基于耕作指数评价耕作措施对东北风沙土耕层土壤质量的影响

苗淑杰，赵红飞，乔云发*，陆欣春，李 琪

（1．南京信息工程大学应用气象学院，江苏 南京 210044；2．中国科学院东北地理与农业生态研究所，黑龙江 哈尔滨 150081）

土壤质量是指土壤在生态系统的范围内，维持生产能力、保护环境质量及促进动植物健康的综合能力［1］。土壤质量是一种指示土壤条件动态变化最敏感的表示方法，反映土壤管理的变化［2］。改善土壤质量对农业生产有重要意义［3］。耕作措施影响土壤水分、养分的分布和迁移，是影响耕层土壤质量变化最普通、最直接、最深刻的因素，合理耕作措施即提高土壤质量,又改善生态环境［2，4-7］。东北风沙土区，气候干旱、土壤贫瘠、土壤保水保肥能力弱、耕层土壤质量差，影响作物生长［8］。因此，在东北风沙土区农田开展耕作措施对耕层土壤质量的影响研究具有重要意义。

土壤质量是在土壤不同功能间寻求平衡和综合而确定的土壤本身的内在属性，土壤质量评价工作是根据已知的土壤外部性质对土壤的这一内在属性进行量化表达［9］。定量化分析耕作措施对土壤质量的影响，根据量化评价的实际情况选择适宜的耕作方式［7，10］。土壤质量不能直接测定，目前国内外对土壤质量的评价主要通过选择土壤理化性质等土壤属性作为评价指标，建立评价模型，利用各种数学方法，根据量化的土壤属性，计算出土壤质量的“分数”，最好的土壤得到最高的分数［9，11］。土壤耕作指数是将特定土壤耕作下土壤质量进行定量描述的指数，通过计算不同耕作措施下的耕作指数（TI），评价耕作措施对土壤质量的影响［7，12］。通过耕作指数对土壤生产力进行评价，可为土壤生产力状况和合理耕层构建提供依据。徐尚起等［7］、Bockari-Gevao等［13］认为利用土壤耕作指数定量评价土壤质量，对于选择合理耕作措施，提高耕层土壤质量的可持续发展具有重要的意义。通过耕作与秸秆还田、有机肥施用集成模式是构建合理耕层常用措施。合理耕作措施改善土壤理化学及生物学性状，有利于农田土壤质量的提高，促进农业可持续发展［7，9］。土壤质量的评价受研究尺度、土壤类型、气候等因素的综合影响，选择的评价指标方法是相对的而不是绝对的；而对于农田土壤，土壤质量的评价与生产力评价类似；在小区尺度上，需要进行田间试验来理解土壤质量和作物生产之间的关系［2，7］。

耕层土壤质量评价是东北风沙土区合理耕层构建的重要内容。由于土壤质量评价的困难性，对耕层土壤质量定量评价的研究相对较少，特别是以定量方法评价耕作措施对东北风沙土耕层土壤质量的影响鲜见报道。本文针对东北风沙土区农田，基于土壤生产性能指标基础上，利用聚类分析建立最小数据集，并采用土壤质量指数法验证最小数据集指标的合理性，计算土壤耕作指数。应用耕作指数定量评价耕作措施对东北风沙区农田合理耕层构建效果，为选择合理的耕作措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2017年4～10月在黑龙江省大庆市杜尔伯特蒙古族自治县第一粮种场进行。该区属温带大陆性半干旱季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，四季分明，雨热同季，年均降水量400 mm，年平均气温3.1℃，≥10℃活动积温2 600～2 800℃，无霜期145～150 d，冬春季风大，气候干燥，蒸发力大，春旱严重，为典型春玉米农作区。试验区土壤肥力属于中下等，0～20 cm耕层土壤中砂粒、粉粒和粘粒含量分别为71.36%、10.65%和17.99%；20～40 cm土壤中砂粒、粉粒和粘粒含量分别为66.96%、12.33 %和20.71%；40～50 cm土壤中砂粒、粉粒和粘粒含量分别为68.01%、11.10 %和20.89%，土壤为砂壤土质地。种植制度为一年一熟制，种植方式为垄作。试验前土壤基本理化性质:有机质为15.2 g·kg-1，全氮为1.02 g·kg-1，全磷为 0.99 g·kg-1，全钾为 24.1 g·kg-1，碱解氮53.8 mg·kg-1，有效磷为15.9 mg·kg-1，速效钾为121.21 mg·kg-1，pH值为7.81，耕层厚度17.0 cm，犁底层厚度10.5 cm。

