烏蘭布和綠洲區農田土壤質量評價及演化

包耀賢，肖晶晶，孫艷芳，劉曉威

(北京北華中清環境工程技術有限公司，北京 100176)

土壤質量包括土壤物理質量、化學質量和生物質量[1～2]，物理性質影響土壤的蓄水、保肥及養分的吸收和利用，物理質量深刻影響著化學質量和生物質量[1～4]；化學性質供給、維系和影響植物所需及產出，是土壤質量的核心和基礎[1,3～4]；微生物是酶的最基本來源，微生物和酶共同降解和轉化土壤各類物質且可敏感反映土壤質量微小變化[5～8]，生物指標參評土壤質量呈逐年遞增趨勢[4]。土壤質量雖不能直接測定，但可運用統計學、模糊數學原理和指數法模型將土壤物理、化學和生物學等多評價指標集成土壤質量綜合指標(如土壤質量指數)，以客觀、全面地定量評價土壤質量[1,9～11]。歐美國家較早開展土壤質量研究[1]，Lanson等提出土壤肥力評價最小數據集，Doran等提出滿足大多數農業條件下土壤質量狀況的基本土壤性質集[11]；我國2000年開始針對水稻土、紅壤、潮土和黑土4個土類研究土壤質量，近年來針對黃土高原從大量土壤物理、化學和生物學指標中篩選少數指標用于評價農田、林地、礦區復墾地土壤質量[10,12～14]，對紅壤區則多側重于農田土壤質量評價結果、方法及影響因素分析[15]。評價方法采用較多的是相關系數法、回歸分析法、主成分分析法、因子分析法、內梅羅指數法、層次分析法、系統聚類分析法等[2,4,10,12,16]。國內外學長多采用線性評分模型、非線性評分模型[14]，而土壤質量指數法模型因其靈活性高和易于實施而在土壤質量綜合評價中得以廣泛應用[4,17]。總之，目前土壤質量評價體系(指標篩選、評價方法、評價模型)仍無明確標準。

烏蘭布和綠洲區因黃河灌溉便利，經過近40 a的建設，已形成喬灌農結合、灌溉配套、防護林網密集的人工綠洲逾5 333 hm2，綠洲內開墾耕地逾533 hm2，成為沙漠綜合治理人工綠洲示范地和內蒙古經濟作物重要產區，在中國擴大耕地面積潛力極其有限和向耕地求高產的時下，揭示人類活動對生境本來脆弱、敏感的綠洲區歷經近40 a開墾農田土壤質量狀況和演化趨勢的影響具有重要意義，相關研究也鮮見報道。為此，筆者研究基于綠洲內開墾13～38 a不同利用方式農田的土壤物理、化學和生物學指標綜合評價區域土壤質量和演化趨勢，以期為該區域農田改土培肥、土地管理和農業經濟發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于磴口縣內烏蘭布和沙漠東北緣中國林科院沙林中心第二、三實驗場(106°09′～107°10′E，40°09′～40°55′N)綠洲區。年均溫7.8 ℃，季節溫差大(-29.6～39 ℃)，≥10 ℃有效積溫3 290 ℃；干旱少雨，年均降水140.3 mm，蒸發量2 381 mm；日照充足，年日照時數>3 000 h；盛行西南風，年均風速4.1 m/s，風沙災害是主要自然災害；土壤類型以風沙土和黃河灌淤土為主，開墾前表層土壤質地砂粒77.7%、粉粒占17.6%、粘粒占4.7%，有機質含量2.0 g/kg，土壤剖面表現為上砂下粘(蒙金土)。因黃河灌溉，歷經近40 a已在原固定、半固定沙丘形成人工綠洲逾5 333 hm2，綠洲內開墾耕地533 hm2，主要種植玉米(ZeamaysL.)、籽瓜(Citrulluslanatus(Thunb.)Matsum.etNakai)、油葵(HelianthusannuusL.)、花葵(LavateraarboreaL.)、番茄(LycopersiconesculentumM.)和苜蓿(MedicagosativaL.)等。

農田多年肥料類型和平均施肥量(kg/hm2)：油葵與花葵(二銨300+尿素563+碳銨1125)，番茄(二銨375+尿素563+碳銨1125)，籽瓜(二銨375+尿素563+碳銨1500)，玉米(二銨375+尿素750+碳銨2250)；底肥為二銨和尿素，追肥為尿素和碳銨，苜蓿地不施肥。

