基于最小数据集的紫色丘陵区坡耕地耕层土壤质量评价

娄义宝， 史东梅†， 蒋光毅， 金慧芳， 陈正发,3， 林 姿

(1.西南大学资源环境学院，400715，重庆；2.重庆市水土保持生态环境监测总站，401147，重庆； 3.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，650051，昆明)

紫色土是我国西南地区一种主要的土壤类型，我国共有紫色土(主要为耕地)2 198.8万hm2[1]。紫色土坡耕地是西南地区重要的耕地利用类型，由于紫色土抗侵蚀能力弱使其土壤侵蚀严重[2]。耕层是人类为了栽培作物，利用工具对土壤进行扰动的深度层[3]，耕层土壤质量关乎作物的高产稳产和农业可持续发展[4]。土壤质量是个综合的概念，涉及土壤学、土地利用、农业种植措施和管理等众多方面[5]，从农作物的角度来看可以定义为土壤维持作物生长的能力而不引起土壤退化或损害环境[6]。土壤质量评价是为了在更为广泛的范围内综合分析土壤各方面的功能[7]，从而有效管理和保护土壤。对紫色土坡耕地耕层土壤质量进行评价，可为地块尺度上紫色土坡耕地合理耕层调控及构建技术提供理论支持。

通常来说评价指标选取越多越能全面反映坡耕地耕层土壤的综合质量，而许多指标之间都存在着一定的高度相关性，这便会造成指标数据间的冗余问题。国外学者Larson等[8]提出采用最小数据集(minimum data set，MDS)对土壤质量进行评价[8]，其中土壤质量指标由土壤有机质、速效养分、pH值、电导率、质地、根系深度、密度、水分传导率、有效持水量组成，并建议将土壤质量指标整合成一个综合的质量指标。Doran等对MDS进行了扩展将微生物生物量和可矿化的氮等生物学指标加了进去，也得出了类似的土壤属性指标[9]。国内学者在黄土高原黄土区、黑土区、岩溶区、紫色丘陵区也开展了类似研究。郑粉莉等[10]在对黄土高原子午岭地区近100年不同开垦年限的农地研究，从20个指标中筛选出有机碳、真菌数量、碱性磷酸酶活性、蔗糖酶活性、毛管孔隙度、物理性黏粒、粗粉粒和水稳性团聚体平均重量直径(MWD)等土壤性质指标，作为土壤质量退化评价指标体系；段兴武等[11]对东北黑土区土壤生产力研究表明东北黑土区土壤生产力可用有效水含量、酸碱度、黏粒含量、有机质表征；伍宇春等[12]对岩溶区坡耕地土壤肥力研究认为有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、耕层厚度、粉黏比可有效地评价岩溶区坡耕地土壤肥力；史东梅等[13]对紫色丘陵区坡耕地耕层质量研究认为耕层厚度、田面坡度、土壤密度、土壤质地、饱和导水率、土壤有机质是评价耕层土壤质量的主要指标。

目前利用MDS对土壤质量进行评价的研究成果较多，然而针对坡耕地耕层土壤质量评价研究却较少，紫色土坡耕地耕层土壤质量进行客观的评价是防治紫色土坡耕地侵蚀退化、保证耕层土壤生产力高效稳定的重要基础，对于紫色土坡耕地合理耕层构建有重要意义。因此本文以紫色土坡耕地耕层土壤为研究对象，以主成分Norm值和相关分析技术手段，拟建立坡耕地耕层土壤质量评价最小数据集(MDS)，并以此进行坡耕地耕层土壤质量评价，研究结果为紫色土坡耕地耕层土壤改良和合理耕层构建提供科学参数。

1 研究区概况

研究区位于广东南雄、广西桂林、江西兴国、云南楚雄4个区域(表1)。广东坡耕地面积15.4万hm2，占广东总耕地的4.94%；田面坡度一般在15°～25°，以陡坡耕地为主。南雄市地处广东省东北部，E 113°55′30″～114°44′38″，N 24°56′59″～25°25′20″，属亚热带季风湿润气候区，具有气温较高，年平均降雨量1 524.7 mm，雨量颇丰的偏海洋性气候特点，山地雨量比平原要多约10%左右。广西坡耕地面积282.4万hm2，占广西总耕地的63.7%；田面坡度一般在2°～6°，以缓坡耕地为主。桂林地处南岭山系西南部。E 109°36′50″～111°29′30″、N 24°15′23″～26°23′30″，平均海拔150 m，属亚热带季风气候，年平均气温为19.3 ℃。年平均降雨量1 949.5 mm，年平均日照时间为1 670 h。江西坡耕地面积23.52万hm2，占总耕地的8.31%；田面坡度一般在2°～6°，以缓坡耕地为主，兴国位于江西省中南部，地理位置为E 115°01′～115°51′，N 26°03′～26°41′，属低山丘陵区，年均温18.9 ℃，年降水量1 522.3 mm。云南坡耕地面积348.45万hm2，占总耕地的57.39%，田面坡度一般在5°～25°，以中坡和陡坡耕地为主，云南省楚雄市位于云贵高原中部，地跨E 100°43′～102°32′、N 24°13′～26°30′，年均气温14.8～21.9 ℃，年均降雨量800～1 000 mm，且主要集中在7—10月，而其蒸发量年平均为2 432 mm，年均日照时间为2 450 h。

