“非粮化”土壤优质耕层快速重构材料的创制及其评价方法_郝点.pdf

土壤学报 Acta Pedologica Sinica ISSN 0564 3929 CN 32 1119 P 土壤学报 网络首发论文 题目 非粮化 土壤优质耕层快速重构材料的创制及其评价方法 作者 郝点 周润惠 高闻哲 罗继鹏 王远帆 李廷强 网络首发日期 2023 10 09 引用格式 郝点 周润惠 高闻哲 罗继鹏 王远帆 李廷强 非粮化 土壤优质耕层 快速重构材料的创制及其评价方法 J OL 土壤学报 网络首发 在编辑部工作流程中 稿件从录用到出版要经历录用定稿 排版定稿 整期汇编定稿等阶 段 录用定稿指内容已经确定 且通过同行评议 主编终审同意刊用的稿件 排版定稿指录用定稿按照期 刊特定版式 包括网络呈现版式 排版后的稿件 可暂不确定出版年 卷 期和页码 整期汇编定稿指出 版年 卷 期 页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件 录用定稿网络首发稿件内容必须符合 出 版管理条例 和 期刊出版管理规定 的有关规定 学术研究成果具有创新性 科学性和先进性 符合编 辑部对刊文的录用要求 不存在学术不端行为及其他侵权行为 稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑 出版的技术标准 正确使用和统一规范语言文字 符号 数字 外文字母 法定计量单位及地图标注等 为确保录用定稿网络首发的严肃性 录用定稿一经发布 不得修改论文题目 作者 机构名称和学术内容 只可基于编辑规范进行少量文字的修改 出版确认 纸质期刊编辑部通过与 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社有限公司签约 在 中国 学术期刊 网络版 出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版 以单篇或整期出版形式 在印刷 出版之前刊发论文的录用定稿 排版定稿 整期汇编定稿 因为 中国学术期刊 网络版 是国家新闻出 版广电总局批准的网络连续型出版物 ISSN 2096 4188 CN 11 6037 Z 所以签约期刊的网络版上网络首 发论文视为正式出版 土 壤 学 报 Acta Pedologica Sinica DOI 10 11766 trxb202307140272 郝点 周润惠 高闻哲 罗继鹏 王远帆 李廷强 非粮化 土壤优质耕层快速重构材料的创制及其评价方法 J 土壤学报 2024 Hao Dian Zhou Runhui Gao Wenzhe Luo Jipeng Wang Yuanfan Li Tingqiang Creation and uation of Plough Layer Reconstruction Materials for Non Grain Production of Cultivated Land J Acta Pedologica Sinica 2024 非粮化 土壤优质耕层快速重构材料的创制 及其评价方法 郝 点 周润惠 高闻哲 罗继鹏 王远帆 李廷强 浙江大学环境与资源学院 污染环境修复与生态健康教育部重点实验室 杭州 310058 摘 要 优质耕层快速构建是耕层剥离型 非粮化 土壤复耕前提 但目前缺乏相应的重构材料 应用草本泥 炭 苔藓泥炭 稻壳生物炭 木屑生物炭 蔬菜玉米壳及微生物菌剂 按不同配方创制耕层重构材料 并构 建相应的评价方法体系 研究表明 苔藓泥炭与稻壳生物炭配置形成的耕层重构材料质地疏松 蓄水保墒能 力强 有机质含量高 范围介于 658 85 704 92 g kg 1之间 同时有机碳难降解指数范围为 75 27 84 71 具备较高的固碳增汇潜力 有机碳 活性碳组分 I 总腐殖酸 全氮 全钾 毛管孔隙度 pH 可作为耕层重 构材料的评价指标体系 结合质量指数模型可以评价耕层重构材料综合质量 依托该体系筛选出了最佳耕层 重构材料配方 即当苔藓泥炭 M 与稻壳生物炭 R 按质量比 1 1 2 1 3 1 再按质量比 10 1 与蔬菜玉 米壳 C M R 10C1 2M R 10C1 3M R 10C1 混合配置时可以形成优质耕层重构材料 将优质耕层重构材料 施入 非粮化 土壤可以显著降低土壤容重 增加土壤有机质及活性养分含量 增强土壤固碳潜力 提高小麦 产量 本研究所建立的指标评价体系可以全面客观评价耕层重构材料的综合质量 以苔藓泥炭 稻壳生物炭 为原料创制的耕层重构材料在改善土壤质量 提高土壤固碳能力以及恢复作物生产方面均表现出较高的应用 价值 关键词 非粮化 土壤 耕层构建技术 耕层重构材 料 材料质量指数 综合评价体系 中图分类号 S156 S158 文献标志码 A Creation and uation of Plough Layer Reconstruction Materials for Non Grain Production of Cultivated Land HAO Dian ZHOU