包耀賢，肖晶晶，孫艷芳，劉曉威

(北京北華中清環(huán)境工程技術(shù)有限公司，北京 100176)

土壤質(zhì)量包括土壤物理質(zhì)量、化學(xué)質(zhì)量和生物質(zhì)量[1～2]，物理性質(zhì)影響土壤的蓄水、保肥及養(yǎng)分的吸收和利用，物理質(zhì)量深刻影響著化學(xué)質(zhì)量和生物質(zhì)量[1～4]；化學(xué)性質(zhì)供給、維系和影響植物所需及產(chǎn)出，是土壤質(zhì)量的核心和基礎(chǔ)[1,3～4]；微生物是酶的最基本來(lái)源，微生物和酶共同降解和轉(zhuǎn)化土壤各類物質(zhì)且可敏感反映土壤質(zhì)量微小變化[5～8]，生物指標(biāo)參評(píng)土壤質(zhì)量呈逐年遞增趨勢(shì)[4]。土壤質(zhì)量雖不能直接測(cè)定，但可運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)、模糊數(shù)學(xué)原理和指數(shù)法模型將土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)等多評(píng)價(jià)指標(biāo)集成土壤質(zhì)量綜合指標(biāo)(如土壤質(zhì)量指數(shù))，以客觀、全面地定量評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量[1,9～11]。歐美國(guó)家較早開(kāi)展土壤質(zhì)量研究[1]，Lanson等提出土壤肥力評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集，Doran等提出滿足大多數(shù)農(nóng)業(yè)條件下土壤質(zhì)量狀況的基本土壤性質(zhì)集[11]；我國(guó)2000年開(kāi)始針對(duì)水稻土、紅壤、潮土和黑土4個(gè)土類研究土壤質(zhì)量，近年來(lái)針對(duì)黃土高原從大量土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)中篩選少數(shù)指標(biāo)用于評(píng)價(jià)農(nóng)田、林地、礦區(qū)復(fù)墾地土壤質(zhì)量[10,12～14]，對(duì)紅壤區(qū)則多側(cè)重于農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果、方法及影響因素分析[15]。評(píng)價(jià)方法采用較多的是相關(guān)系數(shù)法、回歸分析法、主成分分析法、因子分析法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、層次分析法、系統(tǒng)聚類分析法等[2,4,10,12,16]。國(guó)內(nèi)外學(xué)長(zhǎng)多采用線性評(píng)分模型、非線性評(píng)分模型[14]，而土壤質(zhì)量指數(shù)法模型因其靈活性高和易于實(shí)施而在土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)中得以廣泛應(yīng)用[4,17]。總之，目前土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系(指標(biāo)篩選、評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)模型)仍無(wú)明確標(biāo)準(zhǔn)。

烏蘭布和綠洲區(qū)因黃河灌溉便利，經(jīng)過(guò)近40 a的建設(shè)，已形成喬灌農(nóng)結(jié)合、灌溉配套、防護(hù)林網(wǎng)密集的人工綠洲逾5 333 hm2，綠洲內(nèi)開(kāi)墾耕地逾533 hm2，成為沙漠綜合治理人工綠洲示范地和內(nèi)蒙古經(jīng)濟(jì)作物重要產(chǎn)區(qū)，在中國(guó)擴(kuò)大耕地面積潛力極其有限和向耕地求高產(chǎn)的時(shí)下，揭示人類活動(dòng)對(duì)生境本來(lái)脆弱、敏感的綠洲區(qū)歷經(jīng)近40 a開(kāi)墾農(nóng)田土壤質(zhì)量狀況和演化趨勢(shì)的影響具有重要意義，相關(guān)研究也鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，筆者研究基于綠洲內(nèi)開(kāi)墾13～38 a不同利用方式農(nóng)田的土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)區(qū)域土壤質(zhì)量和演化趨勢(shì)，以期為該區(qū)域農(nóng)田改土培肥、土地管理和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于磴口縣內(nèi)烏蘭布和沙漠東北緣中國(guó)林科院沙林中心第二、三實(shí)驗(yàn)場(chǎng)(106°09′～107°10′E，40°09′～40°55′N)綠洲區(qū)。年均溫7.8 ℃，季節(jié)溫差大(-29.6～39 ℃)，≥10 ℃有效積溫3 290 ℃；干旱少雨，年均降水140.3 mm，蒸發(fā)量2 381 mm；日照充足，年日照時(shí)數(shù)>3 000 h；盛行西南風(fēng)，年均風(fēng)速4.1 m/s，風(fēng)沙災(zāi)害是主要自然災(zāi)害；土壤類型以風(fēng)沙土和黃河灌淤土為主，開(kāi)墾前表層土壤質(zhì)地砂粒77.7%、粉粒占17.6%、粘粒占4.7%，有機(jī)質(zhì)含量2.0 g/kg，土壤剖面表現(xiàn)為上砂下粘(蒙金土)。因黃河灌溉，歷經(jīng)近40 a已在原固定、半固定沙丘形成人工綠洲逾5 333 hm2，綠洲內(nèi)開(kāi)墾耕地533 hm2，主要種植玉米(ZeamaysL.)、籽瓜(Citrulluslanatus(Thunb.)Matsum.etNakai)、油葵(HelianthusannuusL.)、花葵(LavateraarboreaL.)、番茄(LycopersiconesculentumM.)和苜蓿(MedicagosativaL.)等。

