天津小站稻種植區(qū)土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)①

江勝國(guó)，肖 蒙，劉廣明*，詹華明*，王志剛，王西玉

天津小站稻種植區(qū)土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)①

江勝國(guó)1，肖 蒙2，劉廣明2*，詹華明1*，王志剛1，王西玉1

(1 天津市地質(zhì)研究和海洋地質(zhì)中心，天津 300170；2 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008)

為了解天津小站稻種植區(qū)土壤養(yǎng)分水平與肥力狀況，本次調(diào)查分析了稻田土壤pH、鹽分、有機(jī)質(zhì)、速效量和全量氮磷鉀、銅錳硫等中微量元素共24項(xiàng)指標(biāo)，通過(guò)主成分分析法對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：研究區(qū)土壤pH介于7.80 ～ 8.95，平均鹽分含量為1.6 g/kg，有機(jī)質(zhì)、全氮與堿解氮含量屬于中下水平，鉀素含量豐富而磷素缺乏，中微量元素銅、錳、硫含量比較豐富；銅、硫、鋅等與土壤速效鉀及脲酶活性呈顯著正相關(guān)，錳與酶活性和土壤速效養(yǎng)分呈顯著負(fù)相關(guān)；利用最小數(shù)據(jù)集方法篩選得到有機(jī)質(zhì)、速效鉀、鹽分等11個(gè)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)組成最小數(shù)據(jù)集，與全量數(shù)據(jù)集具有顯著相關(guān)性。綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，處于Ⅰ等級(jí)和Ⅱ等級(jí)質(zhì)量水平的土壤面積占研究區(qū)面積的55.14%，有機(jī)質(zhì)、全鉀及有效銅含量豐富，土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果較優(yōu)，建議對(duì)土壤增加鹽堿改良措施并補(bǔ)施磷肥。本研究可為提高小站稻耕作區(qū)土壤質(zhì)量提供重要理論依據(jù)，助力天津市小站稻振興戰(zhàn)略。

天津小站稻；土壤質(zhì)量；主成分分析；綜合評(píng)價(jià)

土壤質(zhì)量常被定義為土壤在自然生態(tài)系統(tǒng)中或土地利用邊界范圍內(nèi)維持植物和動(dòng)物生產(chǎn)力健康發(fā)展的能力[1]。為系統(tǒng)定量地揭示土壤質(zhì)量發(fā)展水平，常需要一種或幾種評(píng)價(jià)方法。土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法主要有綜合指數(shù)法[2]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[3]和土壤質(zhì)量指數(shù)法等[4-5]。其中，土壤質(zhì)量指數(shù)法能夠充分考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值、權(quán)重及指標(biāo)間相互作用而被廣泛使用[6]。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中需考慮到多種土壤理化指標(biāo)[7]，如有機(jī)質(zhì)、全氮等，特殊的有無(wú)脊椎動(dòng)物如線蟲、蚯蚓等土壤動(dòng)物指標(biāo)，它們可以反映土壤中有毒物質(zhì)含量[8]。近年來(lái)，土壤微生物數(shù)量及酶活性指標(biāo)也常作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[9]。而考慮到以上眾多評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，容易模糊研究重點(diǎn)，需要根據(jù)研究目標(biāo)有針對(duì)性地篩選最具代表性指標(biāo)。

最小數(shù)據(jù)集(minimum data set，MDS)最早是由Larson 和 Pierce提出的一種土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的工具，可以輔助篩選最能反映土壤質(zhì)量的指標(biāo)，反映出土壤質(zhì)量最少的指標(biāo)參數(shù)的集合[10]，常用來(lái)評(píng)估和監(jiān)測(cè)耕地土壤質(zhì)量變化[11]。在構(gòu)建MDS時(shí)常用到的方法有主成分分析法、聚類分析、典范對(duì)應(yīng)分析等，其中，主成分分析法(PCA)可將多個(gè)變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)且包含信息不重復(fù)的綜合指標(biāo)，最大限度地保留原始數(shù)據(jù)信息，應(yīng)用頻率最高[12-13]。目前，應(yīng)用 PCA構(gòu)建 MDS后結(jié)合土壤質(zhì)量指數(shù)法已成為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)研究中較常用的方法，還可結(jié)合GIS展現(xiàn)土壤質(zhì)量等級(jí)分布[14]。

