基于最小数据集的宁都县不同整地方式下果园土壤质量评价.pdf

第3 7卷第4期2 0 2 3年8月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.4A u g.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 4 资助项目:国家重点研发计划项目(2 0 1 7 Y F C 0 5 0 5 4 0 5);国家自然科学基金项目(4 2 0 7 7 0 6 6)第一作者:李雨晨(1 9 9 5-),男,在读硕士研究生,主要从事水土保持与生态恢复研究。E-m a i l:6 2 5 2 5 0 3 0 1q q.c o m 通信作者:郭忠录(1 9 8 0-),男,博士,教授,博士生导师,主要从事土壤侵蚀退化与土壤质量研究。E-m a i l:z l g u o h z a u 1 6 3.c o m基于最小数据集的宁都县不同整地方式下果园土壤质量评价李雨晨1,熊翱宇2,平 原1,澹腾辉1,曾建辉1,陈 新1,郭忠录1(1.华中农业大学水土保持研究中心,武汉4 3 0 0 7 0;2.湖北方源东力电力科学研究公司,武汉4 3 0 0 0 0)摘要:为探究不同整地措施下梯田果园土壤质量的变化,以赣南宁都县小洋小流域脐橙果园开发示范区内的3种典型坡面(优化整地Ty、传统整地Tc、撂荒地C K)为研究对象,采用主成分分析法(p r i n c i p a l c o m p o n e n t a n a l y s i s,P C A)筛选最小数据集指标,对该地区土壤质量进行评价。结果表明:(1)由全量数据集(t o t a ld a t as e t,T D S)和最小数据数据集(m i n i m u md a t as e t,MD S)计算的土壤质量指数存在显著正相关关系,R2=0.6 0 4,表明MD S可以代替T D S对宁都县脐橙果园开发示范区进行土壤质量评价;(2)3种典型坡面的土壤质量指数(s o i l q u a l i t y i n d e x,S Q I)表现为优化整地(S Q I=0.4 7 7)撂荒地(S Q I=0.4 3 6)传统整地(S Q I=0.2 2 0),其中Ty与C K之间无显著差异,Ty的S Q I相较于Tc提升1.1 6倍,表明优化整地措施下土壤质量有显著提升;(3)果园不同土层总体表现为表层(01 0c m)土壤质量指数大于深层(1 02 0c m)土壤,通过土壤质量指数分级发现,优化整地梯田和撂荒地土壤质量优于传统整地。研究结果可以为我国红壤丘陵区的坡地资源利用管理以及梯田修建后水土保持措施布设提供科学依据。关键词:土壤质量;整地措施;最小数据集;果园;南方红壤丘陵区中图分类号:S 1 5 6.6 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 4-0 3 4 2-0 9D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 4.0 4 2S o i lQ u a l i t yA s s e s s m e n t o fO r c h a r d sU n d e rD i f f e r e n tL a n dP r e p a r a t i o nM e a s u r e s i nN i n g d uC o u n t yB a s e do nM i n i m u mD a t aS e tL IY u c h e n1,X I ONGA o y u2,P I NGY u a n1,T ANT e n g h u i1,Z E NGJ i a n h u i1,CHE NX i n1,GUOZ h o n g l u1(1.R e s e a r c hC e n t r eo fW a t e ra n dS o i lC o n s e r v a t i o n,H u a z h o n gA g r i c u l t u a lU n i v e r s i t y,W u h a n4 3 0 0 7 0;2.H u b e iF a n g y u a nD o n g l iE l e c t r i cP o w e rS c i e n c eR e s e a r c hC o r p o r a t i o