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盐碱土在我国分布非常广泛，占全国可利用土地面积的 4.88%。受气候、生物、成土母质等多个因素的影响，盐碱化已成为干旱区土壤的一个显著特征[1-2]。其中新疆的土壤盐渍化最为严重，占全国盐渍土面积的 36.8%，新疆被称为盐碱土博物馆，不仅盐碱类型多，而且治理难度大[3-4]。玛纳斯河流域绿洲作为新疆四大农业灌区之一，受缺水及土壤残余盐渍化的影响，最早推广膜下滴灌技术，至今已有 20 余年[5-6]。因此，对长期实施膜下滴灌技术的残余盐渍化土壤进行质量评价具有重大意义。
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土壤质量评价对于评估土壤的现状与生产力、土壤改良效果、促进农业可持续发展、保护生态环境具有重大意义[7-8]。随着玛纳斯河流域绿洲农田开发的不断深入，土壤水盐矛盾频发，农田弃耕现象严重，农业的可持续发展受到制约[9-10]。王莉红等[11]利用 3S 空间分析和地学统计分析方法，采用生态要素及功能叠加的转移矩阵模型，研究了新疆玛纳斯河流域生态要素及环境质量时空分异规律，对玛纳斯河流域生态环境质量时空分异进行了评价。张丽等[12]结合土壤理化指标及地下水埋深，基于模糊数学方法，构建了耕地潜力评价模型，对玛纳斯河流域耕地潜力进行评价。但在现有的土壤质量评价中，针对玛纳斯河流域绿洲灌区残余盐渍化土壤的研究尚不够完善。因此，本研究在现有研究的基础上以玛纳斯河流域绿洲残余盐渍化土壤为研究对象，从土壤养分、盐分、质地等方面筛选评价指标，基于主成分分析法，构建最小数据集，对玛纳斯河流域绿洲不同程度的残余盐渍化土壤进行质量评价，该研究对新疆各流域盐渍化土壤的防控与治理、土地资源的可持续利用以及农业健康发展具有重要的参考意义。
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1 材料与方法
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1.1 研究区概况
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玛纳斯河流域（84°43′—86°35′E，43°21′— 45°20′N）面积约为 3.35×104 km2，东邻呼图壁县，南通天山，西邻乌苏县，北至古尔班通古特沙漠[13]。流域内有七大农灌区，分别为下野地灌区、安集海灌区、金沟河灌区、石河子灌区、新湖总场灌区、莫索湾灌区、玛纳斯灌区。流域内主要地貌单元由南到北依次为山地、山前褶皱、冲积扇、冲积平原、干三角洲、沙漠，属于典型的山地-绿洲-盆地生态系统。流域内平均气温 6.5℃，一年中的最高气温在 7 月，最低气温在 1 月，无霜期 155 d，日照时数 2745 h，年降水量为 125.0～207.7 mm，年蒸发量 1000～1500 mm（2000—2017 年）[14]。垦区土壤多系灰漠土、盐土、潮土、草甸土，土壤质地多系粘质土、砂质土、壤质土等。
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1.2 样品采集、指标测定与分级标准
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于 2019 年 10 月进行野外土壤样品采集，根据空间变异性设置土壤采样点，采样点间距为 30 m（图1），采样方法为五点采样法，采集深度为 0～20 cm，共采集土壤样品 350 个。带回实验室处理后待测各项物理、化学指标。
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图1 2019 年玛纳斯河流域农田土壤采样点分布图
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测试指标及方法为：土壤 pH 值（土水比 1∶2.5， BPH-252 pH 计测定）、土壤总盐（残渣烘干-质量法）、有效磷（碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法）、速效钾（乙酸铵浸提-火焰光度法）、碱解氮（碱解扩散法）、有机质（重铬酸钾容量法）、Ca2+、Mg2+、 Na+、K+、Cl-、SO4 2-、NO3- （离子色谱仪，自动进样器型号 AS-DV）、土壤质地（野外速测法）[15]。并按照土壤 pH 值分级标准（表1）、养分分级标准（表2）、盐渍化土壤分级标准（表3）进行等级划分[16-18]。
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1.3 最小数据集的构建
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通过主成分分析法确定影响土壤质量的最小数据集，可在一定程度上通过数据筛选，减少参评土壤指标的数量，解决数据冗余，有效反映出研究区内的土壤现状[19]。在进行评价指标的筛选时，综合载荷特征值（Norm 值）可以很好地体现评价指标在多个主成分上的综合荷载与特征，可利用 Norm 值精简评价指标。Norm 值计算如公式（1） 所示：
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式中：Nik：第 i 个变量在前 k 个主成分上的综合载荷且特征值≥1（Norm 值）；
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Uik：第 i 个变量在第 k 个主成分上的载荷；
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λik：第 k 个主成分的特征值。
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选出主成分分析法分析特征值≥1 且主成分中因子荷载绝对值≥0.5 的土壤指标分为一组，对比每组评价指标之间的相关性，筛选出每组中 Norm 值最高指标相差在 10% 的指标。如果同一组内 2 个评价指标的相关性超过 0.5，那么表示其对土壤质量评价的效果相近，则选择 Norm 值较高的评价指标进入最小数据集，如果同一组内 2 个评价指标不具有相关性或相关性极低，则进入最小数据集。土壤指标间的相关性越好，表明土壤指标的作用效果相近，相关性较高的土壤指标只有 1 个可以入选最小数据集，其余将被剔除。
