基于最小数据集的黄土高原矿区复垦土壤质量评价

矿产开发影响了土壤质量,特别是在黄土高原生态脆弱地区。通过植被恢复能够改善矿区复垦土壤质量。为了揭示矿区复垦土壤质量在植被恢复过程中的变化,该文以黑岱沟矿区排土场不同恢复年限不同植被类型、未复垦地和周边自然植被恢复区为研究对象,选取21项理化生指标作为总数据集(totaldataset,TDS),运用主成分分析(principal component analysis,PCA)结合Norm值构建评价指标最小数据集(minimum data set,MDS),通过非线性(non-Linear,NL)和线性(linear,L)两种评价方法对研究区土壤质量进行了评价。研究表明:黄土高原北部典型矿区复垦土壤质量评价指标MDS包括粉粒百分比、有机质、速效磷、钠吸附比和微生物碳;2种评价方法下,植被恢复均对复垦土壤质量指数(soil quality index,SQI)有了显著提升(P 0.05),复垦20 a灌木SQI高于复垦10 a灌木SQI,复垦12 a草本SQI高于复垦20 a草本SQI,然而所有复垦土壤SQI均未达到自然植被恢复土壤SQI;由于非线性土壤质量评价方法(SQI-NL)具有更大的土壤质量指数变化区间和变异系数,此外,在SQI-NL和线性土壤质量(SQI-L)评价两种方法下,MDS和TDS之间决定系数分别为0.911和0.866,因此,非线性土壤质量评价方法在该区域具有更好的适用性,并且最小数据集能够较准确地进行土壤质量评价。     

不同封育措施下希拉穆仁荒漠草原土壤质量评价

为了探究封育措施对内蒙古希拉穆仁荒漠草原土壤质量的影响,选取完全封育、季节封育和未封育3种草地,利用主成分分析法对其0~30 cm土层的14个土壤理化性质指标进行分析,筛选出黏粒、粉粒、速效氮、速效钾、pH、土壤含水量、土壤容重作为土壤质量评价指标,运用土壤质量综合指数评价不同封育措施下土壤质量水平。结果表明:(1)封育措施显著降低了砂粒含量,提高了粉粒和黏粒含量,也显著提高了土壤含水量(P0.05),但土壤容重无显著差异(P0.05)。(2)三种封育措施间土壤化学性质差异均显著(P0.05),土壤有机质、速效磷、速效氮在完全封育草地下最高,速效钾在季节封育草地最高,pH、Mg2+、Na+、K+、Cl-以未封育草地最高。(3)加权综合指数评价法评价的土壤质量综合得分为完全封育草地季节封育草地未封育草地,表明封育措施有利于提高荒漠草原的土壤质量。     

青藏高原典型沙化区草地土壤质量评价

为了探究青藏高原沙化区草地土壤质量变化,采用主成分分析法筛选具有代表性的土壤质量指标构建最小数据集,计算土壤质量指数SQI(Soil Quality Index),评价了青藏高原海晏县、共和县、贵南县3个典型沙化区不同沙化程度下的土壤质量变化特征。结果表明:(1)随着沙化程度的减弱,3个典型沙化区草地的地上生物量均值由0增大至(0.8±0.18)kg/m²; 土壤有机质、全氮、全钾、全磷、速效钾、速效磷、碱解氮等养分含量增大,土壤阳离子交换量(CEC)增大了87.28%; 土壤容重减小了33.62%;(2)3个典型沙化区内不同沙化程度下,贵南县森多镇土壤质量最好,其次为共和县铁盖乡,海晏县三角城镇土壤质量最差;(3)最小数据集与全数据集的土壤质量指数呈现极显著相关关系,表明采用最小数据集法代替全数据集法评价典型区沙化草地土壤质量是行之有效的。综上所述,沙化区草地的土壤质量随沙化程度的加剧逐渐降低,不同沙化区草地土壤质量存在空间差异性。     

