冷浸田土壤質量評價論文

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1材料與方法

1.1樣品采集與分析項目

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)、建寧(2樣點)、閩清、漳平、武夷山、寧化、建陽、延平、永安和泰寧15縣(市)選擇17對典型冷浸田與同一微地貌單元內的非冷浸田表層土壤(0~20cm)進行采樣(表1)。采集的土壤分別代表福建省常見的氧化型黃泥田(剖面構型A-Ap-P-C)、還原型冷浸田(剖面構型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(剖面構型A-Ap-P-W-G/C)。本研究土壤樣品測定的指標共有41項，其中，生化指標12項(脲酶、轉化酶、過氧化氫酶、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、細菌、放線菌)，化學指標25項(pH、有機質、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、還原性物質總量、活性還原性物質、Fe2+、Mn2+、C/N、全P、陽離子交換量(CEC)、速效P、有效Fe、有效Zn、C/P)，物理指標4項(粘粒、土壤水分、浸水容重、物理性砂粒)。累計理化、生化屬性數據計1394個。土壤微生物生物量C、微生物生物量N測定參照魯如坤[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C分析儀測定，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、過氧化氫酶活性、轉化酶活性、磷酸酶、硝酸還原酶活性依次用靛酚藍比色法、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定；土壤微生物區系采用稀釋平板計數法。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法；還原性物質總量與活性還原性物質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定。

1.2數據處理

數據經Excel整理后，17對冷浸田與非冷浸田土壤的41項理化、生化屬性利用DPS統計軟件進行配對t檢驗分析，在17對樣品41項理化、生化屬性中，選擇差異顯著的因子屬性數據庫用于構建冷浸田土壤質量評價因子的MDS，MDS確定利用SPSS13.0統計軟件的因子分析進行主成分分析，再利用DPS軟件進行相關分析(α=0.05)。

2結果與分析

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非冷浸田之間的41項屬性因子中，有28項的t檢驗達到顯著差異水平。從生化特征來看，轉化酶、過氧化氫酶、磷酸酶、硝酸還原酶、細菌、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項因子差異明顯。其中，冷浸田土壤的過氧化氫酶、轉化酶活性分別比非冷浸田高58.3%和22.1%，差異達到顯著水平，這可能是由于冷浸田長期處于淹水厭氧環境，生物代謝過程產生了有害性的過氧化氫累積，致使過氧化氫酶作用基質含量高，一定程度上激活了過氧化氫酶活性；另外，由于處于厭氧狀態下的土壤有機質難以礦化，有機質累積進一步誘導了冷浸田的微生物分泌較多的轉化酶，以促進有機化合物的礦化。而冷浸田土壤的磷酸酶、硝酸還原酶活性、細菌、真菌、放線菌數量、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指標顯著低于非冷浸田，其中，磷酸酶與硝酸還原酶分別僅相當于非冷浸田的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。冷浸田土壤中細菌、真菌和放線菌數量分別僅相當于非冷浸田的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，不利于土壤微生物活動，微生物區系與微生物生物量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是活性有機質的主要組分，盡管土壤微生物生物量僅占有機碳的1%~3%，但它在有機質動態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質“品質”較差的特性。

2.2冷浸田土壤質量評價因子最小數據集的構建

2.2.1冷浸田土壤質量評價因子主成分分析

冷浸田與非冷浸田之間土壤屬性達到顯著性差異的有28項，為了抓住這些關鍵因子，以達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這些因素進行因子分析，以減少參評土壤因子，同時也解決數據冗余的問題。首先，選擇特征值≥1的主成分(PC)，特征值≥1的PC有5個，前5個PC累計貢獻率78.5%(表5)，說明這5個PC已基本上反映了冷浸田土壤性狀變化的主要影響因素。對各變量在各個PC上的旋轉因子載荷大小進行選取，一般認為系數絕對值在0.8以上的初始因子對構成的評價因子具有重要的影響力。其中，第1PC主要由C/N、細菌、放線菌初始因子構成，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初始因子構成，主要反映土壤活性有機N特征(屬生化范疇)；第3PC主要由還原性物質總量、活性還原性物質總量初始因子構成，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成，主要反映土壤物理特征與化學養分特征；第5PC主要由全P初始因子構成，主要反映土壤化學養分特征。綜上所述，由C/N、細菌、放線菌、微生物生物量N、微生物生物量N/總N、還原性物質總量、活性還原性物質總量、全N、物理性砂粒、全P10項候選因子組成的評價因子體系可以基本反映出28項初始評價因子構成的土壤質量信息。

