黃 洲， 楊 廣， 蘇 軍， 李小龍， 劉 兵， 何新林，喬長(zhǎng)錄， 李鵬飛， 王春霞， 趙 麗

（1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.第八師石河子市水利工程管理服務(wù)中心，新疆 石河子 832000）

土壤質(zhì)量綜合反映了土壤物理、化學(xué)與生物特性，揭示了人類活動(dòng)對(duì)土壤的影響與土壤動(dòng)態(tài)變化［1］。開(kāi)展土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)不僅能夠揭示土壤質(zhì)量狀況與變化規(guī)律，而且可以為土地資源的科學(xué)利用和管理提供重要依據(jù)。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)涉及諸多土壤因子，如何確定評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法成為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的關(guān)鍵［2］。

目前，國(guó)內(nèi)外土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)多集中于土壤質(zhì)量綜合指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、最小數(shù)據(jù)集法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等。Mishra等［3］選擇電導(dǎo)率、鎂、磷等利用土壤質(zhì)量綜合指數(shù)法，分析了印度喜馬拉雅地區(qū)人工林土壤質(zhì)量；Vasu 等［4］研究了土壤容重、孔隙、顏色等屬性特征值，利用最小數(shù)據(jù)集法對(duì)印度西北海岸帶不同土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；Obade等［5］選擇土壤pH、容重、孔隙度等，利用主成分分析法對(duì)美國(guó)俄亥俄州5 個(gè)不同農(nóng)田的土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)；趙敬坤等［6］選擇pH和有機(jī)質(zhì)等指標(biāo)，利用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)重慶花椒區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)；趙娜等［7］選取土壤容重、孔隙度、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀對(duì)華北低丘山地退耕還林區(qū)的耕地、退耕刺槐林土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)與分級(jí)。學(xué)者們結(jié)合區(qū)域特征、氣候差異及土地利用方式等采用了多種方法結(jié)合的評(píng)價(jià)方法。Rahmanipour 等［8］選取有機(jī)質(zhì)、電導(dǎo)率、鎘、鈷等物理化學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用土壤質(zhì)量綜合質(zhì)量指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對(duì)加茲溫省的耕地土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)；姜艷等［9］以瑪納斯河流域棉田土壤為研究對(duì)象，選擇土壤堿解氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷、pH、鹽分及鎘、鉻、鉛、鎳、銅、砷，采用因子分析法和土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)法對(duì)棉田土壤質(zhì)量狀況進(jìn)行定量評(píng)價(jià)；周偉等［10］以長(zhǎng)春城市森林綠地為研究對(duì)象，選取有機(jī)質(zhì)、氮、磷等土壤肥力指標(biāo)，利用GIS 與內(nèi)梅羅指數(shù)相結(jié)合的方法分析了長(zhǎng)春城市森林綠地土壤養(yǎng)分空間分布特征；鄭琦等［11］選取新疆主要棉區(qū)土壤pH、鹽分、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀及鎘、銅、鋅、砷、磷，采用模糊評(píng)價(jià)法與內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)棉田土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。綜上所述，土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)集中于農(nóng)業(yè)耕地、林地、草地等尺度，對(duì)退耕撂荒地研究較少。