双季稻-冬闲/油菜田长期种植模式下的土壤肥力质量特征

为了解长期不同种植模式下高产双季稻田的土壤肥力质量特征,选取湘南地区紫泥田毗邻的长期( 30 a)种植双季稻-冬闲田和双季稻-油菜田,综合分析0～20 cm表土的7项物理性质、14项化学性质、2项生物性质共计23项指标,应用主成分分析法,构建土壤肥力质量评价的最小数据集,计算了土壤综合肥力质量指数。结果表明,与长期双季稻-冬闲田相比,长期双季稻-油菜田的土壤略显紧实,最大持水量和毛管持水量下降13%～14%,土壤呈酸化趋势,pH降低0.27个单位;此外,土壤有机质和有效态钙、镁含量也分别降低10%、27%和25%。然而,土壤全磷、有效磷、有效铜和有效锌含量分别大幅提升51%、39%、33%和31%,土壤微生物生物量氮含量提高22%。土壤肥力质量评价的最小数据集包括8项指标:容重、黏粒、毛管持水量、有机质、有效磷、有效钙、有效镁和有效铜。双季稻-冬闲田和双季稻-油菜田土壤肥力质量指数分别为0.72和0.78,即后者土壤肥力质量优于前者;长期种植模式下,水稻土肥力质量评价不仅需要关注土壤有机质,也要重视其他土壤指标,特别是土壤养分有效性。     

典型喀斯特山区无籽刺梨基地土壤质量评价

以贵州省兴仁县回龙镇无籽刺梨种植基地为研究对象,综合考虑表征土壤物理、化学和生物学性质的16个土壤指标,利用数理统计方法确定最小数据集并评价土壤质量,同时根据划分样方所在坡位的不同,对其相应的土壤质量评价结果进行了对比分析。结果表明:(1)研究区土壤质量评价适用的最小数据集(MDS)包括土壤有机质、pH值、全钾、水解氮、真菌和磷酸酶;(2)研究区上坡位、中坡位和下坡位土壤质量属于中等及以下水平,SQI依次为0.544,0.408,0.503;(3)影响该地区土壤质量的重要指标为土壤有机质和土壤真菌数量。     

渭北旱塬区不同坡向土地利用类型对土壤性质的影响

为了研究不同坡向土地利用类型对土壤性质的影响,以渭北旱塬区5种土地利用类型(不同坡向)为研究对象,系统分析该区不同坡向土地利用类型剖面土壤物理、化学和生物性质的差异。结果表明:(1)除土壤pH和土壤颗粒组成外,5种土地利用类型土壤含水量、总孔隙度、有机质、全氮、微生物量碳和氮含量总体随土层加深呈下降趋势,土壤容重则相反。(2)0-30cm土层,阳坡农用地土壤含水量、黏粒含量和pH最高,粉粒和全氮含量最低;人工草地砂粒和全氮含量最高,黏粒含量最低;人工林地土壤总孔隙度、土壤有机质、微生物量碳和氮含量最高,土壤含水量、土壤容重和pH最低;天然草地土壤容重和粉粒含量最高,总孔隙度和砂粒含量最低;退耕地有机质、微生物量碳和氮含量最低。阴坡农用地土壤含水量、粉粒含量和pH最高,黏粒和全氮含量最低;人工草地土壤容重、黏粒和微生物量氮含量最高,土壤总孔隙度、粉粒、砂粒和有机质含量最低;人工林地有机质含量和微生物量碳含量最高;天然草地土壤总孔隙度、砂粒和全氮含量最高,土壤容重和pH最低;退耕地土壤含水量、微生物量碳和氮含量最低。(3)5种土地利用类型中,土壤容重、细黏粒、粗黏粒、细粉粒、粗砂粒、土壤pH和有机质(退耕地除外)表现为阳坡阴坡,土壤含水量(退耕地和农用地除外)、总孔隙度、粗粉粒、细砂粒、土壤质地粗化度、全氮(人工草地除外)、土壤微生物量碳和氮含量则为阴坡阳坡。     

