土默川平原盐渍化土地不同利用方式的土壤质量评价

高 娃，景宇鹏，樊明寿，郜翻身，郑海春，陈玉海

（1．内蒙古农业大学，内蒙古 呼和浩特 010019；2．内蒙古农牧业科学院资源环境与检测技术研究所，内蒙古 呼和浩特 010031；3．内蒙古自治区土壤肥料和节水农业工作站，内蒙古 呼和浩特 010011）

土壤质量是表征土壤条件动态变化最敏感的指标，对退化土地恢复、区域土地资源管理和持续利用具有重要意义［1-2］。而土地利用方式作为人类利用土地各种活动的综合反映，是影响土壤质量变化的最直接最深刻的因素［3-4］。土地利用方式的变化必然会导致土壤性质和土地生产力的改变［5］。近年来，众多学者针对不同土地利用方式下土壤物理特性［6-10］、化学特性［11-18］、微生物特性［19-20］变化和土壤质量综合评价［2-5，21-24］方面做了大量的研究，并取得了显著成果。因地制宜的土地利用方式可以改善土壤理化性状、土壤微生物及其群落结构，维持和提高土壤质量。反之，不适宜的土地利用方式会对土壤产生不利影响，导致土壤质量下降，加剧土壤退化［25］。

土默川平原是内蒙古主要粮食生产基地之一［26］，也是黄河上中游盐碱区的重要组成部分，盐渍土面积约15.3×104hm2。该地区土壤盐渍化和次生盐渍化严重，生态环境极其脆弱。随着土壤退化和土地资源的紧缺，盐渍化土壤作为后备土地资源，其开发与利用逐渐受到人们的重视。而在盐渍化土地资源开发过程中必须寻求科学合理的方法进行改良利用［27-28］，从而提高土地利用效率，降低二次退化风险。因此，研究土地利用方式对盐渍化土壤质量的影响，对科学管理和开发利用盐渍化土壤资源，提高土地生产力，改善区域生态环境，促进农牧业的可持续发展具有重要的意义。目前我国在不同土地利用方式下盐渍化土壤质量评价方面的研究大多集中在西北盐碱区［29-34］、东北盐碱区［35］、滨海盐碱区［36-38］，而在黄河上中游盐碱区的研究尚未有报道。为此，本文以土默川平原5 种典型的盐渍化土地利用方式为研究对象，获取不同土地利用方式下的土壤物理、化学、生物学指标，采用主成分分析方法确定土壤质量评价指标，利用SMAF 模型综合评价不同利用方式下的土壤质量，以期为该地区建立可持续的土地利用模式及区域生态恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于土默特左旗内蒙古农业大学海流图现代农牧业科技园区（40°41′30″N，111°22′30″E），地处土默川平原中部，属于典型的中温带大陆性半干旱气候，年平均气温5.8℃，≥10℃年积温1700～3200℃，无霜期90～132d［39］；年平均降水量417.5mm，70%降水集中在7～9月，年平均蒸发量为1800～2000mm，蒸降比为4.69；常年以西北风为主［40］。该园区建于2008 年，占地面积520hm2，园区自然植被以中旱生和湿生性植物为主，常见优势种有黄蒿、冰草、狗尾草等，非地带性盐生植被有盐爪爪、碱蓬、盐角草、芨芨草、马蔺、山苦荬、芦苇等；土壤类型为苏打盐化潮土。园区内土壤成土母质、植被类型等环境条件基本一致。

1.2 样地选择

2016 年8 月在园区的5 种土地利用方式（盐荒地、改良地、牧草地、林地、农田地）地块中进行取样。除盐荒地外，其余4 种土地利用类型均统一施用脱硫石膏和有机肥后进行自然植被恢复、牧草种植（紫花苜蓿）、林木育苗（杨树）和农田开发（种植玉米）（表1）。文中以没有开发利用的盐荒地为对照，分析不同土地利用方式下土壤质量。

表1 取样点基本情况

1.3 样品采集

在每种土地利用方式下分别按照随机设点方式挖取4 个土壤剖面，每个剖面点距离约200～300m。按照0～10、10～20、20～40cm 土层进行分层土壤取样。将采集的土壤样品分为4 份，一份置于铝盒内用于土壤含水量测定；一份置于4℃冰箱，用于土壤微生物数量测定；一份取原状土置于硬质保鲜盒，带回实验室，掰成10mm 的小土块自然风干，用于土壤结构分析；一份装入自封袋带回实验室自然风干，用于土壤化学指标的测定；同时在挖掘剖面时用环刀采集原状土壤用于土壤物理指标的测定。