1.2 采樣、測試和統計方法

2018年11月，選取圖1所示區域內第二和第三實驗場所轄周邊(耕地明顯可見)所有開墾年限(13～38 a)的籽瓜、玉米、油葵、花葵、番茄和苜蓿6類典型農地進行采樣，每個采樣點按“X”型多點混合采集0～20 cm土樣，每兩點混為一個土樣，就近取綠洲區土質相近的油蒿荒地2個混合樣作對照，共采混合土樣100個(農地98+對照2)，土樣經處理按常規法測定如下24個指標[18～20]：

圖1 第二和第三實驗場區位和采樣點區域

物理指標8個：機械組成(<0.005 mm粘粒、0.005～0.05 mm粉粒、0.05～1 mm砂粒)和微團聚體(<0.005 mm微團聚體、0.005～0.05 mm微團聚體、0.05～1 mm微團聚體)—激光粒度儀(Master Sizer 2000E)分析法；土壤水分—烘干法；土壤容重—環刀稱重法(可計算：總孔隙度%=[1-容重/2.65]×100%)。

化學指標12個：有機質—重鉻酸鉀容量法；陽離子交換量(CEC)-NH4Cl-NH4Ac交換法；全氮-半微量開氏蒸餾法；速效氮-堿解擴散法；全磷-HClO4-H2SO4氧化鉬銻抗比色法；速效磷-0.5 mol/L NaHCO3浸提鉬銻抗比色法；有效性鉀-2 mol/L冷HNO3浸提火焰光度法；速效鉀-1 mol/LNH4Ac浸提火焰光度法；緩效鉀-1 mol/L HNO3消煮浸提火焰光度法(酸溶性鉀與速效鉀差值)；全鉀-NaOH熔融火焰光度法；pH值(2.5∶1)-酸度計電位法；CaCO3-NaOH中和滴定法。

生物指標10個：細菌-牛肉膏蛋白胨培養基稀釋平板法；放線菌-高氏1號培養基稀釋平板法；真菌-馬鈴薯PDA培養基稀釋平板法；過氧化氫酶-KMnO4滴定法(24 h 0.1 mol/L KMnO4mL/g)；蛋白酶-茚三酮比色法(24 h NH2-N mg/g)；脲酶-靛酚比色法(24 h NH3-N mg/g)；堿性磷酸酶-磷酸苯二鈉比色法(2 h P2O5mg/g)；蔗糖酶-Na2S2O3滴定法(24 h 0.1mol/L Na2S2O3mL/g)；多酚氧化酶-碘量滴定法(0.01 mol/L I2 mL/g)；纖維素酶-硝基水楊酸比色法(72 h葡萄糖mg/10 g)。

用Excel和統計軟件DPS7.55進行數據標準化計算、制圖、因子分析、最小顯著差別(LSD)多重比較。

1.3 隸屬度計算

具有模糊性和連續性的隸屬函數被廣泛用于各評價指標原始數據的標準化處理，即隸屬度計算，由此將量綱不同、取值各異的實測值轉化為0～1無量綱值，計算借鑒并結合研究區實際[1,11～12,21]：

研究區0.01 mm物理性粘粒和<0.01 mm微團聚體含量分別在50%和30%以下，此范圍內二者含量增多均趨利，采用升型隸屬函數R(X)；pH值>8.5、CaCO3含量高于120 mg/kg，此范圍內二者含量增多均趨害，采用降型隸屬函數F(X)；其他20個指標均屬S型簡化隸屬函數S(X)。

R(X)=0.9×(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)+0.1

F(X)=0.9×(Xmax-X)/(Xmax-Xmin)+0.1

S(X)=X/X0(X

上述函數中：X、Xmin、Xmax、X0分別為評價指標實測值、最小值、最大值、上臨界值(并非指標實測最大值)，上臨界值見表1。根據實測值和上述條件計算出所有24個指標的隸屬度值(過程略)。

2 結果與分析

2.1 評價指標相關性分析

土壤屬性之間較好的相關性是篩選土壤質量評價指標的基礎。從表1相關性可看出：有機質、速效氮、有效鉀、速效鉀、pH、蔗糖酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶、物理性粘粒、<0.1 mm微團聚體含量與其他指標之間表現出相對較好的相關性。進一步分析和統計表明：299對相關關系中有217對達到顯著相關水平(絕大多數正相關)，占比72.5%，201對達到極顯著相關水平(絕大多數正相關)，占67.2%。可見，土壤因子可以基于相關性提取主成分以篩選影響土壤質量的關鍵指標。

