兰州市北山削山造地的土壤质量变化评价.pdf

第4 3卷第4期2 0 2 3年8月水土保持通报B u l l e t i no fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.4 3,N o.4A u g.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 9-1 0 修回日期:2 0 2 2-1 2-0 6 资助项目:国家自然科学基金项目“黄土丘陵区土壤斥水性及其对降水入渗机制的影响研究”(4 1 9 7 7 4 2 6);甘肃省科学院应用研究与开发项目“马兰黄土边坡土壤侵蚀降雨模拟研究”(J K-2 0 1 9-0 7)第一作者:任秀子(1 9 9 9),女(汉族),陕西省勉县人,硕士研究生,研究方向为草地生态。E m a i l:2 0 2 1 0 5 1 6 7 1n w a f u.e d u.c n。通讯作者:徐学选(1 9 6 6),男(汉族),陕西省大荔县人,博士,研究员,主要从事草地生态方面的研究。E m a i l:x u x u e x u a n n w s u a f.e d u.c n。兰州市北山削山造地的土壤质量变化评价任秀子1,王 龙2,徐学选3,张连科4(1.西北农林科技大学 草业与草原学院,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0;2.北京良乡蓝鑫水利工程设计有限公司,北京1 0 2 4 8 8;3.中国科学院 水利部 水土保持研究所,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0;4.甘肃省科学院 地质自然灾害防治研究所,甘肃 兰州7 3 0 0 0 0)摘 要:目的评价兰州市北山削山造地引起的土壤质量变化,旨在为该区削山造地工程和生态效益评价提供科学依据和建议。方法选择兰州市城关区北山原有耕地、林地、草地、削山产生的新造地4种土地利用方式,采集土壤物理性质、化学性质和根系生物量样品,基于主成分分析法(p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s,P C A)筛选出最小数据集(m i n i m u md a t as e t,MD S),通过土壤质量指数对兰州市北山土壤质量进行评价。结果基于包括1 2项理化指标的土壤质量全数据集(t o t a l d a t as e t,T D S)的主成分分析,构建了由容重、速效磷、速效钾、全氮、p H值组成的最小数据集。兰州市北山4种土地利用方式下土壤质量指数排序为:耕地林地新造地草地,削山造地显著影响了土壤的水分保持、有机质积累、全氮、速效钾含量等。最小数据集和全数据集之间相关性系数为0.6 6,最小数据集能够较好地进行土壤质量评价(p f o r e s t l a n d n e w l yr e c l a i m e d l a n d g r a s s l a n d.H i l lc u t t i n gs i g n i f i c a n t l ya f f e c t e ds o i lw a t e rc o n s e r v a t i o n,o r g a n i cm a t t e ra c c u m u l a t i o n,t o t a ln i t r o g e n,a v a i l a b l ep o t a s s i u m,e t c.T h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nt h em i n i m u md a t as e t a n dt h e f u l l d a t as e tw a s0.6 6,a n dt h em i n i m u md a t as e tb e t t e re v a l u a t e ds o i lq u a l i t y(p0.0 1).C o n c l u s i o nC u l t i v a t e dl a n da n df o r e s tl a n di nB e i s h a n M o u n t a i nh a db e t t e rs o i lq u a l i t yt h a ng r a s