廖文強

(福建省農(nóng)田建設(shè)與土壤肥料技術(shù)總站,福建福州 350003)

耕地是寶貴的自然資源,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ),人類95%以上的食物來自土壤。此外,土壤還具有調(diào)節(jié)大氣組分、氣候、水文等生態(tài)功能,良好的耕地質(zhì)量是保證糧食生產(chǎn)安全及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[1-2]。在自然和社會經(jīng)濟因素的影響下,土壤質(zhì)量始終處于動態(tài)變化之中,且同一區(qū)域不同種植管理措施等也會影響土壤質(zhì)量[3-4]。因此,揭示區(qū)域耕地質(zhì)量現(xiàn)狀及其空間分異特征,對土壤質(zhì)量狀況準(zhǔn)確監(jiān)測以及靶向提升具有重要意義。

由于土壤是一個集物理、化學(xué)、生物和環(huán)境的聚集體,精確評價不同土壤的綜合質(zhì)量越來越受到研究者的關(guān)注,但不同土壤質(zhì)量評價方法相差較大[5-7]。目前,基于綜合質(zhì)量指數(shù)(integrated quality index,IQI)方法的土壤質(zhì)量指數(shù)(soil quality index,SQI)被廣泛接受和應(yīng)用于自然和農(nóng)業(yè)土壤質(zhì)量的定量化評價[4,6-10]。在進行土壤質(zhì)量評價過程中,土壤養(yǎng)分是反映土壤肥力的重要因素,其常被篩選為土壤質(zhì)量指標(biāo)而直接應(yīng)用于土壤質(zhì)量評價;同時,配合利用GIS技術(shù)繪制特定區(qū)域的土壤質(zhì)量指標(biāo)和SQI的空間分布圖,能更好地理解該區(qū)域內(nèi)土壤質(zhì)量的空間變異特征及限制因子[2,6,9-10]。龍巖市地處福建省西南部,其農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營水平在福建省處于領(lǐng)先水平,是省域重要的商品糧基地,而有關(guān)市域土壤質(zhì)量評價和空間分布的研究較少。鑒于此,筆者以龍巖市2019年408組土壤質(zhì)量監(jiān)測點數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),進行市域土壤質(zhì)量評價,并利用GIS技術(shù)探究土壤質(zhì)量指標(biāo)和SQI的空間分布特征,有助于理解龍巖市土壤養(yǎng)分現(xiàn)狀,為市域土壤質(zhì)量可持續(xù)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況研究區(qū)域位于福建省西南部龍巖市(115°51′～11°45′E、24°23′～26°02′N,圖1),俗稱“閩西”。位于閩粵贛三省交界處,東與泉州、漳州兩市接壤,北連三明市,西依江西省贛州市,南鄰廣東省梅州市;東西長約192 km,南北寬約182 km,占福建省總面積的15.7%。龍巖市地勢由東北向西南傾斜,地處亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū),降雨量充沛,年平均氣溫20.5 ℃,年降雨量約1 479 mm,光溫條件優(yōu)越。龍巖市下轄新羅區(qū)、永定區(qū)、長汀縣、上杭縣、武平縣、連城縣和漳平市,主要農(nóng)作物為水稻、蔬菜、煙草、茶葉和食用菌等。

圖1 福建省龍巖市區(qū)位及耕地土壤采樣點分布(n=408)Fig.1 Location of Longyan and distribution of cultivated land soil sampling points

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理以龍巖市2019年408組耕地質(zhì)量監(jiān)測點數(shù)據(jù)集為研究對象(圖1),其中,新羅區(qū)、永定區(qū)、長汀縣、連城縣、上杭縣、武平縣和漳平市的土壤樣點數(shù)分別為50、61、70、47、60、70和50個。分別對各樣點土壤pH與土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量進行化學(xué)成分測定,其中,土壤pH采用水土比2.5∶1浸提pH計法測定,土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法測定,土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定,土壤有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提比色法測定,土壤速效鉀含量采用乙酸銨浸提火焰光度計法測定[11]。

1.3 土壤質(zhì)量評價方法利用SQI評價方法對龍巖市土壤質(zhì)量進行評價,其方法主要包括4個步驟,即指標(biāo)的選擇、指標(biāo)評分、指標(biāo)權(quán)重分配和SQI計算[4-10]。

(1)指標(biāo)的選擇。選取2019年龍巖市408組耕地樣點的土壤pH、有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量為土壤質(zhì)量評價指標(biāo)。

(2)指標(biāo)評分。根據(jù)公式(1)對所選土壤質(zhì)量評價指標(biāo)進行歸一化計算賦值。

(1)

