冷浸田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)論文

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1材料與方法

1.1樣品采集與分析項(xiàng)目

2011—2013年水稻冬閑期，在福建尤溪、順昌、浦城、建甌、上杭、閩侯(2樣點(diǎn))、建寧(2樣點(diǎn))、閩清、漳平、武夷山、寧化、建陽(yáng)、延平、永安和泰寧15縣(市)選擇17對(duì)典型冷浸田與同一微地貌單元內(nèi)的非冷浸田表層土壤(0~20cm)進(jìn)行采樣(表1)。采集的土壤分別代表福建省常見(jiàn)的氧化型黃泥田(剖面構(gòu)型A-Ap-P-C)、還原型冷浸田(剖面構(gòu)型Ag-G)、以及氧化還原型灰泥田、青底灰泥田、灰黃泥田或灰砂泥田類型(剖面構(gòu)型A-Ap-P-W-G/C)。本研究土壤樣品測(cè)定的指標(biāo)共有41項(xiàng)，其中，生化指標(biāo)12項(xiàng)(脲酶、轉(zhuǎn)化酶、過(guò)氧化氫酶、磷酸酶、硝酸還原酶、微生物生物量C、微生物生物量N、微生物生物量C/總C、微生物生物量N/總N、真菌、細(xì)菌、放線菌)，化學(xué)指標(biāo)25項(xiàng)(pH、有機(jī)質(zhì)、堿解N、速效K、全N、全K、緩效K、有效B、有效S、交換性Ca、交換性Mg、有效Mn、有效Cu、NO3--N、還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)、Fe2+、Mn2+、C/N、全P、陽(yáng)離子交換量(CEC)、速效P、有效Fe、有效Zn、C/P)，物理指標(biāo)4項(xiàng)(粘粒、土壤水分、浸水容重、物理性砂粒)。累計(jì)理化、生化屬性數(shù)據(jù)計(jì)1394個(gè)。土壤微生物生物量C、微生物生物量N測(cè)定參照魯如坤[9]方法。即微生物生物量C用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法，浸提液用日本島津Shimadzu500有機(jī)C分析儀測(cè)定，薰蒸殺死的微生物中的C，被K2SO4所浸提的比例取0.38；土壤微生物生物量N測(cè)定樣品前處理同土壤微生物生物量C方法，浸提后的水溶液用Shimadzu500測(cè)定，薰蒸殺死的微生物中的N，被K2SO4所提取的比例取0.45。土壤脲酶活性、過(guò)氧化氫酶活性、轉(zhuǎn)化酶活性、磷酸酶、硝酸還原酶活性依次用靛酚藍(lán)比色法、高錳酸鉀滴定法、硫代硫酸鈉滴定法、磷酸苯二鈉比色法與酚二磺酸比色法測(cè)定；土壤微生物區(qū)系采用稀釋平板計(jì)數(shù)法。土壤有效Zn、Cu、Fe、Mn采用DTPA混合溶液浸提-原子吸收分光光度計(jì)法；還原性物質(zhì)總量與活性還原性物質(zhì)采用硫酸鋁溶液浸提，分別用重鉻酸鉀溶液氧化與高錳酸鉀溶液氧化測(cè)定。

1.2數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel整理后，17對(duì)冷浸田與非冷浸田土壤的41項(xiàng)理化、生化屬性利用DPS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)分析，在17對(duì)樣品41項(xiàng)理化、生化屬性中，選擇差異顯著的因子屬性數(shù)據(jù)庫(kù)用于構(gòu)建冷浸田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)因子的MDS，MDS確定利用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件的因子分析進(jìn)行主成分分析，再利用DPS軟件進(jìn)行相關(guān)分析(α=0.05)。

