孫曉兵, 張青璞, 孔祥斌**, 溫良友, 趙 晶, 劉風建

華北集約化農(nóng)區(qū)耕地土壤肥力時空演變特征*——以河北省曲周縣為例

孫曉兵1,2, 張青璞1,2, 孔祥斌1,2**, 溫良友1,2, 趙 晶1,2, 劉風建3

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學土地科學與技術(shù)學院 北京 100193; 2. 自然資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點實驗室 北京 100193; 3. 滄州市土地整理中心 滄州 061000)

科學準確地進行耕地土壤肥力評價以及揭示其時空演化特征, 對于指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與耕地資源可持續(xù)利用具有重要意義。本文以華北集約化農(nóng)區(qū)典型縣域河北省曲周縣為研究區(qū), 基于耕地土壤樣點測試數(shù)據(jù)和耕地利用數(shù)據(jù), 綜合運用模糊綜合評價和地統(tǒng)計學方法, 以耕地利用圖斑為評價單元對耕地土壤肥力進行評價, 并揭示耕地土壤肥力的時空演變特征。結(jié)果表明: 2000—2018年研究區(qū)耕地土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀平均含量均有所增加, pH有所降低, 且均受到結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素的共同影響; 2000—2018年研究區(qū)耕地土壤肥力指數(shù)均值由0.25增長為0.54, 增長率為116.00%, 耕地土壤肥力由較低水平轉(zhuǎn)變?yōu)橹械人? 且總體變異程度和空間自相關程度均處于中等水平; 2000年和2018年耕地土壤肥力等級分別以Ⅱ級和Ⅲ級為主, 為總面積的83.92%和50.43%, 廣泛分布于除侯村鎮(zhèn)和依莊鄉(xiāng)之外的各個鄉(xiāng)鎮(zhèn); 2000—2018年研究區(qū)耕地土壤肥力Ⅰ級和Ⅱ級面積減少, Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級面積有所增加, Ⅱ級轉(zhuǎn)出面積和輕度增加的面積最大, 但最高等級和高度增加的耕地面積相對較小, 其面積比重分別為1.86%和3.34%。因此, 曲周縣土壤肥力受到自然本底特征與人為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的共同影響, 有效地平衡與協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分元素含量有助于提升耕地土壤肥力以及土地資源的可持續(xù)利用程度。

土壤肥力; 時空演變; 耕地; 集約化農(nóng)區(qū); 曲周縣

土壤肥力是土壤的基本屬性和本質(zhì)特征[1], 是土壤物理、化學和生物性質(zhì)的綜合反映[2]。土壤肥力受到土壤的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、功能和外部環(huán)境的影響[1-2], 土壤養(yǎng)分含量及其空間分布特征是土壤肥力的重要標志[3-5]。土壤肥力評價通常是選取能夠表征土壤肥力狀況的指標, 運用一定的數(shù)學方法對指標進行綜合以科學地反映土壤肥力狀況的過程[4-6]。因而, 土壤肥力評價作為衡量土壤肥力狀況的基礎手段, 對指導土地利用規(guī)劃、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和耕地資源可持續(xù)利用具有重要意義。

土壤肥力評價作為以土壤的植物生產(chǎn)功能為基礎的評價[7-8], 已成為國內(nèi)外研究的熱點[8-10]。土壤肥力評價雖經(jīng)歷了長期的發(fā)展演變, 至今仍沒有形成統(tǒng)一的評價方法[6,11], 但逐漸由定性評價轉(zhuǎn)變?yōu)槎吭u價, 由單項指標評價轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N指標綜合評價[6-11]。土壤肥力評價涉及村域[12]、縣域[13]、市域[14]以及區(qū)域[8]等尺度的農(nóng)田[15]、林地[4]、綠地[14]等評價內(nèi)容, 包括層次分析法[16]、內(nèi)梅羅指數(shù)法[12]、模糊綜合評價法[17]以及可拓評判法[8]等評價方法。土壤肥力評價也可根據(jù)研究區(qū)域、尺度以及目標的不同, 綜合運用主成分分析和模糊綜合評價等方法構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集(minimum data set, MDS), 以少數(shù)綜合變量代替多維變量, 通過關鍵因子對土壤肥力進行評價[18]。如Desbiez等[9]以尼泊爾中部山區(qū)農(nóng)民對土壤肥力的認知狀況, 對土壤肥力進行評價; 秦焱等[8]以東北黑土區(qū)為研究區(qū), 運用主成分分析和可拓評判法對黑土肥力質(zhì)量進行評價; 崔瀟瀟等[13]運用地統(tǒng)計學和Fuzzy綜合評價法對北京市大興區(qū)土壤肥力進行評價, 揭示其空間變化特征; 王飛等[18]采用主成分分析方法構(gòu)建土壤肥力評價的最小數(shù)據(jù)集, 對福建黃泥田土壤肥力質(zhì)量進行評價。然而, 現(xiàn)有研究通常只針對土壤肥力的靜態(tài)評價, 而通過土壤肥力的動態(tài)評價以揭示其時空演變特征的研究相對較少, 特別是對土壤質(zhì)量快速變化的華北集約化農(nóng)區(qū)的耕地土壤肥力評價研究仍需不斷深入。

