• ISSN 1008-505X
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土地利用方式是近30年扬州市耕地土壤肥力增加最主要的驱动因素

毛伟 李文西 陈明 龚鑫鑫 高晖 张月平 褚红远 赵海涛 柏彦超 钱晓晴

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土地利用方式是近30年扬州市耕地土壤肥力增加最主要的驱动因素

    作者简介: 毛伟 E-mail:maowei918@163.com;
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFD0201303);扬州市校合作专项(YZ2019136)。

Land use pattern is the most important driving factor for the increase of farmland fertility in Yangzhou city during the past 30 years

  • 摘要:   【目的】   准确揭示耕地土壤肥力变异特征及其影响因素,对指导长江中下游粮食主产区农业生产与耕地保育具有重要价值。   【方法】   江苏省扬州市是长江中下游粮食主产区的典型区域,选取扬州市1984年与2014年土壤pH、全氮、有效磷、速效钾和有机质作为土壤综合肥力评价指标,采用内梅罗指数法计算土壤综合肥力指数,采用GIS和地统计学相结合的方法,确定各项肥力指标和综合肥力指数的时空变异特征和分布格局,通过回归分析探究土壤肥力差异的主控因素。   【结果】   1)30年间 (1984—2014年) 长江中下游粮食主产区耕层土壤有机质、全氮和有效磷含量分别增加了6.01 g/kg、0.33 g/kg和21.21 mg/kg,速效钾含量降低了9 mg/kg,土壤pH值降低了0.77。土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量呈中等变异性,土壤pH值呈弱变异性;2)30年间耕地土壤肥力指数增加0.31,年度间稳定,呈中等变异性和中等空间自相关性,耕地土壤肥力水平上升明显。耕地土壤肥力等级1984年以Ⅲ级为主、占总耕地面积的73.27%,2014年以Ⅱ级为主、占比76.20%;3) 成土母质、土类、亚类、土壤质地、土地利用方式对长江下游粮食主产区耕地土壤肥力变异达到极显著影响 (P < 0.01)。1984年和2014年土地利用方式能够独立解释53.9%和58.0%的耕地肥力演变差异,是长江下游粮食主产区30年耕地土壤肥力变异最主要影响因素。   【结论】   长江下游粮食主产区耕地土壤肥力总的呈增加趋势,肥力等级由1984年的以Ⅲ级为主,提升到2014年的以Ⅱ级为主。土地利用方式是长江下游粮食主产区 (扬州市)30年间耕地土壤肥力变异的最主要的驱动因素。
  • 图 1  扬州市地貌 (a)、成土母质 (b) 和土壤类型 (c) 特征

    Figure 1.  Characteristics of soil geomorphic type (a),parent material (b) and soil type (c) in Yangzhou City

    图 2  1984和2014年扬州市土壤养分普查点分布图

    Figure 2.  Soil sampling sites in the soil surveys in Yangzhou City in 1984 and 2014

    图 3  1984年和2014年扬州市耕地土壤肥力质量分布图

    Figure 3.  Distribution of soil fertility grade in Yangzhou City in 1984 and 2014

    图 4  1984年与2014年扬州市耕地土壤肥力等级变化分布图

    Figure 4.  Variation of soil fertility grades in Yangzhou City between 1984 and 2014

    表 1  耕地土壤质量评价因子分级标准

    Table 1.  Classification criterion of soil fertility quality

    参评因子 FactorsXmaxXmidXmin
    pH (< 7.0)6.56.05.0
    pH (> 7.0)8.587.5
    有机质 Organic matter (g/kg)302010
    全氮 Total N (g/kg)1.501.000.75
    有效磷 Available P (mg/kg)20105
    速效钾 Available K (mg/kg)15010050
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    表 2  扬州市土壤肥力指标统计特征

    Table 2.  The statistical characteristics of soil fertility index in Yangzhou City

    指标
    Index
    年份
    Year
    最小值
    Min
    最大值
    Max
    均值
    Mean
    中位数
    Median
    标准差
    SD
    CV
    (%)
    样本数
    Samplenumber
    峰度
    Kurtosis
    偏度
    Skewness
    分布类型
    Distribution
    pH19844.409.57.517.700.70 9.3241070.90–1.05LD
    20144.008.86.746.600.9413.956009–1.230.15ND
    有机质 OM (g/kg)19841.00193.021.6220.2011.3452.45410740.724.47LD
    20143.92119.627.6326.978.3130.0760095.670.97ND
    全氮 Total N (g/kg)19840.618.01.311.260.4433.59410738.723.75LD
    20140.505.931.641.590.4225.6160096.713.26ND
    有效磷 (mg/kg) Available P19841.0073.06.425.005.0979.28410717.923.26LD
    20143.92119.627.6326.978.3130.07600919.342.81ND
    速效钾 (mg/kg) Available K198410.00 543.0108.00101.0051.9148.064107–0.410.49LD
    201422.00 292.099.0094.0036.6737.0460095.951.49ND
    注(Note):LD—对数正态分布 Lognormal distribution; ND—正态分布 Normal distribution.
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    表 3  扬州市土壤肥力指标半方差函数理论和参数

    Table 3.  Theoretical model and parameters of semi-variograms of soil fertility in Yangzhou City

    指标
    Index
    年份
    Year
    理论模型
    Theoretical model
    变程 (km)
    Range
    块金值
    C0
    基台值
    C+C0
    块金系数
    C0/(C+C0)
    R2RSS
    有机质OM1984指数模型Exponential26.20.03560.1350.2640.7286.22E-05
    2014高斯模型Gaussian38.50.04260.1050.4060.6852.27E-03
    全氮Total N1984指数模型Exponential19.50.02130.08450.2520.7584.16E-05
    2014高斯模型Gaussian30.60.04560.1030.4430.7035.48E-03
    有效磷Available P1984指数模型Exponential40.50.06530.2180.3000.7254.38E-03
    2014指数模型Exponential76.50.09370.2850.3290.6562.58E-03
    速效钾Available K1984指数模型Exponential32.80.04180.1250.3340.8252.53E-03
    2014指数模型Exponential58.50.05050.1180.4280.7682.11E-03
    pH1984指数模型Exponential36.30.02560.0640.4000.7625.62E-05
    2014指数模型Exponential65.20.03290.0990.3340.7354.27E-05
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    表 4  扬州市耕地土壤肥力指数 (Q) 统计特征

