福建黃泥田肥力質(zhì)量特征與最小數(shù)據(jù)集*

王 飛, 李清華, 林 誠(chéng), 何春梅

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福建黃泥田肥力質(zhì)量特征與最小數(shù)據(jù)集*

王 飛, 李清華, 林 誠(chéng), 何春梅

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所 福州 350013)

黃泥田為福建省主要中低產(chǎn)田類型之一, 約占水稻土面積的30%。為解析關(guān)鍵限制因子及開展黃泥田肥力質(zhì)量評(píng)價(jià), 進(jìn)而實(shí)施針對(duì)性的改良措施, 采用配對(duì)采樣方法, 采集福建省20對(duì)典型黃泥田與鄰近同一微地貌單元內(nèi)高產(chǎn)灰泥田表層土壤, 分析了兩種土壤類型28項(xiàng)屬性因子指標(biāo)差異及其原因, 并采用主成分分析等方法構(gòu)建福建省黃泥田肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)因子最小數(shù)據(jù)集, 通過加權(quán)指數(shù)法分別計(jì)算最小數(shù)據(jù)集土壤肥力質(zhì)量指數(shù)與差異顯著因子構(gòu)成的重要數(shù)據(jù)集土壤肥力質(zhì)量指數(shù)。結(jié)果表明, 與灰泥田相比, 黃泥田的有機(jī)質(zhì)含量低19.1%, 全氮、全磷、全鉀含量分別低14.8%、29.9%和25.4%, 堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別低17.8%、56.7%和39.3%, CEC、交換性鈣、交換性鎂含量分別低12.9%、50.6%和30.8%, 有效鐵、有效硼和有效鋅含量分別低25.6%、33.3%和44.1%。黃泥田的物理性黏粒、<0.001 mm黏粒和容重分別較灰泥田高20.8%、25.6%和12.3%, 而孔隙度低19.3%。黃泥田過氧化氫酶活性較灰泥田高20.4%, 脲酶活性較灰泥田低40.4%。用主成分分析方法從上述19項(xiàng)有顯著差異的因子構(gòu)成的重要數(shù)據(jù)集中歸納出累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)76.22%并能反映黃泥田綜合肥力特征的6個(gè)主成分, 建立了由CEC、全鉀、有效磷、有效硼和孔隙度5項(xiàng)因子組成的黃泥田肥力評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集, 相應(yīng)的黃泥田最小數(shù)據(jù)集土壤肥力質(zhì)量指數(shù)僅相當(dāng)于灰泥田的69.5%, 通過與重要數(shù)據(jù)集的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)相關(guān)分析比較, 最小數(shù)據(jù)集可代替重要數(shù)據(jù)集對(duì)福建省黃泥田土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行正確評(píng)價(jià)。

黃泥田; 土壤屬性; 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià); 最小數(shù)據(jù)集; 土壤肥力質(zhì)量指數(shù)

土壤肥力質(zhì)量是綜合表征土壤維持生產(chǎn)力的能力, 是土壤養(yǎng)分針對(duì)特定作物的供應(yīng)能力[1]?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中, 土壤肥力質(zhì)量對(duì)作物生產(chǎn)力的影響越來越明顯, 優(yōu)良品種潛力的發(fā)揮、栽培措施的實(shí)施、水肥資源的合理利用都越來越依賴土壤質(zhì)量, 因此加強(qiáng)中低產(chǎn)田改良與肥力提升的研究顯得尤為重要。

黃泥田屬滲育型水稻土, 為福建省主要中低產(chǎn)田類型之一, 約占水稻土面積的30%[2]。黃泥田土壤剖面犁底層下多見黃色銹斑或全層為黃色, 俗稱“黃泥層”, 主要分布于山地丘陵、山前傾斜平原、濱海臺(tái)地和河谷階地, 發(fā)育于凝灰?guī)r、閃長(zhǎng)巖、泥質(zhì)巖、第四紀(jì)紅色黏土和細(xì)粒結(jié)晶巖等風(fēng)化物, 母質(zhì)較細(xì), 土質(zhì)黏重。黃泥田所處地勢(shì)較高, 滲透性強(qiáng), 干濕交替頻繁, 剖面土壤分化較明顯。20世紀(jì)80年代, 全國(guó)第2次土壤普查對(duì)福建黃泥田土壤理化特性開展了研究, 發(fā)現(xiàn)熟化度低的黃泥田存在酸、瘦、黏、淺、旱等障礙因素[2]。但調(diào)查距今已有30余年, 且當(dāng)前耕作制度和施肥方式已發(fā)生明顯變化。因此, 掌握當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式下黃泥田的土壤肥力特性, 對(duì)因地制宜改良該類型土壤十分重要。

土壤肥力質(zhì)量不能被直接測(cè)定, 但可通過評(píng)價(jià)因子功能參數(shù)來間接描述土壤的質(zhì)量狀態(tài)[3-4]。一些數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法已被廣泛應(yīng)用于土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中, 如層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)度法、主成分分析法等, 利用這些數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法評(píng)價(jià)土壤肥力質(zhì)量可以減少人為因素的干擾[5-7]。最小數(shù)據(jù)集(MDS)是反映土壤質(zhì)量最少的指標(biāo)參數(shù)的集合, 即通過幾個(gè)關(guān)鍵因子實(shí)現(xiàn)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)。從前人的研究看, 最小數(shù)據(jù)集因子選擇多綜合考慮土壤物理、化學(xué)與生物學(xué)性質(zhì)指標(biāo), 并盡可能敏感地表征出土壤生態(tài)系統(tǒng)變化[8-10]。但不同土壤類型、不同土地利用方式下的最小數(shù)據(jù)集因子選擇差異較大, 尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn), 需要結(jié)合具體生態(tài)條件構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集。

為此, 本研究通過對(duì)福建省20對(duì)典型中低產(chǎn)黃泥田與鄰近同一微地貌單元內(nèi)的高產(chǎn)灰泥田進(jìn)行配對(duì)比較, 分析土壤物理、化學(xué)與生物學(xué)方面的差異, 解析限制因子與限制程度以及形成原因。在此基礎(chǔ)上, 通過主成分等方法建立最小數(shù)據(jù)集, 開展土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià), 闡明黃泥田肥力提升方向。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析項(xiàng)目