表1 坡耕地耕层土壤采样点基本情况Tab.1 Basic situation of sampling locations in the cultivated-layer of slope farmland

2 材料与方法

2.1 样品采集与数据处理

样品采集于2015年7—8月、2016年7—8月进行。在广东南雄、广西桂林、江西兴国、云南楚雄，每个区域5个采样点，分别按照1 m×1 m×0.6 m(长×宽×高)的规格挖取耕层剖面观察土壤结构，并采集土样(图1)。对0～20 cm层进行采样，样品用塑料薄膜密封，分别采集铝盒样品用于土壤自然含水率的测定，采集土壤环刀(100 cm3)样品用于土壤密度、饱和导水率的测定，各样品分别重复3次；同时，采集2 kg左右的散样带回室内风干，用于土壤物理性质，化学性质的测定。土壤抗剪强度和贯入阻力值分别采用三头抗剪仪(荷兰产便携式14.10Pocket Vane Tester 型)、PT袖珍型贯入仪(江苏省漂阳市天目仪器厂的 PT 型)进行测定。土壤化学指标的测定方法[14]分别为：pH值采用土水比1∶1电极法、有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法、全氮采用半微量凯氏定氮法、有效磷采用Olsen法进行测定。

图1 紫色土坡耕地耕层土壤剖面示意图Fig.1 Schematic diagram of soil profile in the cultivated-layer of purple soil slope

数据统计处理采用Excel 2003和SPSS 19.0进行分析，应用SPSS 19.0软件对数据进行主成分分析和相关分析。

1.3 主成分分析

主成分分析是将原来指标重新组合成一组新的互相无关的几个综合指标来代替原来指标的一种分析方法[15]。通过主成分分析，将选出特征值≥1的主成分和因子载荷≥0.5的土壤属性指标分为一组。分组后，比较每组中的指标之间的相关性和Norm值，若高度相关则选取Norm值大的指标进入最小数据集(MDS)，若相关度低则全部进入最小数据集。考虑到本文中研究区域范围大，选择相关系数大于0.4为高度相关[16,17]。

2.3 矢量常模(Norm)值计算

Norm的几何意义为该变量在由主成分组成的多维空间中矢量常模(Norm)的长度，长度越长，则表明该变量对所有主成分的综合荷载越大，其解释综合信息的能力越强。Norm值的计算公式[17]如下：

(1)

式中：Nik为第i个变量在特征值≥1的前k个主成分上的综合荷载；uik为第i个变量在第k个主成分上的荷载；λk为第k个主成分的特征值。

2.4 土壤质量评价方法

土壤质量指数能够对土壤进行定性和定量化的评价，结果能够反应土壤的关键信息，符合农业生产的需要[18]。采用加权求和模型计算土壤质量指数，求得土壤全量指标数据集的土壤质量指数(SQI-TDS)和最小数据集的土壤质量指数(SQI-MDS)。土壤质量评价指数计算公式如下：

(2)

式中：SQI为土壤质量指数(soil quality index)；Wi为第i项土壤指标的权重；Ni为第i项土壤指标的隶属度；n为所有参评指标/最小数据集指标。

隶属度由评价指标所属的隶属度函数确定。隶属度函数一般分为升型和降型，各指标隶属函数计算公式[19]如下：

升型隶度属函数公式

(3)

降型隶度属函数公式

(4)

根据研究区内各个指标对土壤质量的正负效应选择函数和确定其隶属度。各个指标的最小值和最大值作为函数的转折点x1和x2。本文中选取的土壤密度、pH值、土壤质地(粉粒、砂粒、黏粒)、贯入阻力选择降型隶属函数计算隶属度，饱和导水率、抗剪强度、耕层厚度、土壤有机质、全氮、有效磷选取升型隶属函数计算指标的隶属度。

