蝕對(duì)土壤質(zhì)量的影響。李強(qiáng)等[28]采用土壤質(zhì)量指數(shù)對(duì)黃土高原坡耕地溝蝕土壤質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。馬芊紅等[29]對(duì)中國(guó)水蝕區(qū)坡耕地土壤質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為水蝕區(qū)坡耕地土壤質(zhì)量整體狀況良好。丁文斌等[30]研究了紫色土坡耕地土壤屬性差異對(duì)耕層土壤質(zhì)量的影響。

從研究方法來(lái)看，國(guó)內(nèi)外采用土壤質(zhì)量指數(shù)模型（SQI）開(kāi)展土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方面的研究較多，近年來(lái)基于SMAF的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)研究在國(guó)外得到了重視，而國(guó)內(nèi)目前還未見(jiàn)相關(guān)研究報(bào)道。從研究對(duì)象來(lái)看，針對(duì)耕地土壤質(zhì)量的研究較多，而針對(duì)坡耕地土壤質(zhì)量方面的研究報(bào)道較少，目前還未見(jiàn)云南地區(qū)坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方面的研究報(bào)道。因此，本文基于土壤管理評(píng)估框架（SMAF），以云南坡耕地耕層土壤質(zhì)量作為研究對(duì)象，構(gòu)建坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)評(píng)價(jià)模型（CLSQI），采用最小數(shù)據(jù)集（MDS）法篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)云南地區(qū)坡耕地耕層土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出坡耕地合理耕層土壤參數(shù)適宜范圍。研究可為坡耕地合理耕層診斷及調(diào)控提供理論及參數(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

云南地處中國(guó)西南邊陲，位于97°31′～106°12′′ E，21°08′～29°15′ N之間。東西寬865 km，南北長(zhǎng)990 km，東鄰廣西自治區(qū)和貴州省，北部及西北與四川和西藏相連，西部、西南部及南部與緬甸、越南、老撾毗鄰，國(guó)土面積38.32萬(wàn)km2。云南為山地高原區(qū)，山地面積占總面積的94%，河谷盆地僅占6%。云南屬于低緯高原季風(fēng)氣候區(qū)，年溫差小，日溫差大，干濕季分明，年平均氣溫17.2 ℃，大部分地區(qū)年降水量在1 000 mm以上，但季節(jié)和地域上的分配極不均勻。土壤分布以紅壤、赤紅壤、紫色土為主。云南坡耕地面積為412.93萬(wàn)hm2，占總耕地面積的64.31%，坡耕地占耕地面積的比例大、坡度陡，坡耕地土壤侵蝕較為嚴(yán)重，坡耕地土壤侵蝕是江河泥沙的主要來(lái)源[31]。云南地區(qū)坡耕地種植的主要作物有玉米、煙草、馬鈴薯、冬小麥等。本研究樣品采集及分析于2015年7月－2017年12月期間進(jìn)行。采樣區(qū)位于云南紅壤和紫色土典型分布的6個(gè)采樣區(qū)域（石林、寧洱、馬龍、宣威為紅壤坡耕地采樣區(qū)，楚雄、雙柏為紫色土坡耕地采樣區(qū)）。為提高采樣精度，在當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)部門有經(jīng)驗(yàn)的人員協(xié)助下，考慮不同區(qū)域、不同種植模式、不同耕作方式以及典型土壤類型的差異性，每個(gè)采樣均沿著調(diào)查路線選擇代表性區(qū)域、耕作模式、耕作方式進(jìn)行采樣，共設(shè)采樣點(diǎn)31個(gè)，采集土壤樣品62份。表1為采樣區(qū)坡耕地利用特征參數(shù)及所屬綜合農(nóng)業(yè)區(qū)劃范圍。

表1 采樣區(qū)坡耕地利用特征參數(shù)

1.2 采樣方法與土壤理化性質(zhì)測(cè)試

在每個(gè)采樣區(qū)域選擇典型坡耕地地塊，按照不同坡位布設(shè)樣點(diǎn)，選擇樣點(diǎn)的中間點(diǎn)挖掘土壤剖面，按照0～20 cm、＞20 cm深度分層進(jìn)行垂直采樣。每個(gè)采樣區(qū)域重復(fù)多次采樣，取平均值。在壟作模式地塊采樣時(shí)，因采樣區(qū)作物主要種植在壟上，因此采樣主要在壟上部位進(jìn)行。采樣時(shí)，按照1 m′1 m′0.6 m（長(zhǎng)′寬′高）的規(guī)格挖取耕層剖面，并采集土樣。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定土壤緊實(shí)度、抗剪強(qiáng)度、貫入阻力值（重復(fù)5次）。土壤容重、孔隙度樣品均用100 cm3環(huán)刀分層采集，并采取室內(nèi)環(huán)刀法測(cè)定。同時(shí)，每層采集2 kg混合樣品帶回室內(nèi)風(fēng)干，用于測(cè)定土壤物理性質(zhì)、養(yǎng)分特性參數(shù)。土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法如下：測(cè)定土層深度為0～40 cm，每20 cm分層取樣；風(fēng)干后的土樣過(guò)1 mm和0.5 mm篩；測(cè)定指標(biāo)包括土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀含量，具體測(cè)定方法依照土壤農(nóng)化分析標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

