“非糧化”土壤優(yōu)質(zhì)耕層快速重構(gòu)材料的創(chuàng)制及其評(píng)價(jià)方法_郝點(diǎn).pdf

土壤學(xué)報(bào) Acta Pedologica Sinica ISSN 0564 3929 CN 32 1119 P 土壤學(xué)報(bào) 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)論文 題目 非糧化 土壤優(yōu)質(zhì)耕層快速重構(gòu)材料的創(chuàng)制及其評(píng)價(jià)方法 作者 郝點(diǎn) 周潤(rùn)惠 高聞?wù)?羅繼鵬 王遠(yuǎn)帆 李廷強(qiáng) 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)日期 2023 10 09 引用格式 郝點(diǎn) 周潤(rùn)惠 高聞?wù)?羅繼鵬 王遠(yuǎn)帆 李廷強(qiáng) 非糧化 土壤優(yōu)質(zhì)耕層 快速重構(gòu)材料的創(chuàng)制及其評(píng)價(jià)方法 J OL 土壤學(xué)報(bào) 網(wǎng)絡(luò)首發(fā) 在編輯部工作流程中 稿件從錄用到出版要經(jīng)歷錄用定稿 排版定稿 整期匯編定稿等階 段 錄用定稿指內(nèi)容已經(jīng)確定 且通過(guò)同行評(píng)議 主編終審?fù)饪玫母寮?排版定稿指錄用定稿按照期 刊特定版式 包括網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)版式 排版后的稿件 可暫不確定出版年 卷 期和頁(yè)碼 整期匯編定稿指出 版年 卷 期 頁(yè)碼均已確定的印刷或數(shù)字出版的整期匯編稿件 錄用定稿網(wǎng)絡(luò)首發(fā)稿件內(nèi)容必須符合 出 版管理?xiàng)l例 和 期刊出版管理規(guī)定 的有關(guān)規(guī)定 學(xué)術(shù)研究成果具有創(chuàng)新性 科學(xué)性和先進(jìn)性 符合編 輯部對(duì)刊文的錄用要求 不存在學(xué)術(shù)不端行為及其他侵權(quán)行為 稿件內(nèi)容應(yīng)基本符合國(guó)家有關(guān)書(shū)刊編輯 出版的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 正確使用和統(tǒng)一規(guī)范語(yǔ)言文字 符號(hào) 數(shù)字 外文字母 法定計(jì)量單位及地圖標(biāo)注等 為確保錄用定稿網(wǎng)絡(luò)首發(fā)的嚴(yán)肅性 錄用定稿一經(jīng)發(fā)布 不得修改論文題目 作者 機(jī)構(gòu)名稱和學(xué)術(shù)內(nèi)容 只可基于編輯規(guī)范進(jìn)行少量文字的修改 出版確認(rèn) 紙質(zhì)期刊編輯部通過(guò)與 中國(guó)學(xué)術(shù)期刊 光盤(pán)版 電子雜志社有限公司簽約 在 中國(guó) 學(xué)術(shù)期刊 網(wǎng)絡(luò)版 出版?zhèn)鞑テ脚_(tái)上創(chuàng)辦與紙質(zhì)期刊內(nèi)容一致的網(wǎng)絡(luò)版 以單篇或整期出版形式 在印刷 出版之前刊發(fā)論文的錄用定稿 排版定稿 整期匯編定稿 因?yàn)?中國(guó)學(xué)術(shù)期刊 網(wǎng)絡(luò)版 是國(guó)家新聞出 版廣電總局批準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)連續(xù)型出版物 ISSN 2096 4188 CN 11 6037 Z 所以簽約期刊的網(wǎng)絡(luò)版上網(wǎng)絡(luò)首 發(fā)論文視為正式出版 土 壤 學(xué) 報(bào) Acta Pedologica Sinica DOI 10 11766 trxb202307140272 郝點(diǎn) 周潤(rùn)惠 高聞?wù)?羅繼鵬 王遠(yuǎn)帆 李廷強(qiáng) 非糧化 土壤優(yōu)質(zhì)耕層快速重構(gòu)材料的創(chuàng)制及其評(píng)價(jià)方法 J 土壤學(xué)報(bào) 2024 Hao Dian Zhou Runhui Gao Wenzhe Luo Jipeng Wang Yuanfan Li Tingqiang Creation and Evaluation Method of Plough Layer Reconstruction Materials for Non Grain Production of Cultivated Land J Acta Pedologica Sinica 2024 非糧化 土壤優(yōu)質(zhì)耕層快速重構(gòu)材料的創(chuàng)制 及其評(píng)價(jià)方法 郝 點(diǎn) 周潤(rùn)惠 高聞?wù)?