n,W u h a n4 3 0 0 0 0)A b s t r a c t:I no r d e r t os t u d yt h e i m p a c to fd i f f e r e n t l a n dp r e p a r a t i o nm e a s u r e so nt h eq u a l i t yo f t h es o i l o f t h et e r r a c e do r c h a r d s,t h r e e t y p i c a l s l o p e s(o p t i m i z e dp r e p a r e ds l o p eTy,t r a d i t i o n a lp r e p a r e dt e r r a c e ds l o pTc,a n da b a n d o n e dl a n d C K)i n n a v e lo r a n g eo r c h a r d d e v e l o p m e n td e m o n s t r a t i o na r e ao f X i a o y a n gs m a l lw a t e r s h e d i nN i n g d uC o u n t y,s o u t h e r nJ i a n g x iP r o v i n c ew e r es e l e c t e da st h er e s e a r c ho b j e c t.T h ep r i m a r yc o m p o n e n t a n a l y s i sm e t h o d(P C A)w a su s e dt os c r e e nt h em i n i m u md a t as e t i n d i c a t o rt oe v a l u a t et h es o i lq u a l i t y i nt h i sa r e a.T h er e s u l t ss h o w e dt h a t:(1)T o t a lD a t aS e t(T D S)a n dM i n i m u m D a t aS e t t i n g(MD S)s o i l q u a l i t y i n d e x e sh a das i g n i f i c a n tp o s i t i v ec o r r e l a t i o n,R2=0.6 0 4,i n d i c a t i n gt h a tMD Sc o u l di n s t e a do fT D St oc o n d u c ts o i lq u a l i t ye v a l u a t i o no fn a v e lo r a n g eo r c h a r dd e v e l o p m e n td e m o n s t r a t i o na r e ai nN i n g d uC o u n t y;(2)T h e s o i l q u a l i t y i n d e x(S Q I)o f 3 t y p i c a l s l o p e sw a sm a n i f e s t e da s:o p t i m i z i n gp r e p a r e d t e r r a c e ds l o p e(0.4 7 7)a b a n d o n e dl a n d(0.4 3 6)t r a d i t i o n a lp r e p a r e dt e r r a c e ds l o p(0.2 2 0).T h e r ew a sn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c eb e t w e e nTya n dC K,a n dS Q Io fTyw a sa b o u t1.1 6t i m e sh i g h e rt h a nt h a to fTc,i n d i c a t i n gt h a ts o i l q u a l i t yw o u l db es i g n i f i c a n t l y i m p r o v e du n d e ro p t i m i z e ds o i lp r e