s l a n da n dn e w l yr e c l a i m e dl a n d.W a t e rh o l d i n gc a p a c i t ya n dn u t r i e n ta c c u m u l a t i o nc a p a c i t yo fn e w l yr e c l a i m e dl a n dw a sl o w e rt h a nt h a to fc u l t i v a t e dl a n da n df o r e s t l a n d,w h i c hi sak e ya r e af o rf u t u r ev e g e t a t i o nr e s t o r a t i o na n dr e c o n s t r u c t i o n.L a n dc u t t i n go nm o u n t a i n ss h o u l dt a k ep l a c eo ng r a s s l a n d s a s f a r a sp o s s i b l e,a n da t t e n t i o n s s h o u l db eg i v e n t o t h ep r o t e c t i o no fo r i g i n a l c u l t i v a t e d l a n da n df o r e s t l a n d.K e y w o r d s:s o i l q u a l i t y;m i n i m u md a t a s e t;p r i n c i p l e c o m p o n e n t a n a l y s i s(P C A);l a n d f r o mh i l l c u t t i n g;L a n z h o uC i t y 2 1世纪后中国经济飞速发展引起部分区域城市空间的不足,位于黄土高原西部的兰州市城关区因其典型的带状狭长地貌,长期存在自然生态保护与城市用地扩建冲突的矛盾1。削山造地作为一种更符合经济规律的城市化政策在兰州市城关区北山实施,尽管削山整地区主要土地为未利用荒山,通过削去山头,将无法建设的沟壑整理为城市可利用土地。但在土壤侵蚀强度大的山坡地整治土地后,原有的植被被破坏,水土流失时有发生2,脆弱的生态环境面临巨大的风险和挑战。研究3表明,近年来城市化过程中人为扰动导致土壤侵蚀程度的加剧已影响人类发展,如何协调好削山造地和生态保护是目前的急迫任务。削山造地会引起土地利用格局发生变化,导致区域土壤质量改变,众多国内外学者在寻求解决土壤退化和改善土壤环境等内容时都选择了土壤质量这一综合指标4-5。土壤质量评价作为衡量不同空间或时间尺度土壤属性的重要方式,可评价不同土地利用方式下土壤的响应。到目前为止,尽管国内外没有统一的土壤质量评价标准体系,但有诸多被普遍使用的土壤质量评价方法。如国外多用克立格法6、土壤质量动力学7、土壤质量综合评分,后者一般通过建立最小数据集评价土壤质量8。国内多用土壤质量定量评价方法,包括:层次分析法、主成分分析法、模糊评价法、神经网 络 法、“3 S”技 术 评 价 法、灰 色 关 联 分 析 法等9。主成分分析法通过降维减少变量的干扰,能够提取原始变量信息,但由于各因素载荷值具有正负性,影响最终评价结果的准确性1 0-1 1。各个评价方法具有适合的应用范围,评价方法的结果也会受到选取指标的影响,结果通常具有不一致性。目前针对削山造地对兰州北山生态环境的影响,已开展不同方面研究工作。有学者1 2预测开发新城对生态环境、水土流失、土地利用等方面的影响。彭建等1 3提出评估削山生态风险的方法和基本框架。但国内并没有针对削山造地区土壤质量变化以及如何为削山造地工程提出合理利用土地资源建议的研究。同时在西北地区土壤数据库往往不健全,在全数据集不足的情况下建立最小数据集的方法十分重要。为此,本研究将利用主成分分析法和土壤质量指数法评价甘肃省兰州市城关区北山削山造地后土壤质量,旨在了解兰州市城关区人为扰动下的土壤质量状态,为削山造地工程提供科学依据和建议。1 材料与方法1.1 研究区及样地概况兰 州 市 城 关 区(3 5 5 6 3 6 1 0 N,1 0 3 4 6 1 0 3 5 9 E),海拔15 0 321 7 1m,属于黄土高原丘陵沟壑区,自北向南可大致划分为北山、城区和南山,总面积约为2 0 8k m2。