1）耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)模型的建立

隨著人為耕作條件下土壤退化問(wèn)題日益得到重視，基于土壤質(zhì)量動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的耕層土壤管理成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。近年來(lái)，美國(guó)農(nóng)業(yè)部發(fā)展了土壤管理評(píng)估框架（SMAF）。該模型在借鑒現(xiàn)有土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)研究成果基礎(chǔ)上，將土壤質(zhì)量評(píng)估和土壤質(zhì)量管理緊密結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)“評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選-土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)-耕層土壤管理”全過(guò)程整合。該框架模型不僅可較好地反映土壤質(zhì)量變化特征，也可從不同時(shí)點(diǎn)土壤耕作活動(dòng)導(dǎo)致土壤質(zhì)量參數(shù)動(dòng)態(tài)變化的角度，識(shí)別土壤質(zhì)量變化過(guò)程及主導(dǎo)因素，為開(kāi)展土壤質(zhì)量管理和合理耕層構(gòu)建提供決策依據(jù)。本研究基于土壤管理評(píng)估框架（SMAF），采用最小數(shù)據(jù)集法，建立耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，對(duì)坡耕地耕層土壤質(zhì)量進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，將土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)與土壤管理緊密結(jié)合起來(lái)，探討坡耕地耕作模式、耕作方式等土地利用過(guò)程對(duì)耕層土壤質(zhì)量的影響，提出坡耕地合理耕層診斷的參數(shù)適宜范圍。

參照土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI）模型，建立加權(quán)和法的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)（cultivated-layer soil quality index，CLSQI）計(jì)算模型：

式中CLSQI表示耕層土壤質(zhì)量指數(shù)，數(shù)值范圍在0～1之間；K是第個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值，C是第個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，是評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

全部初選指標(biāo)計(jì)算得到的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)用AL-CLSQI（代表實(shí)測(cè)值）表示，最小數(shù)據(jù)集（MDS）指標(biāo)計(jì)算得到的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)用MDS-CLSQI（代表模擬值）表示。根據(jù)坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)大小，將坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)等距劃分為5個(gè)等級(jí)[17]，劃分等級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表2。

表2 坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

2）評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、隸屬函數(shù)選擇和權(quán)重計(jì)算

參考國(guó)內(nèi)外土壤質(zhì)量指標(biāo)體系研究成果[5-7]，同時(shí)考慮坡耕地利用特征，建立坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的初選指標(biāo)體系。初選指標(biāo)體系包含土壤屬性指標(biāo)、剖面特征指標(biāo)、立地條件特征指標(biāo)3個(gè)維度，共12個(gè)二級(jí)指標(biāo)（見(jiàn)表3）。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)與耕層土壤質(zhì)量的相關(guān)情況，可將隸屬函數(shù)劃分為S型隸屬度函數(shù)、反S型隸屬度函數(shù)和拋物線型3種類型。依據(jù)各指標(biāo)變化對(duì)耕層土壤質(zhì)量的正負(fù)效應(yīng)，有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、總孔隙度、毛管孔隙度、耕層厚度、抗剪強(qiáng)度選擇S型隸屬函數(shù)；容重、田面坡度選擇反S型隸屬函數(shù)；pH值、貫入阻力選擇拋物線型隸屬函數(shù)，隸屬函數(shù)表達(dá)式及構(gòu)建方式參見(jiàn)文獻(xiàn)[17]，評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)類型及參數(shù)取值見(jiàn)表4和表5。主成分分析中，公因子方差反映某一指標(biāo)對(duì)整體方差的貢獻(xiàn)程度和差異性，公因子方差越大，對(duì)整體的貢獻(xiàn)也越大。本研究采用主成分分析法確定每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的公因子方差，以各指標(biāo)公因子方差在總體方差的比例作為指標(biāo)的權(quán)重[17]。

表3 耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重分布

3）最小數(shù)據(jù)集（MDS）指標(biāo)篩選方法

由12個(gè)參數(shù)組成初選評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，但該指標(biāo)體系包含的評(píng)價(jià)指標(biāo)過(guò)多，增加了評(píng)價(jià)工作量。另外，由于各指標(biāo)之間可能包含重疊信息，需分析并減小信息重疊干擾。MDS法的思路是：從總的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)集中，通過(guò)建立最小數(shù)據(jù)集，來(lái)減少指標(biāo)眾多帶來(lái)的巨大費(fèi)用。具體方法如下：計(jì)算各土壤指標(biāo)在所有特征值≥1的主成分（PC）上的載荷，據(jù)此將在同一PC上載荷≥0.5的土壤指標(biāo)分為1組，若某土壤參數(shù)同時(shí)在2個(gè)PC上的載荷高于0.5，則該參數(shù)應(yīng)歸并到與其他參數(shù)相關(guān)性較低的那一組；分別計(jì)算各組指標(biāo)的Norm值，選取每組中Norm值在該組最大Norm值的10%范圍內(nèi)的指標(biāo)，進(jìn)一步分析每組中所選指標(biāo)間的相關(guān)性，若高度相關(guān)（>0.5），則確定分值最高的指標(biāo)進(jìn)入MDS，從而獲得最終的MDS。其中，Norm值越大則表明其解釋綜合信息的能力就越強(qiáng)。

評(píng)價(jià)指標(biāo)的Norm值計(jì)算方法如下：

式中N是第個(gè)變量在特征值≥1的前個(gè)主成分上的綜合載荷；U是第個(gè)變量在第個(gè)主成分上的載荷；λ是第個(gè)主成分的特征值。

4）耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證MDS指標(biāo)體系評(píng)價(jià)耕層土壤質(zhì)量結(jié)果的精度，本研究采用Nash和Sutcliffe[32]于1970年提出的模型有效系數(shù)（E）和相對(duì)偏差系數(shù)（E）來(lái)評(píng)價(jià)模型的精度。有效系數(shù)（E）越接近于1，表示MDS法計(jì)算結(jié)果與基準(zhǔn)值越接近，計(jì)算精度較高。相對(duì)偏差系數(shù)（E）越接近于0，表明MDS法計(jì)算值相對(duì)于基準(zhǔn)值的偏差越小，結(jié)果越精確。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用Microsoft Excel 2010和SPSS19.0進(jìn)行分析，應(yīng)用SPSS19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)樣本檢驗(yàn)、主成分分析、相關(guān)性分析和方差分析。

表4 S型和反S型隸屬函數(shù)及參數(shù)

注：()為隸屬函數(shù)，為評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值，、分別表示指標(biāo)臨界值的下限和上限，本研究分別取實(shí)測(cè)的最小值和最大值，下同。

Note:() is the membership function andis the measured value of the evaluation index.andrespectively indicate the lower and upper limits of the threshold value of the index. The minimum and maximum values of the measured values are taken in this study. The same below.

