鄱陽湖區洪澇災害稻田土壤養分狀況與質量評價

蘇 甜，劉方平*，徐 濤，吳建富，索猛利

（1.江西省灌溉試驗中心站，江西 南昌 330201；2.江西農業大學，江西 南昌 330000）

我國農作物減產的主要因素是自然災害，包括水災和旱災。江西省位于長江中下游地區，降雨量豐富，長江洪水倒灌現象嚴重，這更加劇了洪澇災害的程度。而鄱陽湖區又是長江中下游洪澇災害的重災區和多發區［1］。土壤質量是土壤物理、化學及生物性質的綜合反映［2］，在生態系統中起著保持各生物生產力、維持環境質量、促進動植物健康生長的能力［3］。健康的農田生態系統是保障人類可持續發展的需求之一。當前針對受洪澇災害的林地土壤質量研究較多［4-5］，但針對洪澇災害地區的稻田土壤質量研究報道較少，且缺乏系統性的評價，難以全面、科學地反映洪澇區域的土壤質量。因此，研究鄱陽湖區受洪澇災害影響的農田土壤養分狀況及質量，對湖區人民的生產生活具有著重要意義。

主成分分析法(PCA)是一種將多維因子納入同一系統進行定量研究的多元統計方法，目前也被應用于土壤質量評價的研究中［6］。本文以受災程度不同的稻田土壤為研究材料，運用PCA法將應用較多的土壤指標作為評價因子，以揭示不同區域的土壤肥力及質量狀況，旨在了解洪澇災害下的土壤健康狀況，以期為土壤治理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于我國江西省鄱陽湖平原區，屬中亞熱帶濕潤季風氣候區。鄱陽湖區主要包括南昌市區、南昌縣、新建區、進賢縣、九江市區、永修縣、德安縣、都昌縣、湖口縣、廬山市、余干縣、鄱陽縣等12個縣市［7］。本文選取鄱陽湖區內氣候、土壤和地形等自然條件及耕作制度、生產力水平等具有典型代表性的永修、南昌、進賢、余干、鄱陽5個縣區作為研究區域。

1.2 研究方法

1.2.1 采集方法 2021年6月，分別從洪澇重災區、常災區和易災區［8］選取5個縣區的28個村莊，進行稻田土壤的采集。土壤采集按照100 m×100 m網格進行，避開路邊、田埂、溝邊、肥堆等特殊部位，采集0~20 cm 表層土壤樣品（每個土壤樣品由3個相近采樣點的土壤樣品組合而成）。樣品采集后置于陰涼處自然風干，去除植物根系、碎石等雜質后，研磨過100目尼龍篩備用。

1.2.2 指標測定方法 土壤容重、孔隙度及持水量采用環刀法［9］測定；機械組成采用激光粒度分布儀測定；電導率（EC）使用電導率儀測定；全氮含量采用元素分析儀測定；pH值及堿解氮、有機質、速效鉀、速效磷含量等測定方法參考《土壤農化分析》［10］；過氧化氫酶及酸性磷酸酶參考《土壤酶及其研究方法》［11］測定；土壤細菌及微生物量采用平板培養菌落計數法［12］測定。

1.2.3 評價方法 （1）評價指標的選擇。選取pH值、田間持水量、總孔隙度、毛管孔隙度等17項物理、化學及生物指標作為本研究土壤質量評價的基本指標［13］。

（2）土壤質量綜合指數的計算。為衡量各土壤指標對土壤質量的貢獻程度，以主成分分析法確定單個土壤指標的權重值［14］，然后根據各指標的權重和隸屬度計算不同區域的土壤質量指數。本研究中的土壤指標評價結果轉化為土壤質量綜合評價指數［15］。

通過主成分分析，得到各采樣點的主成分得分，采用加權法計算土壤質量綜合指數(Q) ，其表達式為：Q=∑WiFi。其中，Wi是各主成分的貢獻率；Fi是各主成分的得分。若Q為正，則表明該區域土壤質量在平均水平之上，反之則表明其在平均水平以下。