天津地處華北平原北部，東臨渤海，具有先天利于水稻生長(zhǎng)的生態(tài)氣候和地理位置。隨著天津市稻作經(jīng)濟(jì)農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，天津小站稻以其醇香口感、豐富營(yíng)養(yǎng)價(jià)值在國(guó)內(nèi)和天津市場(chǎng)都獲得了較大的認(rèn)可度和品牌影響力，天津小站稻的種植面積在2021年將達(dá)到100萬(wàn)畝(15畝=1 hm2)，主要分布在寶坻區(qū)和寧河區(qū)。目前對(duì)于天津小站稻生長(zhǎng)條件的專項(xiàng)調(diào)查及影響因素研究未見系統(tǒng)性報(bào)道，為實(shí)現(xiàn)小站稻的提質(zhì)增產(chǎn)，對(duì)天津稻田土壤質(zhì)量及環(huán)境要素開展深入研究是非常必要的。本次調(diào)查采集了小站稻適宜生長(zhǎng)區(qū)的土壤樣品，選取了土壤鹽分、pH、有機(jī)質(zhì)等共24項(xiàng)主要理化指標(biāo)，并加入了與作物品質(zhì)相關(guān)的土壤中微量元素指標(biāo)，系統(tǒng)探討了影響小站稻生長(zhǎng)的土壤因素，采用主成分分析與最小數(shù)據(jù)集方法，篩選得到影響天津市小站稻的土壤質(zhì)量主要指標(biāo)，得出不同樣點(diǎn)土壤質(zhì)量綜合得分并進(jìn)行等級(jí)劃分，綜合評(píng)價(jià)了研究區(qū)土壤質(zhì)量，將為小站稻種植推廣及品質(zhì)提升提供一定理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天津小站稻產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃區(qū)內(nèi)(圖1)，面積約160 km2，主要包括寶坻區(qū)黃莊鎮(zhèn)及其周邊區(qū)域，屬于河流沖積型和濱海型平原地貌，地形以平原為主，其次為洼地，海拔從北部寶坻區(qū)到南部津南區(qū)逐漸下降。由于永定河沖擊扇尾部向東緩慢傾斜，造成研究區(qū)西北高、東南部低的地勢(shì)。南部由于地勢(shì)低洼和第四紀(jì)經(jīng)歷海侵等原因，表層沖海積沉積層發(fā)育，土壤類型多為鹽化潮土。

研究區(qū)屬大陸性–暖溫帶半干旱、半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。主要受季風(fēng)環(huán)流的支配，四季分明，春季多風(fēng)、干旱少雨；夏季炎熱、雨水集中；秋季氣爽、冷暖適中；冬季寒冷、干燥少雪。年平均氣溫11.4 ～ 12.9 ℃，其中1月最低，平均氣溫為–3.0 ～ –5.4 ℃；7月最高，平均氣溫為25.9 ～ 26.7 ℃。春季氣溫迅速回升，由3月的5 ℃ 左右回升至5月的近20 ℃；秋季氣溫下降明顯，11份日平均氣溫降至4 ～ 6 ℃。年平均降水量為520 ～ 660 mm，降水天數(shù)63 ～ 70 d。在地區(qū)分布上，山地多于平原，沿海多于內(nèi)地；在季節(jié)分布上，6、7、8三個(gè)月份的降水量占全年的75% 左右。年蒸發(fā)量為1 500 ～ 2 000 mm，全年以5月份蒸發(fā)量最大。年日照時(shí)數(shù)2 470 ～ 2 900 h，全年5月份日照最長(zhǎng)，總輻射量也最大。7、8月份平均相對(duì)濕度最大，達(dá)80%。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)分布圖