1.4 土壤样品及数据分析

1.4.1 样品测定

参照土壤农化分析标准测定土壤物理、化学指标。土壤容重、毛管孔隙度及土壤水分物理性质用环刀法测定，土壤团聚体用干筛法测定；土壤pH 值用土水比（1∶5）pH 计法测定；土壤盐分离子采用土水比为1∶5 浸提，Cl-用AgNO3滴定法、和用双指示剂中和滴定法、用EDTA 容量法、Ca2+和Mg2+用EDTA 络合滴定法测定，Na+和K+用差减法计算，土壤阳离子交换量用乙酸钠-火焰光度法测定；土壤交换性钠含量用乙酸铵-氢氧化铵交换-火焰光度法测定；土壤有机质用重铬酸钾外加热法，全氮用凯氏定氮法，碱解氮用碱解扩散法［41］，铵态氮用2mol·L-1KCl 浸提-靛酚蓝比色法，硝态氮用双波长紫外分光光度法［42］，有效磷用碳酸氢钠浸提-比色法，土壤速效钾用乙酸铵浸提-火焰光度法［41］；细菌用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基-平板培养计数法，放线菌基础培养基用高氏1 号培养基-平板培养计数法，真菌基础培养基用马丁氏培养基-平板培养计数法［43］。

土壤碱化度=（交换性钠含量／阳离子交换量）×100%。

土壤全盐（g·kg-1）=8 种盐分离子质量分数（g·kg-1）之和。

0～40cm 土层的土壤物理、化学、微生物指标值为0～10、10～20、20～40cm3 个土层土壤测试数据平均值。

1.4.2 土壤质量评价方法

利用土壤管理评价框架工具SMAF 模型，对不同土地利用方式下的土壤质量进行评价［44］。

（1）评价指标确定：利用主成分分析和相关性分析方法确定土壤质量评价的指标。

（2）评价指标赋分值确定：分别利用线性和非线性赋分函数法对评价指标进行赋分［45］计算得出的赋分值范围为0～1。其中计算线性土壤质量指数（SQI-1 和SQI-3）时采用线性赋分函数法，计算非线性土壤质量指数（SQI-2 和SQI-4）时采用非线性赋分函数法。具体公式如下：

线性赋分函数：

应用公式（1）确定指标含量越多越好型的土壤指标，如：土壤有机质、田间持水量等；应用公式（2）确定指标含量越少越好型的土壤指标，如土壤全盐量、碱化度等。式中，SL为线性赋分值；X 为每个评价指标的含量，Xmax为最大值，Xmin为最小值。

非线性赋分函数：

式中，SNL为非线性赋分值；X 为每个评价指标的含量，Xm为该评价指标含量的平均值；a 为评价指标所能得到的最大值，本文中确定a 为1；b 为斜率，根据每个指标特性来分别确定，将指标含量越少越好型的土壤指标的b 值设定为+2.5，指标含量越多越好型的设定为-2.5。

（3）评价指标权重确定：采用主成分分析方法确定。即评价指标的主成分的特征根与所有评价指标的特征根加和的比值。

（4）土壤质量指数：对所有的评价指标完成赋分后，应用公式（4）计算得出的土壤质量指数为土壤评价指标赋分值的平均值，应用公式（5）计算得出的土壤质量指数是土壤质量评价指标赋分值与相应权重相乘的加和值［44，46］。

式中，SQIA为无权重土壤质量指数，SQIw为有权重土壤质量指数，Si为i 指标的赋分值；Wi为i指标的权重值；n 为评价指标的个数。

进一步结合线性赋分和非线性赋分值分别计算线性无权重土壤质量指数SQI-1、非线性无权重土壤质量指数SQI-2、线性有权重土壤质量指数SQI-3、非线性有权重土壤质量指数SQI-4。通过分析这4 种土壤质量指数的差异，判断这4 种土壤质量指数在盐渍化土壤质量评价中的可行性及准确度，为更准确地判断盐渍化土地利用方式变化对土壤质量的影响提供科学信息。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下土壤物理性质比较

不同土地利用方式下0～40cm 土壤物理性质见表2。土壤含水量表现为农田地和改良地土壤含水量明显高于其他3 种利用方式，这与该地区灌溉有很大关系。土壤饱和持水量以林地最高，为（29.73±0.56）%，盐荒地最小，为（22.74±0.43）%。土壤毛管持水量表现为牧草地、林地和农田地较高，均大于23.0%，盐荒地和改良地较小，小于21.0%。土壤田间持水量表现为牧草地最大，农田地次之，改良地最小。

