梅 楠，谷 巖，李德忠，梁 堯，袁靜超，劉劍釗，任 軍，蔡紅光※

（1. 吉林農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，長春 130118；2. 吉林省土壤肥料總站，長春 130030；3. 吉林省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，長春 130033）

0 引 言

土壤作為地球生物圈的重要組成部分，是農(nóng)業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng)的基礎[1]。土壤質(zhì)量的概念是在人口增加并對土地過度開發(fā)導致土壤資源退化進而威脅農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的背景下提出來的[2]。土壤質(zhì)量是指土壤的綜合能力，涵蓋維持生產(chǎn)能力、保護環(huán)境質(zhì)量以及促進動植物健康3 個方面[3]，能夠敏感地反映土壤條件及土壤管理的動態(tài)變化[4]。這一概念的提出，對于全面理解土壤，合理使用和分配物資、財政等起到了關(guān)鍵作用[5]。因此，土壤質(zhì)量優(yōu)劣與農(nóng)田科學管理、區(qū)域生態(tài)安全及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)。

土壤質(zhì)量評價工作是對土壤內(nèi)在屬性的量化表達，通過土壤的物理、化學和生物特性來反映[6-8]。其分析評價方法也從定性分析[9]發(fā)展到定量分析[10]，其中，土壤質(zhì)量指數(shù)（Soil Quality Index，SQI）因其計算簡單性和定量靈活性成為最常用的方法[11-15]。雖然土壤物理、化學、生物屬性都可以反映土壤質(zhì)量，但考慮到測定成本及測試方法難易程度等因素，需根據(jù)研究目標有針對性的篩選最具代表性指標。最小數(shù)據(jù)集（Minimum Data Set，MDS）可以利用最少的指標來監(jiān)測反映由于土壤管理措施改變引起的土壤質(zhì)量變化，目前已廣泛應用于評估土地利用方式、耕作培肥方式、種植系統(tǒng)的改變對于土壤質(zhì)量的影響[16-20]?；诖?，可以通過求和[21]、相乘[22]和求均值[23]的方法計算SQI。然而，這些方法并不能比較每個指標對SQI的貢獻。綜合質(zhì)量指數(shù)法通過為MDS中的每個指標分配權(quán)重和標準化得分，為解決上述難題提供了一個新的契機[11-12]。

黑土是擁有黑色或暗黑色腐殖質(zhì)表土層的、性狀好、肥力高的優(yōu)質(zhì)土地，主要分布在中國東北溫帶濕潤、半濕潤氣候區(qū)。目前關(guān)于東北黑土區(qū)土壤的研究主要集中在兩個方面，分別是黑土在耕地化過程中土壤性質(zhì)的改變以及其保護途徑及調(diào)控機制。東北黑土區(qū)目前已進入穩(wěn)定利用時期，此時土壤肥力的退化、維持和提升，主要依賴于農(nóng)田管理措施[24-26]。輪作、秸稈還田、施入有機肥等措施在改善例如土壤孔隙度，土壤有機質(zhì)等土壤結(jié)構(gòu)及功能相關(guān)的特定指標中發(fā)揮重要作用[27-31]。上述表明，針對黑土多數(shù)研究僅從個別指標著手來探明其退化的原因及改善途徑，但因土壤的復雜屬性，土壤肥力的提升也應考慮土壤性質(zhì)的互作效應，對于黑土進行土壤質(zhì)量綜合評價顯得尤為重要。