1.2 樣品采集與分析

在研究區(qū)采集40個(gè)樣品(= 40)，采集層位為耕作層，采樣深度為0 ～ 20 cm。區(qū)內(nèi)每4 km2設(shè)1個(gè)采樣區(qū)，在每個(gè)采樣區(qū)內(nèi)，選定代表性點(diǎn)位，然后以代表性點(diǎn)位為中心等距(200 m)選定4個(gè)點(diǎn)位，采用“梅花采樣法”多點(diǎn)取樣，最后組合成一個(gè)樣品，樣品原始重量大于1 000 g。

土壤分析測(cè)定方法均參照《土壤農(nóng)化分析》[11]，測(cè)定指標(biāo)包括：①鹽分指標(biāo)：全鹽含量、電導(dǎo)率、脫鹽率、pH、鹽分八大離子組成等；②物理指標(biāo)：滲漏速率、導(dǎo)水率、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、容重等；③養(yǎng)分指標(biāo)：全氮、速效氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)等；④生物學(xué)指標(biāo)：脲酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶；⑤地球化學(xué)特征：有效銅、有效鐵、有效錳、有效鋅、有效鎳、有效硼、有效鉬、有效硅、有效硒、有效氟、有效硫。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與匯總，Origin 2019繪圖，SPSS 20.0進(jìn)行主成分降維與計(jì)算。

1.3.1 最小數(shù)據(jù)集篩選 選擇與作物品質(zhì)、產(chǎn)量具有顯著相關(guān)性的指標(biāo)進(jìn)行土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)。由于土壤質(zhì)量影響因子眾多，選擇最小數(shù)據(jù)集法對(duì)土壤質(zhì)量影響因子進(jìn)行篩選，其主要原理是利用主成分分析降維得到主要的主成分因子，根據(jù)每個(gè)主成分中載荷的高低(占比90% 以上)得出主要土壤指標(biāo)，其值越大對(duì)該主成分貢獻(xiàn)越大，當(dāng)某一個(gè)主成分中高因載荷變量只有一個(gè)時(shí)則該指標(biāo)直接進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集；當(dāng)高因子載荷變量不止一個(gè)時(shí)則對(duì)各變量分別做相關(guān)性分析，若相關(guān)系數(shù)均低(<0.7)時(shí)，各指標(biāo)均被選入最小數(shù)據(jù)集，若相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)高值(>0.7)，最大的高因子載荷指標(biāo)(2個(gè)指標(biāo)時(shí))或相關(guān)系數(shù)之和最大的高因子載荷指標(biāo)(2個(gè)以上指標(biāo)時(shí))被選入最小數(shù)據(jù)集[6, 15]。

1.3.2 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià) 主成分因子載荷是主成分因子與原始變量因子之間的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)主成分分析得到初始因子載荷矩陣值，主成分載荷矩陣除以主成分相對(duì)應(yīng)特征值再開平方根，即為各個(gè)主成分中每個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的系數(shù)—特征向量?？捎上铝泄接?jì)算得：

在進(jìn)行土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)時(shí)，可以利用主成分得分對(duì)不同級(jí)別土壤質(zhì)量進(jìn)行排序，各主成分的特征向量與各土壤指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)的乘積之和得出各主成分得分，本次評(píng)價(jià)共采用土壤指標(biāo)24個(gè)，為了更清楚直觀地比較不同樣點(diǎn)的土壤質(zhì)量狀況，需要計(jì)算各因子得分，即：

由上述方程可得到每個(gè)樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的主成分得分，形成主成分矩陣，最后根據(jù)每個(gè)主成分因子的權(quán)重得到綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)，具體方程如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)及酶活性

由表1所示，研究區(qū)土壤電導(dǎo)率范圍在400 ～ 1 550 μS/cm，離散程度較大；pH介于7.80 ～ 8.42，均值為8.04；平均鹽分含量為0.97 g/kg，變異系數(shù)為14%；有機(jī)質(zhì)含量為12.10 ～ 31.40 g/kg，均值為20.09 g/kg，變異系數(shù)為22%，屬于弱變異，按照全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[16]，有機(jī)質(zhì)含量位于土壤養(yǎng)分分級(jí)中的Ⅲ級(jí)，屬于中等偏上的養(yǎng)分含量水平；全氮含量為0.84 ～ 1.92 g/kg，全磷含量為0.67 ～ 1.15 g/kg，均屬于養(yǎng)分等級(jí)中的Ⅲ級(jí)水平；有效磷和堿解氮的平均含量分別為18.11 mg/kg和83.64 mg/kg，屬于土壤養(yǎng)分等級(jí)中的Ⅳ級(jí)；全鉀及速效鉀含量豐富，為Ⅰ級(jí)水平；總體而言，研究區(qū)土壤處于有機(jī)質(zhì)、全氮、磷素和pH均較高而土壤鹽分含量較低的現(xiàn)狀。