    Table 4.  The statistical characteristics of soil fertility index(Q) in Yangzhou City

    年份
    Year
    最小值
    Min
    最大值
    Max
    均值
    Mean
    中位数
    Median
    标准差
    SD
    变异系数 (%)
    CV
    样本数
    Sample
    峰度
    Kurtosis
    偏度
    Skewness
    正态分布检验
    K-S test
    分布类型
    Distribution
    19840.492.41.281.280.2720.9441070.120.250.18正态Normal
    20140.412.431.591.590.3019.186009–1.29 –0.3 0.22正态Normal
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    表 5  扬州市耕地土壤肥力指数 (Q) 半方差函数理论模型和参数

    Table 5.  Theoretical model and parameters of semi-variograms of soil fertility index(Q) in Yangzhou City

    年份Year理论模型Theoretical变程 Range (km)块金值C0基台值C+C0块金系数C0/(C+C0)R2RSS
    1984指数模型Exponential38.30.009120.07120.1280.7543.12E-03
    2014指数模型Exponential87.60.047400.13300.3600.9237.17E-03
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    表 6  1984和2014年扬州市耕地土壤肥力等级变化

    Table 6.  Soil fertility grade change in Yangzhou Country between 1984 and 2014

    肥力等级
    Fertility grade
    19842014变化量 (km2)
    Change
    面积Area(km2)比例Proportion(%)面积Area(km2)比例Proportion(%)
    0.400.01164.805.61+64.40
    407.2413.882236.4376.20+829.19
    2150.3573.27532.8618.16–1617.50
    377.0012.850.910.03–376.09
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    表 7  1984年和2014年成土母质对土壤肥力质量指数 (Q) 的影响

    Table 7.  Influence of parent materials of soil on soil fertility quality index(Q) in 1984 and 2014

    成土母质
    Parent material
    1984年肥力指数Q in 19842014年肥力指数 Q in 2014
    样点数
    Sample number
    平均值
    Mean
    标准差
    SD
    CV
    (%)
    样点数
    Sample number
    平均值
    Mean
    标准差
    SD
    CV
    (%)
    湖相沉积物Lacustrine deposit1139 1.40 aA0.2618.481455 1.77 abAB0.2313.22
    黄泛冲积物Yellow pan alluvial deposit1441.33 abcA0.2518.831711.89 aA0.2311.98
    黄淮冲积物Huang-Huai alluvial deposit5981.35 abA0.2115.599921.74 bcABC0.2615.03
    黄土母质Loess parent material1571.17 cdAB0.2521.223781.43 eDE0.2416.82
    基岩残积物Residual rock 231.09 dB0.1514.22 461.38 eE0.4230.60
    下蜀黄土Xiashu Loess8851.18 bcdAB0.2521.611789 1.37 eE0.2719.92
    长江冲积物Yangtze River alluvial deposit1126 1.20 bcdAB0.2621.551120 1.58 dBCD0.2113.57
    长江淤积物Yangtze River warp 351.25 abcdAB0.2419.24 581.63 cdBC0.116.82
    注(Note):同列数据后不同小、大写字母分别表示不同成土母质间差异达 P < 0.05 和 P < 0.01 显著水平 Values followed by different small and capital letters in the same column indicate significant differences at P < 0.05 and P < 0.01 levels among parent materials.
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    表 8  1984年和2014年不同亚类对土壤肥力质量指数 (Q) 的影响特征

    Table 8.  Influence of sub-groups of soil on soil fertility quality index (Q) in 1984 and 2014

    亚类
    Soil subgroup
    1984年肥力指数 Q in 19842014年肥力指数Q in 2014
    样点数
    Number
    平均值
    Mean
    标准差
    SD
    CV
    (%)
    样点数
    Number
    平均值
    Mean
    标准差
    SD
    CV
    (%)
    侧渗型水稻土Side infiltrating paddy soil3011.19 bcBC0.2420.436421.38 cD0.2819.94
    渗育型水稻Percogenic paddy soil9341.20 bcBC0.2420.141058 1.55 bC0.2415.44
    脱潜型水稻土Degleyed paddy soil9791.38 aA0.2618.981309 1.74 aA0.2413.75
    淹育型水稻土Subrnergenic paddy soil1071.17 cBC0.2622.562491.30 dD0.2519.44
    潴育型水稻土Hydromorphic paddy soil1353 1.30 abAB0.2620.112213 1.61 bBC0.3219.86
    潜育型水稻土Gleyed paddy soil1361.36 aA0.2618.961531.70 aAB0.3219.15
    黄潮土Yellow fluvo-aquic 371.34 aA0.3424.99 671.60 bBC0.3522.05
    灰潮土Grey fluvo-aquic1441.14 cC0.2925.281321.55 bC0.2113.74
    粗骨黄棕壤Rhogosol yellow-brown soils 101.16 cC0.2319.58 311.36 cdD0.2719.92
    粘盘黄棕壤Claypan yellow-brown soils 591.19 bcBC0.2218.861211.41 cD0.2719.20
    腐泥沼泽土Mucky boggy soils 471.37 aA0.2115.03 341.71 aAB0.2615.39
    注(Note):同列数据后不同小、大写字母分别表示不同亚类间差异达 P < 0.05 和 P < 0.01 显著水平 Values followed by different small and capital letters in the same column indicate significant differences at P < 0.05 and P < 0.01 levels among soil sub-groups
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    表 9  1984年和2014年土壤质地对土壤肥力质量指数 (Q) 的影响

    Table 9.  Influence of soil texture on soil fertility quality index(Q) in 1984 and 2014