p a r a t i o nm e a s u r e s;(3)I ng e n e r a l,t h eS Q Io f t h es u r f a c e l a y e r(01 0c m)w a sh i g h e r t h a nt h a to f t h ed e e ps o i l(1 02 0c m)i nt h ed i f f e r e n ts o i ll a y e r so ft h eo r c h a r d.T h eS Q Ic l a s s i f i c a t i o ns h o w e dt h a tt h es o i lq u a l i t yo ft h eo p t i m i z e dt e r r a c e da n da b a n d o n e dl a n d w a sb e t t e rt h a nt h a to ft h et r a d i t i o n a lp r e p a r e dt e r r a c e ds l o p.T h er e s e a r c hr e s u l t sc a np r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i s f o r t h eu t i l i z a t i o na n dm a n a g e m e n t o f s l o p e l a n d r e s o u r c e s i n t h e r e ds o i l h i l l y r e g i o no fS o u t hC h i n aa n dt h e l a y o u to f s o i l a n dw a t e rc o n s e r v a t i o nm e a s u r e sa f t e r t e r r a c ec o n s t r u c t i o n.K e y w o r d s:s o i l q u a l i t y;l a n dp r e p a r a t i o nm e a s u r e s;m i n i m u md a t as e t;o r c h a r d;s o u t h e r nr e ds o i lh i l l a r e a 坡地是我国南方红壤区的主要耕地类型和土壤资源,同时也是主要的水土流失策源地1;加之长期以来土地资源的不合理开发利用,加剧坡地的肥力衰退及水土流失,导致农业生产力下降,严重制约南方农业的可持续发展以及生态环境的改善2。坡地的水土流失治理一直是我国南方红壤区的突出问题,在坡地侵蚀防治中有许多有效技术,如修建植物篱、不同的土壤耕作方式及修建梯田等。其中梯田是治理坡地水土流失的重要景观工程措施,能有效减少水土流失,提高农业生产力,保持农业可持续发展3。但是在修建梯田的过程中,大型器械和人类活动对土壤产生巨大的扰动,导致新修梯田的土壤质量、生产力和生态环境在初期受到不良影响4,所以梯田在修建初期也存在水土流失的风险。因此加强新修梯田生态恢复及增设水保措施是十分必要。土壤质量是土壤维持生物生产、保护环境质量和提高动植物健康能力的综合体现5,土壤质量的精确评价对于确定土壤状况、设计耕作制度及农业系统的集约化管理具有重要意义。由于土壤环境复杂多样,单一的土壤评价指标很难全面表征土壤的综合状况,指标过多又耗时耗力6。土壤质量指数法(S Q I)因其适应性广、可操作性强等优点在土壤质量评过程中被广泛使用7。近年来,国内外学者对土壤质量评价进行大量研究,G o n z a g a等8在巴西东北部椰子园;C h e n g等9在中国安徽山核桃园,以及G u o等1 0对中国南部柚子园土壤质量评价结果表明,S Q I可以准确评价果园土壤质量的优劣。为了避免指标间数据的冗余,提高评价的效率,研究者通常使用主成分 分析结合N o r m值等构建最小数据集(m i n i m u md a t as e t,MD S)计算土壤质量指数,对土壤质量进行综合评价1 1。目前,对于红壤丘陵区土壤质量评价的研究主要集中在 方 法 的 选 取 及 不 同 土 地 利 用 与 管 理 方 式等1 2-1 3。对于新修梯田坡面土壤性质及不同整地方式下的梯田果园土壤质量评价研究较少。