封丘縣典型農田土壤質量與時空變化特征

謝 越,馬東豪,王擎運,趙炳梓,朱安寧,張叢志,張佳寶,李曉鵬 〔.安徽農業大學資源與環境學院,安徽 合肥 30036;.土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所),江蘇 南京 0008〕

近年來,聚焦于土壤多功能、多屬性的土壤綜合評價體系逐步取代了傳統土壤肥力的評價方法,可以全面、合理地反映區域土壤質量的綜合特征[1],成為分析土壤質量的重要方法,而評價體系構建、指標得分的計算方法成為影響評價結果準確性的關鍵。

土壤質量評價體系構建是建立在合理的功能需求和指標選取的基礎上的,依據土壤的功能特點,選取合適的指標進行評價并計算結果。逼近理想點排序法(TOPSIS)作為一種基于理想解與實際值距離排序的計算方法,結合GIS克里金空間插值,能夠直觀表現出區域土壤的時空變化特征,在土壤綜合評價方面得到廣泛應用,為土壤質量綜合評價體系提供了良好的方法與途徑[2]。

黃淮海平原是我國重要的糧食生產基地,年生產全國約60%的小麥和35%的玉米[3]。潮土作為該區域的主要土壤類型,1984—2011年間伴隨著田間管理措施的變化,其土壤功能和質量發生了明顯變化,亟需對區域土壤質量進行系統的認識和再評價,以便更好地利用和保護潮土耕地資源。筆者以黃淮海平原典型潮土區封丘縣為研究區,基于1984、2003和2011年3期縣域土壤監測項目的指標數據,采用主成分分析結合TOPSIS法,以土壤參與生態過程的主要功能為基礎,構建該區域土壤質量綜合評價系統,對縣域土壤質量進行綜合評價,以期揭示耕地土壤質量的時空變化特征,為黃淮海平原潮土耕作區土壤質量變化和耕地資源可持續利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

封丘縣(34°53′ N～35°14′ N,114°14′ E～114°45′ E)位于河南省新鄉市內,地屬暖溫帶大陸性季風氣候區,年均氣溫為13.9 ℃,降水量為615 mm,60%～90%的降水分布在6—10月,平均海拔為68.75 m。全縣區域面積為1 220 km2,其中,耕地面積為617 km2。該縣以一年兩熟的冬小麥-夏玉米輪作制度為主,是黃淮海平原重要的糧食生產區域[4]。

1.2 樣品采集及數據處理

依托1984年第二次土壤普查、2003年國家土壤質量監測重點研發計劃項目和2011年碳專項的3期土壤監測項目的采樣點空間位置信息(圖1),參照《土壤農業化學分析方法》[5],測定3期土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、容重、有機質、陽離子交換量、砂粒、粉粒、黏粒、田間持水量、有效含水量、飽和導水率和孔隙度。

圖1 研究區概況及3期采樣點分布Fig.1 Survey of the study area and distribution of sampling sites of the three sampling years

采用文獻[6]中的預測模型,基于封丘縣土壤機械組成、有機質和容重計算1984和2003年各采樣點田間持水量、有效含水量和飽和導水率,2011年各采樣點田間持水量、有效含水量和飽和導水率為實測數據。采用閾值法處理異常值,用正常值區間范圍內的最大值或最小值替代異常數據,其中,1984年異常值占該年數據總量的0.52%,2003年為0.61%,2011年為0.64%,3期數據異常值較少,數據質量整體良好。

1.3 土壤質量評價體系構建

基于土壤功能綜合決定土壤質量的理論基礎,參考楊穎等[7]和德國Müncheberg評價系統[8],根據17項土壤指標,將質量評價系統內的土壤功能歸納為作物生產功能、碳固存功能、持水凈化功能和養分運移功能4項[9],各功能得分的累加能夠綜合反映區域土壤質量的綜合狀況,即為土壤質量綜合指數(SQI)。