土壤容重而言，与盐荒地比，其他4 种土地利用类型下降了11.2%～15.9%。总孔隙度与容重相反，其他4 种利用类型较盐荒地提高了21.0%～26.1%。

2.2 不同土地利用方式下土壤化学性质比较

不同土地利用方式下0～40cm 土壤化学性质见表2。不同土地利用方式下土壤有机质最高为林地，含量为（18.20±0.52）g·kg-1，最小为盐荒地，含量为（5.39±0.54）g·kg-1。

土壤全氮也表现为林地最高，盐荒地最小。从土壤速效养分看，土壤碱解氮、速效钾变化规律一致，均以林地最高，牧草地次之，盐荒地最小，而土壤有效磷表现为林地最高，农田地次之，盐荒地最小。林地的速效养分含量高于其他利用类型，这与林地凋落物增加了土壤腐殖质含量，从而提高了土壤速效养分的含量［47］有关。土壤硝态氮变化规律与碱解氮一致，土壤铵态氮则以牧草地最高，林地次之，盐荒地最小。不同土地利用方式下的土壤不同粒径团聚体有机碳含量变化规律基本一致，林地、农田地、牧草地、改良地均显著高于盐荒地。

土壤pH 值而言，盐荒地土壤pH 值最大，达（10.29±0.17），改良地次之，为（9.12±0.36），农田地最小，为（7.78±0.16）。不同土地利用方式的土壤全盐量和土壤碱化度的变化规律与pH 值一致。说明林地、农田地、牧草地和改良地4 种土地利用方式均能有效地降低土壤盐渍化程度，以林地、农田地和牧草地的效果更为显著。

2.3 不同土地利用方式下土壤微生物性质比较

从微生物数量来看（表2），细菌数量以农田地最高，达（83.55±5.02）×104cfu·g-1，林地次之，为（69.67±13.57）×104cfu·g-1，其余依次为牧草地、盐荒地、改良地，分别为（64.33±11.55）×104、（48.89±8.50）×104、（42.44±4.30）×104cfu·g-1。真菌和放线菌数量均以林地最高。从微生物总量来看，林地、农田地、牧草地显著高于盐荒地和改良地。

表2 不同土地利用方式下0～40cm 土层土壤指标值

2.4 土壤质量指标主成分分析

采用主成分分析对32 项土壤质量指标进行分析，有6 个主成分的特征根值大于1，且其累积贡献率达到92.10%（表3），因此，用这6 个主成分来构建土壤质量评价指标体系。主成分1 中具有高载荷的土壤指标为9 个，分别为土壤有机质、全氮、有效磷、＜0.25mm 团聚体有机碳、0.25～0.5mm 团聚体有机碳、0.5～1mm 团聚体有机碳、1～2mm 团聚体有机碳、2～5mm 团聚体有机碳和＞5mm 团聚体有机碳，主要反映了土壤养分特征；主成分2 中具有高载荷的土壤指标为3 个，分别为钙离子、硫酸根离子、全盐量，主要反映了土壤盐渍化特征；主成分3 中具有高载荷的土壤指标为4 个，分别为土壤含水量、饱和含水量、毛管持水量和田间持水量，主要反映了土壤水分物理特征；主成分4 中具有高载荷的土壤指标为碳酸根离子和细菌，主要反映土壤盐渍化特征和生物特征；主成分5 和6 中具有高载荷的土壤指标均有一个，分别为铵态氮和氯离子，分别反映了土壤养分特征和盐渍化特征。最终，选择上述20 个高载荷的土壤指标来构建土壤质量评价指标体系。