華北集約化農(nóng)區(qū)土壤以地帶性褐土和潮土為主, 是鹽漬土或次生鹽漬化土普遍發(fā)生的區(qū)域, 悠久的耕作歷史使自然土壤熟化為農(nóng)業(yè)土壤[19]。華北集約化農(nóng)區(qū)耕地面積接近全國的1/6, 生產(chǎn)全國近60%~80%的小麥()和35%~40%的玉米(), 是中國重要的糧食產(chǎn)區(qū)[20]。高強度的耕地資源利用過程特別是化肥和農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素的大量施用, 致使土壤生態(tài)環(huán)境與養(yǎng)分狀況發(fā)生了顯著的變化[20-22], 對土壤肥力質(zhì)量也產(chǎn)生著重要的影響[19,23], 如何科學評價耕地土壤肥力狀況以合理地制定農(nóng)業(yè)發(fā)展策略是其農(nóng)業(yè)發(fā)展的關鍵。河北省曲周縣作為華北高度集約化的典型縣域, 隨著旱澇鹽堿綜合治理與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素投入, 耕地土壤養(yǎng)分元素與土壤肥力均發(fā)生了較大的變化[24-25]。因此, 本文選取位于華北集約化農(nóng)區(qū)的曲周縣為研究區(qū), 基于2000年和2018年兩期耕地土壤樣點測試數(shù)據(jù), 綜合運用模糊綜合評價和地統(tǒng)計學方法, 以2016年耕地利用圖斑為評價單元對耕地土壤肥力進行評價, 并揭示耕地土壤肥力的時空演變特征, 以期為科學合理地施肥與耕地資源可持續(xù)利用提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

曲周縣地處華北平原中部, 河北省南部, 邯鄲市東北部, 黑龍港流域上游, 位于114°50′30″~ 115°13′30″E、36°34′45″~36°57′57″N, 土地總面積為6.77×104hm2, 管轄5鎮(zhèn)5鄉(xiāng), 342個行政村(圖1)。曲周縣地勢由西南向東北傾斜, 地勢平坦, 平均海拔約42.5 m, 屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候, 年均氣溫13.1 ℃, ≥10 ℃積溫4 472 ℃, 無霜期約210 d?？h域境內(nèi)有支漳河、滏陽河和老沙河等河流, 年降雨量566 mm, 且主要集中于7—9月。成土母質(zhì)為河流的洪積物和沖積物, 土壤類型以潮土、鹽土和褐土為主, 土壤質(zhì)地有砂土、砂壤、輕壤、中壤和黏土。曲周縣農(nóng)業(yè)曾受旱澇堿咸的制約, 但隨著旱澇堿咸綜合治理以及農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整, 區(qū)域農(nóng)作物以小麥、玉米、棉花(spp.)和蔬菜為主, 且復種指數(shù)高、土地投入大, 農(nóng)業(yè)集約化程度較高。曲周縣糧食單產(chǎn)由建國之初的675 kg?hm-2增加到現(xiàn)在的7 500 kg?hm-2, 化肥施用量由2000年的3.79 t?hm-2增加到2014年的5.27 t?hm-2 [26]。2015年曲周縣農(nóng)業(yè)產(chǎn)值為23.87億元, 糧食總產(chǎn)量達41.89萬t, 分別是全國縣域平均水平的1.26倍和1.92倍。

圖1 研究區(qū)樣點點位示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究基礎數(shù)據(jù)包含2000年和2018年兩期耕地土壤采樣數(shù)據(jù)以及耕地利用數(shù)據(jù)。2000年4—5月和2018年6—7月, 課題組基于GPS樣點定位坐標, 采用四分法取0~20 cm耕層土壤樣本, 并經(jīng)室內(nèi)風干、研磨等過程進行測試化驗分別得到65個和187個土壤樣點數(shù)據(jù)。其中, 2018年耕地土壤樣點是在2000年原土壤采樣點基礎上采用2 km×2 km網(wǎng)格加密而形成的采樣點(圖1)。耕地土壤樣本測定包括有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀和pH等項目。其中, 有機質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀外熱源法, 全氮含量測定采用半微量開氏法, 有效磷含量測定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗吸光光度法, 速效鉀含量測定采用醋酸銨浸提-火焰光度法, pH測定采用電位法。此外, 耕地利用數(shù)據(jù)來源于曲周縣自然資源和規(guī)劃局2016年土地變更調(diào)查數(shù)據(jù), 通過提取水澆地和旱地以獲取耕地利用圖斑數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 耕地土壤肥力評價

基于國內(nèi)外土壤肥力評價研究, 結(jié)合華北地區(qū)耕地土壤基本特征[23-25], 本文以綜合性、主導性和數(shù)據(jù)可獲得性為原則, 選取有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀和pH 5個指標, 運用模糊綜合評價模型對耕地土壤肥力進行評價。模糊綜合評價是基于模糊數(shù)學評價方法, 通過構(gòu)建隸屬度函數(shù)、確定指標權(quán)重和計算綜合指數(shù)等步驟實現(xiàn)耕地土壤肥力評價[13]。

2.1.1 構(gòu)建隸屬度函數(shù)