黄土高原纸坊沟流域不同土地利用类型土壤质量评价

为了认识和评价黄土高原地区小流域不同土地利用类型下的土壤质量,以陕西省安塞县纸坊沟为例,选取了26个采样点,分属林地、灌木地、草地、农地、果园、苗圃和撂荒地7种土地利用类型,利用主成分分析法从16项土壤理化指标中选取关键指标,计算了土壤质量指数。结果表明:(1)容重、黏粒含量、微团聚体平均质量直径(MICMWD)、有机质和pH值是表征纸坊沟流域土壤质量的关键指标,除容重外,其余4个关键指标的隶属度在研究区不同土地利用间均存在显著差异;(2)与地形因子相比,土地利用方式对纸坊沟流域土壤质量的影响更大;(3)整体上纸坊沟流域土壤质量处于较高水平(0.71±0.10),不同土地利用方式下土壤质量存在显著差异,土壤质量指数均值从大到小依次为林地灌木地苗圃草地果园农地撂荒地。研究结果可为黄土丘陵区小流域土地利用方式的合理布局和土壤质量的定向培育提供重要依据。     

黄土高原地区水蚀风蚀交错带土壤质量综合评价

 为揭示黄土高原水蚀风蚀交错带土壤质量变化规律和总体水平,通过敏感性分析、主成分分析和相关分析,确定了研究区的土壤质量评价最小数据集,并利用综合指标和最小数据集定量评价了植被演替和不同植被恢复类型对土壤质量的影响。结果表明,研究区土壤质量评价指标最小数据集为有机质、速效磷、蔗糖酶和真菌。随着退耕年限的增加,土壤质量综合指数并非简单地线性增加,而是在演替的前15a呈现下降趋势,15a后开始呈现增加的趋势,即表现出非正U型的变化。就不同植被恢复类型而言,研究区土壤质量的排序为:刺槐林地>农地>退耕草地>油松林地>沙蒿地>柠条灌木地>杨树疏林地。所确定的土壤质量评价指标最小数据集能够反映综合评价指标的信息,评价结果具有较好的代表性。总体而言,研究区土壤肥力仍属于较低水平。因此,研究区生态建设的任务仍很艰巨,有关植被建设中如何缩短植被演替早期阶段的土壤质量退化是值得探讨的科学问题。     

基于产量的稻田肥力质量评价及障碍因子区划——以进贤县为例

土壤肥力质量评价及土壤肥力障碍因子分析,对于区域土壤利用和改良、指导农业生产结构布局具有重要意义。以江西省进贤县为研究区,通过水稻遥感解译测产,结合主成分分析进行土壤质量评价;采用综合指数法表征土壤肥力质量水平,分析该区域低肥力质量区域主要障碍因素,并进行障碍因子区划。结果表明,该地区土壤肥力质量评价的最小数据集(MDS)指标包括:有机质、阳离子交换量(CEC)、全钾(TK)、交换性钙(Ex.Ca)、容重、粉黏比;土壤质量综合指数与水稻产量相关系数达到0.73(p0.01),以当地水稻平均产量7.215 t hm~(-2)确定土壤质量综合指数阈值为0.65。分析得出,该地区影响土壤肥力的主要障碍包括有机质含量低和容重较大反映的低熟化度障碍、中量元素缺乏反映的酸化障碍、全钾含量低和高粉黏比反映的结构障碍等。根据障碍因素将研究区域划分为三大障碍区:东南部丘陵区主要障碍因子为酸化和土壤结构障碍;中西部低岗平原主要为土壤酸化障碍;北部滨湖区主要障碍为水稻土熟化程度低。通过对不同区域施行针对性改良措施有益于提高土壤肥力。     

