余 坤，李國建，李百鳳，褚曉升,馮 浩,3

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100；3.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

土壤質(zhì)量主要包括3個方面含義：一是土壤提供植物養(yǎng)分和生產(chǎn)生物物質(zhì)的土壤肥力質(zhì)量；二是容納、吸收、凈化污染物的土壤環(huán)境質(zhì)量；三是維護(hù)保障人類和動植物健康的土壤健康質(zhì)量[1]。土壤質(zhì)量是一個復(fù)雜的功能實體，不能夠直接測定，但可以通過建立合適的土壤質(zhì)量指標(biāo)體系對其進(jìn)行定性和定量的評價。土壤質(zhì)量指標(biāo)是從土壤生產(chǎn)潛力和環(huán)境管理的角度檢測和評價土壤健康狀況的性質(zhì)、功能或條件的指標(biāo)[2]。土壤質(zhì)量評價指標(biāo)體系大致可分為描述性指標(biāo)(定性指標(biāo))和分析性指標(biāo)(定量指標(biāo))兩大類。其中，分析性指標(biāo)主要是指選擇土壤的各種屬性，進(jìn)行定量分析，獲取分析數(shù)據(jù)，然后確定數(shù)據(jù)指標(biāo)的閾值和最適值。根據(jù)分析性指標(biāo)的性質(zhì)，土壤質(zhì)量的評價指標(biāo)主要包括土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)3個方面[3]。近年來，統(tǒng)計學(xué)方法在相關(guān)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，越來越多的研究學(xué)者采用多變量分析方法，將土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)集成綜合指標(biāo)以較為客觀、全面地評價土壤質(zhì)量的優(yōu)劣。目前，因子分析和聚類分析等方法已被應(yīng)用于土壤質(zhì)量的綜合評價中。

秸稈還田有利于改土保墑、提高土壤肥力，是中國提倡的保護(hù)性耕作措施之一[4]。但是目前秸稈還田方式以秸稈覆蓋和秸稈翻壓還田為主。在秸稈資源利用方面存在較多問題，如作物秸稈碳氮比較高(禾本科作物秸稈C/N高達(dá)60～80∶1)，施入土壤后分解較緩慢，易發(fā)生與作物爭氮和誘發(fā)病蟲害等現(xiàn)象[5-6]。鑒于此，本研究擬對秸稈進(jìn)行氨化、粉碎處理后還田，以降低秸稈碳氮比、提高土壤中秸稈分布均勻性，通過不同秸稈還田方式來改良土壤；采用側(cè)重于成因清晰性評價和命名清晰性高的因子分析法和聚類分析法[7-8]，對不同秸稈還田方式下土壤質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，旨在闡明還田秸稈自身特性對提升土壤質(zhì)量的作用機(jī)理，從而為尋求合理的土壤改良措施提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2011年10月—2016年6月在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院試驗站進(jìn)行。該站位于108°24′E，34°20′N，海拔521 m，地理位置屬暖濕帶季風(fēng)半濕潤氣候區(qū)。土壤質(zhì)地為中壤土，1 m土層的平均田間持水率為23%～25%，凋萎含水率為8.5%(以上均為質(zhì)量含水率)，平均干體積質(zhì)量為1.44 g·cm-3。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量分別為11.17、0.95 g·kg-1，速效磷、速效鉀含量分別為13.67、183.20 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗前將玉米秸稈粉碎至粉末狀(直徑小于1 mm)和長秸稈(長約50 mm)兩個水平，粉末狀秸稈過1 mm篩備用。秸稈氨化處理方法[9]：以水溶液形式加入秸稈干質(zhì)量1.33%的氮素(調(diào)整秸稈C/N值為25/1)、4%的氫氧化鈣，溶液總質(zhì)量為秸稈干質(zhì)量的30%，以噴灑方式與秸稈混合均勻后裝入密閉塑料箱，并放置在35℃恒溫人工氣候室培養(yǎng)6 d備用。

