封丘县典型农田土壤质量与时空变化特征

谢 越,马东豪,王擎运,赵炳梓,朱安宁,张丛志,张佳宝,李晓鹏 〔.安徽农业大学资源与环境学院,安徽 合肥 30036;.土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所),江苏 南京 0008〕

近年来,聚焦于土壤多功能、多属性的土壤综合评价体系逐步取代了传统土壤肥力的评价方法,可以全面、合理地反映区域土壤质量的综合特征[1],成为分析土壤质量的重要方法,而评价体系构建、指标得分的计算方法成为影响评价结果准确性的关键。

土壤质量评价体系构建是建立在合理的功能需求和指标选取的基础上的,依据土壤的功能特点,选取合适的指标进行评价并计算结果。逼近理想点排序法(TOPSIS)作为一种基于理想解与实际值距离排序的计算方法,结合GIS克里金空间插值,能够直观表现出区域土壤的时空变化特征,在土壤综合评价方面得到广泛应用,为土壤质量综合评价体系提供了良好的方法与途径[2]。

黄淮海平原是我国重要的粮食生产基地,年生产全国约60%的小麦和35%的玉米[3]。潮土作为该区域的主要土壤类型,1984—2011年间伴随着田间管理措施的变化,其土壤功能和质量发生了明显变化,亟需对区域土壤质量进行系统的认识和再评价,以便更好地利用和保护潮土耕地资源。笔者以黄淮海平原典型潮土区封丘县为研究区,基于1984、2003和2011年3期县域土壤监测项目的指标数据,采用主成分分析结合TOPSIS法,以土壤参与生态过程的主要功能为基础,构建该区域土壤质量综合评价系统,对县域土壤质量进行综合评价,以期揭示耕地土壤质量的时空变化特征,为黄淮海平原潮土耕作区土壤质量变化和耕地资源可持续利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

封丘县(34°53′ N～35°14′ N,114°14′ E～114°45′ E)位于河南省新乡市内,地属暖温带大陆性季风气候区,年均气温为13.9 ℃,降水量为615 mm,60%～90%的降水分布在6—10月,平均海拔为68.75 m。全县区域面积为1 220 km2,其中,耕地面积为617 km2。该县以一年两熟的冬小麦-夏玉米轮作制度为主,是黄淮海平原重要的粮食生产区域[4]。

1.2 样品采集及数据处理

依托1984年第二次土壤普查、2003年国家土壤质量监测重点研发计划项目和2011年碳专项的3期土壤监测项目的采样点空间位置信息(图1),参照《土壤农业化学分析方法》[5],测定3期土壤全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、容重、有机质、阳离子交换量、砂粒、粉粒、黏粒、田间持水量、有效含水量、饱和导水率和孔隙度。

图1 研究区概况及3期采样点分布Fig.1 Survey of the study area and distribution of sampling sites of the three sampling years

采用文献[6]中的预测模型,基于封丘县土壤机械组成、有机质和容重计算1984和2003年各采样点田间持水量、有效含水量和饱和导水率,2011年各采样点田间持水量、有效含水量和饱和导水率为实测数据。采用阈值法处理异常值,用正常值区间范围内的最大值或最小值替代异常数据,其中,1984年异常值占该年数据总量的0.52%,2003年为0.61%,2011年为0.64%,3期数据异常值较少,数据质量整体良好。

1.3 土壤质量评价体系构建

基于土壤功能综合决定土壤质量的理论基础,参考杨颖等[7]和德国Müncheberg评价系统[8],根据17项土壤指标,将质量评价系统内的土壤功能归纳为作物生产功能、碳固存功能、持水净化功能和养分运移功能4项[9],各功能得分的累加能够综合反映区域土壤质量的综合状况,即为土壤质量综合指数(SQI)。