2.2 評價指標篩選和權重確定

基于土壤指標間較好的相關性、相對獨立性和土壤指標實測值可以利用因子分析法提取主成分進而篩選(保留重要指標和剔除重復指標)土壤質量評價指標體系。就8個所測物理指標而言，基于土壤水分為瞬時值和研究區同質小區域土壤容重變異很小的特點而不建議選取，總孔隙度可通過容重計算所得也不宜選取。機械組成中的粘粒(<0.005 mm)、粉粒(0.005～0.05 mm)、砂粒(0.05～1 mm)與微團聚體中的<0.005 mm微團聚體、0.005～0.05 mm微團聚體、0.05～1 mm微團聚體等6個指標間及其與其他22個指標(化學12+生物10)間的相關性遠不如最終選取的兩個機械組成指標<0.01 mm物理性粘粒和微團聚體指標<0.01 mm微團聚體。鑒于此，利用DPS統計軟件對表2中24個評價指標的原始數據進行因子分析，主因子特征值在一定程度上可解釋各因子對土壤質量的影響大小。根據統計學各主因子累計方差貢獻率≥85%即可充分反映系統變異信息的原理和因子載荷值較大(本研究選擇≥0.7，表2下劃線數值)的原則，因子分析結果被提取出表1中能較好解釋其物理意義的11個主因子，同時篩選出17個土壤質量評價指標(表2中X1～X17)。

表1 24個參評指標相關性矩陣(n=100)

表2 主成分因子載荷、貢獻率、權重和上臨界值

權重是各因子的重要程度[2,12,16,21～22]，上述因子分析運行結果得出24個初始評價指標的公因子方差(共同度)，通過計算各指標公因子方差占24個公因子方差總和之比作為各單項評價指標的權重值(0-1)，權重和為1；對篩選的17個評價指標原始數據再次按因子分析運行同樣得到17個篩選指標之權重。

2.3 土壤質量指數計算、可靠性檢驗和差異性分析

衡量區域整體土壤質量并非單一指標所能體現，而應通過多個評價指標綜合呈現。為此，選擇常用的加權法和指數評價模型進行土壤質量指數(Soil Quality Index-SQI)計算[1～2,4,10,21～22]，用于綜合定量評價研究區土壤質量，SQI值越高土壤質量越好。確定隸屬度和權重是土壤質量評價關鍵。SQI公式：

根據評價模型、隸屬度和權重按如下兩式分別計算24個初始指標和17個篩選指標的SQI值，因隸屬度和權重均為0～1數值，故計算SQI值在0～1范圍內。

SBQI24= C1×K1+ C2×K2+ C3×K3+ … + C24×K24

SBQI17= C1×K1+ C2×K2+ C3×K3+ … + C17×K17

從三方面檢驗用篩選評價指標表達綜合土壤質量的可靠性：從表2的24個初始指標中篩出17個評價指標能解釋綜合土壤質量85.2%的變異量，代表性高，其他影響因素僅占14.8%；圖2中24個初始指標SQI24和17個篩選指標SQI17間呈極顯著線性正相關，決定系數很高(R2=0.96，R2≤1)，完全體現用17個篩選指標綜合評價和表達土壤質量具有高度代表性、可靠性和檢驗性[2]；圖3中SQI24和SQI17的累積頻率曲線基本重合再次佐證了用17個篩選指標計算SQI表達土壤質量的合理性和高度代表性。

圖2 SQI24和SQI17相關性

變異系數反映土壤質量受外界影響的敏感性和差異性，統計和計算可知，SQI值在0.20～0.62之間，變異系數為21.9%，圖3也可直觀體現整體差異性，說明土地利用方式、生境條件復雜影響表1中24個土壤物理、化學和生物學評價指標而使其變異系數差異大(2%～153%)，繼而綜合影響SQI存在較大差異。從圖2中頻率累積曲線和計算可知，SQI<0.5(中間值)的樣點數量高達83%，SQI均值為0.41，整體較低，這與研究區土壤有機質、酶活性等本底含量低以及土壤質量改善過程緩慢有關。