因此本文以南方红壤丘陵区经济林果园开发区内不同整地方式下新修梯田为研究对象,综合土壤物理、化学、生物三大因素,通过S Q I计算,对不同整地方式下梯田土壤质量进行评价,以期为该地区的坡地资源利用管理以及梯田修建后水土保持措施布设提供科学依据。1 材料与方法1.1 研究区概况小洋小流域(2 6 1 4 5 1 2 6 1 9 5 6 N,1 1 6 0 2 2 9 1 1 6 0 6 5 6 E),位于江西省赣州市宁都县固厚乡,属于典型的低山丘陵区,以花岗岩发育的红壤为主,属于亚热带季风温和气候,多年平均气温1 8.9,降雨量充沛且年内分布不均,多年平均降水量13 5 0mm,多集中于46月。土壤侵蚀类型以水力侵蚀为主,流域总面积4 6.9 0k m2,水土流失面积2 5.1 5k m2,占整个流域面积的5 6.3%,水土流失严重。该区域于2 0 1 7年开发为脐橙梯田示范区,属于典型的坡改窄梯田。整地类型主要包括:(1)优化整地梯田,布设水土保持措施,具体为梯田前埂后沟,地埂梯壁植草,种植草本植物以宽叶雀稗、狗牙根为主构建植被带,梯田两旁修建排水沟和沉沙池;(2)传统整地梯田,只在梯田上修建田沟,无任何水土保持措施;(3)撂荒地,未进行修整梯田的荒草地(图1)。图1 优化整地梯田和传统整体梯田示意1.2 点位选择与样品采集采样时间为2 0 2 0年8月,在研究区内选择3块典型坡面优化整地梯田(Ty)、传统整地梯田(Tc)及撂荒地(C K)进行研究。将每个坡面从上至下均分为3个部位,依次为坡上、坡中、坡下。采样区内按照01 0,1 02 0c m深度分层采样,在梯田的每个坡位343第4期 李雨晨等:基于最小数据集的宁都县不同整地方式下果园土壤质量评价采用5点法取样,均匀混合后作为该坡位土样,共获得1 8份土壤样品。采集环刀(1 0 0c m3)样用于测量土壤容重、饱和导水率;混合土壤样品自然风干过筛后,测量基本理化性质。土壤黏粒含量采用吸管法测定,p H采用电位法测定,有机质采用重铬酸钾法测定,全氮采用半微量开氏法测定,全磷采用HC I O4H2S O4法测定,碱解氮采用碱解扩散法测定,速效钾采用NH4OA c浸提火焰光度法测定。同时采取新鲜土样用于测量土壤微生物性质,微生物生物量氮采用氯仿熏蒸K2S O4浸提凯氏定氮法测定,脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定;土壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定;过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法,以上指标测定方法均参照 土壤农业化学分析方法1 4,于2 0 2 0年91 2月测定。1.3 总数据集与最小数据集的构建本研究以南方红壤丘陵区梯田为研究对象,综合前人1 3研究中指标选取的频度及代表性,考虑到土壤微生物和酶活性对土壤质量影响的敏感性,共选取1 3个指标作为总数据集指标。将数据标准化后利用主成分分析(P C A)及各指标的N o r m值,确定进入MD S的指标。N o r m值的计算公式为:Ni k=kiu2i kk(1)式中:ui k为第i个变量在第k个主成分上的荷载;k为第k个主成分的特征值。土壤质量指数(s o i l q u a l i t y i n d e x,S Q I)是对土壤评价指标的综合性表达,S Q I越大,表示土壤质量越高。根据评价指标与土壤质量之间的效应关系,建立指标与土壤质量之间的隶属度函数,其中隶属度函数可以分为S型函数、反S型函数和抛物线型函数。隶属度函数及各函数中参数的确定参见相关研究1 5(表1)。根据公式(2)计算权重,S Q I由公式(3)计算:Wi=CiCi(2)式中:Wi为第i个指标的权重;Ci为第i个指标的公因子方差。S Q I=ni=1WiF(x)(3)式中:Wi为第i个指标的权重;F(x)为第i个指标的隶属度值。表1 评价指标类型及隶属度函数函数类型评价指标指标代码隶属度函数隶属度函数参数a1b1b2a2全氮T N0.0 8-0.5 5全磷T P0.0 3-0.4 8碱解氮AN7.7 0-8 3.3 0微生物量碳MB C5.3 4-1 2 0.8 5S型有机质S OMx()=1 xa2x-a1a2-a1 a1xa20 xa10.9 8-8.7 6速效钾AK3 7.1 7-1 6 3.5 0脲酶活性UR E0.1 3-2.5 0饱和导水率K s5.6 7-5 3.6 0过氧化氢酶活性C A T0.0 9-1.4 5酸性磷酸酶活性A C P0.0 6-0.8 7反S型容重B D(x)=1 xa1x-a2a1-a2 a1xa20 xa21.1 4-1.6 7抛物线型黏粒C l a y(x)=1 b2xb1x-a1b1-a1 a1xxb20 xa1,xa2 02 03 01 0 0.0 0p Hp H4.0 85.56.58.0 0 注:x为每个点位下每个指标的平均值;a1、a2分别为测得指标的最小值和最大值;b1、b2分别为最适值的上下界点。