敦煌市不同土地利用类型土壤质量评价

2017-03-29高张张福平马倩倩燕玉超雷声剑刘

山东农业科学 2017年3期

高张+张福平+马倩倩+燕玉超+雷声剑+刘筱+李肖娟

摘要：以果园地、农田地、天然林地、灌木林地和荒地5种土地利用类型为研究对象，在对其土壤理化性质进行测定的基础上，应用最小数据集、土壤质量综合指数和土壤质量相对指数等方法对其土壤质量进行评价分析，为敦煌市土壤保水保肥、盐碱化荒地改良与植被修复提供一定的参考。结果表明：（1）研究区各土地利用类型下土壤含水量极低，低于0.15%；荒地盐分含量达到56.88 g/kg，盐碱化严重。（2）适用于土壤质量评价最小数据集（DMS）的包括：速效钾、含水量和物理性粘粒等9项指标。（3）对土壤质量综合评价分析，得出土壤质量排序为灌木林地>天然林地>果园地>农田地>荒地。（4）依据全国地力等级划分标准，荒地为4级地力，果园地和农田地为3级地力，天然林地和灌木林地为2级地力。（5）对土壤相对质量指数分析，灌木林地的土壤质量高于天然林地，果园地、农田地和荒地的土壤质量低于天然林地。

关键词：敦煌市；土壤理化性质；最小数据集；土壤质量综合指数；土壤质量评价

中图分类号：S159文献标识号：A文章编号：1001-4942（2017）03-0100-06

AbstractChoosing five kinds of land use types， orchard land， farmland， natural forest land， shrub land and wasteland， as the materials， the soil physical and chemical properties were detected. The soil quality was evaluated and analyzed by applying the minimum data set （MDS）， soil quality synthesized index and soil quality relative index. It could provide some theoretic basis for soil water and fertilizer retention， wasteland salinization improvement and vegetation restoration in Dunhuang City. The results showed that the soil moisture content in every land use type was very low， below 0.15%. The salt content of wasteland had reached up to 56.88 g/kg， which showed that the soil salinization was very serious. The MDS fit for soil quality assessment included nine indexes， such as available potassium， moisture content， physical clay and so on. The synthesized assessment on soil quality showed that the rank of soil quality was shrub land > natural forest land > orchard land > farmland > wasteland. According to the national fertility grading standard， the wasteland fertility belonged to grade 4， the orchard land and farmland fertility belonged to grade 3， the natural forest land and shrub land fertility belonged to grade 2. The soil quality relative index analysis showed that the soil quality of shrub land was higher than that of natural forest land， while the soil quality of orchard land， farmland and wasteland were lower than that of natural forest land.

KeywordsDunhuang City； Soil physical and chemical properties； The minimum data set； Soil quality synthesized index； Soil quality assessment

我國内陆西北干旱地区由于其特殊的地形地貌以及极端恶劣的气候条件，一直以来是我国备受关注的生态脆弱区[1]。近年来，随着西部大开发计划的实施与推广，西北地区资源得到重点开发和利用。随着经济增长，人类对土壤资源不合理的开发和利用也给西部地区原本脆弱的土壤造成了严重的破坏。内陆河床干涸，水土流失加重，荒地沙化、盐碱化严重，土壤退化等成为西部地区亟待解决的问题[2]。敦煌市地域辽阔，土地资源丰富，但沙漠戈壁占总面积的95.5%，绿洲地被沙漠戈壁所包围，属于极端干旱区。其中，耕地面积仅有2.13×104 hm2，草原面积3.73×104 hm2，天然林地6.26×104 hm2，还有27.1×104 hm2可开垦荒地。然而，敦煌市光照充足，是甘肃省以及河西走廊最大的棉花生产基地和瓜果之乡[3]，其土壤质量的好坏制约着整个大西北农业的发展和经济状况[4]。土壤质量退化的控制和修复对敦煌市农业用地发展节水农业、荒地土壤重建、植被修复有着举足轻重的作用。因此，了解敦煌市土壤理化性质，评价其土壤质量，对合理用水、防止水分流失以及盐碱化荒地土壤改良有着重要意义。