試驗共設(shè)6個處理，分別為秸稈不還田對照(CK)，長秸稈(50 mm)覆蓋還田(LM)，長秸稈(50 mm)翻壓還田(LP)，粉末秸稈(1 mm)翻壓還田(SP)，長秸稈(50 mm)氨化翻壓還田(ALP)和粉末秸稈(1 mm)氨化翻壓還田(ASP)，采用隨機(jī)區(qū)組排列，各處理重復(fù)3 次，小區(qū)面積為20 m2(4 m×5 m)，試驗區(qū)周圍布置2 m寬的相同作物保護(hù)帶。供試冬小麥品種為“小偃22”，采用人工條播種植方式，播種量187.4 kg·hm-2，播種深度5 cm，行距25 cm。連續(xù)5個生長季秸稈還田量均為4 500 kg·hm-2?；适┯昧繛?25 kg·hm-2純氮(尿素，N含量46%)、112.5 kg·hm-2純磷(磷酸二銨，P2O5含量48%)，每次播種前用旋耕機(jī)將基肥與不同處理秸稈一次性翻入土壤耕層0～15 cm內(nèi)(LM處理秸稈在播種后覆蓋于地表)，生育期內(nèi)不追肥。其它田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民種植習(xí)慣一致。

1.3 樣品采集及測定

土壤樣品于2016年6月冬小麥?zhǔn)斋@后，每個小區(qū)用環(huán)刀(體積為100 cm3)，以“△”形布置3個采樣點(diǎn)，在0～20 cm土層采集原狀土樣，密封帶回實驗室，測定土壤體積質(zhì)量、飽和導(dǎo)水率和飽和含水量。同時，用土鉆在耕層(0～20 cm)以“△”形布置3個采樣點(diǎn)采集土樣，剔除雜物，混合均勻后用四分法分出2份，一份鮮樣過2 mm篩并于4℃條件下保存，用于土壤微生物量碳、氮、可溶性有機(jī)碳、氮、土壤酶活性的測定，另一份風(fēng)干用于理化性質(zhì)測試。

土壤體積質(zhì)量、土壤孔隙度和土壤飽和含水量采用環(huán)刀法測定[10]；土壤飽和導(dǎo)水率采用定水頭法測定[11]；土壤團(tuán)聚體粒級分布和穩(wěn)定性參考Limon-Ortega等[12]方法測定；土壤有機(jī)碳用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定[10]；土壤全氮采用凱氏定氮法(KJELTE2300全自動定氮儀，瑞典)測定[10]。

土壤微生物量碳、氮和可溶性碳、氮采用氯仿熏蒸0.5 mol·L-1K2SO4浸提法測定[13-14]；土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶分別采用磷酸苯二鈉比色法、靛酚比色法、硫代硫酸鈉滴定法和高錳酸鉀滴定法測定[15]。

土壤呼吸采用動態(tài)閉合法測定[16]：在2016年6月冬小麥成熟后，利用美國LICOR公司生產(chǎn)的Li-6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)和Li-6400-09土壤呼吸室進(jìn)行各處理小區(qū)土壤呼吸測定。為減少測定誤差，土壤葉室環(huán)刀提前2 h插入土壤2 cm深度處。各處理按“△”形分布重復(fù)測定3個樣點(diǎn)，每個處理的土壤呼吸速率是儀器2次循環(huán)測量的平均值。測定時間一般在上午09∶00—11∶00，相關(guān)研究表明該時段測得的土壤呼吸速率可以代表當(dāng)日的平均值[17]。

作物產(chǎn)量的測定：在成熟期，選取各處理均勻一致有代表性的1 m2樣方區(qū)域的小麥進(jìn)行測產(chǎn)，重復(fù)3次，折合成每公頃產(chǎn)量，kg·hm-2。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

1.4.1 數(shù)據(jù)處理 水穩(wěn)性團(tuán)聚體指由性質(zhì)穩(wěn)定的膠體膠結(jié)團(tuán)聚而形成的在水中浸泡、沖洗而不易分散的>0.25 mm的土壤團(tuán)粒，其對土壤肥力有重要影響。>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量計算公式為[10]：

(1)

式中，R0.25為>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；mi為對應(yīng)粒級團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)。

團(tuán)聚體平均重量直徑(mean weight diameter，MWD)、幾何平均直徑(geometric mean diameter，GMD)參數(shù)是評價土壤團(tuán)聚體分布狀況和穩(wěn)定性特征的重要指標(biāo)。MWD和GMD都是基于不同粒徑的團(tuán)聚體的質(zhì)量得到的，計算公式如下[18]：

(2)

(3)