1.4 数据处理本研究运用E c x e l2 0 2 0软件对数据进行预处理;应用S P S S2 6软件对数据进行描述性统计分析、相关性分析和主成分分析等;用O r i g i n2 0 2 1软件进行制图。2 结果与分析2.1 不同整地措施下坡面土壤性质描述统计由图2可知,3种不同坡面的土壤理化性质具有443水土保持学报 第3 7卷不同的差异性,土壤物理性质指标中,K s在不同坡面都表现出显著差异(p撂荒地传统整体,不同坡面差异显著,在土层上都表现为无显著差异,整体上Tc的物理性质中K s和B D值均小于其他2个坡面。注:图中不同小写字母表示不同坡面各土层之间的差异显著(p0.0 5);不同大写字母表示同一坡面不同土层之间各指标的差异显著(p0.0 5);表示均值;表示中值线。下同。图2 不同坡面土壤物理性质 由图3可知,土壤化学性质指标中,研究区Ty坡面01 0c m土壤中T P、AK要显著高于C K、Tc坡面(p0.0 5)。T N含量在C K、Ty、Tc坡面上的均值分别为0.1 6,0.3 1,0.2 2g/k g,在1 02 0c m土层中表现为Ty显著高于Tc和C K坡面(p0.0 5)。Ty坡面的AN含量在01 0,1 02 0c m土层均显著高于C K、Tc坡面(p0.0 5)。Ty、Tc坡面0-1 0c m土层S OM的含量要显著高于1 02 0c m土层(p0.0 5)。研究区的p H为4.6 55.3 6,土壤整体表现为酸性。化学性质在01 0c m的土层中略高于1 02 0c m的土层。图3 不同坡面土壤化学性质543第4期 李雨晨等:基于最小数据集的宁都县不同整地方式下果园土壤质量评价 由图4可知,土壤生物性质指标中,C K、Ty、Tc土壤中M B C含量的均值分别为3 7.8 4,6 9.8 8,3 4.7 7m g/k g,在01 0c m土层中C K与Tc间M B C差异不明显,且两者都显著低于Ty坡面(pTyTc图4 不同坡面土壤生物性质2.2 土壤质量评价指标最小数据集的构建为了减少指标数量,降低评价指标间相关性引起的数据冗余,对1 3项指标进行主成分分析(表2),特征值1的主成分有5个,累计贡献率达到7 2.0 4%,故这5组主成分解释能力较好。对所有指标进行筛选,每组中荷载绝对值0.5分为1组,若同一指标同时出现在2组主成分中,则按照相关性(表3)将其并入相关性较低的1组中,第1组,T N、T P、AN、p H、A C P;第2组,S OM、B D和K s;第3组,C l a y和C AT;第4组,UR E。然后保留每组中与最高N o r m值相差1 0%范围内的指标,第1组保留的指标有T N、T P、AN、A C P,N o r m值分别为1.8 4 4,1.7 1 8,1.8 1 4,1.4 6 1;第2组保留的指标有K s和B D,其N o r m值分别为1.3 5 1和1.3 4 4;第3组保留的指标有A C P,N o r m值为1.3 6 2,第4组保留的指标为UR E,N o r m值为1.0 5。然后对每组中的指标进行相关性分析,相关性分析结果见表4,若同一组内2个指标具有显著相关(相关性0.0 5),则保留N o r m值较高的指标。第1组中T N与组内指标T P、A N、A C P的相关性都呈极显著水平(p0.0 1),因此N o r m值最高的T N,进入最小数据集。同理,最后进入M D S的全部指标为T N、K s、U R E和C A T。在本研究中,初选指标为1 3个,最小数据集包括4个,筛选率达到6 9.2 3%,简化了评价指标体系。通过P C A分析得到总数据集和最小数据集指标的公因子方差,计算各指标的权重值(表4),根据S Q I计算公式分别计算出全数据集(T D S)下的S Q I(T D SS Q I)和最小数据集下的S Q I(M D SS Q I),将两者做线性拟合。