于2015年12月至2016年3月水稻冬閑期, 在福建省浦城、建陽(yáng)、建甌、延平、順昌、閩清、閩侯、寧化、永安、大田、尤溪、沙縣、將樂、周寧、福安、屏南、霞浦、古田、上杭、連城20個(gè)縣選擇20對(duì)典型黃泥田(剖面構(gòu)型A-Ap-P-C, 代表中低產(chǎn)土壤)與鄰近同一微地貌單元內(nèi)的灰泥田(剖面構(gòu)型A-Ap-P-W-C, 代表高產(chǎn)土壤)表層土壤(0~20 cm)進(jìn)行采樣(表1)。野外采樣時(shí), 每塊樣地在布點(diǎn)的區(qū)域50 m范圍內(nèi)采用S形布置8~10個(gè)子樣點(diǎn), 采樣時(shí)先用取土鏟挖出20 cm深的土壤斷面, 再用竹刀削去與取土鏟接觸部分, 并垂直向下均勻采集取0~20 cm斷面, 每個(gè)子樣約0.4 kg, 剔除其中可見的植物殘?bào)w、石塊及土壤動(dòng)物, 再將多個(gè)子樣混合均勻后用四分法留取1.5 kg樣品, 裝于干凈塑封袋中運(yùn)回室內(nèi)。留部分鮮土保存到4 ℃冰箱中用于可溶性有機(jī)碳、微生物生物量碳等生化因子的測(cè)定。其余部分?jǐn)偝杀? 自然風(fēng)干并適時(shí)翻動(dòng), 沿自然結(jié)構(gòu)剝成小塊土樣, 風(fēng)干后樣品一部分用于土壤團(tuán)聚體、機(jī)械組成等測(cè)定; 另一部分過篩后用于土壤化學(xué)性狀分析。田間采樣時(shí)另用容重圈在采樣區(qū)中心的耕層中間位置采集土壤樣品用于測(cè)定0~20 cm表層土壤容重, 重復(fù)3次。

表1 福建省水稻田土壤樣品取樣點(diǎn)

Table 1 Soil sample points of paddy field in Fujian Province

編號(hào)Number地點(diǎn)Location經(jīng)緯度Longitude andlatitude海拔Height (m)地形Landform土壤母質(zhì)Soil parent material土地利用方式Land utilization type黃泥田Yellow-mudpaddy field灰泥田Grey-mudpaddy field黃泥田Yellow-mudpaddy field灰泥田Grey-mudpaddy field黃泥田Yellow-mudpaddy field灰泥田Grey-mudpaddy field黃泥田Yellow-mudpaddy field灰泥田Grey-mudpaddy field1尤溪縣西濱鎮(zhèn)Xibin Township,Youxi County26°24′N118°18′E210230丘陵下部Lower part of hill平原中階Mid terrace of plain殘積物Elurium沖積物Alluvial material單季稻Single cropping rice煙-稻Tobacco- rice rotation2閩清縣東橋鎮(zhèn)Dongqiao Township, Minqing County26°22′N118°52′E160150丘陵上部Upper part of hill平原中階Mid terrace of plain殘積物Elurium沖積物Alluvial material單季稻Single cropping rice單季稻Single cropping rice建甌市東峰鎮(zhèn)Dongfeng Township, Jian’ou County27°9′N118°32′E140130丘陵下部Lower part of hill平原中階Mid terrace of plain殘積物Elurium沖積物Alluvial material單季稻Single cropping rice單季稻Single cropping rice4浦城縣仙陽(yáng)鎮(zhèn)Xianyang Township, Pucheng County28°04′N118°29′E340327丘陵下部Lower part of hill平原低階Low terrace of plain坡積物Deluvium沖積物Alluvial material單季稻Single cropping rice單季稻Single cropping rice5建陽(yáng)區(qū)童游街道Tongyou Street, Jianyang District27°22′N118°9′E180150丘陵下部Lower part of hill平原中階Mid terrace of plain坡積物Deluvium沖積物Alluvial material單季稻Single cropping rice單季稻Single cropping rice6延平區(qū)大橫鎮(zhèn)Daheng Township, Yanping District26°43′N118°14′E10070丘陵下部Lower part of hill平原高階High terrace of plain坡積物Deluvium坡積物Deluvium單季稻Single cropping rice單季稻Single cropping rice7閩侯縣白沙鎮(zhèn)Baisha Township, Minhou County26°13′N119°04′E1611丘陵下部Lower part of hill平原低階Low terrace of plain坡積物Deluvium沖積物Alluvial material單季稻Single cropping rice稻-菜Rice- vegetable rotation8順昌縣鄭坊鎮(zhèn)Zhengfang Township, Shunchang County26°42′N117°43′E272270丘陵下部Lower part of hill寬谷盆地Broad valley basin坡積物Deluvium沖積物Alluvial material單季稻Single cropping rice煙-稻Tobacco-rice rotation9永安市洪田鎮(zhèn)Hongtian Township, Yong’an County25°50′N117°16′E341230丘陵下部Lower part of hill平原中階Mid terrace of plain坡積物Deluvium沖積物Alluvial material中稻-西瓜Semilate rice- watermelonrotation單季稻Single cropping rice

表1 續(xù)

編號(hào)Number地點(diǎn)Location經(jīng)緯度Longitude andlatitude海拔Height (m)地形Landform土壤母質(zhì)Soil parent material土地利用方式Land utilization type黃泥田Yellow-mudpaddy field灰泥田Grey-mudpaddy field黃泥田Yellow-mudpaddy field灰泥田Grey-mudpaddy field黃泥田Yellow-mudpaddy field灰泥田Grey-mudpaddy field黃泥田Yellow-mudpaddy field灰泥田Grey-mudpaddy field10古田縣城東街道Chengdong Street, Gutian County26°37′N118°44′E361355丘陵中部Mid part of hill平原高階High terrace of plain坡積物Deluvium沖積物Alluvial material單季稻Single cropping rice單季稻Single cropping rice11大田縣武陵鄉(xiāng)Wuling Township, Datian County25°37′N117°46′E443435丘陵中部Mid part of hill平原高階High terrace of plain殘積物Elurium沖積物Alluvial material單季稻Single cropping rice單季稻Single cropping rice12寧化縣泉上鎮(zhèn)Quanshang Township, Ninghua County26°24′N116°58′E464453丘陵中部Mid part of hill平原高階High terrace of plain坡積物Deluvium坡積物Deluvium單季稻Single cropping rice煙-晚稻Tobacco-rice rotation13周寧縣禮門鄉(xiāng)Limen Township, Zhouning County26°59′N119°12′E830816山地坡下Mountain bottom山間盆地Intermountain basin坡積物Deluvium沖積物Alluvial material單季稻Single cropping rice單季稻Single cropping rice14屏南縣甘棠鎮(zhèn)Gantang Township, Pingnan County26°25′N119°37′E752741山地坡下Mountain bottom平原高階High terrace of plain坡積物Deluvium沖積物Alluvial material單季稻Single cropping rice單季稻Single cropping rice15福安市溪潭鎮(zhèn)Xitan Township,Fu’an City27°03′N118°18′E6212丘陵中部Mid part of hill平原低階Low terrace of plain坡積物Deluvium沖積物Alluvial material單季稻Single cropping rice中稻-蔬菜Semilate rice- vegetables rotation16霞浦縣松港街道Songgang Street, Xiapu County26°57′N120°00′E151148丘陵下部Lower part of hill平原高階High terrace of plain坡積物Deluvium沖積物Alluvial material單季稻Single cropping rice單季稻Single cropping rice17連城縣羅坊鎮(zhèn)Luofang Township, Liancheng County25°44′N116°39′E432396丘陵中部Mid part of hill平原低階Low terrace of plain坡積物Deluvium沖積物Alluvial material單季稻Single cropping rice煙-晚稻Tobacco-late rice rotation18上杭縣太拔鎮(zhèn)Taiba Township, Shanghang County24°56′N118°39′E475280丘陵中部Mid part of hill平原高階High terrace of plain坡積物Deluvium沖積物Alluvial material單季稻Single cropping rice油菜-中稻Rape-semilatericerotation19沙縣夏茂鎮(zhèn)Xiamao Township, Shaxian County26°34′N117°38′E208185丘陵下部Lower part of hill平原中階Mid terrace of plain坡積物Deluvium沖積物Alluvial material單季稻Single cropping rice單季稻Single cropping rice20將樂縣漠源鄉(xiāng)Moyuan Township, Jiangle County26°39′N117°34′E440438丘陵中部Mid part of hill寬谷盆地Broad valley basin坡積物Deluvium沖積物Alluvial material單季稻Single cropping rice單季稻Single cropping rice