表5 拋物線型隸屬函數(shù)類型及參數(shù)

注：1、2分別表示指標(biāo)臨界值的下限和上限，本研究分別取實(shí)測(cè)的最小值和最大值；1、2為最適值的上下界點(diǎn)，其值根據(jù)研究區(qū)域?qū)崪y(cè)結(jié)果綜合對(duì)比確定。

Note:1and2represent the lower and upper limits of the index threshold, respectively. The minimum and maximum values of the measured values are taken in this study.1and2are the upper and lower boundaries of the optimum value, and the values are determined according to the comprehensive comparison of the measured results in the study area.

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2 結(jié)果與分析

2.1 坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集

2.1.1 建立最小數(shù)據(jù)集

為減少評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量，消除各評(píng)價(jià)指標(biāo)間交互作用導(dǎo)致的信息重疊，針對(duì)12項(xiàng)初選指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，選擇特征值大于1的主成分。在進(jìn)行主成分分析過(guò)程中，提取到第6個(gè)主成分PC6時(shí)，方差的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到86.83%，表明6個(gè)主成分對(duì)總體方差的解釋能力較強(qiáng)。因PC5、PC6的特征值均小于1，故根據(jù)最小數(shù)據(jù)集法的主成分提取原則，僅提取PC1～PC4作為本研究分析的主成分。表6為提取的主成分分析結(jié)果及因子載荷矩陣。從表中可看出，通過(guò)主成分分析，共提取出4個(gè)主成分，4個(gè)主成分的累積解釋總方差達(dá)到了74.67%，說(shuō)明PC1～PC4共4個(gè)主成分對(duì)總體方差的解釋能力已相對(duì)較強(qiáng)。從主成分的信息貢獻(xiàn)率來(lái)看，PC1～PC4的主成分貢獻(xiàn)率分別為：39.56%、15.43%、10.65%、9.03%，貢獻(xiàn)率逐步減小，后續(xù)主成分解釋方差的貢獻(xiàn)率已十分有限。

從表6可看出PC1～PC4的因子載荷矩陣，4個(gè)主成分對(duì)應(yīng)指標(biāo)的載荷差異較大，這也體現(xiàn)出不同主成分指標(biāo)對(duì)總體方差解釋能力的差異性。在PC1中，初選指標(biāo)pH值、有機(jī)質(zhì)（g/kg）、有效磷（mg/kg）、容重（g/cm3）、總孔隙度（%）、耕層厚度（cm）、抗剪強(qiáng)度（kPa）、貫入阻力（MPa）共8個(gè)指標(biāo)載荷絕對(duì)值大于0.5，說(shuō)明這些指標(biāo)在PC1中的貢獻(xiàn)率較高。在PC2中，初選指標(biāo)pH值、全氮（g/kg）、速效鉀（mg/kg）共3個(gè)指標(biāo)載荷絕對(duì)值大于0.5，這些指標(biāo)在PC2中的貢獻(xiàn)率最高。在PC3中，僅有田面坡度（°）1個(gè)指標(biāo)載荷的絕對(duì)值大于0.5，表明該指標(biāo)在PC3中的貢獻(xiàn)率最高。在PC4中，只有抗剪強(qiáng)度（kPa）、毛管孔隙度（%）2個(gè)指標(biāo)載荷的絕對(duì)值大于0.5，這些指標(biāo)在PC4中的貢獻(xiàn)率最高。

表6 主成分分析結(jié)果及因子載荷矩陣

表7 坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)初選指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

注：指標(biāo)代碼X1～X12的含義見(jiàn)表6，**代表相關(guān)程度在<0.01顯著性水平，*代表相關(guān)程度在<0.05 顯著性水平。

Note: The meanings of index codes X1~X12 are shown in table 6. **means the significant correlation at<0.01, * means the significant correlation at<0.05.

根據(jù)因子載荷矩陣顯示的各指標(biāo)在所有特征值≥1的主成分（PC）上的載荷，將在同一PC上載荷≥0.5的土壤指標(biāo)分為1組，若某指標(biāo)同時(shí)在2個(gè)PC上的載荷高于0.5，則該參數(shù)應(yīng)歸并到與其他參數(shù)相關(guān)性較低的一組。其中，pH值在PC1、PC2均滿足載荷≥0.5，因pH值與第1組指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值分布在0.189～0.523之間，與第2組指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)分別為0.021、0.387，總體上與第2組指標(biāo)間的相關(guān)性最小，因此將其歸入到第2組中?？辜魪?qiáng)度在PC1、PC4均滿足載荷≥0.5，因抗剪強(qiáng)度與第1組指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均大于0.3，而與第4組指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)為?0.013，因此將其歸入到第4組中。各指標(biāo)分組結(jié)果見(jiàn)表6。按照最小數(shù)據(jù)（MDS）指標(biāo)篩選原則，對(duì)比各分組的Norm值，選取每組中Norm值在最高總分值10%范圍內(nèi)的指標(biāo)。據(jù)此，初步入選的指標(biāo)包括：pH值、全氮、容重、總孔隙度、抗剪強(qiáng)度、田面坡度等6個(gè)指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)初步入選的指標(biāo)間進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)表7。比較同一分組內(nèi)兩個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性，如同一組內(nèi)2個(gè)指標(biāo)顯著相關(guān)（相關(guān)系數(shù)大于0.5），則Norm值較大的指標(biāo)入選。最終進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集（MDS）的指標(biāo)為：pH值、全氮、總孔隙度、抗剪強(qiáng)度、田面坡度共5個(gè)指標(biāo)。本研究初選指標(biāo)共12個(gè)，最小數(shù)據(jù)集共包含5個(gè)指標(biāo)，指標(biāo)篩選過(guò)濾率達(dá)到58.33%，較為顯著地簡(jiǎn)化了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，最大程度消除了指標(biāo)間重疊信息對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。