1.2 试验设计

试验设施化肥（NPK）、化肥+秸秆还田（简称，秸秆还田，NPK+S）和化肥+有机肥（简称，有机肥，NPK+OM）3种施肥模式，5种耕作方式（表1）共15个处理，每个处理3次重复，每个小区面积84 m2，随机排列。5月5日播种，施玉米专用肥400kg·hm-2作基肥，在拔节期追施尿素1次，施肥量150kg·hm-2，秸秆全量还田，有机肥8 t·hm-2，10月2日测产，采集耕层土壤样品。玉米品种为吉农302，种植密度为5.5万株·hm-2。

表1 不同耕作措施田间操作描述

1.3 土壤理化分析

测定土壤理化性状指标16项，其中pH值、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮、全磷、全钾、有机质、容重、阳离子交换量（CEC）、团聚体平均重量直径（MWD）、含水量、田间持水量和孔隙度参照《土壤农业化学分析方法》进行各项指标的分析测定［14］；土壤渗透速率采用环刀法、耕层硬度采用田间原位硬度计测定，玉米产量测量采用多点采样测量平均值。

1.4 最小数据集建立［7］

聚类分析是对评价指标的诸多特性进行分类。在SPSS 22中运用Pearson距离对评价指标进行R型聚类分析。在相应聚合水平之间，将评价指标划分为反映耕层构建不同方面特征的若干分组。根据相关分析，每组中相关性显著的指标可相互代替，选择易度量、重现性好的指标，剔除冗余指标，选择具有代表性且相互独立的指标进入最小数据集。

1.5 耕作指数计算［15］

耕作指数（TI）是对耕层土壤结构评价指标的集成，耕作指数越大，土壤生产力越强，作物产量越高，则耕层土壤结构越趋于合理。由于评价指标对作物的作用方式不同，评价指标得分隶属函数类型不同，本研究采取S型、反S型和抛物线型三类函数。对数据集指标做主成分分析，提取评价指标的公因子方差，各指标公因子方差占公因子方差之和的比例即为评价指标权重值，计算公式如下:

式中Ai是各个评价指标权重，X′i是各个评价指标隶属度值。

1.6 耕作指数评价精度验证［16］

利用Nash有效系数（Ef）和相对偏差系数（Er）评价基于聚类分析最小数据集的精确程度。计算公式为:

式中I0和为基于全量数据集计算得出的耕作指数值和耕作指数平均值，Ical为基于MDS计算得出的耕作指数值。

1.7 数据处理与分析

采用SPSS 22软件和Excel 2010对数据进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 东北风沙土耕层土壤属性描述性统计分析

耕层土壤质量一般采用土壤理化指标反映，耕层土壤属性特征差异明显（表2）。本研究选取16项耕层结构因子作为评价指标，有效磷（6.53 mg·kg-1）和渗透速率（5.68 mm·min-1）为中敏感度指标，变异系数分别为37.29%和39.17%；碱解氮65.99～107.30 mg·kg-1、速效钾100.33～ 205.93 mg·kg-1、全氮1.03～1.67 g·kg-1、团聚体平均重量直径0.41～0.74 mm和耕层土壤硬度113.20～196.73kg·cm-2的变异系数接近不敏感水平（＜10%）；pH值、有机质、全磷、全钾、阳离子交换量、容重、含水量、田间持水量和孔隙度的平均值分别为7.67、18.40 g·kg-1、0.52 g·kg-1、24.09 g·kg-1、15.01 cmol·kg-1、0.82 g·cm-3、13.80%、27.55%和40.01%，它们的变异系数＜10%，属于相对稳定指标，是维护耕层土壤结构稳定的主要因素。K-S检验结果表明，各项指标均服从正态分布。