新疆瑪納斯河灌區(qū)位于天山北麓中段，屬于干旱半干旱區(qū)，2020 年瑪納斯河灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水為12.09×108m3，占總用水量的87%，農(nóng)業(yè)用水量過(guò)大嚴(yán)重影響了區(qū)域水資源可持續(xù)發(fā)展。隨著水資源“三條紅線”的實(shí)施，到2030年灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水總量控制在9.01×108m3，減少了3.08×108m3，農(nóng)業(yè)用水量縮減嚴(yán)重。為滿足水資源“三條紅線”的控制量，瑪納斯河灌區(qū)自2012 年起實(shí)施退地減水措施，累計(jì)退耕土地2×104hm2，出現(xiàn)退耕土地撂荒問(wèn)題，土壤質(zhì)量局部下降?；诖?，本文通過(guò)分析退耕地塊和臨近耕作地塊土壤pH、可溶性總鹽、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效鉀7個(gè)土壤質(zhì)量指標(biāo)，通過(guò)構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算退耕地塊和臨近耕作地塊土壤肥力指數(shù)，分析水資源“三條紅線”約束下，瑪納斯河灌區(qū)退耕土壤質(zhì)量變化狀況，為灌區(qū)水資源總量約束下退地方案的實(shí)施及土壤質(zhì)量保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆瑪納斯河灌區(qū)，地理坐標(biāo)為84°98′～86°39′E，44.04′～45°19′N。土壤多為灰漠土、潮土、草甸土，土質(zhì)多為礫質(zhì)土、沙質(zhì)土等。年降雨量在125～200 mm之間，年蒸發(fā)量在1700～2200 mm 之間。水資源總量約為22.91×108m3，可用水資源量約為20.92×108m3，地下水資源總量約為11.97×108m3。灌區(qū)自2012 年起實(shí)施退地減水措施，至今累計(jì)退耕土地2×104hm2，用水總量共減少2.14×108m3，后續(xù)還需退耕2.49×104hm2。

1.2 試驗(yàn)方案

采樣時(shí)間為2021 年4月中旬，采樣點(diǎn)位于瑪納斯河灌區(qū)141 團(tuán)、142 團(tuán)、134 團(tuán)、150 團(tuán)和148 團(tuán)，設(shè)置2 個(gè)處理：臨近耕作地塊（CK，均為棉田，灌溉方式為膜下滴灌）、退耕地塊（RF，退耕2 a 地塊），2 個(gè)處理分別設(shè)置6 個(gè)采樣點(diǎn)，共12 個(gè)采樣點(diǎn)，所選采樣點(diǎn)均處于重點(diǎn)退耕區(qū)，采樣點(diǎn)地理位置見(jiàn)圖1。利用梅花采樣法［12］將樣地分為5個(gè)5 m×5 m的矩形地進(jìn)行土壤剖面采樣，每塊矩形地設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)，利用土鉆采集表層土、0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm深度土壤，5個(gè)矩形地取得的各深度土壤分別進(jìn)行混合，最后按照四分法［13］取土壤樣品1 kg，共取84個(gè)樣品，取樣布局見(jiàn)圖2。為避免土壤肥力受人為因素干擾，土壤樣品采集于春耕前進(jìn)行。

圖1 采樣點(diǎn)地理位置Fig.1 Geographical location map of sampling points

圖2 取樣布局示意圖Fig.2 Sampling layout

土壤樣品參照喬勝英［14］所采用方法對(duì)pH、可溶性總鹽、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效鉀進(jìn)行分析測(cè)定。其中pH采用1:1水土比酸度計(jì)法，可溶性總鹽采用1:5 土水比電導(dǎo)法，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法，全氮采用凱氏定氮法，全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定。

1.3 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

利用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)退耕地塊及臨近耕作地塊的土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取土壤pH、可溶性總鹽、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效鉀7 個(gè)肥力指標(biāo)［9,15］，根據(jù)肥力指標(biāo)與作物生長(zhǎng)的關(guān)系分別采用拋物線型、S 型函數(shù)、戒下型計(jì)算各養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬度值。

有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀、全氮、全磷含量5個(gè)指標(biāo)屬于S型隸屬關(guān)系，其隸屬度函數(shù)為：

土壤pH 屬于拋物線型隸屬關(guān)系，其隸屬度函數(shù)為：

土壤可溶性總鹽屬于戒下型隸屬關(guān)系，其隸屬度函數(shù)為：

根據(jù)研究區(qū)土壤肥力特征，參考前人研究結(jié)果［16-18］，確定土壤各肥力指標(biāo)在隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值（表1、表2）。

表1 各評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值Tab.1 Value of turning point of membership function curve of each evaluation index

表2 pH隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值Tab.2 Value of turning point of pH value membership function curve

利用相關(guān)系數(shù)法為各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重賦值，能客觀地反應(yīng)出各指標(biāo)對(duì)土壤肥力影響程度。確定指標(biāo)隸屬度值和權(quán)重系數(shù)后，應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法通過(guò)加權(quán)求和計(jì)算得出土壤肥力指數(shù)（IFI）。

