不同土地利用方式下渭-庫綠洲土壤質量評價

王雪梅, 柴仲平, 毛東雷, 楊雪峰

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 新疆 烏魯木齊 830054;

2.新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室，

新疆 烏魯木齊 830054; 3.新疆農業(yè)大學 草業(yè)與環(huán)境科學學院, 新疆 烏魯木齊 830052)

不同土地利用方式下渭-庫綠洲土壤質量評價

王雪梅1,2, 柴仲平3, 毛東雷1,2, 楊雪峰1

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 新疆 烏魯木齊 830054;

2.新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室，

新疆 烏魯木齊 830054; 3.新疆農業(yè)大學 草業(yè)與環(huán)境科學學院, 新疆 烏魯木齊 830052)

摘要：[目的] 定量評價渭干河—庫車三角州綠洲(簡稱渭—庫綠州)不同土地利用方式下的土壤質量，為該區(qū)域土地資源的合理利用與規(guī)劃以及土壤質量的管理與治理服務。 [方法] 基于渭—庫綠洲實地采樣數據，利用土壤質量評價指標，采用土壤質量指數(SQI)綜合評價法，在ArcGIS 9.3軟件支持下對研究區(qū)土壤質量的空間分布狀況進行定量評價。 [結果] 不同土地利用方式下的土壤質量指數的平均水平存在顯著差異(p<0.05)，其土壤質量由高到低的順序依次為：林地>耕地>荒漠灌叢>鹽堿草地，其中林地的平均土壤質量指數為0.48，鹽堿草地的平均土壤質量指數為0.24。 [結論] 從空間分布上，渭—庫綠洲的土壤質量總體處于中低水平，只有研究區(qū)中部區(qū)域具有較高水平的土壤質量。不同土地利用方式下土壤質量差異明顯。

關鍵詞：評價指標; 土壤質量指數; 土地利用; 渭干河—庫車三角州綠洲

土壤質量是土壤在生態(tài)系統(tǒng)界面內維持生產，保障環(huán)境質量，促進動物與人類健康行為的能力，是土壤退化性過程和保持性過程的最終平衡結果[1-2]。合理的土地利用方式會使土壤結構得以優(yōu)化，因子間互相協調，使土壤肥力得到提升，地力得以保持，并增強了土壤對外界環(huán)境變化的抵抗力。而不合理的土地利用方式則會造成土壤結構破壞，因子失衡，地力下降，對土壤環(huán)境質量造成危害，間接影響農產品的質量安全。因此，土壤質量評價作為農業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究的重要內容之一，對土地資源的科學利用和管理具有重要的現實意義[3]。土壤質量的綜合評價涉及到諸多土壤因子，如何確定土壤質量評價指標一直是土壤質量評價的核心問題。但由于土地利用方式的多樣化和地域差別的存在，不同研究中所用到的具體質量指標都有所不同[4]。傅伯杰等[5]從流域角度出發(fā)研究土地利用變化對流域土壤侵蝕、土壤養(yǎng)分和土地生產力的影響，認為土地利用間的相互轉化是導致環(huán)境敏感區(qū)土壤質量發(fā)生變化的直接原因；李生等[6]對廣西省凌云縣典型石漠化區(qū)不同土地利用方式下的土壤理化性質進行了調查分析，結果表明，人為干擾是影響該區(qū)土壤理化性質的主導因素。馬志敏等[7]研究了黑河中游荒漠綠洲區(qū)不同土地利用的土壤養(yǎng)分效應，認為土地利用方式的轉換對土壤養(yǎng)分變化具有驅動效應。隨著社會經濟的迅速發(fā)展，土地資源的不合理利用引發(fā)了土壤退化、土壤養(yǎng)分貧瘠化和土壤污染等環(huán)境問題，如何構建普遍適用的多元生態(tài)化和動態(tài)化的土壤質量評價指標體系和評價模型已經成為研究的熱點問題[8-9]。綜上分析認為，在全球土地利用/覆蓋變化劇烈的背景下，研究土地利用變化對土壤質量的影響以及開展土地質量評價工作，對了解區(qū)域生態(tài)和糧食安全及全球環(huán)境變化尤為重要。近幾十年來，在全球氣候變暖的影響下，渭干河出山水資源量在逐年增加，受人類活動的影響，渭干河—庫車河三角洲綠洲的耕地資源也發(fā)生了劇烈變化。地表水資源大量引入人工綠洲后，灌區(qū)地下水位上升，導致綠洲天然植被退化，加之不合理的灌溉方式，綠洲土壤鹽漬化和沙化現象嚴重，土壤質量低下[10]。因此，了解和掌握該綠洲土壤質量狀況，對區(qū)域土地資源的合理開發(fā)具有重要的現實意義。通過對渭干河—庫車河三角洲綠洲不同土地利用方式下的pH值、電導率以及土壤養(yǎng)分(有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀)進行特征分析和綜合評價，可為區(qū)域土地資源的合理開發(fā)利用以及土壤質量的科學管理服務。