土壤酶活性是反映土壤新陳代謝強(qiáng)度的重要生化指標(biāo)，影響土壤養(yǎng)分的有效性與植物吸收，可以客觀地反映土壤肥力狀況[17]，常被作為評(píng)價(jià)土壤生物活性和土壤肥力的重要指標(biāo)。土壤中的酶多來(lái)自微生物、土壤動(dòng)物和植物根的根際微環(huán)境，以脲酶、過(guò)氧化氫酶和堿性磷酸酶為典型代表，揭示并反映土壤呼吸強(qiáng)度及促進(jìn)磷素等養(yǎng)分的有效性[18]。對(duì)小站稻種植區(qū)酶活性的調(diào)查顯示(表1)，過(guò)氧化氫酶酶活性平均為97.88 U/g，變異系數(shù)為0.21%，變化幅度較小；磷酸酶范圍在1.19 ～ 9.35 nmol/(d·g)，變異系數(shù)為48.56%，為中強(qiáng)度變異；脲酶活性與磷酸酶活性變化規(guī)律相同。

表1 土壤理化指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)(n=40)

2.2 土壤中微量元素含量變化特征及規(guī)律

土壤中所含的中微量元素對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育及循環(huán)過(guò)程具有重要的意義[19]。對(duì)研究區(qū)的微量元素調(diào)查發(fā)現(xiàn)(表2)，有效銅、有效錳和有效鎳的分散程度較大，變異系數(shù)較高(17% ～ 33%)。其中，有效銅平均含量為5.68 mg/kg，屬高等水平；有效錳平均含量為41.73 mg/kg，根據(jù)天津市土壤微量元素指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[16]屬于極高水平；有效硒的含量最低，在0.01 ～ 0.023 mg/kg；有效鐵的含量在77.8 ～ 214 mg/kg，平均含量為123.79 mg/kg，屬極高水平；有效硅平均含量為363.55 mg/kg，水溶性氟含量在18.7 ～ 25.7 mg/kg，其他中微量元素變異程度較小。

2.3 土壤理化指標(biāo)相關(guān)性分析

由土壤理化指標(biāo)相關(guān)性分析得出(表3)，電導(dǎo)率與pH之間為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，有機(jī)質(zhì)與氮磷全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)，而脲酶與pH、磷酸酶呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)。土壤理化指標(biāo)與有效態(tài)微量元素之間相關(guān)性顯示(表4)，土壤鹽堿指標(biāo)如土壤pH、電導(dǎo)率和水溶性鹽主要與有效鋅、有效硼以及有效態(tài)硫呈顯著的相關(guān)性；脲酶活性與有效銅、有效鋅、有效鎳、有效硼呈極顯著正相關(guān)(<0.01)；土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮?jiǎng)t與有效鐵、有效鉬、有效硅、有效硒及有效硫呈極顯著或顯著正相關(guān)，而與有效錳呈極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01)；速效鉀與有效態(tài)銅、鐵、鋅、鎳、硼均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性(<0.01)；有效錳與有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮等呈顯著的負(fù)相關(guān)(<0.01)，而與全鉀和速效鉀為顯著正相關(guān)(<0.05)。

表2 土壤微量元素指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)(mg/kg, n=40)

2.4 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)分析

2.4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法 基于數(shù)據(jù)調(diào)查及土壤養(yǎng)分與微量元素相關(guān)性分析，選擇土壤pH、電導(dǎo)率、水溶性鹽分等3個(gè)鹽堿度指標(biāo)，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效鉀、有效磷、堿解氮等7個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)，堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶及脲酶等3個(gè)土壤酶活性指標(biāo)，有效銅、有效鐵、有效錳、有效鋅、有效鎳、有效硼等11個(gè)土壤中微量元素指標(biāo)，共24個(gè)相關(guān)指標(biāo)作為土壤評(píng)價(jià)指標(biāo)，并采用主成分分析法對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行降維，選取主成分特征值大于1的主成分因子5個(gè)，累計(jì)貢獻(xiàn)率為71.79%(表5)。