式中,xi為任一級別范圍內(nèi)團(tuán)聚體的平均直徑(mm)；yi為對應(yīng)于xi的團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)。

土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)Dd是土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)定量化反映，其計算采用楊培嶺等[19]推導(dǎo)的公式：

(4)

1.4.2 統(tǒng)計分析 試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003、SPSS 16.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析與原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，選擇Duncan新復(fù)極差法用于顯著性檢驗(P<0.05)。同時利用因子分析法和聚類分析法分別對土壤性質(zhì)進(jìn)行分析。

1.5 土壤質(zhì)量評價指標(biāo)與評價方法

1.5.1 土壤質(zhì)量評價指標(biāo) 為了更加客觀地評價不同秸稈還田方式對土壤質(zhì)量的改良效果，首先需要篩選出合適的土壤質(zhì)量指標(biāo)。根據(jù)代表性、靈敏性和合理性的土壤質(zhì)量評價原則[20]，同時結(jié)合本試驗實際情況，共選取了7個土壤物理指標(biāo)：土壤體積質(zhì)量(X1)、飽和導(dǎo)水率(X2)、飽和含水量(X3)、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(X4)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑(X5)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體幾何平均直徑(X6)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)(X7)；4個土壤養(yǎng)分指標(biāo)：總有機(jī)碳(X8)、全氮(X9)、可溶性有機(jī)碳(X10)、可溶性有機(jī)氮(X11)；7個土壤微生物-酶活性指標(biāo)：微生物量碳(X12)、微生物量氮(X13)、土壤呼吸速率(X14)、蔗糖酶(X15)、脲酶(X16)、過氧化氫酶(X17)、堿性磷酸酶(X18)，用總計18個指標(biāo)對土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合分析評價，選取對土壤性質(zhì)影響較大的因子。具體測定值見表1。

表1 土壤質(zhì)量各指標(biāo)平均值

1.5.2 評價方法 以往基于不同秸稈還田方式進(jìn)行土壤質(zhì)量評價的研究多集中在對各指標(biāo)分別比較，由于不同處理土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)等各單個指標(biāo)大小趨勢未必一致，僅根據(jù)各指標(biāo)數(shù)值大小難以對土壤質(zhì)量的優(yōu)劣做出準(zhǔn)確評價。因子分析法作為評價土壤質(zhì)量的一種有效方法，不僅能夠避免信息重疊，而且對因子變量具有較強(qiáng)的解釋性[21]，因此本研究采用側(cè)重成因清晰性評價的因子分析法和聚類分析法，對不同秸稈還田方式下土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評價，通過計算各主因子的得分計算出不同處理土壤質(zhì)量的綜合得分，并按照其得分的高低進(jìn)行排序，從而能夠綜合量化土壤質(zhì)量等級，并對影響土壤質(zhì)量的因子進(jìn)行解釋。

因子分析是主成分分析的發(fā)展和延伸，通過對載荷陣作方差最大旋轉(zhuǎn)，以將相關(guān)性比較密切的因子相對集中，便于對因子做出合理解釋。具體來說，它主要是研究如何以較少的幾個因子反映出原始資料的大部分信息，將眾多原始的高維變量進(jìn)行最佳綜合與簡化降維，避免確定各指標(biāo)權(quán)重時的主觀隨意性，以及如何較為清晰地解釋各因子變量對土壤質(zhì)量的作用與貢獻(xiàn)，并最終達(dá)到對描述土壤質(zhì)量的物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)進(jìn)行綜合的一種統(tǒng)計分析方法[22]。本研究中所選取的土壤質(zhì)量評價指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)絕對值絕大部分大于0.3，同時原有變量通過了KMO檢驗(KMO值為0.60)和Bartlett球形度檢驗(P=0.00)，均滿足因子分析的前提條件。因此，本文可采用因子分析法對不同秸稈還田方式下土壤質(zhì)量改良效果進(jìn)行評價。

為了更清楚直觀地比較不同秸稈還田方式下的土壤質(zhì)量狀況，需要計算各處理的因子得分Fi，即

Fi=∑AiX

(5)

式中,Ai是因子得分系數(shù)的第i列向量；X為土壤評價指標(biāo)。

將標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)帶入以上計算公式，即可得到不同處理分別在各主因子上的得分，然后再根據(jù)以下計算式即可得到各處理的綜合得分F：