1研究區(qū)概況

渭干河—庫車河三角洲綠洲(簡稱渭—庫綠洲)位于新疆天山山脈與塔里木盆地之間，介于80°37′—83°59′E，41°06′—42°40′N。行政區(qū)域上包括新和縣的全部和庫車、沙雅縣的大部分綠洲范圍，為一典型而完整的扇形洪、沖積傾斜平原。渭干河出山后，為散流狀，受河流沖刷，三角洲形成4條大小不等的古河床，呈現崗洼相間的特殊地形，地下水埋深較淺，在強烈的蒸發(fā)作用下，土壤鹽漬化現象嚴重[11]。在土地利用方面，該三角洲綠洲為典型的綠洲農業(yè)區(qū)，以農業(yè)、經濟林及小規(guī)模漁業(yè)為主。主要作物以玉米、棉花、蘋果、紅棗、核桃等為主，另有蘆葦(Phragmitesaustralis)、豬毛菜(Salsolacollina)、駱駝刺(Alhagisparsifolia)、花花柴(Kareliniacaspia)、檉柳(Tamarixchinensis)和胡楊(Populuseuphuatica)等荒漠植被。

2數據來源與研究方法

2.1　數據來源

于2013年10月中下旬在渭—庫綠洲區(qū)域進行GPS定位采樣，在采樣過程中，根據田塊的土地利用方式和面積確定樣地的布局和采樣點數，并依據質量保證規(guī)范棄除異常數據后共選取78個樣點，樣點涵蓋了主要土地利用方式(耕地、林地、荒漠灌叢和鹽堿草地)。依據典型性和代表性原則，每個土地利用類型設置多個取樣點，每個取樣點設3個重復，并在0—20 cm土層深度進行采樣。在取樣的同時，采用實地測量和農戶走訪等多種形式，詳細調查該樣點的坡度、坡向、土層厚度、土地利用方式、植被類型、耕作制度及人為干擾情況等信息，并填寫采樣點調查表[12]。研究區(qū)主要土地利用方式及地表情況詳見表1。

表1　不同土地利用方式下的采樣點調查結果

在實驗室將采集的土樣自然風干，剔出土壤以外的侵入體(如植物殘茬、石粒、磚塊等雜質)，適當磨細過篩，充分混合均勻。室內分析參照中國科學院南京土壤研究所編寫的《土壤理化性質分析》[13]，采用經典分析方法測定土壤pH值、電導率、有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀等7項指標。各指標測定方法為：土壤pH值采值用土水比1∶5測定，電導率用電導率儀測定，有機質采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化容量法測定，全氮采用凱氏定氮法，堿解氮采用堿解擴散法測定，有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計法進行測定，所有測定項目均由新疆農業(yè)科學院測試中心完成。

2.2　研究方法

選取土壤pH值、電導率、有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀作為土壤質量的評價指標。運用SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件，對研究區(qū)不同土地利用方式下的土壤質量評價指標進行統(tǒng)計分析。通過隸屬度函數和相關系數法，計算各指標的隸屬度和權重，根據土壤質量指數公式可得到各采樣點的綜合土壤質量指數(SQI)。通過使用單因素方差(one-way ANOVY)分析方法，對不同土地利用方式下土壤質量指數(SQI)均值進行差異顯著性檢驗，并利用最小顯著極差法(LSD)進行多重比較，繪制不同土地利用方式下的平均土壤質量指數圖。最后，運用ArcGIS 9.3軟件地統(tǒng)計分析模塊對各采樣點土壤質量指數(SQI)值進行普通克里格插值，并做出研究區(qū)土壤質量指數空間分布插值圖。

2.2.1確定各評價指標的隸屬度采用土壤質量指數(SQI)計算不同土地利用下的土壤環(huán)境質量。土壤質量指數是土壤各指標的綜合和集成。由于土壤元素的變化具有連續(xù)性，故各評價指標采用連續(xù)性的隸屬度數并從主成分因子負荷量值的正負性，確定隸屬度函數分布的升降性[14]。根據研究區(qū)的實際情況，分別采用以下兩種隸屬度函數來確定評價指標的隸屬度。相應的隸屬度函數為：