表3 土壤理化指標(biāo)相關(guān)性分析

注：*、** 分別表示相關(guān)性達(dá)<0.05和<0.01顯著水平，下表同。

表4 土壤理化指標(biāo)與有效態(tài)微量元素相關(guān)性分析

2.4.2 最小數(shù)據(jù)集篩選指標(biāo) 根據(jù)主成分分析結(jié)果與指標(biāo)之間的相關(guān)性系數(shù)，得到第一主成分中有機(jī)質(zhì)，全氮，有效磷，中微量元素銅、硫?yàn)橹鲗?dǎo)因子，而根據(jù)其不同指標(biāo)之間的相關(guān)性系數(shù)(表6，> 0.7)，有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性系數(shù)之和最大，因此有機(jī)質(zhì)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。第二主成分中，土壤中微量元素鐵、錳、鋅、鎳、硼為主導(dǎo)因子，不同指標(biāo)的相關(guān)性系數(shù)< 0.7，因此，中微量元素鐵、錳、鋅、鎳、硼均進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。第三主成分中，pH、鹽分與過(guò)氧化氫酶因子載荷系數(shù)較高，其不同指標(biāo)間相關(guān)性系數(shù)< 0.7，因此，3個(gè)指標(biāo)均進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。第四主成分中，速效鉀的相對(duì)因子載荷系數(shù)較高，進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。第五主成分磷酸酶進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集。綜合得出，由有機(jī)質(zhì)，速效鉀，pH，鹽分，過(guò)氧化氫酶，磷酸酶與中微量元素鐵、錳、鋅、鎳、硼等11個(gè)指標(biāo)構(gòu)成可代表絕大多數(shù)土壤指標(biāo)信息的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集。

表5 土壤指標(biāo)主成分因子與特征值

表6 土壤指標(biāo)的因子載荷系數(shù)

2.4.3 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià) 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集(11個(gè)指標(biāo))可概括代表全量數(shù)據(jù)集(24個(gè)指標(biāo))的絕大部分信息。分別對(duì)該11個(gè)指標(biāo)和24個(gè)全部指標(biāo)進(jìn)行土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)，得到對(duì)天津小站稻種植區(qū)的土壤質(zhì)量等級(jí)劃分結(jié)果，并進(jìn)行相關(guān)性分析(圖2)?？芍钚?shù)據(jù)集土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果與全量數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果具有顯著的相關(guān)性(2=0.862 9)，由此可以驗(yàn)證，最小數(shù)據(jù)集能夠代表全量數(shù)據(jù)集的絕大部分信息，可作為土壤評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)。

由土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法結(jié)合主成分分析得到不同樣點(diǎn)的土壤綜合質(zhì)量得分，并根據(jù)總分頻率曲線法[20]，將綜合得分進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)，得到不同樣點(diǎn)的等級(jí)劃分即排序，將研究區(qū)土壤質(zhì)量劃分為4個(gè)等級(jí)，并利用ArcGIS10地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析模塊成圖(圖3)。從樣點(diǎn)數(shù)量分析，Ⅰ等級(jí)樣地10個(gè)，Ⅱ等級(jí)樣地12個(gè)，Ⅲ等級(jí)樣地15個(gè)，Ⅳ等級(jí)樣地3個(gè)。從研究區(qū)面積分析，Ⅰ等級(jí)土壤面積約39.37 km2，占全區(qū)面積的24.61%；Ⅱ等級(jí)土壤面積約48.85 km2，占全區(qū)面積的30.53%；Ⅲ等級(jí)土壤面積約67.92 km2，占全區(qū)面積的42.45%；Ⅳ等級(jí)土壤面積約3.86 km2，占全區(qū)面積的2.41%。

圖2 最小數(shù)據(jù)集與全量數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)綜合得分相關(guān)性

