李肖肖 朱鳳武 許桃元 姚新春 余 漫 陳 浮?

（1 中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇徐州 221116）

（2 自然資源部海岸帶開發(fā)與保護重點實驗室，江蘇省土地勘測規(guī)劃院，南京 210029）

土地整治是土地利用管理的重要手段，主要目的是增加耕地面積，提升糧食產(chǎn)能[1］。近十年，國家每年投資數(shù)百億資金用于土地整治，累積完成整治面積3 000萬hm2，為國家耕地“占補平衡”戰(zhàn)略和糧食安全作為重要貢獻[2］。長期以來，土地整治過分強調(diào)新增耕地和糧食產(chǎn)能，導(dǎo)致對土地整治的環(huán)境效應(yīng)關(guān)注極少[3-4］。當前我國社會發(fā)展形勢發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，綠水青山和生態(tài)安全已成為優(yōu)先目標[5］。土地整治也應(yīng)從注重數(shù)量、產(chǎn)能向注重生態(tài)服務(wù)轉(zhuǎn)變[6］，耕地不只是生產(chǎn)糧食，更是涵養(yǎng)水源、凈化空氣、鄉(xiāng)村旅游等多功能生態(tài)服務(wù)價值提供者[7］。因此，生態(tài)型整治將是今后的主要方向。土地整治作為一個復(fù)雜工程，在優(yōu)化生產(chǎn)、維持農(nóng)田景觀功能的同時，必然會對農(nóng)田生態(tài)產(chǎn)生一系列影響。但當前平整工程多采用挖高填低、表土剝離等方式，必然對土壤養(yǎng)分循環(huán)、微生物環(huán)境等造成大幅干擾[8］，進而影響作物生長。

土地整治相關(guān)的環(huán)境問題已受到關(guān)注。在大尺度上學者關(guān)注土地整治的社會效應(yīng)[9］以及土地整治后農(nóng)民收入增加[10］。在項目尺度上學者關(guān)注土地整治的景觀效應(yīng)[11］，可減少水土流失、增加碳儲存[12］。在小尺度上，研究者發(fā)現(xiàn)，土地整治使得土壤性狀發(fā)生了較大的改變[13-14］；Hazeu等[15］利用歸一化植被指數(shù)（NDVI）監(jiān)測農(nóng)田變化，識別高價值農(nóng)田；Brye等[14］研究發(fā)現(xiàn)土地整治對土壤理化性質(zhì)造成區(qū)域性不平衡現(xiàn)象，但隨著時間的增加，不平衡現(xiàn)象逐漸減小。各地農(nóng)田質(zhì)量監(jiān)測表明，整治增加了土壤養(yǎng)分的異質(zhì)性[16］，造成土壤pH、鹽分和氮磷鉀等不同程度的空間變異[14,17］，同時也對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)帶來負面影響[18］。

