江津区位于重庆市西南部，属于北半球中亚热带湿润季风气候区，年平均温度18.4 ℃，年平均降雨量为1 001.2 mm左右，地形以山地和丘陵为主. 花椒是该地区主要的经济作物，品种为九叶青花椒. 花椒种植时，栽培间距设置为2~3 m，采用“主枝回缩矮化密植”栽培技术，在花椒成熟收获时(5月下旬至7月上旬)一并剪下花椒果实和枝条，仅留树桩，萌发的新枝梢为来年的结果枝. 根据同步开展的农户调研，选择施肥管理接近的地块布点采集土样. 施肥管理平均水平控制在总施氮量约350 kg/hm²，总施磷量约220 kg/hm²，总施钾量约280 kg/hm².

根据重庆市江津区花椒分布面积，选择4个主产乡镇(先锋镇、蔡家镇、油溪镇、石门镇)，每个乡镇选取2~4个主产自然村进行布点采样. 土壤样品采集时间为花椒收获后的窗口期(2023年5月30日至2023年7月15日)，可有效避免施肥、灌水等的影响. 采集土壤样品均为灰棕紫泥土，由侏罗系沙溪庙组灰棕紫色砂泥岩母质发育，属初育土土纲、石质初育土亚纲、紫色土土类. 土壤样品采集按照代表性和典型性原则，每一样方内沿“S”形选择5株采样花椒树，采集树冠滴水线周围4个点的表层土样，采样深度为20 cm；将每个采样点的土壤混匀，剔除土壤中砾石、根系等，用“四分法”取土样约500 g装入已编码的采样袋. 取好的土样带回实验室进行风干处理，分别过1 mm筛、0.25 mm筛后备用.

本研究共测定土壤pH值、有机质、全氮、全磷、全钾等15项土壤肥力指标. 其中，土壤pH值采用电位法(土水比1∶2.5)测定，有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定，全氮采用凯氏定氮法测定，全磷采用钼锑抗比色法测定，全钾采用氢氧化钠熔融-火焰光度计法测定，全钙和全镁采用原子吸收分光光度计法测定，速效氮采用碱解扩散法测定，速效磷采用0.5 mol/L氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定，速效钾采用1 mol/L乙酸铵浸提-火焰光度法测定，速效钙和速效镁含量采用乙酸铵浸提-原子吸收分光光度法测定^[14].

通过主成分分析法，对已测定的15项土壤化学肥力指标进行降维，结合各主成分的因子负荷和标准化养分含量状况可以对土壤肥力水平综合得分进行计算，其计算公式为，

式中：Z_i为各主成分的得分；a_i为养分指标所占的因子负荷；X_i为标准化后的养分含量值；n为统计肥力指标的数量.

对土壤肥力指标通过统一标准化函数求得线性得分值，标准化函数使用S型隶属度函数和抛物线型隶属度函数^[15-16]，并根据主成分分析中肥力指标的权重进行土壤质量指数的计算. S型隶属度函数主要用于评价和土壤肥力呈正相关的肥力因子，包括全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁、有效铁、有效锰、有效铜和有效锌，其计算公式如下：

式中：a₁为指标的最小值；a₂为指标的最大值.

抛物线型隶属度函数主要用于有合理范围的土壤肥力指标，包括pH值、电导率和有机质等. 比如，花椒植株适宜生长的土壤pH值为6.0~7.5，过酸和过碱的土壤环境对于花椒的生长均不太理想. 土壤有机质的含量有一定的阈值；在阈值内，土壤肥力随有机质含量的增加而增加，而超过阈值后，土壤肥力随有机质含量的增加不再变化或略有下降. 抛物线型隶属度函数的计算公式如下：

式中：a₃为指标的最小值；a₆为指标的最大值；a₄为适宜值的下界；a₅为适宜值的上界.

土壤质量指数计算公式^[17]如公式(4)所示：

式中：N_SQI为土壤质量指数；X_i为土壤养分指标的权重；S_i为土壤指标的线性得分；n为统计肥力指标的数量.

数据经Excel处理和整理后，采用SPSS 18.0进行综合统计分析和主成分分析，用Origin 2021pro进行绘图.