对17项指标进行分类,包括土壤发生形成过程中稳定的属性指标,以各类养分元素含量为主的化学指标,以及涵盖土壤结构特征的物理指标。其中,属性指标包括成土过程中形成的相对稳定的土壤质地与粉黏比[10];化学指标参照USDA[11]、LARSON等[12]的研究选取;物理指标参照陈梦军等[13]的研究选取。具体指标分类及功能评价系统设计见图2。

图2 土壤质量综合评价体系框架Fig.2 Framework of soil quality comprehensive evaluation system

各土壤功能的指标选取过程如下:

(1)作物生产功能是土壤的基础功能,土壤中的营养元素、土体构型和水热条件共同决定了作物产量和生产能力,因此,将所有属性指标、化学指标和物理指标综合纳入作物生产功能评价体系中。

(2)碳固存功能反映土壤储碳的能力,是调节地域气候及生态过程的主要功能[14],属性指标中砂粒、粉粒和黏粒均能与有机碳键合,土壤质地不同,有机碳键合能力也不同[15],故将属性指标全部纳入评价体系。在化学指标中,有机质含量直接反映土壤碳储量,pH影响土壤的储碳速率,故将其纳入评价体系。在物理指标中,耕层土壤容重影响土壤通气性和有机碳的矿化,故将其纳入评价体系。

(3)持水净化功能指土壤参与养分循环、污染净化等生态过程的能力。研究结果表明砂粒含量高的土壤导水性强,黏粒、粉粒含量高,则储水能力强,故将属性指标全部纳入评价系统。有机质可以增强土壤的缓冲性能,优化土壤结构,增强土壤保水保墒能力[16],故将有机质作为化学指标纳入评价体系;CEC不仅是用于肥力评价的重要指标,也是土壤中污染物迁移转化的重要影响因素,故将CEC纳入评价体系[17];田间持水量、有效含水率、饱和导水率、孔隙度和容重可以表征土壤结构特征,量化土壤储水性、水分有效性及其运移能力,故将5项物理指标纳入评价体系。

(4)养分运移功能是土壤稳定供给作物各类营养元素的重要功能,土壤养分运移参与到作物的整个生育过程[18]。在化学指标中,土壤中有机质储量越大,其矿化作用后产生的养分就越多;CEC表示土壤所能吸附各类阳离子的总量,反映土壤的综合养分含量[19];pH值变化直接影响化学反应速率,故将其纳入评价体系。在物理指标中,土壤水作为载体参与各类养分的运移过程,饱和导水率和孔隙度作为反映土壤水分运动的关键指标,将其直接纳入评价体系。

1.4 评价方法及指标权重

1.4.1权重及隶属函数计算

采用主成分分析方法计算各功能的指标权重[20],通过隶属函数计算指标隶属度,参考GB/T 28407—2012《农用地质量分等规程》及封丘县作物的养分需求及土体构型特征[21],明确指标隶属函数及阈值,具体结果见表1。

表1 土壤质量评价指标隶属函数Table 1 Subordinate function of soil quality evaluation index

1.4.2土壤功能得分计算

TOPSIS是基于指标样本数据与最优解、最劣解之间距离来确定样本数据好坏的多属性排序法[2]。具体计算步骤如下:

(1)最优与最劣样本的确定:

Z+=ai1+,ai2+,ai3+,…,ain+,

(1)

Z-=ai1-,ai2-,ai3-,…,ain-。

(2)

式(1)～(2)中,Z+、Z-分别表示数据集下指标理想最优解、最劣解的集合;ain+、ain-分别表示第n个指标的最优解与最劣解。

(2)最优与最劣样本的加权欧式距离计算:

(3)

(4)

式(3)～(4)中,Di+、Di-分别表示i点与最优集合、最劣集合之间的距离;aij表示标准化后的i点对应在j指标上的取值;ωj表示第j个指标权重。

(3)土壤功能得分计算:

(5)

式(5)中,k=1;Ci表示i点土壤功能得分,0≤Ci≤1,该值越接近1,说明该点处对应的土壤功能越强,反之越差。

(4)土壤质量综合指数:

(6)