中國土地整治已經(jīng)歷多階段發(fā)展。最初是為了新增耕地，滿足耕地占補平衡需求。2006年后轉(zhuǎn)向高標準基本農(nóng)田建設(shè)，關(guān)注糧食產(chǎn)能潛力提升。2011年后轉(zhuǎn)向農(nóng)村土地綜合整治，關(guān)注城鄉(xiāng)統(tǒng)籌與包容性增長。學術(shù)界主要關(guān)注新耕地率[19］、投資效率[10］、產(chǎn)能潛力[20］、鄉(xiāng)村振興[2］以及制度設(shè)計[1,21］等國家宏觀戰(zhàn)略。對土地整治的微觀環(huán)境效應(yīng)缺乏足夠監(jiān)測，土地整治與土壤環(huán)境之間耦合機制研究尚不充分。當前蘇南平原（江蘇省南京、蘇州、無錫、常州、鎮(zhèn)江等五市）大規(guī)模開展土地整治，以減少農(nóng)田破碎化、促進土地流轉(zhuǎn)、推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。但該區(qū)域水網(wǎng)密布、缺少土源，整治需要內(nèi)部平衡土方，如坑塘填埋、路基工程，土方調(diào)配對農(nóng)田土壤環(huán)境干擾極大。然而，短期內(nèi)不同平整方式導(dǎo)致的土壤養(yǎng)分空間特征變化鮮有報道。因此，本研究利用遙感和田間調(diào)查技術(shù)，監(jiān)測整治后填方區(qū)、挖方區(qū)、坑塘填埋區(qū)和未動工區(qū)土壤養(yǎng)分特征及第一生長季水稻長勢，探索不同平整方式對水稻生長的短期干擾，以期為土地整治質(zhì)量監(jiān)測、整治后土壤培肥及生態(tài)管護提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于常州市金壇區(qū)直溪鎮(zhèn)耿莊村（31°34′～31°35′N， 119°19′～119°21′E）。屬亞熱帶季風氣候，四季分明，年均降水量1 064 mm，無霜期較長，年均氣溫15.3℃。項目區(qū)內(nèi)河塘密布項目區(qū)內(nèi)河塘密布，是典型的長江三角洲平原水鄉(xiāng)，雖墾殖歷史悠久，但田塊碎片化嚴重。研究區(qū)雨熱同季，一年兩熟，主要為水稻—小麥輪作。土壤類型為湖積和長江沖積母質(zhì)發(fā)育的水稻土，土壤肥沃，但呈酸化趨勢。

研究區(qū)土地整治前耕地39.12 hm2（水田34.48 hm2、旱地4.64 hm2）、園地0.56 hm2、交通運輸用地8.23 hm2、水域及水利設(shè)施用地53.69 hm2（河流水面10.67 hm2、坑塘水面42.56 hm2、溝渠0.46 hm2）。雖屬于平原，但田塊小且零散，田坎多，水利設(shè)施不完善。2017年1—5月先后進行了田塊平整、表土剝離、坑塘填埋、道路和水利設(shè)施工程建設(shè)，共計土地整治面積107.8 hm2，整治后耕地57.97 hm2（水田54.16 hm2、旱地3.81 hm2）、園地3.81 hm2、交通運輸用地3.67 hm2、水域及水利設(shè)施用地39.95 hm2（河流水面9.69 hm2、坑塘水面29.48 hm2、溝渠0.78 hm2）。整治后農(nóng)田實行水稻—小麥輪作，由種植大戶承包，統(tǒng)一經(jīng)營與管理。

1.2 土壤樣品采集與分析

土地整治前后兩次采集土樣，分別為2016年11月5日、2017年9月11日。采樣前借助整治工程施工圖、土方調(diào)配圖及遙感圖像，確定坑塘填埋區(qū)（WF）、挖方區(qū)（TC）、填方區(qū)（BT）及未動工區(qū)（U），整治前后均采集樣品43個（圖1）。其中TC 15個、BT 16個、U 6個，用手持式GPS精確定位。WF整治前樣品來源于土方調(diào)配圖確定的土源區(qū)土壤，整治后采樣則為WF 6個樣品。按“S”型采集0～20 cm表土，五點法混合，采集鮮土約2 kg。室內(nèi)風干，過2 mm篩，剔除石礫和植物殘體等雜物。土壤質(zhì)地采用粒徑分析儀（BT-9300Z，百特，丹東）測定[22］，土壤pH采用電位法（水∶土=1∶2.5），土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法測定[23］，土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測定，土壤有效磷釆用碳酸氫銨浸提—鉬銻抗比色法測定，土壤速效鉀釆用醋酸銨浸提-火焰光度計法測定（FP640，精科，上海），土壤有效鋅采用二乙基三胺五乙酸（DTPA）浸提-原子吸收分光光度法（SpectrAA-220FS，Varian，美國）測定，土壤有效硅采用檸檬酸緩沖浸提-硅鉬藍比色法測定[24］。同一指標做3次重復(fù)，取其平均值。

