土壤肥力质量代表土壤可以提供植物养分以及保障粮食生产的能力^[1]。耕作方式是影响土壤肥力的重要因素^[2]，因此评价耕作对土壤质量的影响、选择科学合理的耕作方式有利于改善土壤肥力状况和提升农作物产量和品质。传统耕作方式对土壤环境造成较大扰动，易引起土壤退化等问题。自 20 世纪 50 年代以来，我国开始探索保护性耕作方式，即增加秸秆覆盖、减少耕作和作物轮作^[3-4]。河南是我国产粮大省，豫西地区位于黄土高原向华北平原过渡的生态脆弱地带，优化耕作技术是实现土壤保护的重要手段。通过分析不同耕作方式下土壤肥力状况，可以为当地优化耕作技术提供理论指导，实现土壤资源的可持续利用，为落实“藏粮于地、藏粮于技”战略、实现农作物稳产高产、保障国家粮食安全提供技术支撑。

近年来，前人在不同地区研究了耕作措施对土壤肥力的影响，罗玉琼等^[5]基于长期定位试验研究得出免耕和稻草覆盖还田显著提高了表层土壤有机碳、全氮、碱解氮和有效磷含量，降低了土壤速效钾含量。杨一凡等^[6]研究青海枸杞产区不同耕作措施对土壤理化性质的影响，发现沟垄覆膜处理土壤养分含量高于其他耕作处理，并且该耕作措施土壤肥力综合评分也较高。苗淑杰等^[7]也运用耕作指数评价东北风沙土不同耕作措施的土壤质量状况，研究得出在当地采取翻耕 + 有机肥措施有利于构建合理耕层。根据前人的研究发现，综合指数法被广泛用于土壤肥力质量评价，该方法主要包括两步：第一，评价指标的筛选和处理；第二，指标权重的确定^[8]。研究发现，前人多运用德尔菲法、专家打分法、层次分析法、主成分分析法、偏相关分析法等确定指标权重^[9]，本文选择了客观且使用频次较高的主成分分析法^[10-12]。目前针对单一耕作措施对土壤肥力质量的影响，或者是不同耕作措施下对土壤单一指标的影响已有大量的研究，但考虑多个评价指标且综合分析长期不同耕作措施下土壤肥力质量差异的研究比较少。因此，本文基于豫西长期保护性耕作田间试验，根据主导性、敏感性、实用性、独立性、稳定性、最小数据集等原则选取了 17 项土壤化学和生物指标，运用隶属度函数和主成分分析方法，分别计算各耕作措施的土壤肥力指标隶属度值和权重，综合评价不同耕作措施下土壤肥力质量的差异，探索适合黄绵土保护和粮食产量提升的最佳耕作模式。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于农业农村部旱地农业野外科学观测实验站保护性耕作田间试验场内（34.80°N， 112.56°E，海拔 324.52 m），地处河南孟津县送庄，属于黄土高原东部边缘豫西黄土丘陵区，土层深厚（50~100 m），土壤类型是壤质黄绵土。该地属于温带季风气候，年平均气温为13.7℃，1 月最冷，平均为-0.5℃，7 月最热，平均为 26.2℃。多年平均降水量为 650 mm。平均全年日照时数为 2270 h。在作物生长的 4—10 月，日温差 5 月最大 （12.7℃），8 月最小（8.6℃），积温平均为 5046℃，平均无霜期为 235 d。

1.2 试验设计

本试验为 1999 年 10 月开始的长期定位试验。试验共设置 4 个耕作处理，分别为传统耕作 （CT）、免耕（NT）、深松（SS）、小麦-花生轮作 （TC），各耕作处理具体方法见表1，每个处理有 3 个小区，作为重复。

试验每年 10 月初播种小麦，6 月中旬收获，除小麦-花生轮作处理在夏季种植花生外，其余 3 个处理夏季休闲。各处理肥料施用量相同，分别为 N 150 kg/hm²，P₂O₅ 105 kg/hm²，K₂O 45 kg/hm²。试验前耕层（0~20 cm）土壤的养分含量如下：有机质 11.5 g/kg、全氮 1.1 g/kg、全磷 0.79 g/kg、全钾 18 g/kg、速效氮 82.5 mg/kg、有效磷 6.1 mg/kg、速效钾 139.5 mg/kg、pH 7.28。土壤颗粒组成如下：黏粒 15.2%、粉粒 24.3%、细砂 58.2%、粗砂 2.3%。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土样采集