式(6)中,ISQi表示i点土壤质量综合指数,0≤ISQi≤4,该值越大,表明该点处土壤质量越高;Cij表示i点处土壤功能j的得分。

1.4.3地统计学空间插值

使用普通克里金插值法对研究区样点土壤养分指标含量进行空间插值分析,计算区域面积内养分分布情况[22]。

Ni为第i个指标相应的隶属值;X1、X2、X3和X4代表函数阈值。TN为全氮;TP为全磷;TK为全钾;AN为碱解氮;AP为有效磷;AK为速效钾;BD为容重;SOM为有机质;CEC为阳离子交换量;Sand为砂粒;Silt为粉粒;Clay为黏粒;S/C为粉黏比;WHC为田间持水量;AWC为有效含水量;SHC为饱和导水率;PO为孔隙度。

1.5 数据处理及分析

采用SPSS 22.0中主成分分析模块计算指标权重,采用ArcGIS 10.5进行克里金空间插值和区域面积统计。

2 结果与分析

2.1 封丘县土壤指标的演变特征

长期监测结果(表2)表明,封丘县耕层土壤中砂粒、粉粒、黏粒含量及粉黏比随时间变化趋势不明显,27年间砂粒含量由(58.13±18.04)%提高到(63.25±15.50)%,粉粒、黏粒含量及粉黏比分别由(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)%,计算结果显示除粉黏比变异系数外,砂粒、粉粒和黏粒含量变异系数27年间变化不大。

表2 封丘县土壤指标的描述性统计Table 2 Descriptive statistics of soil indexes in Fengqiu County

化学指标中,3期全氮含量分别为(0.54±0.12)、(0.78±0.15)和(0.99±0.45) g·kg-1。全磷含量分别为(0.72±0.03)、(0.75±0.13)和(0.77±0.10) g·kg-1。全钾含量分别为(24.00±0.82)、(21.62±1.41)和(15.99±2.14) g·kg-1,2011年封丘县全钾含量较1984年整体降低33.38%,降幅明显。在速效养分方面,27年间土壤碱解氮含量整体提高27.64%,有效磷含量提高42.72%。速效钾含量分别为(178.49±30.29)、(99.57±38.11)和(207.36±83.54) mg·kg-1,速效钾含量整体呈现先降低后增加的变化趋势。封丘县3期有机质含量分别为(7.86±1.80)、(13.16±3.10)和(16.49±5.62) g·kg-1,土壤有机质含量整体提高109.80%。CEC 27年间整体提升30.45%,pH值变化趋势则不明显。

各评价指标名称中英文对照见表1。

在物理指标中,27年间封丘县土壤容重分别为(1.43±0.02)、(1.38±0.03)和(1.35±0.12) g·cm-3,该区域土壤容重整体降低5.59%,指标敏感度处于低敏感度区间。田间持水量27年间变化趋势不明显。3期有效含水量平均值分别为24.09%、22.56%和20.43%,该区域有效含水量整体降低15.19%。3期饱和导水率平均值分别为2.86、3.05和3.05 cm·d-1,变异系数分别为19.21%、13.50%和35.08%,封丘县土壤饱和导水率整体增加6.64%,指标敏感度由1984年的高度敏感度区间降低至中度敏感度区间。土壤孔隙度27年间整体呈提升趋势,平均值分别为45.88%、47.96%和49.07%,27年间提升6.95%。

2.2 指标权重及体系土壤功能得分计算

主成分分析计算结果(表3)显示,各土壤功能的指标权重从大到小依次为:作物生产功能中,全磷>有效磷=田间持水量=容重=黏粒=孔隙度>有效含水率>全氮=碱解氮=粉粒>速效钾>全钾=砂粒>有机质>pH=饱和导水率>CEC>粉黏比。碳固存功能中,容重>粉粒>田间持水量>砂粒>pH。持水净化功能中,黏粒>粉粒=容重>CEC>粉黏比>砂粒>孔隙度=田间持水量>饱和导水率=pH。养分运移功能中,田间持水量=孔隙度>有效含水量>有机质>饱和导水率>CEC。