研究区域位于季风与非季风交界地带,温带半干旱气候,年平均气温约为1 1.5,夏季78月降水量多,最大小时雨强为5 2.2mm,冬季月均降水量小于3mm,年均蒸发量14 4 1mm。北山主要土质为灰钙土1,p H值在89之间。降水量少而集中、蒸发强度大、温度适宜以及日照充足是研究区的主要气候特点。1.2 样品采集与分析1.2.1 代表样地选取 试验根据兰州市城关区北山削山造地后形成的新造地、北山原有的耕地、林地、草地等4个类别,选择当地面积较大、现状土地利用年限长(年限为2 0a以上)的侧柏油松混交林地,梯田农地、多年自然草地以及新造地(年限5a)(表1)。1.2.2 样品的采集 于2 0 2 1年7月在每种土地利用方式下选定相同坡向的3个平缓样地,每个样地分别随机设定3个样点:用直径5 0.4 6mm,高5 0mm的环刀在每个样点采集表层03 0c m土壤样品,测定土壤总孔隙、容重、含水率的土壤样品有3 8个;同时在每个样点用1 0c m1 5c m自封袋采集土样,去除植物根系和石块,带回实验室自然风干,用于土壤化学性质 的 测 定,有3 8个 样 品。直 径1 0.6c m,高26 水土保持通报 第4 3卷1 5c m的环刀取每个样点的土样,用于测定根系生物量,3 9个样品,共计土壤样品1 1 5个。表1 代表样地基本情况T a b l e1 R e p r e s e n t sb a s i c s i t u a t i o no f s a m p l ep l o t土地利用方式海拔/m植被覆盖度/%群落主要物种 耕地20 6 39 0牡丹(P a e o n i as u f f r u t i c o s a)酥梨(P y r u sb r e t s c h n e i d e r i)林 地20 4 76 5侧柏(P l a t y c l a d u so r i e n t a l i s)油松(P i n u s t a b u l i f o r m i s)白茅(I m p e r a t ac y l i n d r i c a)白莲蒿(A r t e m i s i as a c r o r u m)草 地17 7 87 0长芒草(S t i p ab u n g e a n a)多裂骆驼蓬(P e g a n u m m u l t i s e c t u m)新造地16 1 82 0柽柳(T a m a r i xc h i n e n s i s)白茎盐生草(H a l o g e t o na r a c h n o i d e u s)黄花补血草L i m o n i u ma u r e u m狗尾草(S e t a r i av i r i d i s)1.2.3 具体分析方法 本研究共测定土壤物理化学指标1 2项。容重、总孔隙度采用环刀法测定;含水率采用烘干法测定;采用土壤团聚体干筛湿筛方法获得不同粒级组分数据,计算团聚体破坏率指标。土壤养分状况参考常规方法测得:浓H2S O4消煮凯氏定氮法测定全氮;碱解扩散法测定碱解氮;土壤速效磷含量采用N a HC O3浸提钼锑抗比色法测定;土壤速效钾采用NH4OA c浸 提火 焰 光 度 法 测 定;K2C r2O7浓H2S O4外加热法测定土壤有机质;p H值测定时采用12.5土水比电位法(S a t o r i u sP B-1 0,G e r m a n y);电导率测定时采用15土水比电导法(雷磁D D S J-3 0 8 F,上海)测定。根系生物量采用烘干法测定,先用粗筛筛去与根系脱离的土壤,采用漂洗法清洗根系,在烘箱内烘干至恒重,并称重获取每个样点的根系生物量1 4-1 5。1.3 土壤质量指数法(1)构建最小数据集。多指标评价土壤质量计算过程繁琐冗杂,最小数据集(m i n i m u m d a t as e t,MD S)能够指示对土壤功能和最终评价结果有显著影响的指标1 6-1 7。主成分分析(p r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s,P C A)能将大量指标转化为少量指标,广泛应用于土壤质量评价研究1 8。总体步骤为:各项土壤理化指标主成分分析完毕后,提取特征值1的主成分,主成分中载荷0.5的分为一组。分组后,每组中因子N o r m值在该组最大N o r m值1 0%范围内的因子入选最小数据集。