林栗漾,鮮駿仁,劉靜靜

(1. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué),成都 611130;2. 成都理工大學(xué),成都 610059)

【研究意義】土壤肥力是評估土壤供給作物養(yǎng)分能力的重要標(biāo)準(zhǔn),是協(xié)調(diào)作物生長發(fā)育的綜合能力,也是土地生產(chǎn)力的基礎(chǔ)[1-3],直接影響作物生長及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4-6]。土地整治是土地整理復(fù)墾開發(fā)的統(tǒng)稱,對土地集約利用和提升土地產(chǎn)能有較大作用[7]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】隨著土地整治持續(xù)推進(jìn),土地整治對土壤肥力影響的研究得到學(xué)者的廣泛關(guān)注。例如,研究發(fā)現(xiàn)山區(qū)土地整治顯著改變土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量[8-9],農(nóng)村區(qū)域土地整治后土壤肥力明顯提升[10];董起廣等[11]發(fā)現(xiàn)漢中市土地整治項(xiàng)目區(qū)土地整治后有機(jī)質(zhì)、全氮含量不斷增加,朱嘉偉等[12]在河南省新鄭市研究發(fā)現(xiàn)土地整治對平原區(qū)耕地的土壤質(zhì)地、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量有顯著影響,由此可見,區(qū)域土地綜合整治會對土壤肥力產(chǎn)生重要影響?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】城市土地整治區(qū)具有耕地資源稟賦不高、整治工程快速等特點(diǎn),因其耕地利用存在土地多功能的博弈,土地整治強(qiáng)度、整治后作物種植特點(diǎn)都不同于傳統(tǒng)農(nóng)區(qū),特別是對于整治初期土壤養(yǎng)分和肥力變化的影響研究還不夠充分[7]。【擬解決的關(guān)鍵問題】擬以成都市繞城高速周邊的土地綜合整治區(qū)耕地為研究對象,通過采樣分析和土地肥力綜合評價,探索都市區(qū)土地整治工程初期(1～2年)耕地土壤養(yǎng)分和土壤肥力的變化情況,揭示整治區(qū)耕地的主要限制因子,為土地整治初期土壤質(zhì)量提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于成都市繞城高速公路(G4202)兩側(cè)500 m范圍內(nèi),以及周邊七大楔形地塊內(nèi)的土壤綜合整治區(qū),大致呈環(huán)狀分布,區(qū)域幅員面積約187.15 km2,其中耕地面積約44.00 km2, 主要種植玉米、油菜、水稻、小麥和蔬菜等糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物。研究區(qū)內(nèi)大部分耕地整治完成年限為1～2年,主要種植糧食作物或綠肥。該區(qū)域?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候,四季分明,日照較少,無霜期長,氣候溫和,降雨充沛,年平均氣溫約16.7 ℃,年平均相對濕度為82.1%,年平均蒸發(fā)量994 mm,年平均降雨量約1009.8 mm,且主要集中于6—9月。耕地以水稻土為主,成土母質(zhì)主要是岷江沖積物,包括灰色沖積物、灰棕沖積物和紫色沖積物。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計與樣品采集

本研究參照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB/T 17141—2008)的要求,于2020年7月在高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田和傳統(tǒng)農(nóng)田分別采集0～20 cm耕作層的土壤樣品,每個采樣點(diǎn)按照梅花點(diǎn)法隨機(jī)采集5個單點(diǎn)樣各0.5 kg,并將其混合為1個復(fù)合樣。采樣點(diǎn)的布設(shè)考慮土地利用類型、土地整治情況、耕作方式等因素的差異,同時遵循隨機(jī)性、代表性和典型性原則,其分布如圖1所示。由于研究區(qū)域面積較小,且地勢平坦、海拔高度相近、氣候條件一致,因此本研究忽略了微小地形差異對土壤肥力的影響。

圖1 土壤采樣點(diǎn)空間分布Fig.1 Spatial distribution of soil sampling points

采用馬爾文激光粒度儀測定土壤機(jī)械組成,按照美國農(nóng)業(yè)部(Uniled States Department of Agriculture,USDA)的粒級劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類;用環(huán)刀法測定土壤容重;用烘干法測定土壤含水率;參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[13]測定土壤化學(xué)性質(zhì),具體方法如下:pH用pH計測定;有機(jī)質(zhì)用K2Cr2O7-H2SO4容量法測定;堿解氮用堿解擴(kuò)散法測定;有效磷(以O(shè)lsen-P表示)用0.5 mol/L NaHCO3溶液(pH 8.5)浸提-鉬銻抗比色法測定;全氮用半微量-凱氏法測定;全磷用堿熔-鉬銻抗顯色法測定;有效鉀用1 mol/L中性醋酸銨浸提-火焰光度法測定;陽離子交換量用滴定法測定。