對17項指標進行分類,包括土壤發生形成過程中穩定的屬性指標,以各類養分元素含量為主的化學指標,以及涵蓋土壤結構特征的物理指標。其中,屬性指標包括成土過程中形成的相對穩定的土壤質地與粉黏比[10];化學指標參照USDA[11]、LARSON等[12]的研究選取;物理指標參照陳夢軍等[13]的研究選取。具體指標分類及功能評價系統設計見圖2。

圖2 土壤質量綜合評價體系框架Fig.2 Framework of soil quality comprehensive evaluation system

各土壤功能的指標選取過程如下:

(1)作物生產功能是土壤的基礎功能,土壤中的營養元素、土體構型和水熱條件共同決定了作物產量和生產能力,因此,將所有屬性指標、化學指標和物理指標綜合納入作物生產功能評價體系中。

(2)碳固存功能反映土壤儲碳的能力,是調節地域氣候及生態過程的主要功能[14],屬性指標中砂粒、粉粒和黏粒均能與有機碳鍵合,土壤質地不同,有機碳鍵合能力也不同[15],故將屬性指標全部納入評價體系。在化學指標中,有機質含量直接反映土壤碳儲量,pH影響土壤的儲碳速率,故將其納入評價體系。在物理指標中,耕層土壤容重影響土壤通氣性和有機碳的礦化,故將其納入評價體系。

(3)持水凈化功能指土壤參與養分循環、污染凈化等生態過程的能力。研究結果表明砂粒含量高的土壤導水性強,黏粒、粉粒含量高,則儲水能力強,故將屬性指標全部納入評價系統。有機質可以增強土壤的緩沖性能,優化土壤結構,增強土壤保水保墑能力[16],故將有機質作為化學指標納入評價體系;CEC不僅是用于肥力評價的重要指標,也是土壤中污染物遷移轉化的重要影響因素,故將CEC納入評價體系[17];田間持水量、有效含水率、飽和導水率、孔隙度和容重可以表征土壤結構特征,量化土壤儲水性、水分有效性及其運移能力,故將5項物理指標納入評價體系。

(4)養分運移功能是土壤穩定供給作物各類營養元素的重要功能,土壤養分運移參與到作物的整個生育過程[18]。在化學指標中,土壤中有機質儲量越大,其礦化作用后產生的養分就越多;CEC表示土壤所能吸附各類陽離子的總量,反映土壤的綜合養分含量[19];pH值變化直接影響化學反應速率,故將其納入評價體系。在物理指標中,土壤水作為載體參與各類養分的運移過程,飽和導水率和孔隙度作為反映土壤水分運動的關鍵指標,將其直接納入評價體系。

1.4 評價方法及指標權重

1.4.1權重及隸屬函數計算

采用主成分分析方法計算各功能的指標權重[20],通過隸屬函數計算指標隸屬度,參考GB/T 28407—2012《農用地質量分等規程》及封丘縣作物的養分需求及土體構型特征[21],明確指標隸屬函數及閾值,具體結果見表1。

表1 土壤質量評價指標隸屬函數Table 1 Subordinate function of soil quality evaluation index

1.4.2土壤功能得分計算

TOPSIS是基于指標樣本數據與最優解、最劣解之間距離來確定樣本數據好壞的多屬性排序法[2]。具體計算步驟如下:

(1)最優與最劣樣本的確定:

Z+=ai1+,ai2+,ai3+,…,ain+,

(1)

Z-=ai1-,ai2-,ai3-,…,ain-。

(2)

式(1)～(2)中,Z+、Z-分別表示數據集下指標理想最優解、最劣解的集合;ain+、ain-分別表示第n個指標的最優解與最劣解。

(2)最優與最劣樣本的加權歐式距離計算:

(3)

(4)

式(3)～(4)中,Di+、Di-分別表示i點與最優集合、最劣集合之間的距離;aij表示標準化后的i點對應在j指標上的取值;ωj表示第j個指標權重。

(3)土壤功能得分計算:

(5)

式(5)中,k=1;Ci表示i點土壤功能得分,0≤Ci≤1,該值越接近1,說明該點處對應的土壤功能越強,反之越差。

(4)土壤質量綜合指數:

(6)