由图5可知,P C AS Q I与T D SS Q I间存在着较好的线性关系(R2=0.6 0 4),线性方程的斜率和截距分别为a=0.5 2 50.1 3,b=0.2 0 90.0 5,对两者进行P e a r s o n相关性检验,二者的相关系数为0.7 7 7,且相关性达到极显著水平(p0.0 1)。R2越高,表示拟合效果越好,说明基于MD S方法计算的土壤质量指数可以用于宁都县梯田的土壤质量评价。2.3 不同整地方式下坡面土壤质量变化特征通过MD S计算宁都县不同整地措施下坡面的土壤质量指数,分析不同整地措施下土壤质量特征。本研究选用3块典型坡面,代表宁都县坡改梯脐橙园643水土保持学报 第3 7卷示范区的典型应用模式,可相对准确地反映不同整地措施下土壤质量的变化特征。表2 基于P C A的各指标荷载矩阵和N o r m值指标主成分P C 1P C 2P C 3P C 4分组N o r m全氮0.8 9 3-0.0 7 40.2 5 20.1 4 211.8 4 4全磷0.8 1 4-0.2 7 60.0 6 80.1 9 611.7 1 8碱解氮0.8 7 3-0.2 4 0-0.0 0 80.1 7 611.8 1 4p H-0.7 5 20.3 2 3-0.3 5 50.0 2 211.6 6 5有机质-0.0 6 00.5 2 80.3 6 0-0.4 5 521.0 7 8速效钾0.4 7 50.3 8 8-0.4 5 8-0.1 6 3-1.2 9 0容重0.3 2 90.6 8 4-0.3 5 20.0 6 221.3 4 4黏粒-0.3 8 20.1 7 80.5 5 80.4 7 831.2 0 2饱和导水率0.1 2 20.7 8 9-0.2 7 40.2 8 321.3 5 1微生物量碳0.4 6 40.4 4 4-0.0 2 80.2 6 6-1.2 0 7脲酶活性0.2 1 50.2 9 70.4 3 6-0.5 7 141.0 5 0过氧化氢酶活性-0.4 3 30.4 5 60.5 0 40.3 7 131.3 6 2酸性磷酸酶活性0.5 9 30.4 4 70.3 3 3-0.1 4 611.4 6 1特征值4.0 8 62.4 8 71.6 0 11.1 9 1贡献率/%3 1.4 3 01 9.1 3 01 2.3 2 09.1 6 0累积贡献率/%3 1.4 3 05 0.5 6 06 2.8 8 07 2.0 4 0表3 土壤质量评价指标P e a r s o n相关系数矩阵TNT PANPHS OMAKB DC l a yK sMB CUR ECATA C PTN1.0 0 0T P0.7 6 3*1.0 0 0AN0.7 7 9*0.8 0 8*1.0 0 0PH-0.7 5 0*-0.7 1 9*-0.6 0 9*1.0 0 0S OM-0.0 6 3-0.1 0 7-0.2 3 5*0.0 7 71.0 0 0AK0.3 4 4*0.1 9 80.2 6 4*-0.1 2 40.0 9 41.0 0 0BD0.1 1 10.1 9 20.1 6 20.0 8 50.2 2 10.5 1 9*1.0 0 0C l a y-0.1 4 5-0.1 6 6-0.2 8 4*0.1 4 50.1 0 8-0.3 1 8*0.0 3 11.0 0 0K s0.0 0 7-0.0 5 9-0.1 0 50.1 8 30.1 3 40.3 8 10.6 0 9*0.1 1 81.0 0 0MB C0.3 9 8*0.1 80.4 0 3*-0.0 6 20.0 4 70.1 1 70.3 5 0*-0.1 7 50.4 1 7*1.0 0 0UR E0.1 8 50.0 1 50.0 5 2-0.1 4 80.3 1 5*0.0 2 80.1 5 30.0 1 60.0 1 40.1 5 01.0 0 0CAT-0.2 1 0-0.3 8 1*-0.4 2 0*0.3 0 1*0.2 7 2*-0.2 0 5-0.0 3 80.6 0 5*0.2 0 60.0 5 4-0.0 0 71.0 0 0A C P0.5 3 3*0.1 9 20.3 6 0*-0.4 6 3*0.2 6 6*0.3 2 3*0.2 5 2*-0.0 9 10.3 2 1*0.4 0 1*0.3 6 3*0.0 7 91.0 0 0 注:*表示相关程度在p0.0 1显著性水平;*表示相关程度在p0.0 5显著性水平。