?土地整理對土壤肥力及空間變異的影響?

肖志鵬 廖超林 單雪華 母婷婷 傅靈藝 鄒凱 陳治峰 張楊珠

摘 要：了解土壤肥力其及空間變異性的變化是土地整理區發展農業生產急需解決的問題之一。以時空替代法選擇典型土地整理和未整理區，利用多元統計、GIS技術及地統計學方法，研究了土地整理對土壤肥力及空間變異的影響。結果表明：整理區土壤pH值和全氮顯著（P<0.05）低于未整理區，其他6項指標也低于未整理區，但差異不顯著;土地整理能顯著降低土壤pH值和全氮含量，導致pH值及有機質、全氮、全鉀和堿解氮含量變異性減小，而全磷、有效磷、速效鉀含量變異性增大。整理區土壤肥力綜合指數（Integrated fertility index， IFI）均值為0.36，比未整理區顯著低33.33%，且變異系數大于未整理區。依據土壤肥力等級分布比例，土地整理區差和較差等級分別占9.09%和45.45%，缺乏良好以上的等級，土壤肥力質量普遍較差。土地未整理和整理區IFI最優模型均為高斯模型，相對于未整理區，整理區土壤IFI的塊金值、基臺值、塊金系數和變程均不同程度降低;未整理區和整理區IFI分別具有中等空間相關性和強空間相關性。依據IFI空間分布面積統計，土地整理導致高等級肥力土壤分布區域減少，低等級肥力土壤分布區域增加。

關鍵詞：土地整理;時空替代法;土壤肥力;空間變異

中圖分類號：S158文獻標識碼：A文章編號：1006-060X（2020）07-0047-07

Abstract： Increasing arable land area is still the main goal and the basic driving force in current land consolidation （LC） activities in China （especially in hilly areas）， which results in a one-sided pursuit of land quantities and its yield， and neglect of soil fertility and its quality. Therefore， understanding the changes in soil fertility and its spatial variability is one of the urgent problems to be solved in the development of agricultural production in land consolidation areas. Using the method of a spatial series representing temporal series， two fields of the same soil parent matter， farming management and ecological environment， one of which was the consolidation land， the other was non-consolidation land in the hilly region of Jinchen County， Hunan Province， were selected to explore the effects of LC on soil fertility and its spatial variation through a combination of multivariate statistics （including elementary statistics， principal component analysis and variance analysis）， geostatistics （semivariogram models） and GIS. The results showed that soil pH value and total nitrogen in land-consolidation region （LCR） were significantly （P<0.05） lower than in non-land-consolidation region （NLCR）， the other 6 fertility indices in LCR were also lower than in NLCR， but not significant， which meant that LC could significantly （P<0.05） decrease soil pH value and total nitrogen. According to the variation coefficients of 8 fertility indices in LCR and NLCR， LC could decrease the variability of soil pH， organic matter， total nitrogen， total potassium and alkali-hydrolyzable nitrogen， and increase the variability of soil total phosphorus， available phosphorus and available potassium. The average soil integrated fertility index （IFI） in LCR was 0.36， which was 33.33% lower than in NLCR， furthermore， its variation coefficient in LCR was bigger. According to the distribution proportion of soil fertility grade， the low and relatively low IFI of LCR accounted for 9.09% and 45.45%， respectively， the above-good grades were absent， which meant the soil fertility in LCR was generally poor. Both IFI in NLCR and LCR were well described by Gaussian model. From NLCR to LCR， nugget， sill， nugget/sill ratios and range decreased， and the IFIs spatial correlations varied from middle to high. According to the spatial area distribution of different grades of IFI， LC decreased the distribution region of high grade soil fertility and increased that of low grade soil fertility， i.e.， LC resulted in soil fertility degeneration on regional scale.