2.2.2冷浸田土壤質量評價因子最小數據集的確定

對10項候選因子進一步進行相關分析表明，土壤不同因子間存在顯著的相關性。根據土壤質量評價因子相對獨立性原則，依據專家經驗法對上述10項因子進行優化。C/N生態化學計量特征反映土壤C、N物質循環以及生態系統的主要過程，對土壤質量起著重要作用，其自然進入MDS；土壤細菌與放線菌均為微生物區系，二者與C/N均呈顯著相關，但細菌與C/N相關系數較小，信息獨立性較放線菌大，且在土壤養分轉化過程中發揮著極其重要的作用，故細菌進入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，且MBN與其他因子無顯著相關，其信息相對獨立，因而選擇微生物生物量N進入MDS；還原性物質總量與活性還原性物質呈顯著正相關，由于還原性物質與其他因子無顯著相關，信息相對獨立，故選擇還原性物質總量進入MDS；物理性砂粒反映土壤空隙結構、土壤水分滲透性能及耕作難易以及養分轉化的物理指標，且除與全N顯著相關外，其余均無顯著相關，其信息獨立，故選擇進入MDS；全N與全P均屬化學指標，全N與物理性砂粒、還原性物質總量均呈顯著正相關，而全P除與物理性砂粒顯著正相關外，與其余因子均無顯著相關，且全P也與冷浸田限制因子速效P呈顯著正相關，該因子體現了MDS內的指標相關性低而與MDS外的指標相關性強的特點，故選擇全P進入MDS，而舍去全N因子。基于相關分析并結合專家經驗法，最終確定冷浸田土壤質量評價因子MDS由C/N、細菌、微生物生物量N、還原性物質總量、物理性砂粒、全P6項因子組成。

2.3冷浸田土壤質量評價因子MDS表征與應用

建立完善耕地質量評價體系、明確不同地力等級耕地的劃分標準，是制訂相關政策與法規的重要依據，也是強化執法力度的重要保障[20]。進行土壤質量評價時，評價因子的選取應全面、綜合地反映土壤肥力質量的各個方面，即土壤的養分貯存、釋放，土壤的物理性狀和生物多樣性[21]。MDS則是反映土壤質量的最少因子參數的集合。通過主成分分析、相關分析并結合專家經驗篩選出的冷浸田土壤質量評價因子MDS覆蓋了土壤物理、化學與生化指標。其中，化學指標包括C/N、全P、還原性物質總量因子，其表征土壤養分與水分保持、碳儲藏與土壤團聚體維護以及冷浸田土壤還原性障礙因子功能；物理指標為物理性砂粒因子，其表征土壤水分與化學物質的吸附和運輸；生化指標包括細菌、微生物生物量N，其表征微生物活動及養分循環通量。通過優化篩選出的MDS可用于冷浸田土壤質量評價，也適合于冷浸田改良效果的評價。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據(各12個土壤候選參數集)上，得到各包含6項因子的土壤質量評價MDS及其20年尺度上的變化規律，發現MDS因子略有不同，但變化不大。其中，4項(有機質、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，冷浸田的土壤質量評價因子MDS選擇與一般類型土壤質量評價MDS選擇是有差別的。這與冷浸田土壤性質的特殊性分不開。如對于一般類型土壤質量評價而言，土壤還原性物質參數一般不會被選入MDS，而對冷浸田而言，土壤還原性物質對作物生長造成毒害，是限制生產力提升的重要“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氮庫的“質量”而被選入MDS。當然，當冷浸田土壤通過治理后，還原性物質下降為次要限制因素，或冷浸田通過改良演變為灰泥田、青底灰泥田或灰黃泥田等氧化型、氧化還原型土壤類型時，其土壤質量評價MDS選擇可能也隨之發生改變，此條件下土壤有機質、pH或可作為重要的肥力限制因子代替現有冷浸田質量評價MDS中的因子。另外，本研究冷浸田類型為發生學分類名稱，其覆蓋潛育性水稻土的5個主要土種類型，上述參評因子選擇確定也可為冷浸田土壤系統分類土系區分提供借鑒，如青泥田、淺腳爛泥田、深腳爛泥田的土壤還原強度逐漸增加，其有機質和物理性砂粒含量也有相似趨勢，因而可以根據還原性物質總量、C/N和物理性砂粒含量等診斷特性或診斷現象加以區分，同樣，對于銹水田，按系統分類，可根據潛育土表層亞鐵含量和還原性物質總量，劃分出相應的土系。用主成分方法篩選質量評價因子，可有效減少數據冗余，但也可能存在參評土壤因子信息丟失的問題。有報道認為，通過主成分分析并結合矢量常模(NORM)的方法可能對評價因子MDS選擇更完善。另外，在提出MDS的基礎上，進一步通過專家咨詢或模糊數學方法對各評價因子指標“好壞”進行描述并最終構建冷浸田土壤質量評價模型有待進一步研究。

3結論

通過比較福建省17對冷浸田與鄰近非冷浸田土壤樣品的41項土壤物理、化學、生物指標，得出冷浸田土壤具有如下典型特征：與非冷浸田相比，冷浸田土壤總有機質高出31.7%，表征活性有機質的微生物生物量C降低37.8%；Fe2+高出177.0%，速效P、K分別降低52.3%和22.8%；過氧化氫酶和轉化酶分別高58.3%和22.1%，磷酸酶、硝酸還原酶分別降低47.8%和66.6%，微生物區系數量降低29.8%~46.0%；物理性砂粒含量高8.0%，浸水容重降低25.8%。基于冷浸田與非冷浸田土壤28項差異顯著的因子的主成分分析，可歸納出5個反映冷浸田土壤生化、活性有機N、還原性障礙、物理與化學養分特征的主成分，其累計貢獻率達78.5%。結合相關分析模型和專家經驗法，最終優選確定出C/N、細菌、微生物生物量N、還原性物質總量、物理性砂粒、全P等6項因子作為冷浸田土壤土壤質量評價因子的MDS。

作者:王飛李清華林誠何春梅鐘少杰李昱林新堅單位:福建省農業科學院土壤肥料研究所