3 结果与分析

3.1 紫色土坡耕地耕层土壤理化性质变化特征

笔者对紫色土坡耕地耕层土壤12个土壤属性指标进行了统计分析。由表2可知：土壤密度在0.93～1.62 g/cm3之间变化，平均值为1.29 g/cm3；饱和导水率在0～37.26 mm/min之间变化，平均值为6.65 mm/min；耕层厚度在15～30 cm之间变化，平均值为19.71 cm；粉粒含量、砂粒含量、黏粒含量分别在29.80%～68.20%、16.60%～65.20%、3.4%～34.40%之间变化，平均值分别表现为48.77%、37.76%、13.47%；土壤贯入阻力、土壤抗剪强度分别在0.38～2.87 kg/cm2、1.14～4.68 kPa之间变化，平均值为1.66 kg/cm3、3.40 kPa；有机质、pH值、全氮、有效磷分别在4.27～59.48 g/kg、4.6～8.3、0.39～2.08 g/kg、3.75～80.00 mg/kg之间变化，平均值为14.89 g/kg、0.85 g/kg、28.84 mg/kg。其中：土壤密度、粉粒含量、耕层厚度、pH值、砂粒含量、抗剪强度变异系数较小为低度敏感指标，变异系数介于13.78%～36.89%之间；贯入阻力、全氮、黏粒含量、有机质、有效磷变异系数较大为中度敏感指标，变异系数介于44.45%～79.23%之间；饱和导水率变异系数最大为144.75%，属于高度敏感指标。从中可以看出，总体上紫色土坡耕地耕层土壤化学指标的变异性大于物理指标的变异性。

表2 坡耕地耕层土壤属性变化的统计特征Tab.2 Statistical characteristics of soil properties change in the cultivated-layer of slope farmland

注：样本数n=20。Notes: The number of samples isn=20.

由土壤第2次普查养分分级标准可知：有机质(14.89 g/kg)和全氮(0.85 g/kg)为四级属中等水平，有效磷(28.84 mg/kg)为二级属丰富水平，说明紫色土坡耕地耕层中养分较为贫瘠的，有效磷水平较高，可能是因为在施肥过程中，磷得到补充，且磷元素在土壤中比较固定运动性很弱。pH值显弱酸性可能是由于南方地区土壤风化程度大、气温高降雨多、富铝化作用明显，及长期不合理施用化肥。

3.2 耕层土壤质量评价最小数据集建立及验证

3.2.1 最小数据集建立 最小数据集可以反映土壤质量最少的指标参数集合[19]，通过建立MDS可以从大量预选指标中筛选出少量最合适的反映土壤质量的指标，减小数据冗余。通过对紫色土耕层土壤各个指标进行主成分分析(表3)，其中特征值大于1的有4个主成分，其累计贡献率为75.922%，可见4个主成分可以解释大部分参评指标的变异性。

通过主成分分析，将黏粒含量、贯入阻力、抗剪强度、有效磷、耕层厚度为第1组；有机质、密度、全氮、饱和导水率为第2组；粉粒含量、砂粒含量、pH值为第3组。分组后，选取每组中Norm值在最高Norm值10%范围内的指标，同时若所选的指标之间的相关系数大于0.4，则选取Norm值最高的进入MDS，反之则全部进入MDS。

由表4可知，第1组中有效磷的相关性小直接进入最小数据集，贯入阻力与黏粒、抗剪强度、耕层厚度的相关系数分别为0.519*、0.743**、-0.686**呈高度相关，结合四者Norm值大小，将Norm值较小的粘粒、抗剪强度、耕层厚度剔除，最终第1组进入MDS的指标有贯入阻力、有效磷。第2组中有机质、饱和导水率的相关性小直接进入最小数据集，密度和全氮的相关系数为-0.489*呈高度相关，根据Norm的大小比较值剔除全氮，最终第2组进入MDS的指标有密度、有机质、饱和导水率。第3组中pH值的相关性小直接进入最小数据集，粉粒含量和砂粒含量二者的相关系数为-0.694**呈高度相关，根据Norm的大小比较值剔除粉粒，最终第3组进入MDS的指标有砂粒含量、pH值。其中砂粒含量是土壤质地一部分，土壤质地能影响土壤物理、化学等特性，砂粒含量代替土壤质地入选，pH值能直接影响着土壤养分的存在状态、转化和有效性。

表3 土壤属性主成分因子载荷和Norm值Tab.3 Soil properties principal component factor load and Norm value

注：“—”表示“无此数据”。Notes: “—” refers to “no this data”.

