濱海圍墾平原區土壤質量時空演變及其影響因素分析——以浙江省慈溪市為例

王建慶，馮秀麗，李加林，項 璐

（寧波大學 建筑工程與環境學院，浙江 寧波315211）

土壤是地球生物圈的重要組成部分，是農業和自然生態系統的基礎［1］。土壤作為人類進行土地生產的對象，研究其演變特征對土地質量的改善與土地可持續利用具有重要意義［2］，也是農業可持續發展的根本保證［3］。土壤養分的空間分布特征直接影響著該地區土壤生產力的高低和生態恢復的途徑和方向［4］。土壤質量的特點及其時空演變成為當前全球資源可持續發展領域研究的重點之一［5］。近幾年來，國內外在對不同尺度上的土壤質量空間演變的研究逐漸增多，也取得了一定的成果。李加林等［6］以整個土壤發生層為研究對象，探討了土地利用變化對土壤發生層質量演化的影響。張甘霖等［7］對城市化過程中土壤質量的演變及其生態環境效應進行了系統的研究，為我國城市化可持續發展提供了一定的理論依據。連綱等［8］分析了土壤質量和可持續土地利用管理的相互關系，并提出了二者研究的發展趨勢。Cambardella等［9］選取了28個土壤參數，對美國依阿華中部土壤的田間尺度變異性進行了研究。目前，國內外的相關研究主要集中在空間的維度，跨越較長時空的土壤質量演變特性研究較少。本文以浙江省慈溪市為例，結合1982年第2次土壤普查數據，探討30a間慈溪市濱海圍墾平原區土壤質量時空演變的特征及其影響因素，可為土壤生態過程研究以及最終制定合理的土地管理對策提供科學的參考基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

慈溪市位于浙江省東北部，北與上海隔海相望。地勢南高北低，呈丘陵、平原、灘涂3級臺階狀朝杭州灣展開。慈溪市大部分土地均通過圍海造田以及淤泥質灘涂發育形成，在人類長期耕作的過程中，通過不斷的排水脫鹽、灌溉施肥以及土地利用方式的不斷轉變，使土壤的結構發生著深刻的變化。

1.2 樣品采集與測定

為分析慈溪市土壤特性的時間變化規律，以1982年全國第2次土壤普查數據為基礎，對1982年慈溪部分采樣點進行定點配對采樣。為確定30a前采樣點現在的具體位置，首先將第2次土壤普查采樣點分布圖進行掃描并與慈溪市土地利用現狀圖進行幾何校正與疊加。根據土地利用現狀圖，選取土地利用方式未發生重大變化的點進行采樣。

同時，為了解慈溪市土壤的空間變化規律選取了典型區域進行采樣，采樣選用格網法。采樣區位于長14km，寬2km的矩形范圍內，分為間距為3.5km的A，B，C，D這4個區域，采樣方向垂直于圍墾歷史方向，從南到北按圍墾時間由長到短。

定點配對采樣和典型區采樣均采集土壤表層深10cm的土壤。在采樣過程中記錄采樣點的坐標和田間作物的種植情況，并通過田間詢問的方式獲取近幾年來采樣點周圍土地利用方式、時間信息以及目前的施肥情況。為了排除因農作物輪作而導致土壤養分的時間差異，定點配對采樣特地選取與1982年土壤普查相同時間段進行。采樣時使用亞米級手持GPS-S750G2進行準確定位，其中定點配對采樣點40個，典型區采樣點93個，共計采樣點133個。

采集后的樣品首先進行風干處理，并在樣品風干后揀去動植物殘體及石塊，以減少實驗誤差。樣品風干后進行研磨粉碎、過篩，測定不同的指標需要過不同的篩，制成分析樣品。為減少因分析方法不同而造成實驗結果的差異，盡量選取與1982年相同的實驗方法進行實驗。有機質、全氮、速效磷、速效鉀、電導率、pH值分別采用重鉻酸鉀—硫酸銀催化容量法、半微量開氏法、比色法、四苯硼鈉比濁法、電導法和電位法。

1.3 土壤質量評價方法及模型

由于土壤類型、利用方式的差異，到目前為止，土壤質量的評價方法還沒有統一的標準，也沒有固定的方法［10－12］。考慮到研究區土壤的形成特點以及農業生產性質，同時結合第2次全國土壤普查的測試項目，選取有機質、全氮、速效磷、速效鉀、電導率、pH值6個土壤指標作為土壤生產質量的參評因子。為了消除各參數之間量綱的差別，將參數進行標準化處理。經過比較篩選，采用以下方法進行計算處理：