Runhui GAO Wenzhe LUO Jipeng WANG Yuanfan LI Tingqiang Ministry of Education Key Laboratory of Environmental Remediation and Ecological Health College of Environmental and Resource Sciences Zhejiang University Hangzhou 310058 China Abstract Objective Economical crops like seedlings and flowers are frequently sold with soil transplantation practices which directly leads to the soil plough layer becoming shallow or even stripped and eventually disappearing This type of non grain production of cultivated land with stripped plough layer can cause soil structure damage nutrient imbalance and fertility degradation thus it is a serious threat to the foundation of national 浙江省重点研发计划项目 2022C02022 2022C02018 和国家自然科学基金项目 42177008 资助 Supported by the Key Research and Development Program of Zhejiang Province Nos 2022C02022 2022C02018 National Natural Science Foundation of China No 42177008 通讯作者 Corresponding author E mail litq 作者简介 郝 点 1999 女 吉林长春人 硕士研究生 主要研究方向为土壤质量提升 E mail 2872620263 收稿日期 2023 07 14 收到修改稿日期 2023 09 06 网络首发时间 2023 10 09 14 00 11 网络首发地址 土 壤 学 报 Acta Pedologica Sinica food security and the healthy development of agriculture The main problem with the stripped non grain production of cultivated land is the lack of a high quality plough layer Therefore a solution promoting the reconstruction of the high quality plough layer to meet the fundamental needs of crops is key to replanting these soils However there is currently no systematic research aimed at solving this problem A novel plough layer reconstruction material was developed using long lasting organic materials such as herbal peat moss peat rice husk biochar sawdust biochar active organic material vegetable corn husk and microbial inoculants We employed cluster and principal component analyses to identify the minimum data set of quality uation indicators for plough layer reconstruction materials which was then combined with the quality index model to create a comprehensive quality uation system Result The result showed that the plough layer reconstruction materials with moss peat and rice husk biochar as main raw materials had higher quality and could effectively