2.1.2 耕層土壤質(zhì)量指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分析

采用主成分分析法獲得全量初選指標(biāo)體系和最小數(shù)據(jù)集（MDS）指標(biāo)體系的公因子方差，并進(jìn)一步計(jì)算全部初選指標(biāo)體系的權(quán)重（見(jiàn)表3）和最小數(shù)據(jù)集（MDS）的權(quán)重（見(jiàn)表8）。從表3可看出，初選指標(biāo)的土壤屬性指標(biāo)、土壤剖面特征指標(biāo)、立地條件特征指標(biāo)對(duì)應(yīng)的類別權(quán)重分別為0.446 4、0.463 1、0.090 5，土壤屬性指標(biāo)所占權(quán)重最高，說(shuō)明土壤屬性指標(biāo)對(duì)耕層土壤質(zhì)量的貢獻(xiàn)率最大，是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中的關(guān)鍵性指標(biāo)。土壤剖面特征指標(biāo)所占權(quán)重僅次于土壤質(zhì)量指標(biāo)，是影響坡耕地耕層土壤質(zhì)量特征的重要指標(biāo)。指標(biāo)權(quán)重最小的是立地條件特征指標(biāo)，權(quán)重小于0.100 0，說(shuō)明這一類指標(biāo)對(duì)耕層土壤質(zhì)量的貢獻(xiàn)率相對(duì)較小。初選指標(biāo)中，土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、抗剪強(qiáng)度、田面坡度的權(quán)重較大，這些指標(biāo)的權(quán)重均大于0.090 0，其余指標(biāo)的權(quán)重相對(duì)較小。

表8為最小數(shù)據(jù)集（MDS）指標(biāo)及其權(quán)重。從表中可看出，進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集的5個(gè)指標(biāo)包括土壤屬性指標(biāo)、土壤剖面特征指標(biāo)和立地條件特征指標(biāo)。土壤屬性指標(biāo)、土壤剖面特征指標(biāo)各入選了2個(gè)指標(biāo)，立地條件特征指標(biāo)入選1個(gè)指標(biāo)。入選MDS的5個(gè)指標(biāo)是開(kāi)展坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)需重點(diǎn)考慮的核心指標(biāo)。從入選的指標(biāo)權(quán)重來(lái)看，田面坡度的指標(biāo)權(quán)重最大，達(dá)到0.223 2，說(shuō)明坡度對(duì)耕層土壤質(zhì)量貢獻(xiàn)率最大；全氮含量指標(biāo)權(quán)重僅次于田面坡度，權(quán)重達(dá)到0.206 4，表明耕層土壤全氮含量能顯著影響坡耕地耕層土壤質(zhì)量特征；此外，pH值、總孔隙度、抗剪強(qiáng)度3個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值也超過(guò)了0.180 0，說(shuō)明上述3個(gè)指標(biāo)對(duì)耕層土壤質(zhì)量的貢獻(xiàn)率也較大。

表8 最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)及其權(quán)重

2.1.3 最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)評(píng)價(jià)的精度驗(yàn)證

采用最小數(shù)據(jù)集（MDS）指標(biāo)評(píng)價(jià)坡耕地耕層土壤質(zhì)量特征時(shí)，需對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的精度進(jìn)行驗(yàn)證，以確保評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。為驗(yàn)證最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)體系評(píng)價(jià)的精度，以2015年采樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算全部初選指標(biāo)計(jì)算的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)（AL-CLSQI）和最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)計(jì)算的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)（MDS-CLSQI），比較二者的一致性。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，MDS-CLSQI均值為0.60±0.12，變異系數(shù)C為0.21；AL-CLSQI均值為0.58±0.10，變異系數(shù)為0.17，說(shuō)明MDS-CLSQI波動(dòng)幅度相對(duì)較大（C＞20%），AL-CLSQI波動(dòng)幅度相對(duì)較?。?i>C＜20%），但MDS-CLSQI和AL-CLSQI均值差異較小，且二者相關(guān)性較高（=0.980**，=20）。1﹕1線能較好地反映2個(gè)比較對(duì)象的一致性。圖 1為AL-CLSQI和MDS-CLSQI結(jié)果1﹕1線。從圖中可看出，MDS-CLSQI和AL-CLSQI較均勻地分布在1﹕1線兩側(cè)，且距1﹕1線非常接近，數(shù)據(jù)點(diǎn)在1﹕1線兩側(cè)波動(dòng)相對(duì)較小，說(shuō)明MDS-CLSQI和AL-CLSQI具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，MDS計(jì)算評(píng)價(jià)的結(jié)果精度較高。進(jìn)一步計(jì)算MDS-CLSQI（MDS計(jì)算值）與AL-CLSQI（所有指標(biāo)計(jì)算值）之間的確定性系數(shù)（E）和相對(duì)偏差系數(shù)（E），確定性系數(shù)為0.916，相對(duì)偏差系數(shù)為0.027，說(shuō)明MDS計(jì)算的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)與所有指標(biāo)計(jì)算值較為接近，且相對(duì)偏差十分微小，評(píng)價(jià)精度較高，基于MDS計(jì)算的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)可用于云南地區(qū)坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)。

圖1 AL- CLSQI（所有指標(biāo)計(jì)算值）和MDS- CLSQI（MDS計(jì)算值）結(jié)果比較

Fig 1 Comparison of AL-CLSQI and MDS-CLSQI results

2.2 坡耕地耕層土壤質(zhì)量變化特征

采用最小數(shù)據(jù)集（MDS）指標(biāo)計(jì)算云南坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)（CLSQI），據(jù)此分析云南坡耕地耕層土壤質(zhì)量特征。研究區(qū)6個(gè)采樣區(qū)域代表了云南不同地區(qū)典型紅壤、紫色土坡耕地利用的情景模式，可相對(duì)完整地反映坡耕地耕層土壤質(zhì)量變化特征。