圖3 研究區(qū)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)圖

3 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明天津市小站稻種植區(qū)表層土壤有機(jī)質(zhì)、氮素、磷素含量均為中下等，鉀素含量豐富，土壤大面積缺硒，也有部分土壤缺鉬，而鋅和硼含量中等偏上，銅、錳、硫含量比較豐富。大部分小站稻所在的土壤呈弱堿性，部分呈強(qiáng)堿性；依據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和天津市土壤微量元素指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[16]，有機(jī)質(zhì)含量屬于中等偏低，氮與磷元素缺乏，鉀元素豐富尤其是全鉀含量為極豐富水平，中微量元素有效鐵、錳、銅、鋅、硼的含量均超過(guò)了微量元素分級(jí)臨界值，屬于很高等級(jí)；對(duì)比2008年天津市水稻田 0 ～ 20 cm 土壤特征條件[21]，天津市寶坻小站稻種植區(qū)土壤中的大量及中微量元素的總含量變化較小，土壤全磷和有效磷含量缺乏，主要由于研究區(qū)的鹽堿度較高，限制了養(yǎng)分的有效性；土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)總體土壤等級(jí)為Ⅰ、Ⅱ等級(jí)和Ⅲ等級(jí)，Ⅳ等級(jí)的土壤面積較小，主要是由于土壤耕作歷史時(shí)間長(zhǎng)、面積廣，對(duì)土壤鹽分與pH有部分消減作用。因此建議對(duì)土壤養(yǎng)分及綜合肥力的提高應(yīng)從鹽堿改良方向著手，適當(dāng)添加土壤化學(xué)改良劑達(dá)到調(diào)堿抑鹽的效果。

土壤酶活性是反映土壤微環(huán)境的重要指標(biāo)，也是表征土壤肥力的因素[22]。研究結(jié)果顯示，有效錳對(duì)養(yǎng)分含量及酶活性呈顯著的負(fù)效應(yīng)，其他微量元素與養(yǎng)分及酶活性之間均為正相關(guān)關(guān)系；土壤磷酸酶與有效磷、速效鉀以及有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)出了極顯著的正相關(guān)關(guān)系，這與岳中輝等[23]、許景偉等[18]研究結(jié)果相一致，表明了鹽堿土中的堿性磷酸酶對(duì)土壤中有效養(yǎng)分的活化作用更加顯著。脲酶的活性則可以用來(lái)反映土壤有機(jī)氮水解為無(wú)機(jī)氮的強(qiáng)度[24]。一些中微量元素與酶的蛋白質(zhì)分子、微生物胞外酶等進(jìn)行生化作用，對(duì)土壤酶有一定的刺激或抑制效應(yīng)[25]。研究結(jié)果中，脲酶與有效銅、有效鋅、有效鎳、有效硼有顯著的正相關(guān)關(guān)系。在對(duì)桉樹林土壤酶活性與微量元素之間關(guān)系的研究中，土壤脲酶活性與元素錳有顯著正相關(guān)關(guān)系，與鋅為負(fù)相關(guān)關(guān)系[26]，而在本研究中土壤脲酶活性與有效態(tài)錳關(guān)系不顯著，究其原因可能是由于研究的土壤環(huán)境不同，森林土壤因?yàn)槌赏聊纲|(zhì)及風(fēng)化時(shí)間較短，其中微量元素含量較高，稻作農(nóng)田土壤中因施肥等人為因素使得常量元素較高，而中微量元素較低，對(duì)土壤微生物環(huán)境的影響較小。應(yīng)根據(jù)對(duì)農(nóng)田土壤微量元素含量的調(diào)查結(jié)果及與作物品質(zhì)之間的關(guān)系增施對(duì)作物品質(zhì)及產(chǎn)量有益的微量元素。