當評價因子值屬于“極差”級，即Xi≤Xmin時，Pi＝Xi／Xmin，其中Pi＜1；當評價因子值屬于“差”級，即Xmin＜Xi≤Xmid時，Pi＝1＋（Xi－Xmin）／（Xmid－Xmin），其中1≤Pi＜2；當因子值屬于“中等”級，即Xmid＜Xi≤Xmax時，Pi＝2＋（Xi－Xmid）／（Xmax－Xmid），其中2≤Pi＜3；當評價因子值屬于“良好”級，即Xi＞Xmax時，Pi＝3。上述各式中，P為單質量指數，Xmax為“良好”級分級標準，Xmid為“中等”分級標準，Xmin為“差”級分級標準，i為評價因子（其中i＝1，2，3，4，5，6）。由于本地屬于鹽堿性土壤，pH 值及電導率與土地生產力呈負相關，因此電導率和pH值的分級標準與其他4個指標又有所不同。各評價因子的分級標準主要參考已有的研究成果［5，13］和全國第2次土壤普查養分分級標準（表1）。

表1 土壤質量評價因子分級標準

為避免采用簡單的加和法、平均值法及加權平均法等計算方法的主觀因素影響，本次評價采用修正過的內梅羅（Nemoro）公式［13］：

式中：Q——土壤質量評價指數；ˉPi——樣品中單質量指數的均值；Pimin——各種樣品單質量指數的最小值；n——參評因子個數。

經過修正后的內梅羅（Nemoro）公式一方面突出了土壤評價因子中最差因子對土壤質量的影響，另一方面，增加了修正項（n－1）／n后，提高了該評價結果的可信度。運用修正后的模型對研究區1982年土壤普查資料和2012年配對土壤采樣樣品進行計算，將土壤質量分為4級：優（Q≥2.0），良（1.5≤Q＜2.0），中（1.5＜Q≤1.0），差（Q＜1.0）。

2 土壤特性時空演變結果與分析

2.1 土壤特性時間總體演變趨勢

對比1982年和2012年兩次采樣調查的結果不難發現，土壤總體變化水平較為明顯（表2）。除速效磷、pH值外，有機質、全氮、速效鉀、電導率平均水平均呈現下降趨勢。速效磷上升趨勢明顯，由1982年的7.63mg／kg上升到2012年的22.99mg／kg，上升了201.30%。同時，土壤相同特性的空間差異性也有所變化，其中有機質、速效磷、pH值的標準差變大，全氮、速效鉀、電導率的標準差減小。

表2 1982－2012年慈溪市土壤質量變化

1982—2012年，有機質、速效磷、速效鉀、電導率、pH值的單質量指數均在1.50以上，質量屬良級。所有樣品中，平均單質量指數最小，下降量最多的是全氮，其均值僅為1.36，屬中級水平。有機質、全氮、速效鉀、pH值的單質量指數均有一定程度的下降，其中全氮的單質量指數下降最為明顯，下降量為1.03。說明土壤全氮損失較為嚴重，全氮已成為提高土壤質量的限制性因子。速效磷、電導率的單質量指數呈現上升的趨勢。由表3可知，2個時間點中土壤綜合質量也有下降的趨勢，綜合質量指數由1982年的1.72下降到2012年的1.44，下降量為0.28。土壤質量等級由良級下降到中級。根據已有的研究成果［6］，1982—2003年慈溪市土壤質量下降量為0.22。表明慈溪市土壤質量在這幾年中一直處于下降的趨勢。

表3 1982－2012年慈溪市土壤質量單因素評價指數與總體綜合評價指數

2.2 土壤特性空間演變規律

從A，B，C，D這4個區的樣品分析結果來看，慈溪市土壤特性空間變化較為明顯（表4），所選取的6個土壤特性指標，從南到北呈現下降的趨勢。A區的有機質在4個區域中含量最高，全氮略低于B區和C區。B區6個土壤特性值基本水平一致，在4個區域中基本保持在中上水平。C區的速效磷，D區的速效鉀、電導率、pH值發生了較大的變異，高于其他3個區域的數值；就采樣點的差異性而言，有機質從南到北的方差變化逐漸增大。說明南部與北部相比不同區域的土壤有機質含量差異明顯。而A區和D區的速效鉀、電導率方差值也明顯高于B區和C區，A，D區域不同采樣點的速效鉀值差異性也較大；全氮、速效磷在相同地區的空間差異性與其他幾個區域相比并不是十分明顯。