農(nóng)田多年肥料類型和平均施肥量(kg/hm2)：油葵與花葵(二銨300+尿素563+碳銨1125)，番茄(二銨375+尿素563+碳銨1125)，籽瓜(二銨375+尿素563+碳銨1500)，玉米(二銨375+尿素750+碳銨2250)；底肥為二銨和尿素，追肥為尿素和碳銨，苜蓿地不施肥。

1.2 采樣、測(cè)試和統(tǒng)計(jì)方法

2018年11月，選取圖1所示區(qū)域內(nèi)第二和第三實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所轄周邊(耕地明顯可見(jiàn))所有開(kāi)墾年限(13～38 a)的籽瓜、玉米、油葵、花葵、番茄和苜蓿6類典型農(nóng)地進(jìn)行采樣，每個(gè)采樣點(diǎn)按“X”型多點(diǎn)混合采集0～20 cm土樣，每?jī)牲c(diǎn)混為一個(gè)土樣，就近取綠洲區(qū)土質(zhì)相近的油蒿荒地2個(gè)混合樣作對(duì)照，共采混合土樣100個(gè)(農(nóng)地98+對(duì)照2)，土樣經(jīng)處理按常規(guī)法測(cè)定如下24個(gè)指標(biāo)[18～20]：

圖1 第二和第三實(shí)驗(yàn)場(chǎng)區(qū)位和采樣點(diǎn)區(qū)域

物理指標(biāo)8個(gè)：機(jī)械組成(<0.005 mm粘粒、0.005～0.05 mm粉粒、0.05～1 mm砂粒)和微團(tuán)聚體(<0.005 mm微團(tuán)聚體、0.005～0.05 mm微團(tuán)聚體、0.05～1 mm微團(tuán)聚體)—激光粒度儀(Master Sizer 2000E)分析法；土壤水分—烘干法；土壤容重—環(huán)刀稱重法(可計(jì)算：總孔隙度%=[1-容重/2.65]×100%)。

化學(xué)指標(biāo)12個(gè)：有機(jī)質(zhì)—重鉻酸鉀容量法；陽(yáng)離子交換量(CEC)-NH4Cl-NH4Ac交換法；全氮-半微量開(kāi)氏蒸餾法；速效氮-堿解擴(kuò)散法；全磷-HClO4-H2SO4氧化鉬銻抗比色法；速效磷-0.5 mol/L NaHCO3浸提鉬銻抗比色法；有效性鉀-2 mol/L冷HNO3浸提火焰光度法；速效鉀-1 mol/LNH4Ac浸提火焰光度法；緩效鉀-1 mol/L HNO3消煮浸提火焰光度法(酸溶性鉀與速效鉀差值)；全鉀-NaOH熔融火焰光度法；pH值(2.5∶1)-酸度計(jì)電位法；CaCO3-NaOH中和滴定法。