土壤樣品測(cè)定的指標(biāo)共有28項(xiàng), 其中, 化學(xué)指標(biāo)18項(xiàng), 包括pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、陽(yáng)離子交換量(CEC)、可溶性有機(jī)碳、交換性鈣、交換性鎂、有效硫、有效鐵、有效錳、有效硼、有效鋅、有效銅; 物理指標(biāo)5項(xiàng), 包括<0.01 mm物理性黏粒、<0.001 mm黏粒、>0.25 mm團(tuán)聚體、容重、孔隙度; 生化指標(biāo)5項(xiàng), 包括脲酶活性、轉(zhuǎn)化酶活性、酸性磷酸酶活性、過氧化氫酶活性、微生物生物量碳(MBC)含量。

各理化生化指標(biāo)按常規(guī)方法測(cè)定[11], 具體如下: 土壤pH采用無(wú)CO2的蒸餾水浸提, 水土比5∶1, 玻璃電極法; 有機(jī)質(zhì)采用硫酸-重鉻酸鉀氧化-外加熱, 容量法; 全氮采用半微量開氏消煮法; 全磷采用氫氧化鈉熔融, 鉬銻抗比色法; 全鉀采用氫氧化鈉熔融, 火焰光度法; 堿解氮采用堿解擴(kuò)散法; 有效磷采用碳酸氫鈉浸提, 鉬銻抗比色法; 速效鉀采用乙酸銨浸提, 火焰光度法; CEC采用乙酸銨交換法; 可溶性有機(jī)碳(DOC)測(cè)定參照張國(guó)等方法[12], 采用蒸餾水浸提(水土比2.5∶1), 而后過0.45mm濾膜后用島津TOC-L CPH總有機(jī)碳分析儀測(cè)定; 交換性鈣、鎂采用乙酸銨浸提, 原子吸收分光光度計(jì)法; 有效硫采用磷酸鹽-乙酸溶液浸提, 硫酸鋇比濁法; 土壤有效鐵、錳、鋅、銅采用DTPA混合溶液浸提?原子吸收分光光度計(jì)法; 有效硼采用沸水浸提, 姜黃素比色法。<0.01 mm物理性黏粒、<0.001 mm黏粒采用比重計(jì)法; >0.25 mm團(tuán)聚體參照毛艷玲等[13]方法, 采用濕篩法測(cè)定; 容重采用環(huán)刀取樣, 重量法; 孔隙度采用比重瓶法測(cè)定土壤比重, 再通過比重與容重?fù)Q算。土壤脲酶活性、過氧化氫酶活性、轉(zhuǎn)化酶活性與磷酸酶活性依次用靛酚藍(lán)比色法、高錳酸鉀滴定法、硫代硫酸鈉滴定法與磷酸苯二鈉比色法; 微生物生物量碳采用氯仿熏蒸?硫酸鉀浸提, 而后用島津TOC-L CPH總有機(jī)碳分析儀測(cè)定。

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

28項(xiàng)土壤理化、生化因子數(shù)據(jù)利用DPS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行配對(duì)兩處理檢驗(yàn)(雙尾檢驗(yàn)), 確定5%差異顯著的屬性因子構(gòu)成重要數(shù)據(jù)集(important data set, IDS); 利用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件的因子分析功能對(duì)重要數(shù)據(jù)集進(jìn)行主成分分析, 選擇特征值≥1的因素, 以進(jìn)一步減少與優(yōu)化評(píng)價(jià)因子, 并結(jié)合簡(jiǎn)單相關(guān)分析與專家經(jīng)驗(yàn)法確定黃泥田肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集(minimum data set, MDS)。

黃泥田肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)與最小數(shù)據(jù)集檢驗(yàn)按以下步驟完成: 通過隸屬函數(shù)計(jì)算重要數(shù)據(jù)集與最小數(shù)據(jù)集各因子得分, 隸屬函數(shù)可將指標(biāo)測(cè)定值轉(zhuǎn)化為0~1的無(wú)量綱值。主要標(biāo)準(zhǔn)化隸屬函數(shù)有正S型、反S型和拋物線型[6], 對(duì)于沒有明確閾值的指標(biāo)而言, 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化采用簡(jiǎn)單的線性評(píng)分函數(shù)。對(duì)于“越高越好”指標(biāo)而言, 將各指標(biāo)實(shí)測(cè)值的最大值作為標(biāo)準(zhǔn), 得分等于1, 其他測(cè)定值與該最大值的比值作為其他測(cè)定值的標(biāo)準(zhǔn)化得分; 相反, 對(duì)于“越低越好”指標(biāo)而言, 將各指標(biāo)值的最小值作為標(biāo)準(zhǔn), 得分等于１, 該最小值與其他測(cè)定值的比值作為其他測(cè)定值的標(biāo)準(zhǔn)化得分[14-15]。對(duì)最小數(shù)據(jù)集因子進(jìn)行主成分分析, 得到每個(gè)因子的公因子方差, 各個(gè)因子的權(quán)重值等于該指標(biāo)公因子方差與全部指標(biāo)的公因子方差和的比值[15], 再通過加權(quán)指數(shù)法分別計(jì)算基于最小數(shù)據(jù)集的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)(soil fertility quality important, SFQI)與基于重要數(shù)據(jù)集的土壤肥力質(zhì)量指數(shù), 最后通過相關(guān)分析驗(yàn)證最小數(shù)據(jù)集的科學(xué)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃泥田肥力質(zhì)量特征