式(6)中,ISQi表示i點土壤質量綜合指數,0≤ISQi≤4,該值越大,表明該點處土壤質量越高;Cij表示i點處土壤功能j的得分。

1.4.3地統計學空間插值

使用普通克里金插值法對研究區樣點土壤養分指標含量進行空間插值分析,計算區域面積內養分分布情況[22]。

Ni為第i個指標相應的隸屬值;X1、X2、X3和X4代表函數閾值。TN為全氮;TP為全磷;TK為全鉀;AN為堿解氮;AP為有效磷;AK為速效鉀;BD為容重;SOM為有機質;CEC為陽離子交換量;Sand為砂粒;Silt為粉粒;Clay為黏粒;S/C為粉黏比;WHC為田間持水量;AWC為有效含水量;SHC為飽和導水率;PO為孔隙度。

1.5 數據處理及分析

采用SPSS 22.0中主成分分析模塊計算指標權重,采用ArcGIS 10.5進行克里金空間插值和區域面積統計。

2 結果與分析

2.1 封丘縣土壤指標的演變特征

長期監測結果(表2)表明,封丘縣耕層土壤中砂粒、粉粒、黏粒含量及粉黏比隨時間變化趨勢不明顯,27年間砂粒含量由(58.13±18.04)%提高到(63.25±15.50)%,粉粒、黏粒含量及粉黏比分別由(17.58±11.39)%、(24.28±9.47)%和(76.38±3.93)%降低至(13.72±10.13)%、(23.06±8.43)%和(62.39±46.31)%,計算結果顯示除粉黏比變異系數外,砂粒、粉粒和黏粒含量變異系數27年間變化不大。

表2 封丘縣土壤指標的描述性統計Table 2 Descriptive statistics of soil indexes in Fengqiu County

化學指標中,3期全氮含量分別為(0.54±0.12)、(0.78±0.15)和(0.99±0.45) g·kg-1。全磷含量分別為(0.72±0.03)、(0.75±0.13)和(0.77±0.10) g·kg-1。全鉀含量分別為(24.00±0.82)、(21.62±1.41)和(15.99±2.14) g·kg-1,2011年封丘縣全鉀含量較1984年整體降低33.38%,降幅明顯。在速效養分方面,27年間土壤堿解氮含量整體提高27.64%,有效磷含量提高42.72%。速效鉀含量分別為(178.49±30.29)、(99.57±38.11)和(207.36±83.54) mg·kg-1,速效鉀含量整體呈現先降低后增加的變化趨勢。封丘縣3期有機質含量分別為(7.86±1.80)、(13.16±3.10)和(16.49±5.62) g·kg-1,土壤有機質含量整體提高109.80%。CEC 27年間整體提升30.45%,pH值變化趨勢則不明顯。

各評價指標名稱中英文對照見表1。

在物理指標中,27年間封丘縣土壤容重分別為(1.43±0.02)、(1.38±0.03)和(1.35±0.12) g·cm-3,該區域土壤容重整體降低5.59%,指標敏感度處于低敏感度區間。田間持水量27年間變化趨勢不明顯。3期有效含水量平均值分別為24.09%、22.56%和20.43%,該區域有效含水量整體降低15.19%。3期飽和導水率平均值分別為2.86、3.05和3.05 cm·d-1,變異系數分別為19.21%、13.50%和35.08%,封丘縣土壤飽和導水率整體增加6.64%,指標敏感度由1984年的高度敏感度區間降低至中度敏感度區間。土壤孔隙度27年間整體呈提升趨勢,平均值分別為45.88%、47.96%和49.07%,27年間提升6.95%。

2.2 指標權重及體系土壤功能得分計算

主成分分析計算結果(表3)顯示,各土壤功能的指標權重從大到小依次為:作物生產功能中,全磷>有效磷=田間持水量=容重=黏粒=孔隙度>有效含水率>全氮=堿解氮=粉粒>速效鉀>全鉀=砂粒>有機質>pH=飽和導水率>CEC>粉黏比。碳固存功能中,容重>粉粒>田間持水量>砂粒>pH。持水凈化功能中,黏粒>粉粒=容重>CEC>粉黏比>砂粒>孔隙度=田間持水量>飽和導水率=pH。養分運移功能中,田間持水量=孔隙度>有效含水量>有機質>飽和導水率>CEC。