2.5 土壤质量评价指标及权重确定

根据土壤质量评价因子代表性和相对独立性原则，对主成分分析得出的20 个高载荷土壤质量评价指标做进一步的相关性分析（表4）。结果表明：第1 主成分的9 个土壤指标间均极显著正相关，且2～5mm 团聚体有机碳与其它指标的相关系数的加和（13.47）高于有机质（12.03）、全氮（12.15）、 有 效 磷（11.58）、＜0.25mm 团 聚体 有 机 碳（12.67）、0.25～0.5mm 团 聚 体 有 机碳（12.43）、0.5～1mm 团聚体有机碳（13.29）、1～2mm 团聚体有机碳（13.02）和＞5mm 团聚体有机碳（12.48），因此选择2～5mm 团聚体有机碳代表主成分1 作为评价指标；第2 主成分的3 个土壤指标间均极显著正相关，且全盐量与其它指标的相关系数的加和（10.62）高于钙离子（7.93）、硫酸根离子（5.15），因此选择全盐量代表主成分2 作为评价指标；第3 主成分的4 个土壤指标间均呈显著相关，且饱和含水量与其它指标的相关系数的加和（11.75）高于毛管持水量（10.49）、田间持水量（8.60）、含水量（7.14），因此选择饱和含水量代表主成分3 作为评价指标；第4 主成分的2 个土壤指标间极显著负相关，且细菌与其它指标的相关系数的加和（10.69）高于碳酸根（5.15），因此选择细菌代表主成分4 作为评价指标；主成分5 和6 中均仅有1 个具有高载荷的土壤指标，因此选择铵态氮和氯离子分别代表主成分5 和6 作为评价指标。

表3 土壤质量指标的主成分分析结果

表4 土壤指标的相关性统计分析

最终，确定2～5mm 团聚体有机碳、全盐量、饱和含水量、细菌、铵态氮和氯离子6 个土壤指标构成本研究中土壤质量指数评价指标，其分别代表了盐渍化特征（全盐量、氯离子）、土壤水分物理特征（饱和含水量）、养分特征（2～5mm 团聚体有机碳、铵态氮）和微生物特征（细菌）4 个方面。

根据表3 中给出的6 个主成分的特征根，计算2～5mm 团聚体有机碳、全盐量、饱和含水量、细菌、铵态氮和氯离子6 个土壤质量评价指标的权重。其分别为0.35、0.23、0.17、0.10、0.08 和0.06。可见，2～5mm 团聚体有机碳和全盐量的权重较大，说明对土壤质量指数贡献较大，细菌、铵态氮和氯离子的权重均小于0.1，其贡献较小。

另外，根据线性和非线性赋分函数确定各指标的赋分值。6 个土壤质量评价指标中，2～5mm 团聚体有机碳、饱和含水量、细菌、铵态氮属于越多越好型，而全盐量和氯离子属于越少越好型。基于上述分析，建立土壤质量指数方程为：

2.6 不同土地利用方式下土壤质量评价

不 同 土 地 利 用 方 式 下0～10、10～20、20～40cm 土层4 种土壤质量指数见图1。0～10cm 土层4 个土壤质量指数中林地、牧草地和农田地土壤质量指数显著高于盐荒地。其中SQI-1 和SQI-2 的分析结果表明，牧草地的土壤质量指数显著高于盐荒地，而牧草地与农田地、林地无显著差异，盐荒地和改良地无显著差异；SQI-3 和SQI-4分析结果表明，牧草地的土壤质量指数显著高于盐荒地，而牧草地与农田地、林地无显著差异，改良地的土壤质量指数显著高于盐荒地。10～20cm 土层不同土地利用方式4 个土壤质量指数规律一致，均表现为农田地＞林地＞牧草地＞改良地＞盐荒地。其中SQI-1 分析结果表明，农田地的土壤质量指数显著高于盐荒地，改良地显著高于盐荒地，农田地和林地无显著差异，牧草地与改良地无显著差异；SQI-2 的分析结果表明，农田地的土壤质量指数显著高于盐荒地，改良地显著高于盐荒地，农田地与林地、牧草地无显著差异；SQI-3 和SQI-4 的分析结果表明，农田地的土壤质量指数显著高于林地、改良地和盐荒地，林地显著高于改良地和盐荒地，改良地显著高于盐荒地，而林地和牧草地之间无显著差异。20～40cm 土层4 个土壤质量指数中林地和农田地的土壤质量指数最大，盐荒地最小，但不同耕地质量指数有差异。其中SQI-1 分析结果表明，林地土壤质量指数显著高于牧草地、改良地和盐荒地，但与农田地无显著差异，牧草地和改良地的土壤质量指数则显著高于盐荒地。SQI-3 分析结果表明，农田地的土壤质量指数显著高于改良地和盐荒地，改良地显著高于盐荒地，农田地与林地和牧草地无显著差异。SQI-2 和SQI-4 分析结果表明，农田地、林地、牧草地、改良地的土壤质量指数均显著高于盐荒地。

