辽宁水稻高产耕层评价指标体系-团体标准编制说明

PAGE6PAGE一、工作简况（一）任务来源辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所，先后承接了国家科技部下达的国家重点研发计划课题“水稻高产耕层构建及地力保育关键技术研究”（课题编号：2017YFD0300707）、辽宁省自然基金课题“秸秆还田和耕作方式对水稻产量的影响及其对土壤理化性质的改善机制”（课题编号：2020-MS-045），在各相关单位的大力支持下，项目研究进展顺利。为充分发挥辽宁水稻高产耕层构建技术的优势作用，由辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所负责起草了《辽宁水稻高产耕层评价指标体系》团体标准草案。（二）协作单位本标准负责起草单位：辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所，全面负责标准研究和起草工作，全面征求意见、验证等工作。本标准参加起草单位：沈阳农业大学土地与环境学院协助完成标准起草工作。（三）主要工作过程本标准制定始于2020年10月3日，由辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所提出团体标准提案，经协会论证、审核后正式立项，建立了由辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所的有关专家组成的标准编写小组，并进行了详细的任务分工与合作。在课题已取得各项研究成果的基础上，又进行了广泛地调研，收集了有关水稻高产耕层评价指标的国家标准、行业标准和地方标准，进而提出了《辽宁水稻高产耕层评价指标体系》标准草案。其次是盘锦市质量技术监督局于2020年12月10日对标准草案进行了初审。根据初审及有关专家、部门、企业提出的建议和意见，标准编写小组对草案进行了修改与完善，形成了本标准的拟审稿。（四）标准主要起草人及其所做的工作标准主要起草人及其所做的工作详见表1。表1起草人员信息及分工姓名单位职务/职称分工曲航辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所副研究员总体负责标准编制4评价指标体系5.4综合指数计算孙文涛辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所研究员/所长1范围李波辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所副研究员5.2指标无量纲化金丹丹辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所副研究员5.3指标权重宫亮辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所研究员/副所长5.3指标权重刘艳辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所副研究员6数据来源6.1～6.5包红静辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所副研究员6数据来源6.6～6.10邢月华辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所研究员/主任2规范性引用文件张广才沈阳农业大学土地与环境学院副研究员5.1冗余分析二、标准编制原则和主要内容（一）标准编制的原则GB/T1.1-2020《标准化工作导则1（二）标准主要技术内容本标准的主要技术内容见表2。表2《辽宁水稻高产耕层评价指标体系》各章节主要内容章节主要内容0前言按标准格式编写相关内容。1范围明确了本标准的基本内容和适用范围。2规范性引用文件按标准要求列出了本标准引用的9个标准。3术语和定义定义了高产耕层。4评价指标体系对指标选取原则和指标体系构成提出了要求。5评价方法对指标冗余分析、权重确定和综合指数计算提出了要求。6数据来源对各指标数据来源提出了要求。三、主要试验（或验证）情况（一）主要数据来源主要数据来源详见表3。表3《辽宁水稻高产耕层构建技术规程》数据来源序号章节编号数据内容数据来源14.2耕层深度17～22cm“十三五”课题评价指标分析结果。24.2犁底层厚度8～10cm“十三五”课题评价指标分析结果。34.2＜10μm微团聚体组成35%～42%“十三五”课题评价指标分析结果。44.2有机质含量30～36g/kg“十三五”课题评价指标分析结果。54.2有效磷含量19～25mg/kg“十三五”课题评价指标分析结果。（二）试验情况1.方法辽宁省水稻调查区域为铁岭市铁岭县、沈阳市辽中区、辽阳市灯塔县和盘锦市大洼县。根据辽宁地区历年来水稻土壤肥力和生产力状况划分了高、中、低产水田。其中，产量大于10500kg/hm2为高产田、产量在6000～10500kg/hm2之间为中产田、产量小于6000kg/hm2为低产田。在施肥泡田前，挖掘高、中、低产水稻土剖面各12个，并采集土壤样品24组，在秋季测定相应水稻产量。冗余分析是一种约束化的主成分分析，即响应变量矩阵与解释变量矩阵之间多元多重线性回归的拟合值矩阵的主成分分析，也是多响应变量回归分析的拓展。冗余分析中两个箭头之间的夹角代表他们之间的相关性，锐角表现为正相关，钝角表现为负相关，箭头长度代表相关性的大小。本文采用冗余分析来研究水稻产量和土壤理化指标的相关性，利用指标和产量之间的相关性进行指标筛选。采用模糊综合评价对构建的水稻高产耕层指标体系进行量化评价。为解决构建的指标体系不能用具体的数字来进行量化分析的问题，采用模糊综合评价全面地评价体系内的各个指标，主要包括隶属函数、权重和综合指数的计算。（1）隶属函数：不同的指标在大小、单位和性质均可能不一样，需要一个方法来将它们标准化。采用隶属度函数将指标标准化，隶属函数的升降性由主成分矩阵各因子负荷量的正负性决定。