為解決耕地土壤肥力指標適宜范圍不同以及量綱的差異, 需通過構(gòu)建隸屬度函數(shù)對指標進行標準化處理。隸屬度函數(shù)實際是表征評價指標與作物生長效應之間的數(shù)學化模型, 本文根據(jù)評價指標對作物生長的作用狀況, 構(gòu)建S型和拋物線型隸屬度函數(shù)。其中, S型隸屬度函數(shù)適用于有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀, 表征在一定范圍內(nèi)指標越大, 指標的作物效應越高, 但達到一定程度時,指標的作物效應維持恒定(公式1); 拋物線型隸屬度函數(shù)適用于pH, 表征在一定范圍內(nèi)指標的作物效應最高, 但低于或高于該范圍時, 指標的作物效應會有所降低(公式2)。

基于全國第2次土壤普查養(yǎng)分分級和全國耕地類型區(qū)耕地地力等級劃分等標準[14,27], 結(jié)合華北集約化農(nóng)區(qū)耕地土壤養(yǎng)分狀況以及研究區(qū)土壤肥力指標實際, 綜合確定不同隸屬度函數(shù)類型的指標轉(zhuǎn)折點。S型土壤肥力指標隸屬度函數(shù)的轉(zhuǎn)折點值為1、2, 其分別表示指標臨界值的下限和上限(表1); 但因pH直接影響著植物生長適宜性程度, 故基于現(xiàn)有酸堿度等級劃分標準確定該指標的隸屬度函數(shù)的轉(zhuǎn)折點1、2、3、4, 其中,1和4分別為指標臨界值的下限和上限,2和3為最適宜范圍的下界點和上界點的值(表2)。

表1 S型土壤肥力指標隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)折點取值

表2 拋物線型土壤肥力指標隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)折點取值

2.1.2 確定指標權(quán)重

確定指標權(quán)重通常具有主觀法、客觀法和主客觀法, 其中, 客觀法賦權(quán)能夠比較準確地揭示指標間的相互作用關系, 故本文運用客觀賦權(quán)中的相關系數(shù)法確定土壤肥力評價指標的權(quán)重[13]。相關系數(shù)法確定指標權(quán)重是先計算單項指標與其余指標的相關系數(shù), 再取各相關系數(shù)絕對值的平均值, 而該平均值占所有指標相關系數(shù)平均值的比例, 即為該單項指標的權(quán)重。本研究運用相關系數(shù)方法測算曲周縣2000年和2018年兩個時點的耕地土壤肥力指標權(quán)重, 并將其均值作為土壤肥力指標的最終權(quán)重, 以期更加準確地表征指標間的相互關系(表3)。

表3 2000年和2018年研究區(qū)耕地土壤肥力評價指標權(quán)重

2.1.3 耕地土壤肥力綜合指數(shù)

耕地土壤肥力指數(shù)是以模糊數(shù)學的加乘法原則為基礎, 通過運用隸屬度函數(shù)標準化的指標值和相關系數(shù)法確定的指標權(quán)重相乘, 可得耕地土壤肥力綜合指數(shù)(integrated fertility index, IFI), 具體公式為:

式中: IFI為耕地土壤肥力綜合指數(shù),q為第個評價指標的隸屬度值,w第個評價指標的權(quán)重系數(shù),的取值范圍為1~5。

基于華北集約化農(nóng)區(qū)耕地土壤肥力基本特征, 結(jié)合曲周縣土壤肥力綜合指數(shù)(IFI)實際狀況, 本文以等間距法將耕地土壤肥力指數(shù)劃分為高、較高、中、較低和低5個等級(表4)。

表4 耕地土壤肥力綜合指數(shù)(IFI)分級標準

2.2 地統(tǒng)計學分析方法

地統(tǒng)計學(Geostatistics)是以區(qū)域化變量為基礎, 借助變異函數(shù)研究具有隨機性和結(jié)構(gòu)性, 或具有空間相關性和依賴性的自然現(xiàn)象的一種方法[28-29]。地統(tǒng)計學利用變異函數(shù)和空間插值方法表征自然地理現(xiàn)象的空間分異過程[28-29]。

區(qū)域化變量()是在滿足二階平穩(wěn)假設的基礎上, 空間位置x和x+h的值(x)與(x+h)差值的方差的1/2為半變異函數(shù), 其具體公式為:

式中:()為耕地土壤樣點數(shù)量,為兩個土壤樣點的空間距離。

半變異函數(shù)理論模型包括線性模型(Linear)、指數(shù)模型(Exponential)、球狀模型(Spherical)和高斯模型(Gaussian)等類型, 且半變異函數(shù)計算需要先對樣本數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗, 對不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)要進行轉(zhuǎn)換處理, 避免出現(xiàn)比例效應[28]。半變異函數(shù)模型包含基臺值(+0)、塊金值(0)和變程() 3個重要參數(shù), 其中, 基臺值是塊金值和結(jié)構(gòu)方差的和, 表征區(qū)域化變量的最大變異程度; 塊金值表征小范圍內(nèi)區(qū)域化變量隨機性的程度; 變程反映區(qū)域化變量變化程度與影響范圍。通常以塊金值和基臺值的比值0/(+0)表征區(qū)域化變量的相關性程度, 當比值小于0.25時, 表示變量具有較強的空間自相關性; 當比值介于0.25與0.75之間時, 表示變量具有中度的空間自相關性; 當比值大于0.75時, 表示變量具有較低的空間自相關性。