生物指標(biāo)10個(gè)：細(xì)菌-牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基稀釋平板法；放線菌-高氏1號(hào)培養(yǎng)基稀釋平板法；真菌-馬鈴薯PDA培養(yǎng)基稀釋平板法；過(guò)氧化氫酶-KMnO4滴定法(24 h 0.1 mol/L KMnO4mL/g)；蛋白酶-茚三酮比色法(24 h NH2-N mg/g)；脲酶-靛酚比色法(24 h NH3-N mg/g)；堿性磷酸酶-磷酸苯二鈉比色法(2 h P2O5mg/g)；蔗糖酶-Na2S2O3滴定法(24 h 0.1mol/L Na2S2O3mL/g)；多酚氧化酶-碘量滴定法(0.01 mol/L I2 mL/g)；纖維素酶-硝基水楊酸比色法(72 h葡萄糖mg/10 g)。

用Excel和統(tǒng)計(jì)軟件DPS7.55進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算、制圖、因子分析、最小顯著差別(LSD)多重比較。

1.3 隸屬度計(jì)算

具有模糊性和連續(xù)性的隸屬函數(shù)被廣泛用于各評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，即隸屬度計(jì)算，由此將量綱不同、取值各異的實(shí)測(cè)值轉(zhuǎn)化為0～1無(wú)量綱值，計(jì)算借鑒并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際[1,11～12,21]：

研究區(qū)0.01 mm物理性粘粒和<0.01 mm微團(tuán)聚體含量分別在50%和30%以下，此范圍內(nèi)二者含量增多均趨利，采用升型隸屬函數(shù)R(X)；pH值>8.5、CaCO3含量高于120 mg/kg，此范圍內(nèi)二者含量增多均趨害，采用降型隸屬函數(shù)F(X)；其他20個(gè)指標(biāo)均屬S型簡(jiǎn)化隸屬函數(shù)S(X)。

R(X)=0.9×(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)+0.1

F(X)=0.9×(Xmax-X)/(Xmax-Xmin)+0.1

S(X)=X/X0(X

上述函數(shù)中：X、Xmin、Xmax、X0分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值、最小值、最大值、上臨界值(并非指標(biāo)實(shí)測(cè)最大值)，上臨界值見(jiàn)表1。根據(jù)實(shí)測(cè)值和上述條件計(jì)算出所有24個(gè)指標(biāo)的隸屬度值(過(guò)程略)。

2 結(jié)果與分析

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)性分析

土壤屬性之間較好的相關(guān)性是篩選土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)。從表1相關(guān)性可看出：有機(jī)質(zhì)、速效氮、有效鉀、速效鉀、pH、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶、堿性磷酸酶、物理性粘粒、<0.1 mm微團(tuán)聚體含量與其他指標(biāo)之間表現(xiàn)出相對(duì)較好的相關(guān)性。進(jìn)一步分析和統(tǒng)計(jì)表明：299對(duì)相關(guān)關(guān)系中有217對(duì)達(dá)到顯著相關(guān)水平(絕大多數(shù)正相關(guān))，占比72.5%，201對(duì)達(dá)到極顯著相關(guān)水平(絕大多數(shù)正相關(guān))，占67.2%?？梢?jiàn)，土壤因子可以基于相關(guān)性提取主成分以篩選影響土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選和權(quán)重確定

基于土壤指標(biāo)間較好的相關(guān)性、相對(duì)獨(dú)立性和土壤指標(biāo)實(shí)測(cè)值可以利用因子分析法提取主成分進(jìn)而篩選(保留重要指標(biāo)和剔除重復(fù)指標(biāo))土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。就8個(gè)所測(cè)物理指標(biāo)而言，基于土壤水分為瞬時(shí)值和研究區(qū)同質(zhì)小區(qū)域土壤容重變異很小的特點(diǎn)而不建議選取，總孔隙度可通過(guò)容重計(jì)算所得也不宜選取。機(jī)械組成中的粘粒(<0.005 mm)、粉粒(0.005～0.05 mm)、砂粒(0.05～1 mm)與微團(tuán)聚體中的<0.005 mm微團(tuán)聚體、0.005～0.05 mm微團(tuán)聚體、0.05～1 mm微團(tuán)聚體等6個(gè)指標(biāo)間及其與其他22個(gè)指標(biāo)(化學(xué)12+生物10)間的相關(guān)性遠(yuǎn)不如最終選取的兩個(gè)機(jī)械組成指標(biāo)<0.01 mm物理性粘粒和微團(tuán)聚體指標(biāo)<0.01 mm微團(tuán)聚體。鑒于此，利用DPS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)表2中24個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析，主因子特征值在一定程度上可解釋各因子對(duì)土壤質(zhì)量的影響大小。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)各主因子累計(jì)方差貢獻(xiàn)率≥85%即可充分反映系統(tǒng)變異信息的原理和因子載荷值較大(本研究選擇≥0.7，表2下劃線數(shù)值)的原則，因子分析結(jié)果被提取出表1中能較好解釋其物理意義的11個(gè)主因子，同時(shí)篩選出17個(gè)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)(表2中X1～X17)。