表2 东北风沙土农田耕层质量评价土壤参数统计特征

2.2 土壤质量评价最小数据集

运用SPSS 22中的聚类分析法中R型聚类，对全量数据集16个评价指标进行分类。图1表明，在聚合水平为10，评价指标划分为4类，第一类为有效磷、速效钾、有机质、全钾、碱解氮、全氮、pH值、阳离子交换量、全磷、田间持水量和孔隙度表征土壤基础地力。由表3可见，土壤有机质与碱解氮（0.792**）、全氮（0.647**）、速效钾（0.812**）和全钾（0.774**）均呈极显著相关，土壤有机质是反映土壤质量的最重要的化学参数之一，除了作为营养来源，它可以改善土壤的结构和提高生物活性，是评价风沙土土壤质量重要评价指标，选择有机质进入最小数据集（MDS）。有效磷是作物从土壤中获取的主要养分资源之一，有效磷与全磷（0.668**）、田间持水量（0.703**）均呈极显著相关，有效磷变异性大（37.29%），选择有效磷进入MDS。全氮与阳离子交换量（0.674*）和孔隙度（0.567*）都显著相关，全氮是评价土壤肥力必备指标，全氮进入MDS。pH值是衡量土壤酸碱度的指标，在土壤质量评价使用率达90%［3］，故pH值进入MDS。第二类为团聚体平均重量直径，表征耕层土壤基本结构性状，是反映土壤物理结构的重要指标，则团聚体平均重量直径进入MDS。第三类为含水量和土壤水分渗透速率，表征土壤保水性能，土壤含水量和水分渗透速率相关系数0.569*，含水量可以直接反映土壤湿润状况并且测定快速、方便，选择土壤含水量进入MDS。土壤容重和硬度为第四类，表征土壤紧实度，对于特定的土壤类型，容重可用于监测土壤的硬度，通常情况下，土壤容重越大，土壤硬度相应越大，土壤容重和硬度相关系数0.615*，土壤容重的变化除了本身影响水分和氧气的供应外，还可影响许多其它性质和过程，选择土壤容重进入MDS。最终确定有机质、有效磷、全氮、pH值、团聚体平均重量直径、含水量和容重7项指标进入MDS。提取评价指标的公因子方差，得到进入MDS指标权重分别为有机质0.088、有效磷0.148、全氮0.141、pH值0.050、团聚体平均重量直径0.117、含水量0.245和容重0.212。

图1 东北风沙土农田耕层质量评价聚类分析树图

表3 东北风沙土农田耕层评价指标Person相关系数矩阵

2.3 最小数据集合理性验证

最小数据集评价指标体系合理性验证是耕层土壤质量评价的重要环节［17］。计算基于不同数据集的耕作指数，全量数据集耕作指数（TI-TDS）变化幅度为0.35～0.87，均值为0.57，基于聚类分析最小数据集的耕作指数（TI-MDS）在0.26～0.85之间变化，均值为0.53，TI-TDS和TI-MDS变化幅度、均值和变异系数接近。将TI-TDS与TI-MDS进行线性拟合分析（图2），相关系数r为0.928。TI-TDS与TI-MDS的Nash有效系数Ef为0.761，偏差系数Er为0.079，平均相对误差分别为0.044和0.048。有效系数（Ef）越接近于1，表示基于MDS计算的耕层土壤质量指数与TI-TSD基准值越接近，精度越高［3，17］。相对偏差系数（Er）越接近于 0，表明基于MDS计算的耕层土壤质量指数相对于TI-TDS基准值偏差越小，结果越精确［17］。玉米产量分别与TI-TDS和TI-MDS进行线性拟合（图3），从拟合效果来看，玉米产量与TI-TDS、TI-MDS均呈极显著正相关，相关系数r分别为0.722**和0.767**，达到极显著水平，故MDS适合替代全量数据集对风沙土耕地耕层土壤质量进行评价。

图2 基于不同数据集东北风沙土耕作指数的相关性

图3 东北风沙土不同数据集耕作指数与玉米产量的相关性

2.4 耕作措施对东北风沙土耕层土壤质量的影响

基于风沙土耕地聚类分析得出的最小数据集的耕作指数，耕作指数（TI-MDS）取值范围在0～1之间，其值越高，表明作物产量越高，耕层结构越合理［3］。根据耕作指数与作物产量的对应关系，人为把土壤质量划定分为五级，耕作指数0.80～1.0为Ⅰ级、0.60～0.80为Ⅱ级、0.40～0.60为Ⅲ级、0.20～0.40为Ⅳ级、0～0.20为V级。由图4表明，施有机肥耕层土壤耕作指数为0.70～0.85，平均为0.76±0.03，达到Ⅱ级水平；秸秆还田耕层土壤耕作指数为0.26～0.51，平均为0.41±0.04，达到Ⅲ级水平；施用化肥耕层土壤耕作指数为0.26～0.52，平均为0.41±0.04，达到Ⅲ级水平，这表明风沙土区化肥配施有机肥是构建合理耕层的有效培肥方式，秸秆还田对合理耕层构建效果不显著。从耕作方式角度来看，不考虑施肥因素，把3种施肥相同耕作方式平均耕作指数，翻耕＞旋耕＞常规＞超深翻＞深翻，翻耕达到Ⅱ级，其他耕作为Ⅲ 级，可见，翻耕可以改善耕层结构。从耕作措施分析，翻耕施用有机肥耕作指数最大，为0.85，达到I级，深翻打破犁底层秸秆还田和超深翻施化肥耕作措施土壤质量严重下降，耕作指数为0.26，耕层土壤为Ⅳ级。除超深翻以外，其他4种耕作方式秸秆还田没有增加耕作指数，深翻打破犁底层秸秆还田耕作指数下降40.0%，由Ⅳ级地降为V级，说明秸秆直接还田不适用于风沙土区玉米生产。

