河北平原冬小麦/夏玉米高产田土壤肥力质量最小数据集构建及其评价

冯万忠　马振朝　张丽娟

摘要：基于河北平原区冬小麦/夏玉米11县高产田的396个土壤样点数据，利用主成分分析及相关关系法确定了该区域土壤肥力质量评价的最小数据集，并采用模糊数学隶属度函数法对该区域土壤肥力质量进行评价。结果表明，河北平原区小麦/玉米高产田土壤肥力质量评价的最小数据集（MDS）由pH值、土壤容重、有机质含量、速效磷含量、磷酸酶活性、阳离子交换量（CEC）、微生物量碳、微生物量氮等8项指标组成；微生物量氮和土壤阳离子交换量的隶属度均值较低，是该地区主要的限制性因子，有机质含量次之，土壤容重的隶属度值最高；曲周、吴桥的土壤肥力综合质量指数（IFI）处于Ⅲ级的中等水平，其他9县均为Ⅱ级的良水平。综合分析可知，河北平原小麦/玉米高产田土壤肥力有待于进一步提高。

关键词：最小数据集；隶属度；土壤肥力质量评价；土壤指标权重；冬小麦/夏玉米；河北平原；高产粮田；评价分级

中图分类号： S158文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）15-0233-06

土壤肥力作为土壤质量的重要组成部分，体现了土壤的本质特征。土壤肥力的高低直接影响作物生长与农业生产的结构、布局和效益等方面[1]。因此，只有对土壤肥力质量进行准确的评价，才能客观地了解不同土壤管理措施对土壤肥力的影响，才能为土壤的可持续利用提供理论依据。

河北省历来是我国重要的粮食产区，粮食总产量由1990年的12 166.8万t增加到2012年的12 683.23万t，产量也由8 011.8 kg/hm2上升到11 086.05 kg/hm2[2]，土壤肥力对小麦产量的贡献率（PSFC）为44.3%，对玉米的贡献率为 47.3%[3]。土壤肥力质量成为培育高产粮田的主攻目标，其评价工作成为培育高产粮田的必不可少的一部分。正确地选择参评指标，是科学地揭示土壤肥力的前提，会直接影响土壤肥力综合评价的准确程度[4]。由于土壤利用方式的多变性、土壤性质的时空变异性，不可能获取所有因子的数据，而只能从候选参数数据集中选出能最大限度地代表所有候选参数的最小数据集（MDS）[5]。Andrews等采用主成分分析的方法获得了小流域尺度上评价农田的MDS成分，主要包括有机质、电导率、pH值、水稳性团聚体、有效锌（Zn）和容重[6]。Sparling等在国家的尺度上，选取了总碳、总氮、可矿化氮、pH值、有效磷、容重和孔隙7个指标作为MDS对新西兰不同土地利用类型的土壤进行了评价[7]。张世文等根据县域、乡（镇）2个空间尺度及1980、2008年2个时间尺度的特点，建立了不同时空尺度下土壤评价最小数据集[8]。随之出现的特尔斐法[9]、相关系数法[10]、神经网络法[11]、地统计学方法[12]、灰色关联法[13]等方法被应用到构建最小数据集中。土壤肥力质量评价方法主要包括定性、定量2种，定性评价应用最早的是土壤质量卡[14]，然后为半定量的土壤质量试验箱[15]，但是这2种方法并不能全面详细地反映土壤肥力质量的实际变化。目前，出现了许多定量的评价方法，主要有多变量综合评分法、模糊数学、聚类分析法、“3S”（即遥感技术、地理信息系统、全球定位系统）技术等[16-18]。

高产粮田的持续发展与土壤肥力息息相关，但是到目前为止，高产田的土壤肥力质量评价指标的选取及其评价较少。因此，本研究以河北省冬小麦/夏玉米轮作的高产粮田为研究对象，通过基于主成分分析方法构建土壤肥力质量评价最小数据集和确定指标权重，采用模糊数学法、综合评分法对高产粮田进行土壤肥力质量评价，以期为高产田的评价分级、高产田的培育提供理论依据和技术支撑。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验地选择河北平原典型冬小麦/夏玉米轮作区。河北省处于欧亚大陆东部中纬度地带，地貌形态多样，四季分明。属于温带季风气候-暖温带半湿润-半干旱大陆性季风气候，特点是冬季寒冷少雪，夏季炎热多雨；春多风沙，秋高气爽。全省年平均气温在4～13 ℃之间，1月平均气温-4～2 ℃，7月平均气温20～27 ℃，各地的气温年较差、日较差都较大，全年无霜期110～220 d。全省年平均降水量分布很不均匀，年变率也很大。年平均降水量在400～800 mm之间。

1.2样品采集与测定

1.2.1样品采集在冬小麦种植前，采集河北省太行山山麓平原的定兴、宁晋、赵县、正定、藁城和低平原的固安、深州、景县、吴桥、曲周、辛集等11个高产示范县的高产攻关田土壤，采集深度为0～30 cm。共采集396个土样，每个样品由3个样点组成。测定项目包括容重、总孔隙度、粉黏比、田间持水量、土壤pH值、土壤阳离子交换量（CMC）、有机质含量、土壤全氮含量、硝态氮含量、速效磷含量、速效钾含量、过氧化氢酶活性、脲酶活性、蔗糖酶活性、磷酸酶活性、微生物量碳、微生物量氮。

1.2.2测定方法容重、孔隙度、土壤pH值、CEC、有机质含量、土壤全氮含量、速效磷含量、速效钾含量采用常规方法测定[19]。粉黏比是通过吸管法测得土壤粉粒、黏粒含量[20]，取其比值。硝态氮含量采用1 mol KCl浸提，流动分析仪测定；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定；脲酶活性采用比色法测定，利用酶促作用产物氨与苯酚钠、次氯酸钠反应显色；蔗糖酶活性采用比色法测定，利用酶促作用产物葡萄糖与3，5-二硝基水杨酸反应生成3-氨基-5-硝基水杨酸而呈橙黄色；磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定[21]；微生物量碳、氮的测定方法均用三氯甲烷熏蒸浸提法，浸提液通过重铬酸钾氧化法测定土壤微生物量碳，转化系数0.38；经蒸馏、消煮后用凱氏定氮法测定土壤微生物量氮，转换系数 0.45[22]。

1.3数据统计与分析

采用SPSS 19.0进行主成分分析和相关性分析，运用主成分分析方法构建最小数据集，并确定各指标的权重，运用模糊数学方法、综合评分法对土壤肥力质量进行评价。endprint