图1 不同土地利用方式的4 种土壤质量指数

不同土地利用方式下0～40cm 土层4 个土壤质量指数间均有一定程度的变异。其中SQI-4 的变异系数（0.26）最大，其余依次为SQI-3（0.20）、SQI-2（0.17）、SQI-1（0.14）。SQI-1、SQI-2 和SQI-4 分析结果均表明，农田地、林地、牧草地的土壤质量指数显著高于改良地和盐荒地，改良地的显著高于盐荒地；SQI-3 分析结果表明，农田地的土壤质量指数为最高，显著高于其它土地利用类型，林地的土壤质量指数显著高于改良地和盐荒地，而与牧草地无显著差异。改良地的土壤质量指数显著高于盐荒地。

3 讨论

不同土地利用方式，由于地面覆被差异和人为干扰使得土壤养分富集和再分配作用不同。本研究表明，土壤理化及微生物指标对土地利用方式响应不同，存在一定差异。将盐荒地开发为林地、牧草地、农田地和改良地后可降低全盐量50.3%～83.5%，增加土壤有机质49.75%～237.7%。较多研究表明，盐碱地上种植人工林［36-37］、牧草［35］、农作物［34］后可有效降低土壤容重、含盐量，增加有机质及速效养分含量，提高土壤质量。从测定的32 项土壤指标选取了2～5mm 团聚体有机碳、全盐量、饱和含水量、细菌、铵态氮和氯离子作为土壤质量评价指标，分别代表了盐碱特征（全盐量、氯离子）、土壤水分物理特征（饱和含水量）、养分特征（2～5mm 团聚体有机碳、铵态氮）、微生物特征（细菌）4 个方面。鉴于目前土默川平原盐渍化土壤质量评价方面的研究较少，本研究确定的盐渍化土壤质量评价指标体系对于今后该区域的土壤质量研究和实践具有参考意义。土壤质量评价指标中，2～5mm 团聚体有机碳和全盐量对土壤质量指数的贡献较大，分别为35%和23%，这与研究区的基础情况有直接关系。由于研究区内的基础土壤有机碳含量较低［2～5mm 团聚体有机碳平均为（2.12±0.11）g·kg-1］，且盐渍化程度较重［盐荒地全盐含量为（4.96±0.20）g·kg-1］，因此土壤质量对2～5mm 团聚体有机碳含量和全盐量的变化非常敏感，是该区域土壤质量最主要的限制因子。4 个土壤质量指数均能反应研究区内不同土地利用方式下土壤质量的变化情况，但也存在一定的差异性。从4 个土壤质量指数在不同土地利用方式间的变异系数看，大小依次为SQI-4（0.26）＞SQI-3（0.20）＞SQI-2（0.17）＞SQI-1（0.14），说明增加评价指标的权重计算土壤质量指数方法（SQI-4 和SQI-3）可提高各评价指标对土地利用方式变化的敏感性，更好地区分不同土地利用方式下的土壤质量差异。这与禹朴家［35］在松嫩碱化草地上的研究结果一致；较线性赋值方法（SQI-3、SQI-1）而言，非线性赋值方法（SQI-4、SQI-2）对土壤质量变化更为敏感。但有研究认为，线性赋分函数法优于非线性赋分函数法［46］，这可能与不同区域选取的土壤质量敏感性指标不一样有关。4 个土壤质量指数的分析结果均表明，盐荒地的土壤质量指数显著低于其他土地利用类型。说明将盐荒地开发为农田地、林地、牧草地和改良地均有利于盐荒地土壤可持续利用。其中农田地、林地和牧草地的土壤质量指数较高，改良地次之。农田地土壤质量指数高可能与每年大量使用有机肥以及频繁的耕作制度有关。从0～40cm 土层的综合结果来看，农田地、林地和牧草地的土壤质量指数均较高，且差异很小，表明农田地、林地和牧草地均属于研究区内合理的土地利用方式。

4 结论

（1）不同土地利用方式的土壤物理、化学、生物性状存在一定差异。综合来看，林地、牧草地、农田地和改良地均能有效降低土壤盐渍化程度，改善土壤物理性状，增加土壤养分和微生物数量。

（2）结合主成分分析和相关性分析确定的土壤质量评价指标为2～5mm 团聚体有机碳、全盐量、饱和含水量、细菌、铵态氮和氯离子，分别代表盐碱特征（全盐量、氯离子）、土壤水分物理特征（饱和含水量）、养分特征（2～5mm 团聚体有机碳、铵态氮）、微生物特征（细菌）4 个方面，对该区域盐渍化土壤质量评价研究具有重要参考意义。

（3）4 个土壤质量指数均能反应研究区内不同土地利用方式下土壤质量的变化情况，均表现为农田地、林地和牧草地的土壤质量指数较高，改良地次之，盐荒地最小。