Soil Quality Evaluation of Black Soil under Different Returning Treatments of Organic Materials Based on Minimum Data Set
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摘要:目的 研究不同种类有机物料还田对黑土质量的影响，并对土壤质量进行量化评价，为黑土资源的可持续利用提供理论依据。方法 基于黑土区中部多年定位试验，选取无肥（CK）、单施化肥（NPK）、化肥配施玉米秸秆（NPK + JG）、化肥配施堆肥（NPK + DF）、化肥配施牛粪（NPK + NF）、化肥配施鸡粪（NPK + JF）和化肥配施猪粪（NPK + ZF）7个处理，研究不同种类有机物料还田后耕层（0~ 20 cm）土壤基本理化指标的变化，建立了土壤质量评价全量数据集，通过主成分分析法和皮尔森分析法筛选出最小数据集，计算各处理土壤质量指数（SQI）。结果 不同种类有机物料对土壤基本理化指标的影响各异，NPK + DF处理土壤有机质与活性有机质含量显著高于其他处理，土壤全氮和全磷含量的最高值分别出现在NPK + DF和NPK + JF处理。土壤质量评价最小数据集是由全磷、容重和阳离子交换量三项指标组成。基于最小数据集计算出的土壤质量指数高低表现为： NPK + JF（0.780）> NPK + ZF（0.765）>NPK + DF（0.741）> NPK + NF（0.735）> NPK + JG（0.699）> NPK（0.503）> CK（0.292），表明增施有机物料处理中，NPK + JF和NPK+ZF处理土壤质量水平较高，NPK+DF和NPK+NF处理居中，NPK+JG处理相对较低。结论 化肥配施有机物料是提升东北地区黑土土壤质量的有效途径，增施鸡粪、猪粪对土壤质量的改善效果优于堆肥、牛粪和秸秆。Abstract:Objective The effects of different kinds of organic materials returning to field on black soil quality were studied, and the soil quality was quantitatively evaluated, which provided theoretical basis for sustainable utilization of black soil resources.Method This research was based on the black soil field experiment in the middle of Jilin Province. Seven treatments were selected as follow: no fertilizer (CK), single fertilizer (NPK), fertilizer combined with corn straw (NPK + JG), fertilizer combined with compost (NPK + DF), fertilizer combined with cow manure (NPK + NF), fertilizer combined with chicken manure (NPK + JF) and fertilizer combined with pig manure (NPK + ZF). The thirteen basic physical and chemical indices of topsoil layer (0-20 cm) under different kinds of organic materials returned to the field were measured. The changes of soil parameters after organic material treatments were described, and the full data set for soil quality evaluation was established. The minimum data set was selected by principal component analysis and Pearson analysis, so that the soil quality index (SQI) of each treatment was calculated.Result The different kinds of organic materials had different effects on soil basic physical and chemical indices. The contents of soil organic matter and active organic matter in NPK + DF treatment were significantly higher than those in other treatments, while the highest values of total nitrogen and total phosphorus appeared in NPK + DF and NPK + JF treatments, respectively. The minimum data set of soil quality evaluation was composed of three indices: total phosphorus, bulk density and cation exchange capacity. The soil quality index calculated based on the minimum data set is as follows: NPK + JF (0.780) > NPK + ZF (0.765) > NPK + DF (0.741) > NPK + NF (0.735) > NPK + JG (0.699) > NPK (0.503) > CK (0.292). Greater soil quality level was found in chicken manure or pig manure combined with chemical fertilizer treatments, followed by compost or cow manure combined with chemical fertilizer treatments, the lowest soil quality level was observed in straw combined with chemical fertilizer treatment among organic materials treatments.Conclusion Combined application of chemical fertilizer and organic materials was an effective way to improve soil quality,where chicken manure or pig manure were more effective than compost, cow manure and straw in black soil of Northeast China.