1.3 遙感數(shù)據(jù)解譯與處理

土地整治前、中、后3期遙感影像購自美國地球眼衛(wèi)星公司（Earth Eye Satellite, Inc., USA），分別為2016年8月22日、2017年4月6日和2017年8月23日（圖2），其空間分辨率為0.41 m[25］。對三期影像剪裁處理，并按常規(guī)方法幾何校正、大氣校正和輻射校正等預(yù)處理[26］。利用ENVI5.0軟件處理影像，并結(jié)合工程施工圖和田坎提取各田塊歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index, NDVI）：

式中，DNNIR為近紅外波段數(shù)值，DNR為紅外波段數(shù)值。

圖1 研究區(qū)地理位置與樣點分布Fig. 1 Location of the study area and soil sampling sites

圖2 土地整治前（a）、中（b）、后（c）遙感影像對比Fig. 2 Remote-sensing images of the farmlands (a) before, (b) during and (c) after land consolidation

2 結(jié) 果

2.1 土地整治對土壤理化性狀的短期干擾

由表1土壤性狀可知，土地整治前各組間和組內(nèi)土壤理化性狀均無顯著性差異，土壤性狀相對均一。整治后，不同平整區(qū)內(nèi)除有效磷和速效鉀外，土壤質(zhì)地、pH、有機質(zhì)、全氮、有效鋅和有效硅與整治前相比較均呈顯著變化；未動工區(qū)則無顯著變化。

土地整治后，同一平整區(qū)內(nèi)土壤性狀稍微差異，但組內(nèi)差異顯著小于組間差異（表1）。從單個指標來看，動工區(qū)土壤黏粒含量高于整治前，整治后黏性增強，挖方區(qū)最為顯著；土地平整對挖方區(qū)和填方區(qū)土壤表層pH影響不大，但整治后坑塘填埋區(qū)顯著減?。≒＜0.05）；土地平整后土壤養(yǎng)分影響很大，有機質(zhì)、全氮、有效鋅含量呈下降趨勢，坑塘填埋區(qū)和挖方區(qū)整治后養(yǎng)分含量下降最為顯著，降幅由低到高依次為未動工區(qū)、填方區(qū)、坑塘填埋區(qū)和挖方區(qū)。有效硅含量變化則相反，尤其是整治后挖方區(qū)有效硅含量高達327.8 mg·kg-1，與整治前后呈顯著差異水平；有效磷和速效鉀受影響很小，變化不顯著。總之，土地平整對表層土壤理化性狀影響較大，且填方區(qū)小于坑塘填埋區(qū)和挖方區(qū)，未動工區(qū)無顯著性影響。

2.2 不同土地平整類型區(qū)水稻長勢的空間差異

歸一化植被指數(shù)（NDVI）對地表覆蓋極為敏感，可很好地反映水稻生長狀態(tài)和覆蓋度變化[27］。由表2 NDVI可知，坑塘填埋區(qū)和挖方區(qū)兩種不同平整區(qū)水稻長勢與未動工區(qū)相比存在著顯著性差異（P＜0.05），填方區(qū)與未動工存在一定的差異；其中，未動工區(qū)NDVI平均值最高，挖方區(qū)NDVI平均值最小，兩者相差11.65%。從標準差來看，未動工區(qū)各地塊NDVI差異最小，土地平整區(qū)水稻NDVI存在異質(zhì)性，與實地調(diào)查時未動工區(qū)水稻長勢好且均勻相吻合（圖3）。水稻NDVI值由高到低依次為未動工區(qū)、填方區(qū)、坑塘填埋區(qū)和挖方區(qū)，這一結(jié)果與各平整區(qū)土壤性狀變化應(yīng)存在相關(guān)性。