F=∑biFi=b1F1+b2F2+…biFi

(6)

式中，b為各主因子對土壤變異的方差貢獻(xiàn)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤質(zhì)量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理及相關(guān)矩陣

由于本試驗中選取的18個土壤質(zhì)量指標(biāo)具有不同的量綱，且其數(shù)量級差別較大，為確保分析結(jié)果的客觀性和科學(xué)性，需要對該18個土壤質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(表2)，并進(jìn)行敏感性分析。

表2 各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

由土壤質(zhì)量指標(biāo)敏感性分析結(jié)果(表3)可知，土壤飽和導(dǎo)水率的變異系數(shù)最大，達(dá)到31.63%，說明不同秸稈還田方式對土壤飽和導(dǎo)水率的影響最大。此外，土壤飽和含水率、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量、水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑和幾何平均直徑變異系數(shù)也較大，其變異系數(shù)分別達(dá)到6.50%、5.75%、9.11%和11.99%，表明不同秸稈還田方式對土壤結(jié)構(gòu)的影響明顯，在本研究中可作為秸稈還田影響土壤質(zhì)量的物理結(jié)構(gòu)指標(biāo)。對于土壤不同類型碳、氮指標(biāo)來說，土壤有機(jī)碳、全氮、微生物量碳、氮、土壤可溶性有機(jī)碳、氮含量和土壤呼吸速率的變異系數(shù)均較大，分別達(dá)到了4.46%、3.87%、6.58%、9.63%、10.69%和13.31%，說明秸稈還田對土壤碳、氮庫的影響明顯，尤其是土壤呼吸速率、微生物量碳和可溶性有機(jī)碳含量，變異系數(shù)高于土壤有機(jī)碳。這可能是因為秸稈還田作為一種有機(jī)物料，施入土壤后能增加土壤有機(jī)碳含量，同時還田的秸稈為土壤微生物提供了大量的碳源，能促進(jìn)微生物的生長和繁殖，進(jìn)而加快土壤碳的礦化速率，同時可溶性有機(jī)碳、氮既是土壤微生物和直接能源物質(zhì)，又是微生物死亡后的消納匯，它們處于不斷動態(tài)轉(zhuǎn)化過程中。由此可知，土壤總有機(jī)碳對秸稈還田的響應(yīng)不及土壤活性有機(jī)碳敏感。

2.2 土壤質(zhì)量的因子分析

根據(jù)因子分析方法的原理，運(yùn)用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件計算出各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣(表4)，分析得到各指標(biāo)變量旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣及其得分系數(shù)矩陣，以及各因子所對應(yīng)的特征值、貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率(表5)。

根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理，當(dāng)各主因子的累計方差貢獻(xiàn)率≥85%時即可用來反映系統(tǒng)的變異信息。另外，主因子的特征值在一定程度上可以解釋各因子對土壤質(zhì)量的影響力度。本研究提取了2個主因子，第一主因子對總方差的貢獻(xiàn)率是50.462%，第二主因子對于總方差的貢獻(xiàn)率是38.121%，二者之和達(dá)到88.583%(表5)，即前兩個主因子基本上保留了原有指標(biāo)的信息，說明利用因子分析不同秸稈還田方式下土壤質(zhì)量的改良效果真實可靠。由表5可以看出，第一主因子(Z1)主要有土壤體積質(zhì)量、飽和導(dǎo)水率、飽和含水量、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、團(tuán)聚體平均重量直徑、團(tuán)聚體幾何平均直徑和團(tuán)聚體分形維數(shù)等，它們與Z1的相關(guān)系數(shù)均超過0.8，且主要是與土壤物理性質(zhì)有關(guān)，可定義為土壤物理結(jié)構(gòu)因子；第二主因子主要有土壤不同形態(tài)碳、氮含量以及土壤酶活性，代表了土壤中的微生物活性及土壤肥力狀況，可定義為土壤生物肥力因子。