表3 评价指标的功能分类及权重Table 3 Functional classification and weight of indicators

根据式(1)～(5),计算得到3个时期土壤功能得分:3个时期作物生产功能得分区间分别为0.37～0.51、0.34～0.58和0.39～0.61,其中,2003年得分比1984年整体提升3.24%,2011年较2003年提升5.85%,作物生产功能得分的四分位距分别为0.07、0.07和0.08,封丘县土壤的作物生产功能整体呈现低缓提升状态。

各评价指标名称中英文对照见表1。

3个时期碳固存功能得分平均值分别为0.31、0.31和0.34,其中,2011年得分比1984年整体提高9.68%,且该得分数据离散性小于1984和2003年,该区域土壤的碳固存功能提升效果较为明显。3个时期持水净化功能得分的变幅分别为0.38～0.60、0.37～0.60和0.30 ～0.61,平均值分别为0.48、0.47和0.46,27年间该功能得分整体降低4.17%,封丘县土壤的持水能力呈略微下降趋势。在养分运移功能方面,2003年得分比1984年整体提高8.22%,2011年比2003年则降低0.18%,27年间封丘县土壤的养分运移能力整体呈现出先提升后趋于平稳的状态(图3)。

图3 各土壤功能得分的描述性统计Fig.3 Statistical description of each soil function score

2.3 封丘县各土壤功能得分时空变异特征

各土壤功能得分的空间插值分析结果(图4)显示,在作物生产功能得分方面,1984—2011年间中部区域生产功能低下(<0.30)的土地面积逐渐消失(图4a～b),西部条带状和东部小范围区域面积内土地的作物生产功能逐步提高(图4b～c),27年间作物生产功能反映在空间插值变化上的提升效果较为明显。

图4 各土壤功能得分的时空变化特征Fig.4 Temporal and spatial variation characteristics of soil function scores

在碳固存功能得分方面,27年间封丘县土壤碳固存能力整体表现较弱,碳固存功能低下(<0.3)的区域由封丘县中部延伸至北部区域(图4d～f),1984—2003年期间西北部和东部零星小面积图斑的碳固存得分达到较高水平(0.50～0.60),然而到2011年这部分图斑消失,碳固存功能得分降低至0.40～0.50。

在持水净化功能得分方面,封丘县整体呈现出中部低分区域消失(图4g～h)、西部和东部较高得分区域面积减少的时空动态分布特征(图4h～i),1984—2003年期间,中部得分<0.30的区域消失,西部持水功能较强的区域土壤有所退化。2003—2011年期间,封丘县持水能力的时空变化差异性不大,2011年封丘县西北部出现小面积持水能力良好(>0.70)区域(图4i)。

在养分运移功能得分方面,3期空间插值结果表明县域内养分运移时空变化整体呈现出1984年期间全县域范围内土壤养分运移能力均较弱(图4j)。2003年期间,低分图斑由中部扩散,得分缓慢增加,至2011年呈现出中部图斑得分进一步提高、西北部出现零星高得分区域、东部出现部分区域功能退化的两级变化趋势(图4j～l)。

2.4 封丘县土壤质量综合指数的时空演变特征

利用式(6)对试验区各采样点土壤功能得分进行累加,得到土壤质量综合指数(SQI),空间插值结果见图5。

图5 土壤质量综合指数的时空变化特征Fig.5 Temporal and spatial variation characteristics of soil quality composite index

图5显示,27年间封丘县SQI值整体呈逐步提升趋势,其中1984年呈现出县中心和东部部分区域SQI值<0.5、SQI值沿中心区域呈环状扩散并逐渐增高(>0.5～2.0)的空间分布趋势;2003年SQI值<0.5的区域消失,全县SQI值整体趋于>1.0～2.0,封丘县西北部和东部零星图斑SQI值提高到>2.0～2.5的中等偏上得分区间;2011年封丘县西部和东部SQI值在>2.0～2.5区间内的图斑面积较2003年有明显提升,北部和中部SQI值在>1.0～1.5区间内的图斑面积较2003年也有明显减少,27年间封丘县SQI在各项土壤功能得分累加基础上有明显提升。

