周 波， 吳茗華， 程 炯， 鄧南榮， 胡月明， 戴 軍

(1 華南農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院/國土資源部建設用地再開發(fā)重點實驗室/農(nóng)業(yè)部華南耕地保育重點實驗室/廣東省土地利用與整治重點實驗室，廣東 廣州 510642；2 廣東省農(nóng)業(yè)科學院 飲用植物研究所，廣東 廣州 510640；3 廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，廣東 廣州 510650)

耕地自然質量等級與土壤主要肥力指標的關系

周 波1,2， 吳茗華1， 程 炯3， 鄧南榮3， 胡月明1， 戴 軍1

(1 華南農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院/國土資源部建設用地再開發(fā)重點實驗室/農(nóng)業(yè)部華南耕地保育重點實驗室/廣東省土地利用與整治重點實驗室，廣東 廣州 510642；2 廣東省農(nóng)業(yè)科學院 飲用植物研究所，廣東 廣州 510640；3 廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，廣東 廣州 510650)

【目的】研究耕地自然質量等級與土壤肥力指標間的關系.【方法】基于化州市耕地質量等級監(jiān)測工作，將化州市耕地分為4個監(jiān)測分區(qū)，布設38個采樣點，調查測定耕地質量監(jiān)測指標和主要土壤肥力指標，并對其關系進行研究.【結果和結論】耕地自然質量等級指數(shù)(y)與土壤主要肥力指標[pH(x1)、堿解氮含量(x2)]間存在如下數(shù)學關系式：y=1 300.15+630.33x1+3.24x2.pH、堿解氮含量與耕地自然質量等級的10個原始監(jiān)測指標均具有顯著相關性，與自然質量等指數(shù)也具有顯著的線性關系.

耕地； 自然質量等級； 自然質量等指數(shù)； 土壤肥力指標

近年來，隨著我國社會和經(jīng)濟的快速發(fā)展，優(yōu)質耕地被不斷征用，水土流失和土壤污染加劇，耕地重用輕養(yǎng)現(xiàn)象普遍，導致總體質量下降[1-3].而我國對耕地質量監(jiān)管制度與技術方法的研究相對薄弱[4-8].國土資源部2011年起組織全國15個省市開展耕地質量等級監(jiān)測試點項目，逐步開展對耕地質量的監(jiān)測監(jiān)管工作.根據(jù)《農(nóng)用地質量分等規(guī)程》(GB/T 28407—2012)[9]的要求，耕地自然質量等指數(shù)是計算耕地質量等級的最基礎部分，也是最復雜繁瑣的部分，其計算過程涉及到立地條件、土壤條件和耕地管理水平等方面的十幾個因素指標，包含耕作制度、復種類型、光溫(氣候)生產(chǎn)潛力指數(shù)、產(chǎn)量比系數(shù)等多個參數(shù)的多重計算公式，指標數(shù)據(jù)的獲取難度較大，計算過程繁雜，監(jiān)測周期長.這些問題都是限制其推廣的瓶頸，尋求簡化、快速的監(jiān)測方法成了亟待解決的問題.為此，本文結合化州市耕地質量等級監(jiān)測的實際情況，探索研究耕地自然質量等級與土壤主要肥力指標的關系，以期為耕地質量監(jiān)測方法的簡化研究提供參考.

1 研究區(qū)域概況

化州市位于廣東省西南部，鑒江中下游，地處東經(jīng)110°20′～110°45′，北緯21°29′～22°13′，地形狹長，地勢北高南低.屬南亞熱帶季風氣候，年平均日照1 984.6 h，年平均溫度22.6 ℃，≥0 ℃年積溫8 274.4 ℃，無霜期362 d.年降雨量1 772.1 mm，降雨量年際變化大，雨季出現(xiàn)在4—9月，以南風為主；旱季出現(xiàn)在10 月至次年3月，以偏北風為主.2012年化州市耕地面積為59 513 hm2，土壤類型以赤紅壤為主，東南部沖積平原區(qū)有部分水稻土.2012年平均自然質量等指數(shù)為5 220，平均自然質量等為1.95，平均利用等指數(shù)為2 493，平均利用等為2.52，平均經(jīng)濟等指數(shù)為2 581，平均經(jīng)濟等為2.10，耕地質量總體處于中等偏上水平.種植的作物主要有水稻、甘薯、花生、甘蔗、蔬菜、紅麻、蠶桑、黃豆等，耕作制度以兩年五熟為主.

