土壤質(zhì)量空間變異規(guī)律及驅(qū)動(dòng)因子研究

劉 哲

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075；3.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075)

1 引言

關(guān)中地區(qū)是位于陜西中部秦嶺以北、黃土高原南緣的渭河沖積平原，河流縱橫，氣候適宜，土層疏松，土壤肥沃，具有悠久的農(nóng)耕歷史，是華夏文明的發(fā)祥地之一。由于具有優(yōu)越的自然氣候條件和悠久的農(nóng)耕基礎(chǔ)，適宜多種綠色作物的生長(zhǎng)，自古以來就是陜西糧棉油果菜等多種農(nóng)作物的主要產(chǎn)區(qū)，已經(jīng)成為陜西乃至全國(guó)重要的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)和人口聚集地[1，2]。然而，在長(zhǎng)期的社會(huì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐過程中，人為因素對(duì)當(dāng)?shù)赝寥蕾Y源與生態(tài)環(huán)境留下了深刻的烙印，由于人口的不斷增長(zhǎng)和土地面積的銳減，土地高強(qiáng)度、集約化及化學(xué)物質(zhì)的大量使用，使土壤出現(xiàn)了一些亟待研究和解決的重要科學(xué)問題。由于土地利用強(qiáng)度日益劇增，土地的集約化經(jīng)營(yíng)與使用程度在不斷提高，休耕期縮短甚至消失，顯著增加了土壤質(zhì)量潛在退化的風(fēng)險(xiǎn)[3，4]。

土壤的質(zhì)量好壞是關(guān)乎糧食安全和未來人類健康可持續(xù)發(fā)展的根本保障，土壤資源的質(zhì)量和數(shù)量對(duì)于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)家糧食安全起著決定性的作用[5～7]。近年來，隨著土地的不可持續(xù)利用，全球有24%的土地呈現(xiàn)出土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力的持續(xù)下降趨勢(shì)，關(guān)中地區(qū)雖然土層深厚，但土體卻不再疏松，耕層有變薄變緊實(shí)的趨勢(shì)，根系生長(zhǎng)膚淺，吸收土壤養(yǎng)分有效性降低，協(xié)調(diào)水分和抗干旱能力嚴(yán)重不足，容易受到干旱和霜凍的威脅。有機(jī)質(zhì)和碳酸鈣含量下降，土壤的機(jī)能和機(jī)體受損，土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和通氣性變差，協(xié)調(diào)環(huán)境能力下降，出現(xiàn)了土壤質(zhì)量潛在衰退的嚴(yán)重問題[8～11]。目前，關(guān)中農(nóng)田土壤對(duì)外界環(huán)境適應(yīng)及人為活動(dòng)抵抗能力在逐步下降，處于高投入低產(chǎn)出的尷尬地步，亟待研究土壤質(zhì)量潛在退化現(xiàn)狀、空間變異規(guī)律及發(fā)生機(jī)理，以期為現(xiàn)代關(guān)中地區(qū)的農(nóng)田土壤健康發(fā)展、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)和糧食安全具有重要的借鑒意義。

2 土壤質(zhì)量空間變異規(guī)律及驅(qū)動(dòng)因子研究?jī)?nèi)容

2.1 現(xiàn)代關(guān)中農(nóng)田土壤質(zhì)量現(xiàn)狀調(diào)查與空間變異規(guī)律研究

關(guān)中農(nóng)田質(zhì)量潛在退化部位受隱藏性限制，難以被人們覺察，易被忽視。但卻對(duì)作物根系延伸、水分入滲、以及氣體交換均有著極為重要的作用。大范圍調(diào)查關(guān)中農(nóng)田土壤剖面特征，著重對(duì)不同土層剖面pH值、緊實(shí)度、容重、交換性鈣、有機(jī)質(zhì)、團(tuán)聚體、碳酸鈣等指標(biāo)進(jìn)行研究；采用高倍電子鏡檢或偏光顯微技術(shù)，逐步分析不同土層微形態(tài)特征，查明土壤質(zhì)量潛在退化的微形態(tài)特征和微觀機(jī)理。查清研究區(qū)域內(nèi)農(nóng)田土體質(zhì)量退化的發(fā)生部位與嚴(yán)重程度，分析關(guān)中農(nóng)田土壤剖面指標(biāo)的變化趨勢(shì)，研究并掌握關(guān)中農(nóng)田土壤質(zhì)量空間變異規(guī)律。

