基于田块尺度的土壤质量评价指标体系及方法探讨

论文摘要

为了提高土壤质量评价的准确度,使评价结果更能客观地反映土壤质量的变化,本研究探讨了基于田块尺度的土壤质量评价。以位于陕西关中平原腹地的杨凌为研究区域,在田块评价尺度上,通过现状调查、资料收集、样品采集、室内分析及数学建模等方法,探讨了基于主成分分析的最小数据库集的建立;基于主成分分析和层次决策分析的权重确定;探讨了模糊评价和综合土壤指数评价方法。以长期田间定位试验为研究对象,探讨了土壤质量指数、因子分析和聚类分析等土壤质量评价方法。通过研究得到以下主要结论:（1）采集0-20 cm土层的27个田块土壤,经主成分分析速效钾、碳酸钙含量、全磷、全氮、土壤有机质、CEC、速效磷、全钾进入土壤肥力评价的最小数据库集（MDS）;基于层次决策分析权重的模糊评价结果表明,模糊评价结果与研究区域耕地的实际情况基本吻合,表明模糊评价方法在研究区具有可操作性和可行性;基于主成分分析的土壤质量数值化评价结果表明,研究区域在田块评价尺度上的土壤肥力综合指数范围在0.7～0.8之间。（2）本研究以9年的长期田间定位试验为研究对象,研究了冬小麦-夏玉米轮作条件下深松耕（ST）,旋耕（RT）,秸秆还田（SR）,免耕（NTS） 4种保护性耕作措施的10种耕作模式及传统耕作（TT）模式保护性耕作措施对土壤质量的影响,选择土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾、容重、电导率、阳离子交换量、脲酶、磷酸酶共12项因子作为评价指标,进行土壤质量的综合数值化评价,并采用因子分析对不同耕作模式的土壤质量进行综合评价,同时运用欧氏距离最短法对不同耕作模式土壤质量进行聚类分析。保护性耕作措施对土壤理化性质及产量影响的结果表明,深松技术显著降低土壤容重,免耕使容重增加;与传统耕作相比,保护性耕作模式提高了土壤肥力质量,改善了土壤物理环境条件;在土壤生物学性质方面,保护性耕作显著提高了脲酶和碱性磷酸酶的活性。产量方面,秸秆粉碎覆盖免耕处理玉米和小麦产量均最低,其他保护性耕作措施不同程度提高了作物的产量,小麦增产13﹪～28﹪,玉米增产3﹪～12﹪。（3）保护性耕作土壤质量综合评价结果表明:传统耕作的加权综合土壤质量指数仅为0.5826,保护性耕作条件下加权综合土壤质量指数介于0.6978～0.8388。保护性耕作与传统耕作相比,土壤质量指数提高了19.8﹪～44.0﹪,说明保护性耕作对改善土壤质量有一定的积极作用。综合考虑经济效应和生态效益,隔年深松、秸秆粉碎联合旋耕作业以及秸秆覆盖联合深松作业不仅能增加作物产量还可改善土壤质量,可在研究区进行推广应用。相关分析结果表明,土壤质量指数与作物产量有较高的相关性,因此,采用土壤质量指数法可客观准确地评价不同耕作模式对土壤质量的影响。（4）因子分析结果表明:选择土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾、容重、电导率、阳离子交换量、脲酶、磷酸酶、共12项反映土壤质量特性的定量因子作为评价指标,采用因子分析对不同耕作模式的土壤质量进行综合评价,12项理化及生物属性指标归纳为5个主因子:保肥供肥因子、有机质因子、磷素因子、酶活性因子、容重因子。因子得分的结果表明:不同耕作模式的5个公因子优势差异明显。相比较而言传统耕作的土壤质量综合得分最低。土壤质量综合得分最高的前3种处理为隔年深松（NS2）、秸秆覆盖联合浅松、旋耕（SR2）作业、连年深松（NS3）,说明深松、旋耕及秸秆还田与旋耕技术联合作业在改善土壤结构和培肥土壤方面优势更突出。（5）运用欧氏距离最短法对其进行聚类分析。聚类分析结果表明,同一耕作措施的不同模式土壤质量差异较小,说明在本研究试验条件下,耕作措施是影响土壤质量的关键因素。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 耕地质量与土壤质量
• 1.2.1 耕地质量及评价的概念和内涵
• 1.2.2 土壤质量的概念和内涵
• 1.3 土壤质量评价的国内外研究进展
• 1.3.1 土壤质量评价的概念
• 1.3.2 评价指标的选择
• 1.3.3 权重的确定
• 1.3.4 土壤质量的评价方法
• 1.4 研究方法及技术路线
• 第二章 基于田块尺度的土壤肥力模糊评价研究
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 研究区自然概况
• 2.1.2 样品采集
• 2.1.3 分析方法
• 2.2 模糊评价方法
• 2.2.1 模糊评价的数学模型
• 2.2.2 土壤质量模糊评价过程
• 2.3 模糊评价在田块尺度土壤质量评价中的应用
• 2.3.1 指标的筛选
• 2.3.2 土壤质量等级的划分和各指标等级标准的确定
• 2.3.3 权重的确定
• 2.3.4 评价结果的识别
• 2.3.5 评价结果分析
• 2.4 讨论
• 第三章 基于主成分分析的土壤肥力综合指数评价
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 研究区概况
• 3.1.2 样品采集及分析
• 3.1.3 数据统计分析
• 3.2 土壤肥力评价最小数据库集及因子权重的确定
• 3.2.1 样本合理取数分析
• 3.2.2 土壤肥力评价最小数据库集及权重的确定
• 3.3 土壤肥力单因素评价
• 3.4 土壤肥力指数评价
• 3.5 结论
• 第四章 机械化保护性耕作条件下土壤质量的综合数值化评价
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 供试区概况
• 4.1.2 供试土壤
• 4.1.3 试验设计
• 4.1.4 测定项目与方法
• 4.1.5 数据处理
• 4.1.6 土壤质量评价
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 不同耕作模式对土壤理化性状及产量的影响
• 4.2.2 不同耕作措施土壤质量评价
• 4.3 结语
• 第五章 基于因子和聚类分析的保护性耕作土壤质量评价研究
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 试验地概况
• 5.1.2 试验设计
• 5.1.3 田间管理
• 5.1.4 土样采集
• 5.1.5 数据处理
• 5.2 评价指标体系的建立
• 5.3 不同耕作模式下土壤质量的分析比较
• 5.3.1 因子分析
• 5.3.2 聚类分析
• 5.4 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介