2.1.1 黃泥田土壤化學(xué)特征

從土壤化學(xué)特征來看(表2), 鄰近同一微地貌單元發(fā)育的黃泥田與灰泥田的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、CEC、交換性鈣、交換性鎂、有效鐵、有效硼、有效鋅等13項(xiàng)屬性因子含量呈顯著或極顯著差異。其中, 黃泥田的有機(jī)質(zhì)含量較灰泥田低19.1%, 全氮、全磷、全鉀含量分別低14.8%、29.9%和25.4%, 堿解氮、有效磷與速效鉀含量分別低17.8%、56.7%和39.3%, CEC低12.9%, 交換性鈣與交換性鎂含量分別低50.6%和30.8%, 有效鐵、有效硼、有效鋅含量分別低25.6%、33.3%和44.1%。這主要是因?yàn)辄S泥田多分布于丘陵山地, 為殘坡積物母質(zhì), 風(fēng)化淋溶強(qiáng)烈, 自身養(yǎng)分不足, 加之人為耕作粗放, 熟化度低, 導(dǎo)致礦質(zhì)養(yǎng)分進(jìn)一步貧乏。

2.1.2 黃泥田土壤物理特征

表3表明, 鄰近同一微地貌單元發(fā)育的黃泥田與灰泥田的<0.01 mm物理性黏粒、<0.001 mm黏粒、容重與孔隙度等4項(xiàng)屬性因子均呈極顯著差異, 其中, 黃泥田的<0.01 mm物理性黏粒、<0.001 mm黏粒與容重分別較灰泥田高20.8%、25.6%和12.3%, 而孔隙度較灰泥田低19.3%。主要原因是黃泥田熟化程度低, 有機(jī)質(zhì)匱乏, 土壤黏土礦物以鐵鋁氧化物和高嶺石為主, 保留紅壤黏重板結(jié)特性, 故黏粒與容重較高、孔隙度低。

表2 黃泥田與鄰近灰泥田表層土壤化學(xué)性狀比較

數(shù)據(jù)表示平均值±標(biāo)準(zhǔn)差;0.05=2.023,0.01=2.708,=20; “*”與“**”分別表示差異達(dá)5%和1%水平。The data in the table are means ± standard deviation.“*”and “**” indicate significant at 5% and 1% levels, respectively.

表3 黃泥田與鄰近灰泥田表層土壤物理性狀比較

數(shù)據(jù)表示平均值±標(biāo)準(zhǔn)差;0.05=2.023,0.01=2.708,=20; “*”與“**”分別表示差異達(dá)5%和1%水平。 The data in the table are means ± standard deviation. “*”and “**” indicate significant at 5% and 1% levels, respectively.

2.1.3 黃泥田土壤生化特征

從土壤生化性狀來看(表4), 鄰近同一微地貌單元發(fā)育的黃泥田與灰泥田土壤過氧化氫酶與脲酶活性差異顯著, 黃泥田過氧化氫酶活性較灰泥田高20.4%, 可能是黃泥田有機(jī)質(zhì)較低, 礦質(zhì)養(yǎng)分缺乏、質(zhì)地偏黏, 受環(huán)境脅迫, 水稻生長(zhǎng)過程呈現(xiàn)障礙, 誘導(dǎo)分泌過氧化氫酶緩解障礙所致; 黃泥田的脲酶活性較灰泥田低40.4%, 可能與黃泥田氮素等養(yǎng)分缺乏, 微生物可利用的底物較少有關(guān)。

表4 黃泥田與鄰近灰泥田表層土壤生化性狀比較

數(shù)據(jù)表示平均值±標(biāo)準(zhǔn)差;0.05=2.023,0.01=2.708,=20; “*”與“**”分別表示差異達(dá)5%和1%水平。 The data in the table are means ± standard deviation. “*”and “**” indicate significant at 5% and 1% levels, respectively.

2.2 黃泥田土壤肥力評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集的確定

2.2.1 肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)因子主成分分析

黃泥田與灰泥田土壤理化、生化性狀配對(duì)比較表明, 二者土壤中有19項(xiàng)屬性因子指標(biāo)呈現(xiàn)顯著差異, 它們構(gòu)成了黃泥田肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要數(shù)據(jù)集, 這為針對(duì)性改良黃泥田提供了依據(jù)。但是, 重要數(shù)據(jù)集之間必然存在復(fù)雜的信息關(guān)聯(lián), 且因子數(shù)目較多不具有實(shí)際操作性, 因此有必要通過主成分分析將之轉(zhuǎn)換為少數(shù)幾個(gè)不相關(guān)的綜合指標(biāo)。本研究選擇主成分分析中特征值≥1的因素(表5)。從表中可見, 特征值≥1的主成分有6個(gè), 累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)76.22%, 說明前6個(gè)主成分基本上反映了黃泥田肥力質(zhì)量特征。對(duì)各變量在各主成分因子載荷矩陣上進(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)成評(píng)價(jià)因子具有較大的影響, 故主成分1的孔隙度自然選入, 該主成分主要反映土壤物理特征, 直接影響土壤的通透性與根系的穿插能力。主成分2至主成分6的因子載荷大小均小于0.8, 故選擇絕對(duì)值系數(shù)相對(duì)較大的因子; 主成分2選擇有效磷, 反映土壤速效養(yǎng)分; 主成分3有效鐵因子載荷最大, 但亞熱帶紅壤性水稻土有效鐵含量豐富, 足以供應(yīng)作物所需, 故選擇排名第2的有效硼因子, 主要反映土壤微量元素有效含量; 主成分4選擇交換性鎂因子, 主要反映土壤中量元素有效含量; 主成分5選擇全鉀因子, 其與排名第2、第3的全磷、全氮主要反映土壤大量元素養(yǎng)分含量; 主成分6選擇CEC因子, CEC是反映土壤保肥、供肥與緩沖性能的衡量指標(biāo), 直接影響土壤礦質(zhì)養(yǎng)分的吸附與交換, 進(jìn)而影響土壤對(duì)作物的養(yǎng)分供應(yīng), CEC對(duì)于酸性土壤而言, 具有綜合意義[6]。綜上所述, 由孔隙度、有效磷、有效硼、交換性鎂、全鉀、CEC 6項(xiàng)因子組成的評(píng)價(jià)因子體系可基本反映19項(xiàng)重要因子所構(gòu)成的土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)信息。

表5 黃泥田土壤屬性主成分因子載荷矩陣、特征值與方差貢獻(xiàn)率

2.2.2 黃泥田土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集確定

為了避免評(píng)價(jià)因子信息相互重復(fù), 對(duì)6項(xiàng)候選因子進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)分析(表6), 從中可以看出, 土壤部分因子間存在顯著的相關(guān)性。由于土壤交換性鎂是CEC的重要組成部分, 且二者具有顯著相關(guān)性, 故排除交換性鎂因子。且CEC與有機(jī)膠體關(guān)系密切, 腐殖質(zhì)含量高的土壤交換量遠(yuǎn)高于黏土礦物, 故CEC也間接反映土壤理化生化特征?？紫抖入m與有效硼、CEC有顯著相關(guān)性, 但三者分別反映土壤物理特性、土壤化學(xué)特性與綜合特征, 故均予以保留?；谙嚓P(guān)分析與專家經(jīng)驗(yàn)判定[5], 最終確定黃泥田肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)因子由CEC、全鉀、有效磷、有效硼與孔隙度5項(xiàng)因子組成。從中可見, 這5項(xiàng)因子基本涵蓋了黃泥田黏瘦、磷鉀不足等最重要的障礙特征, 它們構(gòu)成了黃泥田肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集。

表6 基于主成分分析的黃泥田土壤肥力質(zhì)量候選評(píng)價(jià)因子相關(guān)分析

“*”表示5%水平顯著?！?” indicates significant correlation at 5% level.