升型函数：QUOTERXi=Xi降型函数：QUOTERXi=Ximax式1-1、式1-2中R(Xi)表示各肥力水平指标的隶属度值，Xi表示各肥力水平指标的测定值，Ximin和Ximax分别表示第i项指标中的最小值和最大值。（2）指标权重：指标权重表示该指标在体系内的相对重要程度，代表一个指标对整个体系贡献度的大小。采用主成分分析中的因子分析法来计算指标的权重。因子分析得到公因子方差，以此代表各公因子的贡献率大小。指标权重是通过计算各个指标的公因子方差占指标体系总方差的比值来表示。（3）综合指数：综合指数：QUOTEIFI=infi∙W式1-3中的IFI为综合指数，fi为第i个指标的隶属度值；Wi为第i个指标的权重，n等于指标个数。2.结果（1）高产稻田调查区域水稻产量本调查中铁岭、沈阳、辽阳和盘锦高产区域产量均超过10500kg/hm2，平均产量分别为12197kg/hm2、11592kg/hm2、12367kg/hm2和12232kg/hm2。（2）高产稻田调查区域土壤理化性状调查区域耕层深度范围在14～22cm，犁底层厚度范围在8～15cm。耕层土壤容重为0.70～1.25g/cm3。调查区域中土壤微团聚体组成主要集中在50-10μm和<10μm粒径，分别为26.80%～45.65%和28.80%～42.22；2000-250μm粒径组分最少，范围在4.67%～18.76%。依据耕地质量等级标准（GB/T33469—2016），将东北耕地土壤pH划分为5个等级＜5.5、5.6-6.5、6.5-7.5、7.5-8.5、≥8.5，调查区域耕层土壤pH范围在6.54～8.30，集中在四、五等；东北耕地土壤有机质划分为3个等级（≥20、10-20、＜10g/kg），调查区域土壤耕层有机质含量范围在19.27～36.50g/kg，集中在一等；根据雷秋良等（2019）研究中推荐的土壤全氮6级划分标准（≥2.0、1.5-2.0、1.0-1.5、0.75-1.0、0.5-0.75和＜0.5g/kg），调查区域耕层土壤全氮范围在0.96～1.77g/kg，集中在二、三等；依据土壤水解氮的6级标准（≥150、120-150、90-120、60-90、30-60和30mg/kg），耕层土壤水解氮含量范围在60.5～132.7mg/kg，集中在二等至四等。依据土壤有效磷6级划分标准（≥40、20-40、10-20、5-10、3-5和＜3mg/kg），耕层土壤有效磷范围在11.6～24.8mg/kg，集中在二、三等；依据土壤速效钾6级划分标准（≥200、150-200、100-150、50-100、30-50和＜30mg/kg），在调查区域土壤速效钾范围在73.5～129.7mg/kg，集中在三、四等。（3）冗余分析通过对铁岭、沈阳、辽阳和盘锦等高产稻区的水稻产量和土壤理化性状进行冗余分析后发现，全氮、水解性氮、有效磷、<10μm微团聚体、有机质、耕层深度、速效钾和pH与水稻产量呈正相关关系。根据上述指标与产量的夹角大小以及指标选取的简单、实用和可靠原则，最终选取<10μm微团聚体、有机质、耕层深度和有效磷进入指标体系；而250-50μm微团聚体、2000-250μm微团聚体、犁底层深度、50-10μm微团聚体与水稻产量呈负相关关系，根据指标选取原则，犁底层厚度在构建高产耕层中具有重要意义，最终选取犁底层厚度进入指标体系。图1辽宁高产稻田产量与土壤理化指标的冗余分析由图1-5可知，水稻产量与耕层深度显著正相关，y=0.0057x-51.71（R2=0.436），当水稻产量在9000～15000kg/hm2范围时，可得耕层深度为-0.41～33.79cm；水稻产量与犁底层厚度负相关，y=-0.0029x+46.062（R2=0.216），当水稻产量在9000～15000kg/hm2范围时，可得犁底层厚度为2.56～19.96cm。考虑到取值范围应与实际相符，需要将指标的理论计算范围与实际范围相结合来确定最终指标的取值范围。综合原始实际测量数据，最终得到辽宁高产耕层评价指标体系的耕层深度为17～22cm、犁底层厚度为8～10cm。图2产量与耕层深度和犁底层厚度的相关性（4）综合指数在指标体系的模糊评价中，以公因子方差占总方差的比值作为指标的权重，经过计算的到如表1-3所示的指标体系中各指标公因子方差及权重。其中，耕层深度、犁底层厚度、有机质、有效磷和<10μm微团聚体的权重分别为0.22、0.17、0.19、0.21、0.21。表4指标体系的公因子方差及权重指标公因子方差权重耕层深度0.960.22犁底层深度0.770.17有机质0.840.19有效磷0.940.21<10μm微团聚体0.940.21根据综合指数计算方法，得到的指标体系中高产稻田的指标综合指数（IFI）。辽宁水稻高产耕层评价指标体系在铁岭、沈阳、辽阳和盘锦市的12个采样点的IFI值变化范围在0.15～1之间，采样点都比较合理。图3高产稻田调查区域的综合指数通过辽宁水稻高产耕层评价指标体系的12个采样点IFI与产量进行相关性分析，12个采样点的IFI与水稻产量之间线性拟合的表达式为：y=891.77x+11636（R2=0.5248），说明该评价指标体系是较为合理的。图4综合指数与水稻产量的相关性分析3.结论第二次土壤普查结果显示，东北地区耕层深度平均为17.6cm，犁底层厚度为12.2cm，总体深度在29.8cm。我们的调查表明，耕层深度和犁底层厚度平均值分别为15cm和10cm，耕层变浅问题凸显。进一步依据高产稻田的区域调查数据，我们发现产量与耕层深度、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、<10μm微团聚体、速效钾等均正相关。可通过线性回归拟合，没有出现拐点，说明水稻耕层目前仍有增产潜力可以挖掘。一般而言，土壤有机质与全氮、碱解氮均显著正相关，因此只选取了有机质为核心参数。根据Pan等（2009）的提出的土壤有机质与产量的一元二次拟合关系，当土壤有机质含量为32g/kg时产量最高，但超过40g/kg产量有下降趋势，推荐有机质含量上限≤40g/kg。综上所述，辽宁水稻高产耕层评价指标体系的参数包括：耕层深度、犁底层厚度、有机质、<10μm微团聚体、有效磷。其中耕层深度为17～22cm，犁底层厚度为8～10cm。四、与国际、国外对比情况国际、国外目前无对应