2.3 不同處理土壤質(zhì)量的得分與排名

為了更清楚直觀地比較不同秸稈還田方式下土壤質(zhì)量狀況，通過公因子得分系數(shù)矩陣(表5)計算出各處理的因子得分和綜合得分(表6)。

表5 因子旋轉(zhuǎn)后成分矩陣及得分系數(shù)矩陣

由表6可知，第一主因子得分最高的是ASP處理，其次是ALP處理，說明ASP和ALP處理在降低土壤體積質(zhì)量，提高土壤飽和導(dǎo)水率、飽和含水量和水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量及其穩(wěn)定性方面占有明顯優(yōu)勢，表明氨化和粉末秸稈還田能顯著改善土壤物理性狀，對土壤結(jié)構(gòu)具有較好的改良作用；SP和LP處理得分較低，但仍明顯高于LM和CK，說明秸稈翻壓還田對改善土壤物理特性也有一定作用，而LM處理得分低于CK，說明秸稈覆蓋對改善土壤物理特性效果不明顯。第二主因子得分最高的是LM處理，其次為LP、SP、ALP和ASP處理，最低為CK處理，說明秸稈還田處理較不還田對照均可顯著提高土壤中各種形態(tài)碳、氮含量，提高土壤微生物活性，ASP處理第二因子得分較低，這可能是由于ASP處理秸稈分解速率較快，其土壤有機(jī)碳含量低于傳統(tǒng)秸稈還田處理。各處理的綜合得分大小順序依次為ASP>ALP>SP>LP>LM>CK，說明秸稈還田處理較不還田對照能明顯提高土壤綜合性質(zhì)，氨化秸稈還田對土壤綜合性質(zhì)的提升效果最佳。

表6 不同處理各因子得分及綜合得分

2.4 土壤質(zhì)量的聚類分析

為了使評價結(jié)果更加清晰，將各處理的主因子得分作為評價其肥力的新指標(biāo)，以歐氏距離衡量各處理對土壤質(zhì)量改良差異大小，采用最短距離法對各處理進(jìn)行系統(tǒng)聚類，具體水平分類如圖1所示。

從系統(tǒng)聚類圖(圖1)來看，可以把6個處理分為4類：改良效果優(yōu)(ALP，ASP)；改良效果中等偏上(LP，SP)；改良效果中等偏下(LM)；改良效果最差(CK)。

圖1 各處理土壤質(zhì)量評價聚類圖Fig.1 Cluster graph of soil quality assessment in different treatments

不同秸稈還田方式下的土壤質(zhì)量等級相比較而言，ALP和ASP處理最高，LP和SP較高，LM次之，CK最差。說明秸稈還田處理較不還田對照能明顯改善土壤質(zhì)量，其中氨化秸稈翻壓還田效果最佳，未氨化秸稈翻壓還田次之，秸稈覆蓋效果最差。這一結(jié)果表明，通過對秸稈進(jìn)行氨化處理后還田能顯著改善土壤結(jié)構(gòu)和團(tuán)聚體狀況，增強(qiáng)土壤微生物和酶活性，從而達(dá)到改良土壤質(zhì)量的目的，而粉碎措施對提高秸稈還田改良土壤質(zhì)量的效果不明顯。

2.5 土壤質(zhì)量評價結(jié)果與農(nóng)田生產(chǎn)力的關(guān)系

土壤質(zhì)量的優(yōu)劣可以通過農(nóng)田生產(chǎn)力水平來反映，具體表現(xiàn)為作物產(chǎn)量的高低[23]，因此作物產(chǎn)量也常被作為檢驗評價結(jié)果客觀性及準(zhǔn)確性的依據(jù)。不同處理連續(xù)5 a冬小麥產(chǎn)量變化如圖2所示。

由圖2可知，各秸稈還田處理較CK能顯著提高冬小麥籽粒產(chǎn)量。其中，秸稈翻壓還田提高冬小麥產(chǎn)量效果優(yōu)于秸稈覆蓋，氨化秸稈還田提高冬小麥產(chǎn)量效果優(yōu)于傳統(tǒng)秸稈還田，其中ASP處理冬小麥5 a平均產(chǎn)量最高，為7 668 kg·hm-2。不同處理冬小麥多年平均產(chǎn)量與土壤質(zhì)量綜合得分的變化趨勢比較吻合，說明通過這兩種方法進(jìn)行土壤質(zhì)量評價所得到的結(jié)果是可靠的。

注：不同字母表示同一生長季不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note: Different letters indicate significant differences among treatments in the same growing season (P<0.05).圖2 連續(xù)5個生長季各處理冬小麥產(chǎn)量變化Fig.2 Winter wheat yield under different treatments in five growing seasons