羅繼鵬 王遠(yuǎn)帆 李廷強(qiáng) 浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 污染環(huán)境修復(fù)與生態(tài)健康教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310058 摘 要 優(yōu)質(zhì)耕層快速構(gòu)建是耕層剝離型 非糧化 土壤復(fù)耕前提 但目前缺乏相應(yīng)的重構(gòu)材料 應(yīng)用草本泥 炭 苔蘚泥炭 稻殼生物炭 木屑生物炭 蔬菜玉米殼及微生物菌劑 按不同配方創(chuàng)制耕層重構(gòu)材料 并構(gòu) 建相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法體系 研究表明 苔蘚泥炭與稻殼生物炭配置形成的耕層重構(gòu)材料質(zhì)地疏松 蓄水保墑能 力強(qiáng) 有機(jī)質(zhì)含量高 范圍介于 658 85 704 92 g kg 1之間 同時(shí)有機(jī)碳難降解指數(shù)范圍為 75 27 84 71 具備較高的固碳增匯潛力 有機(jī)碳 活性碳組分 I 總腐殖酸 全氮 全鉀 毛管孔隙度 pH 可作為耕層重 構(gòu)材料的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 結(jié)合質(zhì)量指數(shù)模型可以評(píng)價(jià)耕層重構(gòu)材料綜合質(zhì)量 依托該體系篩選出了最佳耕層 重構(gòu)材料配方 即當(dāng)苔蘚泥炭 M 與稻殼生物炭 R 按質(zhì)量比 1 1 2 1 3 1 再按質(zhì)量比 10 1 與蔬菜玉 米殼 C M R 10C1 2M R 10C1 3M R 10C1 混合配置時(shí)可以形成優(yōu)質(zhì)耕層重構(gòu)材料 將優(yōu)質(zhì)耕層重構(gòu)材料 施入 非糧化 土壤可以顯著降低土壤容重 增加土壤有機(jī)質(zhì)及活性養(yǎng)分含量 增強(qiáng)土壤固碳潛力 提高小麥 產(chǎn)量 本研究所建立的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系可以全面客觀評(píng)價(jià)耕層重構(gòu)材料的綜合質(zhì)量 以苔蘚泥炭 稻殼生物炭 為原料創(chuàng)制的耕層重構(gòu)材料在改善土壤質(zhì)量 提高土壤固碳能力以及恢復(fù)作物生產(chǎn)方面均表現(xiàn)出較高的應(yīng)用 價(jià)值 關(guān)鍵詞 非糧化 土壤 耕層構(gòu)建技術(shù) 耕層重構(gòu)材 料 材料質(zhì)量指數(shù) 綜合評(píng)價(jià)體系 中圖分類號(hào) S156 S158 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A Creation and Evaluation Method 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 浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 2022C02022 2022C02018 和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 42177008 資助 Supported by the Key Research and Development Program of Zhejiang Province Nos 2022C02022 2022C02018 National Natural Science Foundation of China No 42177008 通訊作者 Corresponding author E mail litq 作者簡(jiǎn)介 郝 點(diǎn) 1999 女 吉林長(zhǎng)春人 碩士研究生 主要研究方向?yàn)橥寥蕾|(zhì)量提升 E mail 2872620263 收稿日期 2023 07 14 收到修改稿日期 2023 09 06 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時(shí)間 2023 10 09 14 00 11 