經(jīng)計(jì)算，6個(gè)采樣區(qū)域0～20 cm、＞20 cm采樣深度坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)分布在0.39～0.84之間，均值為0.59±0.11，變異系數(shù)C為0.19，不同采樣點(diǎn)坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)存在顯著差異（＜0.05），總體上處于“中等”水平。圖2為不同采樣區(qū)域和采樣深度土壤質(zhì)量指數(shù)變化。不同采樣區(qū)域坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)存在顯著差異（＜0.05），楚雄采樣區(qū)域的坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)（均值0.74）顯著大于其他6個(gè)采樣區(qū)域，石林采樣區(qū)域的坡耕地耕層土壤質(zhì)量最小，不同采樣區(qū)域坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)大小關(guān)系為：楚雄＞雙柏＞宣威＞寧洱＞馬龍＞石林。坡耕地耕層土壤質(zhì)量處于“中等”（0.4＜CLSQI＜0.6）等級(jí)的樣點(diǎn)比例為42.86%，處于“較高”（CLSQI＞0.6）等級(jí)以上的樣點(diǎn)比例為53.57%，其中，處于“高”等級(jí)的站點(diǎn)數(shù)僅占3.57%，云南地區(qū)不同采樣區(qū)坡耕地耕層土壤質(zhì)量等級(jí)以“中等”、“較高”為主，“高”耕層土壤質(zhì)量等級(jí)占比較少，坡耕地耕層土壤質(zhì)量總體偏低。耕層土壤質(zhì)量等級(jí)低的坡耕地表現(xiàn)為在障礙因素作用下，坡耕地整體生產(chǎn)力水平較低，需在精準(zhǔn)識(shí)別坡耕地耕層障礙因子的基礎(chǔ)上，實(shí)施有針對(duì)性的耕層土壤質(zhì)量調(diào)控措施，以提高坡耕地耕層的土壤質(zhì)量，最終提升坡耕地土地生產(chǎn)力。

從圖2也可看出，不同采樣區(qū)域0～20 cm、＞20 cm采樣深度耕層土壤質(zhì)量指數(shù)存在一定的差異性，整體表現(xiàn)為0～20 cm采樣深度坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)（均值0.59）均大于＞20 cm（均值0.56）。0～20 cm耕層范圍是坡耕地上作物根系生長(zhǎng)主要部分，0～20 cm耕層土壤質(zhì)量指數(shù)越高，越有利于提高坡耕地的耕作性能，提高坡耕地作物生產(chǎn)能力。此外，0～20 cm耕層受到人為耕作活動(dòng)影響最為顯著，0～20 cm耕層土壤質(zhì)量指數(shù)大于＞20 cm土層，說(shuō)明在耕作措施影響下，0～20 cm深度耕層土壤理化性質(zhì)、土壤剖面特征等指標(biāo)相對(duì)于＞20 cm土層得到了改良，合理的耕作措施能有效提高坡耕地耕層土壤質(zhì)量。

從不同土壤類型坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)來(lái)看，紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)均值為0.61，紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)均值為0.54，二者差異顯著（＜0.05），紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)大于紅壤坡耕地。云南坡耕地土壤分布以紅壤為主，而紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)遠(yuǎn)小于紫色土坡耕地，總體耕層土壤質(zhì)量等級(jí)上僅處于“中等”水平，因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注紅壤坡耕地耕層土壤質(zhì)量的提升問(wèn)題。

注：SL代表石林采樣點(diǎn)，NE代表寧洱采樣點(diǎn)，CX代表楚雄采樣點(diǎn)，ML代表馬龍采樣點(diǎn)，XW代表宣威采樣點(diǎn)，SB代表雙柏采樣點(diǎn)。

圖3為不同耕作模式和耕作方式下坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)變化。從圖3a可看出，不同耕作模式坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)差異不顯著，但0～20、＞20 cm采樣深度坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)均表現(xiàn)為壟作＞等高耕作＞順坡耕作，不同耕層厚度土壤質(zhì)量指數(shù)均表現(xiàn)為順坡耕作模式的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)最小，說(shuō)明順坡耕作不利于耕層土壤質(zhì)量的保持和提升，而壟作、等高耕作則能有效提升坡耕地耕層土壤質(zhì)量。此外，除壟作模式外，0～20 cm采樣深度坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)均大于＞20 cm。本研究壟作模式的采樣點(diǎn)分布在壟上，而壟作模式下＞20 cm采樣深度耕層土壤質(zhì)量指數(shù)較高，說(shuō)明壟作模式更有利于改良下層土壤結(jié)構(gòu)性，提升下層土壤的CLSQI。從圖3b可看出，不同耕作方式坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)存在差異，但差異不顯著，總體表現(xiàn)為旋耕方式下的坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)大于翻耕。從不同采樣深度CLSQI變化來(lái)看，翻耕和旋耕方式下0～20、＞20 cm采樣深度CLSQI變化存在差異，旋耕方式下不同采樣深度CLSQI差異較小，而翻耕方式下0～20 cm采樣深度耕層土壤質(zhì)量指數(shù)大于＞20 cm（＜0.05）。此外，不同翻耕處理對(duì)不同采樣深度坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)的影響不同，翻耕20 cm+壓實(shí)處理?xiàng)l件下0～20、＞20 cm采樣深度耕層土壤質(zhì)量指數(shù)差異不顯著，而翻耕（未壓實(shí)）條件下，0～20 cm采樣深度耕層土壤質(zhì)量顯著大于＞20 cm（＜0.05）。