按照土壤質量評價方法，分別將A，B，C，D這4個區域的分析結果進行處理、計算，比較發現，典型區域的土壤質量呈現以下特點：

4個區域的土壤質量指數維持在1.18～1.43，質量水平屬中等，從南部平原到北部海涂地帶質量指數基本依次呈現下降趨勢（圖1），其中C區質量指數為1.43，略高于其他3個區域。說明C區土地質量最好，A，B，D這3個區域土地質量依次呈現下降的趨勢。D區海岸灘涂地帶的土壤質量指數僅1.18，剛剛達到中等級別的水平。

表4 采樣區土壤質量變化

圖1 土壤質量指數變化趨勢

就土壤單質量指數來說，有機質從南到北依次呈現下降的趨勢；全氮、速效磷、電導率、pH值指數雖出現波動也基本呈現由南向北依次降低的趨勢。速效鉀的單質量指數最高值2.81，出現在海岸灘涂地帶的D區，A，C區域單質量指數水平相差不大，B區1.25略低于其他3個區域。就6個土壤指標的單質量指數平均值來講，速效磷和電導率的單質量指數平均水平最高，分別為2.60和2.79。全氮的單質量指數平均水平最低為1.20，與前文的研究成果基本保持一致，全氮依然是提高土壤質量的限制性因子。從分析的結果來看典型區土壤質量的變化規律為：有機質、全氮、速效磷、速效鉀、電導率、pH值水平基本呈現由北到南依次提高的趨勢。土壤質量總體水平處于中等水平，質量基本從北到南依次提高。

3 土壤特性變化原因討論

3.1 土地種植模式的影響

隨著經濟的發展、人口的增長，慈溪市的農業產業結構同30a前相比發生了較大變化，在40個配對采樣點中，土地種植模式發生變化的點有39個，僅有1個未發生變化，主要表現為棉田和水稻田的減少和菜地、果園、花木地的增加。

通過表5對比分析可以看出，棉田改為草地，土壤質量有所提高。棉田改為草地后土壤綜合質量指數上升了0.24。土壤質量的上升主要表現為速效磷、速效鉀指數的上升，在改為草地之后，土壤投入、管理發生了明顯的變化。特別是有機肥、化肥等的使用，補充了地力；草地上所種植的草皆為景觀用草，很長一段時間未有產出，使土壤綜合質量得到了一定程度的改善。棉田改為荒地和菜地后，土壤質量雖有一定程度的提高，但是質量指數上升并不明顯，引起質量指數上升的主要是電導率單質量指數的升高，在近30a中通過不斷的淋洗土壤中的過多鹽分，使得土壤中的全鹽量不斷下降，因此導致電導率單質量指數的上升。其他因子的單質量指數上升并不明顯。全氮、速效鉀的質量指數反而有一定程度的下降，因此棉田改為荒地和菜地之后土壤綜合質量指數上升不明顯。

水稻田、荒地改為菜地、花木林地、桃園等種植模式之后，土壤質量均有一定程度的下降。經分析認為，這主要與慈溪市特殊的土地種植模式有關。由于慈溪大部分土地是圍墾造田形成的土地，土壤中的鹽分較高，為了達到種植要求，大部分土地都進行了灌淡排咸工程。在淋洗鹽分的同時，使得耕層易溶土壤養分下滲到下層土壤，造成表層土壤養分含量的下降。在部分水田地帶，開挖深溝，促進排水的流暢。耕作方式在80年代后期也發生了比較大的變化，以前只是進行土壤表層的淺耕，現在大多采用大馬力拖拉機進行深耕操作。這些原因都導致土壤養分的下沉，使30a前的表層土壤和現在相比有著較大的差距。水田、棉田變為荒地之后，土壤缺少養分的輸入，僅靠腐殖質、雨水等與外界進行養分的交換，同時表層土壤養分也在不斷的流失，使土壤綜合指數降低。

從表6可知，典型區土地種植模式不同，土壤綜合指數亦不相同，由低到高分別為花木林地、荒地、菜地、草地、桃園，采樣區的花木林地所種植的樹木一般屬于景觀樹木，采樣點多位于北部靠海地帶。為了便于排水，用地內部溝壑縱橫，導致部分土壤表層養分流失，其中全氮的流失尤為嚴重。花木林的全氮平均值僅為1.04，同時種植樹木多為常綠景觀樹木，有機質積累較少，缺少養分的輸入，因此導致花木林地土壤質量指數偏低；菜地土壤指數偏低是由于每年蔬菜多茬收獲，會引起營養元素的輸出大于輸入，引起土壤指數偏低；草地用途主要是種植了用于出售的景觀草坪，因此施肥量、腐殖質較多，同時產出較慢，因此土壤養分積累較多，質量較好；桃園用地主要以果樹培育為主，有機肥以及其他肥料施肥較多，同時受季節限制，采樣時還未有桃子產出，土壤綜合質量較高。