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址 土 壤 學(xué) 報(bào) 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 Method 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 evaluation indicators for plough layer reconstruction materials which was then combined with the quality index model to create a comprehensive quality evaluation 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 evaluation system for plough layer reconstruction materials Based on the above system the optimal formulation 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 formed 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 evaluation system established by this research can comprehensively and objectively evaluate 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 evaluation system 近年來(lái) 隨著土地流轉(zhuǎn) 農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整 我國(guó)耕地 非糧化 現(xiàn)象突出 1 據(jù)統(tǒng)計(jì) 2021 年我國(guó)耕地 非糧化 率約為 33 2 其中 大量經(jīng)濟(jì)作物如苗木 花卉在售賣(mài)時(shí)常采用帶土移 苗的措施 直接造成土壤耕層變淺 甚至剝離消失 2 這類耕層剝離型 非糧化 土壤會(huì)造成土 壤 結(jié)構(gòu)破壞 養(yǎng)分失衡 肥力衰退 3 嚴(yán)重威脅 國(guó)家糧食安全根基和農(nóng)業(yè)健康發(fā)展 優(yōu)質(zhì)耕層 缺失是耕層剝離型 非糧化 土壤存在的主要問(wèn)題 如何重構(gòu)優(yōu)質(zhì)耕層以滿足作物基礎(chǔ)需要是此 類土壤復(fù)耕的關(guān)鍵 但是 目前缺乏相關(guān)研究 因此 非糧化 土壤優(yōu)質(zhì)耕層的快速構(gòu)建技術(shù)亟 待研發(fā) 也是 實(shí)現(xiàn) 藏糧于地 藏糧于技 的迫切需要 傳統(tǒng)的耕層構(gòu)建技術(shù)主要包括表土剝離和定向培肥 4 前者指剝離適宜耕種的表層土壤覆 蓋于貧瘠土層以實(shí)現(xiàn)耕層重構(gòu) 但價(jià)格昂貴 工程量大 不利于推廣應(yīng)用 后者指人工對(duì)貧 瘠土壤進(jìn)行培育改造 5 如增施有機(jī)肥 種植綠 肥 秸稈還田 增施微生物肥 深耕改土等 但耗時(shí)長(zhǎng) 見(jiàn)效慢 6 近年來(lái)應(yīng)用耕層重構(gòu)材料因其可以實(shí)現(xiàn)原位改良耕層 同時(shí)促進(jìn)土壤快 速熟化以縮短優(yōu)質(zhì)耕層重新構(gòu)建時(shí)間而受到廣泛關(guān)注 以往的耕層重建材料主要針對(duì)礦區(qū) 丘陵等立地條件差 基礎(chǔ)養(yǎng)分貧瘠的新墾土壤 3 常用的材料主要是天然有機(jī)物料及礦物材料 土 壤 學(xué) 報(bào) Acta Pedologica Sinica 這些材料有利于提高土壤有機(jī)質(zhì)含量 但是對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及微生態(tài)環(huán)境改善效果不明顯 并不 適用于耕層擾動(dòng)或缺失的土壤 因此 亟需尋找能協(xié)同改善土壤物理 化學(xué) 生物學(xué)性質(zhì)的 新型耕層重建材料 泥炭由于質(zhì)地疏松 有機(jī)碳含量豐富在土壤培肥領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注 如以木本泥炭 腐 熟秸稈復(fù)配的耕層重構(gòu)材料 對(duì)土壤肥力提升 