吉林省黑土面積（1.1萬 km2）占東北黑土面積的16.18%，主要分布在中部平原糧食主產(chǎn)區(qū)，以全省64%的耕地面積生產(chǎn)出全省80%以上的糧食[32]，其土壤質(zhì)量的優(yōu)劣對于保障吉林省乃至國家糧食安全至關(guān)重要。本研究以吉林省中部典型黑土耕層土壤作為研究對象，基于土壤結(jié)構(gòu)與功能指標，構(gòu)建土壤質(zhì)量評價模型，通過建立MDS來篩選評價指標，探討評價指標體系的可行性和適用性，提出黑土保持較高土壤質(zhì)量及生產(chǎn)力的土壤參數(shù)適宜范圍。研究結(jié)果可為提高黑土生產(chǎn)力、選擇合理農(nóng)田管理措施提供理論及參數(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑土廣泛分布的吉林省中部平原地區(qū)，選擇吉林、四平、松原及長春4市的玉米連作區(qū)黑土耕層土壤（0～20 cm）為研究對象，成土母質(zhì)為黃土或黃土狀母質(zhì)。其中吉林、四平均屬于中溫帶濕潤季風氣候，松原、長春分別屬于溫帶大陸性季風氣候。年平均氣溫分別為3.9、5.0、4.5、4.8 ℃，年平均降雨量分別為700、650、423、582 mm。該區(qū)域均具有冬季、春季大風干燥，夏季高溫多雨的氣候特征。各采樣區(qū)基本情況及采樣點分布見表1、圖1。

表1 吉林省黑土耕層土壤取樣點信息Table 1 Soil sampling point information of layer of black soil in Jilin Province

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 樣品采集

2017、2018年玉米收獲后，每塊樣地30 m×30 m區(qū)域范圍內(nèi)，基于隨機性和代表性原則，采用混合采樣法在耕地表層（0～20 cm）采集土壤樣本共1 401份。采集的土壤樣品經(jīng)自然風干、過篩后用于土壤理化性質(zhì)測定。

1.2.2 土壤理化性質(zhì)及玉米產(chǎn)量測定

共測定土壤理化指標8項，其中耕層厚度采用鋼卷尺測量；土壤容重測定采用環(huán)刀法；土壤有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；酸堿度測定采用土水比1∶1電極法；全氮測定采用半微量凱氏定氮法；有效磷測定采用Olsen法；速效鉀測定采用l mol/L NH4Ac提取-火焰光度法；速效氮采用堿解擴散法測定。玉米產(chǎn)量測量采用多點采樣取平均值法。

1.3 土壤質(zhì)量評價方法

1.3.1 最小數(shù)據(jù)集的構(gòu)建

研究綜合選取表征土壤理化性質(zhì)的8個指標建立土壤質(zhì)量全數(shù)據(jù)集（Total Data Set，TDS），利用皮爾森相關(guān)分析得到重要數(shù)據(jù)集（Important Data Set，IDS），主成分分析結(jié)合Norm值構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集[14,18-19]。

Norm值為該指標在由成分組成的多維空間中矢量常模的長度，長度越長，表明該指標在所有主成分的綜合載荷越大，其解釋綜合信息的能力就越強。Norm 值計算公式如下：

式中Nik是第i個指標在特征值≥1的前k個主成分上的綜合載荷；μik是第i個指標在第k個主成分上的載荷；λk為第k個主成分的特征值。

1.3.2 土壤質(zhì)量指數(shù)建立

各數(shù)據(jù)集評價指標通過因子分析確定權(quán)重，通過評價指標得分函數(shù)去量綱化得到標準得分[2,10,22-23]。最后得到全體數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI-TDS）、重要數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI-IDS）和最小數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI-MDS）。計算公式如下：

式中SQI為土壤質(zhì)量指數(shù)（Soil Quality Index），Wi為第i項土壤指標的權(quán)重，Si為第i項土壤指標的標準得分，n為各數(shù)據(jù)集中的參評指標數(shù)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應用SPSS22.0對數(shù)據(jù)進行主成分分析及雙變量相關(guān)性分析，用Origin 2018對數(shù)據(jù)進行線性擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕層土壤屬性描述性統(tǒng)計分析