不同林龄花椒地土壤的养分指标统计分析结果及不同镇土壤基础性质如表 1所示. 供试土壤整体呈酸性，土壤pH值最大为6.58. 土壤有机质平均为20.67 g/kg，按照全国第二次土壤普查养分分级评价标准，属于中等偏下水平. 全氮、全磷、全钾的均值分别为0.99，0.72，18.99 g/kg，属于中等水平. 碱解氮含量较为丰富，均值为101.00 mg/kg. 部分土样的碱解氮、有效磷和速效钾含量极高，最高值分别达到了396.74，258.34，732.50 mg/kg，且远超极高养分含量标准. 土壤有效金属微量元素含量丰富. 通过多年花椒种植，土壤养分水平有所提升. 同2006年土壤养分指标的均值相比，有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、有效铁、有效锰和有效铜含量均明显升高，有效锌含量变化不明显^[18]. 不同镇之间pH值、有机质、全氮、全钾、有效铜和有效锌差异不大，其中蔡家镇较另外3个镇土壤肥力情况更好，全磷、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙和有效锰的均值都较高. 油溪镇花椒地土壤有效铁含量较高，均值为125.21 mg/kg，全磷、碱解氮、有效磷和另外3个镇相比较为缺乏，均值分别为0.46 g/kg，85.04 mg/kg，41.02 mg/kg. 先锋镇花椒地土壤交换性镁含量较为丰富，均值为320.17 mg/kg.

主成分分析是在将肥力指标水平作为原变量的基础上进行的数据降维和变量挖掘，将多个变量通过降维转化为少数综合变量，对各个土壤肥力指标的主要成分^[18]进行提取. 对土壤的各个肥力指标进行相关性分析，经过KMO和Bartlett球形度检验，KMO的值为0.719，Bartlett球形度检验的相伴概率小于0.050，结果有统计学意义，说明各个肥力指标之间存在相关性，可以进行主成分分析. 由公因子方差可知，主成分包含了各肥力指标至少60.800%的信息量，在表 2各个肥力指标中，土壤有效磷的信息损失量最小，损失量为0.079，交换性钙的信息损失量最大，损失量为0.392. 综上分析可知，江津区花椒地土壤肥力变化的主要影响因子为有效磷.

使用SPSS软件对测定的15项土壤肥力指标进行主成分分析，结果如表 3所示. 提取出特征值＞1的主成分5个. 5个主成分的特征值分别为4.869，2.642，1.705，1.124和1.043，方差贡献率分别为32.463%，17.615%，11.364%，7.494%和6.951%，积累方差贡献率达到75.888%，可以较好反映土壤肥力的综合状况. 其中各个肥力指标在主成分中的权重有所不同，因子负荷越大在主成分中的权重也越大^[19]. 电导率、全氮、全磷、有效磷和速效磷在主成分1中因子负荷较高；有效铁、pH值、全钾以及交换性镁在主成分2中有着较高的因子负荷；有效铜和有效锌在主成分3中因子负荷较高；有效锰在主成分4中因子负荷较高；全磷、有效磷和交换性镁在主成分5中有较高的因子负荷.

将不同肥力指标含量数据和相应主成分得分系数进行求和，得到基于各主成分的养分综合得分^[20]，结果如表 4所示. 由于样品数量较大，因此将相同林龄的组类进行求和后求平均值，可得到不同林龄间的肥力评价综合得分，由此可根据肥力综合得分对花椒种植区土壤肥力进行综合评价. 得分越高，说明养分元素含量越高，土壤肥力情况越好. 林龄在15~20 a的花椒园地土壤肥力水平较高，主成分综合得分为4.526，平均综合得分为0.503；10~15 a林龄的花椒园地主成分综合得分为1.912，平均综合得分为0.050，土壤肥力情况居中；0~5 a和5~10 a林龄的花椒园地主成分综合得分分别为-1.590和-4.854，平均综合得分分别为-0.049和-0.139，土壤肥力情况较差. 综上可知，土壤肥力水平随花椒种植年限增加略有提升.

将测定的各土壤肥力指标数据进行标准化处理后进行相关性分析，结果如表 5所示. 其中，电导率和交换性钙以及有效铜无明显相关性，和全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、有效锰、有效锌呈极显著相关，和有机质、交换性镁、有效铁呈显著相关；全氮和交换性钙无明显相关性，和有效锰呈显著正相关，和全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性镁、有效铁、有效铜、有效锌呈极显著正相关；全磷和交换性镁、有效铜呈显著正相关，和全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、有效锰、有效锌呈极显著正相关；有效铜和有效锌呈极显著正相关，其余的指标之间存在不同程度的相关性.