式中：n為參評(píng)指標(biāo)數(shù)量；fi為第i個(gè)指標(biāo)的隸屬度；wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。IFI 肥力指數(shù)取值范圍為0～1，指數(shù)越大，土壤肥力水平越高。根據(jù)研究區(qū)土壤肥力指數(shù)進(jìn)行分級(jí)，分為高（＞0.8）、較高（0.6～0.8）、中（0.4～0.6）、較低（0.2～0.4）和低（＜0.2）5個(gè)等級(jí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤肥力分析

由表3可知，RF處理pH范圍為7.18～8.78，平均值為7.82；鹽分范圍為0.22～12.47 g·kg-1，均值為2.76 g·kg-1，整體上為中度鹽化土，變異系數(shù)為107.01%，為強(qiáng)變異程度；堿解氮、有機(jī)質(zhì)、全氮含量分別為37.07 mg·kg-1、7.30 g·kg-1、0.37 g·kg-1，總體含量較低；速效鉀、全磷含量分別為262.53 mg·kg-1、0.70 g·kg-1，含量較高。CK 處理pH 為7.86，鹽分范圍為0.48～7.97 g·kg-1，均值為2.49 g·kg-1；堿解氮、有機(jī)質(zhì)、全氮含量分別為47.62 mg·kg-1、7.80 g·kg-1、0.47 g·kg-1，含量偏低；速效鉀、全磷含量分別為243.16 mg·kg-1、0.76 g·kg-1，含量較高；pH 變異系數(shù)4.02%，為弱變異，其余指標(biāo)變異程度在16.39%～73.06%之間，均呈中等變異強(qiáng)度，這些指標(biāo)受外界影響較大。RF處理含鹽量平均值、最大值和變異系數(shù)比CK處理提高了0.27 g·kg-1、4.5 g·kg-1、33.95%，速效鉀提高了19.37 mg·kg-1；堿解氮、有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷平均值RF 處理均低于CK 處理，差值為10.55 mg·kg-1、0.5 mg·kg-1、0.1 g·kg-1、0.06 g·kg-1，退耕后土壤肥力出現(xiàn)下降。

表3 土壤肥力指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)特征值Tab.3 Statistical characteristic values of soil nutrients

由圖3可知，RF處理pH與土壤深度呈正相關(guān)，在80～100 cm 時(shí)，pH 變化較小，為7.95；CK 處理pH沿剖面先減小后增大，表層土pH為7.70，0～20 cm處pH減小，為7.63，20～100 cm逐漸增加，在80～100 cm達(dá)到8.19。2個(gè)處理含鹽量40 cm深度后發(fā)生變化，0～40 cm RF 處理含鹽量小于CK 處理，40 cm RF 處理與CK 處理含鹽量分別為2.71 g·kg-1、2.88 g·kg-1，在40～100 cm 則相反；RF 處理鹽分主要堆積在40～100 cm，最高時(shí)達(dá)到3.74 g·kg-1，CK處理鹽分主要堆積在0～40 cm，最高達(dá)到3.25 g·kg-1。堿解氮、全氮、全磷總體上隨著土層深度增加而減少，到達(dá)100 cm深度時(shí)，變化率均減小，并且RF處理含量均低于CK處理，2 個(gè)處理其表層含量分別為62.46 mg·kg-1、0.60 g·kg-1、0.79 g·kg-1，74.17 mg·kg-1、0.76 g·kg-1、0.86 g·kg-1。2個(gè)處理均含有大量的速效鉀，其含量與土壤深度呈負(fù)相關(guān)，在0～20 cm RF處理速效鉀含量大于CK 處理，20 cm 以后則相反；在80～100 cm RF 處理與CK 處理含量分別為179.15 mg·kg-1、181.12 mg·kg-1。2個(gè)處理有機(jī)質(zhì)含量隨深度的變化規(guī)律與速效鉀一致，表層含量達(dá)最高，分別為11.82 g·kg-1、10.26 g·kg-1。

圖3 土壤剖面各項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)垂直分布Fig.3 Distribution of nutrient content in soil profile