圖3 不同耕作模式和耕作方式坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)變化

圖4為不同農(nóng)業(yè)分區(qū)耕層土壤質(zhì)量變化。從圖中可看出，不同分區(qū)0～20、＞20 cm采樣深度坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)變化存在差異。不同分區(qū)0～20 cm采樣深度耕層土壤質(zhì)量差異較小，CLSQI分布在0.58～0.60之間；而不同分區(qū)＞20 cm采樣深度耕層土壤質(zhì)量差異相對(duì)較大，CLSQI分布在0.49～0.64之間；表現(xiàn)為滇東北山原區(qū)（CLSQI=0.64）＞滇中高原湖盆區(qū)（CLSQI=0.59）＞滇西南中山寬谷區(qū)（CLSQI=0.49），各分區(qū)坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)均在0.49以上，均處于“中等”以上等級(jí)；其中，滇東北山原區(qū)的坡耕地耕層土壤質(zhì)量總體最高，總體等級(jí)達(dá)到了“較高”等級(jí)，滇中高原湖盆區(qū)坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)僅次于滇東北山原區(qū)，滇西南中山寬谷區(qū)坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)最低。從不同采樣深度耕層土壤質(zhì)量變化來(lái)看，除滇東北山原區(qū)外，0～20 cm耕層土壤質(zhì)量指數(shù)均大于＞20 cm耕層。

圖4 不同農(nóng)業(yè)分區(qū)耕層土壤質(zhì)量指數(shù)變化

2.3 坡耕地合理耕層土壤參數(shù)適宜范圍

坡耕地耕層土壤質(zhì)量的高低與坡耕地生產(chǎn)力水平的高低密切相關(guān)，耕層土壤質(zhì)量指數(shù)越大，坡耕地生產(chǎn)力水平越高。云南地區(qū)坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集（MDS）包括：pH值、全氮、總孔隙度、抗剪強(qiáng)度、田面坡度共5個(gè)指標(biāo)，坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)分布在0.39～0.84之間，均值為0.59±0.11。按照等距劃分法[17]，可將坡耕地耕層土壤質(zhì)量劃分為5個(gè)等級(jí)。合理耕層表征耕層最大限度蓄納并協(xié)調(diào)耕層中水、肥、氣、熱狀況，為作物生長(zhǎng)及增產(chǎn)提供良好的環(huán)境和條件的能力[33]。合理耕層與耕層土壤質(zhì)量指數(shù)的高低緊密相關(guān)，是耕層土壤質(zhì)量處于一定質(zhì)量水平的綜合體現(xiàn)。坡耕地耕層土壤質(zhì)量等級(jí)越高，表明坡耕地作物生產(chǎn)力越高，坡耕地耕層也越接近合理水平[22]。目前學(xué)術(shù)界還沒(méi)有形成合理耕層的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。本文綜合分析后認(rèn)為，根據(jù)耕層土壤質(zhì)量與作物生產(chǎn)力、隸屬函數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，坡耕地耕層土壤質(zhì)量等級(jí)處于“較好”及以上等級(jí)（CLSQI≥0.6）時(shí)耕層處于相對(duì)合理狀態(tài)。評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬函數(shù)表示該指標(biāo)與土壤質(zhì)量指數(shù)之間的近似一元函數(shù)關(guān)系，因此當(dāng)CLSQI≥0.6時(shí)，對(duì)應(yīng)于隸屬函數(shù)值≥0.6，從而可依據(jù)隸屬函數(shù)()反推計(jì)算對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的適宜范圍臨界值。在合理耕層構(gòu)建過(guò)程中，對(duì)于隸屬函數(shù)為S型的耕層土壤質(zhì)量指標(biāo)，=0.6對(duì)應(yīng)的耕層土壤指標(biāo)數(shù)值可作為適宜范圍下限，指標(biāo)數(shù)值越大，對(duì)耕層土壤質(zhì)量提升的貢獻(xiàn)率也越大；對(duì)于隸屬函數(shù)為反S型的耕層土壤質(zhì)量指標(biāo)，隸屬度0.6對(duì)應(yīng)的指標(biāo)數(shù)值可作為適宜范圍上限，指標(biāo)數(shù)值越大，對(duì)耕層土壤質(zhì)量提升的貢獻(xiàn)率越??；對(duì)于隸屬函數(shù)為拋物線型的耕層土壤質(zhì)量指標(biāo)，隸屬度0.6對(duì)應(yīng)的參數(shù)值包括適宜范圍下限和適宜范圍上限，下限和上限區(qū)間（閉區(qū)間）構(gòu)成土壤參數(shù)的適宜范圍。

根據(jù)本研究分析得到的云南地區(qū)坡耕地耕層土壤質(zhì)量參數(shù)的隸屬函數(shù)，以“較好”等級(jí)以上耕層土壤質(zhì)量作為合理耕層的診斷標(biāo)準(zhǔn)，按照上述評(píng)價(jià)指標(biāo)適宜范圍的確定方法，可計(jì)算MDS指標(biāo)的適宜范圍，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表9。從表中可看出，云南坡耕地合理耕層最小數(shù)據(jù)集參數(shù)適宜范圍為：pH值5.58～7.82，全氮≥1.37 g/kg，總孔隙度≥52.28%，抗剪強(qiáng)度≥5.19 kPa，田面坡度≤11.79°。上述耕層土壤參數(shù)適宜范圍可作為云南地區(qū)坡耕地耕層合理耕層診斷的標(biāo)準(zhǔn)，坡耕地合理耕層構(gòu)建的目的即為通過(guò)各種調(diào)控措施，使耕層土壤質(zhì)量的核心指標(biāo)處于參數(shù)適宜范圍，從而提高耕層質(zhì)量指數(shù)，充分發(fā)揮坡耕地的生產(chǎn)力水平。