Key words： land consolidation， a spatial series representing temporal series， soil fertility， spatial variability

氣象條件、作物類型、種植制度及農田管理措施是影響農田土壤屬性的主要因素[1-2]。土壤屬性的空間變異性導致土壤綜合質量的空間分布不均勻[3-5]。在中國糧食安全和生態環境面臨雙重威脅的大背景下，進行區域土壤肥力評價及其空間變異研究，對實施養分精確管理、平衡施肥、保障生態環境的良性循環以及促進農業可持續發展具有重要的現實意義。土地整理是人類干預土壤最直接和最主要的活動，深刻影響著土壤的理化性狀及其生態環境，進而影響土壤綜合質量和耕地綜合生產力[6]。自2001年全國范圍內開展土地整理工作以來，學者們就土地整理與土壤理化性質進行了大量研究，主要集中在土地整理前后土壤理化性狀或土壤肥力的比較和土地整理后土壤屬性變化等方面[7-13]，而關于土地整理對土壤肥力及空間變異影響的報道較為少見。筆者以邵陽市金稱市鎮土地整理區為研究對象，以時空替代法選擇土地整理和未整理區，采用多元統計、GIS技術及地統計學方法，研究土地整理對土壤肥力及空間變異的影響，以期為評估土地整理對耕地綜合生產及土壤培肥與改良提供參考。

1 研究區概況與土地整理施工流程

1.1 研究區概況

研究區域位于湖南省現代煙草農業試點項目——邵陽市金稱市鎮項目區煙田綜合整治試點，地跨 111°07'06" ～ 110°8'34"E，26°49'51" ～ 26°50'42"N。該地區系低山丘崗地貌區，海拔高度230 ～ 270 m;屬大陸季風氣候區，氣候溫和、光照充足、雨量充沛，年平均氣溫16.9℃，年日照1 593 h，無霜期280 d，年降雨量1 355 mm[14]。土壤為第四紀紅土母質發育的紅壤性水稻土，主要種植方式為煙—稻輪作。

1.2 土地整理施工流程

研究區總面積140.53 hm2，土地整理工程于2012年3月開始，2013年1月整理完成并交付使用。工程目標為耕地田塊土方平整，其主要項目是清除土堆和平整低洼田面，剝離、回填表土，人工平整耕作層。按設計高程施工平整田面，順水流坡度控制在1/1 000以內，耕作層在20 cm左右。依據設計，先將擬平整田塊20 cm耕作層用推土機進行表土剝離，堆放在田塊內，用塑料布遮蓋，避免土壤流失。表土剝離后，用平地機進行細平，高差較大處由鏟運機鏟運土方回填，高差小于10 cm的平整工作由人工完成，機械平整后人工再平整一次，以滿足設計要求。采取就近平整原則，挖取高于設計田面標高的土方回填至附近低于設計田面標高田塊，開挖及回填時保證表土回填前田塊有足夠的保水層，防止表土層底部為漏水層，同時兼顧田面高程控制。最后依設計要求，推土機配合平整進行耕作層回覆，新造田表土翻松則用推土機的松土器進行耙松處理。

2 研究方法

2.1 采樣方法

采用時空替代法，選取2塊連片且土壤母質均為第四紀紅色黏土、耕作制度均為煙—稻輪作、生態環境一致的土地整理和未整理區域（圖1）。采用GPS定位技術，根據田塊形狀，按照（80～100） m×（100～120）m的規格，對研究區土壤進行網格五點梅花法采樣，采用手持 GPS標記各采樣點坐標，采集土地整理干擾/未干擾耕作層（0～20 cm）土壤農化樣品各11個。土地整理區和未整理區面積分別為4.60和4.43 hm2。

2.2 檢測指標及方法

采集的土壤樣品帶回實驗室后，經風干、去雜、過10目和100目篩后，測定土壤樣品的pH值及有機質（SOM）、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、堿解氮（AN）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）含量情況。其中，土壤pH值采用電位法測定，有機質含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測定，全氮采用凱氏定氮法測定，堿解氮采用堿解擴散法測定，全磷采用鉬銻抗比色法測定，有效磷采用NaHCO3提取，鉬銻抗比色法測定，全鉀采用堿溶火焰光度計法測定，速效鉀采用NH4Ac浸提火焰光度計法測定[15]。