1.3 統(tǒng)計與分析

本文利用SPSS 25.0非參數(shù)檢驗(yàn)(Mann-Whitney)揭示土地整治前后耕地土壤養(yǎng)分及土壤肥力指數(shù)差異。

1.4 土壤肥力單項(xiàng)指數(shù)

參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和已有研究[5,14],結(jié)合實(shí)際分析數(shù)據(jù)對土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀進(jìn)行評級。

其中,土壤酸堿度(pH)的分級標(biāo)準(zhǔn)為:pH≤5.0,土壤pH屬于強(qiáng)酸性,Fi=1.0;5.08.5,土壤pH屬于強(qiáng)堿性,Fi=1.0。

土壤質(zhì)地根據(jù)進(jìn)行評價,輕壤、中壤Fi=3.0;砂壤、重壤Fi=2.0;砂土、黏土Fi=1.0。根據(jù)美國制土壤質(zhì)地分類法,研究區(qū)內(nèi)耕地土壤基本屬于砂質(zhì)壤土,結(jié)合研究區(qū)容重數(shù)據(jù)和《南方耕地土壤肥力診斷與評價》確定土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn):Ci>1.45或Ci<1.14,Fi=1.0;1.25≤Ci≤1.45,Fi=2.0;1.14≤Ci<1.25,Fi=3.0。

全氮(TN)、堿解氮(ABN)、有機(jī)質(zhì)(OM)、全磷(TP)、速效鉀(AK)、有效磷(AP)、陽離子交換量(CEC)的單項(xiàng)肥力值采用以下計算方式,各指標(biāo)指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值如表1所示。

表1 土壤肥力屬性指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值Table 1 Standard value of fertility attribute indicators

肥力屬性指標(biāo)值的評價采用單項(xiàng)肥力指數(shù),按式(1)計算:

Fi=Ci/Si

(1)

式中,Fi為土壤中一項(xiàng)指標(biāo)i的單項(xiàng)肥力指數(shù),Fi值直接反應(yīng)該肥力指標(biāo)豐富程度,越大表明該指標(biāo)越豐富,土壤肥力越高;Ci為土壤一項(xiàng)指標(biāo)i的實(shí)測數(shù)據(jù);Si為土壤中一項(xiàng)指標(biāo)i的評價標(biāo)準(zhǔn)值。

1.5 主成分分析

采用主成分分析法對土壤養(yǎng)分進(jìn)行分析,探究土壤肥力的主要影響因子[15-18]。

1.6 土壤綜合肥力評價

采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對耕地土壤肥力進(jìn)行綜合評價。根據(jù)已有研究[19-21],選取土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、pH、土壤質(zhì)地、陽離子交換量作為土壤綜合肥力評價指標(biāo)。改進(jìn)的內(nèi)梅羅(Nemero)公式[22-23]為:

(2)

土壤綜合肥力等級評價(表2)參考已有研究分為3級[23], 能夠比較全面反映土壤肥力水平。

表2 土壤肥力等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The classification standards of soil fertility grade

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

由表3可見,整治農(nóng)田土壤容重(1.44 g/cm3)稍高于傳統(tǒng)農(nóng)田(1.40 g/cm3),兩者的容重變異系數(shù)分別為14%和9%,均屬于中等變異水平。整治農(nóng)田和傳統(tǒng)農(nóng)田的土壤含水率平均值分別為30.72%和31.33%,孔隙率平均值分別為58.33%和62.21%,兩者的含水率和孔隙率變異系數(shù)都很小,呈現(xiàn)弱變異特征。非參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果表明,整治農(nóng)田與傳統(tǒng)農(nóng)田的土壤顆粒組成在粉粒方面存在顯著差異(P<0.05),而在容重、含水量和孔隙度方面無顯著不差異(P>0.05)。

表3 土壤物理性質(zhì)描述性統(tǒng)計 Table 3 Descriptive statistics of soil physical properties