表4 土壤指标间Pearson相关性分析Tab.4 Analysis of Pearson correlations among soil indexes

注：** 表示在 0.01 水平(双侧)上呈显著相关；*表示在 0.05 水平(双侧)上呈显著相关；n=20。Notes: ** indicates a significant correlation at the 0.01 level (both sides); * indicates a significant correlation at the 0.05 level (both sides);n=20.

由于pH值变异系数较小(15.72%)，故在研究范围内pH值变异性小，属于低度敏感性指标[20]，因此将其剔除，不纳入最终建立的最小数据集指标体系中。虽然密度的变异系数为13.78%也比较小，但是土壤密度是反应土壤质量的重要物理指标，与土壤侵蚀性、土壤孔隙结构、土壤渗透性等多项土壤功能具有直接紧密的关系；因此将土壤密度保留纳入最终的最小数据集。根据我国土壤质量评价指标体系土壤物理性质因子中土层厚度使用频率达到34.7%[21]，且耕层厚度变浅是坡耕地面临的较严重的问题，因此将耕层厚度纳入最小数据集当中。综上所述，最终进入最小数据集(MDS)评价指标体系有土壤密度、有效磷、有机质、饱和导水率、贯入阻力、砂粒含量，耕层厚度。

3.2.2 最小数据集准确性验证 最小数据集指标选择的合理性，可直接影响耕层土壤质量评价的准确性。根据4个研究区域内各个指标的权重和指标隶属度函数，分别计算全部初选12个指标(TDS)和最小数据集(MDS)指标的土壤质量指数SQI值。计算表明，全量指标下的土壤质量指数(SQI-TDS)介于0.398～0.663，平均值为0.508，最小数据集下土壤质量指数(SQI-MDS)介于0.272～0.778，平均值为0.442。由图2(a)可知，除4、5、12 3个样点的最小数据集指标的土壤质量指数大于全量指标数据集的土壤质量指数外，其余最小数据集指标的土壤质量指数均小于全量指标数据集的土壤质量指数，且最小数据集指标的土壤质量指数曲线的变化趋势与全量指标数据集的土壤质量指数曲线变化趋势相同。进一步对SQI-TDS和SQI-MDS进行线性拟合(图2(b))得出二者关系为：MDS=1.341TSD-0.240，R2=0.601，P=0，由其可知，最小数据集指标的土壤质量指数与全量指标数据集的土壤质量指数呈极显著正相关关系。说明建立的紫色土耕层土壤质量评价的最小数据集能够较好地反映全量数据集对紫色土耕层土壤质量评价的信息，且评价结果具有较好的代表性。

对最小数据集的各个指标与其土壤质量指数进行相关分析，得出最小数据集土壤质量指数与耕层厚度、有机质呈显著正相关关系，相关系数分别为0.543*、0.767**，与贯入阻力、密度呈显著负相关关系，相关系数分别为-0.525*、-0.578**。这说明各个指标在一定范围内变化时，耕层厚度越大、有机质含量越多，贯入阻力、密度越小，耕层土壤质量指数越大，即耕层土壤质量越好。

图2 基于最小数据集和全量数据集的耕层土壤质量指数变化特征Fig.2 Changing characteristics of soil quality index of a cultivated-layer based on minimum data set and full data set

3.3 紫色土坡耕地耕层土壤质量评价

土壤质量指数能够反映土壤综合特性，对土壤质量评价指标集成，将各个指标标准化转换成0～1量纲一的值，数值越大土壤质量越好。本文采用耕层评价MDS对不同区域紫色土坡耕地耕层土壤质量进行评价。由表5可见，紫色土坡耕地耕层土壤质量指数依次为云南楚雄(0.627)>广西桂林(0.433)>江西兴国(0.421)>广东南雄(0.410)，表明云南楚雄坡耕地耕层土壤质量较好，广西桂林次之，广东南雄最差。对耕层最小数据集(MDS)特征值进一步分析可见，耕层厚度表现为云南楚雄和江西兴国较厚，在 20～25 cm范围变化，平均22.5 cm；广西桂林的耕层厚度较薄，在15～18 cm范围变化，平均17.13 cm。贯入阻力表现为广东南雄(1.91 kg/cm2)和广西桂林(1.91 kg/cm2)较大，其次是江西兴国(0.82 kg/cm2)，云南楚雄(0.56 kg/cm2)最小。土壤密度表现为广东南雄(1.43 g/cm3)>江西兴国(1.3 g/cm3)>广西桂林(1.22 g/cm3)>云南楚雄(1.02 g/m3)。从中可以看出基本上是土壤质量指数越大，贯入阻力越小，密度越小，有机质含量越多，饱和导水率越大。综合前人研究成果[3,13,22]和野外调查试验结果分析，紫色土坡耕地最小数据集各个指标适宜值范围如下表所示。

表5 坡耕地耕层土壤质量评价最小数据集变化特征Tab.5 Variation characteristics of minimum data set for soil quality assessment in the cultivated-layer of slope farmland

注：“—”表示“无此数据”。Notes: “—” refers to “no data”.