2021 年 4 月按照“S”形取样法，在各小区随机选取 5 个采样点，用直径为 3 cm 的土钻分别钻取 0~20、20~40 cm 两个土层的土壤样品。去除土壤样品中的石块、根系及凋落物等，将 5 个采样点的土壤混合均匀作为一个混合土样，装入聚乙烯样袋，并迅速放于保鲜箱带回实验室。将土壤样品分为两部分，一部分过 2 mm 筛，放入-20℃冰箱中保存，用于测定土壤生物性质；另一部分放于阴凉通风处，风干后过 1 和 0.15 mm 筛，用于测定土壤化学性质。

1.3.2 土壤化学性质

土壤 pH 运用 pH 计测定（土水比 1∶2.5），阳离子交换量（CEC）采用氯化铵-乙酸铵法测定。土壤有机碳（TOC）、全氮（TN）含量采用元素分析仪（德国 Elementar 公司）进行测定。铵态氮 （NH₄ ⁺-N）、硝态氮（NO₃^--N）采用 1 mol/L氯化钾浸提，用流动分析仪测定。全磷（TP）、全钾（TK）采用氢氧化钠熔融法，其中，全磷用钼锑抗比色法、全钾用火焰光度法测定。有效磷（AVP）用 0.5mol/L碳酸氢钠浸提，钼锑抗比色法测定。速效钾（AVK）采用 1 mol/L乙酸铵浸提，火焰光度法测定。以上土壤指标均参考《土壤农业化学分析方法》^[13]中所述方法测定。

1.3.3 土壤生物性质

土壤微生物量碳（MBC）和土壤微生物量氮 （MBN）采用氯仿熏蒸-硫酸钾浸提方法测定；土壤胞外酶活性采用荧光微孔板检测技术测定。测定具有代表性酶活性，包括 3 种参与碳循环的酶：β-葡萄糖苷酶（BG）；β-纤维二糖苷酶（CBH）；β-木糖苷酶（BXYL），2 种参与氮循环的酶：乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）；亮氨酸氨基肽酶（LAP）和1种参与磷循环的酶：碱性磷酸酶（AP）。用每小时每克样品的基质转化率表示样品酶活性[nmol/（h·g）]。具体计算测定步骤及计算方法参考 Qi 等^[14]和宋霄君等^[15]。

1.4 土壤肥力质量综合指数

本文采用隶属度函数对指标进行归一化与无量纲化，采用主成分分析法计算各项指标的权重^[12]，运用加权求和计算土壤肥力质量综合指数。

1.4.1 隶属度函数及隶属度值

为了综合评价土壤肥力质量，需要消除各土壤肥力指标间量纲。本文借助模糊数学原理，通过构建隶属函数，计算隶属度值，该值介于 0~1 之间，该值越接近 1，则反映了该指标下土壤肥力质量越好，从而实现土壤肥力指标量纲归一化^[16]。常用的隶属度函数有抛物线形、正“S”形、反“S” 形、直线形等。参考前人的研究，符合抛物线形函数的指标包括 pH；符合正“S”形函数的指标包括有机碳、全氮、全磷、阳离子交换量、硝态氮、铵态氮、有效磷、速效钾；微生物学指标采用直线形函数计算隶属度值^[12，17-18] （表2）。根据前人研究并结合当地土壤质量状况，本文将“S”形隶属函数的转折点值设置为实测值的最大值和最小值，抛物线形函数的转折点值借鉴文献所述（表2）。

抛物线形计算公式：

式中：f（x）为隶属度值；x 为指标测定值；m₁ 和 m₂ 分别表示下限和上限临界值；n₁ 和 n₂ 分别为最优值的下限和上限临界值。

正“S”形计算公式：

式中：f（x）为隶属度值；x 为指标实测值；m₁ 和 m₂ 分别为下限和上限临界值。

简单线性评分方法：

式中：f（x）为隶属度值，x 为指标测定值，x_max 为指标最高测定值。

1.4.2 权重的确立

土壤肥力指标权重运用主成分分析法确定，将所有指标进行主成分分析，提取公因子方差，本文采用各指标的公因子方差与所有指标公因子方差和的比值作为每个评价指标权重，公式如下：