克里金(Kriging)插值是基于觀測樣點值以及某種半變異函數(shù)對觀測樣點間插值的地統(tǒng)計學方法, 可對空間插值樣點做出最優(yōu)與無偏估計[29]。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗基礎數(shù)據(jù)使用Excel 2013進行處理, 通過SPSS 21.0進行統(tǒng)計學分析, 并運用地統(tǒng)計學軟件GS+7.0和ArcGIS 10.3軟件平臺進行半變異函數(shù)計算、理論模型擬合、指標空間插值以及圖形繪制等過程。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地土壤肥力指標統(tǒng)計特征分析

基于曲周縣2000年和2018年土壤采樣數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征以及參照全國第2次土壤普查養(yǎng)分分級標準[14], 將曲周縣土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀的含量從高到低劃分為豐富、較豐富、中上、中下、較缺乏、缺乏6個等級。由表5可知, 曲周縣土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和pH呈現(xiàn)正態(tài)分布, 速效鉀呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)分布, 但不同指標本底特征及其變化狀況具有差異性。2000年有機質(zhì)平均含量處于中下水平, 以中下級(10~20 g?kg-1)樣點數(shù)量最多, 為總樣點的83.08%; 全氮和速效鉀的平均含量為中上水平, 其中, 全氮以中上級(1~1.5 g?kg-1)和中下級(0.75~1 g?kg-1)樣點數(shù)量較多, 其樣點比重分別為52.31%和43.08%, 速效鉀以中下級(50~100 mg?kg-1)樣點數(shù)量最多, 樣點比重為58.46%, 豐富級(>200 mg?kg-1)、較豐富(150~200 mg?kg-1)和中上級(100~150 mg?kg-1)的樣點比重分別為7.69%、10.77%和16.92%; 有效磷平均含量較豐富, 較豐富級(20~40 mg?kg-1)和中上級(10~20 mg?kg-1)樣點比重分別為43.08%和24.62%。2018年有機質(zhì)平均含量仍為中下水平, 以中下級(10~20 g?kg-1)樣點數(shù)量最多, 為總樣點的55.61%; 全氮平均含量處于中上水平, 以中上級(1~1.5 g?kg-1)樣點數(shù)量最多, 為總樣點的52.94%; 有效磷平均含量較豐富, 以豐富級(>40 mg?kg-1)和較豐富級(20~40 mg?kg-1)樣點數(shù)量較多, 其樣點比重分別為43.85%和39.04%; 速效鉀平均含量豐富, 以豐富級(>200 mg?kg-1)樣點數(shù)量最多, 樣點比重為58.82%。2000年和2018年pH均值處于堿性水平(7.5~8.5), 樣點比重分別為86.15%和94.12%。2000—2018年有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀的平均含量總體呈現(xiàn)增加趨勢, 其均值的增加比率分別為51.92%、22.86%、91.19%和145.90%; pH均值有所降低, 減小比率為1.45%。變異系數(shù)表征兩組或多組要素之間的離散程度, 其值小于0.1表示弱變異性, 介于0.1與1.0之間表示中等變異性, 大于1表示強變異性[30]。2000—2018年有機質(zhì)、全氮和速效鉀變異系數(shù)均有所增加, 有效磷變異系數(shù)有所降低, 但均處于中等變異水平, pH變異系數(shù)維持不變, 且其變異程度較弱。

表5 曲周縣土壤肥力指標統(tǒng)計特征

3.2 耕地土壤肥力指標變異特征分析

基于半變異函數(shù)計算與模型擬合結(jié)果可知(表6), 全氮和速效鉀的最優(yōu)擬合模型為高斯模型, pH的最優(yōu)擬合模型為指數(shù)模型, 有機質(zhì)2000年和2018年的最優(yōu)擬合模型分別為指數(shù)模型和高斯模型, 有效磷2000年和2018年的最優(yōu)擬合模型分別為指數(shù)模型和高斯模型, 模型參數(shù)表明不同模型的擬合效果能夠較好地反映各指標的空間分布特征。2000年和2018年耕地土壤肥力指標的塊金值(0)與基臺值(+0)的比值, 即塊金系數(shù)[0/(+0)]均介于0.25與0.75之間, 表明各指標具有中度的空間自相關性。塊金系數(shù)高低表征指標受到結(jié)構(gòu)性因素與隨機性因素影響程度的大小, 結(jié)構(gòu)性因素是指氣候、地形、母質(zhì)以及土壤類型等導致土壤指標特性集聚或分散的自然因素, 隨機性因素是指耕作制度、施肥狀況以及種植制度等引起土壤屬性集聚或分散的人為因素[14,31]。由此可知, 2000年和2018年耕地土壤肥力指標均受到結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素的共同影響, 具有中度的空間自相關性, 但有機質(zhì)和全氮的塊金系數(shù)有所增加, 表明該指標空間自相關程度有所降低, 有效磷和pH的塊金系數(shù)略有所降低, 速效鉀的塊金系數(shù)降低程度較大, 表明該指標空間自相關程度有所增加。