表4 土壤质量评价指标体系及各数据集权重分布指标类别指标总数据集T D S公因子方差因子权重最小数据集MD S公因子方差因子权重全氮0.8 8 70.0 9 50.6 3 20.2 5 8全磷0.7 8 20.0 8 4化学性质碱解氮0.8 5 00.0 9 1p H0.7 9 60.0 8 5有机质0.6 1 80.0 6 6速效钾0.6 2 10.0 6 5物理性质容重0.7 0 30.0 7 5黏粒0.7 1 70.0 7 7饱和导水率0.7 9 30.0 8 50.6 0 90.2 4 8生物性质微生物量碳0.4 8 40.0 5 2脲酶活性0.6 5 10.0 7 00.5 6 70.2 3 1过氧化氢酶活性0.7 8 70.0 8 40.6 4 30.2 6 2酸性磷酸酶活性0.6 8 3743第4期 李雨晨等:基于最小数据集的宁都县不同整地方式下果园土壤质量评价 通过计算,3个采样坡面01 0,1 02 0c m采样深度的宁都县脐橙园示范区质量指数分布在0.2 1 6 0.4 8 1(图6 a),其中C K(S Q I=0.4 3 6)与Ty(S Q I=0.4 7 7)之间无显著差异,两者与Tc(S Q I=0.2 2 0)存在显著差异(p0.0 5),表明与传统整地相比,优化整地措施下土壤质量会有显著的提升。为了反映研究地区土壤质量的好坏,将土壤质量指数划分为5级:低(),S Q I 0.2;较低(),0.2S Q I 0.4;中(),0.4S Q I 0.6;良(),0.6S Q I 0.8;优()0.8S Q I 1.0 01 6。Ty与C K两者土壤质量等级均属于“中等”,Tc的土壤质量等级属于“较低”水平。图5 MD S-S Q I与T D S-S Q I的线性拟合 注:图柱上方不同大写字母表示不同土层差异显著(p0.0 5);不同小写字母表示不同坡面的差异显著(p0.0 5)。图6 不同土壤坡面和土壤深度的土壤质量指数 从图6 b可以看出,同一坡面不同土层深度之间的土壤质量指数存在一定的差异性,总体表现为表层土壤(01 0c m)的土壤质量指数大于深层土壤(1 02 0c m)质量指数,土壤质量指数越高表明土壤的生产力越高,表层土壤是大多植物根系生长发育的主要部分,根际微生物活跃,通常养分比较集中;同时,表层土壤受到人为干扰活动的影响最为显著,增加水土保持措施后,使得新修梯田土壤质量相对于下层土壤得到了改良。3 讨 论3.1 不同整地方式下土壤质量评价最小数据集考量土壤质量是土壤环境、肥力和健康的综合性表达,能比较全面地反映土壤状况1 7。但是土壤指标众多,不能简单地通过1个或几个指标的高低去判断土壤质量的优劣,需要根据实际情况考虑。最小数据集法因简单易行、可操作性强等优点被广泛使用,极大地节约指标获取的成本与工作效率。大部分土壤质量评价指标的选取主要分为物理、化学2大类,虽然生物指标在土壤质量评估中出现的频率较低且在最小数据集的筛选过程中可能有4 0%的指标缺失,但生物指标是极具敏感性的指标,对土壤环境变化高度响应,因此增加生物指标对土壤质量评价而言是十分必要的1 8。本研究从总数据集的1 3个指标中,通过最小数据集法(MD S)构建土壤质量指数模型(S Q I),结果表明,研究区域中 的4个 关 键 指 标 分 别 为T N、K s、UR E、C AT。T N是与土壤养分相关的指标,枯落物及其分解是土壤中氮的主要补给来源,植被可以通过枯落物及根系分泌物向土壤提供氮素,影响土壤中氮元素的含量1 9。优化整地新修梯田后补植当地优势草种,增加坡面植被覆盖,从而使得坡面土壤氮素含量增加。K s是与土壤水分入渗特征有关的物理指标,是反映土壤质量的重要因素之一。刘畅等2 0对晋西黄土区退耕还林后土壤入渗特性及土壤质量研究发现,土壤的入渗性能与有机质高度相关,其贡献度高达7 7%,并将土壤入渗性能也纳入到土壤质量评价指标中。土壤酶活性是土壤质量评价重要的生物学指标,贡璐等2 1对塔里木河上游绿洲进行土壤质量评价时发现,土壤酶活性是影响土壤质量的敏感性指标,在不选取土壤酶作为评价指标时,研究区不同土壤利用类型土壤质量呈现不同程度的降低;于天一等2 2研究表明,土壤酶与土壤中重要元素氮、磷、碳的矿化有关,其变化速度要明显快于土壤理化性质;薛萐等2 3对黄土高原地区不同年限的坡改梯研究发现,在坡地改为梯田1年后,土壤酶较坡耕地显著降低,随后逐渐升高,在3 0年时达到最大值。这与本文研究一致,研究区坡改梯后,Tc坡面的C A T和A C P相对于C K坡面显著降低。