2 研究方法

2.1 分區(qū)與采樣點布設

結合地形地貌和人為影響程度等情況化州市耕地可劃分為北部山區(qū)、中部丘陵區(qū)、南部平原區(qū)和城市周邊區(qū)4個研究分區(qū)，根據(jù)分區(qū)面積、地形和耕地連片程度布設采樣點，北部山區(qū)布置13個樣點，中部丘陵區(qū)布置14個樣點，南部平原區(qū)布置7個樣點，城市周邊區(qū)布置4個樣點，共計38個采樣點，分區(qū)和布點情況如圖1所示.

圖1 化州市耕地質量監(jiān)測分區(qū)與監(jiān)測點布置圖

Fig.1 The layout of cultivated land monitoring partitions and monitoring points of Huazhou

2.2 樣品采集與分析

2012年12月在主要農(nóng)作物收獲1個月后進行樣品采集和數(shù)據(jù)調查.具體調查指標和數(shù)據(jù)獲取方法如下：地形坡度、田面坡度、灌溉保證率和排水條件等指標數(shù)據(jù)現(xiàn)場測量及調查獲得，地下水位、有效土層厚度及剖面構型等數(shù)據(jù)通過剖面挖掘獲取.在樣點所在圖斑內有代表性的部位選10 m×10 m范圍，五點混合法采集耕作層土壤樣品，同時用環(huán)刀取樣測定容重.土樣風干制備后，測定pH、有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、電導率、沙粒、粉粒、粘粒等指標.有機質的測定采用重鉻酸鉀容量法；全氮采用開氏消煮法；堿解氮采用堿解擴散法；速效磷采用Olsen法；有效鉀用NH4AC浸提-火焰光度法；土壤pH用pH計電位法(水土質量比2.5∶1.0)；電導率用電導率儀測定(水土質量比5∶1)；沙粒、粉粒、粘粒含量用微吸管法測定；容重用環(huán)刀法測定.

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

地形坡度、田面坡度、地下水位、有效土層厚度、表土質地、剖面構型、有機質含量、pH、灌溉保證率、排水條件等10個指標是耕地自然質量等級劃分的標準監(jiān)測指標.根據(jù)研究區(qū)所屬的標準耕作制度分區(qū)，按照指定作物分別給10個監(jiān)測指標值賦分，賦分后按照加權平均法計算各指定作物下的耕地自然質量分.自然質量分乘以光溫(氣候)潛力指數(shù)和指定作物的產(chǎn)量比系數(shù)得出自然質量等指數(shù)，然后按照不同監(jiān)測單元的復種類型計算耕地自然質量等指數(shù).計算過程和相關參數(shù)的選取均參照《農(nóng)用地質量分等規(guī)程》(GB/T 28407—2012)[9]的要求.

數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用ArcGIS9.3、SAS9.0和Excel 2003等軟件進行.統(tǒng)計過程中地下水位、有效土層厚度、表土質地、剖面構型、灌溉保證率、排水條件等描述性指標均采用自然質量分計算時對應的賦分值進行統(tǒng)計分析，其余可定量的指標均采用實測值進行統(tǒng)計分析.

3 結果與分析

3.1 耕地自然質量等指數(shù)和主要肥力指標

各個分區(qū)的平均自然質量分和自然等指數(shù)計算結果見表1.