式中：w_i 为单项评价指标权重；a_i 为单项评价指标的公因子方差。

1.4.3 土壤肥力质量综合指数

土壤肥力质量综合指数采用下列公式计算：

式中：IFI 为土壤肥力质量综合指数；q_i 为第 i 项土壤肥力评价指标的隶属度值；w_i 为第 i 项土壤肥力评价指标的权重值。IFI 范围在 0～1，数值越高，表示土壤肥力质量越高。

1.5 数据处理

采用 Excel 2010 对数据进行统计分析，结果均表示为“平均值 ± 标准差”。采用 SPSS 26.0 对数据进行主成分分析和单因素方差分析，用 Duncan 法进行多重比较（P<0.05），用 Origin 2018 作图。

2 结果与分析

2.1 不同耕作措施土壤有机碳和全量养分差异

在 0~20 cm 土层中，有机碳含量在不同耕作措施之间存在显著差异（P<0.05），其中传统耕作下土壤有机碳含量最低，小麦-花生轮作和深松次之，免耕有机碳含量最高（表3）。相比传统耕作，免耕处理 0~20 cm 土壤有机碳含量显著提高了 30.70%。不同长期耕作措施对 20~40 cm 土壤有机碳含量的影响不显著（P>0.05）。

在 0~20 cm 土层中，不同长期耕作措施下土壤全氮含量从大到小的排序为小麦-花生轮作＞深松 ＞免耕＞传统耕作。与传统耕作相比，小麦-花生轮作、深松和免耕显著提高了 0~20 cm 土壤全氮含量 （P<0.05），分别提高了 33.42%、25.84%、23.65%。在 20~40 cm 土壤中，小麦-花生轮作土壤全氮含量比传统耕作显著提高了 17.96%，其余两种保护性耕作措施土壤全氮含量与传统耕作差异不显著（P>0.05）。

土壤全磷含量在 0~20 cm 土层各耕作处理之间差异不显著，平均为 1.07 g/kg。由于磷素在土壤中移动性较弱，在 20~40 cm 土层中，不同耕作措施下土壤全磷含量存在显著差异（P<0.05）。其中传统耕作处理土壤全磷含量最高，小麦-花生轮作和深松耕作处理次之，免耕处理最低。与传统耕作相比，免耕和深松保护性耕作措施下土壤全磷含量显著降低了 28.53%、11.72%（P<0.05）。

注：不同字母表示同一土层不同耕作措施间差异显著（P<0.05）。下同。

2.2 不同耕作措施土壤 pH、阳离子交换量和速效养分差异

根据图1a 可知，不同耕作措施下土壤 pH 存在显著差异（P<0.05）。在 0~20 cm 土层，小麦-花生轮作处理下土壤 pH 显著低于其他 3 种耕作处理；在 20~40 cm 土层中，小麦-花生轮作处理 pH 值仅为 8.40，比传统耕作和深松耕作显著降低了1.94 %、1.68%。土壤阳离子交换量常作为衡量土壤保持土壤养分能力的重要指标之一。由图1b 可知，不同耕作措施对 0~20 cm 土壤阳离子交换量的影响差异不显著。在 20~40 cm 土层，传统耕作下土壤阳离子交换量最高，深松和小麦-花生轮作次之，免耕处理最低。与传统耕作相比，免耕降低了土壤阳离子交换量 17.39%（P<0.05）。

由图1c 可知，在 0~20 cm 土层中，相较于传统耕作处理，深松、小麦-花生轮作和免耕处理土壤铵态氮含量分别提高了 31.09%、14.19%、 1.77%，但未达到显著性差异。各耕作处理之间土壤铵态氮含量大小排序为深松＞免耕＞小麦-花生轮作＞传统耕作。在 20~40 cm 土层中，土壤铵态氮含量在不同长期耕作处理之间的差异也不显著。由图1d 可知，在 0~20 cm 土层内，4 种耕作处理中小麦-花生轮作处理土壤硝态氮含量最高，为 17.38 mg/kg，传统耕作处理土壤硝态氮含量最低，仅为 9.8 mg/kg，二者之间的差异达到了显著水平（P<0.05）。相较于传统耕作处理，小麦-花生轮作、深松和免耕土壤硝态氮含量分别提升了 77.33%、9.82%、8.35%。在 20~40 cm 土层中，不同长期耕作措施下土壤硝态氮含量存在显著差异 （P<0.05），其由大到小排序为小麦-花生轮作＞ 传统耕作＞免耕＞深松。