表1 24個(gè)參評(píng)指標(biāo)相關(guān)性矩陣(n=100)

表2 主成分因子載荷、貢獻(xiàn)率、權(quán)重和上臨界值

權(quán)重是各因子的重要程度[2,12,16,21～22]，上述因子分析運(yùn)行結(jié)果得出24個(gè)初始評(píng)價(jià)指標(biāo)的公因子方差(共同度)，通過(guò)計(jì)算各指標(biāo)公因子方差占24個(gè)公因子方差總和之比作為各單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值(0-1)，權(quán)重和為1；對(duì)篩選的17個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)再次按因子分析運(yùn)行同樣得到17個(gè)篩選指標(biāo)之權(quán)重。

2.3 土壤質(zhì)量指數(shù)計(jì)算、可靠性檢驗(yàn)和差異性分析

衡量區(qū)域整體土壤質(zhì)量并非單一指標(biāo)所能體現(xiàn)，而應(yīng)通過(guò)多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合呈現(xiàn)。為此，選擇常用的加權(quán)法和指數(shù)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行土壤質(zhì)量指數(shù)(Soil Quality Index-SQI)計(jì)算[1～2,4,10,21～22]，用于綜合定量評(píng)價(jià)研究區(qū)土壤質(zhì)量，SQI值越高土壤質(zhì)量越好。確定隸屬度和權(quán)重是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)關(guān)鍵。SQI公式：

根據(jù)評(píng)價(jià)模型、隸屬度和權(quán)重按如下兩式分別計(jì)算24個(gè)初始指標(biāo)和17個(gè)篩選指標(biāo)的SQI值，因隸屬度和權(quán)重均為0～1數(shù)值，故計(jì)算SQI值在0～1范圍內(nèi)。

SBQI24= C1×K1+ C2×K2+ C3×K3+ … + C24×K24

SBQI17= C1×K1+ C2×K2+ C3×K3+ … + C17×K17

從三方面檢驗(yàn)用篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)表達(dá)綜合土壤質(zhì)量的可靠性：從表2的24個(gè)初始指標(biāo)中篩出17個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)能解釋綜合土壤質(zhì)量85.2%的變異量，代表性高，其他影響因素僅占14.8%；圖2中24個(gè)初始指標(biāo)SQI24和17個(gè)篩選指標(biāo)SQI17間呈極顯著線性正相關(guān)，決定系數(shù)很高(R2=0.96，R2≤1)，完全體現(xiàn)用17個(gè)篩選指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)和表達(dá)土壤質(zhì)量具有高度代表性、可靠性和檢驗(yàn)性[2]；圖3中SQI24和SQI17的累積頻率曲線基本重合再次佐證了用17個(gè)篩選指標(biāo)計(jì)算SQI表達(dá)土壤質(zhì)量的合理性和高度代表性。

圖2 SQI24和SQI17相關(guān)性

變異系數(shù)反映土壤質(zhì)量受外界影響的敏感性和差異性，統(tǒng)計(jì)和計(jì)算可知，SQI值在0.20～0.62之間，變異系數(shù)為21.9%，圖3也可直觀體現(xiàn)整體差異性，說(shuō)明土地利用方式、生境條件復(fù)雜影響表1中24個(gè)土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)而使其變異系數(shù)差異大(2%～153%)，繼而綜合影響SQI存在較大差異。從圖2中頻率累積曲線和計(jì)算可知，SQI<0.5(中間值)的樣點(diǎn)數(shù)量高達(dá)83%，SQI均值為0.41，整體較低，這與研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、酶活性等本底含量低以及土壤質(zhì)量改善過(guò)程緩慢有關(guān)。