由表5可知：云南楚雄坡耕地的贯入阻力和密度的平均值均比适宜性值小；广西桂林紫色土坡耕地耕层厚度平均值比适宜性范围值薄，其余地点耕层厚度均在适宜值范围内；江西兴国紫色土坡耕地砂粒含量略高于适宜性值，贯入阻力、有效磷、饱和导水率均小于适宜性值，其中饱和导水率最差仅为适宜性值得4.19%。广东南雄紫色土坡耕地密度略高于适宜性值，土壤有机质低于适宜性值，其余各指标值均在适宜性范围内。

4 讨论

最小数据集(MDS)是反映土壤质量的最少指标结合，对科学评估坡耕地耕层土壤质量高低，实现坡耕地土壤侵蚀有效阻控有着重要意义。坡耕地耕层土壤质量评价是对坡耕地耕层土壤质量情况的判别和鉴定，评价指标应尽可能地简明实用，易于量化，可操作性强，且能反映地区实际情况[23]。对坡耕地土壤质量进行评价，所选取的指标应该对坡耕地地力有较大的影响，在评价的区域内变异性较大，指标间相互独立的，具有实际意义。针对坡耕地耕层土壤质量本文以土壤物理、化学和力学指标主要从坡耕地生产性能、坡耕地侵蚀特征方面来衡量坡耕地耕层土壤质量。综合土壤质量评价相关研究，结合紫色土的特性及数据可获得性，分别选择土壤物理、化学、力学特性拟选取13个指标作为最小数据集指标筛选的初始指标。土壤物理指标6个有土壤密度、土壤质地(粉粒、砂粒、黏粒)、饱和导水率、耕层厚度。土壤力学指标2个贯入阻力、抗剪强度；土壤化学指标5个有土壤有机质、pH值、全氮、有效磷、速效钾。由于紫色土供钾能力较好[24]，故在将速效钾从最小数据集指标筛选的初始指标中剔除。所以本文中最小数据集指标筛选的初选取指标为密度、土壤质地(粉粒、砂粒、黏粒)、饱和导水率、贯入阻力等12个土壤属性指标。

由表6可见由于研究区域不同和评价的目的不同，评价的指标体系的选取存在很大的差异。但是有机质作为土壤肥力的重要指标，被普遍的使用。所以在对紫色土坡耕地耕层土壤质量评价指标的选取时应注意选取的指标能对坡耕地地力影响较大，且在研究区域内变异性较大，稳定性好能够长期使用，指标与指标之间相关性较小，避免指标间的冗余问题，具有较好的操作性。总的来说，建立坡耕地合理耕层土壤质量评价最小数据集初选指标的选择应该针对研究区的特点和主要评价目的进行具体的分析和选择。在后续研究中，增加四川盆地紫色土坡耕样本量，进一步筛选出对生产性能和侵蚀性能的敏感指标，提高最小数据集的普适性和实践价值。

表6 基于评价目的评价指标体系对比Tab.6 Comparison of evaluation index system based on evaluation purpose

5 结论

1)紫色土坡耕地耕层土壤养分比较贫瘠，土壤化学指标变异性大于物理指标变异性。土壤有机质(14.89 g/kg)、全氮(0.85 g/kg)为四级水平，有效磷(28.84 mg/kg)为二级水平；土壤密度、粉粒含量、耕层厚度、pH值变异性较小；砂粒含量、贯入阻力、抗剪强度、全氮变异性一般；黏粒含量、饱和导水率、有机质、有效磷变异性较大。

2)紫色土坡耕地耕层土壤质量评价最小数据集(MDS)由土壤密度、砂粒含量、饱和导水率、耕层厚度、贯入阻力、有机质、有效磷组成；最小数据集可以较好地反映紫色土坡耕地耕层土壤质量优劣；但对同一地块而言，基于最小数据集的土壤质量指数(0.442)小于全量数据集的土壤质量指数(0.508)。

3)根据调查，紫色土坡耕地耕层土壤质量依次为云南楚雄(0.627)>广西桂林(0.433)>江西兴国(0.421)>广东南雄(0.410)。云南楚雄障碍表现为贯入阻力和密度偏小，广西桂林障碍表现为耕层浅薄，江西兴国障碍表现为砂粒含量略高，饱和导水率低，广东南雄障碍表现为土壤有机质含量低。