結(jié)構(gòu)改善成效顯著 7 但木本泥炭資源緊缺 同時(shí)泥炭添加至土壤中容易引發(fā)激發(fā)效應(yīng) 加劇 CO2 排放 也有研究表明泥炭腐殖質(zhì)組分胡 敏素遠(yuǎn)低于水稻土和黑土 這種差異勢(shì)必阻礙耕層的培肥效果 8 亟需尋找合適的替代原料 生物炭作為另一種富碳材料 有利于改善土壤質(zhì)量 在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的同時(shí)還 能增強(qiáng)土壤負(fù)激發(fā)效應(yīng) 被視為增強(qiáng)固碳封存的重要環(huán)境策略 9 因此本研究應(yīng)用生物炭部分 替代泥炭創(chuàng)制一種新型復(fù)合耕層重建 材料 旨在短期內(nèi)耦合兩類材料優(yōu)點(diǎn) 協(xié)同實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)耕 層構(gòu)建 農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用以及固碳減排效益提升的目標(biāo) 綜上 本研究選取資源分布相對(duì)廣泛兼具高有機(jī)碳含量的草本泥炭 苔蘚泥炭 搭配生 物炭材料 創(chuàng)制一種兼具固碳增匯功能的新型耕層重構(gòu)材料 探究將優(yōu)質(zhì)耕層形成的冗長(zhǎng)培 育過(guò)程簡(jiǎn)化為一次性工程作業(yè)的實(shí)際可行性 同時(shí) 選取傳統(tǒng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中常見(jiàn) 理化指標(biāo) 建立針對(duì)耕層重構(gòu)材料的綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)體系 進(jìn)一步完成優(yōu)質(zhì)材料的篩選工作 為 非糧化 土壤耕層快速構(gòu)建提供理論依據(jù) 1 材料與方法 1 1 供試材料與土壤 長(zhǎng)效有機(jī)類材料 草本泥炭 Herbal peat H 購(gòu)自敦化吉祥泥炭開(kāi)發(fā)有限公司 苔蘚泥 炭 Moss peat M 購(gòu)自俄羅斯遠(yuǎn)東泥炭有限公司 稻殼生物炭 Rice husk biochar R 和木屑 生物炭 Sawdust biochar S 購(gòu)自浙江長(zhǎng)三角聚農(nóng)科技開(kāi)發(fā)有限公司 活性有機(jī)類材料 蔬菜 玉米殼 Vegetable corn husk C 購(gòu)自杭州市三墩街道農(nóng)貿(mào)市場(chǎng) 微生物菌劑 枯草芽孢桿菌 有效活菌數(shù)含量 1 000億 g 1 Bacillus B 購(gòu)自強(qiáng)興生物科技工廠 供試材料基 本理化性質(zhì) 見(jiàn)表 1 結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1 試驗(yàn)所需土壤采自浙江省杭州市蕭山良江苗木基地 供試土壤為苗木移除后的殘余土壤 耕作層被破壞 剝離的土壤 土壤質(zhì)地為壤質(zhì)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 化學(xué)性質(zhì) pH 為 4 57 電導(dǎo)率 EC為 1 06 S cm 1 土壤有機(jī)碳 SOC為 6 75 g kg 1 全氮 TN為 0 4 g kg 1 全磷 TP為 0 15g kg 1 堿 解氮 AN為 17 49mg kg 1 有效磷 AP為 9 22 mg kg 1 速效鉀 AK為 87 71mg kg 1 表 1供試材料的基本理化性質(zhì) Table 1 Basic physical and chemical properties of the raw materials 原料類型 Material type 全氮 TN g kg 1 全磷 TP g kg 1 全鉀 TK g kg 1 總腐殖酸 HS pH 電導(dǎo)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 苔蘚泥炭 Moss peat 7 62 0 20 3 00 44 80 6 35 11 98 4 19 41 64 5 91 1 15 稻殼生物炭 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 學(xué) 報(bào) Acta Pedologica Sinica 原料類型 Material type 