圖3 SQI24和SQI17頻率分布

2.4 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

從圖4統(tǒng)計(jì)均值可知：當(dāng)前不同利于方式農(nóng)地SQI存在a、b、c三級(jí)顯著性差異，SQI均值番茄地最高0.50，花葵地最低0.35，各農(nóng)田SQI均顯著高出對(duì)照1.5～2.2倍，但整體較低。說(shuō)明農(nóng)耕活動(dòng)不同程度正向改善區(qū)域土壤質(zhì)量，但仍需提質(zhì)改善，也揭示出研究區(qū)綜合土壤質(zhì)量影響因子的差異性和復(fù)雜性。貧瘠土壤施化肥能大大改善作物生長(zhǎng)狀況，增加有機(jī)質(zhì)含量有助于改善土壤質(zhì)量[23]，但施肥差異性和土壤熟化程度影響土壤質(zhì)量。

圖4 積壓地類SQIs分布

油葵和花葵地施肥量最少，SQI最低；玉米施肥量最大，但SQI接近油葵、花葵，可能與玉米植株高大耗養(yǎng)多有關(guān)；番茄和籽瓜施肥量?jī)H次于玉米，SQI稍高于玉米，這與二者低矮低耗養(yǎng)有關(guān)；苜蓿地多年不施肥SQI卻較高，這與豆科苜蓿的根瘤菌固氮效應(yīng)以及根瘤菌可改變土壤微生物數(shù)量和活性進(jìn)而提高土壤質(zhì)量有關(guān)[24～25]。

土壤質(zhì)量是一個(gè)綜合指標(biāo)，無(wú)法用簡(jiǎn)單幾個(gè)指標(biāo)充分表達(dá)。從初始24個(gè)指標(biāo)中篩選出具有高度代表性的17個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合表達(dá)區(qū)域土壤質(zhì)量具有一定的生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。為此，利用DPS軟件進(jìn)行逐步回歸分析建立相關(guān)擬合方程，把表2所篩選17個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(X1-X17)實(shí)測(cè)值代入下列方程即可求出地塊綜合SQI值，并判斷其等級(jí)高低以直觀指導(dǎo)生產(chǎn)，也可探索軟件平臺(tái)建設(shè)便于生產(chǎn)實(shí)操指導(dǎo)和借推。

SQI=0.6991+0.0037X1+0.0011X2+0.0031X3+0.0021X4+0.0001X5+0.0003X6-0.0694X7+0.0015X8+0.0015X9+0.0046X10+0.01193X11+0.0019X12+0.1463X13+0.0598X14+0.1189X15+0.0012X16+0.0033X17

F=449.16，Df=(17,82)，Ra=0.994**(調(diào)整相關(guān)系數(shù))

2.5 土壤質(zhì)量演化

近40 a來(lái)綠洲體系內(nèi)不斷開(kāi)墾耕地，由于開(kāi)墾耕種年限不同及耕種者施肥量、灌溉、輪作等經(jīng)營(yíng)管理情況的差異性使得不同開(kāi)墾年限的土壤熟化程度有別，從而導(dǎo)致土壤質(zhì)量隨開(kāi)墾利用年限變化不盡一致。為此，以研究區(qū)開(kāi)墾年限相同農(nóng)地為SQI均值單元，分別計(jì)算現(xiàn)有13～38 a的農(nóng)地SQI均值以分析人為經(jīng)營(yíng)管理過(guò)程中SQI隨時(shí)間演化趨勢(shì)更趨合理，也便于定向和定性培育土壤質(zhì)量以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。從圖5明顯看出：①SQI隨農(nóng)田利用年限呈先增后降緩變的極顯著(R2=0.744)二次曲線演變模型，即研究區(qū)土壤質(zhì)量在耕種年限內(nèi)整體經(jīng)歷從“低(不利)→較高(有利)→較低(不利)”的演變過(guò)程，分水嶺年限約為第30年，也就說(shuō)綠洲體系內(nèi)耕地在現(xiàn)有經(jīng)營(yíng)模式下從開(kāi)始耕種至30 a后土壤質(zhì)量就開(kāi)始緩慢持續(xù)退化；②綠洲農(nóng)田綜合土壤質(zhì)量整體較低(SQI<0.5)，但經(jīng)過(guò)38 a經(jīng)營(yíng)后SQI仍略高于耕種13 a的農(nóng)田，說(shuō)明綠洲體系形成后的農(nóng)作經(jīng)營(yíng)穩(wěn)步提升了土壤質(zhì)量，但開(kāi)始趨降，必須采取如多施有機(jī)肥、平衡施肥、節(jié)水灌溉、合理輪作等科學(xué)經(jīng)營(yíng)提質(zhì)措施，至少確保農(nóng)田現(xiàn)有SQI等級(jí)維持。