重分类结果(表4)显示,SQI值在0～1.0区间的土地面积在1984—2003年期间为0,SQI值在>1.0～1.5区间的土地面积占比由1984年的35.93%消减至2011年的24.56%,在>1.5～2.0区间的土地面积则由1984年的24.84%增加到2011年的51.32%。>2.0～2.5区间的土地面积在2011年上升至最大,占区域总面积的23.94%。27年间封丘县约25%的土壤质量提升至良好状态。

表4 土壤质量综合指数(SQI)的区间面积占比Table 4 The proportion of interval area of soil quality composite index

3 讨论

3.1 土壤功能评价体系的构建

笔者研究针对黄淮海平原典型潮土区域土壤状况,参考杨颖等[7]和德国Müncheberg评价系统[8],从土壤功能角度出发,基于作物生产、碳固存、持水净化和养分运移4类土壤功能,构建了土壤质量综合评价系统,结合各土壤功能综合得分的累加,得到研究区SQI。马瑞明等[23]基于土壤功能的质量评价系统1年的土壤质量评价,缺少时间尺度的质量变化分析;梁思源等[24]基于土壤功能构建的质量评价体系相对笔者研究中的功能构建体系更具体,但由于功能和评价指标繁多,评价过程繁琐,导致应用性欠佳。毛伟等[25]对扬州市土壤状况进行近30年综合评价,但参与评价的指标仅能反映该区域土壤肥力变化,无法代表土壤综合质量。笔者在优化前人的评价体系后,对比分析了1984、2003和2011年土壤质量变化,可以较合理地分析区域土壤综合质量随时间和空间的变化趋势。

笔者研究采用主成分分析结合TOPSIS的数学方法计算土壤功能得分及土壤综合质量,由于主成分分析是基于变量系统降维的权重计算方法,缺少对指标值的经验判断过程,可能会导致部分指标权重不合理[20]。同时,黄淮海平原土壤种类繁多,地域差异性较大,虽然4项土壤功能得分的累加计算可以近似代表土壤质量,但该评价系统目前仅以典型潮土分布的封丘县作为研究区域,因此需要进一步对黄淮海平原不同类型农耕土壤区域进行验证,以探索该评价系统的广泛适用性并加以完善。

3.2 封丘县土壤指标时空变化

土壤指标的时空动态变化受到自然和人为因素的影响,对封丘县1984—2011年的研究结果表明,在属性指标中,砂粒、粉粒和黏粒含量及粉黏比在27年间整体无较明显变化,土壤质地主要受地域成土母质及自然成土过程中的时间驱动[26],短期的人为影响不易造成土壤质地发生较大改变。

在化学指标中,27年间土壤全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量及CEC均有所增加,合理碳氮比投入下的秸秆还田处理可以有效提高耕层土壤养分含量。自1984年以来,随着中低产田综合开发的进行,化肥、农药和优良品种的应用,封丘县粮食产量持续增加,以根系形式还田的有机物质也在增加,近些年更是开始全面实行秸秆还田[27],是促成土壤有机质含量逐年提升的主要原因。2003年后,化肥与有机肥的混合配施模式逐步取代传统的单施化肥模式[28],促进了各类营养元素在土壤的储存和累积,再加上生物作用下土壤结构的改良,土壤肥力不断提升。北方大多是富钾型土壤,一般不太重视钾肥投入,一年两熟制下随作物秸秆带走的钾量远高于施入量,土壤钾素库每季都处于消耗状态,这应是造成2003年前土壤速效钾含量下降的主要原因。2003年后,秸秆还田开始大面积实施,秸秆中大量钾素返回农田,土壤钾素的减少趋势很快得到扭转,开始呈增加趋势。在20世纪80年代,封丘县土壤盐渍化问题仍比较严重,土壤pH值整体较高,随着以“井灌井排”为核心的综合治理模式的全面推行,土壤盐渍化问题得以解决,土壤pH值整体降低[29]。此外,27年间化肥的大量应用也是造成土壤pH值下降的重要原因之一,但封丘县土壤碳酸钙含量较高,具有一定的酸碱缓冲能力,所以土壤pH值下降并不是特别明显。