1.3 數據處理

運用主成分分析法計算土壤質量綜合指數；運用SPSS 22.0軟件對各項數據進行正態分布檢驗和顯著性分析，運用Pearson相關系數法檢驗各土壤指標間的相關性。

2 結果與分析

2.1 洪澇災害地區稻田土壤基本狀況

2.1.1 土壤質地 研究區土壤組成以砂粒和粉粒為主，黏粒含量不高。根據國際制土壤質地分類標準［16］及現場鑒別，研究區域主要是壤土和黏壤土，其中粉質壤土占比最大，達58.98%，各縣區具體的土壤組成見圖1。由圖1可知，南昌縣土壤黏粒和粉粒含量最高，永修縣土壤砂粒含量最高；進賢縣土壤黏粒含量最低，余干縣土壤粉粒含量最低，南昌縣土壤沙粒含量最低。由此可見，南昌縣土壤黏性較大，永修縣土壤偏砂性。總體上研究區采樣點42.86%的土壤為紅壤。

圖1 研究區域土壤組成情況

2.1.2 土壤物理特性 由表1可知，研究區土壤的田間持水量在36.27%~62.61%之間，均值為49.76%。對比不同縣區的土壤持水量，在同一個村莊中，地勢較高的稻田中土壤持水量較低，持水量最高的采樣點是鄱陽縣的車門村。各采樣點的土壤毛管孔隙度、總孔隙度分別介于39.43%~62.82%、39.90%~67.91%之間，非毛管孔隙度只占總孔隙度的6.5%，由此可知，該區域土壤主要以大孔隙為主，透水通氣性能較差，屬耐旱性較差的土壤。綜上，余干縣的土壤物理特性相對較好，其次是鄱陽、南昌與進賢3個縣，而永修縣則處于較低水平。

表1 研究區域采樣點土壤理化指標

2.1.3 土壤化學特性 由表1可知，土壤pH值變化范圍為4.71~5.93，均值為5.18，整體屬于酸性土壤。其中官田里村（高）的土壤pH值低于其他采樣點的，這可能是由于該地表枯落物較多、腐殖酸積累較迅速致使土壤的pH值較低；北洲鄭家的土壤pH值最高。土壤全氮含量介于0.8~2.7 g/kg之間，均值為1.9 g/kg。堿解氮含量介于73.65~243.44 mg/kg之間，均值為159.71 mg/kg。有機質、速效鉀和有效磷的平均含量分別為34.22、115.22、14.62 mg/kg，其中余干縣采樣點土壤中這3項指標的含量均高于其他縣的；南昌縣采樣點土壤中速效鉀和有效磷含量均較低，永修縣采樣點土壤中有機質含量較低。

2.1.4 土壤養分狀況 依據全國第二次土壤普查養分分級標準［17］，研究區域內32.0%的土壤養分很肥沃（I級），39.0%的屬于肥沃（Ⅱ級），只有17.9%的肥沃程度為一般（Ⅳ級）。

對土壤堿解氮、速效鉀和速效磷進行養分分級。各采樣點土壤的堿解氮含量整體處于豐富水平（I級），但外閔家及南山東湖家采樣點土壤堿解氮較缺乏（Ⅳ級）；53.6%的村莊土壤速效鉀較缺乏（Ⅳ級）。速效鉀和速效磷養分水平整體處于中等豐富水平（Ⅲ級）。

2.2 土壤質量綜合分析

整理分析采樣點的多項指標，使用SPSS 22.0軟件進行PCA前的相關分析和檢驗。結果表明，KMO值為0.778，Bartlett球形度檢驗顯著性的值小于0.01，說明土壤評價指標之間具有相關性，進行主成分分析是可行的［18］。

本文采用主成分分析法對水稻田土壤質量進行評價。因特征值大于1的主成分能夠解釋較多的總變異性，分析時應選擇特征值大于1的主成分保留下來［18］。由表2可知，特征值＞1的主成分共計5個，可解釋78.973%的總變量。