圖5 SQIs隨時(shí)間演化趨勢(shì)

3 討論

適當(dāng)減少土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)總數(shù)可省時(shí)、節(jié)資，提高工作效率。因子分析法是篩選土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)和確定權(quán)重的有效方法[1～2,10,12,16]，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方差貢獻(xiàn)率≥85%和方差極大正交旋轉(zhuǎn)原理，不僅避免信息重疊和人為主觀確定權(quán)重的弊端，而且對(duì)因子變量的物理可解釋性強(qiáng)。雖然17個(gè)被篩選指標(biāo)在生產(chǎn)實(shí)踐中依然顯多，但土壤質(zhì)量是土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)特性的綜合反映，少量指標(biāo)難以準(zhǔn)確表征土壤質(zhì)量總況和優(yōu)劣。17個(gè)指標(biāo)中，速效氮、有效性鉀和速效鉀是植物生長(zhǎng)重要的氮鉀有效養(yǎng)分因子；蔗糖酶(微生物能源)、脲酶(水解尿素供N)和堿性磷酸酶(有機(jī)P轉(zhuǎn)化)是關(guān)鍵酶因子；有機(jī)質(zhì)、CEC和微團(tuán)聚體均起著貯存和釋放養(yǎng)分的作用[10]，同時(shí)體現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[26]；pH值顯著影響微生物數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)[6]；物理性粘粒影響土壤水分與養(yǎng)分的吸儲(chǔ)和供應(yīng)[10]；三大微生物(變異系數(shù)92%～153%)均敏感反映土壤質(zhì)量變化，但占絕對(duì)數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)的細(xì)菌未被選中，可能與細(xì)菌產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)抑制放線菌和真菌的數(shù)量和結(jié)構(gòu)有關(guān)[27]，也可能與微生物對(duì)施肥的響應(yīng)有的敏感、有的不敏感有關(guān)[28]，因子載荷顯示真菌為正效應(yīng)，放線菌為負(fù)效應(yīng)；速效磷、全鉀、蛋白酶和纖維素酶也被提取成為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

影響土壤物理、化學(xué)和生物指標(biāo)的因素必將集中體現(xiàn)于SQI值，研究區(qū)100個(gè)樣點(diǎn)SQI值21.9%的差異率說(shuō)明影響因子的復(fù)雜性。水熱條件、溫差大小、pH值、黃灌外源性養(yǎng)分?jǐn)y入、施肥、耕作活動(dòng)、植物類型、土壤熟化程度、碳氮比等很大程度上影響參與各種土壤生化反應(yīng)微生物的數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)以及酶活性，繼而影響有機(jī)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化率和土壤物理性質(zhì)，最終綜合影響土壤質(zhì)量[6,23～24,28～30]。