综上,本研究最后通过P C A和N o r m值得到得M D S包括T N、K s、U R E和C A T,这与大多数已有研究1 9-2 3结果一致,因此本研究选择的全量数据集与最小数据集均有很好的代表性。843水土保持学报 第3 7卷3.2 不同整地方式对土壤质量的影响梯田减少坡地的长度和陡度,使得导致土壤侵蚀的地表径流的流量减少和流速降低,是控制山坡地农业土壤侵蚀、提高农业生产力、促进农业可持续发展的重要水土保持措施2 4,因此梯田在世界范围内被广泛使用。但是梯田在修建初期往往因土壤结构被严重破坏,土壤质量下降,从而导致生产力低下,因此对新修梯田采取相应的水土保持措施至关重要。从本研究来看,对于S Q I,C K(S Q I=0.4 3 6)与Ty(S Q I=0.4 7 7)间无显著差异,两者均显著高于Tc(S Q I=0.2 2 0,p0.0 5),说明梯田在修建初期土壤质量有所下降,坡改梯工程中的表土剥离、大型机械的压实等一些人为干扰造成地表原有植被的破坏,水土流失加上地表植被覆盖低可能是造成新修梯田土壤质量较低的重要原因,这与周欣花2 5关于坡改梯田开发前期导致土壤理化性质下降的结果一致。同时薛萐等2 3研究也指出,修建初期的梯田受到工程措施 的 扰 动,不 同 层 次 土 壤 混 合,短 期 内 必 然 导致土壤的物理化学和生物性质不同程度地降低,同时还指出随着恢复年限的增加,梯田的水土保持功能逐步增强,土壤质量与恢复年限有着明显的正比例关系。汪三树等2 6研究表明,对于田埂布设生物梗等生物措施能够有效减少土壤侵蚀,其机械拦挡作用能有效降低土壤流失、增加土壤入渗量、提高土壤蓄水保水性,同时植被根系通过根系生长生物固土,促使根-土及土壤颗粒之间摩擦力的增大,从而增加土壤抗剪强度。本研究也发现,在梯壁和田埂布设植草等生物措施相对于传统更能够显著增加梯田导水率性能。程谅等2 7研究也发现,相对于传统整地,优化整地增加梯田植被覆盖度,降低旱季浅层土壤水分蒸发,同时田埂植草能够截留降雨,显著提高表层土壤的蓄水保墒能力,综合提高土壤结构性优化土壤质量。优化整地梯田T N含量(0.3 10.1 3)g/k g 相对于传统整地高4 0%,植被覆盖的增加,使得根系固氮效应增加,同时优化整地土壤中脲酶显著高于传统整地(pC K(S Q I=0.4 3 6)Tc(S Q I=0.2 2 0),其中Ty与C K间无显著差异,Ty的S Q I相较于Tc提升1.1 6倍,表明整地初期进行梯壁植草、修建排水沟及沉沙池在一定程度上有利于脐橙园土壤质量的提升。(3)果园不同土层总体表现为表层(01 0c m)土壤质量指数大于深层(1 02 0c m)土壤,通过土壤质量指数分级发现,优化整地梯田和撂荒地土壤质量优于传统整地。参考文献:1 邱野.北方坡耕地不同耕作模式产流产沙及土壤水分分布研究D.沈阳:沈阳农业大学,2 0 1 9.2 张相,丁鸣鸣,李卓远,等.水蚀作用下红壤丘陵区土壤特性的空间分异特征J/O L.南京林业大学学报(自然科学 版),2 0 2 2,1-9.h t t p s:/k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/3 2.1 1 6 1.s.2 0 2 2 1 0 2 6.1 0 5 0.0 0 4.h t m l.3 Z u a z oVHD,P l e g u e z u e l oCRR,P e i n a d oFJM,e t a l.E n v i r o n m e n t a li m p a c to fi n t r o d u c i n gp l a n tc o v e r si nt h et a l u s e so ft e r r a c e s:I m p l i c a t i o n sf o rm i t i g a t i n ga g r i c u l t u r a ls o i l e r o s i o na n dr u n o f fJ.C a t e n a,2 0 1 1,8 4(1/2):7 9-8 8.4 S t a v iI,F i z i kE,A r g a m a nE.C o n t o u rb e n c ht e r r a c e(s h i c h/s h i k i m)f o r e s t r ys y s t e m s i nt h es e m i-a