由图1e 可知，长期不同耕作措施对 0~40 cm 土层土壤有效磷含量的影响不显著。在 0~20 cm 土层，传统耕作处理有效磷含量最高，免耕、小麦-花生轮作和深松土壤有效磷含量分别比传统耕作处理低 31.09%、33.53%、38.46%。在 20~40 cm 土层中不同耕作措施间有效磷含量由大到小排序为传统耕作＞深松＞小麦-花生轮作＞免耕。由图1f 可知，与传统耕作相比，免耕和深松耕作下 0~20 cm 土层土壤速效钾含量均有显著提高，分别提高了 80.08%、114.15%。而在 20~40 cm 土层中，免耕、深松和传统耕作 3 种耕作措施间土壤速效钾含量无显著性差异。小麦-花生轮作土壤速效钾含量比深松耕作显著降低了 140.70%。

2.3 不同耕作措施土壤微生物量碳、氮差异

4 种耕作措施下微生物量碳在 0~20 cm 土层差异显著（P<0.05），大小排序为免耕＞小麦-花生轮作＞ 深松＞传统耕作，相较于传统耕作处理，免耕处理显著提升了19.14%（图2a）。在20~40 cm 土层中，小麦-花生轮作处理微生物量碳含量最高，为 166.36 mg/kg；免耕处理微生物量碳含量为 126.12 mg/kg，在 4 种耕作措施中含量最低。

注：不同字母表示同一土层不同耕作措施间差异显著（P<0.05）。下同。

由图2b 可知，长期不同耕作措施对 0~40 cm 土层微生物量氮的影响差异不显著。0~20 cm 土层中，微生物量氮含量大小排序为传统耕作＞深松＞ 免耕＞小麦-花生轮作。而在 20~40 cm 土层中小麦-花生轮作处理土壤微生物量氮含量最高，为 12.68 mg/kg。免耕处理微生物量氮含量最低，仅为 5.86 mg/kg。另外，小麦-花生轮作处理 0~20 cm 土层土壤微生物量氮低于 20~40 cm，与其他 3 种耕作措施不同。

2.4 不同耕作措施土壤酶活性差异

由图3 可知，在 0~20 cm 土层，土壤 β-葡萄糖苷酶活性由大到小排序为小麦-花生轮作＞免耕＞ 深松＞传统耕作，相较于传统耕作，小麦-花生轮作、免耕和深松耕作 β-葡萄糖苷酶活性分别提升了 73.65%、30.64%、9.54%。方差分析结果表明，小麦-花生轮作处理的土壤 β-葡萄糖苷酶活性显著高于其他 3 个处理（P<0.05）。在 20~40 cm 土层中，4 种耕作措施下的土壤 β-葡萄糖苷酶活性从大到小排序为小麦-花生轮作＞传统耕作＞深松＞ 免耕，其中免耕显著低于传统耕作和小麦-花生轮作（P<0.05）。相比于传统耕作，小麦-花生轮作酶活性增加了 6.79%，深松和免耕处理则分别降低了 23.44%、44.22%，这与 0~20 cm 土层表现不同。

在 0~20 cm 土层，小麦-花生轮作 β-纤维二糖苷酶活性最高，其次是免耕，深松和传统耕作最低（图3）。小麦-花生轮作 β-纤维二糖苷酶活性显著高于深松和传统耕作。相比传统耕作，小麦-花生轮作、深松和免耕处理 β-纤维二糖苷酶活性分别提高了 94.17%、44.34%、2.11%。20~40 cm 土层 β-纤维二糖苷酶活性小麦-花生轮作处理显著高于免耕处理，传统耕作与其他 3 种耕作措施之间无显著性差异。在 20~40 cm 土壤中免耕条件下 β-纤维二糖苷酶活性最低。相比于传统耕作，小麦-花生轮作 β-纤维二糖苷酶活性提高了 94.98%，比 0~20 cm 土层提升幅度略高。

在 0~20 cm 土层，4 种长期耕作措施 β-木糖苷酶活性由大到小排序为小麦-花生轮作＞免耕＞ 传统耕作＞深松（图3），与传统耕作相比，小麦-花生轮作和免耕分别提高了 49.52% 和 11.92%，而深松耕作处理则降低了 0.75%。研究发现，小麦-花生轮作的土壤 β-木糖苷酶活性显著高于其他 3 种耕作措施。在 20~40 cm 土层，传统耕作 β-木糖苷酶活性与其他 3 种耕作措施相比均无显著性差异，而小麦-花生轮作比免耕显著提高了 100.9%。