我国水蚀区坡耕地土壤肥力现状分析

土壤肥力是土壤质量的重要组成部分,为探讨我国东部水蚀区坡耕地土壤肥力质量现状,以田块尺度为研究单元,选取36个采样点,测定11项土壤养分及肥力环境指标。应用主成分分析法,计算变量的Norm值,结合指标间的相关系数,确定有机质、全钾、pH值、CEC、粘粒含量进入土壤肥力评价的最小数据集(MDS)。采用"S"型或抛物线型隶属度函数计算指标隶属度并对单项肥力指标进行评价,利用综合指数模型计算各点土壤肥力综合指数(IFI)进行评价。结果表明:(1)CEC和粘粒含量隶属度值较低,是制约我国水蚀区坡耕地土壤肥力的重要因素;(2)各采样点土壤肥力综合指数变幅是0.17~0.72,平均值为0.44±0.15,属中等肥力水平。36个采样点土壤肥力综合指数等级属低、中、高的比例分别为27.8%,58.3%,13.9%,大多数采样点土壤肥力处于中等及以下水平;(3)6个水蚀二级分区的土壤肥力综合指数均值不存在显著差异,东北低山丘陵和漫岗丘陵区土壤肥力综合指数最高,而西北黄土高原区土壤肥力综合指数最低。研究结果对指导我国水蚀区坡耕地合理施肥和土地资源可持续利用具有重要意义。     

我国东部水蚀区坡耕地土壤质量现状分析

土壤质量是土地生产力的基础,为探讨我国东部水蚀区坡耕地土壤质量现状,笔者采集36个样点表层0 ～20 cm土样,测定28项土壤理化指标,利用主成分分析法确定表征土壤质量的关键指标,根据指标隶属度与权重采用加权连乘法计算各采样点的土壤质量指数.结果表明:1)速效磷的变异系数最大,微团聚体体积分数的变异系数最小,绝大部分指标属于中等强度变异,土壤物理指标的变异系数明显小于土壤化学指标.2)黏粒体积分数、粉粒体积分数、微团聚体体积分数、有机质、pH值、Cd、Cr是表征土壤质量的关键指标,Cr隶属度最高,而pH值隶属度最低,Cd隶属度在二级水蚀分区间差异显著.3)36个采样点的土壤质量指数均值为0.64 ±0.16指数,6个二级水蚀分区间不存在显著差异.36个采样点土壤质量指数属较低、中等、较高和高等级的比例分别为8.33％、38.89％、36.11％、16.67％.总体而言,我国水蚀区坡耕地的土壤质量整体状况良好,但仍需要加强对土壤质量偏低地区的培肥改良.本研究对认识和维系我国东部水蚀区坡耕地土壤质量、分等定级与区划,合理开发利用坡耕地土地资源具有重要意义.     

科尔沁沙地旱作农田土壤退化的过程和特征

在一个较小的时空尺度上对科尔沁沙地典型旱作农田土壤物理和化学特性在风蚀沙化过程中的演变特征及其退化过程进行了的探讨。结果表明 :旱作农田由于周边沙质草地的开垦而发生风蚀沙化 ,3～ 5年的时间就会使 5 %～ 15 %的细粒物质吹蚀 ,表土粗化 ,向风沙沉积特征发展 ,土体结构破坏 ,容重增加 0 .0 5～ 0 .15 g/ cm3,总孔隙度降低 3%～ 5 % ,持水性能变劣 ,养分也随之丧失 ;<0 .0 5 mm的粘粉粒吹蚀 1% ,土壤有机质和全氮含量下降 0 .2 5 9g/ kg和 0 .0 16 4 g/ kg;土壤退化的演变 ,既有系统本身的自然属性决定的内在原因 ,更重要的是人为的外部干扰体系的驱动 ;退化的过程既有渐变型 ,又有跃变型     