    土壤质地
    Soil texture
    1984年肥力指数Q in 19842014年肥力指数Q in 2014
    样点数
    Numbers
    平均值
    Mean
    标准差
    SD
    CV
    (%)
    样点数
    Numbers
    平均值
    Mean
    标准差
    SD
    CV
    (%)
    轻壤土Light loam soil2201.00 dC0.2323.08456 1.52 cdC0.2113.64
    轻粘土Light clay soil1381.38 aA0.2518.361521.82 aA0.2413.23
    砂壤土Sandy loam soil2261.03 dC0.2423.484191.55 cC0.2516.23
    中壤土Middle loam soil1035 1.24 cB0.2419.671488 1.48 dC0.2818.54
    重壤土Heavy loam soil2488 1.33 bA0.2419.673534 1.63 bB0.3119.28
    注(Note):同列数据后不同小、大写字母分别表示不同土壤质地间差异达 P < 0.05 和 P < 0.01 显著水平 Values followed by different small and capital letters in the same column indicate significant differences at P < 0.05 and P < 0.01 levels among different soil texture.
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    表 10  1984年和2014年土地利用方式对土壤肥力质量指数 (Q) 的影响

    Table 10.  Influence of farmland utilization mode on the quality index of soil fertility (Q) in 1984 and 2014

    土地利用
    Utilization mode
    1984年肥力指数Q in 19842014年肥力指数Q in 2014
    样点数
    Numbers
    平均值
    Mean
    标准差
    SD
    CV
    (%)
    样点数
    Numbers
    平均值
    Mean
    标准差
    SD
    CV
    (%)
    水田Paddy field28611.32 aA0.2619.7039851.75 aA0.3017.14
    旱地Dry land10351.17 bA0.2622.2214871.52 cB0.3221.05
    水浇地Irrigated land 211 1.29 abA0.2720.93 5351.60 bB0.2213.75
    注(Note):同列数据后不同小、大写字母分别表示不同土地利用方式间差异达 P < 0.05 和 P < 0.01 显著水平 Values followed by different small and capital letters in the same column indicate significant differences at P < 0.05 and P < 0.01 levels among different Utilization mode.
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    表 11  1984年和2014年土壤肥力空间变异因素与土壤肥力质量指数 (Q) 的回归分析

    Table 11.  Regression of spatial variation factors of soil fertility and soil fertility quality index (Q) in 1984 and 2014

    影响因素
    Influence factor
    19842014
    FF valueR2校正R2 Adjusted R2PFF valueR2校正R2 Adjusted R2P
    成土母质Parent material85.540.1270.126 < 0.01439.66 0.1850.184 < 0.01
    土类Soil group13.570.2350.233< 0.0122.890.3120.310 < 0.01
    亚类Soil subgroup40.010.3000.290 < 0.0115.080.3590.357 < 0.01
    土壤质地Soil texture122.75 0.2170.216 < 0.0186.080.2530.251 < 0.01
    土地利用方式Land use type140.93 0.54 0.539 < 0.0128.4 0.59 0.58 < 0.01
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-05

土地利用方式是近30年扬州市耕地土壤肥力增加最主要的驱动因素

    作者简介:毛伟 E-mail:maowei918@163.com
  • 1. 扬州市耕地质量保护站,江苏扬州 225101
  • 2. 扬州大学环境科学与工程学院,江苏扬州 225127
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFD0201303);扬州市校合作专项(YZ2019136)。
  • 摘要:    【目的】   准确揭示耕地土壤肥力变异特征及其影响因素,对指导长江中下游粮食主产区农业生产与耕地保育具有重要价值。   【方法】   江苏省扬州市是长江中下游粮食主产区的典型区域,选取扬州市1984年与2014年土壤pH、全氮、有效磷、速效钾和有机质作为土壤综合肥力评价指标,采用内梅罗指数法计算土壤综合肥力指数,采用GIS和地统计学相结合的方法,确定各项肥力指标和综合肥力指数的时空变异特征和分布格局,通过回归分析探究土壤肥力差异的主控因素。   【结果】   1)30年间 (1984—2014年) 长江中下游粮食主产区耕层土壤有机质、全氮和有效磷含量分别增加了6.01 g/kg、0.33 g/kg和21.21 mg/kg,速效钾含量降低了9 mg/kg,土壤pH值降低了0.77。土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量呈中等变异性,土壤pH值呈弱变异性;2)30年间耕地土壤肥力指数增加0.31,年度间稳定,呈中等变异性和中等空间自相关性,耕地土壤肥力水平上升明显。耕地土壤肥力等级1984年以Ⅲ级为主、占总耕地面积的73.27%,2014年以Ⅱ级为主、占比76.20%;3) 成土母质、土类、亚类、土壤质地、土地利用方式对长江下游粮食主产区耕地土壤肥力变异达到极显著影响 (P < 0.01)。1984年和2014年土地利用方式能够独立解释53.9%和58.0%的耕地肥力演变差异,是长江下游粮食主产区30年耕地土壤肥力变异最主要影响因素。   【结论】   长江下游粮食主产区耕地土壤肥力总的呈增加趋势,肥力等级由1984年的以Ⅲ级为主,提升到2014年的以Ⅱ级为主。土地利用方式是长江下游粮食主产区 (扬州市)30年间耕地土壤肥力变异的最主要的驱动因素。

    English Abstract

    • 土壤肥力是衡量土壤能够提供作物所需各种养分能力的重要指标[1],是土壤的主要功能和本质属性[2],是土壤物理、化学和生物性质的综合反映[3]。土壤养分含量及其空间分布特征是土壤肥力的重要标志[4-5],正确评价土壤肥力对合理规划、科学施肥、合理种植以及耕地资源可持续利用具有重要意义。粮食安全的根本在耕地,关键在耕地的肥力。

      影响耕地土壤肥力演变因素较多且有差异性[6],如成土母质[7]、土壤类型[8]、耕地管理措施[9]、地形因子[10]和土地利用方式[11]等。内梅罗指数法、因子分析法、相关系数法、主成分-聚类分析法等是土壤肥力主要评价方法。内梅罗指数法[12]优点是计算评价土壤肥力指标简洁、运算方便,相同参数可比性强,同一级别各属性肥力系数较接近,可比性高,测定值超过上限时分肥力指数不再提高,反映出作物对土壤属性的要求不是越高越好的实际;因子分析法[13]优点是将土壤肥力多个评价指标转化减少为几个土壤肥力新指标,起到复杂问题简单化;相关系数法[14]优点是确定土壤肥力的权重值客观,避免人为主观因素的影响;主成分-聚类分析法[15]优点是主成分函数中的特征值可以反映各土壤肥力指标对土壤肥力的影响程度以及能够很好处理指标间的多重相关性,能够客观评价肥力质量差异。土壤肥力的评价尺度一般分为区域尺度[16-17]、县域尺度[18]、镇域尺度[19]、田块尺度[20]等。