土壤质量主要受成土因素和人类活动的影响[5]，是近年来土壤学研究的一个热点，国内外学者做了大量的研究。土壤质量评价的方法多种多样，主要有土壤质量指数法、土壤质量模型、土壤相对质量法以及多元线性回归等[6]，近年来，最小数据集也被逐渐引入土壤质量评价指标的构建之中[7]。赵振亚等[8]基于层次分析和模糊数学法对公乌素镇进行了质量评价；卢铁光等[9]利用土壤相对质量法对黑龙江省富锦市进行了土壤质量评价；王飞等[10]利用最小数据集的思路，完成了福建冷浸田土壤质量评价因子最小数据集的构建。然而，敦煌市地理位置重要，其土壤质量在极端恶劣的气候条件下面临严峻的挑战，其评价工作前人却未有涉及。本研究以极端干旱区敦煌市作为研究对象，通过对敦煌市5种不同土地利用类型进行调查和实地采样，在对其土壤理化性质进行测定的基础上，综合应用最小数据集、土壤质量指数法以及土壤相对质量法，进行土壤质量评价，为敦煌市土壤保水保肥、盐碱化荒地土壤改良与植被修复提供一定的参考。

1材料与方法

1.1研究区概况

敦煌市位于河西走廊最西端，地处甘肃、青海、新疆三省交汇处，东经92°13′～95°30′，北纬39°53′～41°35′。地势南北高、中间低，自西南向东北倾斜，平均海拔不足1 200 m。全市总面积3.12×104 km2，其中绿洲面积1 400 km2，仅占总面积的4.5%。敦煌市气候干燥，年平均降水量39.9 mm，蒸发量2 486 mm；年平均气温为9.4℃，月平均最高气温为24.9℃，月平均最低气温为-9.3℃；全年日照时数为3 246.7 h，属典型温带干旱性气候。

1.2数据的采集与处理

本研究数据来源为野外实地采样，在敦煌市南泉、阳光、玉门和党河上游绿洲4个研究区域对不同土地利用类型土壤进行布点采样。确定采样点深度为1 m，每10 cm为一个土层，每个土层取土样约50 g，封装包好，移入实验室待处理。用GPS记录采样点周围地貌特征，特殊点经过拍照处理以便后期核对。果园地采样点为8个，农田地采样点为5个，天然林地采样点为4个，灌木林地采样点为8个，荒地采样点为4个，共29个采样点，每个采样点10个土样，共290个土样。

依据易度量、重现性好的原则，借鉴前人建立的指标体系[11]，结合敦煌市的实际情况，在进行土壤质量评价时，选择物理性粘粒、土壤含水量、盐分、pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾、碱解氮和C/N等12项指标。其中，土壤物理性粘粒和土壤含水量分别用Mastersizer 2000（激光粒度分析仪）和烘干称重法进行测定；土壤盐分、土壤pH值、土壤有机质和土壤养分，分别用离子色谱法、PHSJ-4A型实验室pH计、重铬酸钾氧化-外加热法和HTYF200型微电脑多功能养分速测仪进行测定。

1.3研究方法

1.3.1土壤质量评价指标最小数据集的构建计算选用的12个土壤质量评价指标的主成分载荷矩阵，选取特征值大于1的主成分中因子载荷大于0.5的土壤质量评价指标分为一组。某种土壤质量评价指标的因子载荷在不同的主成分中都大于0.5，则将其归并到与其它土壤质量评价指标相关性较低的那一组。分组后，确定每组中土壤质量评价指标之间的相关性，某种指标与该组中其它指标之间的相关系数都小于0.3，说明其它指标均不能代表该指标中所包含的土壤質量信息，将该指标从该组中分离出来独立形成一组。分别计算各组各指标的Norm值，Norm值在最高总分值10%范围内[7]的土壤质量评价指标被选中，进一步对每组中选中的指标进行相关分析，指标之间的相关系数大于0.5，选择Norm值最高的指标进入最小数据集（DMS），指标之间的相关系数小于0.3，将这些指标都选入DMS。Norm值的计算公式如下：