土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)應(yīng)包含了對(duì)土壤物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)以及植被發(fā)展過(guò)程中的微生物活動(dòng)及酶活性等性質(zhì)的概括[27]。鑒于評(píng)價(jià)尺度與目的不同，不同的評(píng)價(jià)方法反映出土壤綜合質(zhì)量水平和影響因素也有所差異，因此，對(duì)土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)應(yīng)選擇合適的指標(biāo)與方法。楊黎敏等[28]選擇最小數(shù)據(jù)集(MDS)對(duì)長(zhǎng)春市耕地土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，篩選出的最小數(shù)據(jù)集包括了有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、陽(yáng)離子交換量、pH等6 項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行綜合分析得出長(zhǎng)春市耕作農(nóng)田土壤質(zhì)量分級(jí)。但土壤屬性因子在不同空間的復(fù)雜表達(dá)導(dǎo)致土壤綜合評(píng)價(jià)的不確定性[29]。本研究提取出表征天津市小站稻種植區(qū)土壤質(zhì)量的主要代表性土壤指標(biāo)為有機(jī)質(zhì)、速效鉀、pH、鹽分、過(guò)氧化氫酶、磷酸酶與中微量元素鐵、錳、鋅、鎳、硼等11個(gè)指標(biāo)；并根據(jù)綜合得分法計(jì)算得出土壤綜合質(zhì)量得分，與最小數(shù)據(jù)集評(píng)價(jià)結(jié)果呈現(xiàn)高度相關(guān)性，可以反映出土壤養(yǎng)分與微量元素對(duì)小站稻生長(zhǎng)環(huán)境綜合土壤質(zhì)量的影響。結(jié)果表明天津市小站稻種植區(qū)土壤質(zhì)量總體較優(yōu)，Ⅰ等級(jí)和Ⅱ等級(jí)土壤質(zhì)量區(qū)占研究區(qū)總面積的55.14%，由于采樣時(shí)間與地點(diǎn)的限制未測(cè)得土壤容重等物理指標(biāo)、土壤重金屬含量及水稻產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀，因此，若對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行更加全面的分析，可采用更加合適的評(píng)價(jià)方法或選擇更廣泛的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型構(gòu)建及評(píng)價(jià)。

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Comprehensive Evaluation of Soil Quality in Xiaozhan Rice Planting Area of Tianjin

JIANG Shengguo1, XIAO Meng2, LIU Guangming2*, ZHAN Huaming1*, WANG Zhigang1, WANG Xiyu1

(1 Tianjin Geology Research and Marine Geological Center, Tianjin 300170, China; 2 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

In order to understand soil nutrients and fertility of Tianjin Xiaozhan rice planting area, this study analyzed 24 indicators of paddy soil such as pH, salinity, organic matter, total N, P and K, available nutrients (N, P, K, Cu, Fe, Mn, Zn, Ni, B, Mo, Si, Se, F, S) etc., and then evaluated comprehensively soil quality based on PCA (principal component analysis). The results showed that pH was 7.80–8.95; salt was meanly 1.6 g/kg; organic matter, total and alkali-hydrolyzated N were below the average level; K was rich but P deficient; Cu, Mn and S were abundant; Cu, S and Zn were positively correlated with available K and enzyme activities, but Mn was negatively correlated with other available nutrients and enzyme activities; the minimum data set, which including 11 main evaluation indicators such as organic matter, available K and salinity etc., was significantly correlated with the full data set. The comprehensive evaluation results showed that 55.14% of the soil area was in the gradeⅠand Ⅱof soil quality, in which, organic matter, total K and available Cu were rich, soil quality were better, and it was suggested to improve saline soil and apply P fertilizer. The research results can provide important theoretical basis for improving soil quality of this study area, and promote the strategy of revitalization of the Tianjin Xiaozhan rice.

Tianjin Xiaozhan rice; Soil quality; Principal component analysis; Comprehensive evaluation

S153.61

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.02.022

江勝國(guó), 肖蒙, 劉廣明, 等. 天津小站稻種植區(qū)土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià). 土壤, 2022, 54(2): 371–378.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1806215)、戰(zhàn)略性國(guó)際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)(2018YFE0206403)和天津華北地質(zhì)勘查局科研項(xiàng)目(HK2020-B1Z)資助。

(gmliu@issas.ac.cn; 393322378@qq.com)

江勝國(guó)(1982—)，男，山東濟(jì)寧人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查研究和土壤改良工作。E-mail: 273212714@qq.com