2.3 黃泥田肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)

分別對(duì)重要數(shù)據(jù)集因子及最小數(shù)據(jù)集因子做主成分分析, 獲得各指標(biāo)的公因子方差, 利用指標(biāo)公因子方差所占比例得到各個(gè)因子的權(quán)重值。結(jié)果表明, 最小數(shù)據(jù)集因子CEC、全鉀、有效磷、有效硼和孔隙度的權(quán)重值分別為0.226、0.155、0.212、0.183和0.223。可以看出, CEC作為保肥供肥綜合性的評(píng)價(jià)因子其權(quán)重值最高。通過隸屬函數(shù)將各因子指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化, 使各因子指標(biāo)轉(zhuǎn)化為0~1的無(wú)量綱值。采取加權(quán)指數(shù)法計(jì)算黃泥田與灰泥田土壤肥力質(zhì)量指數(shù), 分別得到重要數(shù)據(jù)集土壤肥力質(zhì)量指數(shù)和最小數(shù)據(jù)集土壤肥力質(zhì)量指數(shù)(圖1)。從中可以看出,不論是重要數(shù)據(jù)集還是最小數(shù)據(jù)集, 其土壤肥力質(zhì)量指數(shù)均表現(xiàn)為灰泥田>黃泥田, 黃泥田二者不同數(shù)據(jù)集計(jì)算的土壤質(zhì)量指數(shù)分別僅相當(dāng)于灰泥田的80.8%與69.5%。將最小數(shù)據(jù)集土壤肥力質(zhì)量指數(shù)與重要數(shù)據(jù)集土壤肥力質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行回歸分析以驗(yàn)證科學(xué)性, 結(jié)果表明, 二者呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(圖2)。說明本研究確定的最小數(shù)據(jù)集能夠較好地代替重要數(shù)據(jù)集, 利用最小數(shù)據(jù)集能夠?qū)S泥田土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行正確評(píng)價(jià)。

圖1 基于重要數(shù)據(jù)集與最小數(shù)據(jù)集的黃泥田與灰泥田土壤肥力質(zhì)量指數(shù)

不同大寫字母表示兩種土壤間差異極顯著(<0.01)。Different capital letters indicate significant differences between two soils at 0.01 level.

圖2 基于重要數(shù)據(jù)集與最小數(shù)據(jù)集的土壤肥力質(zhì)量指數(shù)相關(guān)性

“**”表示極顯著相關(guān)(<0.01)。“**” indicate significant correlation at 0.01 level.

3 討論

3.1 南方黃泥田成因、特性與改良

南方黃泥田多分布于坡地梯田及河流高階地、濱海臺(tái)地、山前傾斜平原, 多為坡積物或殘積物母質(zhì)。地下水埋深2 m以下, 土壤水主要依賴灌溉水及降水補(bǔ)給, 水的移運(yùn)以下滲為主要形式, 在高溫多雨的條件下, 淋溶較為強(qiáng)烈, 上層淋溶下來的還原性鐵、錳多被氧化而淀積, 并伴隨著水化作用形成黃色多水氧化鐵[2], 使土體呈黃色; 由于強(qiáng)烈的風(fēng)化淋溶, 土壤自身養(yǎng)分低, 這與多由沖洪積物發(fā)育的灰泥田相比存在先天肥力不足。此外, 黃泥田田塊破碎, 人為管理粗放, 培肥力度不夠、熟化低, 進(jìn)而加劇了肥力低下。從本研究可以看出, 與潴育型水稻土灰泥田相比, 黃泥田土壤有機(jī)質(zhì)、全量養(yǎng)分與速效養(yǎng)分不足, 中微量元素含量較低, 其中有效硼含量雖比全國(guó)第2次土壤普查全省有效硼平均含量有所提高, 但仍低于0.5 mg×kg-1營(yíng)養(yǎng)臨界值[2]。由于黃泥田黏土礦物多為高嶺土、氧化鐵鋁等, 其表面負(fù)電荷少, 而表面負(fù)電荷多的有機(jī)膠體含量低, 故CEC也較低; 同時(shí)在強(qiáng)烈的淋溶下, 富含鐵鋁的土壤進(jìn)一步造成土壤黏瘦、板結(jié), 土壤黏粒含量與容重均較高, 且土壤過氧化氫酶活性較高也暗示黃泥田生境不良, 存在較多的生化障礙因子, 故黃泥田屬低肥短效型的中低產(chǎn)土壤。本研究還可看出, 與灰泥田相比, 黃泥田土壤pH有低于灰泥田趨勢(shì), 這可能影響到黃泥田的硝化特性, 相關(guān)研究表明, 灰泥田較黃泥田呈現(xiàn)較高的硝化率, 這可能與黃泥田pH較低有關(guān)[16]。

鑒于黃泥田在南方丘陵省份水稻田中所占比重較大, 改良現(xiàn)有低產(chǎn)黃泥田、有效提升地力對(duì)保障區(qū)域糧食安全具有現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)主要顯著差異因子及構(gòu)建的黃泥田肥力評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集, 改土培肥的方向是提高耕層土壤有機(jī)質(zhì)庫(kù)容, 促進(jìn)土壤熟化, 通過測(cè)土配方施肥, 增加與平衡磷、鉀、硼等有效養(yǎng)分, 降低土壤容重。增施外源有機(jī)物料是黃泥田改土培肥的重要措施。相關(guān)研究表明, 在黃泥田水稻生產(chǎn)中, 采用化肥和畜禽糞肥、生物有機(jī)肥等配施可有效培肥土壤, 提高水稻產(chǎn)量, 且不同培肥措施以化肥+畜禽糞肥配施的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量最高, 并增加了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[17-18]。有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施尤其是配施豬糞有助于提升黃泥田CEC, 而配施綠肥對(duì)降低土壤容重最為明顯[15]。福建典型黃泥田連續(xù)32年化肥與牛糞、秸稈還田配施, 與單施化肥相比, 分別增產(chǎn)12.6%與10.2%, 雙季稻年份配施牛糞與秸稈的固碳速率分別是單施化肥的1.59倍與1.32倍[19]。另?yè)?jù)報(bào)道, 紅壤性水稻土每年需要增加外源有機(jī)碳0.12 t(C)×hm-2才能維持土壤有機(jī)碳的平衡[20]。湖北黃泥田不同有機(jī)肥的增肥效果為秸稈>豬糞>綠肥, 且施用不同有機(jī)肥均不同程度提高了參與土壤碳循環(huán)的α-葡萄苷酶活性、β-葡萄苷酶活性[21]。因此, 對(duì)于先天發(fā)育不良的黃泥田而言, 通過畜禽糞肥、秸稈還田及綠肥等合理應(yīng)用, 土壤肥力可得到有效改善與提升, 但其增產(chǎn)潛力, 尤其與高產(chǎn)灰泥田的差距還有待進(jìn)一步研究。