式（4）和（5）中，a和b分别为土壤质量评价指标的阈值，分别为各个土壤质量评价指标的最小值和最大值。

2结果与分析

2.1不同土地利用类型土壤理化性质

由表1可以看出，研究区土壤含水量介于0.07%～0.15%之间，土壤含水量极低，限制了植被对土壤养分的吸收。灌木林地和荒地土壤盐分含量大于20 g/kg，属于盐土[12]，其含量分别为68.41 g/kg和56.88 g/kg，远高于其它3种用地类型下的土壤盐分。在干旱区，pH值大于7.5，土壤显碱性[13]，研究区pH值介于7.61～9.17之间，pH值过高，影响了土壤酶的活性。农田地土壤氮含量相对偏低，全氮和碱解氮仅为0.43 g/kg和70.68 mg/kg，是因为棉花对氮的需求量大，吸收利用了土壤中的氮元素。研究区果园地、农田地、灌木林地和荒地的C/N值小于15，土壤C/N含量偏低，限制植物根系的生长，也限制了植物通过深根方式汲取地下水分。物理性粘粒、全磷和速效磷在各土地利用类型下含量差异不显著，有机质、全钾和速效钾在研究区分布存在较大的波动。

2.2土壤质量评价指标最小数据集的构建

通过主成分分析对12个土壤质量评价指标进行归纳分组，结果表明，前4个主成分的特征值都大于1且累积贡献率为91.69%。综合前述方法，将所有土壤质量评价指标归纳为6个小组（表3），物理性粘粒、含水量、pH值、全氮、全磷、速效磷、速效钾、碱解氮和C/N 这9个指标共同构成了本研究土壤质量评价指标最小数据集（表3）。这9项指标间相关系数都小于0.5（表2），指标间没有冗余并且很好地代表了研究区土壤质量信息。其中，物理性粘粒具有很好的保水保肥性质，是土壤废物降解的介质，也是土壤中理化反应的场所；土壤含水量的高低直接影响着干旱区植被对养分的利用，是土壤质量评价的重要影响因素；全氮、全磷、速效磷、速效钾和碱解氮等土壤养分直接关系到土壤质量的好坏；土壤C/N含量的高低与植被根系的生长密切相关。

2.3土壤质量综合评价

选择表3进入最小数据集的9个土壤质量指标，结合公式（3）计算得出每个指标所占的权重（表4）。判断各个指标数量级最大的因子载荷值的正负确定指标隶属度函数的升降性，pH值指标为降型隶属度函数，其余的8项指标为升型隶属度函数，得到各个土壤质量评价指标在不同利用类型下的隶属值（表5）。由表4得出的最小数据集中各个指标的权重以及表5得出的隶属度值，结合公式（2）计算得出不同土地利用类型的土壤质量综合指数。其中，果园地、农田地、天然林地、灌木林地和荒地的土壤质量综合指数分别为0.59、0.58、0.71、0.74和0.32，土壤质量排序为灌木林地>天然林地>果园地>农田地>荒地。根据全国地力等级划分[14]，采用等间距法将土壤质量分为5个等级，土壤质量综合指数值小于0.2，为5级；介于0.2～0.4之间，为4级；介于>0.4～0.6之间，为3级；介于>0.6～0.8之间，为2级；大于0.8，为1级。其中，荒地为4级地力，果园地和农田地为3级地力，天然林地和灌木林地为2级地力。