2結(jié)果與分析

2.1福建冷浸田土壤主要理化、生化特征

冷浸田與同一微地貌單元內(nèi)非冷浸田之間的41項(xiàng)屬性因子中，有28項(xiàng)的t檢驗(yàn)達(dá)到顯著差異水平。從生化特征來(lái)看，轉(zhuǎn)化酶、過(guò)氧化氫酶、磷酸酶、硝酸還原酶、細(xì)菌、真菌和放線菌、微生物生物量C和N、微生物生物量C/總C、微生物生物量N/總N等11項(xiàng)因子差異明顯。其中，冷浸田土壤的過(guò)氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶活性分別比非冷浸田高58.3%和22.1%，差異達(dá)到顯著水平，這可能是由于冷浸田長(zhǎng)期處于淹水厭氧環(huán)境，生物代謝過(guò)程產(chǎn)生了有害性的過(guò)氧化氫累積，致使過(guò)氧化氫酶作用基質(zhì)含量高，一定程度上激活了過(guò)氧化氫酶活性；另外，由于處于厭氧狀態(tài)下的土壤有機(jī)質(zhì)難以礦化，有機(jī)質(zhì)累積進(jìn)一步誘導(dǎo)了冷浸田的微生物分泌較多的轉(zhuǎn)化酶，以促進(jìn)有機(jī)化合物的礦化。而冷浸田土壤的磷酸酶、硝酸還原酶活性、細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量、微生物生物量C和N、微生物生物量C/總C、微生物生物量N/總N指標(biāo)顯著低于非冷浸田，其中，磷酸酶與硝酸還原酶分別僅相當(dāng)于非冷浸田的52.2%和33.4%，這可能是由于冷浸田土壤中的磷素和NO3--N含量低，因而供給微生物轉(zhuǎn)化的底物也少，降低了磷酸酶和硝酸還原酶活性。冷浸田土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量分別僅相當(dāng)于非冷浸田的70.2%、62.5%和54.0%，可能原因是冷浸田普遍處于低溫還原狀態(tài)，不利于土壤微生物活動(dòng)，微生物區(qū)系與微生物生物量C、N也隨之降低。從表2可以看出，微生物生物量C和N、微生物生物量C/總C、微生物生物量N/總N分別僅相當(dāng)于非冷浸田的37.8%、56.3%、27.8%和44.7%，這主要是由于微生物生物量C是活性有機(jī)質(zhì)的主要組分，盡管土壤微生物生物量?jī)H占有機(jī)碳的1%~3%，但它在有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)中起著很重要的作用，其含量顯著低于非冷浸田，反映出冷浸田土壤有機(jī)質(zhì)“品質(zhì)”較差的特性。

2.2冷浸田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)因子最小數(shù)據(jù)集的構(gòu)建

2.2.1冷浸田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)因子主成分分析

冷浸田與非冷浸田之間土壤屬性達(dá)到顯著性差異的有28項(xiàng)，為了抓住這些關(guān)鍵因子，以達(dá)到快速治理與改善土壤理化、生化性狀的目的，本文采用主成分分析對(duì)這些因素進(jìn)行因子分析，以減少參評(píng)土壤因子，同時(shí)也解決數(shù)據(jù)冗余的問(wèn)題。首先，選擇特征值≥1的主成分(PC)，特征值≥1的PC有5個(gè)，前5個(gè)PC累計(jì)貢獻(xiàn)率78.5%(表5)，說(shuō)明這5個(gè)PC已基本上反映了冷浸田土壤性狀變化的主要影響因素。對(duì)各變量在各個(gè)PC上的旋轉(zhuǎn)因子載荷大小進(jìn)行選取，一般認(rèn)為系數(shù)絕對(duì)值在0.8以上的初始因子對(duì)構(gòu)成的評(píng)價(jià)因子具有重要的影響力。其中，第1PC主要由C/N、細(xì)菌、放線菌初始因子構(gòu)成，主要反映土壤生化特征；第2PC主要由微生物生物量N、微生物生物量N/總N初始因子構(gòu)成，主要反映土壤活性有機(jī)N特征(屬生化范疇)；第3PC主要由還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)總量初始因子構(gòu)成，主要反映土壤還原性障礙特征；第4PC主要由全N、物理性砂粒初始因子構(gòu)成，主要反映土壤物理特征與化學(xué)養(yǎng)分特征；第5PC主要由全P初始因子構(gòu)成，主要反映土壤化學(xué)養(yǎng)分特征。綜上所述，由C/N、細(xì)菌、放線菌、微生物生物量N、微生物生物量N/總N、還原性物質(zhì)總量、活性還原性物質(zhì)總量、全N、物理性砂粒、全P10項(xiàng)候選因子組成的評(píng)價(jià)因子體系可以基本反映出28項(xiàng)初始評(píng)價(jià)因子構(gòu)成的土壤質(zhì)量信息。

2.2.2冷浸田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)因子最小數(shù)據(jù)集的確定