最小数据集(Minimum Data Set，MDS)的构建首先将主成分分析的各个肥力指标按照最小数据集要求进行分组，提取每组主成分当中的因子负荷，留下因子负荷＞0.5的养分指标. 把主成分1中因子负荷较大的电导率、全氮、全磷、碱解氮、有效磷和速效钾归为组1；主成分2中因子负荷较大的pH值、全钾、交换性钙、交换性镁和有效铁归为组2；同理，有机质、有效铜和有效锌归为组3；有效锰归为组4. 筛选出每一组当中最高Norm指标的肥力因子，保留和最高Norm值相差10%以内的其余肥力因子，并进行相关性比较，若相关系数较高(r＞0.5)则剔除，反之则和最大Norm值的肥力因子一同保留到最小数据集. 通过上述步骤的筛选，最后进入最小数据集的指标包括有机质、全氮、全钾、交换性镁、有效铁、有效锰和有效锌，分组情况如表 6所示.

对最小数据集进行验证，通过回归分析(图 1)，表明全数据集土壤质量指数和最小数据集土壤质量指数之间呈显著正相关(R²=0.975)，证明最小数据集可以在评价土壤质量中反映全数据集的整体情况.

再次通过主成分分析得出最小数据集的公因子方差及权重，由表 7可知，最小数据集中全氮和交换性镁的权重较大，分别为0.179和0.171. 对全数据集和最小数据集的各个养分指标进行标准化后带入土壤质量指数计算式中，得出全数据集不同林龄间土壤质量指数为0.280~0.755，平均值为0.489；最小数据集的不同林龄间土壤质量指数为0.342~0.744，平均值为0.518.

土壤的肥力状况直接影响到花椒植株生长情况及产量，通过主成分分析得出，土壤有效磷的信息损失量最小，因此影响花椒地土壤肥力的主要肥力指标为有效磷，其次为全磷和全氮. 根据主成分分析综合得分结果，不同林龄花椒地土壤肥力水平从高到低依次为：林龄15~20 a、林龄10~15 a、林龄0~5 a、林龄5~10 a，土壤肥力情况随着花椒种植年限的增长略有提升. 将不同林龄花椒地的土壤养分指标与2006年江津区土壤养分指标进行比较^[20]，花椒栽培后有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、有效铁、有效锰和有效铜含量从13.30 g/kg，63.70 mg/kg，7.90 mg/kg，105.40 mg/kg，8.80 mg/kg，32.30 mg/kg，0.50 mg/kg增加到20.94 g/kg，100.49 mg/kg，67.02 mg/kg，327.58 mg/kg，105.37 mg/kg，55.28 mg/kg，1.50 mg/kg. 全国第二次土壤普查数据显示，江津区灰棕紫泥土土壤肥力指标平均值为：有机质含量9.21 g/kg、全氮0.47 mg/kg、全磷1.24 mg/kg、碱解氮23.00 mg/kg、有效磷4.80 mg/kg、速效钾71.00 mg/kg. 与表 1中数据相比，多年栽培花椒后土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾等指标都有明显提升，全磷含量略有下降，表明多年种植花椒可一定程度上有效提升土壤肥力水平^[21].

土壤质量是土壤综合属性的反映，是揭示土壤质地优劣和肥沃程度的重要参考指标，也是土壤为植物生长提供保水保肥能力的体现^[22-23]. 土地利用方式、耕作措施及施肥管理等都会影响土壤质量的情况^[24-26]. 胡琴等^[27]测定了土壤容重、有机质、全氮、有效磷、速效钾、全盐、pH以及蔗糖酶和碱性磷酸酶这9项土壤质量指标，通过主成分分析计算土壤质量指数，对不同开垦年限的黄河三角洲盐碱地进行土壤质量综合评价. 袁野等^[28]选取了26项涵盖土壤物理、化学、生物学性质的指标作为全量数据集，筛选出可用于东北黑土区农田土壤质量评价的最小数据集，由紧实度、平均质量直径、有机质、全磷、β-葡萄糖甘酶、N-乙酰葡糖胺糖苷酶构成，并指出不同耕作方式对黑土土壤质量指数的影响从大到小依次为：间隔深松、翻耕、传统耕作、免耕. 在本研究中，初步选取pH值、电导率、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁、有效铁、有效锰、有效铜、有效锌15项土壤化学肥力指标构建全数据集，通过相关性分析精简评价指标集合，选择有机质、全氮、全钾、交换性镁、有效铁、有效锰、有效锌7项指标进入最小数据集，评价了不同林龄花椒地土壤化学肥力及质量水平. 后续的研究工作中，还需进一步增加对土壤物理、生物学性质的关注，并开展多年定位检查，以期系统阐明多年花椒种植对土壤肥力及质量的影响.