improve the fertility and compact structure of plough layer damaged soils This material was characterized by a loose texture bulk density of 0 1347 0 1466g cm 3 high capillary porosity 64 83 67 82 strong water holding capacity high organic matter content 658 85 704 92g kg 1 and high SOC recalcitrance index of 75 27 84 71 with a high potential for sequestration and sink enhancement The minimum data set constructed with SOC Labile C HS TN TK capillary porosity and pH can be used as a quality uation system for plough layer reconstruction materials Based on the above system the optimal ulation of the plough layer reconstruction material was screened as follows when moss peat M is mixed and configured with rice husk biochar R at mass ratios of 1 1 2 1 3 1 and then 10 1 with vegetable corn husk C M R 10C1 2M R 10C1 and 3M R 10C1 a high quality ploughing layer reconstruction material can be ed On non grain production of cultivated land the application of selected plough layer reconstruction materials can dramatically lower soil bulk density and raise soil organic matter content by 177 35 to 204 31 compared to the control Additionally the treatment also increased the soil s effective nutrient content and soil carbon sequestration potential The plant height weight and number of spikes of wheat were higher than those in the control after the application of the plough layer reconstruction material This resulted in the yield of wheat being 5 6 times higher than that of the control which demonstrates the benefit of this type of material for crop growth Conclusion The indicator uation system established by this research can comprehensively and objectively uate the overall quality of plough layer reconstruction materials and the materials created with moss peat and rice husk biochar as raw materials showed high application value in improving soil quality increasing soil carbon sequestration capacity and restoring crop production Key words Non grain production of cultivated land Plough layer reconstruction technology Plough layer reconstruction materials Material quality index Comprehensive uation system 近年来 随着土地流转 农业种植结构调整 我国耕地 非粮化 现象突出 