表3 評價指標的功能分類及權重Table 3 Functional classification and weight of indicators

根據式(1)～(5),計算得到3個時期土壤功能得分:3個時期作物生產功能得分區間分別為0.37～0.51、0.34～0.58和0.39～0.61,其中,2003年得分比1984年整體提升3.24%,2011年較2003年提升5.85%,作物生產功能得分的四分位距分別為0.07、0.07和0.08,封丘縣土壤的作物生產功能整體呈現低緩提升狀態。

各評價指標名稱中英文對照見表1。

3個時期碳固存功能得分平均值分別為0.31、0.31和0.34,其中,2011年得分比1984年整體提高9.68%,且該得分數據離散性小于1984和2003年,該區域土壤的碳固存功能提升效果較為明顯。3個時期持水凈化功能得分的變幅分別為0.38～0.60、0.37～0.60和0.30 ～0.61,平均值分別為0.48、0.47和0.46,27年間該功能得分整體降低4.17%,封丘縣土壤的持水能力呈略微下降趨勢。在養分運移功能方面,2003年得分比1984年整體提高8.22%,2011年比2003年則降低0.18%,27年間封丘縣土壤的養分運移能力整體呈現出先提升后趨于平穩的狀態(圖3)。

圖3 各土壤功能得分的描述性統計Fig.3 Statistical description of each soil function score

2.3 封丘縣各土壤功能得分時空變異特征

各土壤功能得分的空間插值分析結果(圖4)顯示,在作物生產功能得分方面,1984—2011年間中部區域生產功能低下(<0.30)的土地面積逐漸消失(圖4a～b),西部條帶狀和東部小范圍區域面積內土地的作物生產功能逐步提高(圖4b～c),27年間作物生產功能反映在空間插值變化上的提升效果較為明顯。

圖4 各土壤功能得分的時空變化特征Fig.4 Temporal and spatial variation characteristics of soil function scores

在碳固存功能得分方面,27年間封丘縣土壤碳固存能力整體表現較弱,碳固存功能低下(<0.3)的區域由封丘縣中部延伸至北部區域(圖4d～f),1984—2003年期間西北部和東部零星小面積圖斑的碳固存得分達到較高水平(0.50～0.60),然而到2011年這部分圖斑消失,碳固存功能得分降低至0.40～0.50。

在持水凈化功能得分方面,封丘縣整體呈現出中部低分區域消失(圖4g～h)、西部和東部較高得分區域面積減少的時空動態分布特征(圖4h～i),1984—2003年期間,中部得分<0.30的區域消失,西部持水功能較強的區域土壤有所退化。2003—2011年期間,封丘縣持水能力的時空變化差異性不大,2011年封丘縣西北部出現小面積持水能力良好(>0.70)區域(圖4i)。

在養分運移功能得分方面,3期空間插值結果表明縣域內養分運移時空變化整體呈現出1984年期間全縣域范圍內土壤養分運移能力均較弱(圖4j)。2003年期間,低分圖斑由中部擴散,得分緩慢增加,至2011年呈現出中部圖斑得分進一步提高、西北部出現零星高得分區域、東部出現部分區域功能退化的兩級變化趨勢(圖4j～l)。

2.4 封丘縣土壤質量綜合指數的時空演變特征

利用式(6)對試驗區各采樣點土壤功能得分進行累加,得到土壤質量綜合指數(SQI),空間插值結果見圖5。

圖5 土壤質量綜合指數的時空變化特征Fig.5 Temporal and spatial variation characteristics of soil quality composite index

圖5顯示,27年間封丘縣SQI值整體呈逐步提升趨勢,其中1984年呈現出縣中心和東部部分區域SQI值<0.5、SQI值沿中心區域呈環狀擴散并逐漸增高(>0.5～2.0)的空間分布趨勢;2003年SQI值<0.5的區域消失,全縣SQI值整體趨于>1.0～2.0,封丘縣西北部和東部零星圖斑SQI值提高到>2.0～2.5的中等偏上得分區間;2011年封丘縣西部和東部SQI值在>2.0～2.5區間內的圖斑面積較2003年有明顯提升,北部和中部SQI值在>1.0～1.5區間內的圖斑面積較2003年也有明顯減少,27年間封丘縣SQI在各項土壤功能得分累加基礎上有明顯提升。