(1) 戒上型隸屬度函數，土壤各養(yǎng)分指標屬于此類函數。

(1)

(2) 戒下型隸屬度函數，屬于這類函數的評價指標有電導率。其函數公式為：

(2)

結合研究區(qū)實際，以各指標的最小值和最大值作為函數的轉折點x1和x2。電導率、有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀的隸屬度轉折點取值詳見表2。

對于pH值隸屬度的確定不能簡單地用戒上型或戒下型隸屬度函數來確定。因為土壤的pH值在6.5～7.5之間最適宜作物生長，過高或過低都會抑制農作物的生長。故采用經驗法計算pH值的隸屬度，取值詳見表3[14]。

表2　隸屬度曲線轉折點取值

表3　pH值的隸屬度值

2.2.2評價指標權重的確定在評價指標權重的確定上，以往研究多采用特爾菲法和層次分析法來確定，這兩種方法受人為主觀因素影響較大。因此，選用相關系數法確定權重[15]。具體的計算方法為：首先計算單項評價指標之間的相關系數，然后求某評價指標之間相關系數的平均值，并以該平均值占所有評價指標相關系數平均值總和的比作為該單項評價指標的權重。

通過上述方法可計算得出各評價指標的權重分別為pH值(0.142 6)、電導率(0.129 3)、有機質(0.144 7)、全氮(0.146 1) 、堿解氮(0.148 0)、有效磷(0.147 7)、速效鉀(0.141 7)。由分析可知，電導率的權重系數最低，僅為0.129 3；堿解氮的權重系數最大，為0.148 0。說明在土壤質量評價中堿解氮的貢獻最大，電導率的貢獻最小。各評價指標的權重系數由高到低的順序依次為：堿解氮>有效磷>全氮>有機質>pH值>速效鉀>電導率。

2.2.3土壤質量指數根據各評價指標的權重和隸屬度計算各樣點綜合土壤質量指數值。土壤質量指數值越大，土壤質量越好。各采樣點的土壤質量指數(SQI)計算公式為：

(3)

式中：Wi——第i個指標的權重值;Ni——第i個指標的隸屬度; SQI——土壤質量指數;n——評價指標數。

3結果分析

3.1　不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分均值比較

利用SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件單因素方差分析(one-way ANOVY)方法，對不同土地利用方式下土壤元素進行差異顯著性檢驗，并利用最小顯著極差法(LSD)進行多重比較確定不同土地利用方式之間土壤元素均值的差異顯著性，分析結果詳見表4。

從pH值的平均水平來看，林地具有最高水平的pH值，而耕地的pH值相對最低，不同土地利用類型的土壤pH值的均值無顯著差異(p>0.05)；在不同的土地利用類型下，電導率的平均水平呈現出：鹽堿草地>荒漠灌叢>耕地>林地，荒漠灌叢與鹽堿草地的電導率無顯著差異(p>0.05)，且明顯高于耕地和林地的電導率；林地的土壤有機質和全氮在4種土地利用類型中具有最高水平的平均含量(分別為16.09和0.94 g/kg)、鹽堿草地的土壤有機質和全氮的平均含量最低(分別為7.48和0.37 g/kg)，不同土地利用類型之間，土壤有機質和全氮有顯著差異(p<0.05)；堿解氮和速效鉀在不同土地利用方式下無顯著差異(p>0.05)。有效磷在耕地和林地中的平均含量最高，主要因為渭—庫綠洲的農業(yè)發(fā)展以玉米、棉花和經濟林為主，為了提高產量施入了大量的以尿素和磷肥為主的無機肥料，鉀肥的折合量很少，以致耕地和林地土壤中有效磷的平均含量高于荒漠灌叢和鹽堿草地。從不同土地利用類型土壤養(yǎng)分的均值來看，林地的土壤肥力最高，鹽堿草地的土壤肥力最低。在不同土地利用方式之間，電導率、有機質和全氮的平均水平有極其顯著的差異(p<0.01)，有效磷差異顯著(p<0.05)，而pH值、堿解氮和速效鉀則差異不顯著(p>0.05)。

表4　不同土地利用方式下土壤元素均值比較

注：同一列中不同小寫字母代表不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分含量有顯著差異(p<0.05)，相同字母表示在此水平下無顯著差異(p>0.05)；**表示在0.01水平上有顯著差異，*表示在0.05水平上有顯著差異。