有機(jī)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 有機(jī)碳活性 指數(shù) LI Recalcitrant C g kg 1 有機(jī)碳難降 解指數(shù) RI 草本泥炭 Herbal peat 325 29 0 80 0 25 49 36 21 10 21 66 254 83 78 34 苔蘚泥炭 Moss peat 375 04 0 64 0 17 53 23 19 93 19 51 301 87 80 49 稻殼生物炭 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 苔蘚泥炭 M 2000 稻殼生物炭 R 400 木屑生物炭 S 400 圖 1 供試材料的掃描電鏡圖 Fig 1 Scanning electron microscope image of the test material 1 2 新型耕層重構(gòu)材料的創(chuàng)制 為探究耕層重構(gòu)材料中生物炭對(duì)泥炭的替代效應(yīng) 將 2種泥炭與 2種生物炭按質(zhì)量比 1 1 2 1 3 1進(jìn)行混合 再按質(zhì)量比 10 1比例與蔬菜玉米殼 C 混合 在此基礎(chǔ)上將所選枯草芽 孢桿菌菌劑溶于 1 000倍水中 噴施到上述有機(jī)類材料中 同時(shí)控制水分保持在 60 左右 攪 拌均勻 配置形成 12 種以天然有機(jī)材料為核心的新型耕層重構(gòu)材料 具體 1 草本泥炭 H 稻殼生物炭 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 苔蘚泥炭 M 稻殼生物炭 R 型 M R 10C1 2M R 10C1 3M R 10C1 4 苔蘚泥炭 M 木屑生物炭 S 型 M S 10C1 2M S 10C1 3M S 10C1 土 壤 學(xué) 報(bào) Acta Pedologica Sinica 1 3 新型耕層重構(gòu)材料的篩選 1 3 1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 評(píng)價(jià)材料質(zhì)量的理化指標(biāo)眾多 應(yīng)用全部 指標(biāo)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)將增加 工作難度 因此 有必要構(gòu)建一個(gè)最小數(shù)據(jù)集 Minimum Data Set MDS 用有限的指標(biāo)快速 準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)材料質(zhì)量 聚類分析和主成分分析法是建立 MDS過(guò)程中應(yīng)用最廣泛的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方 法 前者在無(wú)先驗(yàn)知識(shí)的前提下按數(shù)據(jù)親疏程度自動(dòng)分類 后者在數(shù)據(jù)信息損失較小的前提 下進(jìn)行降維劃分 兩種方法均能夠克服傳統(tǒng)指標(biāo)篩選的主觀性 客觀準(zhǔn)確地篩選土壤屬 性的 變異性 10 具體方法如下 基于 R型歐氏距離的聚類分析 Cluster Analysis CA 對(duì)全部質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo) 進(jìn)行分類 若同組內(nèi)指標(biāo)之間存在顯著相關(guān)性 則根據(jù)土壤質(zhì)量評(píng)估經(jīng)驗(yàn) 選擇更具代表性 的指標(biāo)進(jìn)入 MDS 若相關(guān)性低且冗余時(shí) 使用主成分分析 Principal Component Analysis PCA 對(duì)指標(biāo)進(jìn)行重新分類 選擇特征值 1 的主成分 將每個(gè)主成分中旋轉(zhuǎn)因子載荷絕對(duì)值 0 5 的 指標(biāo)劃分為同組 若某指標(biāo)同時(shí)在多個(gè)主成分上載荷絕對(duì)值 0 5 則將該指標(biāo)劃分至與其他指 標(biāo)相關(guān)性較低的那 一組 選擇每組中 Norm值最高的指標(biāo)直接進(jìn)入 MDS 再保留與最高 Norm 值相差 10 范圍內(nèi)的指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析 若相關(guān)性較高則舍棄 若相關(guān)性較低則選入 MDS Norm值作為某指標(biāo)在主成分組成的多維空間的矢量常模長(zhǎng)度 