2.3 土壤肥力綜合評價方法

土壤肥力是土壤物理、化學和生物性質的綜合反應[16]。土壤肥力評價應以土壤的養分含量為主[17]。

針對南方土壤特性，基于通用性、實用性、有效性和敏感性原則，按照因子對土壤生產力的影響，選取pH值及有機質（SOM）、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、堿解氮（AN）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）8項土壤肥力評價指標，建立土壤肥力質量評價指標體系。

2.3.1 評價指標隸屬度的計算 采用隸屬度函數，從主成分因子負荷量值的正負性，確定隸屬度函數分布的升降性，這與各因子對土地整理的效應相符合。考慮到該研究土壤肥力質量評價均為化學指標，采用升型分布函數[18]，即：F（Xi）=（Xij-Ximin）/（Ximax-Ximin）;式中，F（Xi）表示各肥力因子的隸屬度值，Xij表示各肥力因子值，Ximax和Ximin分別表示第i項肥力因子中的最大值和最小值，并根據公式計算土壤肥力因子的隸屬度值。

2.3.2 土壤肥力綜合指數值 利用SPSS 18.0軟件計算各肥力因子主成分的貢獻率和累計貢獻率，得到土壤肥力因子主成分矩陣。依據提取的主成分分析因子負荷量，計算加權平均值，分析各肥力因子的作用大小，確定他們的權重。根據加乘法則，對各個肥力指標值采用乘法進行合成，計算土壤肥力綜合指數值（Integrated fertility index，IFI）。

式中，Wi表示各肥力因子的權重向量，F（Xi）表示各肥力因子的隸屬度值。

參考湘南土壤肥力質量的實際狀況，依據表1中的標準[19]劃分土壤肥力等級，計算研究區各肥力等級百分比。

2.4 半變異函數分析方法

半變異函數又稱半變差函數，是地統計分析的特有函數。如果區域化變量Z（x）的增量，即點x和x+h處的值Z（x）與Z（x+h）之差的平方[Z（x+h）-Z（x）]2為區域化變量Z（x）方差的一半，則這一函數就稱為半變異函數，記為r（h），2r（h）稱為變異函數[20]。根據定義有：

式中，h為2樣本點空間分隔距離;r（h）為h的半方差函數值;N（h）為間隔距離等于h的樣本點的對數;Z（xi）為空間位置點xi處指標的實測值;Z（xi+h）為空間位置點xi+h處指標的實測值。

2.5 數據處理

將手持 GPS 標記的各采樣點坐標導入GS+ 9.0和 ArcGIS 10.0 軟件，生成具有土壤肥力指標信息的采樣樣點數據。基于地統計學原理，采用 GS+9.0 軟件完成半變異函數計算和理論模型擬合，并結合 ArcGIS 軟件中Geostatistical Analyst 工具，對采樣點各土壤肥力綜合指數值進行克里格插值，生成研究區土壤肥力質量的空間分布圖，完成土壤肥力質量空間分布面積統計。

傳統的數據統計分析借助Excel 2010和SPSS 15.0 軟件完成。

3 結果與分析

3.1 土地整理對土壤肥力指標的影響

表2為土地未整理區與整理區土壤的主要肥力指標狀況。土地整理區8項土壤肥力指標值均低于未整理區;其中，整理區土壤pH值和全氮分別比未整理區降低13.81%和24.68%，差異達顯著水平（P<0.05），說明土地整理對pH值和全氮影響顯著。從變異系數看，土地整理后土壤pH值、有機質、全氮、全鉀和堿解氮的變異系數有所降低，而全磷、有效磷、速效鉀的變異系數有所增大，表明土地整理導致土壤pH值、有機質、全氮、全鉀和堿解氮變異性減小，而其他肥力指標變異性增大。