1 据统计 2021 年我国耕地 非粮化 率约为 33 2 其中 大量经济作物如苗木 花卉在售卖时常采用带土移 苗的措施 直接造成土壤耕层变浅 甚至剥离消失 2 这类耕层剥离型 非粮化 土壤会造成土 壤 结构破坏 养分失衡 肥力衰退 3 严重威胁 国家粮食安全根基和农业健康发展 优质耕层 缺失是耕层剥离型 非粮化 土壤存在的主要问题 如何重构优质耕层以满足作物基础需要是此 类土壤复耕的关键 但是 目前缺乏相关研究 因此 非粮化 土壤优质耕层的快速构建技术亟 待研发 也是 实现 藏粮于地 藏粮于技 的迫切需要 传统的耕层构建技术主要包括表土剥离和定向培肥 4 前者指剥离适宜耕种的表层土壤覆 盖于贫瘠土层以实现耕层重构 但价格昂贵 工程量大 不利于推广应用 后者指人工对贫 瘠土壤进行培育改造 5 如增施有机肥 种植绿 肥 秸秆还田 增施微生物肥 深耕改土等 但耗时长 见效慢 6 近年来应用耕层重构材料因其可以实现原位改良耕层 同时促进土壤快 速熟化以缩短优质耕层重新构建时间而受到广泛关注 以往的耕层重建材料主要针对矿区 丘陵等立地条件差 基础养分贫瘠的新垦土壤 3 常用的材料主要是天然有机物料及矿物材料 土 壤 学 报 Acta Pedologica Sinica 这些材料有利于提高土壤有机质含量 但是对土壤结构及微生态环境改善效果不明显 并不 适用于耕层扰动或缺失的土壤 因此 亟需寻找能协同改善土壤物理 化学 生物学性质的 新型耕层重建材料 泥炭由于质地疏松 有机碳含量丰富在土壤培肥领域受到广泛关注 如以木本泥炭 腐 熟秸秆复配的耕层重构材料 对土壤肥力提升 结构改善成效显著 7 但木本泥炭资源紧缺 同时泥炭添加至土壤中容易引发激发效应 加剧 CO2 排放 也有研究表明泥炭腐殖质组分胡 敏素远低于水稻土和黑土 这种差异势必阻碍耕层的培肥效果 8 亟需寻找合适的替代原料 生物炭作为另一种富碳材料 有利于改善土壤质量 在实现农业废弃物资源化利用的同时还 能增强土壤负激发效应 被视为增强固碳封存的重要环境策略 9 因此本研究应用生物炭部分 替代泥炭创制一种新型复合耕层重建 材料 旨在短期内耦合两类材料优点 协同实现优质耕 层构建 农业废弃物资源化利用以及固碳减排效益提升的目标 综上 本研究选取资源分布相对广泛兼具高有机碳含量的草本泥炭 苔藓泥炭 搭配生 物炭材料 创制一种兼具固碳增汇功能的新型耕层重构材料 探究将优质耕层形成的冗长培 育过程简化为一次性工程作业的实际可行性 同时 选取传统土壤质量评价指标体系中常见 理化指标 建立针对耕层重构材料的综合质量评价体系 进一步完成优质材料的筛选工作 为 非粮化 土壤耕层快速构建提供理论依据 1 材料与方法 1 1 供试材料与土壤 长效有机类材料 草本泥炭 Herbal peat H 购自敦化吉祥泥炭开发有限公司 苔藓泥 炭 Moss peat M 购自俄罗斯远东泥炭有限公司 稻壳生物炭 Rice husk biochar R 和木屑 生物炭 Sawdust biochar S 购自浙江长三角聚农科技开发有限公司 活性有机类材料 蔬菜 玉米壳 Vegetable corn husk C 购自杭州市三墩街道农贸市场 微生物菌剂 枯草芽孢杆菌 有效活菌数含量 1 000亿 g 1 Bacillus B 购自强兴生物科技工厂 供试材料基 本理化性质 见表 1 结构见图 1 试验所需土壤采自浙江省杭州市萧山良江苗木基地 供试土壤为苗木移除后的残余土壤 耕作层被破坏 剥离的土壤 土壤质地为壤质黏土 0 002 mm黏粒占 28 23 0 02 0 002 mm粉粒占 33 27 0 02 mm砂粒占 38 51 化学性质 pH 为 4 57 电导率 EC为 1 06 S cm 1 土壤有机碳 SOC为 6 75 g kg 1 全氮 TN为 0 4 g kg 1 全磷 TP为 0 15g kg 1 碱 解氮 AN为 17 49mg kg 1 有效磷 AP为 9 22 mg kg 1 速效钾 AK为 87 71mg kg 1 表 1供试材料的基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of the raw materials 原料类型 Material type 全氮 TN g kg 1 全磷 TP g kg 1 全钾 TK g kg 1 总腐殖酸 HS pH 电导率 EC mS cm 1 灰分 Ash C H N 草本泥炭 Herbal peat 13 03 0 99 4 98 38 34 5 26 17 66 20 63 36 92 4 95 2 13 苔藓泥炭 Moss peat 7 62 0 20 3 00 44 80 6 35 11 98 4 19 41 64 5 91 1 15 稻壳生物炭 Rice husk biochar 3 10 1 37 12 99 9 29 94 30 19 42 52 71 2 43 0 82 木屑生物炭 Sawdust biochar 1 76 0 35 4 25 7 50 10 22 2 54 74 16 4 17 