福建省龍巖市土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)及其空間分布特征

廖文強(qiáng)

(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(huì)經(jīng)濟(jì)因素的影響下,土壤質(zhì)量始終處于動(dòng)態(tài)變化之中,且同一區(qū)域不同種植管理措施等也會(huì)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(duì)土壤質(zhì)量狀況準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)以及靶向提升具有重要意義。

由于土壤是一個(gè)集物理、化學(xué)、生物和環(huán)境的聚集體,精確評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)[4,6-10]。在進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)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(píng)價(jià);同時(shí),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(yíng)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(píng)價(jià)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(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),進(jìn)行市域土壤質(zhì)量評(píng)價(jià),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(zhǎng)約192 km,南北寬約182 km,占福建省總面積的15.7%。龍巖市地勢(shì)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(zhǎng)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(diǎn)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(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)集為研究對(duì)象(圖1),其中,新羅區(qū)、永定區(qū)、長(zhǎng)汀縣、連城縣、上杭縣、武平縣和漳平市的土壤樣點(diǎn)數(shù)分別為50、61、70、47、60、70和50個(gè)。分別對(duì)各樣點(diǎn)土壤pH與土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)定,其中,土壤pH采用水土比2.5∶1浸提pH計(jì)法測(cè)定,土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定,土壤堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定,土壤有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提比色法測(cè)定,土壤速效鉀含量采用乙酸銨浸提火焰光度計(jì)法測(cè)定[11]。

1.3 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法利用SQI評(píng)價(jià)方法對(duì)龍巖市土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),其方法主要包括4個(gè)步驟,即指標(biāo)的選擇、指標(biāo)評(píng)分、指標(biāo)權(quán)重分配和SQI計(jì)算[4-10]。

(1)指標(biāo)的選擇。選取2019年龍巖市408組耕地樣點(diǎn)的土壤pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2)指標(biāo)評(píng)分。根據(jù)公式(1)對(duì)所選土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸一化計(jì)算賦值。

(1)

式中,i為所選指標(biāo)的第i個(gè)土壤樣點(diǎn)數(shù)值,L和U分別代表所選指標(biāo)分級(jí)閾值的下限值和上限值,Si即為所選指標(biāo)的具體評(píng)分?jǐn)?shù)值。參照第二次全國(guó)土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)文獻(xiàn)[12],該研究中各土壤養(yǎng)分指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1,其上限值和下限值分別參照養(yǎng)分分級(jí)的適宜范圍;同時(shí),土壤pH劃分為7級(jí),即強(qiáng)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(qiáng)酸<4.5,其上限值和下限值分別參照為4.5和8.5計(jì)算。

表1 土壤pH和養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

(3)指標(biāo)權(quán)重分配。首先計(jì)算第i項(xiàng)指標(biāo)的Ri值即第i

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

(2)

式中,Ri代表第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與其他各項(xiàng)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)的平均值,n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù),Wi代表第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。

(4)SQI計(jì)算。SQI計(jì)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(jìn)行龍巖市土壤質(zhì)量指標(biāo)(土壤pH、有機(jī)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(jì)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2020進(jìn)行整理,采用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,應(yīng)用ArcGIS 10.7軟件進(jìn)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(jī)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(jí)豐富水平,土壤堿解氮屬于二級(jí)豐富水平,土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀屬于三級(jí)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(jī)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(jī)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(jī)質(zhì)和堿解氮、連城縣土壤有效磷、長(zhǎng)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(jí)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(zhǎng)汀縣。土壤有機(jī)質(zhì)各區(qū)間交錯(cuò)分布,空間規(guī)律性不明顯(圖2b),其中,土壤有機(jī)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(jī)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(jí)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(zhǎng)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(píng)價(jià)將所有土壤質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析可計(jì)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(píng)價(jià)指標(biāo)閾值和權(quán)重

在指標(biāo)評(píng)分和權(quán)重計(jì)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(shí),龍巖市土壤pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀對(duì)SQI值的貢獻(xiàn)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(xiàn)百分比最高的為新羅區(qū),土壤pH和堿解氮貢獻(xiàn)百分比最低的均為長(zhǎng)汀縣,有機(jī)質(zhì)和堿解氮的貢獻(xiàn)百分比最高的均為永定區(qū),而有效磷的貢獻(xiàn)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(xiàn)百分比最高和最低的分別是長(zhǎng)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(xiàn)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(jí)及空間分布依據(jù)《耕地質(zhì)量等級(jí)(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(gè)等級(jí)(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(jí)范圍

對(duì)龍巖市SQI值進(jìn)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(cuò)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(shì)。同時(shí),上杭縣、長(zhǎng)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(jí)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(guó)是一個(gè)多山國(guó)家,山區(qū)面積占國(guó)土面積的69%,多分布于我國(guó)南方地區(qū);同時(shí),南方紅黃壤地區(qū)總面積達(dá)218萬km2,占全國(guó)的22%,區(qū)內(nèi)80%以上為丘陵山地[13]。福建省是我國(guó)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(duì)我國(guó)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(píng)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(píng)價(jià)過程中的一個(gè)重要指標(biāo),同時(shí)是土壤肥力和作物生長(zhǎng)的重要因素[16-18]。Guo等[16]研究指出1980—2000年我國(guó)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(guó)和區(qū)域耕地土壤均呈酸化加劇趨勢(shì),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(dá)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(hù)和提升建設(shè),農(nóng)業(yè)從業(yè)者對(duì)土壤酸化危害及治理認(rèn)識(shí)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(jī)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(píng)價(jià)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(duì)缺乏的現(xiàn)狀,這可能是由于農(nóng)戶長(zhǎng)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(hù)生態(tài)環(huán)境的重要措施。

土壤有機(jī)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(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)和作物生長(zhǎng)[23-24]。近30年來我國(guó)農(nóng)田耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量整體呈上升趨勢(shì),全國(guó)耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量平均為24.65 g/kg,較全國(guó)第二次土壤普查時(shí)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(jī)質(zhì)含量的平均值為28.69 g/kg,略高于全國(guó)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(jī)質(zhì)含量趨于改善的變化。究其原因,可能是因?yàn)榻陙睚垘r市重視有機(jī)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(jī)質(zhì)含量[15,19]。

同時(shí),基于土壤常規(guī)五項(xiàng)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(yuǎn)。另外,該研究利用ArcGIS方法繪制了龍巖市5個(gè)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(duì)龍巖市域和區(qū)縣間SQI的貢獻(xiàn)百分?jǐn)?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(jìn)行區(qū)域土壤質(zhì)量提升和保護(hù)政策的制定以及種植戶有針對(duì)性地改進(jìn)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(jī)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(xiàn)率分別堿解氮(25.78%)>有機(jī)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)。