土壤综合质量评价是通过主成分分析，对多个肥力指标进行降维，并建立最小数据集. 由于肥力指标之间单位和大小差异较大无法进行综合比较，因此需要对数据进行标准化处理，将肥力指标转换为0~1的数值，综合数值越大说明土壤肥力越好、质量指数越高^[28]. 主成分分析综合得分以及最小数据集的土壤质量指数(图 2)得出的结果，均表示土壤肥力水平和土壤质量指数随种植年限的增加略有增进，从高到低依次为：林龄15~20 a、林龄10~15 a、林龄0~5 a、林龄5~10 a，林龄0~5 a的花椒地土壤质量大于林龄5~10 a，可能是由于幼苗期施肥量较多. 唐海龙等^[29]基于川东丘陵区青花椒种植对土壤肥力的影响研究也发现种植青花椒具有显著的培肥效应，土壤肥力综合值随种植年限增长而升高，与本研究结果基本一致. 此外随着种植年限的增加，有效磷、速效钾、交换性镁、有效铜和有效猛的养分指标含量也有所升高.

基于全国第二次土壤普查江津区灰棕紫泥的化学肥力指标数据，进行主成分分析，结果如表 8所示. 将各肥力指标权重和肥力指标标准化值代入土壤质量指数计算公式，计算出灰棕紫泥土土种的土壤质量指数为0.237~0.315. 在本研究中，多年花椒种植后土壤质量指数为0.342~0.744，说明多年花椒种植对土壤质量提升具有一定促进作用. 值得说明的是，本研究工作是在花椒已发展成为当地特色农产品并已具有一定规模后，对花椒种植年限影响土壤肥力及质量的初步探索，以期为该产业的可持续发展提供数据参考.

土壤有效金属微量元素含量丰富，但部分土壤有机质偏低，有机质平均含量为20.60 g/kg，根据全国第二次土壤普查养分分级评价标准，其中三级有机质含量样品占37.60%，四级有机质含量样品占46.40%，可以增加花椒枝条的还田以及施用绿肥等措施进行改善. 样品采集区应结合土壤空间分布特征多配施有机肥，减少化肥施用量，以保证花椒绿色生产及土地资源的可持续利用.

根据不同林龄的不同主成分得分可知，土壤肥力的限制因子不同，应当通过相应的培肥措施来提高养分利用率和均衡性. 林龄0~5 a的花椒地土壤主成分2的综合得分最低，土壤肥力受到pH值、全钾和交换性镁的影响，应注重土壤酸碱度调节及钾肥和镁肥的相应补充；林龄5~10 a的花椒地土壤主成分1的综合得分最低，土壤肥力主要受全氮、有效磷和速效钾限制，可以在栽培过程中适量补充复合肥；林龄10~15 a的花椒地土壤主成分3的综合得分最低，土壤肥力受有效铜和有效锌影响较大，可以进行适量补充；林龄15~20 a的花椒地土壤主成分4的综合得分最低，土壤肥力的重要影响因子为有机质、碱解氮和交换性钙，应增施有机肥，改善土壤团粒结构.

同2006年土壤养分指标相比，花椒种植后有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、有效铁、有效锰和有效铜含量分别从13.30 g/kg，63.70 mg/kg，7.90 mg/kg，105.40 mg/kg，8.80 mg/kg，32.30 mg/kg，0.50 mg/kg增加到20.94 g/kg，100.49 mg/kg，67.02 mg/kg，327.58 mg/kg，105.37 mg/kg，55.28 mg/kg，1.50 mg/kg，提高了1.57~11.97倍，有效锌含量变化不明显；通过多年花椒种植，江津花椒种植区灰棕紫泥土土壤质量指数较全国第二次土壤普查时期从0.237~0.315增加到0.342~0.744，说明多年花椒栽培对土壤质量提升具有一定促进作用；综合全数据集和最小数据集的评价结果，不同林龄花椒地土壤肥力水平和质量指数从高到低依次为：林龄15~20 a、林龄10~15 a、林龄0~5 a、林龄5~10 a，意味着土壤肥力和质量随花椒种植年限增加表现出略有增加的趋势，但各差异间无统计学意义. 根据主成分分析结果得出，不同林龄花椒地土壤限制因子不同，应当通过相应的培肥和管理方式来提高养分利用率和均衡性.