      扬州市地处长江中下游粮食主产区,该地区的平原区域土壤多为水稻土、潮土、沼泽土等,丘陵山地土壤多为红壤、黄壤、黄棕壤等[21],科学评价扬州市的土壤肥力对长江中下游耕地乃至我国的粮食安全保障至关重要。扬州市既有平原地形,也有丘陵地形,在长江中下游粮食主产区中具有典型的代表性。本研究以扬州耕地土壤为对象,采用内梅罗指数法和地统计学方法对1984年和2014年两期耕地土壤肥力进行评价,分析30年耕地土壤肥力变异特征,探析种植制度、施肥等农艺措施对耕地土壤肥力变异的影响特征,以期为耕地保育及科学施肥提供科学依据。

      • 扬州市位于东经119°01′至119°54′、北纬31°56′至33°25′,地处江苏中部,南邻长江,属于亚热带湿润气候区,四季分明、雨量充沛、雨热同季、光热水资源较好。可满足小麦、棉花、水稻、各种蔬菜生长,对农业发展极为有利,是国家重要商品粮基地。境内地貌类型以平原为主,地势西高东低,按照地貌类型分为里下河洼地、沿江高沙土、沿江圩区和丘陵四个农业区 (图1a)。按照成土母质可分为湖相沉积物、黄泛冲积物、黄淮冲积物、黄土母质、基岩残积物、下蜀黄土、长江冲积物、长江淤积物 (图1b)。土壤类型分为水稻土、潮土、黄棕壤、沼泽土4个土类;根据主导形成过程不同的发育阶段或次要的形成过程等因素细分为11个亚类 (图1c);依据成土母质类型、水文地势条件分成27个土属;依据一米深度的土体层次排列细分为101个土种。

        图  1  扬州市地貌 (a)、成土母质 (b) 和土壤类型 (c) 特征

        Figure 1.  Characteristics of soil geomorphic type (a),parent material (b) and soil type (c) in Yangzhou City

      • 数据来源于1984年土壤普查 (4107个样点) 和2014年 (6009个样点) 土壤养分调查数据 (图2)。数据指标包括土壤pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾等肥力评价因子,以及各调查点的地貌类型、成土母质、土壤类型、质地、施肥情况等因子。相关肥力评价因子测定方法参见《土壤农业化学分析方法》[22]

        图  2  1984和2014年扬州市土壤养分普查点分布图

        Figure 2.  Soil sampling sites in the soil surveys in Yangzhou City in 1984 and 2014

      • 按照标准化处理方法对各调查点土壤pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾等肥力评价因子数据进行标准化,消除各肥力评价因子之间的量纲差别[23-24]。耕地土壤肥力评价因子分级标准见表1

        表 1  耕地土壤质量评价因子分级标准

        Table 1.  Classification criterion of soil fertility quality

        参评因子 FactorsXmaxXmidXmin
        pH (< 7.0)6.56.05.0
        pH (> 7.0)8.587.5
        有机质 Organic matter (g/kg)302010
        全氮 Total N (g/kg)1.501.000.75
        有效磷 Available P (mg/kg)20105
        速效钾 Available K (mg/kg)15010050
      • 采用较为客观的内梅罗 (Nemerow N. C.) 公式评价耕地土壤肥力,并修正如下:

        $Q = \sqrt {\frac{{(\overline {Pi} ) + {{(Pi\min )}^2}}}{2}} \times \frac{{n - 1}}{n}$

        式中:Q为耕地土壤肥力质量指数;Pi为样品中单质量指数的均值;Pimin为各种样品单质量指数的最小值;n为参评因子个数。其中,Pimin代替了内梅罗公式中的Pimax,并加上修正 (n−1)/n,一方面突出了土壤属性因子中最差因子对土壤质量的影响,反映了生态学中作物生长的最小因子定律;另一方面增加修正项后,提高了该评价结果的可信度,参与评价的因子越多,(n−1)/n的值越大,可信度越高[23]。根据土壤肥力质量指数及土壤普查资料,可将土壤肥力质量分为4级:优 (I,质量指数 ≥ 2.0)、良 (II,质量指数2.0~1.5)、中 (III,质量指数1.5~1.0)、差 (IV,质量指数 < 1.0)[23-25]

      • 通过方差分析和逐步回归分析研究成土母质、土类、亚类、土壤质地、土地利用方式对研究区耕地土壤肥力空间变异的影响程度及主控因素。成土母质、土类、亚类、土壤质地、土地利用为多分类变量,进行回归时采用哑变量为其赋值,哑变量具体赋值方法参照李丽霞等[26]提出的方法。

      • 基础数据采用Excel 2013进行处理,通过SPSS23.0进行统计学分析,采用GS+7.0进行土壤肥力指数半方差函数拟合,根据计算出的半方差的模型及参数,用ArcGIS10.1软件进行空间插值及图件绘制。

      • 表2可知,2014年扬州市耕地土壤pH值、有机质、全氮、有效磷、速效钾平均含量分别为6.74、26.97 g/kg、1.64 g/kg、27.63 mg/kg、99 mg/kg。与1984年相比,30年来耕地土壤pH值和速效钾含量降低了0.77个单位和9 mg/kg,有机质、全氮和有效磷含量则分别增加了6.01 g/kg、0.33 g/kg、21.21 mg/kg。各指标的变异系数差别较大 (9.32%~79.28%),其中土壤pH值、全氮和速效钾含量年度间变异稳定,土壤有机质和有效磷年度间变异较大;1984年和2014年各指标均呈正态分布或对数正态分布。