3.2　土壤質量綜合評價

根據公式(3)計算出不同土地利用方式下的平均土壤質量指數(SQI)，其中耕地為0.39，林地為0.48，荒漠灌叢為0.32，鹽堿草地為0.24。通過單因素方差分析中最小顯著極差法，對不同土地利用方式下土壤質量指數(SQI)均值進行差異顯著性檢驗和多重比較。分析認為，不同土地利用方式之間土壤質量指數(SQI)均值存在顯著差異(p<0.05)。在不同土地利用方式下，土壤質量指數(SQI)的平均水平由高到低依次為：林地>耕地>荒漠灌叢>鹽堿草地。土壤質量指數越大，說明土壤質量越好。因此，認為林地的土壤質量最高，鹽堿草地的土壤質量最低。

在SPSS 20.0軟件中，對各采樣點的土壤質量指數(SQI)做正態(tài)K—S檢驗后可知其服從正態(tài)分布，然后在GS+9.0軟件中做半方差函數分析，得知土壤質量指數(SQI)的最優(yōu)半方差函數理論模型為指數模型，模型決定系數(R2)達到0.727，殘差(RSS)小于0.01，滿足地統(tǒng)計學空間插值精度的基本要求，故使用ArcGIS 9.3軟件中的地統(tǒng)計分析模塊對研究區(qū)各采樣點土壤質量指數(SQI)進行普通克里格插值，并生成研究區(qū)土壤質量指數空間分布圖(圖1)。

圖1　研究區(qū)土壤質量指數空間分布

參照土壤質量指數(SQI)評價分級標準[16]，將渭—庫綠洲土壤質量分成以下5級：SQI≤0.30為Ⅰ級，土壤質量等級為極低；0.300.60為Ⅴ級，土壤質量等級為極高。由圖1可知，研究區(qū)土壤質量指數(SQI)從渭—庫綠洲中部向邊緣地帶逐漸過渡，并呈不斷降低趨勢。綠洲區(qū)域的土壤質量指數(SQI)值大都在0.50以下，只有部分區(qū)域的SQI值可達Ⅳ級水平，即三角洲綠洲中部區(qū)域。另有少數區(qū)域的土壤質量相對較高，SQI值最高可達0.69，土壤質量為極高類別?？傮w來說，渭—庫綠洲的土壤質量處于中低水平，只有少部分區(qū)域具有較高水平的土壤質量。

4討論與結論

(1) 由統(tǒng)計分析可知不同土地利用方式下的土壤元素平均水平存在一定的差異，其中，林地的土壤肥力要高于其他的土地利用類型，而鹽堿草地的肥力最差。由分析結果顯示，4種土地利用方式的pH值都為堿性，故渭—庫綠洲的土壤均屬堿性土壤類型，符合中國西北干旱地區(qū)土壤多為石灰性或堿性的特征。

(2) 分析不同土地利用方式下的土壤質量平均水平可知，渭—庫綠洲土壤質量由高到低的順序依次為：林地>耕地>荒漠灌叢>鹽堿草地。在4種不同的土地利用方式下林地土壤質量最高，鹽堿草地最低。即認為在不同的土地利用方式下，蘋果園、核桃園和棗園等林地結構為最佳的種植方式，有利于區(qū)域土壤質量的穩(wěn)定和提高，對合理、高效利用土地資源，提高土地生產力具有重要意義。

(3) 通過分析土壤質量指數空間分布圖可知，目前渭—庫綠洲的土壤質量多處于中低水平，只有少部分區(qū)域處于高土壤質量水平，極高水平的土壤質量區(qū)域極少出現。

(4) 不同的土地利用方式對土壤質量的影響具有顯著的區(qū)域差異性，土壤質量綜合評價可揭示人類活動對土壤環(huán)境變化影響的區(qū)域差異，可在一定程度上解釋“人—地”關系的復雜性[16]。本研究通過綜合指數法定量分析了渭—庫綠洲土壤質量與土地利用結構之間的關系，研究結果表明，不同土地利用方式下的土壤質量有顯著差異，土地利用結構不同，土壤質量不同。同時，土壤質量也成為區(qū)域土地利用過程中的重要限制因素。因此，因地制宜制定合理的土地利用結構，可為提高該區(qū)域土地生產力提供科學依據[17]。

[參考文獻]

[1]潘根興.地球表層系統(tǒng)土壤學[M].北京:地質出版社,2000:47-49.

[2]張學雷,張甘霖,龔子同. SOTER數據庫支持下的土壤質量綜合評價:以海南島為例[J].山地學報,2001,19(4):377-380.

[3]桂東偉,穆桂金,雷加強,等.干旱區(qū)農田不同利用強度下土壤質量評價[J].應用生態(tài)學報,2009,20(4):894-900.

[4]貢璐,張雪妮,呂光輝,等.塔里木河上游典型綠洲不同土地利用方式下土壤質量評價[J].資源科學,2012,34(1):120-127.