對(duì)10項(xiàng)候選因子進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)分析表明，土壤不同因子間存在顯著的相關(guān)性。根據(jù)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)因子相對(duì)獨(dú)立性原則，依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)法對(duì)上述10項(xiàng)因子進(jìn)行優(yōu)化。C/N生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征反映土壤C、N物質(zhì)循環(huán)以及生態(tài)系統(tǒng)的主要過(guò)程，對(duì)土壤質(zhì)量起著重要作用，其自然進(jìn)入MDS；土壤細(xì)菌與放線菌均為微生物區(qū)系，二者與C/N均呈顯著相關(guān)，但細(xì)菌與C/N相關(guān)系數(shù)較小，信息獨(dú)立性較放線菌大，且在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過(guò)程中發(fā)揮著極其重要的作用，故細(xì)菌進(jìn)入MDS，而舍去放線菌因子；微生物生物量N(MBN)與MBN/總N呈顯著相關(guān)，且MBN與其他因子無(wú)顯著相關(guān)，其信息相對(duì)獨(dú)立，因而選擇微生物生物量N進(jìn)入MDS；還原性物質(zhì)總量與活性還原性物質(zhì)呈顯著正相關(guān)，由于還原性物質(zhì)與其他因子無(wú)顯著相關(guān)，信息相對(duì)獨(dú)立，故選擇還原性物質(zhì)總量進(jìn)入MDS；物理性砂粒反映土壤空隙結(jié)構(gòu)、土壤水分滲透性能及耕作難易以及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的物理指標(biāo)，且除與全N顯著相關(guān)外，其余均無(wú)顯著相關(guān)，其信息獨(dú)立，故選擇進(jìn)入MDS；全N與全P均屬化學(xué)指標(biāo)，全N與物理性砂粒、還原性物質(zhì)總量均呈顯著正相關(guān)，而全P除與物理性砂粒顯著正相關(guān)外，與其余因子均無(wú)顯著相關(guān)，且全P也與冷浸田限制因子速效P呈顯著正相關(guān)，該因子體現(xiàn)了MDS內(nèi)的指標(biāo)相關(guān)性低而與MDS外的指標(biāo)相關(guān)性強(qiáng)的特點(diǎn)，故選擇全P進(jìn)入MDS，而舍去全N因子?；谙嚓P(guān)分析并結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)法，最終確定冷浸田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)因子MDS由C/N、細(xì)菌、微生物生物量N、還原性物質(zhì)總量、物理性砂粒、全P6項(xiàng)因子組成。