        表 2  扬州市土壤肥力指标统计特征

        Table 2.  The statistical characteristics of soil fertility index in Yangzhou City

        指标
        Index
        年份
        Year
        最小值
        Min
        最大值
        Max
        均值
        Mean
        中位数
        Median
        标准差
        SD
        CV
        (%)
        样本数
        Samplenumber
        峰度
        Kurtosis
        偏度
        Skewness
        分布类型
        Distribution
        pH19844.409.57.517.700.70 9.3241070.90–1.05LD
        20144.008.86.746.600.9413.956009–1.230.15ND
        有机质 OM (g/kg)19841.00193.021.6220.2011.3452.45410740.724.47LD
        20143.92119.627.6326.978.3130.0760095.670.97ND
        全氮 Total N (g/kg)19840.618.01.311.260.4433.59410738.723.75LD
        20140.505.931.641.590.4225.6160096.713.26ND
        有效磷 (mg/kg) Available P19841.0073.06.425.005.0979.28410717.923.26LD
        20143.92119.627.6326.978.3130.07600919.342.81ND
        速效钾 (mg/kg) Available K198410.00 543.0108.00101.0051.9148.064107–0.410.49LD
        201422.00 292.099.0094.0036.6737.0460095.951.49ND
        注(Note):LD—对数正态分布 Lognormal distribution; ND—正态分布 Normal distribution.
      • 基于地统计的半方差函数计算与模型拟合结果可知 (表3),有效磷、速效钾、pH的最优拟合模型为指数模型,有机质和全氮1984年、2014年的最优拟合模型分别为指数模型、高斯模型,模型参数的不同能够反映各肥力指标的空间分布特征。1984年和2014年耕地土壤肥力指标的块金系数[C0/(C+C0)]介于0.264~0.428之间。

        表 3  扬州市土壤肥力指标半方差函数理论和参数

        Table 3.  Theoretical model and parameters of semi-variograms of soil fertility in Yangzhou City

        指标
        Index
        年份
        Year
        理论模型
        Theoretical model
        变程 (km)
        Range
        块金值
        C0
        基台值
        C+C0
        块金系数
        C0/(C+C0)
        R2RSS
        有机质OM1984指数模型Exponential26.20.03560.1350.2640.7286.22E-05
        2014高斯模型Gaussian38.50.04260.1050.4060.6852.27E-03
        全氮Total N1984指数模型Exponential19.50.02130.08450.2520.7584.16E-05
        2014高斯模型Gaussian30.60.04560.1030.4430.7035.48E-03
        有效磷Available P1984指数模型Exponential40.50.06530.2180.3000.7254.38E-03
        2014指数模型Exponential76.50.09370.2850.3290.6562.58E-03
        速效钾Available K1984指数模型Exponential32.80.04180.1250.3340.8252.53E-03
        2014指数模型Exponential58.50.05050.1180.4280.7682.11E-03
        pH1984指数模型Exponential36.30.02560.0640.4000.7625.62E-05
        2014指数模型Exponential65.20.03290.0990.3340.7354.27E-05
      • 1984年与2014年扬州市耕地土壤肥力指数平均值分布分别为1.28和1.59(表4),变异系数分别为20.94%,19.18%,分别处于ⅢIII、Ⅱ水平,且年度间稳定,服从正态分布。30年来扬州市耕地土壤肥力水平提升显著,耕地土壤肥力指数增加了0.31。

        表 4  扬州市耕地土壤肥力指数 (Q) 统计特征

        Table 4.  The statistical characteristics of soil fertility index(Q) in Yangzhou City

        年份
        Year
        最小值
        Min
        最大值
        Max
        均值
        Mean
        中位数
        Median
        标准差
        SD
        变异系数 (%)
        CV
        样本数
        Sample
        峰度
        Kurtosis
        偏度
        Skewness
        正态分布检验
        K-S test
        分布类型
        Distribution
        19840.492.41.281.280.2720.9441070.120.250.18正态Normal
        20140.412.431.591.590.3019.186009–1.29 –0.3 0.22正态Normal

        表5表明,1984年与2014年扬州市耕地土壤肥力指数的最优理论模型均为指数模型,决定系数较高。扬州市耕地土壤肥力评价的块金值、基台值和块金效应1984年分别为0.00912、0.0712和0.128,2014年分别为0.0474、0.133和0.360。2014年块金系数比1984年增加2.8倍,表明耕地土壤肥力指数空间自相关程度降低,受随机性因素影响增加。

        表 5  扬州市耕地土壤肥力指数 (Q) 半方差函数理论模型和参数

        Table 5.  Theoretical model and parameters of semi-variograms of soil fertility index(Q) in Yangzhou City

        年份Year理论模型Theoretical变程 Range (km)块金值C0基台值C+C0块金系数C0/(C+C0)R2RSS
        1984指数模型Exponential38.30.009120.07120.1280.7543.12E-03
        2014指数模型Exponential87.60.047400.13300.3600.9237.17E-03
      • 根据所得半方差函数理论模型和参数进行克里格插值,绘制了耕地土壤肥力指数空间分布图 (图3),表6列出了扬州市耕地土壤肥力质量数量变化情况。1984年扬州市耕地土壤肥力等级Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级,分别占比0.10%、13.88%、73.27%和12.85%;其中Ⅲ级最多,在扬州市各县区均有分布;Ⅱ级其次,主要分布在宝应县、高邮市;Ⅳ级,主要分布在江都区、仪征市。2014年土壤肥力等级Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级,分别占比5.61%、76.20%、18.16%和0.03%;其中Ⅱ级最多,在各县区均有分布;Ⅲ级其次,主要分别在江都区、仪征市;Ⅰ级主要分别在宝应县、高邮市。30年间,扬州市耕地土壤肥力质量上升显著,Ⅰ级和Ⅱ级耕地面积占比增加较大,增加量为1993.59 km2;Ⅳ级耕地占比则下降较多。

        图  3  1984年和2014年扬州市耕地土壤肥力质量分布图

        Figure 3.  Distribution of soil fertility grade in Yangzhou City in 1984 and 2014