注：酶活性单位为 nmol/（h·g）

由图3 可知，在 0~20 cm 土层，小麦-花生轮作处理乙酰氨基葡萄糖苷酶活性最高，传统耕作处理最低，与传统耕作处理相比，小麦-花生轮作显著提高了 66.99%，免耕和深松乙酰氨基葡萄糖苷酶活性分别提高了 28.97%，15.45%，但未达到显著性差异。不同长期耕作措施对 20~40 cm 土层乙酰氨基葡萄糖苷酶活性的影响无显著性差异。

在 0~20 cm 土层中，不同长期耕作措施亮氨酸氨基肽酶活性的大小顺序为小麦-花生轮作＞免耕＞深松＞传统耕作（图3），相比传统耕作处理，小麦-花生轮作、免耕和深松亮氨酸氨基肽酶活性均显著提高了 20.54、16.97 和 16.37 倍。研究发现，小麦-花生轮作亮氨酸氨基肽酶活性也显著高于免耕和深松，而免耕和深松耕作二者之间无显著性差异。不同长期耕作措施对 20~40 cm 土层亮氨酸氨基肽酶活性影响无显著性差异。

由图3 可知，0~20 cm 土层，4 种耕作处理间碱性磷酸酶活性大小顺序为小麦-花生轮作＞免耕 ＞深松＞传统耕作，其中小麦-花生轮作和免耕处理均显著高于传统耕作。与传统耕作相比，小麦-花生轮作、免耕和深松碱性磷酸酶活性分别提高了 60.64%、28.62% 和 25.11%。4 种耕作处理碱性磷酸酶活性在 20~40 cm 土层无显著性差异。

2.5 不同耕作措施土壤肥力质量评价

雷达图能够清晰直观地表达多项指标的状态，雷达图坐标轴上的点距离原点越远，评价指标的状态越好，由各点围成的多边形面积越大，评价对象的整体水平越佳^[21-22]。不同长期耕作措施下土壤肥力指标隶属度函数值如图4 所示。在 0~20 cm 土层，pH、全磷和有效磷 3 项指标隶属度值较小，均在 0.5 左右，全氮、微生物量碳和酶活性等指标隶属度值较大，均高于 0.6。其中除了有机碳、全磷、硝态氮、有效磷、速效钾、微生物量碳和微生物量氮 7 项评价指标，其余土壤肥力指标隶属度值均以小麦-花生轮作措施最高。20~40 cm 土层各土壤肥力质量评价指标隶属度值大多低于 0~20 cm 土层。在 20~40 cm 土层中，阳离子交换量、有机碳、硝态氮和有效磷 4 项指标最高的隶属度值出现在传统耕作措施，其余指标则出现在小麦-花生轮作措施。从图4 可以看出，在 0~20 cm 土层小麦-花生轮作下各土壤肥力指标围成的多边形面积较大，免耕和深松耕作的居中，传统耕作措施的最小。在 20~40 cm 土层同样以小麦-花生轮作措施下多边形面积最大。

因此，在不考虑土壤肥力指标间权衡与协同关系的情况下，小麦-花生轮作措施土壤肥力质量优于其他 3 种耕作措施。而在实际情况中，不同指标对土壤肥力的影响是不同的，因此有必要对各项指标赋予不同的权重，进而实现土壤肥力质量综合评价。

2.6 不同耕作措施土壤肥力质量综合得分

为比较不同耕作措施下土壤肥力质量状况，本文选取了 17 项土壤肥力指标，采用隶属度函数计算单项指标的隶属度值，然后采用主成分分析方法确定指标权重，最后运用模糊数学中的加和相乘计算土壤肥力质量综合指数。主成分分析结果显示， KMO 值为 0.626，P 值为 1.2236×10^-28，达到了显著性水平。从 17 项评价指标中提取特征值大于 1 的主成分共 4 个，累计贡献率达 80.229%，满足了信息提取的要求（表4）。基于最大方差法旋转得到因子载荷，通过计算公因子方差占总方差的比得到各项指标权重（表4）。