若各项土壤理化指标显著相关(p0.0 5),则选择N o r m值最大的土壤指标归入MD S,若组内各指标不显著相关,则组内指标全部进入MD S。N o r m值为该指标在所有主成分上的综合载荷大小,其值越大则表明该土壤指标反映的土壤质量信息越丰富1 9-2 0。N o r m值计算公式为:Nx y=yx=1(u2x yty)(1)式中:Nx y表示第x个因子在特征值大于1的前y个主成分的N o r m值;Ux y表示第x个因子在第y个主成分的载荷;ty为第y个主成分的特征值。(2)土壤指标非线性评分。土壤指标测定值通过非线性计算转换为各指标得分值,模型为:Si=A1+(x/x0)B(2)式中:Si为介于01之间的土壤指标得分;A为最大得分,被确定为1;x为土壤指标实测值;x0为相应的指标平均值;B为方程的斜率,“越多越好”类型指标被确定为-2.5,“越少越好”类型指标被确定为2.52 0。(3)计算评价因子的权重。因子权重为主成分分析的公因子方差占总公因子方差的比例2 1。(4)土壤质量指数的计算。将土壤各指标的非线性评分和权重代入公式(3)计算土壤质量指数(s o i lq u a l i t y i n d e x,S Q I)。S Q I=ni=1TiSi(3)式中:Si代表指标得分;n为指标数量;Ti代表指标权重值;S Q I值越高,代表土壤质量更好。1.4 数据处理基于M i c r o s o f tE x c e l 2 0 1 9和S P S S2 6.0对数据进行S p e a r m a n相关性分析、单因素方差分析和主成分分析,O r i g i n2 0 2 2绘制柱状图和箱线图,R4.2.1进行线性回归分析并绘制回归图。2 结果与分析2.1 不同土地利用下的土壤质量表现不同土地利用方式下土壤物理、化学性质详见表2。表2表明,各样地中新造地容重、团聚体破坏率、速效磷、p H值、电导率质量分数最高,土壤含水量、总孔隙度、速效钾质量分数最低。土壤含水量。与新造地(6.2 92.1 8%)相比,林地(1 2.2 86.6 8%)、耕地(8.4 21.0 0%)、草地(6.8 33.3 2%)都增加了土壤含水量,林地土壤有更多储水,显著高于其他样地(p0.0 5);草地的含水率相对于新造地增加最少。团聚体破坏率。新造地中最高(9 2.1 68.2 7%),显著高于其他样地(p0.0 1),草地(3 5.6 59.6 7%)相比林地(4 8.6 52 6.4 8%)、耕地(6 2.6 41 1.8 9%)更大程度地缓解了团聚体被破坏的程度。总孔隙36第4期 任秀子等:兰州市北山削山造地的土壤质量变化评价度。林地(5 6.3 94.6 5g/c m3)最 高,新 造 地 最 低(5 1.4 02.7 8g/c m3),新造地的总孔隙度显著低于原有土地。不同土地利用方式下氮、磷、钾的速效成分等都有显著 差异(p0.0 5)。根系生物量中,林地、耕地的根系生物量显著高于草地根系生物量(3 8 3.5 93 2 5.0 1k g/m3)、新 造 地 根 系 生 物 量(5 5 9.5 67 0 5.9 0k g/m3)。以上结果表明,兰州市北山的林地、耕地相对于草地和新造地在土壤物理、化学、生物指标方面有明显差异。表2 不同样地土壤基本性质T a b l e2 B a s i cp r o p e r t i e so fd i f f e r e n t s o i l s土壤指标 耕 地 林 地 草 地 新造地 Fp土壤容重/(gc m-3)1.1 90.0 4b1.0 50.2 2c1.1 60.0 6b c1.4 90.0 7a2 0.7 1 70.0 0 0*土壤含水量/%8.4 21.0 0a1 2.2 86.6 8a6.8 33.3 2b6.2 92.1 8b4.2 7 70.0 1 2*团聚体破坏率/%6 2.6 41 1.8 9b4 8.6 52 6.4 8b c3 5.6 59.6 7c9 2.1 68.2 7a2 1.0 5 70.0 0 0*总孔隙度/(gc m-3)5 4.4 11.8 3a b5 6.3 94.6 5a5 4.0 93.2 7a b5 1.4 02.7 8b3.5 0 70.0 2 6*速效磷/(m gk g-1)3.9 90.2 7b c4.4 61.3 6b3.5 10.6 1c5.7 40.4 5a1 3.0 7 80.0 0 0*速效钾/(m gk g-1)2 2 8.6 74 8.6 6a1 6 