        表 6  1984和2014年扬州市耕地土壤肥力等级变化

        Table 6.  Soil fertility grade change in Yangzhou Country between 1984 and 2014

        肥力等级
        Fertility grade
        19842014变化量 (km2)
        Change
        面积Area(km2)比例Proportion(%)面积Area(km2)比例Proportion(%)
        0.400.01164.805.61+64.40
        407.2413.882236.4376.20+829.19
        2150.3573.27532.8618.16–1617.50
        377.0012.850.910.03–376.09

        耕地土壤肥力Ⅲ级转化为Ⅱ级面积最大 (图4),转化面积为1473.16 km2,占Ⅲ级转出面积的94.51%,广泛分布于里下河地区和湖相平原及低丘缓岗冲田;Ⅳ级转化为Ⅱ级和Ⅲ级的面积分别为219.82 km2和114.31 km2,分别占Ⅳ级转出的65.79%和34.21%,主要分布于沿江圩区、里下河中部及滨湖圩区;其余等级转化面积均在100 m2左右,零星分布于湖荡低洼地区、湖相平原及低丘缓岗冲田。

        图  4  1984年与2014年扬州市耕地土壤肥力等级变化分布图

        Figure 4.  Variation of soil fertility grades in Yangzhou City between 1984 and 2014

      • 研究区耕地土壤肥力变异是由成土母质、土壤类型、土地利用等结构因素以及人为耕作施肥等随机因素共同决定的。据统计,2014年化学肥料投入量为46.89万t,是1984年的2.25倍,但耕地之间化肥投入水平波动不大。本研究主要从成土母质、土壤类型、土壤质地、土地利用方式4个因素探讨其对耕地土壤肥力变异的影响。

      • 1984年和2014年不同成土母质的土壤肥力存在显著差异。表7表明,1984年各成土母质耕地土壤肥力指数变异系数为15.59%~21.61%,平均变异系数为18.84%,2014年变异系数为6.82%~30.60%,平均变异系数为15.99%,与研究区耕地土壤肥力指数变异系数基本一致。1984年湖相沉积物母质耕地土壤肥力最高为1.40,基岩残积物耕地土壤肥力最低为1.09,都处于III水平;2014年黄泛冲积物母质耕地土壤肥力指数最高1.89,基岩残积物耕地土壤肥力指数最低为1.30,都处于III水平;但2014年耕地土壤肥力明显比1984年有较大幅度上升。

        表 7  1984年和2014年成土母质对土壤肥力质量指数 (Q) 的影响

        Table 7.  Influence of parent materials of soil on soil fertility quality index(Q) in 1984 and 2014

        成土母质
        Parent material
        1984年肥力指数Q in 19842014年肥力指数 Q in 2014
        样点数
        Sample number
        平均值
        Mean
        标准差
        SD
        CV
        (%)
        样点数
        Sample number
        平均值
        Mean
        标准差
        SD
        CV
        (%)
        湖相沉积物Lacustrine deposit1139 1.40 aA0.2618.481455 1.77 abAB0.2313.22
        黄泛冲积物Yellow pan alluvial deposit1441.33 abcA0.2518.831711.89 aA0.2311.98
        黄淮冲积物Huang-Huai alluvial deposit5981.35 abA0.2115.599921.74 bcABC0.2615.03
        黄土母质Loess parent material1571.17 cdAB0.2521.223781.43 eDE0.2416.82
        基岩残积物Residual rock 231.09 dB0.1514.22 461.38 eE0.4230.60
        下蜀黄土Xiashu Loess8851.18 bcdAB0.2521.611789 1.37 eE0.2719.92
        长江冲积物Yangtze River alluvial deposit1126 1.20 bcdAB0.2621.551120 1.58 dBCD0.2113.57
        长江淤积物Yangtze River warp 351.25 abcdAB0.2419.24 581.63 cdBC0.116.82
        注(Note):同列数据后不同小、大写字母分别表示不同成土母质间差异达 P < 0.05 和 P < 0.01 显著水平 Values followed by different small and capital letters in the same column indicate significant differences at P < 0.05 and P < 0.01 levels among parent materials.
      • 研究区土壤类型分为水稻土、潮土、黄棕壤、沼泽土4个土类,共有11个土壤亚类。表8可知,1984年和2014年6个亚类水稻土的耕地土壤肥力指数存在显著性差异,指数最高的为脱潜型水稻土、潜育型水稻土,最低的为淹育型水稻土。可见,不同亚类水稻土的肥力水平的存在明显差异。潮土和黄棕壤分别有两个亚类,1984年和2014年耕地土壤肥力指数也存在显著性差异。

        表 8  1984年和2014年不同亚类对土壤肥力质量指数 (Q) 的影响特征

        Table 8.  Influence of sub-groups of soil on soil fertility quality index (Q) in 1984 and 2014

        亚类
        Soil subgroup
        1984年肥力指数 Q in 19842014年肥力指数Q in 2014
        样点数
        Number
        平均值
        Mean
        标准差
        SD
        CV
        (%)
        样点数
        Number
        平均值
        Mean
        标准差
        SD
        CV
        (%)
        侧渗型水稻土Side infiltrating paddy soil3011.19 bcBC0.2420.436421.38 cD0.2819.94
        渗育型水稻Percogenic paddy soil9341.20 bcBC0.2420.141058 1.55 bC0.2415.44
        脱潜型水稻土Degleyed paddy soil9791.38 aA0.2618.981309 1.74 aA0.2413.75
        淹育型水稻土Subrnergenic paddy soil1071.17 cBC0.2622.562491.30 dD0.2519.44
        潴育型水稻土Hydromorphic paddy soil1353 1.30 abAB0.2620.112213 1.61 bBC0.3219.86
        潜育型水稻土Gleyed paddy soil1361.36 aA0.2618.961531.70 aAB0.3219.15
        黄潮土Yellow fluvo-aquic 371.34 aA0.3424.99 671.60 bBC0.3522.05
        灰潮土Grey fluvo-aquic1441.14 cC0.2925.281321.55 bC0.2113.74
        粗骨黄棕壤Rhogosol yellow-brown soils 101.16 cC0.2319.58 311.36 cdD0.2719.92
        粘盘黄棕壤Claypan yellow-brown soils 591.19 bcBC0.2218.861211.41 cD0.2719.20
        腐泥沼泽土Mucky boggy soils 471.37 aA0.2115.03 341.71 aAB0.2615.39
        注(Note):同列数据后不同小、大写字母分别表示不同亚类间差异达 P < 0.05 和 P < 0.01 显著水平 Values followed by different small and capital letters in the same column indicate significant differences at P < 0.05 and P < 0.01 levels among soil sub-groups
      • 土壤质地能够直接影响土壤的孔隙状况,进而会对土壤的通气透水性和保水保肥性产生影响。研究区土壤以重壤土、中壤土、轻粘土为主,占总耕地面积的90%以上。1984年和2014年不同土壤质地的肥力质量都存在显著性差异,年份间趋势基本一致 (表9)。1984年各质地耕地土壤肥力指数变异系数为19.67%~23.48%,平均变异系数为20.85%,2014年变异系数为13.23%~19.28%,平均变异系数为16.18%,1984年和2014年不同质地之间均属于中等变异,与研究区耕地土壤肥力指数变异系数基本一致。