表2 成分列表及特征值

2.2.1 土壤評價指標的有效性 一般認為，因子負荷量絕對值越大，變量在相應主成分中的權重就越大，其中正負只表征影響效應［18］。各因子的負荷量見表3，土壤第1主成分有多個高權重變量，其中有機質、全氮、速效磷含量等貢獻較大；第2主成分起主要作用的是速效鉀含量、電導率以及過氧化氫酶活性；第3主成分中細菌總量貢獻最大，其次是微生物總量；第4主成分貢獻量最大的是pH值；第5主成分貢獻量最大的是真菌總量。

表3 主成分負荷量

2.2.2 稻田土壤的質量綜合指數 以5個主成分中每個主成分的貢獻率占所有提取主成分的貢獻率之和的比值為權重，Q為綜合指數，F為綜合因子得分，將每個采樣點的各項指標數據標準化后獲得每個采樣點的每個評價指標的標準值(Zi)，并對每個指標在不同主成分上的綜合得分(Fi)進行計算。經計算，主成分1~主成分5的權重值分別為：0.475、0.189、0.147、0.101和0.088。獲得主成分權重值后，采用加權法計算出各采樣點的土壤質量綜合指數。

由圖2可以看出，一半采樣點的土壤綜合指數＞0，土壤健康處于平均水平之上；另一半的采樣點土壤綜合指數＜0，土壤健康處于平均水平以下。28個采樣點的土壤質量綜合指數均值為0，表明土壤質量整體處于平均水平。其中永修縣的土壤綜合指數均值為-0.36，南昌縣的為-0.47，進賢縣的為0.18，余干縣的為0.35，鄱陽縣的為0.26。永修縣（易災區）、南昌縣（常災區）的土壤質量綜合指數處于平均水平之下，應著重對該區域的土壤養分進行調控。

圖2 研究區域土壤質量綜合指數得分

3 討論與結論

本研究發現pH值在第4主成分上的負荷量為負值，表明pH值的增加可能會導致土壤質量的下降。PCA結果表明，研究區域內的有機質含量是影響土壤質量的重要因素之一。對第1主成分貢獻量較大的指標如田間持水量及有機質、速效磷含量等數據進行正態分布檢驗，后進行Pearson相關性分析，發現田間持水量與有機質含量具有顯著的正相關關系，與全氮、速效鉀含量呈極顯著正相關。有機質含量與土壤養分供給、物理特性及理化過程具有密切關系，主要源于人工施肥和植物凋落物的分解。

PCA結果顯示，全氮含量為影響土壤質量的第1主成分，這可能與土壤長期施用了大量的氮肥有關。劉立軍等［19］研究表明，土壤背景氮含量較高條件下的水稻產量對氮肥的反應明顯降低，氮肥利用率的各個指標均有不同程度的下降。研究區土壤速效磷含量豐富，部分地區達到極豐富水平。當土壤速效磷含量高于20 mg/kg時，即為磷補給充足。但鄱陽縣雙港鎮采樣點的土壤速效磷均值高達44 mg/kg，過量的磷會引發一系列的環境風險。因而土壤磷含量較高的地區，建議少施或不施磷肥，以減少磷肥浪費和避免環境污染。

李平等［20］研究表明，土壤中速效鉀易被植物直接吸收利用，其含量高低可直接反映土壤供鉀能力強弱，速效鉀含量不足是紅壤區水稻生產的主要限制因子。研究區土壤速效鉀含量一半處于較缺乏的水平，這些地區需補充鉀素，否則可能會影響當地水稻產量［21］。研究區域內有機質含量與速效鉀含量有顯著的相關關系，速效鉀與速效磷具有極顯著的相關性關系。在PCA分析中，速效鉀含量在第2主成分中起主要作用，說明速效鉀含量是影響研究區域內稻田土壤質量的重要因素。

綜上所述，鄱陽湖平原洪澇災害區的稻田土壤多為壤土和黏壤土，近一半土壤為紅壤土；研究區域內土壤均屬酸性，堿解氮含量豐富，一半以上的土壤缺乏速效鉀，但速效鉀和有效磷養分水平整體處于中等豐富；土壤質量整體處于平均水平，進賢、鄱陽及余干縣的土壤質量優于南昌縣和永修縣。因此在施肥過程中，要適當減少磷肥的施用，并采取相應改良措施防止土壤繼續酸化或堿化。