3 討 論

3.1 土壤評價指標(biāo)體系的建立

土壤質(zhì)量是土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)特性的綜合反映，其評價結(jié)果可直觀表征出土壤質(zhì)量的總體狀況[24]。由于評價目的和側(cè)重評價的尺度不同，評價指標(biāo)和評價方法的選擇亦有所差異[25]。以往基于不同秸稈還田方式進(jìn)行土壤質(zhì)量評價的研究多集中在對各指標(biāo)分開比較，由于不同處理土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)等各單個指標(biāo)大小趨勢未必一致，僅根據(jù)各指標(biāo)數(shù)值大小難以對土壤質(zhì)量的優(yōu)劣做出準(zhǔn)確評價。因子分析法作為評價土壤質(zhì)量的一種有效方法，不僅能夠避免信息重疊，而且對因子變量具有較強(qiáng)的解釋性[21]，因此本研究采用命名清晰性高、應(yīng)用上側(cè)重成因清晰性評價的因子分析法和聚類分析法，對不同秸稈還田方式下土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評價，通過計算各主因子的得分計算出不同處理土壤質(zhì)量的綜合得分，并按照得分的高低排序，從而能夠綜合量化土壤質(zhì)量等級，并對影響土壤質(zhì)量的因子進(jìn)行解釋。

3.2 不同秸稈還田方式土壤質(zhì)量的綜合評價

本研究基于土壤各指標(biāo)間的相關(guān)性計算出所選取的土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)等18個土壤質(zhì)量指標(biāo)的因子載荷以及各因子對應(yīng)的特征值、貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率(表5)，得到本試驗中影響土壤質(zhì)量的2個主因子：土壤物理結(jié)構(gòu)因子和土壤生物肥力因子，其方差貢獻(xiàn)率分別為50.462%和38.121%，說明這兩個因子能把土壤全部指標(biāo)提供信息的88.583%反映出來，因此本研究利用因子分析法對不同秸稈還田方式下土壤質(zhì)量進(jìn)行評價是可靠的。

土壤物理性質(zhì)的優(yōu)劣直接或間接決定作物的生長和土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能，土地利用方式以及管理措施均能對土壤的物理性質(zhì)產(chǎn)生影響，從而影響到土壤環(huán)境及生態(tài)功能。本研究結(jié)果表明，因子分析綜合得分排名前3名的是ASP、ALP和SP處理，且主要分布在土壤物理結(jié)構(gòu)因子得分上，CK處理綜合得分最低。說明秸稈還田處理較不還田對照能提高土壤質(zhì)量，且粉碎和氨化秸稈還田處理改善土壤質(zhì)量效果優(yōu)于傳統(tǒng)秸稈還田，這主要是由于粉碎和氨化秸稈還田能明顯降低土壤容重，提高土壤飽和導(dǎo)水率和飽和含水率，增加土壤大團(tuán)聚體含量及其穩(wěn)定性，氨化和粉碎措施結(jié)合后效果更加顯著，這與王珍等[26]和Guillou等[27]關(guān)于粉末秸稈和C/N比較低的秸稈施入土壤后能顯著改善土壤持水和入滲能力，提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究結(jié)果一致。

秸稈作為一種外源有機(jī)物料，施入土壤后能明顯提高土壤有機(jī)碳水平，而土壤有機(jī)碳被認(rèn)為是表征土壤質(zhì)量和土壤可持續(xù)性的最重要指標(biāo)，對土壤物理、化學(xué)及生物學(xué)性質(zhì)均會產(chǎn)生重要影響[28-29]。Bossuyt 等[30]和Guillou等[27]研究發(fā)現(xiàn)，C/N比較低的秸稈施入土壤后分解速率較快，能夠提高土壤微生物的活性，進(jìn)而促進(jìn)土壤碳的礦化分解。本研究中，各秸稈還田處理土壤生物肥力因子得分均高于CK處理，說明秸稈還田較不還田對照能提升土壤生物活性和土壤肥力。有趣的是，雖然SP、ALP和ASP處理土壤微生物量碳、微生物量氮、土壤酶活性以及土壤呼吸速率均高于LM和LP，但SP、ALP和ASP處理在土壤生物肥力因子的得分排名較低，這可能是與傳統(tǒng)秸稈還田相比(LM和LP處理)，粉碎和氨化處理秸稈還田后分解速率較快，土壤微生物和土壤酶活性較高，促進(jìn)了土壤中有機(jī)碳的礦化分解，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量較低造成的。由此可知，土壤有機(jī)碳對土壤生物肥力的影響較大，粉碎和氨化秸稈還田雖然可以提高土壤生物活性，但其促進(jìn)有機(jī)碳分解的問題也需要進(jìn)一步研究。此外，盡管ALP和ASP處理土壤生物肥力因子得分較低，但綜合排名為前2名，這主要與ALP和ASP處理土壤物理結(jié)構(gòu)因子得分較高，且土壤物理結(jié)構(gòu)因子對土壤質(zhì)量評價的方差貢獻(xiàn)率(50.462%)高于土壤生物肥力因子(38.121%)有關(guān)。