2.3 土壤性狀與水稻長勢之間關(guān)系

平整后由種植大戶承包，統(tǒng)一施肥，統(tǒng)一管理。水稻生長差異主要取決于平整后土壤養(yǎng)分狀況。從表3可以看出，各田塊NDVI值與有機質(zhì)、全氮、速效鉀、有效鋅含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與有效硅含量呈顯著負相關(guān)關(guān)系，與土壤黏粒、pH、有效磷無顯著相關(guān)性（P＞0.05）。從系數(shù)大小來看，有機質(zhì)、全氮和有效鋅對水稻NDVI值影響較大，對三者疊加與NDVI值多元回歸分析，R2值達到了0.732。表明有機質(zhì)、全氮和有效鋅是影響水稻生長的關(guān)鍵性因素。

表2 不同土地平整類型區(qū)水稻NDVI值描述性統(tǒng)計Table 2 Descriptive statistics of NDVI in farmlands different in leveling type

圖3 研究區(qū)水稻田NDVI空間分異Fig. 3 Spatial variability of NDVI of the paddy fields in the study area

表3 43個樣點土壤參數(shù)與NDVI值之間相關(guān)關(guān)系Table 3 Relationships between soil properties and NDVI in the 43 sampling sites

由圖5可知，不同平整區(qū)土壤性狀與水稻NDVI值之間相關(guān)性差異，以未動工區(qū)R2值最大。從單個指標來看，土壤有機質(zhì)、總氮和速效鋅與NDVI值相關(guān)性顯著，但不同平整區(qū)內(nèi)有機質(zhì)、全氮和有效鋅與NDVI值相關(guān)系數(shù)又明顯不同，如坑塘填埋區(qū)和未動工區(qū)土壤有機質(zhì)與NDVI值相關(guān)系數(shù)為0.412和0.796，這一方面說明短期干擾造成了水稻生長狀況不均一，土壤有機質(zhì)是影響水稻長勢的重要因素，在作物生長中重要作用[28］；另一方面也說明坑塘填埋區(qū)土壤理化性狀呈整體下降趨勢，土壤性狀趨于不穩(wěn)定狀態(tài)，減低了土壤性狀與水稻NDVI值之間相關(guān)關(guān)系。全氮和有效鋅的表現(xiàn)與有機質(zhì)相似，也是影響水稻生長的重要因素之一[29］。然而，有效硅與NDVI值呈顯著性負相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），水稻是典型的喜硅作物，硅可促進水稻光合作用，但本研究區(qū)土壤有效硅含量偏高，超過水稻生長適宜的濃度范圍[29］，相關(guān)系數(shù)僅為0.163。從實地調(diào)查來看，NDVI值不但反映了水稻長勢，在一定范圍內(nèi)，也可以很好地反映土地平整后的土壤養(yǎng)分狀況。因此，NDVI可以替代實地土壤調(diào)查，便捷地監(jiān)測大范圍土地整治的質(zhì)量狀況。

圖4 不同平整區(qū)土壤有機質(zhì)、全氮、有效鋅與歸一化植被指數(shù)NDVI關(guān)系圖Fig. 4 Relationships of NDVI with soil organic matter, total nitrogen, and available zinc in the farmland relative to type of leveling