7.4 42 1.2 1b1 7 7.1 12 1.2 4b1 6 3.7 83 0.3 6b7.8 0 30.0 0 0*p H值8.7 00.2 3b8.6 20.1 0b8.9 30.1 4a9.0 00.2 8a7.2 3 40.0 0 1*电导率/(Sc m-1)1 6 0.7 15 0.8 1b1 6 4.1 16 3.4 6b1 5 4.0 16 7.1 4b5 4 3.5 69 8.9 4a6 3.4 9 30.0 0 0*全氮/(gk g-1)0.3 90.1 8a0.3 60.1 2a0.3 70.1 6a0.3 70.1 3a0.0 5 90.9 8 1碱解氮/(m gk g-1)4 0.8 35.1 9b6 6.2 22 8.8 3a2 9.6 33.7 7b2 9.7 06.1 2b1 1.7 5 70.0 0 0*有机质/(gk g-1)8.1 82.6 3a7.1 53.0 3a4.3 01.1 1b4.7 31.6 7b6.2 7 90.0 0 2*根系生物量/(k gm-3)30 0 3.6 517 9 5.6 7a27 1 9.7 815 9 8.1 0a3 8 3.5 93 2 5.0 1b5 5 9.5 67 0 5.9 0b1 0.8 4 60.0 0 0*注:表中数据为平均值标准误,同行不同字母表示在0.0 5水平上差异显著,采用单因素方差L S D法分析同一指标在不同样地之间差异性(*p0.0 5,*p0.0 1),不同字母表示差异显著。2.2 基于主成分的最小数据集对土壤质量的评价2.2.1 最小数据集的确定 基于最小数据集对土壤质量的多维参数进行主成分分析,发现其前4个主成分(表3),累积贡献率达7 7.8 5 2%,前4个主成分特征值大于1。因此将1 2个土壤指标通过主成分分析分为4组。土壤质量指标的公因子方差表明,4组主成分能够解释容重、速效磷9 0%以上的差异,碱解氮8 0%以上的差异,含水率、团聚体破坏率、p H值、电导率、全氮7 0%以上的差异,总孔隙度、有机质、根系生物量6 0%以上的差异;速效钾5 0%以上的差异。表3 各土壤指标载荷矩阵及N o r m值T a b l e3 L o a dm a t r i xa n dN o r mv a l u e so fv a r i o u s s o i l i n d i c a t o r s土壤指标 主成分1234分组N o r m值B D-0.9 3 00.0 5 70.2 0 7-0.0 4 912.0 6 6S P0.7 1 40.5 4 7-0.1 6 40.2 2 111.7 7 7P A D-0.7 0 50.4 0 60.1 4 4-0.2 1 111.6 7 8T P0.6 0 6-0.0 5 3-0.2 8 40.2 2 611.4 0 0A P-0.2 0 10.9 1 60.0 8 20.1 7 421.3 7 6AK0.4 1 2-0.2 0 30.5 3 60.2 7 131.1 8 1p H-0.4 9 00.1 0 0-0.2 4 30.7 9 041.3 9 6E C-0.7 4 80.4 9 60.2 3 0-0.0 5 911.8 1 1T N0.1 8 7-0.2 80.7 2 50.2 5 931.0 7 1AHN0.8 1 00.4 5 8-0.0 1 0-0.0 2 011.8 9 7S OM0.6 8 90.0 8 00.5 6 70.0 8 711.6 6 9R B0.6 8 00.3 7 2-0.0 5 1-0.4 2 011.6 4 7特征值4.8 5 61.9 7 11.4 2 71.0 8 8解释方差百分比/%4 0.4 6 71 6.4 2 71 1.8 9 59.0 6 3累计解释百分比/%4 0.4 6 75 6.8 9 36 8.7 8 87 7.8 5 2 注:B D代表容重;S P代表含水率;P A D代表团聚体破坏率;T P代表总孔隙度;A P代表速效磷;AK代表速效钾;E C代表电导率;T N代表全氮;AHN代表碱解氮;S OM代表有机质;R B代表根系生物量。下同。N o r m值有下画线的指标入选最小数据集。46 水土保持通报 第4 3卷 根据最小数据集的构建原则,参评的土壤参数先根据主成分分析结果中的载荷分组,选取载荷大于0.5,因子间相关系数低位代表最小数据集。