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Keywords:
- Black soil /
- Straw /
- Livestock and poultry manure /
- Soil quality /
- Soil quality index /
- Minimum data set
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图 1 不同数据集土壤质量指数的线性回归分析
Figure 1. Linear regression analysis of soil quality index in different data sets
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图 2 不同种类有机物料还田处理下基于MDS的土壤质量指数
Figure 2. Soil quality index based on MDS under different kinds of organic materials returning to the field
表 1 供试有机物料养分性状
Table 1 Basic properties of organic material
有机物料
Organic materialpH值
pH value有机碳
Organic carbon
（g kg–1）全氮
Total nitrogen
（g kg–1）全磷
Total phosphorus
（g kg–1）全钾
Total potassium
（g kg–1）C/N 玉米秸秆 6.7 443 7.0 0.4 5.5 63.3 堆肥 8.4 255 13.0 3.1 13.6 19.6 牛粪 8.9 302 20.3 5.3 9.7 15.12 鸡粪 7.9 149 12.6 15.6 8.5 11.88 猪粪 8.0 255 17.3 17.5 13.6 14.75 
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表 2 各土壤质量评价指标隶属度函数与隶属度计算公式
Table 2 The affiliation function of each soil quality evaluation index and the affiliation calculation formula
隶属函数类型
Membership
function type计算公式
Calculation
formula参数表达
Parametric
expression评价指标
Evaluation
index隶属函数意义
Subordinate function
meaningS型隶属函数 :隶属函数，x：指标实际值
a：指标最小值，b：指标最大值CEC、SOM、LOM、
TN、TP、AN、
AP、AK一定范围内评价指标与
土壤功能呈正相关。反S型隶属函数 :隶属函数，x：指标实际值
a：指标最小值，b：指标最大值一定范围内评价指标与
土壤功能呈负相关。抛物线型
隶属函数:隶属函数，x：指标实际值
a：指标最小值，b：指标最大值
b1：适宜值下界点，b2：适宜值上界点BD、pH、EC 评价指标值对土壤功能有最
佳适宜范围，偏离程度越大，
对土壤功能的影响越小。
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表 3 不同种类有机物料还田对土壤理化性质的影响
Table 3 Effects of different kinds of organic materials on soil physical and chemical properties
处理
Treatment容重
Bulk
density
（g cm–3）pH 电导率
Electric
conductivity
（μs cm–1）阳离子交换量
Cation exchange
capacity
（cmol kg–1）土壤有机质
Soil organic
matter
（g kg–1）活性有机质
Labile organic
matter
（g kg–1）CK 1.42 ± 0.02 a 6.19 ± 0.04 a 34.88 ± 1.40 f 25.74 ± 0.35 bc 27.95 ± 0.44 d 3.77 ± 0.28 c NPK 1.38 ± 0.04 ab 5.51 ± 0.15 d 75.53 ± 0.42 cd 25.09 ± 0.06 c 29.71 ± 0.49 c 4.20 ± 0.29 bc NPK + JG 1.36 ± 0.01 ab 5.76 ± 0.12 c 58.12 ± 2.68 e 26.96 ± 0.36 ab 29.99 ± 0.96 c 4.28 ± 0.25 bc NPK + DF 1.28 ± 0.08 b 6.07 ± 0.12 ab 65.82 ± 0.97 de 26.35 ± 0.56 bc 36.94 ± 0.93 a 5.74 ± 0.00 a NPK + NF 1.26 ± 0.04 b 5.84 ± 0.15 bc 95.35 ± 1.38 b 28.11 ± 0.82 a 33.14 ± 0.53 b 5.14 ± 0.19 ab NPK + JF 1.33 ± 0.08 ab 5.88 ± 0.07 bc 167.45 ± 1.17 a 26.14 ± 0.47 bc 32.32 ± 0.84 b 5.40 ± 0.52 a NPK + ZF 1.32 ± 0.04 ab 6.00 ± 0.03 abc 89.05 ± 3.31 bc 26.79 ± 0.9 b 29.91 ± 0.64 c 5.76 ± 0.91 a 处理
Treatment全氮
Total
nitrogen
（g kg–1）全磷
Total
phosphorus
（g kg–1）速效氮
Available
nitrogen
（mg kg–1）速效磷
Available
phosphorus
（mg kg–1）速效钾
Available
potassium