3 討 論

3.1 不同平整方式下土壤理化性狀的變異特征

土地整治是促進可持續(xù)利用的重要工具，但整治過程中深翻、挖土、填埋等不可避免地打破原土體構(gòu)型，改變了土壤養(yǎng)分垂直或水平分布[30-31］。過去與未來十年內(nèi)我國大面積開展土地整治，國家要求2020年前完成8億畝(1 hm2=15畝)高標準永久基本農(nóng)田建設(shè)，2030年前完成12億畝高標準永久基本農(nóng)田建設(shè)。然而，土壤環(huán)境一個微小的改變可能引起全球環(huán)境的重大變化，尤其是中國正在大規(guī)模的進行土地整治，勢必對土壤碳氮循環(huán)產(chǎn)生巨大影響。土地平整時施工方為減少土方運輸成本，一般采用局部土方平衡方案，這種施工方式加大了挖方、填方的概率。同時，大量深層土被翻到表層，坑塘填埋往往先采用泥漿充填，土方無法壓實，整治后極易產(chǎn)生塌陷。從表1來看，坑塘填埋區(qū)、挖方區(qū)、填方區(qū)均對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生了短期干擾。坑塘填埋區(qū)pH含量范圍5.81～5.98，與整治前相差極大（P＜0.05）。土壤反酸嚴重，主要原因是充漿淤泥來源于河底泥，蘇南地區(qū)河底泥酸化嚴重，高潛水極易反酸。這一特點與前人研究結(jié)果極為相似[28,32］?？犹撂盥駞^(qū)和挖方區(qū)土層厚度受施工影響，一般較薄，質(zhì)地黏重。這極易形成障礙層，易導(dǎo)致作物生長受影響[33］。有效硅主要存在于土壤溶液的硅酸中[29］，整治后表土與下層心土充分混合，新耕作層黏性增加，可以吸附更多的硅酸。這是坑塘填埋區(qū)、挖方區(qū)、填方區(qū)均高于未動工區(qū)的原因。

土壤養(yǎng)分受人為和自然兩種因素調(diào)控[33］，土地整治人為干擾過程與土壤養(yǎng)分變化有著密不可分的聯(lián)系，一般認為隨平整年限的增長，有機質(zhì)以及氮磷鉀等出現(xiàn)先減后增的趨勢，短期內(nèi)則出現(xiàn)肥力下降情況[30］。本研究田間調(diào)查也同樣發(fā)現(xiàn)短期內(nèi)土地平整對土壤性狀和作物生長有顯著擾動，這與前人研究結(jié)果一致[13,33］。同時，發(fā)現(xiàn)有效磷和速效鉀變化不顯著，這與胡雅等[33］研究結(jié)果完全不同。在田間管理一致的條件下，速效磷和速效鉀主要受成土母質(zhì)控制，土地平整主要影響表土土壤，尤其是對耕作層的擾動，幾乎不改變母質(zhì)對有效磷和速效鉀的控制條件。除了坑塘填埋區(qū)外，不可能造成大幅變化。前人研究發(fā)現(xiàn)土壤有效磷和速效鉀的大幅度下降，我們推測主要原因是施肥和田間管理不一致。

3.2 水稻長勢NDVI計量特征的影響因素

耕作層土壤內(nèi)含豐富的有機質(zhì)和營養(yǎng)元素，是農(nóng)作物生長的基礎(chǔ)[28,30］。從表3線性回歸結(jié)果來看，土壤有機質(zhì)、全氮和有效鋅是水稻長勢NDVI值的控制性因素。本研究中未動工區(qū)NDVI值最大，未動工區(qū)因未有任何擾動，表土依然是高度發(fā)育的熟土層，再加上江南平原雨熱同季，適宜水稻種植，長勢最好。挖方區(qū)和填方區(qū)水稻NDVI值下降，尤其是標準差變大，說明平整區(qū)內(nèi)水稻長勢NDVI計量特征發(fā)生了明顯的空間分異，且填方區(qū)NDVI值顯著高于挖方區(qū)（P＜0.05）。這主要與平整方式有關(guān)，土地平整時，一般采用挖高填低，推平地表，挖方區(qū)表層熟土回埋至填方區(qū)，填方區(qū)表層土壤依舊肥沃。但坑塘填埋區(qū)NDVI值處于較低水平，與未動工區(qū)差異顯著（P＜0.05）。主要原因是坑塘填埋采用泥漿充填，再回填表土，無法壓實。夏季降水后疏松土層出現(xiàn)不均勻沉降，擾動了回填的表土，造成耕作層土壤養(yǎng)分狀況變異，導(dǎo)致坑塘填埋區(qū)內(nèi)水稻長勢不僅差，還不均勻。短期內(nèi)土地平整治干擾了表層土壤養(yǎng)分狀況，從而影響水稻長勢。先前研究表明，土地整治后短期內(nèi)對土壤理化性質(zhì)造成顯著或極顯著的影響，嚴重壓實土壤，黏性增大，肥力下降，限制耕作和植物生長[31］。且這種不利影響主要發(fā)生于土地整治后第一年，土壤層次被擾動，尤其是表層土壤，表層理化性質(zhì)發(fā)生改變[13,33］。一般認為短時間內(nèi)土壤受機械混合作用，質(zhì)量呈下降趨勢[30］。這與本研究中不同挖方區(qū)、填方區(qū)的結(jié)果相似。