2.2 土壤養(yǎng)分含量

土壤養(yǎng)分指標(biāo)的描述性統(tǒng)計結(jié)果(表4)表明,整治后農(nóng)田土壤的pH均值為7.41,屬于中性偏堿性,變異系數(shù)為9%,而傳統(tǒng)農(nóng)田土壤的pH均值為6.18,屬于弱酸性,變異系數(shù)為16%。整治后農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、有效磷和速效鉀的平均含量分別為12.80 g/kg、0.75 g/kg、0.58 g/kg、23.73 mg/kg、22.26 mg/kg和88.88 mg/kg,整體水平較低,均達(dá)不到Ⅲ級以上標(biāo)準(zhǔn),且養(yǎng)分含量波動較大。相比之下,傳統(tǒng)農(nóng)田土壤的養(yǎng)分含量普遍較高,尤其是有效磷的平均含量達(dá)到75.06 mg/kg,但變異系數(shù)也高達(dá)86%,說明空間分布不均勻。根據(jù)全國第二次土壤普查的土壤肥力分級標(biāo)準(zhǔn),傳統(tǒng)農(nóng)田土壤的養(yǎng)分含量也僅屬于偏低水平。整治后農(nóng)田土壤的陽離子交換量平均為18.53 cmol/kg,為中等偏弱的保肥能力,稍低于傳統(tǒng)農(nóng)田土壤的陽離子交換量(19.66 cmol/kg)。整治后農(nóng)田與傳統(tǒng)農(nóng)田土壤的養(yǎng)分含量偏度和峰度的絕對值都小于1.96,說明土壤各養(yǎng)分含量近似服從正態(tài)分布。

表4 土壤養(yǎng)分指標(biāo)描述性統(tǒng)計Table 4 Descriptive statistics of soil nutrient indicators

2.3 耕地土壤肥力綜合評價

總體上,整治后農(nóng)田與傳統(tǒng)農(nóng)田綜合肥力指數(shù)為0.93和1.53,土壤肥力總體處于較低水平(表5)。兩類耕地土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷存在顯著差異(P<0.05),按照全國第二次土壤普查土壤肥力分級的標(biāo)準(zhǔn),傳統(tǒng)農(nóng)田土壤肥力指數(shù)大于整治后農(nóng)田土壤肥力指數(shù),說明土地整治初期的土壤綜合肥力還有待提高,通過對整治后農(nóng)田不同地表覆蓋地情況的土壤肥力綜合指數(shù)的對比發(fā)現(xiàn)(表6),整治后栽種農(nóng)作物能夠在一定程度上改善土壤肥力狀況。

表5 土壤綜合肥力指數(shù)Table 5 Index of soil comprehensive fertility

表6 整治后農(nóng)田不同地表覆蓋的土壤綜合肥力指數(shù)Table 6 Fertility index of different land use patterns of farmland

2.4 基于主成分分析的土壤肥力影響因子評價

由表7可見,兩個主成分分別為4.691和1.983,方差貢獻(xiàn)率為58.635%和24.786%,累計貢獻(xiàn)度達(dá)83.422%,足以代表原始數(shù)據(jù)信息。因此,將這兩個主成分作為綜合變量對農(nóng)田整治土壤肥力狀況進(jìn)行評價。第1主成分主要反映pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮狀況;第2主成分陽離子交換量、速效鉀的系數(shù)較大,反映陽離子交換量和速效鉀的情況?；诠蜃臃讲?表8)求出權(quán)重系數(shù),隸屬度權(quán)重雷達(dá)圖(圖2)顯示:全磷>堿解氮>有機(jī)質(zhì)>全氮>pH>有效磷>速效鉀>陽離子交換量,因此全磷對土壤肥力的貢獻(xiàn)率最大,其次為有機(jī)質(zhì)和堿解氮。

表7 土壤主成分的特征值和貢獻(xiàn)率Table 7 Characteristic values and contribution rates of soil principal components

2.5 土壤肥力各指標(biāo)相關(guān)性分析

為了分析耕地土壤肥力指標(biāo)的相關(guān)性,進(jìn)行相關(guān)系數(shù)分析(圖3～4),傳統(tǒng)農(nóng)田土壤的pH與有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),而有機(jī)質(zhì)與全氮、堿解氮、全磷、有效磷均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);整治后農(nóng)田土壤的pH與堿解氮、全氮呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),速效鉀與陽離子交換量、有效磷呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),全氮與堿解氮、有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),有機(jī)質(zhì)與堿解氮呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。由此可見,土地整治影響了土壤肥力各指標(biāo)的相關(guān)性。

**. 在 0.01 級別(雙尾),相關(guān)性顯著。*.在 0.05 級別(雙尾),相關(guān)性顯著。差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。下同。**.At the 0.01 level (two-tailed), the correlation is significant. *.At the 0.05 level (two-tailed), the correlation is also significant. The difference is statistically significant.The same as below.圖3 傳統(tǒng)農(nóng)田土壤肥力指標(biāo)間相關(guān)性Fig.3 Correlation among soil fertility indicators in traditional farmland