耕層土壤質(zhì)量一般通過土壤理化指標反映，耕層土壤屬性特征差異明顯（表2）。一般采用變異系數(shù)（CV）來反映指標的敏感程度，可分為4種類型：不敏感指標CV ＜10%；低敏感指標 10%≤CV＜50%；中等敏感指標50% ≤CV＜100%；強敏感指標CV≥100%[33]。本研究選取8項理化指標作為評價因子，耕層容重為不敏感指標，變異系數(shù)為6.37%。耕層厚度、pH值、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀變異系數(shù)分別為17.18%、13.54%、18.06%、25.42%、26.78%、31.94%，為低敏感指標。速效磷（54.69 mg/kg）為中敏感度指標，變異系數(shù)為64.82%。由此可以看出黑土耕層土壤化學指標的變異性普遍大于物理指標變異性。玉米產(chǎn)量為3.83～15.00 t/hm2，變異系數(shù)12.05%，接近不敏感指標，可見黑土能夠維持較穩(wěn)定的農(nóng)田生產(chǎn)力。

表2 耕層質(zhì)量評價指標隸屬度函數(shù)與參數(shù)Table 2 Membership function and parameter of evaluation indicators for cultivated land quality

由全國第二次土壤普查分級標準[34]及吉林省第二次土壤普查結(jié)果（表3）可知，土壤有機質(zhì)（均值為26.78 g/kg）及全氮（均值為1.36 g/kg）與吉林省第二次土壤普查時（23.71 g/kg、1.25 g/kg）水平相近，同屬于三級中等水平。說明對于黑土而言，豐厚的腐殖質(zhì)層很好地調(diào)節(jié)了土壤養(yǎng)分循環(huán)流動，較好地保持了土壤的養(yǎng)分供應。速效養(yǎng)分（堿解氮、速效磷、速效鉀）及pH值較吉林省第二次土壤普查結(jié)果相比，都有不同程度的提升或降低。其中堿解氮變化幅度較?。?2.17%)屬于三級中等水平。速效鉀及pH變化幅度較大（+28.30%、-15.19%），其中速效鉀屬于二級豐富水平，而pH則由中性變化為弱酸性。速效磷的變化幅度是最大的，高達+746.59%，由原來的五級很缺乏水平提升到一級很豐富水平。產(chǎn)生以上較大變化的原因，可能是磷元素通過施肥得到補充，同時它在土壤中運動較慢，經(jīng)過長期積累所致。而土壤pH從中性變?yōu)槿跛嵝钥赡苁怯捎谘芯繀^(qū)域冬春季節(jié)干旱大風導致土壤風化程度較大，同時雨熱同季使土壤富鋁化作用明顯，以及不合理的施肥措施所致。

表3 吉林省黑土耕層土壤質(zhì)量評價指標統(tǒng)計特征及第二次土壤普查結(jié)果Table 3 Statistical characteristics of soil quality evaluation index of black soil layer in Jilin Province and results of the second soil survey

2.2 耕層土壤質(zhì)量評價指標體系

2.2.1 最小數(shù)據(jù)集建立

本研究共選取耕層厚度（Soil Depth，SD）、容重（Bulk Density，BD）、pH值、全氮（Total Nitrogen，TN）、速效磷（Available Phosphorus，AP）、速效鉀（Available potassium，AK）、堿解氮（Available Nitrogen，AN）、有機質(zhì)（Soil Organic Matter，SOM）8個指標進行土壤質(zhì)量評價構(gòu)成全量數(shù)據(jù)集（Total Data Set，TDS），從以上8個指標中篩選出與產(chǎn)量顯著相關(guān)的6個指標（SD、BD、pH、AP、AK、SOM）構(gòu)成重要數(shù)據(jù)集（Important Data Set，IDS）（表4）。為排除IDS中各指標多重共線性問題，同時篩選出土壤質(zhì)量評價中的關(guān)鍵指標，最小數(shù)據(jù)集（Minimum Data Set，MDS)被建立。對IDS中的各指標進行主成分分析（表5），提取特征值>1的3個主成分（累計貢獻率為68.76%）來解釋大部分參評指標的變異性。

