【论文精选】基于最小数据集的紫色丘陵区坡耕地耕层土壤质量评价

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)2198.8万hm²。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。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，耕层土壤质量关乎作物的高产稳产和农业可持续发展。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，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。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，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等提出采用最小数据集(minimum data set，MDS)对土壤质量进行评价，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。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。

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。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，属亚热带季风湿润气候区，具有气温较高，年平均降雨量1524.7mm，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，平均海拔150m，属亚热带季风气候，年平均气温为19.3℃。年平均降雨量1949.5mm，年平均日照时间为1670h。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，属低山丘陵区，年均温18.9℃，年降水量1 522.3mm。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，年均气温14.8~21.9℃，年均降雨量800~1 000mm，且主要集中在7—10月，而其蒸发量年平均为2432mm，年均日照时间为2450h。

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1m×1m×0.6m(长×宽×高)的规格挖取耕层剖面观察土壤结构，并采集土样。对0~20cm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(100cm³)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2kg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。

综上，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。本文具体研究结论如下：

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(14.89g/kg)、全氮(0.85g/kg)为四级水平，有效磷(28.84mg/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。

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