基于半變異函數(shù)擬合結(jié)果, 通過克里格空間插值, 采用等間距法進行指標分級, 可得曲周縣各指標空間分布圖(圖2)。2000年土壤有機質(zhì)以11.69~ 15.50 g?kg-1為主, 占總面積的66.07%,≤11.69 g?kg-1面積比重為33.49%; 2018年有機質(zhì)以15.50~19.31 g?kg-1為主, 占總面積的38.68%, 19.31~23.12 g?kg-1面積比重次之, 占總面積的27.88%, ≤11.69 g?kg-1面積比重最小, 占比為4.48%。2000年和2018年土壤全氮分別以0.99~1.21 g?kg-1和1.21~1.38 g?kg-1為主, 分別占總面積的77.06%和30.29%, 2018年全氮>1.98 g?kg-1的面積最小, 占比為1.25%。2018年土壤有機質(zhì)和全氮的相關系數(shù)為0.877, 表明其具有較強的相關性, 有機質(zhì)和全氮的高值區(qū)主要位于河南疃鎮(zhèn)、第四疃鎮(zhèn)、曲周鎮(zhèn)、侯村鎮(zhèn)和大河道鄉(xiāng), 而依莊鄉(xiāng)的有機質(zhì)和全氮相對較低。2000年土壤有效磷≤22.08 mg?kg-1和22.08~38.37 mg?kg-1的面積比例分別為71.68%、28.32%, 2018年土壤有效磷以22.08~38.37 mg?kg-1為主, 占總面積的40.74%, >87.5 mg?kg-1的面積僅為0.24%。2000年土壤速效鉀以≤162.07 mg?kg-1為主, 占比高達99.55%, 2018年土壤速效鉀以162.07~265.32 mg?kg-1為主, 面積比例為54.02%, 高值區(qū)零星分布于河南疃鎮(zhèn)、第四疃鎮(zhèn)、曲周鎮(zhèn)、槐橋鄉(xiāng)、侯村鎮(zhèn)和安寨鎮(zhèn)。2000年和2018年土壤pH均以8.08~8.22為主, 面積比例分別為48.40%、37.99%, 其中, 2000年土壤pH呈現(xiàn)由中部向南北依次遞增的趨勢, 2018年pH總體呈現(xiàn)由南向北依次遞減的趨勢。由此可知, 2000—2018年曲周縣有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀均有所增加, pH有所降低, 但空間分布與變化程度具有差異性。

表6 曲周縣土壤肥力指標空間插值基本參數(shù)

圖2 2000年和2018年曲周縣土壤肥力指標空間分布圖

Fig. 2 The spatial distribution of soil fertility indexes of Quzhou County in 2000 and 2018

3.3 耕地土壤肥力質(zhì)量變異特征分析

基于耕地土壤肥力質(zhì)量評價結(jié)果的統(tǒng)計特征可知(表7), 曲周縣2000年和2018年耕地土壤肥力質(zhì)量K-S指數(shù)通過顯著性檢驗, 表明耕地土壤質(zhì)量指數(shù)呈現(xiàn)正態(tài)分布。2000年耕地土壤肥力指數(shù)介于0.10~0.68, 極差為0.58, 均值為0.25, 平均肥力等級為Ⅱ, 處于較低水平; 2018年耕地土壤肥力指數(shù)介于0.17~0.99, 極差為0.82, 均值為0.54, 平均肥力等級為Ⅲ, 處于中等水平。2000—2018年耕地土壤肥力指數(shù)總體呈增加趨勢, 增長率高達116.00%, 變異系數(shù)雖由0.48降低為0.39, 但耕地土壤肥力指數(shù)變異程度總體仍是中等變異。

表7 曲周縣耕地土壤肥力指數(shù)(IFI)統(tǒng)計特征

由表8可知, 2000年和2018年耕地土壤肥力指數(shù)的最優(yōu)擬合模型分別為指數(shù)模型和高斯模型, 決定系數(shù)較高和殘差較小表明模擬結(jié)果能夠較好地反映耕地土壤肥力質(zhì)量的空間分布特征。塊金系數(shù)[0/(+0)]介于0.25與0.75之間, 表明耕地土壤肥力具有中度的空間自相關性, 且塊金系數(shù)略微有所增加, 表明其同時受到結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素的影響, 但隨機性因素作用程度略微有所增加。

表8 曲周縣土壤肥力指數(shù)(IFI)空間插值基本參數(shù)

3.4 耕地土壤肥力質(zhì)量演變特征

基于2016年耕地利用圖斑提取2000年和2018年耕地土壤肥力質(zhì)量圖斑, 以探究2000—2018年耕地土壤肥力質(zhì)量時空演變特征。由表9和圖3可知, 2000年耕地土壤肥力等級以Ⅱ級為主, 面積為457.27 km2, 所占比例高達83.92%, 廣泛分布于除侯村鎮(zhèn)和依莊鄉(xiāng)之外的各個鄉(xiāng)鎮(zhèn); 最低等級Ⅰ級的面積次之, 占總面積的15.29%, 主要分布于侯村鎮(zhèn)和依莊鄉(xiāng); 而Ⅲ級和Ⅳ級面積比例均在1%以下。2018年耕地土壤肥力等級以Ⅲ級為主, 面積為274.77 km2, 占總面積的50.43%; Ⅳ級面積次之, 占面積比重為33.10%, 該兩種耕地土壤肥力等級廣泛分布于除依莊鄉(xiāng)之外的各個鄉(xiāng)鎮(zhèn), 其余面積比重相對較小; 最低等級Ⅰ級和最高等級Ⅴ級的面積比重分別為0.02%和1.86%。2000—2018年耕地土壤肥力Ⅰ級和Ⅱ級面積減少, Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級面積均有所增加, 其中, Ⅱ級面積減少量最大, 減少比例為82.61%, Ⅲ級面積增加量最大, 增加量為270.51 km2。