表4 耕層土壤評價指標皮爾森相關(guān)分析系數(shù)矩陣Table 4 Pearson correlation analysis coefficient matrix for topsoil evaluation index

表5 重要數(shù)據(jù)集中各指標主成分分析（PCA）結(jié)果及Norm值Table 5 Principal component analysis results and Norm values of each indicator in the important data set

在各主成分中，通過Norm值（最高Norm值10%范圍內(nèi)）及各指標相關(guān)系數(shù)（<0.4）來判定是否入選MDS。結(jié)合表4可知，主成分1中SOM與AP的Norm值較高，但兩者相關(guān)系數(shù)<0.4，全部被選入MDS。主成分2、3中分別只有pH及BD擁有較高Norm值可被選入MDS。因此黑土耕層土壤質(zhì)量評指標體系有SOM、AP、BD、pH值。本研究初選指標8個，MDS包含4個指標，指標篩選過濾率達到50.0%，較為顯著地簡化了評價指標體系，最大程度消除了指標間因信息重疊對評價結(jié)果造成的影響。

2.2.2 最小數(shù)據(jù)集合理性驗證

最小數(shù)據(jù)集評價指標體系合理性驗證是土壤質(zhì)量評價的重要環(huán)節(jié)[20]，最小數(shù)據(jù)集指標選擇的合理性直接影響耕層土壤質(zhì)量評價的準確性。分別對TDS與IDS中各指標進行主成分分析，得到各個指標的公因子方差確定權(quán)重（表6）。將各指標標準化后代入SQI函數(shù)計算不同數(shù)據(jù)集形成的SQI。其中全量數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI-TDS）介于0.28～0.71，平均值為0.53，重要數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI-IDS）介于0.27～0.81，平均值為0.59，最小數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI-MDS）介于0.22～0.75，平均值為0.53。從線性回歸分析結(jié)果（圖2）可知，MDS與IDS計算出的SQI與SQI-TDS均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.001），且SQI-MDS決定系數(shù)大于SQI-IDS決定系數(shù)（0.771>0.716）。說明建立的黑土耕層土壤質(zhì)量評價體系能夠較好地反映全量數(shù)據(jù)集中對于耕層土壤質(zhì)量評價的信息，并且具有較好的代表性。

表6 耕層土壤質(zhì)量評價指標公因子方差及權(quán)重Table 6 Common factor variance and weight of topsoil quality evaluation index

2.3 黑土耕層土壤質(zhì)量評價

土壤質(zhì)量指數(shù)是通過集成去量綱化的評價指標所得到的，其數(shù)值大小反映土壤綜合特性。本文采用MDS指標體系對吉林省中部黑土耕層土壤質(zhì)量進行評價。從縣域尺度來看，整體呈現(xiàn)東部高西部低的趨勢（圖3）。進一步將SQI結(jié)合產(chǎn)量來看，土壤質(zhì)量指數(shù)的變化具有隨產(chǎn)量的增加先增加后下降的趨勢（圖4）。說明土壤質(zhì)量的提升在一定范圍內(nèi)可以促進產(chǎn)量的提升，但當產(chǎn)量更大幅度提升時，則可能通過掠奪式的生產(chǎn)方式進而破壞土壤質(zhì)量而得到的。