3.2 黃泥田肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)

土壤肥力是土壤質(zhì)量的重要組成部分, 因而肥力綜合評(píng)價(jià)倍受關(guān)注。但由于影響其評(píng)價(jià)方法的主客觀因素較多, 目前尚缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。近年來采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)土壤肥力進(jìn)行數(shù)量化評(píng)價(jià), 取得了一定的效果。評(píng)價(jià)因子選擇是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的基礎(chǔ)。評(píng)價(jià)因子選擇通常應(yīng)遵循主導(dǎo)性、差異性、穩(wěn)定性、定量性、現(xiàn)實(shí)性等原則[22]。本研究構(gòu)建的黃泥田肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集包括CEC、全鉀、有效磷、有效硼及孔隙度等因子, 較好地體現(xiàn)了福建省黃泥田與灰泥田的差異性與主導(dǎo)性因素。篩選出的最小數(shù)據(jù)集均為常規(guī)理化指標(biāo), 檢測(cè)方便, 目標(biāo)明確, 數(shù)據(jù)集直接或間接涵蓋了大中量元素及微量元素, 并充分考慮了養(yǎng)分庫(kù)容(全量養(yǎng)分)與釋放強(qiáng)度(速效養(yǎng)分), 入選最小數(shù)據(jù)集的物理指標(biāo)孔隙度為黃泥田主要障礙因子, 為改良培肥及地力提升闡明了方向。值得一提的是, 本研究中最小數(shù)據(jù)集并未包含有機(jī)質(zhì)因子, 主要原因是CEC為土壤保肥供肥性能的綜合指標(biāo), 反映了土壤中有機(jī)(有機(jī)質(zhì)含量)和無(wú)機(jī)成分(黏粒礦物組成和黏粒含量)的共同效應(yīng)[6], 本研究條件下CEC與有機(jī)質(zhì)二者也存在極顯著的相關(guān)性(=0.468**,=40), 因此CEC評(píng)價(jià)因子的信息已涵蓋了有機(jī)質(zhì)。至于生化因子中的土壤酶活性最終無(wú)一入選最小數(shù)據(jù)集, 可能與本研究條件下各土壤酶活性敏感, 變幅大, 難以穩(wěn)定反映肥力特征有關(guān), 這與一些研究區(qū)域?qū)⑦^氧化氫酶等因子納入最小數(shù)據(jù)集研究結(jié)果不同[8]。

土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)因子以及最小數(shù)據(jù)集的確定通常由數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)與專家經(jīng)驗(yàn)等方法確定, 如通用的水稻土肥力評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集包括pH、有機(jī)質(zhì)、黏粒、有效磷、速效鉀、容重、CEC[6]。但不同土壤類型、不同利用方式, 其構(gòu)建的土壤質(zhì)量最小數(shù)據(jù)集存在明顯差異。李桂林等[23]基于研究區(qū)194個(gè)土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù), 利用方差分析等統(tǒng)計(jì)方法確定了蘇州市土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集。該研究與先前不同的是將土地利用方式及利用年限作為進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。張光亮等[24]對(duì)黃河三角洲濕地土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià), 采用主成分方法從14個(gè)土壤理化指標(biāo)中篩選出全磷、全氮、鹽度、銨態(tài)氮和全硫, 構(gòu)成最小數(shù)據(jù)集, 用于計(jì)算土壤質(zhì)量綜合指數(shù)。王飛等[5]運(yùn)用主成分等數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法從初選28項(xiàng)因子優(yōu)選6項(xiàng)因子(土壤C/N、細(xì)菌數(shù)量、微生物生物量氮、還原性物質(zhì)總量、物理性砂粒、全磷)作為福建冷浸田質(zhì)量評(píng)價(jià)因子最小數(shù)據(jù)集。黃婷等[25]通過主成分分析并結(jié)合Norm值(矢量常模)的方法, 篩選出活性有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、黏粒、CEC、過氧化氫酶、磷酸酶和轉(zhuǎn)化酶等12項(xiàng)指標(biāo), 建立了黃土溝壑區(qū)土壤綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集。上述表明, 受制于生態(tài)類型、土壤類型及種植制度, 土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集構(gòu)成不盡相同, 甚至差異巨大, 表現(xiàn)明顯的區(qū)域性與生產(chǎn)應(yīng)用性特點(diǎn)。

迄今為止, 對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)因子指標(biāo)的劃分還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)參評(píng)因素的分級(jí)級(jí)差應(yīng)盡量考慮到生物學(xué)意義[26], 傳統(tǒng)人為制定各評(píng)價(jià)因素指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是一種非此及彼的思想, 實(shí)際是這一中間過渡中呈現(xiàn)亦此亦彼性, 采用模糊數(shù)學(xué)方法評(píng)價(jià)各評(píng)價(jià)因素, 可得到科學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果[27]。本研究指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化除了應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)外, 還采用了簡(jiǎn)單的線性評(píng)分函數(shù), 其中對(duì)評(píng)價(jià)因子標(biāo)準(zhǔn)值確定有待進(jìn)一步明確, 這可能影響到評(píng)價(jià)結(jié)果的土壤肥力質(zhì)量指數(shù), 有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

通過對(duì)福建省20對(duì)典型黃泥田與鄰近同一微地貌單元內(nèi)的高產(chǎn)灰泥田進(jìn)行配對(duì)比較, 結(jié)果表明, 黃泥田與灰泥田的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、CEC、交換性鈣、交換性鎂、有效鐵、有效硼、有效鋅等13項(xiàng)化學(xué)屬性因子含量呈顯著或極顯著差異, 二者的<0.01 mm物理性黏粒、<0.001 mm黏粒、容重與孔隙度4項(xiàng)物理屬性因子指標(biāo)均呈極顯著差異, 二者的土壤過氧化氫酶與脲酶活性2項(xiàng)生化因子差異顯著?？傮w而言, 與高產(chǎn)灰泥田比較, 黃泥田土壤有機(jī)質(zhì)、全量養(yǎng)分與速效養(yǎng)分不足, 中微量元素含量較低, CEC也較低, 土壤黏粒含量與容重較高, 脲酶活性低而過氧化氫酶活性較高, 屬低肥短效型中低產(chǎn)土壤。