式中,i為所選指標(biāo)的第i個土壤樣點數(shù)值,L和U分別代表所選指標(biāo)分級閾值的下限值和上限值,Si即為所選指標(biāo)的具體評分數(shù)值。參照第二次全國土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)文獻[12],該研究中各土壤養(yǎng)分指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)見表1,其上限值和下限值分別參照養(yǎng)分分級的適宜范圍;同時,土壤pH劃分為7級,即強堿>9.0、堿性8.5～9.0、弱堿性7.5～<8.5、中性6.5～<7.5、弱酸性5.5～<6.5、酸性4.5～<5.5和強酸<4.5,其上限值和下限值分別參照為4.5和8.5計算。

表1 土壤pH和養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)

(3)指標(biāo)權(quán)重分配。首先計算第i項指標(biāo)的Ri值即第i

項指標(biāo)與其余各項指標(biāo)相關(guān)系數(shù)的平均值,再計算各項指標(biāo)的Ri之和,兩者比值即為第i項指標(biāo)的權(quán)重。

(2)

式中,Ri代表第i項評價指標(biāo)與其他各項指標(biāo)相關(guān)系數(shù)的平均值,n為評價指標(biāo)的個數(shù),Wi代表第i項指標(biāo)的權(quán)重。

(4)SQI計算。SQI計算公式:

(3)

式中:Si表示指標(biāo)的得分,n表示指標(biāo)數(shù)量,Wi表示指標(biāo)的權(quán)重值;SQI越高表示土壤質(zhì)量越高。

1.4 GIS制圖應(yīng)用ArcGIS 10.7軟件的Kriging法進行龍巖市土壤質(zhì)量指標(biāo)(土壤pH、有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀)和SQI值的空間插值作圖[2,6,9-10]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2020進行整理,采用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析,應(yīng)用ArcGIS 10.7軟件進行空間分布圖繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 龍巖市土壤pH和養(yǎng)分現(xiàn)狀龍巖市土壤pH、有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀的平均值分別為5.16、28.69 g/kg、140.71 mg/kg、65.18 mg/kg和129.62 mg/kg(表2),其中,土壤有效磷屬于一級豐富水平,土壤堿解氮屬于二級豐富水平,土壤有機質(zhì)和速效鉀屬于三級適宜水平,而土壤為酸性。

表2 龍巖市土壤pH和養(yǎng)分含量狀況

由表3可知,龍巖市土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀的缺乏比例分別為0.74%、2.45%、3.43%和28.43%,而其豐富比例則分別為45.10%、67.19%、83.09%和24.51%,且酸性土壤占比為6.37%。其中,漳平市土壤堿解氮和有效磷、連城縣土壤有機質(zhì)和武平縣土壤速效鉀的缺乏比例較高,而上杭縣土壤有機質(zhì)和堿解氮、連城縣土壤有效磷、長汀縣土壤速效鉀的豐富比例較高,且漳平市土壤酸化比例最高。

表3 龍巖市土壤pH和養(yǎng)分含量分級狀況

2.2 龍巖市土壤pH和養(yǎng)分指標(biāo)的空間分布龍巖市土壤pH空間分布層次明顯(圖2a),其中,pH 4.5～<5.5為市域主要分布區(qū)間,pH 5.5～6.5的區(qū)域零星分布于其中,而pH<4.5和pH>6.5的區(qū)域則少量分布在連城縣、漳平市和長汀縣。土壤有機質(zhì)各區(qū)間交錯分布,空間規(guī)律性不明顯(圖2b),其中,土壤有機質(zhì)30～40 g/kg區(qū)域主要分布在永定區(qū)和上杭縣。

圖2 龍巖市土壤pH(a)、有機質(zhì)(b)、堿解氮(c)、有效磷(d)和速效鉀(e)的空間分布Fig.2 Spatial distribution of soil pH (a),organic matter (b),alkali hydrolyzable nitrogen (c),available phosphorus (d) and available potassium (e) in Longyan

土壤堿解氮和速效鉀含量的空間分布層次明顯,其中,堿解氮含量以120～150 mg/kg為主要分布區(qū)間,>150 mg/kg為次要分布區(qū)域并以斑塊狀散布全市,而90～<120 mg/kg的區(qū)域主要集中在漳平市東南部和新羅區(qū)的北部(圖2c)。土壤有效磷含量整體偏高,以>40 mg/kg的高值區(qū)域分布為主,其他各等級區(qū)間零星分散于各區(qū)縣(圖2d)。土壤速效鉀含量以50～<150 mg/kg的分布區(qū)間為主,>200 mg/kg的區(qū)域主要分布在長汀縣,而<30 mg/kg的區(qū)域則主要分布在新羅區(qū)的西北部(圖2e)。