2.3冷浸田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)因子MDS表征與應(yīng)用

建立完善耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)體系、明確不同地力等級(jí)耕地的劃分標(biāo)準(zhǔn)，是制訂相關(guān)政策與法規(guī)的重要依據(jù)，也是強(qiáng)化執(zhí)法力度的重要保障[20]。進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，評(píng)價(jià)因子的選取應(yīng)全面、綜合地反映土壤肥力質(zhì)量的各個(gè)方面，即土壤的養(yǎng)分貯存、釋放，土壤的物理性狀和生物多樣性[21]。MDS則是反映土壤質(zhì)量的最少因子參數(shù)的集合。通過(guò)主成分分析、相關(guān)分析并結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)篩選出的冷浸田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)因子MDS覆蓋了土壤物理、化學(xué)與生化指標(biāo)。其中，化學(xué)指標(biāo)包括C/N、全P、還原性物質(zhì)總量因子，其表征土壤養(yǎng)分與水分保持、碳儲(chǔ)藏與土壤團(tuán)聚體維護(hù)以及冷浸田土壤還原性障礙因子功能；物理指標(biāo)為物理性砂粒因子，其表征土壤水分與化學(xué)物質(zhì)的吸附和運(yùn)輸；生化指標(biāo)包括細(xì)菌、微生物生物量N，其表征微生物活動(dòng)及養(yǎng)分循環(huán)通量。通過(guò)優(yōu)化篩選出的MDS可用于冷浸田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)，也適合于冷浸田改良效果的評(píng)價(jià)。李桂林等基于蘇州市1985—2004年土地利用變化情況，在采樣分析的兩套土壤屬性數(shù)據(jù)(各12個(gè)土壤候選參數(shù)集)上，得到各包含6項(xiàng)因子的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)MDS及其20年尺度上的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)MDS因子略有不同，但變化不大。其中，4項(xiàng)(有機(jī)質(zhì)、pH、有效K、全K)相同，另外，1985年的MDS中還包括有效P、總孔隙度，2004年的MDS中還包括全P及容重。從中可以看出，冷浸田的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)因子MDS選擇與一般類型土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)MDS選擇是有差別的。這與冷浸田土壤性質(zhì)的特殊性分不開(kāi)。如對(duì)于一般類型土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)而言，土壤還原性物質(zhì)參數(shù)一般不會(huì)被選入MDS，而對(duì)冷浸田而言，土壤還原性物質(zhì)對(duì)作物生長(zhǎng)造成毒害，是限制生產(chǎn)力提升的重要“瓶頸”因子，故被選入MDS；同樣，土壤微生物生物量N與微生物生物量C類似，其表征冷浸田土壤有機(jī)氮庫(kù)的“質(zhì)量”而被選入MDS。當(dāng)然，當(dāng)冷浸田土壤通過(guò)治理后，還原性物質(zhì)下降為次要限制因素，或冷浸田通過(guò)改良演變?yōu)榛夷嗵?、青底灰泥田或灰黃泥田等氧化型、氧化還原型土壤類型時(shí)，其土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)MDS選擇可能也隨之發(fā)生改變，此條件下土壤有機(jī)質(zhì)、pH或可作為重要的肥力限制因子代替現(xiàn)有冷浸田質(zhì)量評(píng)價(jià)MDS中的因子。另外，本研究冷浸田類型為發(fā)生學(xué)分類名稱，其覆蓋潛育性水稻土的5個(gè)主要土種類型，上述參評(píng)因子選擇確定也可為冷浸田土壤系統(tǒng)分類土系區(qū)分提供借鑒，如青泥田、淺腳爛泥田、深腳爛泥田的土壤還原強(qiáng)度逐漸增加，其有機(jī)質(zhì)和物理性砂粒含量也有相似趨勢(shì)，因而可以根據(jù)還原性物質(zhì)總量、C/N和物理性砂粒含量等診斷特性或診斷現(xiàn)象加以區(qū)分，同樣，對(duì)于銹水田，按系統(tǒng)分類，可根據(jù)潛育土表層亞鐵含量和還原性物質(zhì)總量，劃分出相應(yīng)的土系。用主成分方法篩選質(zhì)量評(píng)價(jià)因子，可有效減少數(shù)據(jù)冗余，但也可能存在參評(píng)土壤因子信息丟失的問(wèn)題。有報(bào)道認(rèn)為，通過(guò)主成分分析并結(jié)合矢量常模(NORM)的方法可能對(duì)評(píng)價(jià)因子MDS選擇更完善。另外，在提出MDS的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)專家咨詢或模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)各評(píng)價(jià)因子指標(biāo)“好壞”進(jìn)行描述并最終構(gòu)建冷浸田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)模型有待進(jìn)一步研究。

3結(jié)論

通過(guò)比較福建省17對(duì)冷浸田與鄰近非冷浸田土壤樣品的41項(xiàng)土壤物理、化學(xué)、生物指標(biāo)，得出冷浸田土壤具有如下典型特征：與非冷浸田相比，冷浸田土壤總有機(jī)質(zhì)高出31.7%，表征活性有機(jī)質(zhì)的微生物生物量C降低37.8%；Fe2+高出177.0%，速效P、K分別降低52.3%和22.8%；過(guò)氧化氫酶和轉(zhuǎn)化酶分別高58.3%和22.1%，磷酸酶、硝酸還原酶分別降低47.8%和66.6%，微生物區(qū)系數(shù)量降低29.8%~46.0%；物理性砂粒含量高8.0%，浸水容重降低25.8%?；诶浣锱c非冷浸田土壤28項(xiàng)差異顯著的因子的主成分分析，可歸納出5個(gè)反映冷浸田土壤生化、活性有機(jī)N、還原性障礙、物理與化學(xué)養(yǎng)分特征的主成分，其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)78.5%。結(jié)合相關(guān)分析模型和專家經(jīng)驗(yàn)法，最終優(yōu)選確定出C/N、細(xì)菌、微生物生物量N、還原性物質(zhì)總量、物理性砂粒、全P等6項(xiàng)因子作為冷浸田土壤土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)因子的MDS。

作者:王飛李清華林誠(chéng)何春梅鐘少杰李昱林新堅(jiān)單位:福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所