值越大則表明該信息對(duì)主成分 的綜合荷載越高 解釋綜合信息能力越強(qiáng) Norm值計(jì)算公式如下 11 Nik 1 式中 Nik為第 i個(gè)變量在特征值 1的前 k個(gè)主成分上的綜合荷載 Uik為第 i個(gè)變量在第 k個(gè) 主成分上的荷載 k為第 k個(gè)主成分的特征值 1 3 2 建立材料質(zhì)量評(píng)價(jià)體系 材料質(zhì)量指數(shù) Material Quality Index MQI 能夠通過(guò)指標(biāo)定量 的方法對(duì)耕層材料進(jìn)行綜合評(píng)價(jià) MQI的范圍為 0 1 值越大則表明質(zhì)量越好 計(jì)算公式如 下 12 MQI 1 式中 n為參評(píng)指標(biāo)的數(shù)量 Fi為第 i個(gè)指標(biāo)的隸屬度 Wi為第 i個(gè)因子的權(quán)重 其中 Fi 隸屬度由指標(biāo)所屬的隸屬度函數(shù)確定 13 劃分為兩種函數(shù) 1 遞增型函數(shù) 對(duì)土壤質(zhì)量起到促進(jìn)作用的指標(biāo) 2 遞減型函數(shù) 對(duì)土壤有限制作用的指標(biāo) 在本研究中 選擇容重和灰分 其余指標(biāo)均為遞增型函數(shù) 隸屬度計(jì)算 遞增型 F Xi Xi Xmin Xmax Xmin 遞減型 F Xi 1 Xi Xmin Xmax Xmin 式中 Xi為指標(biāo)實(shí)測(cè)值 Xmin 為指 標(biāo)測(cè)定最小值 Xmax為指標(biāo)測(cè)定最大值 Wi因子權(quán)重為各指標(biāo)公因子方差與總公因子方差之 比 1 3 3 最小數(shù)據(jù)集的可靠性驗(yàn)證 本研究通過(guò)計(jì)算全體數(shù)據(jù)集 Total Data Set TDS 指標(biāo)和最小 數(shù)據(jù)集兩種指標(biāo)體系下不同配方耕層重構(gòu)材 料的質(zhì)量指數(shù) 再通過(guò) MQI TDS與 MQI MDS兩 者相關(guān)分析 以及樣品間聚類分析驗(yàn)證最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)體系對(duì)材料綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)的可靠性 從而建立耕層重構(gòu)材料的質(zhì)量評(píng)價(jià)體系 1 4 耕層土壤重構(gòu)的有效性驗(yàn)證 經(jīng)篩選 選擇 MQI較高的 3種優(yōu)質(zhì)耕層重構(gòu)材料 M R 10C1 2M R 10C1 3M R 10C1 以 4 w w 添加量混入耕層剝離型 非糧化 土壤 同時(shí)以未添加材料的土壤作為 CK開(kāi)展盆栽 驗(yàn)證試驗(yàn) 2 5 kg 盆 1 各處理重復(fù)三次 共計(jì)培養(yǎng) 56 d 培養(yǎng)期間水份控制在 60 培養(yǎng)結(jié) 束后通過(guò)測(cè)定土壤物理結(jié)構(gòu) 有機(jī)質(zhì)及活性養(yǎng)分含量及固碳指標(biāo)來(lái)驗(yàn)證耕層重構(gòu)材料及其評(píng) 價(jià)體系的有效性 土 壤 學(xué) 報(bào) Acta Pedologica Sinica 在此基礎(chǔ)上 本研究以 3M R 10C1材料為例 探究此類材料對(duì)耕層剝離型 非糧化 土壤 復(fù)耕的現(xiàn)實(shí)可行性 為了在構(gòu)建優(yōu)質(zhì)耕層的同時(shí)最大程度提高經(jīng)濟(jì)效益 對(duì)作物種植體系下 對(duì)材料添加量進(jìn)行調(diào)整 以提高 1 5 土壤有機(jī)質(zhì)為目標(biāo) 設(shè)置 2 添加量進(jìn)行復(fù)耕試驗(yàn) 具體 如下 以 2 w w 添加量混入耕層剝離型 非糧化 土壤 同時(shí)以未添加材料的土壤作為 CK 開(kāi)展糧食作物小麥盆栽種植試驗(yàn) 3 kg 盆 1 各處理重復(fù)三 次 每盆 6株小麥 常規(guī)水分管理 培養(yǎng)結(jié)束后測(cè)定土壤養(yǎng)分 固碳指標(biāo)及小麥生長(zhǎng)指標(biāo) 1 5 指標(biāo)測(cè)定 基礎(chǔ)理化指標(biāo)具體操作參考 土壤農(nóng)化分析 14 供試原料 C H N含量采用元素分析 儀測(cè)定 采用 