0 47 土 壤 学 报 Acta Pedologica Sinica 原料类型 Material type 有机碳 SOC g kg 1 水溶性碳 Water soluble carbon 酸溶性碳 Acid soluble carbon DOC g kg 1 DOC SOC LabileI C g kg 1 LabileII C g kg 1 有机碳活性 指数 LI Recalcitrant C g kg 1 有机碳难降 解指数 RI 草本泥炭 Herbal peat 325 29 0 80 0 25 49 36 21 10 21 66 254 83 78 34 苔藓泥炭 Moss peat 375 04 0 64 0 17 53 23 19 93 19 51 301 87 80 49 稻壳生物炭 Rice husk biochar 450 11 1 01 0 22 3 95 3 47 1 65 442 69 98 35 木屑生物炭 Sawdust biochar 515 77 0 70 0 14 5 51 4 36 1 91 505 90 98 09 草本泥炭 H 2000 苔藓泥炭 M 2000 稻壳生物炭 R 400 木屑生物炭 S 400 图 1 供试材料的扫描电镜图 Fig 1 Scanning electron microscope image of the test material 1 2 新型耕层重构材料的创制 为探究耕层重构材料中生物炭对泥炭的替代效应 将 2种泥炭与 2种生物炭按质量比 1 1 2 1 3 1进行混合 再按质量比 10 1比例与蔬菜玉米壳 C 混合 在此基础上将所选枯草芽 孢杆菌菌剂溶于 1 000倍水中 喷施到上述有机类材料中 同时控制水分保持在 60 左右 搅 拌均匀 配置形成 12 种以天然有机材料为核心的新型耕层重构材料 具体 1 草本泥炭 H 稻壳生物炭 R 型 H R 10C1 2H R 10C1 3H R 10C1 2 草本泥炭 H 木屑生物炭 S 型 H S 10C1 2H S 10C1 3H S 10C1 3 苔藓泥炭 M 稻壳生物炭 R 型 M R 10C1 2M R 10C1 3M R 10C1 4 苔藓泥炭 M 木屑生物炭 S 型 M S 10C1 2M S 10C1 3M S 10C1 土 壤 学 报 Acta Pedologica Sinica 1 3 新型耕层重构材料的筛选 1 3 1 建立评价指标体系 评价材料质量的理化指标众多 应用全部 指标进行质量评价将增加 工作难度 因此 有必要构建一个最小数据集 Minimum Data Set MDS 用有限的指标快速 准确地评价材料质量 聚类分析和主成分分析法是建立 MDS过程中应用最广泛的数理统计方 法 前者在无先验知识的前提下按数据亲疏程度自动分类 后者在数据信息损失较小的前提 下进行降维划分 两种方法均能够克服传统指标筛选的主观性 客观准确地筛选土壤属 性的 变异性 10 具体方法如下 基于 R型欧氏距离的聚类分析 Cluster Analysis CA 对全部质量评价指标 进行分类 若同组内指标之间存在显著相关性 则根据土壤质量评估经验 选择更具代表性 的指标进入 MDS 若相关性低且冗余时 使用主成分分析 Principal Component Analysis PCA 对指标进行重新分类 选择特征值 1 的主成分 将每个主成分中旋转因子载荷绝对值 0 5 的 指标划分为同组 若某指标同时在多个主成分上载荷绝对值 0 5 则将该指标划分至与其他指 标相关性较低的那 一组 选择每组中 Norm值最高的指标直接进入 MDS 再保留与最高 Norm 值相差 10 范围内的指标进行相关性分析 若相关性较高则舍弃 若相关性较低则选入 MDS Norm值作为某指标在主成分组成的多维空间的矢量常模长度 值越大则表明该信息对主成分 的综合荷载越高 解释综合信息能力越强 Norm值计算公式如下 11 Nik 1 式中 Nik为第 i个变量在特征值 1的前 k个主成分上的综合荷载 Uik为第 i个变量在第 k个 主成分上的荷载 k为第 k个主成分的特征值 1 3 2 建立材料质量评价体系 材料质量指数 Material Quality Index MQI 能够通过指标定量 的方法对耕层材料进行综合评价 MQI的范围为 0 1 值越大则表明质量越好 计算公式如 下 12 MQI 1 式中 n为参评指标的数量 Fi为第 i个指标的隶属度 Wi为第 i个因子的权重 其中 Fi 隶属度由指标所属的隶属度函数确定 13 划分为两种函数 1 递增型函数 对土壤质量起到促进作用的指标 2 递减型函数 对土壤有限制作用的指标 在本研究中 选择容重和灰分 其余指标均为递增型函数 隶属度计算 递增型 F Xi Xi Xmin Xmax Xmin 递减型 F Xi 1 Xi Xmin Xmax Xmin 式中 Xi为指标实测值 Xmin 为指 标测定最小值 Xmax为指标测定最大值 Wi因子权重为各指标公因子方差与总公因子方差之 比 1 3 3 