3.2 土地整理對土壤肥力指標空間分布的影響

從圖2可以看出，土壤pH值、有機質、全氮及堿解氮值較大的區域分布在未整理區，值較小的區域主要分布在土地整理區;而全磷、有效磷、全鉀及速效鉀則相反。其中pH值、堿解氮、全磷及速效鉀不管是在未整理區還是整理區，均呈零碎的小斑塊狀;pH值可能受土壤母質和土地整理的翻填與推覆有關，而堿解氮、全磷及速效鉀可能受耕作施肥的影響較大。其他4項指標中，整理區土壤有機質分布較均一，以13～17 g/kg分布區間占絕對優勢，而未整理區各等級分布的斑塊小，數量多;全氮、有效磷和全鉀呈大區斑塊分布特征，其中整理區斑塊分布規律明顯，與土地整理表土剝離、混雜和回填有關，而未整理區分布凌亂，可能與農戶施肥與耕作管理有關。

3.3 土地整理對土壤肥力質量的影響

3.3.1 土壤肥力因子主成分的貢獻率與矩陣 利用SPSS 18.0軟件計算各肥力因子主成分的貢獻率和累計貢獻率（表3），得到土壤肥力因子主成分矩陣（表4）。通過主成分分析可以看出，未整理區和整理區土壤肥力指數的前3個主成分的累積貢獻率分別為81.87%和81.13%，表明這3個主成分已分別提供了全部指標81.87%和81.13%以上的信息。未整理區中有機質、全氮、全磷、有效磷、速效鉀在第1主成分中發揮了重要作用，全鉀、堿解氮分別在第2主成分中發揮了重要作用，pH值在第3主成分中發揮了重要作用;整理區中全氮、全磷、堿解氮、有效磷、pH值在第1主成分中發揮了重要作用，有機質、全鉀在第2主成分中發揮了重要作用，速效鉀在第3主成分中發揮了重要作用。

3.3.2 土壤肥力因子的負荷量和權重 由表5可知，選取的土壤肥力指標均影響著研究區土壤肥力特征。研究區土壤中各肥力指標權重變化較大，未整理區的指標權重變化在-0.027～0.196之間，對土壤肥力影響較大的是有效磷、全磷、速效鉀和有機質;整理區的指標權重變化在-0.095～0.262之間，對土壤肥力影響較大的是有效磷、全磷、全鉀和全氮。

3.3.3 土壤肥力綜合指數及適宜性評價 由表6可知，整理區土壤肥力綜合指數（IFI）的變化范圍和均值均低于未整理區，其中整理區土壤的IFI均值比未整理區低33.33%，差異達顯著水平（P<0.05），說明土地整理導致土壤肥力綜合指數顯著降低，土壤肥力質量下降;土地整理區土壤IFI變異系數大于未整理區，表明土地整理導致土壤肥力質量變異性增大。從表6中還可以看出，未整理區差和較差等級分別占9.09%和27.27%，良好以上等級占27.27%，而土地整理區差和較差等級分別占9.09%和45.45%，缺乏良好及以上的等級。

3.4 土地整理對土壤肥力質量的空間變異特性影響

3.4.1 肥力質量空間變異結構 從表7可以看出，未整理區和整理區土壤肥力指數擬合最優模型均為高斯模型。塊金值通常表示由試驗誤差和小于試驗取樣尺度引起的變異;基臺值通常表示系統內總的變異;塊金值與基臺值之比，即塊金系數，表示隨機部分引起的空間異質性占系統總變異的比例[21];變程表示隨機變量在空間上的自相關性尺度，反映變量空間自相關范圍的大小[22]。未整理區和整理區土壤IFI的塊金值分別為0.071和0.010，基臺值分別為0.214和0.104，塊金系數分別為0.332和0.096，變程分別為302.8和171.6;相對于未整理區，整理區土壤IFI的塊金值、基臺值、塊金系數和變程均不同程度降低;其中，兩者的塊金值均較小，說明研究區土壤肥力綜合指數由采樣誤差、短距離的變異、隨機因素引起的變異小;未整理區塊金系數為0.332，處于0.250～0.750變幅范圍，具有中等空間相關性，表明其空間變異是由隨機性因素和結構性因素共同作用引起的[23];整理區塊金系數為0.096，<0.250，具有強空間相關性，表明土地整理可提高土壤肥力質量的空間相關性;整理區土壤肥力綜合指數變程比未整理區低43.33%，表明整理區土壤肥力變異性大于未整理區。

[6] 王璦玲，趙庚星，王慶芳，等. 丘陵區土地整理對土壤理化性狀的影響[J]. 農業工程學報，2011，27（9）：311-315.