将各项指标的隶属度值（图4）及权重（表4）代入公式（5），计算得出土壤肥力质量综合指数 （图5）。由图5 可知，0~20 cm 土层中长期不同耕作措施土壤肥力质量综合指数从大到小的排序为小麦-花生轮作＞免耕＞深松＞传统耕作，相比传统耕作，小麦-花生轮作、免耕和深松耕作处理土壤肥力质量综合指数显著提高了 51.09%、34.06%、 28.98%（P<0.05）。在 20~40 cm 土层中，小麦-花生轮作土壤肥力质量综合指数也高于传统耕作，而深松和免耕土壤肥力质量综合指数比传统耕作低，但未达到显著性水平。相比免耕，小麦-花生轮作和深松土壤肥力质量综合指数显著提升了 84.31%、 37.06%（P<0.05）。综上所述，在 0~40 cm 土层中，长期小麦-花生轮作下土壤肥力质量水平最高，免耕和深松耕作对于 0~20 cm 土壤肥力的提升有显著成效，而在 20~40 cm 土层免耕和深松耕作土壤肥力质量不如传统耕作。

3 讨论

3.1 不同耕作措施对土壤化学性状的影响

土壤有机碳能够提高土壤中其他养分的供应，是反映土壤质量的重要指标之一，其会受耕作方式等农田管理措施的显著影响^[23]。通过对比 4 种不同耕作措施下土壤有机碳含量，得出相较于传统耕作，免耕显著提高了表层土壤有机碳含量，这与李景等^[24]、王碧胜等^[25]的研究结果一致。保护性耕作措施下作物秸秆能够与土壤充分接触，在土壤微生物的作用下，秸秆被充分腐解，所以提高了土壤表层有机碳含量^[26]。而传统耕作模式在收获农作物后会移除秸秆，减少了土壤有机碳源。土壤全量养分可以反映土壤的供肥能力，研究发现，小麦-花生轮作的土壤全氮含量在 4 种耕作措施中最高，这可能是因为花生等豆科作物根系发达，游离态氮素易被根系固定，当根系腐烂后可以增加土壤中氮素和腐殖质含量^[27]。阳离子交换量可以反映土壤保持养分的能力，研究发现，小麦-花生轮作、免耕、深松土壤阳离子交换量均高于传统耕作措施，由此可见保护性耕作措施提升了土壤保肥能力。土壤速效养分是指植物可以直接吸收利用的养分，研究发现，相较于传统耕作，深松、免耕两种保护性耕作方式提高了表层土壤铵态氮、硝态氮、速效钾含量，这一点与前人的研究结果相一致^[28-29]。这可能是由于有机质对土壤氮素和钾素具有吸附性，保护性耕作在提升土壤有机碳的同时，吸附了更多的氮和钾，提升了氮和钾的有效性。

3.2 不同耕作措施对土壤生物性状的影响

土壤微生物是土壤生态系统中主要的分解者，参与土壤碳、氮、磷和硫等元素的循环和土壤矿化的过程^[30]。土壤微生物群落能够敏感地响应土壤扰动和外界环境的变化，土壤环境的变化会影响土壤微生物酶的分泌和呼吸代谢，进而影响土壤养分的循环^[31]。张凤云^[32]在黑河流域灌区农田研究发现保护性耕作明显提高了土壤微生物量碳、微生物量氮的含量。汪娟等^[33]同样研究发现 0~30 cm 土层中微生物量碳、微生物量氮含量均是免耕秸秆还田与秸秆还田处理大于免耕和传统耕作处理。本文的研究结果与前人类似。传统耕作下土壤中微生物量碳含量低于其他 3 种耕作措施，而且免耕、小麦-花生轮作下土壤微生物量碳含量显著高于传统耕作。这可能是因为秸秆覆盖促使作物根系的发育，根系分泌物的增加促进了土壤微生物的繁衍，从而有利于加快土壤养分的周转。土壤微生物能够释放各种功能酶从而驱动土壤碳、氮、磷的生物化学循环，从而影响作物对土壤养分的有效利用^[34]。本文发现免耕、深松、小麦-花生轮作下 0~20 cm 土壤 β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和碱性磷酸酶 5 种胞外酶活性均高于传统耕作，由此可间接反映保护性耕作下土壤养分状况要优于传统耕作。这与宋霄君等^[15]、邵运辉等^[35]、林玥等^[36]研究结果相一致。