圖3 SQI24和SQI17頻率分布

2.4 土壤質量評價

從圖4統計均值可知：當前不同利于方式農地SQI存在a、b、c三級顯著性差異，SQI均值番茄地最高0.50，花葵地最低0.35，各農田SQI均顯著高出對照1.5～2.2倍，但整體較低。說明農耕活動不同程度正向改善區域土壤質量，但仍需提質改善，也揭示出研究區綜合土壤質量影響因子的差異性和復雜性。貧瘠土壤施化肥能大大改善作物生長狀況，增加有機質含量有助于改善土壤質量[23]，但施肥差異性和土壤熟化程度影響土壤質量。

圖4 積壓地類SQIs分布

油葵和花葵地施肥量最少，SQI最低；玉米施肥量最大，但SQI接近油葵、花葵，可能與玉米植株高大耗養多有關；番茄和籽瓜施肥量僅次于玉米，SQI稍高于玉米，這與二者低矮低耗養有關；苜蓿地多年不施肥SQI卻較高，這與豆科苜蓿的根瘤菌固氮效應以及根瘤菌可改變土壤微生物數量和活性進而提高土壤質量有關[24～25]。

土壤質量是一個綜合指標，無法用簡單幾個指標充分表達。從初始24個指標中篩選出具有高度代表性的17個評價指標綜合表達區域土壤質量具有一定的生產應用價值。為此，利用DPS軟件進行逐步回歸分析建立相關擬合方程，把表2所篩選17個評價指標(X1-X17)實測值代入下列方程即可求出地塊綜合SQI值，并判斷其等級高低以直觀指導生產，也可探索軟件平臺建設便于生產實操指導和借推。

SQI=0.6991+0.0037X1+0.0011X2+0.0031X3+0.0021X4+0.0001X5+0.0003X6-0.0694X7+0.0015X8+0.0015X9+0.0046X10+0.01193X11+0.0019X12+0.1463X13+0.0598X14+0.1189X15+0.0012X16+0.0033X17

F=449.16，Df=(17,82)，Ra=0.994**(調整相關系數)

2.5 土壤質量演化

近40 a來綠洲體系內不斷開墾耕地，由于開墾耕種年限不同及耕種者施肥量、灌溉、輪作等經營管理情況的差異性使得不同開墾年限的土壤熟化程度有別，從而導致土壤質量隨開墾利用年限變化不盡一致。為此，以研究區開墾年限相同農地為SQI均值單元，分別計算現有13～38 a的農地SQI均值以分析人為經營管理過程中SQI隨時間演化趨勢更趨合理，也便于定向和定性培育土壤質量以指導農業生產。從圖5明顯看出：①SQI隨農田利用年限呈先增后降緩變的極顯著(R2=0.744)二次曲線演變模型，即研究區土壤質量在耕種年限內整體經歷從“低(不利)→較高(有利)→較低(不利)”的演變過程，分水嶺年限約為第30年，也就說綠洲體系內耕地在現有經營模式下從開始耕種至30 a后土壤質量就開始緩慢持續退化；②綠洲農田綜合土壤質量整體較低(SQI<0.5)，但經過38 a經營后SQI仍略高于耕種13 a的農田，說明綠洲體系形成后的農作經營穩步提升了土壤質量，但開始趨降，必須采取如多施有機肥、平衡施肥、節水灌溉、合理輪作等科學經營提質措施，至少確保農田現有SQI等級維持。

圖5 SQIs隨時間演化趨勢

3 討論

適當減少土壤質量評價指標總數可省時、節資，提高工作效率。因子分析法是篩選土壤質量評價指標和確定權重的有效方法[1～2,10,12,16]，根據統計學方差貢獻率≥85%和方差極大正交旋轉原理，不僅避免信息重疊和人為主觀確定權重的弊端，而且對因子變量的物理可解釋性強。雖然17個被篩選指標在生產實踐中依然顯多，但土壤質量是土壤物理、化學和生物學特性的綜合反映，少量指標難以準確表征土壤質量總況和優劣。17個指標中，速效氮、有效性鉀和速效鉀是植物生長重要的氮鉀有效養分因子；蔗糖酶(微生物能源)、脲酶(水解尿素供N)和堿性磷酸酶(有機P轉化)是關鍵酶因子；有機質、CEC和微團聚體均起著貯存和釋放養分的作用[10]，同時體現土壤結構穩定性[26]；pH值顯著影響微生物數量和群落結構[6]；物理性粘粒影響土壤水分與養分的吸儲和供應[10]；三大微生物(變異系數92%～153%)均敏感反映土壤質量變化，但占絕對數量優勢的細菌未被選中，可能與細菌產生揮發性物質抑制放線菌和真菌的數量和結構有關[27]，也可能與微生物對施肥的響應有的敏感、有的不敏感有關[28]，因子載荷顯示真菌為正效應，放線菌為負效應；速效磷、全鉀、蛋白酶和纖維素酶也被提取成為主要評價指標。