        表 9  1984年和2014年土壤质地对土壤肥力质量指数 (Q) 的影响

        Table 9.  Influence of soil texture on soil fertility quality index(Q) in 1984 and 2014

        土壤质地
        Soil texture
        1984年肥力指数Q in 19842014年肥力指数Q in 2014
        样点数
        Numbers
        平均值
        Mean
        标准差
        SD
        CV
        (%)
        样点数
        Numbers
        平均值
        Mean
        标准差
        SD
        CV
        (%)
        轻壤土Light loam soil2201.00 dC0.2323.08456 1.52 cdC0.2113.64
        轻粘土Light clay soil1381.38 aA0.2518.361521.82 aA0.2413.23
        砂壤土Sandy loam soil2261.03 dC0.2423.484191.55 cC0.2516.23
        中壤土Middle loam soil1035 1.24 cB0.2419.671488 1.48 dC0.2818.54
        重壤土Heavy loam soil2488 1.33 bA0.2419.673534 1.63 bB0.3119.28
        注(Note):同列数据后不同小、大写字母分别表示不同土壤质地间差异达 P < 0.05 和 P < 0.01 显著水平 Values followed by different small and capital letters in the same column indicate significant differences at P < 0.05 and P < 0.01 levels among different soil texture.
      • 不同的土地利用方式,种植制度、管理措施的不同导致耕地土壤肥力的差异。扬州市土地利用方式主要为旱地、水田和水浇地3种。表10表明,1984年和2014年不同土地利用方式的土壤肥力质量都存在显著性差异,年份间趋势基本一致,为水田﹥水浇地﹥旱地。从变异情况来看,1984年和2014年平均变异系数分别为20.95%和17.32%,均属于中等变异。

        表 10  1984年和2014年土地利用方式对土壤肥力质量指数 (Q) 的影响

        Table 10.  Influence of farmland utilization mode on the quality index of soil fertility (Q) in 1984 and 2014

        土地利用
        Utilization mode
        1984年肥力指数Q in 19842014年肥力指数Q in 2014
        样点数
        Numbers
        平均值
        Mean
        标准差
        SD
        CV
        (%)
        样点数
        Numbers
        平均值
        Mean
        标准差
        SD
        CV
        (%)
        水田Paddy field28611.32 aA0.2619.7039851.75 aA0.3017.14
        旱地Dry land10351.17 bA0.2622.2214871.52 cB0.3221.05
        水浇地Irrigated land 211 1.29 abA0.2720.93 5351.60 bB0.2213.75
        注(Note):同列数据后不同小、大写字母分别表示不同土地利用方式间差异达 P < 0.05 和 P < 0.01 显著水平 Values followed by different small and capital letters in the same column indicate significant differences at P < 0.05 and P < 0.01 levels among different Utilization mode.
      • 分别以成土母质、土壤类型、土壤质地、土地利用方式为自变量进行回归分析,探究耕地土壤肥力的空间变异的主控因素。表11表明,所有自变量均达到极显著性水平 (P < 0.01)。结果表明成土母质、土壤类型、土壤质地、土地利用方式等因素对研究区耕地土壤肥力均有显著性影响。回归分析中独立解释能力 (决定系数) 越高,对耕地土壤肥力空间变异影响就越大,土地利用方式对耕地土壤肥力空间变异的独立解释能力在1984年分为53.9%,在2014年为58%,均高于其他因素,可见扬州市1984—2014年耕地土壤肥力变异的主要因素是土地利用方式。

        表 11  1984年和2014年土壤肥力空间变异因素与土壤肥力质量指数 (Q) 的回归分析

        Table 11.  Regression of spatial variation factors of soil fertility and soil fertility quality index (Q) in 1984 and 2014

        影响因素
        Influence factor
        19842014
        FF valueR2校正R2 Adjusted R2PFF valueR2校正R2 Adjusted R2P
        成土母质Parent material85.540.1270.126 < 0.01439.66 0.1850.184 < 0.01
        土类Soil group13.570.2350.233< 0.0122.890.3120.310 < 0.01
        亚类Soil subgroup40.010.3000.290 < 0.0115.080.3590.357 < 0.01
        土壤质地Soil texture122.75 0.2170.216 < 0.0186.080.2530.251 < 0.01
        土地利用方式Land use type140.93 0.54 0.539 < 0.0128.4 0.59 0.58 < 0.01
      • 影响土壤肥力状况的因素分为结构性因素和随机因素。结构性因素是地形、成土母质、土壤类型、土壤质地等导致耕地土壤肥力集聚或分散的因素。随机性因素是耕作方式、土地利用、施肥状况以及种植制度等集聚或分散的因素[3]。块金系数高低表示指标受到结构性因素和随机性因素影响程度高低大小,1984年和2014年扬州市耕地土壤肥力指标的块金系数介于0.25~0.75之间[27],表明各指标具有中度的空间自相关性。1984年和2014年扬州市耕地土壤肥力指标均受到结构性因素和随机性因素的共同影响,具有中度的空间自相关性。有机质、全氮、有效磷、速效钾的块金系数均有所增加,表明该指标空间自相关程度降低。pH的块金系数有所降低,表明该指标空间自相关程度有所增加。