黃泥田與灰泥田土壤屬性比較, 19項(xiàng)有顯著差異的因子構(gòu)成重要數(shù)據(jù)集。用主成分分析方法從中歸納出累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)76.22%并能反映土壤綜合特征的6個(gè)主成分, 結(jié)合相關(guān)分析與專家經(jīng)驗(yàn)法, 建立了由CEC、全鉀、有效磷、有效硼、孔隙度等5項(xiàng)因子組成的黃泥田肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集, 相應(yīng)的應(yīng)用加權(quán)指數(shù)法計(jì)算的黃泥田肥力質(zhì)量指數(shù)僅相當(dāng)于灰泥田的69.5%。通過與重要數(shù)據(jù)集土壤肥力質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析, 發(fā)現(xiàn)最小數(shù)據(jù)集能夠?qū)S泥田肥力質(zhì)量進(jìn)行正確評(píng)價(jià)。

[1] 駱東奇, 白潔, 謝德體. 論土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法[J]. 土壤與環(huán)境, 2002, 11(2): 202–205 LUO D Q, BAI J, XIE D T. Research on evaluation norm and method of soil fertility[J]. Soil and Environmental Sciences, 2002, 11(2): 202–205

[2] 福建省土壤普查辦公室. 福建土壤[M]. 福州: 福建科學(xué)技術(shù)出版社, 1991Soil Surveying Office in Fujian. Fujian Soil[M]. Fuzhou: Fujian Science and Technology Press, 1991

[3] DORAN J W, PARKIN T B. Defining and assessing soil quality[M]//DORAN J W, COLEMAN D C, BEZDICEK D F, et al. Defining Soil Quality for a Sustainable Environment. Madison, Wisconsin: Soil Science Society of America Inc., 1994

[4] KARLEN D L, MAUSBACH M J, DORAN J W, et al. Soil quality: A concept, definition, and framework for evaluation (A Guest Editorial)[J]. Soil Science Society of America Journal, 1997, 61(1): 4–10

[5] 王飛, 李清華, 林誠(chéng), 等. 福建冷浸田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)因子的最小數(shù)據(jù)集[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 26(5): 1461–1468WANG F, LI Q H, LIN C, et al. Establishing a minimum data set of soil quality assessment for cold-waterlogged paddy field in Fujian Province, China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(5): 1461–1468

[6] 徐建明, 張甘霖, 謝正苗, 等. 土壤質(zhì)量指標(biāo)與評(píng)價(jià)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2010 XU J M, ZHANG G L, XIE Z M, et al. Indices and Assessment of Soil Quality[M]. Beijing: Science Press, 2010

[7] 曹志洪, 周建民. 中國(guó)土壤質(zhì)量[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2008 CAO Z H, ZHOU J M. Soil Quality of China[M]. Beijing: Science Press, 2008

[8] 貢璐, 張雪妮, 冉啟洋. 基于最小數(shù)據(jù)集的塔里木河上游綠洲土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2015, 52(3): 682–689 GONG L, ZHANG X N, RAN Q Y. Quality assessment of Oasis soil in the upper reaches of TARIM river based on minimum data set[J]. Acta Pedologica Sinica, 2015, 52(3): 682–689

[9] 楊梅花, 趙小敏, 王芳東, 等. 基于主成分分析的最小數(shù)據(jù)集的肥力指數(shù)構(gòu)建[J]. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 38(6): 1188–1195YANG M H, ZHAO X M, WANG F D, et al. Soil fertility index based on minimum data sets using PCA method[J]. Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensis, 2016, 38(6): 1188–1195

[10] YAO R J, YANG J S, GAO P, et al. Determining minimum data set for soil quality assessment of typical salt-affected farmland in the coastal reclamation area[J]. Soil and Tillage Research, 2013, 128: 137–148

[11] 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社, 2000 LU R K. The Analytical Methods for Soil and Agrochemistry[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000

[12] 張國(guó), 曹志平, 胡嬋娟. 土壤有機(jī)碳分組方法及其在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)研究中的應(yīng)用[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 22(7): 1921–1930ZHANG G, CAO Z P, HU C J. Soil organic carbon fractionation methods and their applications in farmland ecosystem research: A review[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22(7): 1921–1930

[13] 毛艷玲, 楊玉盛, 邢世和, 等. 土地利用變化對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體輕組有機(jī)碳的影響[J]. 福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2008, 37(5): 532–538 MAO Y L, YANG Y S, XING S H, et al. Effects of land use change on light fractions of organic carbon in soil water-stable aggregates[J]. Journal of Fujian Agriculture and Forestry University: Natural Science Edition, 2008, 37(5): 532–538

[14] LIEBIG M A, VARVEL G, DORAN J. A simple performance- based index for assessing multiple agroecosystem functions[J]. Agronomy Journal, 2000, 93(2): 313–318

[15] 周衛(wèi). 低產(chǎn)水稻土改良與管理: 理論·方法·技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2015ZHOU W. Theories and Approaches of Amelioration and Management of Low Yield Paddy Soils[M]. Beijing: Science Press, 2015

[16] 丁洪, 王躍思, 項(xiàng)虹艷, 等. 福建省幾種主要紅壤性水稻土的硝化與反硝化活性[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 22(6): 715–719DING H, WANG Y S, XIANG H Y, et al. Nitrification and denitrification potential in different types of paddy soils in Fujian Province[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2003, 22(6): 715–719

[17] 胡誠(chéng), 劉東海, 喬艷, 等. 不同施肥措施對(duì)黃泥田土壤養(yǎng)分及水稻產(chǎn)量的影響[J]. 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué), 2017, 45(4): 12–15HU C, LIU D H, QIAO Y, et al. Effects of different fertilization patterns on soil fertility and rice yield of yellow clayey paddy soil[J]. Guizhou Agricultural Sciences, 2017, 45(4): 12–15

[18] 宓文海, 吳良?xì)g, 馬慶旭, 等. 有機(jī)物料與化肥配施提高黃泥田水稻產(chǎn)量和土壤肥力[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016, 32(13): 103–108MI W H, WU L H, MA Q X, et al. Combined application of organic materials and inorganic fertilizers improving rice yield and soil fertility of yellow clayey paddy soil[J]. Transactions of the CSAE, 2016, 32(13): 103–108

[19] 王飛, 李清華, 林誠(chéng), 等. 不同施肥模式對(duì)南方黃泥田耕層有機(jī)碳固存及生產(chǎn)力的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2015, 21(6): 1447–1454WANG F, LI Q H, LIN C, et al. Effect of different fertilization modes on topsoil organic carbon sequestration and productivity in yellow paddy field of southern China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(6): 1447–1454