重分類結果(表4)顯示,SQI值在0～1.0區間的土地面積在1984—2003年期間為0,SQI值在>1.0～1.5區間的土地面積占比由1984年的35.93%消減至2011年的24.56%,在>1.5～2.0區間的土地面積則由1984年的24.84%增加到2011年的51.32%。>2.0～2.5區間的土地面積在2011年上升至最大,占區域總面積的23.94%。27年間封丘縣約25%的土壤質量提升至良好狀態。

表4 土壤質量綜合指數(SQI)的區間面積占比Table 4 The proportion of interval area of soil quality composite index

3 討論

3.1 土壤功能評價體系的構建

筆者研究針對黃淮海平原典型潮土區域土壤狀況,參考楊穎等[7]和德國Müncheberg評價系統[8],從土壤功能角度出發,基于作物生產、碳固存、持水凈化和養分運移4類土壤功能,構建了土壤質量綜合評價系統,結合各土壤功能綜合得分的累加,得到研究區SQI。馬瑞明等[23]基于土壤功能的質量評價系統1年的土壤質量評價,缺少時間尺度的質量變化分析;梁思源等[24]基于土壤功能構建的質量評價體系相對筆者研究中的功能構建體系更具體,但由于功能和評價指標繁多,評價過程繁瑣,導致應用性欠佳。毛偉等[25]對揚州市土壤狀況進行近30年綜合評價,但參與評價的指標僅能反映該區域土壤肥力變化,無法代表土壤綜合質量。筆者在優化前人的評價體系后,對比分析了1984、2003和2011年土壤質量變化,可以較合理地分析區域土壤綜合質量隨時間和空間的變化趨勢。

筆者研究采用主成分分析結合TOPSIS的數學方法計算土壤功能得分及土壤綜合質量,由于主成分分析是基于變量系統降維的權重計算方法,缺少對指標值的經驗判斷過程,可能會導致部分指標權重不合理[20]。同時,黃淮海平原土壤種類繁多,地域差異性較大,雖然4項土壤功能得分的累加計算可以近似代表土壤質量,但該評價系統目前僅以典型潮土分布的封丘縣作為研究區域,因此需要進一步對黃淮海平原不同類型農耕土壤區域進行驗證,以探索該評價系統的廣泛適用性并加以完善。

3.2 封丘縣土壤指標時空變化

土壤指標的時空動態變化受到自然和人為因素的影響,對封丘縣1984—2011年的研究結果表明,在屬性指標中,砂粒、粉粒和黏粒含量及粉黏比在27年間整體無較明顯變化,土壤質地主要受地域成土母質及自然成土過程中的時間驅動[26],短期的人為影響不易造成土壤質地發生較大改變。

在化學指標中,27年間土壤全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質含量及CEC均有所增加,合理碳氮比投入下的秸稈還田處理可以有效提高耕層土壤養分含量。自1984年以來,隨著中低產田綜合開發的進行,化肥、農藥和優良品種的應用,封丘縣糧食產量持續增加,以根系形式還田的有機物質也在增加,近些年更是開始全面實行秸稈還田[27],是促成土壤有機質含量逐年提升的主要原因。2003年后,化肥與有機肥的混合配施模式逐步取代傳統的單施化肥模式[28],促進了各類營養元素在土壤的儲存和累積,再加上生物作用下土壤結構的改良,土壤肥力不斷提升。北方大多是富鉀型土壤,一般不太重視鉀肥投入,一年兩熟制下隨作物秸稈帶走的鉀量遠高于施入量,土壤鉀素庫每季都處于消耗狀態,這應是造成2003年前土壤速效鉀含量下降的主要原因。2003年后,秸稈還田開始大面積實施,秸稈中大量鉀素返回農田,土壤鉀素的減少趨勢很快得到扭轉,開始呈增加趨勢。在20世紀80年代,封丘縣土壤鹽漬化問題仍比較嚴重,土壤pH值整體較高,隨著以“井灌井排”為核心的綜合治理模式的全面推行,土壤鹽漬化問題得以解決,土壤pH值整體降低[29]。此外,27年間化肥的大量應用也是造成土壤pH值下降的重要原因之一,但封丘縣土壤碳酸鈣含量較高,具有一定的酸堿緩沖能力,所以土壤pH值下降并不是特別明顯。