2.2 土壤肥力評(píng)價(jià)

表征土壤肥力指標(biāo)間相關(guān)性分析結(jié)果如圖4所示，能夠反映出各指標(biāo)間的相關(guān)性系數(shù)。通過(guò)計(jì)算得到肥力指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值之和的平均值，該平均值占所有肥力指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值總和的百分比即為該項(xiàng)肥力指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。土壤各肥力指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)如表4所示，堿解氮、速效鉀相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值的平均值最大，為0.503、0.398，權(quán)重系數(shù)也最大，為0.274、0.217，說(shuō)明堿解氮、速效鉀對(duì)土壤肥力影響最大；而有機(jī)質(zhì)與全氮權(quán)重系數(shù)最低，分別為0.047、0.059，影響較小。

表4 各土壤肥力指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)平均值和權(quán)重系數(shù)Tab.4 Average value and weight coefficient of correlation coefficient of each soil fertility index

圖4 相關(guān)系數(shù)Fig.4 Correlation coefficient diagram

通過(guò)對(duì)2個(gè)處理的單項(xiàng)肥力指標(biāo)的隸屬度值分別求平均值，從而獲得2 個(gè)處理不同肥力指標(biāo)的隸屬度值如圖5所示。由圖5可知，RF處理與CK處理不同指標(biāo)的隸屬度值隨深度的增加而降低，說(shuō)明其土層越深，土壤肥力越弱。

圖5 2個(gè)處理不同指標(biāo)隸屬度值Fig.5 Membership values of different indexes of two kinds of cultivated land

土壤肥力指數(shù)如圖6所示，RF處理土壤肥力指數(shù)變化范圍為0.50～0.76，CK 處理為0.49～0.77。由圖6可知，2個(gè)處理土壤肥力指數(shù)和土壤深度均為負(fù)相關(guān)，RF 處理在0～60 cm 肥力指數(shù)減少了32.89%，在60～100 cm趨于穩(wěn)定；CK處理在0～100 cm肥力指數(shù)減少明顯，減少了36.36%。RF 處理土壤肥力狀況達(dá)到較高水平的有表層土、0～20 cm、20～40 cm 深度，肥力指數(shù)分別為0.76、0.70、0.62；40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm 深度肥力指數(shù)分別為0.51、0.50、0.50，肥力均為中等水平。CK 處理表層土、0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 深度土壤肥力均達(dá)到了較高的水平，肥力指數(shù)分別為0.77、0.75、0.68、0.61，60～80 cm、80～100 cm 深度肥力均達(dá)到了中等水平，土壤肥力指數(shù)分別為0.53、0.49，由此可知，CK 處理0～100 cm土層土壤肥力均在中等偏上的水平，有利于農(nóng)業(yè)耕作。RF處理在0～100 cm深度肥力水平均略低于CK 處理，在20～60 cm 深度土壤肥力指數(shù)差值達(dá)到最大，為0.11；20～40 cm深度RF處理為0.62，CK 處理為0.68，土壤肥力屬于較高水平；在40～60 cm土層，RF處理土壤肥力指數(shù)比CK處理低了0.1，肥力狀況差異大。RF處理與CK處理肥力指數(shù)均值分別為0.60、0.64，相差0.04。根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法分析結(jié)果顯示，瑪納斯河灌區(qū)2 個(gè)處理的肥力水平整體均處于中等偏上。