表9 2000—2018年曲周縣耕地土壤肥力質(zhì)量變化特征

從不同等級轉(zhuǎn)化來看, 耕地土壤肥力Ⅱ級轉(zhuǎn)化為Ⅲ級面積最大, 轉(zhuǎn)化面積為236.61 km2, 占Ⅱ級轉(zhuǎn)出面積的59.49%; Ⅱ級轉(zhuǎn)化為Ⅳ級面積次之, 占轉(zhuǎn)出面積的38.67%, 廣泛分布于除侯村鎮(zhèn)和依莊鄉(xiāng)之外的各個鄉(xiāng)鎮(zhèn); 而Ⅰ級轉(zhuǎn)化為Ⅱ和Ⅲ級的面積分別為29.47 km2和30.47 km2, 占Ⅰ級轉(zhuǎn)出面積比重分別為36.25%、37.47%, 主要分布于侯村鎮(zhèn)和依莊鄉(xiāng); 其余等級轉(zhuǎn)化面積均在20 km2以下, 零星分布于河南疃鎮(zhèn)、第四疃鎮(zhèn)、大河道鄉(xiāng)和侯村鎮(zhèn)(圖4a)。從肥力指數(shù)變化來看, 將耕地土壤肥力指數(shù)以自然斷點法劃分為5個等級, 耕地土壤肥力輕度增加面積最大, 占總面積的52.59%, 廣泛分布于各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中度增加面積次之, 所占面積比重為29.67%, 略微減少面積最小, 占總面積的0.34%(圖4b)。由此可知, 2000—2018年曲周縣耕地土壤肥力等級和指數(shù)均呈增加的趨勢, 耕地土壤肥力質(zhì)量總體由較低水平向中等水平轉(zhuǎn)變, 但最高等級和高度增加的耕地土壤肥力面積比重均相對較低。

圖3 2000年和2018年曲周縣耕地土壤肥力質(zhì)量空間分布圖

圖4 2000—2018年曲周縣耕地土壤質(zhì)量空間變化分布圖

4 討論

4.1 曲周縣土壤養(yǎng)分元素現(xiàn)狀

基于全國第2次土壤普查分級標準可知[14], 曲周縣2018年土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀總體分別處于中下、中上、較豐富、豐富的水平, pH總體處于堿性狀態(tài)。有機質(zhì)作為土壤肥力的核心指標, 對農(nóng)作物長勢和產(chǎn)量具有決定性作用, 氮磷鉀則是植物生長所必需的養(yǎng)分元素, pH能夠影響植物能量流動與物質(zhì)循環(huán)等過程[14,32]。本研究發(fā)現(xiàn)曲周縣土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀的最大值與最小值具有顯著差異性, 其比值范圍為7.14~28.89, 這與崔瀟瀟等[13]研究結(jié)果一致, 農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分管理過程應注意養(yǎng)分本底差異性, 采取針對性施肥措施以提高養(yǎng)分利用效率。

土壤養(yǎng)分受到成土母質(zhì)、利用方式和管理措施等自然與人為因素的綜合影響[33-34], 不同區(qū)域土壤養(yǎng)分空間分布具有顯著差異性[35]。與相關區(qū)域土壤養(yǎng)分對比可知, 黑土區(qū)比曲周縣土壤有機質(zhì)和全氮含量高, 有效磷和速效鉀含量基本相同, 黑土區(qū)pH平均水平為6.49, 為微酸性(5.5~6.5)[15], 但也有區(qū)縣的有效磷和速效鉀的平均含量比曲周縣相應元素含量低[33]; 蒙古高原中北部有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀的平均含量均低于曲周縣相應元素平均含量, 而蒙古高原中北部pH為7.38, 總體呈現(xiàn)中性(6.5~7.5), 但pH變化范圍為5.80~9.04[34]; 南方典型丘陵區(qū)土壤有機質(zhì)和全氮的平均含量比曲周縣相應元素含量高, 而曲周縣有效磷和速效鉀的平均含量相對較高[36]。曲周縣成土母質(zhì)為河流的洪積物和沖積物, 質(zhì)地包含砂土、壤土和黏土, 且具有顯著的空間分異性, 決定著土壤養(yǎng)分的本底特征, 加之自然條件而形成的旱澇鹽堿等問題以及人為利用與管理等過程, 共同影響著曲周縣耕地土壤養(yǎng)分狀況。