3.3 不同耕作措施对土壤肥力质量的影响

通过计算土壤肥力质量综合指数可以对比不同耕作措施对土壤肥力影响的差异。杨一凡等^[6]采用改进的 Nemerow 综合指数法对比分析得出枸杞产区垄沟覆膜措施对改善土壤肥力质量有很大作用。曹伟鹏等^[37]采用因子分析法将 13 个土壤肥力指标因子归纳为 3 个公因子，研究得出翻耕覆膜措施在各耕作措施下土壤肥力质量综合得分最高。苗淑杰等^[7]采用聚类分析方法建立最小数据集，通过最小数据集和全量数据集综合评价得出翻耕 + 有机肥措施是构建合理耕层的有效措施。关于土壤质量综合评价的方法多种多样，但目前尚无统一的被广泛使用的方法，原因在于绝大多数方法无法同时做到准确和简单实用^[38]。隶属度函数可以实现土壤评价指标量纲归一化，使得不同指标间可以进行相互比较^[39]。本文得出土壤全氮、微生物量碳和 6 种微生物酶活性等指标隶属度值较大，反映了这些土壤质量状况较好；而土壤 pH、全磷和有效磷的隶属度值低于其他指标，由此可见这些指标是当地土壤质量的限制性因素。土壤肥力质量受诸多土壤因子的影响，为了科学高效地综合评价土壤肥力，找出影响较大的土壤肥力因子显得尤为重要^[16]。本文通过主成分分析法计算各项土壤指标权重发现，与碳循环相关的 β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶和 β-木糖苷酶活性是影响土壤肥力质量的主要因素，其次为与磷循环相关的碱性磷酸酶、有效磷和全氮，而微生物量氮和铵态氮的权重较小，均低于 0.05。因此，耕作措施能够通过影响这些指标促进土壤中养分元素的转化，进而提高养分利用效率。土壤肥力质量综合指数的计算结果反映出小麦-花生轮作、免耕、深松 3 种耕作措施下的 0~20 cm 表层土壤肥力优于传统耕作，这与吴玉红等^[40]、王淑娟等^[41]、苗淑杰等^[7]研究结果类似。免耕具有一定的土壤培肥作用，这是因为人为扰动次数的减少和秸秆分解、腐殖化后促进了有机质的形成。但前人研究发现，长期免耕容易造成土壤板结，阻碍土壤养分和水分的向下运行，本文研究结果表明，免耕后 20~40 cm 土壤肥力质量综合指数为 0.22，比传统耕作低 30.65%。小麦-花生轮作措施下 0~20 和 20~40 cm 土层土壤肥力质量综合指数表现最优。近年来研究表明，长期小麦连作措施对土壤消耗较大，而粮豆轮作模式能够充分调节作物对土壤肥力的利用效率，同时也促进土壤肥力的提升^[42]。因此，在豫西地区相比长期传统耕作，采用保护性耕作措施有尤为重要。

4 结论

本文基于豫西长期保护性耕作田间试验，选用 17 项土壤质量评价中使用频率较高的土壤化学和生物学属性指标。通过分析研究不同耕作措施下土壤属性的差异，采用隶属函数和主成分分析法计算了各耕作措施下土壤肥力质量综合指数，综合比较了不同耕作措施间土壤肥力质量的差异。结果表明：

（1）与传统耕作相比，免耕显著提高了 0~20 cm 土壤有机碳含量，免耕、深松和小麦-花生轮作显著提升了 0~20 cm 土壤全氮含量，降低了 20~40 cm 全磷含量。在 0~40 cm 土层小麦-花生轮作土壤 pH 显著低于传统耕作，硝态氮含量则显著高于传统耕作。

（2）与传统耕作相比，免耕和小麦-花生轮作显著提升了 0~20 cm 微生物量碳含量。在 0~20 cm 土层中，小麦-花生轮作比传统耕作显著提高了土壤酶活性，免耕和深松则显著提升了亮氨酸氨基肽酶活性。

（3）根据各指标隶属度值和权重计算表明， 0~20 cm 土壤肥力质量优于 20~40 cm，全氮、微生物量碳及酶活性等指标是影响土壤肥力质量的重要因素。从土壤肥力角度来看，与传统耕作措施相比，免耕、深松、小麦-花生轮作处理显著提高了 0~20 cm 土壤肥力水平。综上所述，与长期单一的传统耕作方式相比，小麦-花生轮作和深松、免耕保护性耕作更有利于豫西土壤资源的可持续利用。

参考文献