SU8010冷場(chǎng)發(fā)射掃面電子顯微鏡進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察 pH采用浸提電位法 材料 水 1 15 測(cè)定 電導(dǎo)率 EC 采用浸提電導(dǎo)法 材料 水 1 15 測(cè)定 可溶性有機(jī)碳 DOC 采用水浸提 TOC分析法測(cè)定 活性碳組分 LabileI C LabileII C 和難降解碳組分 Recalcitrant C 采用 2 5 mol L 1 H2SO4和 13 mol L 1 H2SO4兩步酸水解法 15 測(cè)定 微生物生物量碳 MBC 采 用氯仿熏蒸 K2SO4浸提法測(cè)定 微生物呼吸速率 MR 采用室內(nèi)培養(yǎng) 氣相色譜法測(cè)定 微生物 代謝熵計(jì)算方法 qCO2 h 1 MR MBC 1 6 數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)在 Microsoft Excel2010中計(jì)算處理后通過(guò) SPSS 23 0進(jìn)行指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化 聚類分析 主成分分析 相關(guān)分析 數(shù)據(jù)差異均采用單因素方差分析 并進(jìn)行 LSD 多重比較 不同字母 代表不同處理間性質(zhì)具有顯著性差異 P 0 05 圖表在 Origin18 0進(jìn)行制作 2 結(jié) 果 2 1 耕層重構(gòu)材料物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì) 不同類型的耕層重構(gòu)材料均具備容重低 孔隙豐富的特點(diǎn) 表 2 本試驗(yàn)所創(chuàng)制的材料容 重 Bulk density BD 介于 0 1 298 0 1 488 g cm 3之間 毛管孔隙度 Capillary porosity CP 介于 47 02 67 82 之間 以苔蘚泥炭配置的 M S 10C1容重顯著低于其他材料 為 0 1 298 g cm 3 M R類及 M S類材料的毛管孔隙度均顯著高于草本泥炭構(gòu)成的 H R類 H S類 即苔蘚泥 炭類材料在結(jié)構(gòu)上具有更優(yōu)質(zhì)的通氣透水特性 有利于土壤耕層結(jié)構(gòu)的塑造 此外 不同材 料的 pH 為 5 26 6 54 電導(dǎo)率為 2 51 3 99 mS cm 1 均處于適宜范圍 符合耕層重構(gòu)材料基 本要求 表 2不同耕層重構(gòu)材料的物理性質(zhì) Table 2 Physical properties of different plough layer reconstruction materials 處理 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 學(xué) 報(bào) 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處理間差異顯著 下同 Note Different letters in the same column indicate significant differences between different treatments The same as below 2 2 耕層重構(gòu)材料化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì) 2 2 1 碳組分含量 耕層重構(gòu)材料有機(jī)碳含量均處于較高水平 M S 10C1最高為 408 9 g kg 1 2H R 10C1最低為 319 3 g kg 1 以苔蘚泥炭配置的材料有機(jī)碳平均含量高于草本泥炭類 以 稻殼生物炭配置材料有機(jī)碳難降解指數(shù)為 80 12 88 78 高于木屑生物炭類 穩(wěn)定性更高 輸入土壤時(shí)有利于提高 SOC固存 16 不同材料均表現(xiàn)出 LabileIC含量高于 LabileIIC含量 圖 2 圖 2不同耕層重構(gòu)材料碳組分含量和有機(jī)碳難降解指數(shù) Fig 2 Carbon component content and recalcitrance index of different plough layer reconstruction materials 2 2 2 養(yǎng)分含量 耕層重構(gòu)材料有機(jī)質(zhì)含量為 550 46 704 93 g kg 1 DOC含量為 1 25 4 49 g kg 1 總腐殖酸含量為 22 17 45 2 全氮含量為 5 