图4 耕作措施对东北风沙土耕作指数的影响

3 讨论

3.1 土壤耕作指数评价指标选择

耕层土壤质量评价一般是基于农作物的生产力、土壤理化及力学性质［15］。准确提取适宜评价指标是耕层土壤质量评价的重要环节，而在评价指标筛选中，除了利用原始变量作为评价指标外，从大量土壤参数中筛选出相对独立、影响土壤质量的敏感性指标建立最小数据集［15］。最小数据集作为一种评价指标筛选方法，在国内外土壤质量评价及监测中得到了广泛的应用［18-19］。不同的研究目的对土壤质量评价时选取的指标存在差异［7］。从全量数据集指标使用频率排序来看，使用频率最高的前3位是土壤容重、黏粒、pH值，是土壤质量评价中必须考虑的指标，使用频率达90%；全氮使用频率为70%；团聚体平均重量直径、粉粒、砂粒、有机质和孔隙度次之，均为60%；有效磷使用频率为50%［15］。本研究全量数据集16项评价指标中有土壤容重、pH值、全氮、团聚体平均重量直径、有机质、孔隙度和有效磷7项进入全量数据集评价指标使用频率前10位。最小数据集中土壤容重、pH值和团聚体平均重量直径三者使用率均为40%；有机质、全氮和钠吸附比次之，使用频率为30%；使用频率为20%的有粘粒、土壤有效含水量、有效磷和有机碳［15］。最小数据集评价指标中容重、pH值、团聚体平均重量直径、有机质、全氮、含水量和有效磷7项评价指标全部进入最小数据集评价指标使用频率前10位，与前人研究结果相似，表明本研究中全量数据集和最小数据集评价指标体系均有较好代表性，适宜于耕层土壤质量评价。

3.2 土壤耕作指数评价土壤质量

应用耕作指数评价土壤质量在国内外得到广泛应用，对于土壤质量的评价方法多种多样，但目前尚无统一的被广泛使用的土壤质量评价方法，原因在于绝大多数方法无法同时做到准确和简单实用［20］。近年来，越来越多的学者将聚类分析与主成分分析方法相结合运用于土壤质量评价，以各原始指标为变量进行聚类分析筛选出主要评价指标，再以各主成分得分作为评价新指标权重［17，21-22］，这一方法不仅简化了原始变量，而且消除多指标间的相互影响，使评价结果更为准确、可靠［17］。本研究利用聚类分析与主成分分析相结合方法计算耕作指数，结果表明TI-TDS与TI-MDS呈极显著正相关，相关系数r为0.928（图2），TI-TDS与TIMDS的Nash有效系数Ef为0.761，偏差系数Er为0.079，TI-MDS取值范围为0.26～0.85，与玉米产量显著正相关（r=0.767），可作为定量评价土壤质量的指标。有机质、有效磷、全氮和pH值属于土壤基础理化性质，团聚体平均重量直径、含水量和容重测定方法简单便捷，利用公式即可计算TIMDS，可作为评价不同耕作措施的简单有效的方法。可以通过计算TI评价与试验地气候土壤情况相似的东北风沙土玉米田土壤质量，是否能在其它地区及种植制度下运用仍需进一步的试验验证。

4 结论

依据聚类构建的最小数据集计算土壤耕作指数，能够准确地反映耕层土壤质量情况，耕作指数TI（0.26～0.85）与玉米产量呈显著正相关（r=0.767），利用此法计算TI-MDS简单有效，可以用做评价东北风沙土玉米田土壤质量的指标，能预测不同耕作措施下的玉米产量。不同耕作措施下，风沙土区化肥配施有机肥是构建合理耕层的有效培肥方式，秸秆还田对风沙土合理耕层构建效果不明显。不考虑施肥因素，从耕作方式角度来看土壤耕作指数，翻耕＞旋耕＞常规＞超深翻＞深翻。把耕作方式与有机物料培肥融为一体，翻耕+有机肥耕作指数最大，为0.85，达到I级，深翻+秸秆还田和超深翻+化肥耕作措施土壤质量严重下降，耕作指数均为0.260，土壤为Ⅳ级。除超深翻耕作外，其它4种耕作方式秸秆还田没有增加耕作指数，深翻+秸秆还田耕作指数下降40%，由Ⅳ级地降为V级，说明秸秆还田不适用于风沙土区玉米生产。