農(nóng)田土壤質(zhì)量顯著高于對(duì)照得益于常年施化肥。龔偉、潘世娟等[23,31]研究表明，化肥通過(guò)增加作物殘留量間接提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，長(zhǎng)期施用化肥能促進(jìn)作物生長(zhǎng)，增加有機(jī)物歸還量，繼而提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，特別是低肥力情況下[31]，而有機(jī)質(zhì)作為微生物碳源、酶促反應(yīng)、土壤肥力和改土之核心促進(jìn)土壤質(zhì)量改善；洛桑Hoosfield經(jīng)典試驗(yàn)也證實(shí)不施肥100 a后土壤有機(jī)質(zhì)含量仍高于空白處理就是因?yàn)樽魑餁埩魯y入有機(jī)質(zhì)[30]。豆科苜蓿地雖多年不施肥，但因其固氮效應(yīng)和不翻耕擾動(dòng)而表現(xiàn)出相對(duì)較高的SQI值，一方面，固氮根瘤菌的增加能為微生物提供豐富的營(yíng)養(yǎng)源，促進(jìn)微生物活性增強(qiáng)、數(shù)量增多，養(yǎng)分轉(zhuǎn)化效率提高[24]；另一方面，可能與研究區(qū)整體鉀素富足有關(guān)[32]，王月福等[25]研究認(rèn)為固氮植物在富鉀情況下根瘤菌固氮能力提高42.5%～48.3%，說(shuō)明富鉀區(qū)種植豆科植物更有利于提高土壤質(zhì)量。

研究區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量整體處于中等或較低水平(均值SQI≤0.5)，與其農(nóng)田形成于有機(jī)質(zhì)、NPK等本底養(yǎng)分含量很低的固定、半固定沙丘有關(guān)[32]。SQI表現(xiàn)出先升后降的緩變演化趨勢(shì)，開(kāi)種之初，土壤熟化程度差，施肥間接增加了作物有機(jī)殘留物[31]，隨時(shí)間延續(xù)，作物殘留物逐年增多，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，微生物活性增強(qiáng)，土壤不斷熟化[23,31]，且黃灌和光照充足的明顯干濕交替條件更有利于土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和釋放[33]，從而使SQI得以整體緩慢提升，但施肥、枯枝落葉每年給土壤有機(jī)質(zhì)含量的貢獻(xiàn)越來(lái)越少，即有機(jī)質(zhì)年增量逐年降低[31]，使得SQI整體在耕種30 a后達(dá)到平衡臨界點(diǎn)后開(kāi)始緩降，這可能與偏施NP肥、黃河大漫灌、風(fēng)沙災(zāi)害大、有機(jī)外源輸入少、土壤結(jié)構(gòu)變差等因素有關(guān)，因?yàn)殚L(zhǎng)期偏施肥阻礙微生物活性、加速其他養(yǎng)分耗竭、破壞土壤結(jié)構(gòu)[34]，改變了水、氣、熱環(huán)境。

綜上，在綠洲農(nóng)田經(jīng)營(yíng)過(guò)程中，建議均衡施肥，即以有機(jī)肥或有機(jī)肥+NP為主，少量補(bǔ)施K，以延緩或防止衰退或有益補(bǔ)給，否則只能竭澤而漁而使土壤質(zhì)量逐年下降。有機(jī)肥直補(bǔ)土壤有機(jī)質(zhì)，常施促進(jìn)和維持土壤質(zhì)量穩(wěn)定性；研究區(qū)鉀素較富足，但部分農(nóng)田已虧鉀[32]；另外，條件允許時(shí)輪作休耕幾年豆科牧草，更利于土壤質(zhì)量休養(yǎng)生息和進(jìn)一步改善。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)因子分析法篩選出包括物理、化學(xué)和生物學(xué)三方面17個(gè)指標(biāo)綜合反映和評(píng)價(jià)烏蘭布和綠洲區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量，評(píng)價(jià)結(jié)果反映85%的變異量和影響程度且具有高度代表性。

(2)烏蘭布和綠洲體系形成近40 a來(lái)，各地類SQI(≤1)在0.20～0.62之間，均值0.41，整體較低，差異較大；各農(nóng)田SQI高出對(duì)照1.5～2.2倍，SQI以第30年為臨界年限呈前增后降的緩變演化趨勢(shì)，但經(jīng)營(yíng)38 a后SQI仍略高于耕種13年的農(nóng)田，土壤質(zhì)量整體改善明顯，但需采取多施有機(jī)肥、平衡施肥、合理輪作、科學(xué)灌溉、條件許可時(shí)種植固氮牧草休耕養(yǎng)地等提質(zhì)措施。