表9 合理耕層MDS土壤指標(biāo)閾值及適宜范圍

3 討 論

3.1 基于土壤管理評(píng)估框架的耕層質(zhì)量評(píng)價(jià)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)提出了眾多方法，包括土壤生產(chǎn)力指數(shù)（PI）模型[12]、土壤質(zhì)量指數(shù)模型（SQI）[13-15]、主成分分析法（PCA）[17]、最小數(shù)據(jù)集（MDS）[18-20]等方法。這些方法雖然從土壤屬性指標(biāo)對(duì)土壤生產(chǎn)力提升的角度，能較好地對(duì)耕地土壤質(zhì)量特征進(jìn)行定性描述或定量計(jì)算，但評(píng)價(jià)結(jié)果往往是靜態(tài)的。土壤管理評(píng)估框架（SMAF）則強(qiáng)調(diào)土壤管理措施對(duì)土壤質(zhì)量的影響，該模型更具綜合性和系統(tǒng)性[23]。在該框架模型下，不僅能反映土壤質(zhì)量的內(nèi)在屬性，也可從不同時(shí)點(diǎn)土壤管理活動(dòng)導(dǎo)致的土壤指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化的角度，識(shí)別土壤質(zhì)量變化過(guò)程及主導(dǎo)因素，為開(kāi)展土壤質(zhì)量管理、提升耕地生產(chǎn)力提供依據(jù)[23-24]。SMAF具有構(gòu)架靈活、土壤屬性指標(biāo)可根據(jù)實(shí)際選擇等優(yōu)點(diǎn)，但土壤質(zhì)量指標(biāo)數(shù)眾多，需要對(duì)指標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。從本研究來(lái)看，SMAF模型能較好地運(yùn)用于云南地區(qū)坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)。本研究對(duì)象為云南地區(qū)紅壤和紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量，由于受各方面客觀條件的限制，坡耕地耕層土壤采樣點(diǎn)數(shù)相對(duì)較少，這會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的精度造成一定影響。此外，從研究時(shí)點(diǎn)來(lái)看，本研究?jī)H做了一個(gè)時(shí)點(diǎn)上的坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)，未實(shí)現(xiàn)對(duì)坡耕地耕層土壤質(zhì)量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。而SMAF模型的優(yōu)勢(shì)在于可通過(guò)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，反映不同時(shí)點(diǎn)上坡耕地耕層質(zhì)量變化過(guò)程及影響因素，這方面在下一步研究中應(yīng)予以加強(qiáng)。

3.2 坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)比較

本研究初選指標(biāo)共12個(gè)，經(jīng)MDS法篩選后的指標(biāo)包含：pH值、全氮、總孔隙度、抗剪強(qiáng)度、田面坡度5個(gè)指標(biāo)。通過(guò)篩選，指標(biāo)篩選過(guò)濾率達(dá)到58.33%，極大地簡(jiǎn)化了評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外基于MDS建立的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的研究成果[19,34-35]，入選MDS頻率較高的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括：土壤容重、黏粒含量、pH值、全氮、團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（MWD）、粉粒含量、砂粒含量、有機(jī)質(zhì)和孔隙度、有效磷。從本研究看，pH值、全氮、總孔隙度這3個(gè)指標(biāo)進(jìn)入MDS，這與大多數(shù)國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果一致。國(guó)內(nèi)外研究中入選頻率較高的土壤容重值未進(jìn)入MDS，這是由于本研究在MDS指標(biāo)篩選過(guò)程中，總孔隙度與容重進(jìn)入同一組，且二者高度相關(guān)（=?1.000**，=31），且總孔隙度的Norm值大于容重，因此總孔隙度入選MDS。此外，田面坡度入選MDS，說(shuō)明對(duì)于坡耕地而言，田面坡度的大小對(duì)耕層土壤質(zhì)量的影響作用十分顯著，這也是坡耕地區(qū)別于其他耕地類型的本質(zhì)特征。開(kāi)展坡耕地合理耕層構(gòu)建及調(diào)控過(guò)程中，上述入選MDS的5個(gè)指標(biāo)應(yīng)成為調(diào)控的重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)。

3.3 耕作模式對(duì)坡耕地耕層土壤質(zhì)量的影響

耕作模式（等高耕作、壟作、順坡耕作）對(duì)耕層土壤質(zhì)量的影響本質(zhì)為人類耕作活動(dòng)對(duì)耕層土壤質(zhì)量的影響。從本文研究來(lái)看，壟作、等高耕作等耕作模式的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)總體較高，而順坡耕作模式的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)較低。這主要是由于壟作、等高耕作可通過(guò)改變坡面微地貌結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生明顯的抗侵蝕效應(yīng)，保持良好的土壤持水性能，從而提升坡耕地耕層土壤質(zhì)量[36-37]。而順坡耕作則有利于坡面徑流的匯集，并沿程增加徑流流速，增強(qiáng)坡面侵蝕效應(yīng)，也不利于坡面保土蓄水，從而降低耕層土壤質(zhì)量[38]。除本文研究涉及的等高耕作、順坡耕作、壟作模式外，近年來(lái)等高反坡階耕作、反坡水平階耕作模式在云南地區(qū)得到了廣泛研究。李秋芳等[39]在云南紅壤坡耕地上的研究表明，等高反坡階減水和減沙效應(yīng)分別達(dá)到了61.9%、72.2%，同時(shí)具有顯著降低坡面養(yǎng)分流失的作用。王萍等[40]在云南坡耕地上的研究表明，反坡水平階對(duì)研究區(qū)地表徑流調(diào)控率在49.5%～87.7%，產(chǎn)沙調(diào)控率在56.7%～96.1%，平均可削減地表徑流 65.3% 、減少泥沙流失80.7%。合理的耕作模式能有效改善土壤結(jié)構(gòu)性能，增加土壤有機(jī)碳、養(yǎng)分含量，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)。云南地區(qū)坡耕地土壤分布以紅壤和紫色土為主，坡耕地利用過(guò)程中應(yīng)推廣等高耕作、壟作模式，以改善耕層土壤結(jié)構(gòu)性，降低坡耕地坡面土壤侵蝕，提高坡耕地耕層土壤質(zhì)量。

4 結(jié) 論

1）采用最小數(shù)據(jù)集（MDS）分析方法，從12個(gè)指標(biāo)中，篩選出pH值、全氮、總孔隙度、抗剪強(qiáng)度、田面坡度5個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的云南地區(qū)坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集，且MDS指標(biāo)體系計(jì)算的耕層土壤質(zhì)量指數(shù)精度較高。