在物理指標中,封丘縣耕層土壤容重、田間持水量和有效含水量27年間整體降低;飽和導水率和土壤孔隙度則有所提升。研究[30]表明,秸稈還田可能會降低土壤容重,提高飽和導水率,但同時會降低土壤持水能力[31],筆者研究結論與之相同。一般而言,隨著土壤容重的增大,土壤結構表現出大孔隙相應減少、小孔隙逐漸增加的規律特征,且小的孔隙結構有利于土壤保水保墑。伴隨封丘縣土壤容重的降低,土壤結構中大孔隙逐漸增多,土壤的導水滲透能力逐漸增強,這是導致該區域土壤持水能力降低的主要影響因素之一。另一方面,伴隨著黃淮海平原農機化率的不斷提升,農機翻收一體化作業取代了傳統的人工翻耕,不同區域農機的投入頻次不同,土壤抗壓實能力不同,致使有效含水率和飽和導水率變異系數在2003—2011年期間明顯增大。

3.3 封丘縣土壤綜合質量時空變化

1984—2011年間,封丘縣土壤的作物生產功能、碳固存功能和養分運移功能均有所提升,持水凈化功能略微降低。其中,作物生產、碳固存和養分運移功能整體提升9.29%、9.68%和7.36%,這3項功能的提升受封丘縣自1984年以來化肥和有機肥投入、秸稈等有機物料還田增加,以及土地利用和農田管理方式改變的影響[32]。封丘縣由于受地理因素影響,河流沉積物形成的潮土中砂粒含量高,養分固持能力較弱[33],生物化學活性不強,土壤的保水保墑能力也相對較差[34],極大地限制了該區域水分凈化功能的提升。

1984—2011年間,伴隨著各土壤功能得分的有效提升,封丘縣土壤綜合質量提升效果明顯。伴隨著耕作技術的優化和現代農業技術措施的改進,土壤參與各項復雜人為和自然生態系統過程的綜合能力得到提升[32],因此,科學地投入物料,使現代化農業技術參與平衡與協調土壤養分元素含量,并改善土壤結構特征,均有助于提升黃淮海平原潮土耕地土壤的綜合質量,為土地資源的可持續利用提供有效保障。

4 結論

該研究構建了封丘縣基于4項土壤功能的土壤質量綜合評價系統,對27年間封丘縣土壤的作物生產、碳固存、持水凈化和養分運移功能及土壤質量綜合指數進行時間和空間尺度上的分析評價,得出以下結論:

(1)27年間封丘縣土壤全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質含量及CEC、飽和導水率、孔隙度均呈現不同程度的提升趨勢;全鉀含量、pH、容重、田間持水量、有效含水量則表現出逐年降低的變化特征;砂粒、粉粒和黏粒含量及粉黏比基本穩定。

(2)27年間封丘縣土壤的作物生產功能、碳固存功能和養分運移功能均有所提升,增長率分別為9.29%、9.68%和7.36%,水分凈化功能則降低4.17%。各土壤功能的空間變化結果顯示,作物生產功能、碳固存功能和持水凈化功能得分<0.30的耕地面積圖斑逐年減少,得分>0.40的耕地面積圖斑逐年增加;養分運移功能得分>0.40和<0.30的耕地面積圖斑逐年增加,呈現兩級分化的趨勢。

(3)封丘縣土壤綜合質量有較為明顯的提升,其中,1984年全縣耕地均處于≤2.0的低指數區間,2003年綜合指數>2.0的耕地面積占全縣面積的8.44%,2011年該面積占比提升至24.05%。