（mg kg–1）CK 1.05 ± 0.02 d 0.49 ± 0.01 d 123.25 ± 3.10 b 8.09 ± 0.26 d 167.16 ± 5.10 d NPK 1.17 ± 0.03 cd 0.67 ± 0.07 c 141.33 ± 8.83 ab 47.00 ± 7.31 c 181.12 ± 4.04 cd NPK + JG 1.14 ± 0.01 cd 0.67 ± 0.04 c 140.89 ± 4.50 ab 48.14 ± 4.97 c 188.24 ± 6.79 c NPK + DF 1.46 ± 0.13 a 0.71 ± 0.02 c 156.25 ± 4.61 a 55.24 ± 1.26 bc 236.88 ± 8.71 b NPK + NF 1.33 ± 0.06 abc 0.72 ± 0.04 c 152.18 ± 6.72 ab 77.35 ± 6.73 b 221.78 ± 6.09 b NPK + JF 1.39 ± 0.06 ab 1.06 ± 0.05 a 162.26 ± 6.53 a 114.52 ± 9.39 a 270.50 ± 5.73 a NPK + ZF 1.23 ± 0.15 bcd 0.97 ± 0.05 b 148.40 ± 2.10 ab 113.71 ± 4.22 a 194.81 ± 6.23 c 注：同列数据后不同小写字母代表不同处理间差异达5 %显著水平。
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表 4 土壤理化指标的主成分分析结果及Norm值
Table 4 Principal component analysis results and Norm values of soil physical and chemical indices
土壤指标
Soil indicator主成分
Principal component分组
Grouping公因子方差
Common factor varianceNorm值
Norm value
1 2 电导率 0.876 −0.402 1 0.929 2.272 有机质 0.816 0.258 1 0.732 2.087 活性有机质 0.857 0.181 1 0.767 2.177 全氮 0.843 0.154 1 0.734 2.139 全磷 0.922 −0.245 1 0.910 2.350 速效氮 0.790 −0.084 1 0.631 1.998 速效磷 0.912 −0.157 1 0.857 2.312 速效钾 0.896 −0.236 1 0.859 2.283 容重 −0.473 −0.515 2 0.489 1.364 pH −0.074 0.605 2 0.372 0.795 阳离子交换量 0.404 0.755 2 0.733 1.404 特征值 6.381 1.633 方差贡献率 （%） 58.005 14.848 累积方差贡献率 （%） 58.005 72.852
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表 5 土壤理化指标的皮尔森相关分析
Table 5 Pearson correlation analysis of soil physical and chemical indices
土壤指标
Soil indicator容重
Bulk
densitypH 电导率
Electric
conductivity阳离子交换量
Cation exchange
capacity土壤有机质
Soil organic
matter活性有机质
Labile organic
matter全氮
Total
nitrogen全磷
Total
phosphorus速效氮
Available
nitrogen速效磷
Available
phosphorus速效钾
Available
potassium容重 1 pH −0.103 1 电导率 −0.193 −0.195 1 阳离子交换量 −0.453 0.227 0.062 1 有机质 −0.449 −0.030 0.539* 0.469 1 活性有机质 −0.361 0.063 0.665** 0.532 0.678** 1 全氮 −0.344 −0.008 0.646* 0.406 0.920** 0.689** 1 全磷 −0.309 −0.155 0.934** 0.235 0.569* 0.818** 0.621* 1 速效氮 −0.458 −0.104 0.693** 0.196 0.568* 0.572* 0.610* 0.687** 1 速效磷 −0.420 −0.147 0.875** 0.290 0.578* 0.824** 0.590* 0.981** 0.667** 1 速效钾 −0.231 −0.035 0.916** 0.117 0.735** 0.623* 0.791** 0.850** 0.704** 0.790** 1 注：*为相关关系显著（P < 0.05）；**为相关关系极显著（P < 0.01）。
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表 6 指标公因子方差及权重
Table 6 Common factor variance and weight of indices
土壤指标
Soil
indicator公因子方差
Common factor variance权重
Weight全量数据集
Total
date set最小数据集
Minimum
date set全量数据集
Total
date set最小数据集
Minimum
date setTDS MDS TDS MDS 容重 0.489 0.608 0.061 0.412 pH 0.372 0.046 电导率 0.929 0.116 阳离子交换量 0.733 0.538 0.091 0.365 有机质 0.732 0.091 活性有机质 0.767 0.096 全氮 0.734 0.092 全磷 0.910 0.328 0.114 0.223 速效氮 0.631 0.079 速效磷 0.857 0.107 速效钾 0.859 0.107
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