将所有的土壤质量指标分为以下4组,第1组包括容重、含水率、团聚体破坏率、总孔隙度、电导率、碱解氮、有机质、根系生物量;第2组包括速效磷;第3组包括速效钾、全氮;第4组包括p H值。按照每组中各项参数的N o r m值在最高值1 0%范围内 的 选 取 原 则,同 时 比 较 同 组 内 两 两 指 标 间S p e a r m a n相关系数(表4)。第1组土壤参数N o r m值最高的是土壤容重,为2.0 6 6,在1 0%范围内的指标只有碱解氮,但碱解氮和土壤容重显著相关(p 0.0 5),因此只有容重入选最小数据集;第2组中,速效磷作为唯一的参 数 入 选 最 小 数 据 集;第3组 中 速 效 钾 的N o r m值为1.1 8 1,高于全氮,N o r m值为1.0 7 1,全氮在速效钾的1 0%范围内,但两者不显著相关,因此速效钾和全氮都被入选为最小数据集;4组中,p H值作为唯一指标入选最小数据集。本研究中土壤质量评价指标最小数据集为容重、速效磷、速效钾、全氮、p H值(表5)。表4 各土壤指标间相关系数矩阵T a b l e4 C o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tm a t r i xb e t w e e nv a r i o u s s o i l i n d i c a t o r s项目B DS PP A DT PA PAKp HE CTNAHNS OMR BB D1S P-0.4 9 4*1P A D 0.8 1 9*-0.2 7 9 1T P-0.4 3 4*0.1 1 2-0.3 0 6 1A P 0.4 4 8*0.1 8 2 0.4 5 5*-0.4 4 0*1AK-0.2 8 4 0.1 6 9-0.3 0 8 0.1 8 3-0.0 3 4 1p H0.3 0 6-0.0 5 0 0.2 0 80.0 0 90.1 8 00.0 1 81E C 0.6 9 9*-0.5 5 0*0.6 4 5*-0.5 0 8*0.3 8 5*-0.3 1 9 0.0 1 01TN-0.1 2 9 0.1 6 1-0.0 7 6-0.1 3 2-0.0 0 6 0.0 7 1-0.1 9 9 0.0 2 11AHN-0.4 0 8*0.5 1 0*-0.1 9 8 0.2 7 5-0.0 4 5 0.2 1 8-0.5 5 2*-0.3 7 0*0.6 5 3*1S OM-0.4 4 9*0.4 1 2*-0.3 1 0 0.2 7 40.0 1 6 0.5 5 9*-0.4 7 7*-0.2 6 8 0.2 6 6 0.6 5 1*1R B-0.3 7 3*0.5 1 6*-0.1 3 6 0.3 0 90.0 2 20.2 1 8-0.5 4 1*-0.2 4 3-0.0 9 3 0.6 6 2*0.5 1 2*1 注:采用单因素方差L S D法分析指标间相关性,*表示p0.0 5水平显著相关,*表示p林地(0.4 9 860.0 4 56)新造地(0.4 6 740.0 1 84)草地(0.4 7 570.0 2 76)。耕地、林地土壤质量指数高于新造地和草地(p全氮p H值速效钾速效磷。2.2.3 基于最小数据集的土壤质量评价方法的适用性验证 多指标实测值进行分析费时费力,最小数据集虽能简化土壤评价指标,但需要验证其代表性。MD S-S Q I变化幅度介于0.3 6 40.5 9 7,变异系数为1 4.6%;T D S-S Q I变化幅度为0.3 8 90.7 1 0,变异系数为1 8.2%,两者都属于低度敏感水平,显示兰州市削山造地区土壤质量空间分布较均匀。通过最小数据集和全数据集的土壤综合质量指数非线性比较可知两者之间相关性较高(图3)。非线性评价方法回归56第4期 任秀子等:兰州市北山削山造地的土壤质量变化评价方程为:y=1.1 0 6x-0.0 1 3(n=3 6,R2=0.6 6,p0.0 1),其中,y代表总数据集,x代表最小数据集。说明基于最小数据集的土壤质量评价指标可以代替全数据集对兰州市削山造地区不同土地利用方式下的土壤质量进行评价。注:不同小写字母表示差异显著(p0.0 5)。