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1.4 土壤质量指数
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将确定的最小数据集的每一项指标参数使用隶属度进行无量纲标准化，确定各指标的隶属度函数的转折点 U、L、O1 和 O2，依据各指标公因子方差参数通过公式（2）得出其相对应权重参数：
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式中：Ni：第 i 种评价指标的权重系数；
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ci：第 i 种评价指标的公因子方差；
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n：最小数据集指标数。
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土壤质量综合评价指数（IFI）计算如公式（3） 所示：
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式中：Wi：第 i 种评价指标的隶属度值；
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Ni：第 i 种评价指标的权重系数；
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n：评价指标数量。
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S 型隶属度函数表达式为：
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反 S 型隶属度函数表达式为：
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抛物线型隶属度函数表达式为：
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依据绿洲 IFI，由低到高将研究区土壤分为Ⅰ （IFI≤0.45，极低）、Ⅱ（0.45<IFI≤0.65，低）、Ⅲ （0.65<IFI≤0.85，中）、Ⅳ（IFI>0.85，高）4 个等级[18]。
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1.5 土壤盐分变异系数
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在土壤科学中，同一土层不同区域间盐分含量差别较大，可依据变异系数（CV）值对土壤性质的变异程度进行分类，其计算方式如公式（7）所示。当 CV≤10% 为弱变异；当 10%<CV≤100% 为中等变异；当 CV>100% 为强变异[20]。
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1.6 数据处理
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使用 SPSS 19.0 进行土壤理化指标的最大值、最小值、平均值、标准差、CV、t 检验、描述性统计、主成分和相关性分析。图、表绘制使用 Arcgis 10.3、Excel 2016 完成。
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2 结果与分析
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2.1 土壤理化性质分析
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玛纳斯河流域绿洲农区土壤以中壤土和粘土数量最多，数量占比排序为中壤土 >粘土 >重壤土 >砂土 = 轻壤土 >砂壤土（表4）。土壤 pH 值 CV 最小，研究区内土壤大部分呈现微碱性或碱性。研究区内土壤养分分布不平衡。从 CV 上来看，土壤 pH 值、土壤总盐属于弱变异，养分指标属于中等变异，其余指标为强变异，各养分评价指标由丰富到缺乏依次为速效钾>有效磷>碱解氮 >有机质；离子 CV 从大到小依次为 K+ >NO3- >Cl- >SO4 2- >Mg2+>Ca2+>Na+，即说明研究区土壤离子含量稳定性较差，有较为强烈的空间异质性 （表5）。
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2.2 最小数据集的确定
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研究区土壤分析所选 5 个主成分特征值均大于 1，累计贡献率为 75.72%，可以反映大部分土壤性质。其中，第 1 组中土壤总盐、K+、Cl-、NO3- 和 SO4 2- 的载荷值≥0.5，第 2 组中 pH 值、有机质和有效磷的载荷值≥0.5，第 3 组中 Na+、Mg2+ 的载荷值 ≥0.5，第 4 组中碱解氮的载荷值≥0.5，第 5组中土壤质地的载荷值≥0.5（表6）。结合表1～3，经 Norm 值与相关性分析筛选后最终确定玛纳斯河流域绿洲土壤质量最小数据集即为土壤总盐、有机质、 pH 值、Na+、Mg2+、碱解氮和土壤质地（表7）。
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2.3 绿洲土壤质量指数
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结合灌区土壤评价指标的实际生产意义，有机质、碱解氮对土壤质量有积极的正效应，因此隶属函数为 S 型；Na+、Mg2+、土壤总盐和土壤质地隶属函数为反 S 型；土壤 pH 值隶属函数为抛物线型，函数的转折点 U、L、O1 和 O2（表8）。
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注：*、** 分别表示 0.05 水平显著相关、0.01 水平极显著相关。