2.2 土壤緊實(shí)度及鈣飽和度對(duì)土壤質(zhì)量和作物生長(zhǎng)的影響及閾值范圍

以土壤質(zhì)量潛在退化的緊實(shí)化和鈣飽和度下降危害為例，分析土體緊實(shí)化對(duì)土壤水庫儲(chǔ)水、地面長(zhǎng)時(shí)間積水、地面徑流、養(yǎng)分流失以及面源污染的作用與影響情況。探究對(duì)土體緊實(shí)化響應(yīng)敏感的營(yíng)養(yǎng)元素，揭示目前土壤貪肥的基礎(chǔ)與背景，為實(shí)施減量施用化肥提供科學(xué)依據(jù)。設(shè)置不同鈣飽和度的栽培土壤，室內(nèi)模擬研究土壤不同鈣飽和度對(duì)作物生理生長(zhǎng)指標(biāo)和養(yǎng)分利用率的作用與影響，揭示鈣飽和度對(duì)作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量的作用規(guī)律。

2.3 關(guān)中農(nóng)田土壤質(zhì)量潛在退化驅(qū)動(dòng)機(jī)理、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及預(yù)警機(jī)制的研究

土壤一系列的質(zhì)量退化發(fā)生成因既有人為誘導(dǎo)等的外部環(huán)境變化的驅(qū)動(dòng)作用，又有土壤內(nèi)部因素變化的作用。重點(diǎn)從土壤容重、有機(jī)質(zhì)、交換性鈣、團(tuán)聚體水平及土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等內(nèi)在條件探究土壤質(zhì)量退化發(fā)生機(jī)理，從土地利用類型、人為耕作與管理模式探明土壤質(zhì)量退化發(fā)生的外部動(dòng)因。通過采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)、相關(guān)性分析等方法分析土壤質(zhì)量指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系與變化過程，通過對(duì)比不同區(qū)域位置、土地利用類型、耕作方式等對(duì)土壤質(zhì)量變化的影響機(jī)制，結(jié)合土層微形態(tài)特征分析和室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探明造成土壤質(zhì)量潛在退化的主導(dǎo)因素，揭示土壤質(zhì)量潛在退化的發(fā)生條件與機(jī)理，建立土壤質(zhì)量潛在退化的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

3 土壤質(zhì)量空間變異規(guī)律及驅(qū)動(dòng)因子關(guān)鍵科學(xué)問題

目前對(duì)于現(xiàn)代關(guān)中土壤質(zhì)量潛在退化危害性評(píng)價(jià)及嚴(yán)重程度，仍無明確的指標(biāo)體系與參考閾值，而且評(píng)價(jià)指標(biāo)過多，無法區(qū)分哪些是最有效的農(nóng)田土壤質(zhì)量退化評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此，以土壤結(jié)構(gòu)研究為核心，分別在土壤緊實(shí)度和容重、有機(jī)質(zhì)、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、土壤交換性鈣和鈣飽和度等指標(biāo)的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合土層微形態(tài)特征分析和室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立土壤質(zhì)量潛在退化的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是本項(xiàng)目的另一個(gè)關(guān)鍵問題，這對(duì)于未來探尋改善甚至消除土壤質(zhì)量潛在退化的危害具有重要的意義。

4 結(jié)語與展望

充分認(rèn)識(shí)現(xiàn)代關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤的理化特性，查明現(xiàn)代關(guān)中農(nóng)田土壤質(zhì)量空間變異規(guī)律及其演變特征，對(duì)于進(jìn)一步緩解土壤質(zhì)量潛在退化及最大限度避免其帶來危害具有十分重要的意義。針對(duì)現(xiàn)代關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量潛在退化問題愈加嚴(yán)重、影響環(huán)境安全及物質(zhì)投入效益等實(shí)際狀況，通過開展規(guī)模化野外實(shí)地監(jiān)測(cè)、土壤結(jié)構(gòu)微觀特征分析和室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，宏觀狀態(tài)與微觀分析相結(jié)合，探明關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量潛在退化現(xiàn)狀，揭示其空間變異規(guī)律及演變特征，綜合評(píng)價(jià)質(zhì)量潛在退化的危害性，提出關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)與預(yù)警機(jī)制，以期為現(xiàn)代關(guān)中地區(qū)作物的高效生產(chǎn)和土壤-植物的健康可持續(xù)發(fā)展提供機(jī)理支持。