[7] 孟會生，王 靜，郭建奎，等. 黃土區土地整理壓實土壤物理性狀的初步研究[J]. 中國農學通報，2009，25（24）：549-552.

[8] 葉艷妹，吳次芳. 土地整理對土壤性狀的影響及其重建技術和工藝研究[J]. 浙江大學學報（農業與生命科學版），2002，28（3）：267-271.

[9] 馬超群，劉鐵銘，楊梅煥. 高陵縣土地整理中新增耕地土壤養分現狀研究[J]. 西北農林科技大學學報（自然科學版），2010，38（5）：175-180.

[10] 張雯雯，李新舉，陳麗麗，等. 泰安丘陵地區土地整理項目區的土壤質量時空變異研究[J]. 安全與環境學報，2007，7（6）：61-64.

[11] 張雯雯，李新舉，陳麗麗，等. 泰安市平原土地整理項目區土壤質量評價[J]. 農業工程學報，2008，24（7）：106-109.

[12] 徐 暢，高 明，謝德體，等. 土地整理年限對紫色丘陵區土壤質量的影響[J]. 農業工程學報，2009，25（8）：242-248.

[13] Yang Z S，Yang L F，Zhang B S. Soil erosion and its basic characteristics at karst rocky-desertified land consolidation area： a case study at Muzhe Village of Xichou County in Southeast Yunnan， China[J]. Journal of Mountain Science，2010，7（1）：55-72.

[14] 于慶濤，廖超林，劉丁林，等. 金稱市鎮土地整理對墾復煙田耕作層土壤主要養分含量變化的影響[J]. 湖南農業科學，2013（9）：50-54.

[15] 鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 北京：中國農業出版社，2000.

[16] 熊 毅，李慶逵. 中國土壤[M]. 北京：科學出版社，1987.

[17] 周 勇，張海濤，汪善勤，等. 江漢平原后湖地區土壤肥力綜合評價方法及其應用[J]. 水土保持學報，2001，15（4）：70-74.

[18] 張慶費，宋永昌，由文輝. 浙江天童植物群落次生演替與土壤肥力的關系[J]. 生態學報，1999，19（2）：174-178.

[19] 王軍艷，張鳳榮，王 茹，等. 應用指數和法對潮土農田土壤肥力變化的評價研究[J]. 農村生態環境，2001，17（3）：13-16，20.

[20] 李 龍，姚云峰，秦富倉. 黃花甸子流域土壤全氮、速效磷、速效鉀的空間變異[J]. 生態學雜志，2015，34（2）：373-379.

[21] 張 維，李啟權，王昌全，等. 川中丘陵縣域土壤pH空間變異及影響因素分析：以四川仁壽縣為例[J]. 長江流域資源與環境，2015，24（7）：1192-1199.

[22] 楊美玲，王雪梅，羅夢媛. 基于GIS的庫車縣耕層土壤養分空間變異研究[J]. 水土保持研究，2015，22（1）：61-65.

[23] Cambardella C A， Moorman T B， Novak J M， et al. Field-scale variability of soil properties in central Iowa soils[J]. Soil Science Society of America Journal，1994，58（5）：1501-1511.

[24] Acosta-Martínez V，Reicher Z， Bischoff M， et al. The role of tree leaf mulch and nitrogen fertilizer on turfgrass soil quality[J]. Biology and Fertility of Soils，1999，29（1）：55-61.

（責任編輯：張煥裕）