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土壤理化性质中土壤总盐对绿洲土壤质量评价指数的影响最大，土壤质地对绿洲土壤质量评价指数的影响最小（表9）。各理化性质对研究区内土壤质量指数的影响顺序为：土壤总盐 >pH 值 >Na+ >碱解氮 >Mg2+>有机质 >土壤质地。
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2.4 绿洲土壤质量等级划分与面积占比
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研究区内 IFI 平均值为 0.650。从不同等级土壤质量的角度分析，其中Ⅱ级土壤占比最大，为 47.30%；其次是Ⅲ级土壤占比为 36.44%（表10）。从研究区内不同灌区的角度分析，莫索湾灌区土壤主要为Ⅲ级土壤，土壤肥力总体中等偏上；石河子灌区和玛纳斯灌区的土壤以Ⅱ和Ⅲ级土壤为主，土壤肥力总体中等；新湖总场灌区以Ⅱ级土壤为主，土壤肥力总体偏下。玛纳斯河流域绿洲内大部分土壤为Ⅱ、Ⅲ级土壤，土壤肥力总体中等偏下（图2）。
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图2 研究区土壤质量现状
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不同土壤盐渍化状况对土壤质量的影响程度不同。将研究区 2019 年土壤质量空间分布图与土壤总盐空间分布图进行叠加分析，得到不同盐渍化程度土壤质量占比（表11）。研究区内Ⅰ级土壤中盐土面积占比最小，为 1.99%，非盐渍化土壤面积占比最大为 45.83%；Ⅱ级土壤中轻度盐渍化土壤面积占比最大，为 37.83%，盐土面积占比最小，为 2.93%；Ⅲ级土壤中轻度盐渍化土壤面积占比最大，为 41.36%，盐土占比最小，为 5.20%；Ⅳ级土壤中非盐渍化土壤面积占比最小，为 5.29%，轻度盐渍化土壤面积占比最大，为 45.00%。
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3 结论
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（1）玛纳斯河流域绿洲农区土壤养分丰富度依次为：速效钾、有效磷、碱解氮、有机质；
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（2）最小数据集中各理化性质对绿洲农区土壤质量指数的影响顺序为：土壤总盐 >pH 值 >Na+ >碱解氮 >Mg2+>有机质 >土壤质地；
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（3）绿洲农区土壤质量以Ⅱ级（0.65<IFI≤ 0.85）、Ⅲ级（0.45<IFI≤0.65）为主，分别占绿洲农区面积的 47.30%、36.44%；
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（4）流域内不同灌区盐渍化土壤质量评价优级表现为莫索湾灌区 >石河子灌区 >玛纳斯灌区 >金沟河灌区 >安集海灌区 >下野地灌区 >新湖总场灌区。
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摘要
土壤质量评价对于评估土壤的现状与生产力、促进农业可持续发展、保护生态环境具有重大意义。通过分析玛纳斯河流域绿洲下属的 7 个灌区内盐渍化土壤理化性质，采用主成分分析法对玛纳斯河流域绿洲农区残余盐渍化土壤质量进行评价。结果表明：（1）影响玛纳斯河流域绿洲农区土壤质量的最小数据集包括土壤总盐、有机质、pH 值、Na+ 、Mg2+、碱解氮和土壤质地；（2）绿洲农区土壤养分丰富度依次为：速效钾、有效磷、碱解氮、有机质；（3）绿洲农区土壤质量以Ⅱ级［0.65< 土壤质量综合评价指数（IFI）≤0.85］、Ⅲ级（0.45<IFI≤0.65）为主，分别占绿洲农区总面积的 47.30%、36.44%；（4）流域内莫索湾灌区和石河子灌区盐渍化土壤质量最优，其余依次为玛纳斯灌区、金沟河灌区、安集海灌区、下野地灌区和新湖总场灌区。综上所述，研究区内土壤养分较为匮乏，土壤盐分分布不均匀，土壤质量总体处于中等偏下状态，应当分区域制定土壤地力提升措施以保障流域内农业的可持续发展。
Abstract
Soil quality assessment is of great significance for assessing soil status and productivity，promoting sustainable agricultural development，and protecting the ecological environment．In this study，the physical and chemical properties of salinized soil in seven irrigation areas within the oasis of the Manasi river basin were analyzed，and the quality of salinized soil in oasis agricultural areas of the Manasi river basin was evaluated by principal component analysis．The results showed that：（1）The minimum data set affecting the soil quality of oasis agricultural areas in Manasi river basin included total soil salt，organic matter，pH value，Na+ ，Mg2+，alkali-hydrolyzable nitrogen，and soil texture；（2）The degree of soil nutrient deficiency in oasis agricultural areas was ranked as available potassium>available phosphorus>available nitrogen>organic matter；（3）The soil quality of oasis agricultural area was mainly graded II [0.65