表1研究區(qū)耕地自然質量等指數(shù)

Tab.1Thenaturalqualitygradeindexofarablelandinstudyarea

分區(qū)平均值極差標準差變異系數(shù)北部山地區(qū)513614685440.11中部丘陵區(qū)497619525860.12南部平原區(qū)51027953610.07城市周邊區(qū)52229224220.08

本文針對4個耕地分區(qū)的38個樣點，測定了容重、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、電導率、沙粒、粉粒、粘粒含量等土壤肥力相關指標，結果見表2.從肥力指標的測定結果看，容重北部山地區(qū)最低，最有利于作物生長.全氮和堿解氮的含量也是北部山地區(qū)最高，有效磷和速效鉀的含量則是城市周邊區(qū)最高.北部山地區(qū)沙粒、粉粒和粘粒的含量相當，質地優(yōu)良，其余3個區(qū)的粘粒含量相對較少.

3.2 肥力指標與耕地自然質量等級關系

為尋找與耕地自然質量等級關系最密切、最有代表性的土壤肥力指標，本文采用系統(tǒng)聚類法對調查得到的19個指標進行聚類分析.結果(圖2)表明，在歐氏距離(d)=1.26時，所有指標可以歸為2個大類、4個小類.同一類指標具有統(tǒng)計學上的信息相似性，從每個小類中選取1個有代表性的土壤肥力指標，用來探求它們與耕地自然質量等級之間的關系.本文分別選取了pH、容重、堿解氮含量和電導率4個指標，采用逐步回歸探索這4個肥力指標與耕地自然質量等級之間的數(shù)學關系.以pH(x1)、堿解氮含量(x2)、容重(x3)、電導率(x4)作為自變量，以耕地自然質量等指數(shù)(y)作為因變量，進行逐步回歸分析.所得回歸方程為：y=1 300.15+630.33x1+3.24x2，F(xiàn)=35.22，P<0.01，達到極顯著水平;對截距和x1、x2的系數(shù)進行顯著性檢驗，P分別為0.013 2和0.017 6，均達到顯著水平.在逐步回歸過程中，只有pH和堿解氮含量進入了最終方程，這2個指標分別屬于上述聚類分析的2個大類，具有相對較好的代表性.綜上所述，本研究得到的耕地自然質量等級與土壤主要肥力指標間的數(shù)學關系式為：y=1 300.15+630.33x1+3.24x2.

表2 研究區(qū)部分耕地肥力指標測定結果Tab.2 Results of fertility indicators of arable land of study area

圖2 研究區(qū)耕地自然質量監(jiān)測指標與肥力指標聚類圖Fig.2 Dendrogram of the natural quality monitoring and fertility indicators of arable land

3.3 數(shù)學關系式的驗證

本文從3個方面對上述數(shù)學關系式進行驗證.

首先，從耕地自然質量等指數(shù)計算的原理看，其基礎是自然質量分，而自然質量分的計算涉及到地形坡度、田面坡度、地下水位、有效土層厚度、土壤質地、剖面構型、有機質含量、酸堿度、灌溉保證率、排水條件等10個評價指標.如果關系式中的土壤肥力指標能夠與上述10個評價指標的信息之間具有較好的關聯(lián)度，則說明上述關系式具有可行性.肥力指標與原始的10個監(jiān)測指標的相關分析結果(表3)表明，原始的10個監(jiān)測指標在2個肥力指標中均能找到與之顯著相關的指標，即肥力指標的信息與原始的10個監(jiān)測指標的信息之間具有較高的關聯(lián)度.

其次，通過土壤肥力指標與耕地自然質量等指數(shù)的相關性分析，驗證它們之間的信息關聯(lián)度.相關分析的結果如圖3所示，pH和堿解氮含量2個指標與自然質量等指數(shù)之間存在著極顯著和顯著的線性相關關系，說明兩者之間具有較高的統(tǒng)計信息關聯(lián)度.