依据实地调查，结合实测数据分析，灌木林地的土壤质量最高，隶属度值为0.74，其通过枯枝落叶腐解来提高土壤养分，其全氮、全磷和速效钾的隶属度值都为1，碱解氮的隶属度值为0.93，土壤养分含量高，对改善土壤质量起到重大作用；同时枯枝落叶覆盖在在土壤表层，有助于防止水分蒸发，灌木林地土壤含水量相对较高，其隶属度值为0.93。和灌木林地属于同一级地力的用地类型是天然林地，其土壤质量相对来说较高，是由于天然林地通过根部吸收水分和养分调节土壤水盐平衡。天然林地生长的植被主要为乔木红柳，其C/N值大于15，有助于根系的生长，可以通过深根方式汲取地下水分，缓解表层土壤水分压力，其土壤含水量隶属度值为0.90。果园地和农田地同属第3级地力，其土壤质量相对来说较低。果园地土壤翻耕周期长，粘粒性土壤含量少，土壤容易板结，雨季水分难以入渗，旱季地表蒸发大，果园地水分缺乏较为严重，仅次于荒地。果园地C/N的隶属度值仅为0.1，也不利于植被吸收深层地下水。农田地出现退化，主要是缺乏养分，全氮和速效钾的隶属度值仅为0.65和0.39，全磷和碱解氮的隶属度值都为0.10。因为敦煌市主要种植棉花，棉花对氮肥的需求量极高，土壤氮含量极低，通常农民采用大量施用氮肥的方法解决这一问题。调查统计资料显示，农业用地每年对氮肥的施用量远远高于磷肥、钾肥以及复合肥，长此以往会导致土壤养分元素失调甚至引起化肥污染降低土壤质量；加之，敦煌市农业主要采用棉花连作的方式，棉花种植面积逐年扩大，豆类作物因为产量低而不被考虑，长期种植棉花会导致土壤质量降低。荒地土壤质量最低，隶属度值仅为0.32，属4级地力，荒地盐碱化严重，植被难以生长，水土流失严重，土壤质量长期得不到改善而处于不断恶化的狀况。

引入土壤相对质量指数[15]，通过设定天然林地的土壤为理想土壤，将果园地、农田地、灌木林地和荒地的土壤质量综合指数与之进行对比分析，计算出果园地、农田地、灌木林地和荒地的土壤相对质量指数，分别为-16.56%、-18.28%、5.23%和-56.41%。灌木林地的土壤相对质量指数为正值，是因为灌木林地对土壤质量有改善作用，种植天然植物对提高土壤质量的作用是最大的；果园地、农田地和荒地的土壤相对质量指数均为负值，是因为人工种植、人为耕作和撂荒会降低土壤质量，果园地、农田地和荒地的土壤质量均有退化趋势。

3讨论

土壤含水量是干旱区土壤质量的关键限制因子，对干旱区土壤质量和作物产量的影响不可忽视[16]。敦煌市土壤含水量极低，介于0.07%～0.15%之间，远小于8%，属于干土[17]，不利于棉花等作物的萌芽[18]和生长。研究区农田采取大规模灌溉，同时由于灌溉技术落后、灌溉效率低下的原因，70%的灌溉水都白白地浪费掉了[19]。我国是一个水资源贫乏的国家，尤其是在敦煌市极端干旱地区，发展节水农业势在必行。鉴于李和平等对塔里木河中下游棉花地膜下滴灌技术研究，成功节省了该区域78%的农业用水的经验[20]，在敦煌市发展节水农业刻不容缓。果园地地表植被覆盖少，水分蒸发量大，借鉴灌木林地地表层枯枝落叶的原理，可以在果园地地表铺一层作物秸秆，不仅可以减少水分蒸发，秸秆腐化后还可以作为有机肥提高土壤养分。在农田地和果园地开沟建渠，可以防止降雨侵蚀带走表层肥沃土壤。