圖6 土壤肥力指數(shù)Fig.6 Comprehensive fertility index of soil

3 討論

3.1 土地退耕對(duì)土壤pH和含鹽量的影響

本研究區(qū)灌溉用水含有大量的可溶性陽(yáng)離子Na+、Mg+、Ca+、K+，土壤膠體對(duì)堿性離子吸附達(dá)到一定飽和度后，會(huì)引起交換性陽(yáng)離子的水解作用，在土壤中產(chǎn)生NaOH，使土壤成堿性［19］，且與深度呈正相關(guān)，這與王嬡華等［20-21］研究結(jié)果一致。RF處理由于沒(méi)有進(jìn)行施肥與灌溉，土壤pH 整體上與退耕前無(wú)明顯變化，這與錢鳳魁等［22］研究結(jié)果一致。RF處理和CK處理0～100 cm深度含鹽量均值分別為2.76 g·kg-1、2.49 g·kg-1，RF處理的含鹽量總體上高于CK處理，這是由于CK處理在耕種期間進(jìn)行灌溉，根據(jù)“鹽隨水動(dòng)”的原理，部分鹽分被運(yùn)移至深層土壤，0～100 cm鹽分減少，RF處理由于土壤蒸發(fā)以及鹽生植物的影響將鹽分帶到了表層，鹽分在表層累積，這與馮小平等［23-24］的研究結(jié)果一致，灌區(qū)棉田進(jìn)行膜下滴灌耕作有利于對(duì)土壤鹽分的淋洗［25-26］，預(yù)防土壤鹽漬退化。

3.2 土地退耕對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

董利軍等［27］研究表明，隨著土地的退化，有機(jī)質(zhì)在表層土壤中流失嚴(yán)重，而本研究結(jié)果顯示，RF處理0～20 cm處有機(jī)質(zhì)含量略高于CK處理，這是由于棉田耕深不超過(guò)20 cm，在土壤中形成了堅(jiān)實(shí)的犁底層，制約了棉花根系縱向生長(zhǎng)及吸收深層土壤水分和養(yǎng)分［28］，對(duì)有機(jī)質(zhì)吸收主要集中在0～20 cm，并且在此深度棉花對(duì)有機(jī)質(zhì)的吸收能力大于RF 處理的鹽爪爪、鹽穗木［29］；而80 cm以下的深層土壤受土地利用方式影響減弱，RF 處理與CK 處理有機(jī)質(zhì)含量相差不大，并且變化規(guī)律一致，這與王舒等［30］研究結(jié)果一致。全氮、堿解氮在0～100 cm土層均出現(xiàn)CK 處理土壤含量高于RF 處理，這是由于CK 處理正常耕作期施加氮肥，導(dǎo)致氮素總體含量與向下發(fā)生運(yùn)移的含量均高于RF 處理［31-32］。在0～100 cm土層RF處理全磷含量均低于CK處理，這是由于CK處理在耕作時(shí)段有磷肥施用，并且磷在土壤中的移動(dòng)性較差，固定率可達(dá)70%以上，向下發(fā)生運(yùn)移較慢［33］。2個(gè)處理速效鉀含量較高，在0～60 cm深度變化率較大，在60 cm深度則趨于穩(wěn)定，這是由于棉花及鹽生植物鹽爪爪、鹽穗木的根系對(duì)速效鉀的吸收主要集中在0～60 cm 土層［34-35］。2 個(gè)處理的肥力指數(shù)在40～60 cm深度達(dá)到最大，為0.1，原因是土壤養(yǎng)分含量在垂直方向遞減［36］，CK處理受灌溉與施肥影響，部分可溶性養(yǎng)分隨水運(yùn)移至深層土壤，在深層土壤形成累積［37］；RF處理無(wú)養(yǎng)分補(bǔ)充，鹽爪爪、鹽穗木對(duì)養(yǎng)分進(jìn)行消耗，深層土壤退化嚴(yán)重。

4 結(jié)論

（1）退耕地塊和臨近耕作地塊pH 在7.18～8.78之間，二者無(wú)明顯差異，總體上與土壤深度呈正相關(guān)；變異系數(shù)分別為5.58%、4.02%，為弱變異，土地利用方式的改變對(duì)pH影響較小。退耕地塊含鹽量整體比臨近耕作地塊高10.84%，鹽分主要分布在40～100 cm。

（2）退耕地塊和臨近耕作地塊土壤養(yǎng)分均在垂直方向具有“表聚”現(xiàn)象，不同深度養(yǎng)分元素含量變幅較大。退耕地塊速效鉀含量整體上比臨近耕作地塊高了7.97%，其余養(yǎng)分指標(biāo)均低于臨近耕作地塊。

（3）退耕地塊和臨近耕作地塊土壤質(zhì)量均在中等偏上，臨近耕作地塊土壤肥力指數(shù)高于退耕地塊。