土壤侵蚀对坡耕地耕层质量退化作用及其评价趋势展望

土壤侵蚀是导致坡耕地耕层质量退化和土壤生产力不稳定的关键驱动因素。该文从水蚀区坡耕地侵蚀控制和生产功能角度,在解析地块尺度土壤侵蚀、水土保持、农业活动对坡耕地耕层生态过程作用特征的基础上,系统分析了土壤侵蚀对坡耕地耕层质量退化作用、影响效应及作用途径。认为:1)坡耕地耕层质量变化由降雨侵蚀、耕作活动交互作用的生态过程决定,2种作用的时间、空间尺度不同;耕层土壤参数在坡耕地农业生产中作用分为保水、保土、保肥和增产潜力,由地块尺度农作物-耕层耦合效应决定土壤生产能力、坡耕地水土流失特征及耕层侵蚀性退化方向及程度。2)土壤侵蚀对坡耕地耕层质量退化作用表现为土壤性质恶化、土壤质量劣化、土地生产力衰退3个方面,耕层土壤物理性质变异程度大于化学性质变异,径流作用导致的土地生产力衰退大于土壤流失作用。3)坡耕地耕层质量评价指标体系应兼顾侵蚀下降、产量提升2个目标,地块尺度诊断指标有效土层厚度、耕层厚度、土壤容重、土壤抗剪强度、土壤有机质、土壤渗透性可作为合理耕层评价最小数据集;坡耕地合理耕层适宜性分为5级,其诊断指标分级标准宜与土壤侵蚀分级和耕地地力分级衔接。4)坡耕地合理耕层评价未来应密切关注耕层质量诊断指标最小数据集、坡耕地合理耕层阈值/适宜值分级标准、坡耕地水土流失阻控标准拟定3个主要方向。研究可为深入认识坡耕地侵蚀性退化机制,辨识坡耕地合理耕层调控途径以及坡耕地合理耕层构建技术参数提供依据。     

砒砂岩与沙复配土壤质地与有机质动态变化特征

为了研究毛乌素沙地砒砂岩与沙混合构成的一种新型复配土壤在长期种植过程中土壤质量发育状况,基于2010-2018年不同比例砒砂岩与沙(1∶1,1∶2,1∶5)复配土壤的田间定位试验,综合分析了不同比例复配土壤机械组成、颗粒分形特征、有机质的变化特征及之间的关系。结果表明:(1)随着种植年限的增加,3种比例复配土壤耕层质地向变细和颗粒组成合理的方向发展,土壤颗粒分形维数和有机质含量总体呈增加趋势;(2)1∶2复配土壤粉黏粒含量、分形维数值和有机质含量增加速率均大于1∶1,1∶5;1∶2复配土壤种植9年后有机质含量达到最高值(6.24±0.30)g/kg,与种植前相比较提高了12倍;(3)不同比例复配土壤颗粒分形维数与有机质含量均存在显著正相关关系(p<0.05),粉粒和黏粒是研究区沙化土地复配土壤质地改善和有机质提升最关键的两个粒级。综上,随种植年限的增加,复配土向无机-有机胶体复合状态发展,1∶2复配土壤最适合玉米种植,提高了土壤的稳定性和农业适应性。     

Land‐use effects on the distribution of soil organic carbon within particle‐size fractions of volcanic soils in the Transmexican Volcanic Belt (Mexico)

The aim of this study was to determine the effect of land‐use and forest cover depletion on the distribution of soil organic carbon (SOC) within particle‐size fractions in a volcanic soil. Emphasis was given to the thermal properties of soils. Six representative sites in Mexico were selected in an area dominated by Andosols: a grassland site, four forested sites with different levels of degradation and an agricultural site. Soils were fractionated using ultrasonic energy until complete dispersion was achieved. The particle‐size fractions were coarse sand, fine sand, silt, clay and particulate organic matter from the coarse sand sized fraction (POM‐CS) and fine sand (POM‐FS). Soil organic carbon decreased by 70% after forest conversion to cropland and long‐term cultivation; forest cover loss resulted in a decrease in SOC of up to 60%. The grassland soil contained 45% more SOC than the cropland one. Soil organic carbon was mainly associated with the silt‐size fraction; the most sensitive fractions to land‐use change and forest cover depletion were POM followed by SOC associated with the silt and clay‐sized fractions. Particulate organic matter can be used as an early indicator of SOC loss. The C lost from the clay and silt‐sized fractions was thermally labile; therefore, the SOC stored in the more degraded forest soils was more recalcitrant (thermally resistant). Only the transformation of forest to agricultural land produced a similar loss of thermally stable C associated with the silt‐sized fraction.     