不考虑C/N这项指标，果园地、农田地、天然林地、灌木林地和荒地的土壤质量综合指数分别为0.65、0.62、0.67、0.75和0.32。果园地和农田地从3级地力升为2级地力，和天然林地属同一级地力。果园地和农田地受人为活动的影响十分强烈，其土壤质量也只有在人为活动的维护下才能持续，一旦离开这种状态，果园地和农田地的土壤质量会立刻出现严重的退化甚至崩溃。所以，果园地和农田地地力等级的提升削弱了它们自身的脆弱性，也减弱了它们对土壤质量的破坏。同时，天然林地土壤质量评价指数的降低，严重削弱了天然林地小型乔木红柳深根吸水的作用，进一步减弱了土壤水对干旱区土壤质量的限制，也忽视了人为用地对土壤质量的影响。因此，本研究认为C/N这项指标在干旱区进行土壤质量评价十分必要。

研究区土壤质量退化主要表现为土壤含水量偏低与荒地盐碱化严重，盐碱化也是干旱区土壤质量的关键限制因子[16]。在进行最小数据集的构建过程中，盐分没有成为土壤质量评价指标，与盐分对干旱区土壤质量有重要的影响并不矛盾。果园地和荒地由于人为作用的影响，其土壤盐分含量分别为0.78 g/kg和1.05 g/kg，土壤未表现出盐渍化；天然林地因为深根吸水对土壤盐分进行调节，土壤盐分含量为6.44 g/kg，土壤盐化并不严重；灌木林地生长耐盐碱地的黑果枸杞，土壤并未出现退化；而荒地由于盐碱化严重，土壤质量出现严重退化，这进一步说明盐碱化对干旱区土壤质量的影响不容忽视。盐分与pH值和速效磷的相关系数分别为0.80和-0.78，相关性显著，这两项指标包含了盐分的土壤质量信息。由于研究区特殊的用地类型，盐分在果园地、农田地、天然林地和灌木林地的作用不显著，在荒地中，pH值和速效磷的隶属度值分别为0.10和0.45，涵盖了盐分所包含的土壤质量信息，从而替代了盐分进入最小数据集。敦煌市荒地盐分含量为56.88 g/kg，远远大于20 g/kg，植被难以生长，进一步导致土壤中水分和养分的流失，土壤质量持续恶化。研究区和荒地盐碱化最接近的用地类型是灌木林地，灌木林地中黑果枸杞的大量生长改善了土壤质量。王龙强等[21]认为黑果枸杞通过在体内累积有机渗透物质以适应盐碱地；林丽等[22]认为黑果枸杞可以改善盐碱地的生态环境。这些研究都证明黑果枸杞在改善荒地盐碱化方面切实可行，因此可以在盐碱化严重的荒地种植黑果枸杞以对土壤质量进行修复。

4结论

4.1对土壤理化性质综合分析，得出土壤物理性粘粒、土壤含水量和盐分等12项指标的含量范围。其中，土壤含水量介于0.07%～0.15%，土壤含水量极低；荒地盐分含量为56.88 g/kg，盐碱化严重，土壤质量退化主要表现为土壤含水量偏低与荒地盐碱化严重。

4.2对土壤质量评价指标最小数据集的构建，得出速效钾、含水量、物理性粘粒、全氮、pH值、速效磷、全磷、碱解氮和C/N这9个指标共同构成了本次研究评价土壤质量的评价指标最小数据集。

4.3对土壤质量综合评价分析，得出果园地、农田地、天然林地、灌木林地和荒地的土壤质量综合指数分别为0.59、0.58、0.71、0.74和0.32，土壤质量排序为灌木林地>天然林地>果园地>农田地>荒地。在土壤质量评价的基础上，根据全国地力等级划分，荒地为4级地力，果园地和农田地为3级地力，天然林地和灌木林地为2级地力。

4.4引入土壤相对质量指数，通过设定天然林地的土壤为理想土壤，计算出果园地、农田地、灌木林地和荒地的土壤相对质量指数，分别为-16.56%、-18.28%、5.23%和-56.41%，灌木林地的土壤相对质量指数为正，灌木林地对土壤质量有改善作用；果园地、农田地和荒地的土壤相对质量指数为负，果园地、农田地和荒地的土壤质量均有退化趋势。

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