最小数据集的可靠性验证 本研究通过计算全体数据集 Total Data Set TDS 指标和最小 数据集两种指标体系下不同配方耕层重构材 料的质量指数 再通过 MQI TDS与 MQI MDS两 者相关分析 以及样品间聚类分析验证最小数据集指标体系对材料综合质量评价的可靠性 从而建立耕层重构材料的质量评价体系 1 4 耕层土壤重构的有效性验证 经筛选 选择 MQI较高的 3种优质耕层重构材料 M R 10C1 2M R 10C1 3M R 10C1 以 4 w w 添加量混入耕层剥离型 非粮化 土壤 同时以未添加材料的土壤作为 CK开展盆栽 验证试验 2 5 kg 盆 1 各处理重复三次 共计培养 56 d 培养期间水份控制在 60 培养结 束后通过测定土壤物理结构 有机质及活性养分含量及固碳指标来验证耕层重构材料及其评 价体系的有效性 土 壤 学 报 Acta Pedologica Sinica 在此基础上 本研究以 3M R 10C1材料为例 探究此类材料对耕层剥离型 非粮化 土壤 复耕的现实可行性 为了在构建优质耕层的同时最大程度提高经济效益 对作物种植体系下 对材料添加量进行调整 以提高 1 5 土壤有机质为目标 设置 2 添加量进行复耕试验 具体 如下 以 2 w w 添加量混入耕层剥离型 非粮化 土壤 同时以未添加材料的土壤作为 CK 开展粮食作物小麦盆栽种植试验 3 kg 盆 1 各处理重复三 次 每盆 6株小麦 常规水分管理 培养结束后测定土壤养分 固碳指标及小麦生长指标 1 5 指标测定 基础理化指标具体操作参考 土壤农化分析 14 供试原料 C H N含量采用元素分析 仪测定 采用 SU8010冷场发射扫面电子显微镜进行微观结构观察 pH采用浸提电位法 材料 水 1 15 测定 电导率 EC 采用浸提电导法 材料 水 1 15 测定 可溶性有机碳 DOC 采用水浸提 TOC分析法测定 活性碳组分 LabileI C LabileII C 和难降解碳组分 Recalcitrant C 采用 2 5 mol L 1 H2SO4和 13 mol L 1 H2SO4两步酸水解法 15 测定 微生物生物量碳 MBC 采 用氯仿熏蒸 K2SO4浸提法测定 微生物呼吸速率 MR 采用室内培养 气相色谱法测定 微生物 代谢熵计算方法 qCO2 h 1 MR MBC 1 6 数据处理 试验数据在 Microsoft Excel2010中计算处理后通过 SPSS 23 0进行指标标准化 聚类分析 主成分分析 相关分析 数据差异均采用单因素方差分析 并进行 LSD 多重比较 不同字母 代表不同处理间性质具有显著性差异 P 0 05 图表在 Origin18 0进行制作 2 结 果 2 1 耕层重构材料物理指标统计 不同类型的耕层重构材料均具备容重低 孔隙丰富的特点 表 2 本试验所创制的材料容 重 Bulk density BD 介于 0 1 298 0 1 488 g cm 3之间 毛管孔隙度 Capillary porosity CP 介于 47 02 67 82 之间 以苔藓泥炭配置的 M S 10C1容重显著低于其他材料 为 0 1 298 g cm 3 M R类及 M S类材料的毛管孔隙度均显著高于草本泥炭构成的 H R类 H S类 即苔藓泥 炭类材料在结构上具有更优质的通气透水特性 有利于土壤耕层结构的塑造 此外 不同材 料的 pH 为 5 26 6 54 电导率为 2 51 3 99 mS cm 1 均处于适宜范围 符合耕层重构材料基 本要求 表 2不同耕层重构材料的物理性质 Table 2 Physical properties of different plough layer reconstruction materials 处理 Treatment 容重 BD g cm 3 pH EC mS cm 1 灰分 Ash 毛管孔隙度 CP H R 10C1 0 1488a 6 41b 3 99a 17 87bc 62 58d 2H R 10C1 0 1426b 5 89e 3 03b 17 10cd 54 25f 3H R 10C1 0 1334cd 5 72f 2 93b 16 38d 54 83f H S 10C1 0 1327cd 5 66f 3 10ab 13 56e 47 02h 2H S 10C1 0 1344cd 5 39g 3 00b 17 75bc 50 51g 3H S 10C1 0 1333cd 5 26h 3 22ab 18 96ab 48 42h M R 10C1 0 1466a 6 54a 2 78b 19 97a 67 82a 2M R 10C1 0 1420b 6 39bc 2 72b 16 84cd 65 65b 3M R 10C1 0 1347c 6 28cd 2 64b 14 76e 64 83bc M S 10C1 0 1298f 6 30bc 3 06b 8 21h 59 55e 土 壤 学 报 Acta Pedologica Sinica 2M S 10C1 0 1309e 6 26d 