3.3 土壤質(zhì)量綜合評價結(jié)果與農(nóng)田生產(chǎn)力水平的一致性分析

作物產(chǎn)量是農(nóng)田生產(chǎn)力水平的綜合體現(xiàn)，不同秸稈還田方式對土壤質(zhì)量的影響必然反映到作物產(chǎn)量的變化上。本研究結(jié)果表明，連續(xù)5 a還田后各處理土壤質(zhì)量綜合評價排名和冬小麥產(chǎn)量排名均為ASP>ALP>SP>LP>LM>CK，說明秸稈還田較不還田對照能改善農(nóng)田土壤質(zhì)量，提高冬小麥產(chǎn)量，其中氨化秸稈還田效果優(yōu)于傳統(tǒng)秸稈還田。由聚類分析結(jié)果表明，氨化秸稈還田改善土壤質(zhì)量效果最佳，其次為未氨化秸稈翻壓還田處理，秸稈覆蓋處理效果較差，而秸稈不還田處理效果最差，這與因子分析評價結(jié)果基本一致。由此可知，本研究采用因子分析獲得的土壤質(zhì)量綜合評價得分(F值)不僅能量化土壤質(zhì)量等級，且能在一定程度上表征農(nóng)田生產(chǎn)力水平，其對不同秸稈還田方式下土壤質(zhì)量綜合評價的結(jié)果是合理、可靠的。

4 結(jié) 論

(1)通過對不同秸稈還田方式下的18個土壤質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行因子分析，提取出的2個主因子反映了原信息總量的88.583%。第一主因子主要有土壤體積質(zhì)量、飽和導(dǎo)水率、飽和含水量、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、團(tuán)聚體平均重量直徑、團(tuán)聚體幾何平均直徑和團(tuán)聚體分形維數(shù)等，代表了土壤物理結(jié)構(gòu)狀況；第二主因子主要有土壤不同形態(tài)碳、氮含量以及土壤酶活性，代表了土壤中的微生物活性及土壤肥力狀況。2個主因子涵蓋了土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)，使評價更具科學(xué)性。

(2)不同處理土壤質(zhì)量得分結(jié)果表明，氨化秸稈還田在土壤質(zhì)量改良方面優(yōu)于其它處理。土壤肥力指標(biāo)相關(guān)性分析表明，氨化秸稈還田主要是通過降低土壤容重、提高土壤飽和導(dǎo)水率和飽和含水量、提高水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量及其穩(wěn)定性等土壤結(jié)構(gòu)因子，進(jìn)而改善土壤質(zhì)量。

(3)聚類分析結(jié)果表明氨化秸稈還田土壤質(zhì)量最高，傳統(tǒng)秸稈翻壓還田較高，秸稈覆蓋次之，不還田對照最差，與因子分析結(jié)果一致，多年產(chǎn)量變化趨勢也與其吻合，其中ASP處理的冬小麥5 a平均產(chǎn)量最高，為7 668 kg·hm-2。

綜上，秸稈經(jīng)粉碎、氨化處理后還田在改良土壤質(zhì)量效果方面優(yōu)于傳統(tǒng)秸稈還田，粉碎并氨化秸稈較傳統(tǒng)秸稈還田方式在提高冬小麥產(chǎn)量方面具有明顯的促進(jìn)作用，是本試驗最佳的秸稈還田方式。研究結(jié)果可為干旱、半干旱地區(qū)改善秸稈還田措施、提高旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力提供指導(dǎo)。