图1 不同土地利用类型的土壤质量指数F i g.1 S o i l q u a l i t y i n d e xo fd i f f e r e n t l a n du s e t y p e s图2 最小数据集(MD S)土壤理化指标对土壤质量指数的影响F i g.2 I m p a c t o fm i n i m u md a t a s e t(MD S)s o i l p h y s i c a l a n dc h e m i c a l i n d i c a t o r so ns o i l q u a l i t y i n d e x图3 土壤质量指数的最小数据集和总数据集之间的关系F i g.3 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i n i m u md a t a s e t a n dt o t a l d a t a s e t o f s o i l q u a l i t y i n d e x3 讨 论3.1 土壤质量评价方法本研究基于主成分分析评价兰州市城关区削山造地土壤质量,确定由容重、速效磷、速效钾、碱解氮、p H构成的最小数据集。不同的土地特性和利用类型决定了最小数据集指标的多样性2 2。李霞等2 3对大渡河中游干暖河谷草地土壤质量进行评价时,基于主成分和N o r m值,确定的MD S包括土壤非毛管孔隙度、容重、有机质和碳氮比;梅楠等2 4采用主成分和N o r m值的方法,选用容重、p H值、有机质、速效磷作为土壤质量评价指标;李桂林等2 5基于苏州城市边缘带土地利用变化建立土壤质量评价最小数据集,选取有机质、p H值、容重、速效磷、速效钾等指标。本研究中不同土地利用类型MD S与其他研究不同之处在于入选指标主要为速效养分。从相关性(表4)也可以看出土壤有机质与全氮相关性较低,但与碱解氮、速效钾显著相关(p0.0 1),说明速效养分能更好地解释土壤养分的变化。这可能与全量养分在土壤中较稳定,受随机因素影响较小,速效养分在土地利用方式变化时的响应更加突出有关2 6-2 8。N o r m值与主成分分析相结合更好地避免了单一参照某指标在一个P C(特征值1)上的荷载从而进入MD S的不全面性1 4。且MD S-S Q I和T D S-S Q I结果进行线性回归分析的结果证明了MD S的可靠性和合理性。本研究对各指标得分采用非线性变换,前人2 9研究表明与线性变换方法相比,非线性变换更能准确地反映土壤过程及功能。3.2 土壤质量评价结果本研究中土壤质量指数结果显示削山造地形成的新造地土壤质量,在短时间内与其他土地利用类型相比较差。与新造地相比,林地和耕地的土壤容重低,土壤孔隙性好,土壤含水量更高,团聚体破坏率更低。而草地的土壤含水量与新造地相对接近,而且草地根系生物量低、有机质积累不高,这与草地位于北山山顶有关2 9。林地和耕地改善了土壤透气性和保水性,这可能是因为林地通过根系分解作用,增加凋落物和根的分泌物,提供了大量有机质和氮素,改善土壤养分空间分布。全氮、速效钾含量均在林地、耕地中表现较高,且耕地全氮含量最高,林地速效磷含量最大,与此相比,草地则显示出较弱的养分积累能力,与赵同谦等3 0和王岩等3 1研究结果一致。土壤有机质与土壤的含水量、速效钾均表现为显著正相关,该结果与前人研究结果一致3 2。兰州市北山土地原有结构侵蚀严重,养分贫瘠,人工林地和耕地对土66 水土保持通报 第4 3卷壤改良效果最好,草地对土壤改良的效果最小,与郭鑫等3 3和刘畅等3 4研究结果相似。这也源于耕地是在多年人工施肥影响下,土壤已累积较高的肥力,养分含量高于草地,新造地由于打断植被作用的养分积累,肥力表现出一定的弱化程度,且削山造地对脆弱的生态系统实施大规模人工干扰,暂时中断了生物成壤作用1,新造地的土壤质量在5a后的长期恢复效果仍需评估,未来的研究中可以关注生物指标的变化,从更长时间上综合评价削山造地对土壤质量的影响。4 结 论(1)兰州市北山耕地和林地两种土地利用方式有较好的土壤质量。耕地土壤有机质、全氮、速效钾、根系生物量最高;林地土壤碱解氮、含水率、总孔隙度含量最高。综合评价结果显示兰州市北山原有耕地和林地土壤质量优于草地和新造地土壤质量,新造地的土壤持水与积累养分的能力低于原有耕地和林地。(2)兰州市北山不同土地利用类型土壤质量评价最小数据集由容重、速效磷、速效钾、全氮、p H值组成,和全数据集之间相关性系数为0.6 6,最小数据集能够较好地替代全数据集进行土壤质量评价。(3)削山造地时,如将林地、耕地改造成新造地,其对土壤质量的影响远大于草地,因此削山造地最好选择荒草地面积比例较大的区域进行,以减轻对区域土壤质量整体的损失,同时应注意对原有林地和耕地的保护。