The effect of cultivation on sediment composition and deposition in prairie pothole wetlands

Texture, major nutrient content, and deposition rate of sediments were compared for five prairie pothole wetlands surrounded by native grassland and seven otherwise similar wetlands surrounded by row crop and small grain farmland. Specific differences in the nature of the sedimentation cycle of cultivated and noncultivated watersheds were indicated. Flux of total inorganic material into sediments averaged 80 and 43 mg cm^?2 yr^?1 in cultivated and grassland wetlands, respectively. Cultivated sediments contained significantly higher clay percentages, but lower percentages of silt and sand than grassland sediments. Deposition rates of clay at cultivated sites averaged five times that of grassland locations. Enrichment ratios (the quotient of sediment concentration divided by upland soil concentrations) suggested that sand was selectively retained in equal proportions on uplands in both types of watersheds, that silt was selectively removed (although in different proportions) from uplands in both types of watersheds, and that clay was selectively retained only on grasslands. Total N and organic matter concentrations were significantly higher in both the soils and sediments of grassland watersheds, but there were no differences in total P concentrations with respect to land use. Sediment flux rates for total N and organic matter were similar in the two land use types; however, P was transported at nearly twice the rate to cultivated wetlands. Enrichment ratios indicated that N and P were selectively removed in similar proportions from upland soils in both types of watersheds.     

不同土地利用方式对岷江流域土壤团聚体稳定性及有机碳的影响

采用湿筛法测量了岷江流域不同土地利用方式下不同土层（0—10,10—20,20—30 cm）土壤大团聚体（> 2 mm）、中间团聚体（0.25~2 mm）、微团聚体（53 μm~0.25 mm）以及粉+黏团聚体（<53 μm）的质量分数及各粒径团聚体中的有机碳含量,并探讨了各粒径土壤团聚体的有机碳储量。结果表明,土地利用方式对土壤团聚体稳定性及其有机碳具有重要影响;土壤养分均呈现出一致性规律,大致表现为撂荒地 > 次生林 > 人工林 > 灌草丛 > 坡耕地,土壤全磷差异并不显著（p>0.05）;林地的开垦行为会导致大团聚体的破碎化,灌草丛及坡耕地>0.25 mm的大团聚体含量较林地低,土壤结构趋于恶化;而坡耕地闲置为撂荒地后,则会促使粉+黏团聚体向粒径大的微团聚体及中间团聚体转化,使土壤结构趋于改善,在0—30 cm土层内,灌草丛及坡耕地土壤颗粒的MWD（平均质量直径）和GMD（几何平均直径）值均显著低于林地和撂荒地（p<0.05）,坡耕地撂荒后,MWD和GMD值均显著升高（p<0.05）,表明林地开垦为坡耕地导致土壤团聚体的稳定性降低,而坡耕地弃耕撂荒会增强团聚体的稳定性,提高土壤抵抗外力破坏的能力。不同土地利用方式下各粒径土壤团聚体有机碳含量均随土层深度的增加而降低。在0—30 cm土层深度内,不同土地利用方式下各粒径土壤团聚体有机碳储量表现为:大团聚体有机碳储量为林地 > 撂荒地 > 灌草丛 > 坡耕地,中间团聚体有机碳储量为撂荒地 > 林地 > 灌草丛 > 坡耕地,微团聚体有机碳储量为撂荒地 > 林地 > 灌草丛 > 坡耕地;粉+黏团聚体有机碳储量为撂荒地 > 林地 > 灌草丛 > 坡耕地。各粒径土壤团聚体内有机碳储量均为林地和撂荒地高于果园和坡耕地,表明将林地开垦为坡耕地后,将导致各团聚体组分内有机碳的损失,而坡耕地撂荒则有助于土壤有机碳的恢复和截存;林地和撂荒地土壤有机碳主要蓄积在中间团聚体内,而坡耕地则主要蓄积在粉+黏团聚体内,表明在土地利用变化过程中,粒径较大的团聚体有机碳不稳定,更容易发生变化。