2 62b 10 41g 60 45e 3M S 10C1 0 1323de 6 20d 2 51b 11 70f 63 54cd 注 同列不同字母表示不同处理间差异显著 下同 Note Different letters in the same column indicate significant differences between different treatments The same as below 2 2 耕层重构材料化学指标统计 2 2 1 碳组分含量 耕层重构材料有机碳含量均处于较高水平 M S 10C1最高为 408 9 g kg 1 2H R 10C1最低为 319 3 g kg 1 以苔藓泥炭配置的材料有机碳平均含量高于草本泥炭类 以 稻壳生物炭配置材料有机碳难降解指数为 80 12 88 78 高于木屑生物炭类 稳定性更高 输入土壤时有利于提高 SOC固存 16 不同材料均表现出 LabileIC含量高于 LabileIIC含量 图 2 图 2不同耕层重构材料碳组分含量和有机碳难降解指数 Fig 2 Carbon component content and recalcitrance index of different plough layer reconstruction materials 2 2 2 养分含量 耕层重构材料有机质含量为 550 46 704 93 g kg 1 DOC含量为 1 25 4 49 g kg 1 总腐殖酸含量为 22 17 45 2 全氮含量为 5 05 12 64 g kg 1 全磷含量为 0 23 1 42 g kg 1 全钾含量为 3 48 8 99 g kg 1 图 3 草本泥炭类有机质 DOC含量显著低于苔藓泥炭 类 但全氮 全磷含量相对较高 其中 3H R 10C1和 3H S 10C1的全氮含量分别为 12 64 12 38 g kg 1 H R 10C1全磷含量为 1 42 g kg 1 在苔藓泥炭配置的两类材料中 M R类全量养分含 量总体高于 M S类材料 有利于养分储存 同时其 DOC含量介于 4 15 4 49 g kg 1之间 有 利于活性养分的释放 土 壤 学 报 Acta Pedologica Sinica 图 3不同耕层重构材料养分含量 Fig 3 Nutrient content of different plough layer reconstruction materials 2 3 最小数据集的构建 2 3 1 聚类分析构建指标分类体系 基于 R型聚类将 14项理化指标划分为 4类 1 TK 容重 TP 灰分 EC 代表养分及物理性质 2 TN HS 代表养分 3 LabileI C LabileII C DOC pH 毛管孔隙度 代表碳组分及物理性质 4 SOC Recalcitrant C 代表有机碳组分 通过对同组内 相关性分析初步筛选进入 MDS的指标 首先对 14项指标进行正态分布检 验 DOC 容重 EC不符合正态分布 选择 Spearman系数进行相关分析 第一类中 EC与其 余指标均无显著相关性 直接选入 MDS TK与容重高度相关 r 0 982 容重衡量结构特性 TK主要受矿物种类影响 二者无明显实际关联 为避免造成误差同时选入 MDS TK与 TP 灰分均高度相关 r 0 800 r 0 761 灰分可表征材料中矿质养分 可用全量养分进行衡量 此时选择相关性之和更高的 TK作为养分含量代表 第二类 TN HS无显著相关性 同时选入 MDS 第三类 SOC与 Recalcitrant C显著相关 r 0 853 SOC更能衡量土壤肥力特性 将 SOC 选入 MDS 第四类中 LabileI C LabileII C显著相关 r 0 853 考虑到 LabileI C组分更能体 现活性碳组分 选择 LabileI C进入 MDS 毛管孔隙度分别与 DOC pH显著相关 r 0 790 r 0 860 通气透水情况能直接影响水溶态养分 但无法直观反映酸碱度 故选择毛管孔隙度 pH进入 MDS 2 3 2 主成分分析筛选冗余指标 由于聚类结果的第 一类和第三类备选指标中存在数据冗余 故采用主成分分析进一步筛选代表性指标最终进入 MDS 分别对第一类 第三类指标进行 KMO与 Bartlett s检验 结果表明 KMO值分别为 0 624 0 5 Sig 0 000 KMO 0 559 0 5 Sig 0 001 均可以进行主成分分析 表 3 第一类指标划分 1个主成分 累计贡献率为 71 993 选择 Norm值最高指标 TK 1 743 90 土 壤 学 报 Acta Pedologica Sinica 范围以内指标进一步筛选 容重 TP 灰分符合条件 再次进行相关分析表明 TK 与容重 r 0 941 TP r 0 764 灰分 r 0 783 高度相关 故仅选择 Norm值最高的 TK进入 MDS 第 三类指标提取到 2个主成分 累积贡献率为 92 19 DOC 毛管孔隙度在主成分 1载荷值较 高 pH Labi