2.3 龍巖市土壤質(zhì)量指數(shù)評價將所有土壤質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)進行主成分分析可計算出各土壤質(zhì)量指標(biāo)的權(quán)重值(表4),龍巖市土壤pH的權(quán)重值最大,為0.239,有效磷含量的權(quán)重值最小,為0.174。

表4 龍巖市土壤質(zhì)量評價指標(biāo)閾值和權(quán)重

在指標(biāo)評分和權(quán)重計算后得出龍巖市SQI(圖3a),結(jié)果表明龍巖市SQI為0.145～0.911,平均值為0.650,其中,SQI值較高的是上杭縣(0.703)和新羅區(qū)(0.684),SQI值較低的是武平縣(0.599)和漳平市(0.589)。同時,龍巖市土壤pH、有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀對SQI值的貢獻百分比分別為9.56%、25.76%、25.78%、24.50%和14.40%(圖3b),其中,土壤pH的貢獻百分比最高的為新羅區(qū),土壤pH和堿解氮貢獻百分比最低的均為長汀縣,有機質(zhì)和堿解氮的貢獻百分比最高的均為永定區(qū),而有效磷的貢獻百分比最高和最低的分別為漳平市和上杭縣,土壤速效鉀的貢獻百分比最高和最低的分別是長汀縣和永定區(qū)。

圖3 龍巖市土壤質(zhì)量指數(shù)(a)及土壤質(zhì)量指標(biāo)貢獻百分比(b)Fig.3 Soil quality index (a) and contribution percentage of soil quality index (b) in Longyan

2.4 龍巖市土壤質(zhì)量指數(shù)等級及空間分布依據(jù)《耕地質(zhì)量等級(GB/T 33469—2016)》,應(yīng)用等距法將龍巖市各區(qū)縣SQI的平均值按從小到大的順序劃分為10個等級(表5),其中,1～3等屬于高等質(zhì)量土壤(SQI≥0.676),4～6等屬于中等質(zhì)量土壤(0.634≤SQI<0.676);7～10等屬于低等質(zhì)量土壤(SQI<0.634)。

表5 龍巖市土壤質(zhì)量指數(shù)等級范圍

對龍巖市SQI值進行空間分布作圖可知(圖4),龍巖市高等、中等和低等質(zhì)量土壤交錯分布,其占比分別為42.16%、15.20%和42.64%,呈“兩頭高中間低”的趨勢。同時,上杭縣、長汀縣、連城縣和新羅區(qū)的高等質(zhì)量土壤所占比例均高于龍巖市平均水平,而武平縣、漳平市和永定區(qū)則均低于龍巖市平均水平。

圖4 龍巖市土壤質(zhì)量指數(shù)等級的空間分布(a)和百分比(b)Fig.4 Spatial distribution (a) and percentage (b) of soil quality index grades in Longyan

3 討論

我國是一個多山國家,山區(qū)面積占國土面積的69%,多分布于我國南方地區(qū);同時,南方紅黃壤地區(qū)總面積達218萬km2,占全國的22%,區(qū)內(nèi)80%以上為丘陵山地[13]。福建省是我國南方酸性紅壤區(qū)的典型代表省份,山地和丘陵占全省總面積的82.39%[14]。龍巖市位于福建省西南部,全市主要由山地、丘陵和平原組成,丘陵山地占土地總面積的95%以上[15]。因此,針對我國南方人多地少的現(xiàn)狀,充分挖掘利用改良有限耕地資源,科學(xué)評估耕地質(zhì)量為山地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)顯得尤為重要。