05 12 64 g kg 1 全磷含量為 0 23 1 42 g kg 1 全鉀含量為 3 48 8 99 g kg 1 圖 3 草本泥炭類有機(jī)質(zhì) DOC含量顯著低于苔蘚泥炭 類 但全氮 全磷含量相對(duì)較高 其中 3H R 10C1和 3H S 10C1的全氮含量分別為 12 64 12 38 g kg 1 H R 10C1全磷含量為 1 42 g kg 1 在苔蘚泥炭配置的兩類材料中 M R類全量養(yǎng)分含 量總體高于 M S類材料 有利于養(yǎng)分儲(chǔ)存 同時(shí)其 DOC含量介于 4 15 4 49 g kg 1之間 有 利于活性養(yǎng)分的釋放 土 壤 學(xué) 報(bào) Acta Pedologica Sinica 圖 3不同耕層重構(gòu)材料養(yǎng)分含量 Fig 3 Nutrient content of different plough layer reconstruction materials 2 3 最小數(shù)據(jù)集的構(gòu)建 2 3 1 聚類分析構(gòu)建指標(biāo)分類體系 基于 R型聚類將 14項(xiàng)理化指標(biāo)劃分為 4類 1 TK 容重 TP 灰分 EC 代表養(yǎng)分及物理性質(zhì) 2 TN HS 代表養(yǎng)分 3 LabileI C LabileII C DOC pH 毛管孔隙度 代表碳組分及物理性質(zhì) 4 SOC Recalcitrant C 代表有機(jī)碳組分 通過(guò)對(duì)同組內(nèi) 相關(guān)性分析初步篩選進(jìn)入 MDS的指標(biāo) 首先對(duì) 14項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行正態(tài)分布檢 驗(yàn) DOC 容重 EC不符合正態(tài)分布 選擇 Spearman系數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析 第一類中 EC與其 余指標(biāo)均無(wú)顯著相關(guān)性 直接選入 MDS TK與容重高度相關(guān) r 0 982 容重衡量結(jié)構(gòu)特性 TK主要受礦物種類影響 二者無(wú)明顯實(shí)際關(guān)聯(lián) 為避免造成誤差同時(shí)選入 MDS TK與 TP 灰分均高度相關(guān) r 0 800 r 0 761 灰分可表征材料中礦質(zhì)養(yǎng)分 可用全量養(yǎng)分進(jìn)行衡量 此時(shí)選擇相關(guān)性之和更高的 TK作為養(yǎng)分含量代表 第二類 TN HS無(wú)顯著相關(guān)性 同時(shí)選入 MDS 第三類 SOC與 Recalcitrant C顯著相關(guān) r 0 853 SOC更能衡量土壤肥力特性 將 SOC 選入 MDS 第四類中 LabileI C LabileII C顯著相關(guān) r 0 853 考慮到 LabileI C組分更能體 現(xiàn)活性碳組分 選擇 LabileI C進(jìn)入 MDS 毛管孔隙度分別與 DOC pH顯著相關(guān) r 0 790 r 0 860 通氣透水情況能直接影響水溶態(tài)養(yǎng)分 但無(wú)法直觀反映酸堿度 故選擇毛管孔隙度 pH進(jìn)入 MDS 2 3 2 主成分分析篩選冗余指標(biāo) 由于聚類結(jié)果的第 一類和第三類備選指標(biāo)中存在數(shù)據(jù)冗余 故采用主成分分析進(jìn)一步篩選代表性指標(biāo)最終進(jìn)入 MDS 分別對(duì)第一類 第三類指標(biāo)進(jìn)行 KMO與 Bartlett s檢驗(yàn) 結(jié)果表明 KMO值分別為 0 624 0 5 Sig 0 000 KMO 0 559 0 5 Sig 0 001 均可以進(jìn)行主成分分析 表 3 第一類指標(biāo)劃分 1個(gè)主成分 累計(jì)貢獻(xiàn)率為 71 993 選擇 Norm值最高指標(biāo) TK 1 743 90 土 壤 學(xué) 報(bào) Acta Pedologica Sinica 范圍以內(nèi)指標(biāo)進(jìn)一步篩選 容重 TP 灰分符合條件 再次進(jìn)行相關(guān)分析表明 TK 與容重 r 0 941 TP r 0 764 灰分 r 0 783 高度相關(guān) 故僅選擇 Norm值最高的 TK進(jìn)入 MDS 第 三類指標(biāo)提取到 2個(gè)主成分 累積貢獻(xiàn)率為 92 19 DOC 毛管孔隙度在主成分 1載荷值較 高 pH Labi