        成土母质可通过土壤矿物组成和土壤质地来影响土壤理化性质[28],对土壤肥力起着决定性的作用,对耕地土壤肥力空间分布产生重要影响[29]。本研究发现,1984年和2014年扬州市不同成土母质的耕地土壤肥力均存在显著差异,2014年耕地土壤肥力明显比1984年有较大幅度上升。不同土壤类型具有不同的矿物组成、成土过程及发育程度,使土壤特性存在差异,影响土壤肥力空间分布[30]。1984年和2014年扬州市6个亚类水稻土的耕地土壤肥力指数存在显著性差异,指数最高的为脱潜型水稻土、潜育型水稻土,最低的为淹育型水稻土。不同亚类水稻土之间的发育程度、种植制度及耕地管理水平存在明显差异可能是导致不同亚类土壤的肥力质量存在显著性差异的主要原因。土壤质地能够直接影响土壤的孔隙状况,进而会对土壤的通气透水性和保水保肥性产生影响。扬州市耕地土壤以重壤土、中壤土、轻粘土为主,占总耕地面积的90%以上。土地利用方式也是影响耕地土壤肥力的重要因素之一[31],不同的土地利用方式,种植制度、管理措施的差异导致耕地土壤肥力的差异。研究发现1984年和2014年扬州市不同土地利用方式的土壤肥力质量都存在显著性差异,年份间趋势基本一致,水田﹥水浇地﹥旱地。耕地土壤肥力受土壤养分的时空变异而有差异性[3, 6]。1984年与2014年扬州市耕地土壤肥力指数和变异系数分别处于ⅢIII、ⅡI水平,且年度间稳定,服从正态分布,属于中等变异[32]。土壤pH值属于弱变异性,土壤全氮、速效钾、有机质和有效磷属于中等变异[32]。30年间扬州市耕地土壤肥力质量提升显著,Ⅰ级和Ⅱ级耕地面积占比增加较大,Ⅳ级耕地占比下降较多。

        土壤养分是耕地土壤肥力的基础,研究发现土壤有效磷、速效钾含量造成东北典型县域稻田土壤肥力差异的主要因子[33],土壤质地、土地经营方式、肥料科学管理等是影响长三角区农用地土壤肥力主要因素[19],土壤质地偏砂和人为管理措施不到位是导致北京市大兴区土壤肥力水平偏低的主要因素。本研究发表明30年扬州市耕地土壤有机质、全氮和有效磷含量均增加,而土壤速效钾含量和pH值下降。前人研究也表明扬州市耕地土壤有机质和有效磷均呈不断增加趋势[25, 34-35]。大量研究表明,长期施用肥料能够提高土壤中全氮和有效磷含量[3, 36]。前期研究表明,1984—1994年间扬州市耕地土壤有机质含量呈先下降后上升的趋势,有机物料投入量大幅度下降是导致前10年扬州市耕地土壤有机质下降的重要原因之一,后20年合理施肥及秸秆还田量增加是土壤有机质大幅度大面积上升的重要原因。合理施肥、有机物料投入、秸秆还田是土壤有机质含量变化的主要驱动因子[34]

        30年间扬州市耕地土壤速效钾含量由108 mg/kg下降到99 mg/kg,下降了9 mg/kg。前期研究发现,1984—1994年间扬州市耕地土壤速效钾含量前10年下降明显,中间10年有所上升,后10年呈稳定下降趋势。成土母质、土壤质地是影响扬州市土壤速效钾空间分布主要因素,施用钾肥和秸秆还田是影响土壤速效钾时间分布的主要因子[37]。对1980—2005年间的扬州市仪征地区耕作制度、肥情、粮食产量和农户生产情况等历史资料分析表明,历年土壤速效钾时空变异原因主要受农户的栽培管理措施、政府政策、社会经济发展情况等人为因素的影响[38]。可见,导致耕地土壤速效钾含量变化的综合因素作用的结果。2005—2014年间虽然钾肥投入量较多,秸秆还田的面积和数量也有所增加,但这一期间粮食产量增加很快,作物生长从土壤带走钾素高于投入到土壤中的钾素,使土壤中的钾处于亏缺状态,导致土壤速效钾含量呈减少趋势[38-39]。30年间扬州市耕地土壤pH值由7.51下降到6.74,下降了0.77。有研究发现,2000—2015年湘西植烟土壤pH均值由6.21下降至6.12,交换性钙是土壤pH升高的主要驱动因素,而有效硫和碱解氮是土壤pH降低的主要驱动因素[39]。1981—2012年四川仁寿县土壤pH值由7.10下降到6.80,pH值的空变异受成土母质、土壤类型、土地利用方式等因素的影响[40]。可见,土壤pH值下降是综合因素作用的结果。前期研究表明,1984—1994年间扬州市耕地土壤pH值持续下降,前20年下降幅度较大,后10年渐趋稳定。成土母质、土壤类型、土壤有机质含量是影响土壤pH值空间分布主要因子,酸雨、施肥及土地利用类型是影响土壤pH时间分布因子主要因子[41]。扬州市地处于长江中下游,属于典型的高投入、高产出粮食主产区,测土配方施肥技术、秸秆还田、深耕等技术普及率高,这些也是导致土壤养分部分指标及耕地土壤肥力上升的重要原因。

        综上,30年间 (1984—2014年) 扬州市耕地土壤有机质、全氮和有效磷含量均增加,土壤速效钾含量下降,各指标均呈中等变异性。土壤pH值下降,呈弱变异性;耕地土壤肥力等级1984年以Ⅲ级为主,2014年以Ⅱ级为主。耕地土壤肥力指数平均值由Ⅲ级上升为Ⅱ级,年度间稳定,具有中等变异性和中等程度的空间自相关性;成土母质、土类、亚类、土壤质地和土地利用方式等因素均显著影响耕地土壤肥力变异特征,土地利用方式是影响扬州市30年间耕地土壤肥力变异主要因素。

    参考文献 (41)
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