根據(jù)耕層土壤質(zhì)量與作物生產(chǎn)力、隸屬函數(shù)的對應關(guān)系，結(jié)合SQI-MDS與產(chǎn)量擬合曲線，黑土耕層土壤質(zhì)量指數(shù)處于0.69～0.76區(qū)間時，能維持較好的土壤質(zhì)量及較高的產(chǎn)量，耕層處于相對合理的狀態(tài)。評價指標的隸屬函數(shù)表示該指標與土壤質(zhì)量指數(shù)之間的近似一元函數(shù)關(guān)系，因此當SQI-MDS處于0.69～0.76區(qū)間時，隸屬函數(shù)值f(x)也應處于0.69～0.76之間，從而可根據(jù)隸屬函數(shù)反推計算對應評價指標的適宜范圍值（表7）。從表中可以看出，黑土耕層土壤質(zhì)量評價指標體系適宜范圍分別是容重為1.23～1.43 g/cm3，pH值為4.84～6.96，有機質(zhì)為33.14～35.81 g/kg，速效磷為122.46～136.06 mg/kg。上述耕層土壤參數(shù)適宜范圍可為提升黑土玉米種植區(qū)耕層土壤質(zhì)量提供依據(jù)，即可以通過改變調(diào)控措施使核心指標處于適宜范圍，從而改善耕層土壤質(zhì)量，更大程度地發(fā)揮黑土生產(chǎn)水平。

表7 MDS土壤評價指標體系適宜范圍Table 7 Appropriate range of MDS soil evaluation index system

3 討 論

3.1 土壤質(zhì)量評價方法

在由土壤、作物、氣候組成的生物小循環(huán)中，土壤肥力、環(huán)境和生產(chǎn)力的可持續(xù)性與土壤質(zhì)量的高低息息相關(guān)[13]。國內(nèi)外學者針對土壤質(zhì)量定量評價提出了許多方法，例如內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法[35]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[36]、TOPSIS[37]、土壤質(zhì)量指數(shù)法[8,10,38]，其中土壤質(zhì)量指數(shù)法的最大優(yōu)勢是能夠充分考慮評價指標實測值、權(quán)重及指標間相互作用對評價結(jié)果的共同影響。同時，在篩選評價指標時，最小數(shù)據(jù)集（Minimum data set，MDS)因簡單易行、經(jīng)濟適用和可操作性強等原因通常與土壤質(zhì)量指數(shù)法相結(jié)合，并被廣泛應用[3,5,7,10,17,18]。綜合相關(guān)研究結(jié)果，結(jié)合黑土特性及數(shù)據(jù)可獲得性，本研究分別選擇排在使用頻率前6位的化學指標（SOM、AP、AK、AN、pH、TN）和排在第1位和第5位的兩個物理指標（BD、SD）作為MDS指標篩選的TDS（初始指標）[14,19]。利用PCA結(jié)合NORM值的方法盡可能避免評價指標所包含的土壤質(zhì)量信息被忽略，用較少的指標表達大部分信息量，從而篩選出MDS[20,39]。MDS中土壤有機質(zhì)被篩選頻率最高（88%），土壤容重、速效磷被篩選頻率分別為52%和50%，與大多數(shù)前人研究結(jié)果一致，表明本研究所選擇的TDS與篩選出來的MDS均有很好的代表性[24,37,39]。SQI-MDS與SQI-TDS的顯著相關(guān)關(guān)系進一步說明MDS能夠較好替代TDS指標對黑土耕層土壤質(zhì)量進行正確評價（圖2）。根據(jù)MDS篩選出的4個評價指標，結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際情況，耕層容重、土壤有機質(zhì)和速效磷通過耕作和施肥措施易于改善[39]，而土壤pH一般通過常規(guī)的耕作和培肥措施是難以改善的，所以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，要注意酸性肥料的施用。