2）在初選指標(biāo)中，土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、抗剪強(qiáng)度、田面坡度的權(quán)重較大，權(quán)重均大于0.090 0，其余指標(biāo)的權(quán)重相對(duì)較??；在MDS指標(biāo)中，田面坡度的指標(biāo)權(quán)重最大，權(quán)重為0.223 2，全氮含量指標(biāo)權(quán)重僅次于田面坡度，權(quán)重為0.206 4，其他指標(biāo)的權(quán)重均大于0.180 0。

3）坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)分布在0.39～0.84之間，均值為0.59±0.11，變異系數(shù)為0.19，耕層土壤質(zhì)量等級(jí)總體上處于“中等”偏上水平，耕層土壤質(zhì)量總體較低。不同采樣區(qū)域坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)大小關(guān)系為：楚雄＞雙柏＞宣威＞寧洱＞馬龍＞石林，0～20 cm采用深度耕層土壤質(zhì)量指數(shù)（均值0.59）大于＞20 cm（均值0.56），紫色土坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)（均值0.61）大于紅壤坡耕地（均值0.54），壟作和等高耕作坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)大于順坡耕作，旋耕方式下的坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)大于翻耕，不同分區(qū)坡耕地耕層土壤質(zhì)量指數(shù)的大小順序?yàn)椋旱釚|北山原區(qū)＞滇中高原湖盆區(qū)＞滇西南中山寬谷區(qū)。

4）云南坡耕地合理耕層土壤參數(shù)適宜范圍分別為：pH值5.58～7.82，全氮≥1.37 g/kg，總孔隙度≥52.28%，抗剪強(qiáng)度≥5.19 kPa，田面坡度≤11.79°。

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Evaluation on cultivated-layer soil quality of sloping farmland in Yunnan based on soil management assessment framework (SMAF)

Chen Zhengfa1,2, Shi Dongmei1※, Jin Huifang1, Lou Yibao1, He Wei2, Xia Jianrong2

（1.,,400716,; 2.,650051,）

Sloping farmland is an important part of cultivated land resources in Yunnan district. The evaluation of cultivated-layer soil quality and the appropriate range of parameters for sloping farmland are the basis for the development of reasonable plough layer. Based on the Soil Management Assessment Framework (SMAF), taking the cultivated-layer soil quality of sloping farmland in Yunnan province as the research object, this paper constructed a soil quality index evaluation model (CLSQI) for sloping farmland, and used the minimum data set (MDS) method to screen the evaluation indicators to evaluate the soil quality of sloping farmland in Yunnan, proposed the range of soil parameters for rational tillage in sloping farmland. The results showed that the minimum data set (MDS) of soil quality evaluation of sloping farmland in Yunnan region consisted of five indicators: pH value, total nitrogen, total porosity, soil shear strength and slope. The comparative analysis of AL-CLSQI (the cultivated-layer soil quality index calculated by all indicators) and AL-CLSQI (the cultivated-layer soil quality index calculated by the minimum data set index) showed that the evaluation accuracy of cultivated-layer soil quality based on MDS index was higher. In the primary selection index system, the weights of soil bulk density, total porosity, capillary porosity, shear strength, and slope grade were larger, while in the MDS index system, the weight of the slope and total nitrogen content was larger. The cultivated-layer soil quality index (CLSQI) of sloping cultivated land was between 0.39 and 0.84, the mean value was 0.59±0.11, and the coefficient of variation was 0.19. The cultivated-layer soil quality of sloping farmland was generally “medium”, and it was generally low. The CLSQI of the sloping farmland in different sampling areas was significantly different (<0.05), and the size relationship was: Chuxiong＞Shuangbai＞Xuanwei＞Ninger＞Malong＞Shilin. The 0～20 cm sampling depth sloping farmland CLSQI (mean value 0.59) was greater than >20 cm (mean value 0.56), and the CLSQI (mean value 0.61) of purple soil sloping farmland was larger than the red soil (mean value 0.54) (<0.05), while the ridge and contour farming cultivation mode sloping farmland CLSQI was larger than that of the straight-plowing. The order of the CLSQI of the sloping farmland in different agricultural divisions was: Northeastern Yunnan＞Central Yunnan＞Southwest Yunnan. According to the corresponding relationship between the soil quality of the cultivated-layer and the crop productivity and membership function, the cultivated-layer was in a relatively reasonable state when the soil quality grade of the sloping farmland was at a “higher” and above level (CLSQI≥0.6). The appropriate range of MDS indicators for cultivated-layer of sloping land in Yunnan were indicated as follows: the pH value of 5.58～7.82, the total nitrogen content of ≥1.37 g/kg, the total porosity content of ≥52.28%, the soil shear strength value of ≥5.19 kPa, and slope value of ≤11.79°. The suitable range of the above-mentioned cultivated-layer soil parameters can be used as the standard for the rational cultivated-layer diagnosis of sloping farmland in Yunnan. The research can provide theoretical basis and parameter support for the quality evaluation of ploughed plough layer and the construction of reasonable plough layer.

soils; models; correlation methods; cultivated-layer soil quality; soil management assessment framework (SMAF); minimum data set; sloping farmland; suitable range of parameters

陳正發(fā)，史東梅，金慧芳，婁義寶，何 偉，夏建榮.基于土壤管理評(píng)估框架的云南坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(03)：256－267. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.032 http://www.tcsae.org

Chen Zhengfa, Shi Dongmei, Jin Huifang, Lou Yibao, He Wei, Xia Jianrong. Evaluation on cultivated-layer soil quality of sloping farmland in Yunnan based on soil management assessment framework (SMAF)[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(03): 256－267. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.032 http://www.tcsae.org

2018-07-17

2018-10-19

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)“坡耕地合理耕層評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立（201503119-01-01）”

陳正發(fā)，博士生，主要從事水土生態(tài)工程方面的研究。Email：chenzhengfa2013@163.com

史東梅，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水土生態(tài)工程、土壤侵蝕與水土保持研究。Email：shidm_1970@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.032

TP79, S157

A

1002-6819(2019)-03-0256-12