该区域削山造地形成的新造地土壤质量短期内较差,应该是未来植被人工恢复和重建的重点区域。在新造地植被恢复过程中,应综合考虑土壤特性、气候条件和管理措施等因素,增强新造地水土保持能力。参考文献1 张明泉,纪淑娜,孙年祥.兰州削山填沟整地工程主要环境影响及防治对策J.干旱区资源与环境,2 0 0 9,2 3(3):7 7-8 2.2 马蕾.削山造城之生态影响的论战及思考:以兰州新城为例J.现代城市研究,2 0 1 6,3 1(6):8 5-9 0.3 D o r a nJW,Z e i s sM R.S o i lh e a l t ha n ds u s t a i n a b i l i t y:M a n a g i n gt h e b i o t i cc o m p o n e n to fs o i lq u a l i t yJ.A p p l i e dS o i lE c o l o g y,2 0 0 0,1 5(1):3-1 1.4 D o r a nJW,S t a m a t i a d i sSI,H a b e r e r nJ.S o i lh e a l t ha sa n i n d i c a t o r o f s u s t a i n a b l em a n a g e m e n tJ.A g r i c u l t u r e,E c o s y s t e m sa n dE n v i r o n m e n t,2 0 0 2,8 8(2):1 0 7-1 1 0.5 L a r s o nW E,P i e r c eFJ.T h ed y n a m i c so f s o i l q u a l i t ya sam e a s u r eo fs u s t a i n a b l em a n a g e m e n tJ.S o i lS c i e n c e,1 9 9 4,5 5 1(1):3 7-5 16 D a l s g a a r dK.D e f i n i n gs o i l q u a l i t yf o ras u s t a i n a b l ee n v i-r o n m e n tJ.G e o d e r m a,1 9 9 5,6 6(1):4 4-4 6.7 A n d r e w sSS,K a r l e nDL,M i t c h e l l JP.Ac o m p a r i s o no f s o i l q u a l i t y i n d e x i n gm e t h o d s f o rv e g e t a b l ep r o d u c t i o ns y s t e m s i nN o r t h e r nC a l i f o r n i aJ.A g r i c u l t u r e,E c o s y s-t e m sa n dE n v i r o n m e n t,2 0 0 2,9 0(1):2 5-4 5.8 李鑫,张文菊,邬磊,等.土壤质量评价指标体系的构建及评价方法J.中国农业科学,2 0 2 1,5 4(1 4):3 0 4 3-3 0 5 6.9 R e z a e i SA,G i l k e sRJ,A n d r e w sSS.A m i n i m u md a t as e t f o r a s s e s s i n gs o i lq u a l i t yi nr a n g e l a n d sJ.G e o d e r m a,2 0 0 6,1 3 6(1):2 2 9-2 3 4.1 0 R a h m a n i p o u rF,M a r z a i o l iR,B a h r a m iH A,e t a l.A s-s e s s m e n to fs o i lq u a l i t yi n d i c e si na g r i c u l t u r a l l a n d so fQ a z v i nP r o v i n c e,I r a nJ.E c o l o g i c a l I n d i c a t o r s,2 0 1 4,4 0:1 9-2 6.1 1L i P e i y u e,Q i a n H u i,Wu J i a n h u a.E n v i r o n m e n t:A c c e l e r a