表5 土地種植模式對土壤質量影響的評價指標值

表6 2012年不同土地種植模式下的土壤質量指數

海水中硫酸鉀的比例達到了2.5%，海水中鉀元素含量較豐富。由于慈溪市大部分土地是圍海造田形成，因此新圍墾的D區速效鉀才會呈現出較高的狀態。B區種植作物多為豆科類，豆科類為喜鉀類作物，對鉀的吸收量較多。經過長時間圍墾后B區農作物對鉀吸收量較多，因此B區土壤中的速效鉀含量呈現比較低的狀態。

3.2 圍墾時間的影響

為探究圍墾時間對土壤質量演變的影響，分別選取A，B，C，D這4個區中種植模式相同的點進行分析。從表7可知，從南到北，土壤質量指數基本呈現下降的趨勢。隨著圍墾時間的增長，人類活動逐漸加劇，表明人類活動亦深刻地作用于海涂圍墾區土壤并對其特性產生了直接的影響。有機質、全氮、速效磷、電導率、pH值的單質量指數基本符合圍墾歷史越長單質量指數越高，圍墾歷史越短單質量指數越低的規律。

從較長的跨度時間來講，隨著圍墾時間的不斷增長，土壤受人為干擾不斷加劇，為了種植的需要有機質的積累逐漸增多，以及人為施肥因素的影響，土壤熟化程度越來越高。在較長的時期內有機質、全氮等養分的輸入量大于輸出量，使得有機質、全氮含量提高。土壤中的磷元素主要來源是人工施肥以及以有機態的形式存在于植物殘體內，其他主要來源于成土母質。速效磷與其他的養分不同，其在土壤中的移動性較小，如若無人為影響速效磷在土壤中的含量應該是逐漸增加，因此隨著圍墾年限的逐漸延長，速效磷的含量也基本呈現逐漸增多的態勢。圍墾初期土壤中的全鹽含量、pH值較高不適合種植農作物，隨著圍墾時間的增長，不斷地進行土壤脫鹽的工作，使得土壤中的鹽分逐漸降低，因此圍墾時間的長短直接影響了土壤電導率和pH值的高低。

表7 2012年相同土地種植模式下不同地區的土壤質量指數

3.3 土壤管理的影響

不同的土壤管理方式對土壤質量的演變也有很大的影響。在土壤管理中，土壤耕作、灌溉、施肥、農藥、地膜、秸稈等都能夠引起土壤質量的變化。合理的土壤耕作能夠使農業實現增產增收，不合理的土壤耕作能夠降低土壤肥力，導致土壤質量的下降。同樣，合理的施肥灌溉、噴灑農藥能夠實現作物增產增收，防止病蟲害的發生，不合理的施肥灌溉、噴灑農藥，不僅不能提高土地的收益，而且能夠造成環境的破壞，降低土壤質量。B區部分采樣點位于城鎮中，土壤的耕作、施肥等并沒有形成規模化的管理方式，同時由于地塊較小，灌溉用水很多都是生活污水，因此導致B區土壤綜合質量指數相對較低。

據研究，水稻秸稈根茬就地還田，每年將有一定含量的有機碳留在土壤中，進入養分再循環，無論對下茬作物的生長及土壤培肥都起到了很大的作用，能夠影響土壤的理化性狀。研究區的水稻秸稈都是就地還田處理，這也是水稻田的土壤綜合指數偏高的原因之一。在圍墾初期為了盡快使土壤達到種植的要求，實施了一系列的土壤質量改良措施，如增施有機肥、補充氮肥等，這在一定程度上對土壤的特性的演變都起到了推動作用。

4 結論

綜上所述，慈溪市近30a來土壤質量呈逐漸下降的趨勢，其中全氮損失較為嚴重；平均每年的土壤綜合質量指數下降約為0.01。引起土壤質量下降的主要原因是土地種植模式、土壤管理的影響。集中表現為，由糧食作物轉變為經濟作物，土壤質量普遍下降；空間上，從南到北，土壤質量呈階梯狀依次下降，土壤綜合質量指數平均每10km下降量約為0.13，其中種植模式、圍墾時間、土壤管理是影響土壤質量變化的主要因素。在今后的土壤管理中，應該科學用水配肥，增施有機肥和氮肥，保持土壤肥力的平衡與可持續性；推廣可持續性耕作技術，強化田間管理；同時注重發展現代都市農業，提高土壤質量與利用效益的有機結合。

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