[5]傅伯杰,陳利頂,馬克明.黃土丘陵區(qū)小流域土地利用變化對生態(tài)環(huán)境的影響:以延安市羊圈溝流為例[J].地理學報,1999,54(3):51-56.

[6]李生,任華東,姚小華.土地利用方式對桂西北石漠化地區(qū)土壤理化性質的影響[J].水土保持通報,2013,33(3):58-62.

[7]馬志敏,呂一河,孫飛翔,等.黑河中游荒漠綠洲區(qū)土地利用的土壤養(yǎng)分效應[J].生態(tài)學報,2013,33(19):6328-6334.

[8]李新舉,劉寧,張雯雯,等.黃河三角洲土壤質量自動化評價及指標體系研究[J].中國生態(tài)農業(yè)學報,2007,15(1):145-148.

[9]Sumfleth K, Duttmann R. Prediction of soil property distribution in paddy soil landscapes using terrain data and satellite information as indicators[J]. Ecological Indicators, 2008,8(5):485-501.

[10]王芳芳,楊涵.基于RS和GIS的新疆渭干河三角洲的耕地及鹽漬化分析[J].冰川凍土,2009,31(4):72-79.

[11]喬木,周生斌,盧磊,等.新疆渭干河流域土壤鹽漬化時空變化及成因分析[J].地理科學進展,2012,31(7):904-910.

[12]劉光崧.土壤理化分析與剖面描述[M].北京:中國標準出版社,1996：31-37.

[13]中國科學院南京土壤研究所.土壤理化性質分析[M].上海:上?？茖W技術出版社,1978.

[14]張汪壽,李曉秀,黃文江，等.不同土地利用條件下土壤質量綜合評價方法[J].農業(yè)工程學報,2010,26(12):311-319.

[15]謝瑾,李朝麗,李永梅,等.納板河流域不同土地利用類型土壤質量評價[J].應用生態(tài)學報,2011,22(12):3169-3176.

[16]吳文斌,楊鵬,唐華俊.土地利用對土壤性質影響的區(qū)域差異研究[J].中國農業(yè)科學,2007,40(8):1697-1702.

[17]潘佩佩,楊桂山,蘇偉忠.土地利用變化對土地生產力的影響研究進展[J].地理科學進展,2012,31(5):539-550.

Evaluation of Soil Quality in Weigan-Kuqa River Delta Oasis Under Different Land Use Patterns

WANG Xuemei1,2, CHAI Zhongping3, MAO Donglei1,2, YANG Xuefeng1

(1.CollegeofGeographyScienceandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi,Xinjiang830054，China; 2.XinjiangUygurAutonomousRegionKeyLaboratory，XinjiangLaboratoryofLakeEnvironmentandResourcesinAridZone，Urumqi,Xinjiang830054，China; 3.CollegeofPrataculturalandEnvironmentalScience,XinjiangAgricultureUniversity,Urumqi,Xinjiang830052，China)

Abstract：[Objective] Quantitative evaluation of soil quality under different land use patterns of the Weigan—Kuqa river delta oasis was carried out in order to serve the rational use and the planning of regional land resources, as well as the management and control of soil quality. [Methods] Based on the sampling data of different land use types in the Weigan—Kuqa river delta oasis, the spatial distribution of soil quality in the study area was evaluated quantitatively using soil quality evaluation index and the integrated evaluation method of soil quality index(SQI) with the support of ArcGIS 9.3. [Results] There were significant differences in the averaged soil quality index between different land use patterns(p<0.05). The soil qualities of different land use types ranked as: forest>cultivated land>desert shrub>alkaline grassland. The averaged soil quality index of forest and alkaline grassland were 0.48 and 0.24, respectively. [Conclusion] The overall soil quality of the Weigan—Kuqa river delta oasis was evaluated as middle or low level, except a little high level was observed at the central region of the study area. The differences of soil quality were significant among different land use patterns.

Keywords:evaluation index; soil quality index; land use; Weigan-Kuqa river delta oasis

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0319-05

中圖分類號：X825， S158.2

收稿日期：2014-06-10修回日期：2014-07-20

資助項目：國家自然科學基金項目“新疆渭干河流域土地利用/土地覆蓋生態(tài)風險及預警研究”(41261051); 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室開放課題(XJDX0909-2010-08)

第一作者：王雪梅(1976—),女(漢族),江蘇省銅山縣人,博士,副教授,碩士生導師,主要從事干旱區(qū)資源環(huán)境遙感技術應用研究。E-mail: 502529672@qq.com。