[20] 黃晶, 張楊珠, 高菊生, 等. 長(zhǎng)期施肥下紅壤性水稻土有機(jī)碳儲(chǔ)量變化特[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 26(11): 3373–3380 HUANG J, ZHANG Y Z, GAO J S, et al. Variation characteristics of soil carbon sequestration under long-term different fertilization in red paddy soil[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(11): 3373–3380

[21] 榮勤雷, 梁國(guó)慶, 周衛(wèi), 等. 不同有機(jī)肥對(duì)黃泥田土壤培肥效果及土壤酶活性的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2014, 20(5): 1168–1177RONG Q L, LIANG G Q, ZHOU W, et al. Effects of different organic fertilization on fertility and enzyme activities of yellow clayey soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014, 20(5): 1168–1177

[22] 邢世和. 福建耕地資源[M]. 廈門: 廈門大學(xué)出版社, 2003 XING S H. Cropland Resources in Fujian[M]. Xiamen: Xiamen University Press, 2003

[23] 李桂林, 陳杰, 檀滿枝, 等. 基于土地利用變化建立土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2008, 45(1): 16–25LI G L, CHEN J, TAN M Z, et al. Establishment of a minimum dataset for soil quality assessment based on land use change[J]. Acta Pedologica Sinica, 2008, 45(1): 16–25

[24] 張光亮, 白軍紅, 郗敏, 等. 黃河三角洲濕地土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)[J]. 濕地科學(xué), 2015, 13(6): 744–751 ZHANG G L, BAI J H, XI M, et al. Comprehensive assessment of soil quality of wetlands in the yellow river delta[J]. Wetland Science, 2015, 13(6): 744–751

[25] 黃婷, 岳西杰, 葛璽祖, 等. 基于主成分分析的黃土溝壑區(qū)土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)——以長(zhǎng)武縣耕地土壤為例[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2010, 28(3): 141–147HUANG T, YUE X J, GE X Z, et al. Evaluation of soil quality on gully region of loess plateau based on principal component analysis[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2010, 28(3): 141–147

[26] 沈漢, 鄒國(guó)元. 菜地土壤評(píng)價(jià)中參評(píng)因素的選定與分級(jí)指標(biāo)的劃分[J]. 土壤通報(bào), 2004, 35(5): 553–557SHEN H, ZOU G Y. Parameters selection for evaluation of vegetable soil quality and its gradation[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2004, 35(5): 553–557

[27] 王建國(guó), 楊林章, 單艷紅. 模糊數(shù)學(xué)在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2001, 38(2): 176–183 WANG J G, YANG L Z, SHAN Y H. Application of fuzzy mathematics to soil quality evaluation[J]. Acta Pedologica Sinica, 2001, 38(2): 176–183

Characteristics of soil fertility quality and minimum dataset for yellow-mud paddy fields in Fujian Province*

WANG Fei, LI Qinghua, LIN Cheng, HE Chunmei

(Institute of Soil and Fertilizer, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou 350013, China)

In modern agricultural production, the quality of soil fertility is crucial for the crop productivity. Yellow-mud paddy fields constitute one of the main types of medium-to-low yield fields in Fujian Province, which accounts for about 30% of paddy fields in the province. In order to determine key limiting factors, evaluate the quality of soil fertility and implement targeted improvement measures, 28 soil characteristics of 20 pairs of typical surface soil samples from yellow-mud paddy fields and high-yield grey-mud fields in the neighboring and the same landscape units in Fujian Province were compared. Differences in soil properties between the two soils and the causes were systematically analyzed and the minimum data set (MDS) for assessment of the quality of soil fertility in yellow-mud paddy fields established using principal component analysis and other methods. Using the weighted index method, the soil fertility quality index (SFQI) from MDS and the important data set (IDS) constituted on the basis of significantly different factors. The results showed that compared with grey-mud paddy fields, the content of organic matter in yellow-mud paddy fields was less by 19.1% and the contents of total nitrogen, total phosphorus and total potassium were less respectively by 14.8%, 29.9% and 25.4%. Also the contents of available nitrogen, available phosphorus and available potassium were less respectively by 17.8%, 56.7% and 39.3%. CEC and the contents of exchangeable calcium, exchangeable magnesium were less respectively by 12.9%, 50.6% and 30.8%. While the contents of available iron, available boron and available zinc were less respectively by 25.6%, 33.3% and 44.1%, the contents of clay <0.001 mm and bulk density were higher by 20.8%, 25.6% and 12.3%, whereas the porosity was less by 19.3%. Compared with grey-mud paddy fields, the activity of catalase in yellow-mud paddy fields was higher by 20.4%, but the activity of urease was less by 40.4%. This indicated that compared with high-producing fields, yellow-mud paddy fields belonged to low-fertility and short-acting soils with insufficient soil organic matter, total nutrients and available nutrients, low contents of macro/micro elements, CEC, etc. The above 19 soil characteristics with significant differences between the two soils constituted the IDS. Six principal components, with cumulative contribution of 76.22%, were selected from IDS reflecting the synthetic fertility properties of yellow-mud paddy fields. The final established MDS composed of five factors, including CEC, total potassium, available phosphorus, available boron and porosity for fertility quality assessment according to the expert experience and correlation analysis. The calculated SFQI from MDS of yellow-mud paddy fields was equivalent to 69.5% of that of grey-mud paddy fields. Correlation analysis on SFQI for IDS and MDS indicated that MDS could replace IDS and correctly used to evaluate soil fertility quality of yellow-mud paddy fields. Moreover, MDS could also be used in studies on how to improve soil fertility.

Yellow-mud paddy field; Soil property; Soil quality assessment; Minimum data set (MDS); Soil fertility quality index (SFQI)

, WANG Fei, E-mail: fjwangfei@163.com

Feb. 28, 2018;

Jul. 7, 2018

S158; S159

A

1671-3990(2018)12-1855-11

10.13930/j.cnki.cjea.180194

2018-02-28

2018-07-07

* 省屬公益類科研院所基本科研專項(xiàng)(2016R1021-2)、國(guó)家綠肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-22-G-01)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFD0200303)和福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(STIT2017-1-9)資助

* This study was supported by the Special Fund for Basic-Scientific Research in the Provincial Public Interest of Research Institutes of China (2016R1021-2), China Agriculture Research System of Green Manure Industry (CARS-22-G-01), the National Key R&D Program of China (2018YFD0200303) and the Innovation Team Program of Fujian Academy of Agricultural Sciences (STIT2017-1-9).

王飛, 主要從事土壤資源評(píng)價(jià)與持續(xù)利用研究。E-mail: fjwangfei@163.com

王飛, 李清華, 林誠(chéng), 何春梅. 福建黃泥田肥力質(zhì)量特征與最小數(shù)據(jù)集[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(12): 1855-1865

WANG F, LI Q H, LIN C, HE C M. Characteristics of soil fertility quality and minimum dataset for yellow-mud paddy fields in Fujian Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(12): 1855-1865