土壤酸堿度是土壤質(zhì)量評價過程中的一個重要指標(biāo),同時是土壤肥力和作物生長的重要因素[16-18]。Guo等[16]研究指出1980—2000年我國主要耕地土壤pH顯著下降,平均下降了0.5。李濤等[17]研究指出,近30年來山東省耕地土壤pH從7.6下降至7.2,平均下降了0.4。表明我國和區(qū)域耕地土壤均呈酸化加劇趨勢,且主要是人為耕作尤其是不合理施肥所致[16-18]。該研究中,龍巖市土壤整體呈弱酸性,平均值為5.16,其中,在適宜范圍內(nèi)的比例高達93.63%,而pH<4.5的酸性土壤僅占6.37%,其主要原因可能是近年來龍巖市重視耕地質(zhì)量保護和提升建設(shè),農(nóng)業(yè)從業(yè)者對土壤酸化危害及治理認識有了較大的提高[15,19]。Zhu等[20]通過模型分析指出,包括氮肥總量控制、有機肥替代化肥和秸稈全量還田等的綜合養(yǎng)分管理是阻控耕地土壤酸化的有效措施。此外,土壤中有效態(tài)養(yǎng)分含量如堿解氮、有效磷和速效鉀,既是土壤肥力及其評價中不可或缺的重要指標(biāo),也是最易受到農(nóng)戶施肥習(xí)慣的影響[2,4-10]。該研究中,龍巖市土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量豐富與缺乏的比例分別為67.19%與2.45%、83.09%與3.43%和24.51%與28.43%,表現(xiàn)出堿解氮和有效磷含量較為豐富而速效鉀相對缺乏的現(xiàn)狀,這可能是由于農(nóng)戶長期農(nóng)作措施帶來的差異,如施肥偏重于氮肥和磷肥而忽視鉀肥的應(yīng)用[21]。羅自威等[22]指出,福建省柑橘園農(nóng)戶習(xí)慣過量施用氮磷鉀復(fù)合肥,從而導(dǎo)致果園土壤磷素過量累積,應(yīng)用養(yǎng)分優(yōu)化管理可以協(xié)同土壤酸化改良、樹體養(yǎng)分平衡、提高肥料利用率、提高產(chǎn)量和品質(zhì)以及降低碳排放等多重積極效益。因此,合理施肥是改善土壤質(zhì)量、提高作物綜合生產(chǎn)力和保護生態(tài)環(huán)境的重要措施。

土壤有機質(zhì)是土壤地力最重要的性狀之一,也是土壤質(zhì)量提升的核心指標(biāo),其數(shù)量和質(zhì)量直接表征土壤肥力,這主要是由于其不僅養(yǎng)分含量全面,還具有通過影響土壤的通氣性、滲透性、緩沖性和保水保肥性能而改善土壤物理和生物性狀的功能,從而促進土壤養(yǎng)分循環(huán)和作物生長[23-24]。近30年來我國農(nóng)田耕層土壤有機質(zhì)含量整體呈上升趨勢,全國耕層土壤有機質(zhì)含量平均為24.65 g/kg,較全國第二次土壤普查時期分別提高了4.85 g/kg和24.49%[23]。該研究中,龍巖市土壤有機質(zhì)含量的平均值為28.69 g/kg,略高于全國平均水平,其豐富、適宜和缺乏的比例分別為45.10%、54.17%和0.74%,整體表現(xiàn)出市域土壤有機質(zhì)含量趨于改善的變化。究其原因,可能是因為近年來龍巖市重視有機肥的應(yīng)用和秸稈還田技術(shù)的推廣,這一定程度上提升了土壤有機質(zhì)含量[15,19]。

同時,基于土壤常規(guī)五項指標(biāo)的龍巖市域耕地SQI的平均值為0.650,且其高等、中等和低等質(zhì)量土壤分別占42.16%、15.20%和42.64%,這表明龍巖市耕地土壤質(zhì)量提升工程取得了初步成效,但離耕地質(zhì)量全面提升仍然任重道遠。另外,該研究利用ArcGIS方法繪制了龍巖市5個基礎(chǔ)土壤質(zhì)量指標(biāo)和SQI的空間分布圖,可視化地反映出龍巖市土壤養(yǎng)分和SQI的空間變異特性和區(qū)縣間的差異,并定量化了各土壤質(zhì)量指標(biāo)對龍巖市域和區(qū)縣間SQI的貢獻百分數(shù),這既為理解該地區(qū)土壤質(zhì)量現(xiàn)狀及限制因子提供了明晰的方向,也為農(nóng)業(yè)管理部門進行區(qū)域土壤質(zhì)量提升和保護政策的制定以及種植戶有針對性地改進種植管理措施提供了科學(xué)依據(jù)[1,6,9-10]。

4 結(jié)論

(1)龍巖市土壤養(yǎng)分指標(biāo)的平均值分別為pH 5.16、有機質(zhì)28.69 g/kg、堿解氮140.71 mg/kg、有效磷65.18 mg/kg和速效鉀129.62 mg/kg,整體呈現(xiàn)出土壤酸化和氮磷富集而鉀素缺乏的特性。

(2)龍巖市土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)的平均值為0.650,各土壤質(zhì)量指標(biāo)的貢獻率分別堿解氮(25.78%)>有機質(zhì)(25.76%)>有效磷(24.50%)>速效鉀(14.40%)>pH(9.56%),各區(qū)縣中SQI最高和最低的分別是上杭縣(0.703)和漳平市(0.589)。