在物理指标中,封丘县耕层土壤容重、田间持水量和有效含水量27年间整体降低;饱和导水率和土壤孔隙度则有所提升。研究[30]表明,秸秆还田可能会降低土壤容重,提高饱和导水率,但同时会降低土壤持水能力[31],笔者研究结论与之相同。一般而言,随着土壤容重的增大,土壤结构表现出大孔隙相应减少、小孔隙逐渐增加的规律特征,且小的孔隙结构有利于土壤保水保墒。伴随封丘县土壤容重的降低,土壤结构中大孔隙逐渐增多,土壤的导水渗透能力逐渐增强,这是导致该区域土壤持水能力降低的主要影响因素之一。另一方面,伴随着黄淮海平原农机化率的不断提升,农机翻收一体化作业取代了传统的人工翻耕,不同区域农机的投入频次不同,土壤抗压实能力不同,致使有效含水率和饱和导水率变异系数在2003—2011年期间明显增大。

3.3 封丘县土壤综合质量时空变化

1984—2011年间,封丘县土壤的作物生产功能、碳固存功能和养分运移功能均有所提升,持水净化功能略微降低。其中,作物生产、碳固存和养分运移功能整体提升9.29%、9.68%和7.36%,这3项功能的提升受封丘县自1984年以来化肥和有机肥投入、秸秆等有机物料还田增加,以及土地利用和农田管理方式改变的影响[32]。封丘县由于受地理因素影响,河流沉积物形成的潮土中砂粒含量高,养分固持能力较弱[33],生物化学活性不强,土壤的保水保墒能力也相对较差[34],极大地限制了该区域水分净化功能的提升。

1984—2011年间,伴随着各土壤功能得分的有效提升,封丘县土壤综合质量提升效果明显。伴随着耕作技术的优化和现代农业技术措施的改进,土壤参与各项复杂人为和自然生态系统过程的综合能力得到提升[32],因此,科学地投入物料,使现代化农业技术参与平衡与协调土壤养分元素含量,并改善土壤结构特征,均有助于提升黄淮海平原潮土耕地土壤的综合质量,为土地资源的可持续利用提供有效保障。

4 结论

该研究构建了封丘县基于4项土壤功能的土壤质量综合评价系统,对27年间封丘县土壤的作物生产、碳固存、持水净化和养分运移功能及土壤质量综合指数进行时间和空间尺度上的分析评价,得出以下结论:

(1)27年间封丘县土壤全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量及CEC、饱和导水率、孔隙度均呈现不同程度的提升趋势;全钾含量、pH、容重、田间持水量、有效含水量则表现出逐年降低的变化特征;砂粒、粉粒和黏粒含量及粉黏比基本稳定。

(2)27年间封丘县土壤的作物生产功能、碳固存功能和养分运移功能均有所提升,增长率分别为9.29%、9.68%和7.36%,水分净化功能则降低4.17%。各土壤功能的空间变化结果显示,作物生产功能、碳固存功能和持水净化功能得分<0.30的耕地面积图斑逐年减少,得分>0.40的耕地面积图斑逐年增加;养分运移功能得分>0.40和<0.30的耕地面积图斑逐年增加,呈现两级分化的趋势。

(3)封丘县土壤综合质量有较为明显的提升,其中,1984年全县耕地均处于≤2.0的低指数区间,2003年综合指数>2.0的耕地面积占全县面积的8.44%,2011年该面积占比提升至24.05%。