影響土壤物理、化學和生物指標的因素必將集中體現于SQI值，研究區100個樣點SQI值21.9%的差異率說明影響因子的復雜性。水熱條件、溫差大小、pH值、黃灌外源性養分攜入、施肥、耕作活動、植物類型、土壤熟化程度、碳氮比等很大程度上影響參與各種土壤生化反應微生物的數量和群落結構以及酶活性，繼而影響有機養分的轉化率和土壤物理性質，最終綜合影響土壤質量[6,23～24,28～30]。

農田土壤質量顯著高于對照得益于常年施化肥。龔偉、潘世娟等[23,31]研究表明，化肥通過增加作物殘留量間接提高土壤有機質含量，長期施用化肥能促進作物生長，增加有機物歸還量，繼而提高土壤有機質含量，特別是低肥力情況下[31]，而有機質作為微生物碳源、酶促反應、土壤肥力和改土之核心促進土壤質量改善；洛桑Hoosfield經典試驗也證實不施肥100 a后土壤有機質含量仍高于空白處理就是因為作物殘留攜入有機質[30]。豆科苜蓿地雖多年不施肥，但因其固氮效應和不翻耕擾動而表現出相對較高的SQI值，一方面，固氮根瘤菌的增加能為微生物提供豐富的營養源，促進微生物活性增強、數量增多，養分轉化效率提高[24]；另一方面，可能與研究區整體鉀素富足有關[32]，王月福等[25]研究認為固氮植物在富鉀情況下根瘤菌固氮能力提高42.5%～48.3%，說明富鉀區種植豆科植物更有利于提高土壤質量。

研究區農田土壤質量整體處于中等或較低水平(均值SQI≤0.5)，與其農田形成于有機質、NPK等本底養分含量很低的固定、半固定沙丘有關[32]。SQI表現出先升后降的緩變演化趨勢，開種之初，土壤熟化程度差，施肥間接增加了作物有機殘留物[31]，隨時間延續，作物殘留物逐年增多，土壤有機質含量增加，微生物活性增強，土壤不斷熟化[23,31]，且黃灌和光照充足的明顯干濕交替條件更有利于土壤養分的轉化和釋放[33]，從而使SQI得以整體緩慢提升，但施肥、枯枝落葉每年給土壤有機質含量的貢獻越來越少，即有機質年增量逐年降低[31]，使得SQI整體在耕種30 a后達到平衡臨界點后開始緩降，這可能與偏施NP肥、黃河大漫灌、風沙災害大、有機外源輸入少、土壤結構變差等因素有關，因為長期偏施肥阻礙微生物活性、加速其他養分耗竭、破壞土壤結構[34]，改變了水、氣、熱環境。

綜上，在綠洲農田經營過程中，建議均衡施肥，即以有機肥或有機肥+NP為主，少量補施K，以延緩或防止衰退或有益補給，否則只能竭澤而漁而使土壤質量逐年下降。有機肥直補土壤有機質，常施促進和維持土壤質量穩定性；研究區鉀素較富足，但部分農田已虧鉀[32]；另外，條件允許時輪作休耕幾年豆科牧草，更利于土壤質量休養生息和進一步改善。

4 結論

(1)通過因子分析法篩選出包括物理、化學和生物學三方面17個指標綜合反映和評價烏蘭布和綠洲區農田土壤質量，評價結果反映85%的變異量和影響程度且具有高度代表性。

(2)烏蘭布和綠洲體系形成近40 a來，各地類SQI(≤1)在0.20～0.62之間，均值0.41，整體較低，差異較大；各農田SQI高出對照1.5～2.2倍，SQI以第30年為臨界年限呈前增后降的緩變演化趨勢，但經營38 a后SQI仍略高于耕種13年的農田，土壤質量整體改善明顯，但需采取多施有機肥、平衡施肥、合理輪作、科學灌溉、條件許可時種植固氮牧草休耕養地等提質措施。