3.2 吉林省黑土耕層土壤質(zhì)量

通過計算SQI-MDS得到吉林省黑土耕層土壤質(zhì)量指數(shù)各樣點變化范圍為0.22～0.75，均值為0.54，除長春市外，整體呈現(xiàn)出自東向西逐漸遞減趨勢（圖3）?；痉显u價指標有機質(zhì)和速效磷東高西低、東南高西北低的空間分布特征[40]。其中長春市SQI較低可能由于采樣點距工業(yè)廠區(qū)較近，土壤受到不同程度污染所致[41]。土壤生產(chǎn)力的提升與可持續(xù)是研究土壤質(zhì)量的重要目標之一，縣域尺度上土壤質(zhì)量指數(shù)與產(chǎn)量的擬合關(guān)系也進一步證明了MDS評價土壤質(zhì)量的科學性（圖4）。與大多數(shù)研究結(jié)果一致，黑土玉米田耕層土壤質(zhì)量指數(shù)與產(chǎn)量存在顯著的相關(guān)關(guān)系[13,17,20,39]。不同的是，大部分研究結(jié)果表明土壤質(zhì)量指數(shù)與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而本研究則表明土壤質(zhì)量指數(shù)隨產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。說明產(chǎn)量的提升在一定程度上可以通過提升土壤質(zhì)量來實現(xiàn)，但對于產(chǎn)量的過分追求，采取不適當?shù)霓r(nóng)田管理措施則可能會對土壤質(zhì)量帶來負面影響。根據(jù)耕層土壤質(zhì)量與作物生產(chǎn)力、隸屬函數(shù)的對應關(guān)系，結(jié)合SQI-MDS與產(chǎn)量擬合曲線，能夠得出較高土壤質(zhì)量指數(shù)及較高產(chǎn)量時MDS指標的適宜范圍，BD為1.23-1.43 g/cm3，pH為4.74～6.96，SOM為33.14～35.81 g/kg，AP為122.46～136.06 mg/kg（表6）。對于MDS各指標，其中BD，pH及SOM在相關(guān)研究中基本達成普遍共識，而AP作為核心評價指標為提升黑土生產(chǎn)力提供了新的思考方向[14,33,38,39,42]。

4 結(jié) 論

1）吉林省黑土玉米種植區(qū)耕層土壤養(yǎng)分屬于中等偏上水平，土壤有機質(zhì)（26.78 g/kg）、全氮（1.36 g/kg）、堿解氮（119.74 mg/kg）處于三級中等水平，速效鉀（168.96 mg/kg）處于二級豐富水平，速效磷（54.69 mg/kg）處于一級豐富水平，土壤酸化現(xiàn)象明顯（pH均值為5.76），土壤化學指標變異系數(shù)大于物理指標。

2）本研究所選擇的8項黑土玉米田耕層土壤質(zhì)量評價指標特征差異明顯，覆蓋土壤質(zhì)量評價指標中使用頻率排名前6位的指標，全量數(shù)據(jù)集（TDS）具有較好代表性。利用最小數(shù)據(jù)集（MDS）評價方法，從8項指標中篩選出耕層容重、有機質(zhì)、速效磷、pH值4個指標，構(gòu)成黑土玉米田耕層土壤質(zhì)量評價指標體系。通過不同數(shù)據(jù)集計算的土壤質(zhì)量指數(shù)（SQI）之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，且SQI-TDS均值與SQI-MDS均值相等，說明篩選出的MDS能夠很好的替代TDS對黑土玉米田耕層土壤質(zhì)量進行評價。

3）黑土玉米種植區(qū)耕層土壤質(zhì)量指數(shù)分布在0.22～0.75之間，均值為0.53，呈現(xiàn)東高西低的趨勢。縣域尺度上，土壤質(zhì)量指數(shù)隨產(chǎn)量先增加后降低趨勢。說明在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中，對于高產(chǎn)的追求一定要配合適當?shù)霓r(nóng)田管理措施，通過提高土壤質(zhì)量來達成，不應以犧牲土壤質(zhì)量作為代價。

4）黑土玉米種植區(qū)保持較高土壤質(zhì)量指數(shù)及產(chǎn)量的最小數(shù)據(jù)集各指標適宜范圍分別為：容重為1.23～1.43 g/cm3，pH值為4.74～6.96，有機質(zhì)為33.14～35.81 g/kg，速效磷為122.46～136.06 mg/kg。目前，研究區(qū)域土壤容重、pH處于適宜范圍，有機質(zhì)與速效磷含量的提升還應通過秸稈還田、合理施用有機肥及磷肥等培肥措施來實現(xiàn)。