4.2 曲周縣土壤養(yǎng)分元素變化分析

土壤養(yǎng)分元素是耕地土壤肥力的基礎, 同時受到自然環(huán)境與社會經(jīng)濟等多重因素的共同作用[37]。本研究發(fā)現(xiàn)2000—2018年曲周縣土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量均有所增加, pH有所降低, 其與土壤母質(zhì)、秸稈處理和水肥管理等因素有著密切的關系[25]。大量研究結(jié)果表明[24-25,37-38], 曲周縣土壤有機質(zhì)、全氮和有效磷含量呈不斷增加趨勢, 這與本文研究結(jié)果一致, 主要由于氮磷肥施用、免耕技術(shù)和秸稈還田等農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)的應用增加了農(nóng)田有機質(zhì)物質(zhì)循環(huán), 改善農(nóng)田碳庫與碳固持, 有效地提升了有機質(zhì)含量, 而農(nóng)戶長期施用氮肥、磷肥有助于提高土壤中全氮和有效磷[37-38]。但相關研究發(fā)現(xiàn)土壤速效鉀含量有所降低, 如孔祥斌等[24]和張世熔等[37]研究表明, 1980—1999年和1980—2000年曲周縣土壤速效鉀含量分別下降了38%和46.1%, 張玲娥等[25]研究發(fā)現(xiàn)曲周縣土壤速效鉀含量2010年比2000年降低了2.6%。通過對比土壤速效鉀研究結(jié)果可知, 1980—2010年曲周縣土壤速效鉀含量雖然呈現(xiàn)下降趨勢, 但各時段下降程度有所降低[24-25]。然而, 賈良良等[39]通過對比河北省2000—2014年測土配方施肥項目數(shù)據(jù)和第2次土壤普查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn), 土壤速效鉀含量略微有所增加, 這與本文研究結(jié)果相似。曲周縣土壤速效鉀降低主要因其本底含量較高, 長期耕種而忽視鉀肥施用, 造成鉀肥流失, 導致速效鉀含量降低, 但隨著測土配方技術(shù)應用提高了農(nóng)戶施用鉀肥的意識, 加之秸稈還田和免耕等農(nóng)業(yè)管理措施的實施對土壤的保護作用, 土壤速效鉀含量有所增加[37-39]。20世紀六七十年代的曲周縣是旱澇鹽堿的典型區(qū), 鹽漬化極其嚴重, 土壤pH較高, 但隨著鹽堿化綜合治理, 鹽漬化現(xiàn)象逐步緩解, 土壤pH有所降低。此外, 土地利用變化、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與耕地休養(yǎng)生息等活動也對土壤養(yǎng)分有著重要的影響[38]。

4.3 耕地土壤肥力時空變化特征分析

耕地土壤肥力狀況因土壤養(yǎng)分元素的空間分異性而具有差異性[38-39], 且影響土壤肥力質(zhì)量的因素有所不同[39-40]。本研究發(fā)現(xiàn), 曲周縣耕地肥力質(zhì)量從較低轉(zhuǎn)變?yōu)橹械人? 最低Ⅰ級和最高Ⅴ級面積比重均相對較小, 而曲周縣東南部的土壤肥力質(zhì)量相對較低, 該差異除與土壤養(yǎng)分元素的本底屬性不同之外, 還與土地利用程度和管理方式等因素密切相關。相關研究結(jié)果具有相似的結(jié)論, 如崔瀟瀟等[13]研究表明北京市大興區(qū)土壤肥力總體偏低, 同時受到土壤質(zhì)地偏砂和人為管理措施的影響; 武紅亮等[15]研究發(fā)現(xiàn)黑土區(qū)土壤肥力呈現(xiàn)增加趨勢, 土壤速效鉀和有效磷促使土壤肥力增加, 主要障礙因子是土壤有機質(zhì)和全氮含量較低, 這與王齊齊等[41]研究西南地區(qū)紫色土的土壤肥力變化的結(jié)論相似; 秦焱等[8]研究表明吉林省農(nóng)業(yè)黑土肥力質(zhì)量以中等為主, 可能受到土壤物理性質(zhì)和有效磷含量的限制。不同耕地利用類型的土壤養(yǎng)分元素會因利用方式與程度的不同有所差異(如旱地和水澆地, 黑土和紫色土等), 深入研究可發(fā)現(xiàn)曲周縣水澆地的土壤肥力質(zhì)量比旱地的土壤肥力質(zhì)量略微偏高。曲周縣地處華北集約化農(nóng)區(qū), 高度集約化利用過程中的外源物質(zhì)投入與土壤本底特征的綜合作用, 加之測土配方施肥、免耕技術(shù)和秸稈還田等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的應用實施, 土壤養(yǎng)分元素及其綜合肥力均有所變化[38-39]。如牛靈安等[21]研究發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)、全氮和速效磷的含量隨著集約化程度增加而有所增加, 耕地土壤肥力也會有所變化。因此, 科學地運用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù), 有效地平衡與協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分元素含量有助于提升耕地土壤肥力以及土地資源的可持續(xù)利用[42]。

5 結(jié)論

1)2000—2018年曲周縣耕地土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀平均含量均有所增加, 增加比例分別為51.92%、22.86%、91.19%和145.90%, 變異程度均處于中等水平, 而pH有所降低, 降低比例為1.45%, 且變異程度較弱。

2)2000年和2018年曲周縣耕地土壤肥力指標均受到結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素的共同影響, 具有中度的空間自相關性, 但有機質(zhì)和全氮的空間自相關程度有所降低, 而有效磷、pH和速效鉀的空間自相關程度有所增加。

3)2000—2018年曲周縣耕地土壤肥力質(zhì)量由較低水平轉(zhuǎn)變?yōu)橹械人? 耕地土壤肥力指數(shù)均值由0.25增長為0.54, 增長率為116.00%, 且具有中度的空間自相關性, 但總體變異程度處于中等變異。