圖4 整治后農(nóng)田土壤肥力指標(biāo)間相關(guān)性Fig.4 Correlation among soil fertility indicators after land consolidation

3 討 論

研究區(qū)土地整治初期(1～2年)耕地總體表現(xiàn)為土壤粉粒含量多、黏粒含量少的特征,這些特征影響著土壤透氣性、持水能力及土壤養(yǎng)分狀況,決定著土壤肥力等級的大小。土地整治期土地擾動和機(jī)械壓實(shí)使土壤容重大于傳統(tǒng)農(nóng)田,大部分樣點(diǎn)土壤板結(jié)、緊實(shí),物理性狀較差,土壤含水率低于傳統(tǒng)農(nóng)田,但隨著作物種植土壤含水率有所改善[25-27],后期隨著整治區(qū)溝渠水系的連通,土壤水分補(bǔ)給將得以改善,后期隨著作物種植與耕層板結(jié)土壤的疏松,土壤保水、透氣功能將不斷提高。

土壤養(yǎng)分變化受人為因素和自然因素的共同作用。土地整治工程改變了土壤酸堿環(huán)境,整治初期農(nóng)田土壤中混有建筑廢棄物、水泥等,并可能向土壤中釋放NOx等化學(xué)物質(zhì),導(dǎo)致土壤pH升高,總體處于中性偏堿性狀態(tài),而傳統(tǒng)農(nóng)田長期施加復(fù)合肥料或人畜糞尿,土壤pH處于中性偏酸性狀態(tài);土壤中陽離子交換量因土壤酸堿度和質(zhì)地發(fā)生改變,土地整治后,pH升高和土壤顆粒組成的變化導(dǎo)致土壤陽離子交換量略有增加,土壤保持養(yǎng)分的能力有所提高。整治后農(nóng)田耕層內(nèi)有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷含量下降,土地整治工程深挖、回填、客土等措施使耕層土壤與深挖犁底層混合降低了土壤有機(jī)質(zhì)含量,而土壤有機(jī)質(zhì)具有保留土壤養(yǎng)分、保持土壤團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)、促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)改良等作用,并且土地整治導(dǎo)致的土壤有機(jī)質(zhì)下降也會造成土壤有效磷含量降低。因此,土地整治工程需要注意表層土的恢復(fù)與管理[28]。土壤中氮元素主要靠生物作用積累,全氮表明土壤氮的供應(yīng)潛力,而堿解氮是衡量氮素有效性水平的一個重要指標(biāo),本研究中土地整治后土壤全氮、堿解氮含量下降,研究結(jié)果與前人相同[29-30],主要源自土地整治會使土壤結(jié)構(gòu)被機(jī)械破壞,土壤氮素迅速流失。研究區(qū)土壤養(yǎng)分總體處于較低水平,土壤堿解氮、有效磷和有機(jī)質(zhì)是土壤肥力低下的重要影響因子,主成分分析發(fā)現(xiàn)全磷為主要貢獻(xiàn)指標(biāo),這可能與土壤擾動甚至是重構(gòu),下層生土大量摻雜進(jìn)表土,導(dǎo)致土壤缺少磷素有關(guān)[31-32]。

土地整治對分散田塊進(jìn)行整合,降低了土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性,整治后土壤肥力仍處于Ⅲ級水平,尚未達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田的養(yǎng)分等級,需要加強(qiáng)養(yǎng)分管理,例如采用秸稈還田、綠肥、精準(zhǔn)施肥等措施。整治后作物覆蓋也影響土壤肥力水平,作物對于改善土壤的物理和化學(xué)特性具有重要作用。建議土地整治工程結(jié)束后盡快種植作物或進(jìn)行地表覆蓋管理,進(jìn)而快速恢復(fù)土壤養(yǎng)分和促進(jìn)肥力提升。

4 結(jié) 論

土地整治對土壤物理性質(zhì)影響較小,但對土壤耕作層pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、全磷含量影響大,土壤養(yǎng)分含量下降;通過改進(jìn)內(nèi)梅洛法對耕地肥力進(jìn)行綜合評價發(fā)現(xiàn),整治后的農(nóng)田土壤綜合肥力指數(shù)為1.17±0.57,土壤肥力等級多處于Ⅲ級水平,但與優(yōu)質(zhì)農(nóng)田相比還有較大的提升空間;土壤磷素含量低下是土地整治初期農(nóng)田土壤肥力下降的限制因素。