3.3 減緩?fù)恋仄秸麑ν寥赖臄_動

新時代生態(tài)文明建設(shè)成為主旋律，土地整治應(yīng)該從新增耕地、提升產(chǎn)能向注重耕地多功能生態(tài)服務(wù)價值的生態(tài)型整治轉(zhuǎn)變。本研究與先前研究均表明，土地平整短期內(nèi)會對土壤環(huán)境造成嚴重的干擾，原土體構(gòu)型破壞，表層土壤養(yǎng)分流失嚴重。其實這些與當前不科學的平整方式有關(guān)，施工時過分節(jié)約土方運輸成本。土地整治規(guī)程規(guī)定施工時應(yīng)先將表土層剝離，然后客土回填，場地平整后再將表土覆蓋上去。但實際施工中幾乎很少嚴格執(zhí)行這個規(guī)定，力求施工時間和運輸成本最少，直接推高填低，導(dǎo)致表土變薄，養(yǎng)分下降。與此同時，施工中忽視土壤保護，大量表土損失，造成短期內(nèi)土壤質(zhì)量下降。尤其是坑塘填埋區(qū)和挖方區(qū)，今后土地平整施工應(yīng)嚴格遵守規(guī)范。就坑塘填埋而言，應(yīng)考慮到第一次澆灌后會有下沉現(xiàn)象，填土土層厚度應(yīng)根據(jù)實際情況有所加厚。對于挖方區(qū)，先將0～20 cm表層熟土移走，再對下層田面按不大于3 cm高差的標準統(tǒng)一平整，最后將表層熟土回填[13］，有條件時還應(yīng)覆蓋一次腐殖土，這一措施有利于表土內(nèi)部平衡和保持田間地力均等。

其外，國家規(guī)程對土地整治中土壤質(zhì)量要求不全面，僅對整治后土層厚度提出了具體要求，對土壤性狀未作要求[31］。應(yīng)當完善有關(guān)規(guī)范，兼顧多功能生態(tài)服務(wù)價值。土地整治一般會促進區(qū)域農(nóng)田生態(tài)環(huán)境變化，但整治后農(nóng)田與優(yōu)質(zhì)農(nóng)田相比尚有一定程度的質(zhì)量提升空間，后續(xù)管理應(yīng)當生態(tài)管控，科學施肥，多施綠肥、腐殖質(zhì)肥。同時，生態(tài)管護要與當?shù)赝寥?、氣候特點以及作物生長需要結(jié)合，制定最佳施肥方案和使用量。根據(jù)不同平整區(qū)實際情況，建立長效機制，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)保護共贏。

4 結(jié) 論

蘇南平原區(qū)土地整治對土壤性狀的短期干擾較大，不同平整方式下土壤質(zhì)量和水稻長勢由高到低均為未動工區(qū)、填方區(qū)、坑塘填埋區(qū)和挖方區(qū)；土地平整引起的SOM、TN和Available Zn的空間變異是水稻NDVI異質(zhì)性的主因。因此，蘇南平原區(qū)土地整治施工時應(yīng)關(guān)注坑塘填埋工藝，表土盡量內(nèi)部平衡，減少挖填方干擾。對整治缺陷區(qū)應(yīng)實施綠肥壓青、秸稈還田、施農(nóng)家肥或測土配方施肥等措施，強化后續(xù)管護或二次整治，建立整治監(jiān)測長效機制，實現(xiàn)工程配套型土地整理向生態(tài)型國土綜合整治轉(zhuǎn)變。