4)2000年和2018年曲周縣土壤肥力質(zhì)量分別以Ⅱ級和Ⅲ級為主, 分別占總面積的83.92%和50.43%, 廣泛分布于除侯村鎮(zhèn)和依莊鄉(xiāng)之外的各個鄉(xiāng)鎮(zhèn); 2000—2018年耕地土壤肥力Ⅰ級和Ⅱ級面積減少, Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級面積均有所增加, 其中, Ⅱ級轉(zhuǎn)化為Ⅲ級面積最大, 占Ⅱ級轉(zhuǎn)出面積的59.49%, 而耕地土壤肥力輕度增加面積最大, 占總面積的52.59%, 但最高等級和高度增加的耕地土壤肥力面積相對較低, 面積比重分別為1.86%和3.34%。

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Spatiotemporal characteristics of cultivated soil fertility in the intensive agricultural region of North China: A case study of Quzhou County in Hebei Province*

SUN Xiaobing1,2, ZHANG Qingpu1,2, KONG Xiangbin1,2**, WEN Liangyou1,2, ZHAO Jing1,2, LIU Fengjian3

(1. College of Land Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. Key Laboratory of Agricultural Land Quality and Monitoring of Ministry of Natural Resources, Beijing 100193, China; 3. Cangzhou Land Consolidation Center, Cangzhou 061000, China)

Fertility is a fundamental characteristic of soil, reflecting its ability to provide nutrients and an environment essential for plant growth. It is a comprehensive reflection of soil’s physical, chemical, and biological properties. Scientifically and accurately evaluating the soil fertility in cultivated land and revealing the spatiotemporal characteristics of soil fertility are of great significance for guiding agricultural production and sustainable use of cultivated land resources. The present study focused on Quzhou County, a typical county in the region of intensive agriculture in North China. Based on the test data of soil sample points of cultivated land and data of cultivated land utilization, fuzzy comprehensive evaluation and geostatistical methods were used to evaluate the soil fertility of cultivated land to reveal the spatiotemporal evolution of cultivated land soil fertility. The results showed that soil organic matter, total nitrogen, available phosphorus, and available potassium of the cultivated land increased, whereas pH decreased, from 2000 to 2018, which were all affected by both structural and stochastic factors. The mean soil fertility index of cultivated land increased from 0.25 to 0.54 from 2000 to 2018, and the growth rate was 116.00%. The soil fertility of cultivated land changed from a lower level to a medium level, and the overall degrees of variation and spatial autocorrelation were at medium levels. The levels of soil fertility of cultivated land in 2000 and 2018 were mainly grades Ⅱ and Ⅲ, accounting for 83.92% and 50.43%, respectively, these lands were widely distributed in all towns except for Houcun and Yizhuang. The levels of cultivated land soil fertility of gradesⅠ and Ⅱ decreased, whereas those of grades Ⅲ, Ⅳ, and Ⅴ increased from 2000 to 2018, and the Ⅱ degree transferred area and slightly increased area were the largest. The area of conversion from grade Ⅱ to grade Ⅲ was the largest, accounting for 59.49% of the total area, and the tendency for a slight increase in soil fertility of cultivated land was most common, accounting for 52.59% of the total area. However, the cultivated land areas of highest grade and with the highest increase were relatively small, constituting only 1.86% and 3.34%, respectively, of the total area. The results showed that, with the exception of pH, the nutrient features of cultivated soil increased in Quzhou County from 2000 to 2018, and the quality of cultivated land soil fertility changed from low to medium, which was affected by the natural background and manmade agricultural production activities. Therefore, the effective balance and coordination of soil nutrient content are helpful to improve soil fertility and sustainable use of land resources.

Soil fertility; Spatial-temporal evolution; Cultivated land; Intensive agriculture area; Quzhou County

S158

2096-6237(2019)12-1857-13

10.13930/j.cnki.cjea.190397

* 國家自然科學基金項目(41771561)、教育部人文社會科學研究規(guī)劃基金項目(17YJA630040)和中央高校基本科研業(yè)務費專項資金(2019TC096)資助

孔祥斌, 主要從事土地資源評價、利用與保護方面的研究。E-mail: kxb@cau.edu.cn

孫曉兵, 主要從事耕地資源可持續(xù)利用研究。E-mail:sunxiaobing@cau.edu.cn

2019-05-27

2019-08-15

* This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (41771561), the Research and Planning Foundation for Humanities and Social Sciences of the Ministry of Education of China (17YJA630040) and the Chinese Universities Scientific Fund (2019TC096).

, E-mail: kxb@cau.edu.cn

May 27, 2019;

Aug. 15, 2019

孫曉兵, 張青璞, 孔祥斌, 溫良友, 趙晶, 劉風建. 華北集約化農(nóng)區(qū)耕地土壤肥力時空演變特征——以河北省曲周縣為例[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報(中英文), 2019, 27(12): 1857-1869

SUN X B, ZHANG Q P, KONG X B, WEN L Y, ZHAO J, LIU F J. Spatiotemporal characteristics of cultivated soil fertility in the intensive agricultural region of North China: A case study of Quzhou County in Hebei Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(12): 1857-1869