土壤質量空間變異規律及驅動因子研究

劉 哲

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；2.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；3.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075)

1 引言

關中地區是位于陜西中部秦嶺以北、黃土高原南緣的渭河沖積平原，河流縱橫，氣候適宜，土層疏松，土壤肥沃，具有悠久的農耕歷史，是華夏文明的發祥地之一。由于具有優越的自然氣候條件和悠久的農耕基礎，適宜多種綠色作物的生長，自古以來就是陜西糧棉油果菜等多種農作物的主要產區，已經成為陜西乃至全國重要的旱作農業區和人口聚集地[1，2]。然而，在長期的社會發展和農業生產實踐過程中，人為因素對當地土壤資源與生態環境留下了深刻的烙印，由于人口的不斷增長和土地面積的銳減，土地高強度、集約化及化學物質的大量使用，使土壤出現了一些亟待研究和解決的重要科學問題。由于土地利用強度日益劇增，土地的集約化經營與使用程度在不斷提高，休耕期縮短甚至消失，顯著增加了土壤質量潛在退化的風險[3，4]。

土壤的質量好壞是關乎糧食安全和未來人類健康可持續發展的根本保障，土壤資源的質量和數量對于社會、經濟的發展和國家糧食安全起著決定性的作用[5～7]。近年來，隨著土地的不可持續利用，全球有24%的土地呈現出土壤質量和生產力的持續下降趨勢，關中地區雖然土層深厚，但土體卻不再疏松，耕層有變薄變緊實的趨勢，根系生長膚淺，吸收土壤養分有效性降低，協調水分和抗干旱能力嚴重不足，容易受到干旱和霜凍的威脅。有機質和碳酸鈣含量下降，土壤的機能和機體受損，土體結構穩定性和通氣性變差，協調環境能力下降，出現了土壤質量潛在衰退的嚴重問題[8～11]。目前，關中農田土壤對外界環境適應及人為活動抵抗能力在逐步下降，處于高投入低產出的尷尬地步，亟待研究土壤質量潛在退化現狀、空間變異規律及發生機理，以期為現代關中地區的農田土壤健康發展、高標準農田建設和糧食安全具有重要的借鑒意義。

2 土壤質量空間變異規律及驅動因子研究內容

2.1 現代關中農田土壤質量現狀調查與空間變異規律研究

關中農田質量潛在退化部位受隱藏性限制，難以被人們覺察，易被忽視。但卻對作物根系延伸、水分入滲、以及氣體交換均有著極為重要的作用。大范圍調查關中農田土壤剖面特征，著重對不同土層剖面pH值、緊實度、容重、交換性鈣、有機質、團聚體、碳酸鈣等指標進行研究；采用高倍電子鏡檢或偏光顯微技術，逐步分析不同土層微形態特征，查明土壤質量潛在退化的微形態特征和微觀機理。查清研究區域內農田土體質量退化的發生部位與嚴重程度，分析關中農田土壤剖面指標的變化趨勢，研究并掌握關中農田土壤質量空間變異規律。

2.2 土壤緊實度及鈣飽和度對土壤質量和作物生長的影響及閾值范圍

以土壤質量潛在退化的緊實化和鈣飽和度下降危害為例，分析土體緊實化對土壤水庫儲水、地面長時間積水、地面徑流、養分流失以及面源污染的作用與影響情況。探究對土體緊實化響應敏感的營養元素，揭示目前土壤貪肥的基礎與背景，為實施減量施用化肥提供科學依據。設置不同鈣飽和度的栽培土壤，室內模擬研究土壤不同鈣飽和度對作物生理生長指標和養分利用率的作用與影響，揭示鈣飽和度對作物生長及產量的作用規律。

2.3 關中農田土壤質量潛在退化驅動機理、評價指標體系及預警機制的研究

土壤一系列的質量退化發生成因既有人為誘導等的外部環境變化的驅動作用，又有土壤內部因素變化的作用。重點從土壤容重、有機質、交換性鈣、團聚體水平及土壤結構穩定性等內在條件探究土壤質量退化發生機理，從土地利用類型、人為耕作與管理模式探明土壤質量退化發生的外部動因。通過采用地統計學、相關性分析等方法分析土壤質量指標間的相關關系與變化過程，通過對比不同區域位置、土地利用類型、耕作方式等對土壤質量變化的影響機制，結合土層微形態特征分析和室內模擬實驗數據，探明造成土壤質量潛在退化的主導因素，揭示土壤質量潛在退化的發生條件與機理，建立土壤質量潛在退化的評價指標體系。

3 土壤質量空間變異規律及驅動因子關鍵科學問題

目前對于現代關中土壤質量潛在退化危害性評價及嚴重程度，仍無明確的指標體系與參考閾值，而且評價指標過多，無法區分哪些是最有效的農田土壤質量退化評價指標，因此，以土壤結構研究為核心，分別在土壤緊實度和容重、有機質、團聚體結構穩定性、土壤交換性鈣和鈣飽和度等指標的研究基礎上，結合土層微形態特征分析和室內模擬實驗數據，建立土壤質量潛在退化的評價指標體系是本項目的另一個關鍵問題，這對于未來探尋改善甚至消除土壤質量潛在退化的危害具有重要的意義。

4 結語與展望

充分認識現代關中地區農田土壤的理化特性，查明現代關中農田土壤質量空間變異規律及其演變特征，對于進一步緩解土壤質量潛在退化及最大限度避免其帶來危害具有十分重要的意義。針對現代關中地區農田土壤質量潛在退化問題愈加嚴重、影響環境安全及物質投入效益等實際狀況，通過開展規模化野外實地監測、土壤結構微觀特征分析和室內模擬實驗，宏觀狀態與微觀分析相結合，探明關中地區農田土壤質量潛在退化現狀，揭示其空間變異規律及演變特征，綜合評價質量潛在退化的危害性，提出關中地區農田土壤質量評價指標與預警機制，以期為現代關中地區作物的高效生產和土壤-植物的健康可持續發展提供機理支持。