表3研究區(qū)土壤肥力指標與耕地監(jiān)測指標的相關分析1)

Tab.3Thecorrelationanalysesofsoilfertilityandarablelandmonitoringindicators

指標pH堿解氮含量pH1.0000.005地形坡度-0.443**-0.305*田面坡度-0.640**-0.336*有機質0.0010.928**有效土層厚度0.0790.305*表土質地0.364*0.133排水條件-0.323*0.062剖面構型0.564**0.032灌溉保證率0.701**0.323*地下水位-0.452**-0.388*

1) “*”、“**”分別表示顯著、極顯著相關.

最后，驗證上述數(shù)學關系式的計算效果.數(shù)學關系式計算值與真實值比較的結果見表4，所有樣點的計算誤差均在±15%以內，其中±5%以內的樣點占60.53%，±(5%～10%)之間的樣點占28.95%，在±(10%～15%)之間的樣點占10.52%，所有樣點誤差的算術平均值為0.55%.

圖3 研究區(qū)簡化指標與自然質量等指數(shù)的相關分析

Fig.3 The correlation analysis of simplified indicators and natural quality grade index of study area

表4研究區(qū)耕地自然質量等指數(shù)簡化預測模型效果驗證

Tab.4Theeffectverificationofsimplifiedpredictionmodelofarablelandnaturalgradeindex

分區(qū)原自然質量等指數(shù)簡化自然質量等指數(shù)誤差范圍/%平均誤差/%北部山地區(qū)5136.385186.00-4.75～8.751.34中部丘陵區(qū)4975.935023.50-7.21～12.741.28南部平原區(qū)5101.714980.86-11.05～9.75-2.11城市周邊區(qū)5221.505206.75-5.58～8.740.06

4 討論與結論

地理信息系統(tǒng)等技術手段和聚類分析、回歸分析等數(shù)學方法已被國內外研究者廣泛應用于耕地質量的評價中.de Paul Obade等[10]對遙感和地理信息系統(tǒng)等手段在耕地質量評估方面的應用和研究進展進行了歸納，Davis等[5]采用地理信息系統(tǒng)對土壤重金屬的空間分布進行了分析，并采用主成分分析和聚類分析等數(shù)學方法探討了土壤環(huán)境質量的影響因素，Kaufmann等[11]采用數(shù)學評價模型對修復后的土壤質量進行了評價與分析，Zhang等[12]使用加權回歸的分析方法利用地理信息空間模型對愛爾蘭土壤有機質含量的時空變化進行了分析和評價，Cai等[13]采用逐步回歸和主成分分析等數(shù)學方法分析評價了土壤微生物的生態(tài)多樣性.結合前人的研究成果，本研究利用地理信息系統(tǒng)的相關功能模塊綜合劃分監(jiān)測分區(qū)，考慮多重因素選取監(jiān)測點，并采用聚類分析選取了4個簡化預測指標，利用逐步回歸分析建立了最終的簡化預測模型.

土壤肥力指標已被廣泛應用于對耕地質量的評價中[14-15].本研究中，pH和堿解氮含量2個指標最終進入了數(shù)學關系式.pH相對穩(wěn)定，能夠綜合反映耕地多方面的質量情況[16-17].也有研究表明堿解氮與全氮和有機質都具有較好的相關性[18]，有機質又在很大程度上可以反映土壤的總體肥力質量[19]，有機質和堿解氮等土壤肥力指標能綜合反映農(nóng)業(yè)投入水平和管理措施對耕地質量的影響[20].堿解氮等速效養(yǎng)分容易受到施肥等農(nóng)業(yè)措施的影響，而施肥時間主要集中在作物生長的前期和中期，此時不適宜采集監(jiān)測土壤樣品.隨著施肥時間的延長，到秋冬季節(jié)作物收獲后，施肥帶入的速效養(yǎng)分由于淋溶、揮發(fā)和作物吸收等而大量下降[21]，土壤中的堿解氮等速效養(yǎng)分含量趨于穩(wěn)定，此時采集的土壤樣品適合用來對耕地質量進行分析和評價.

采用工程措施進行土地整治，如降低土地坡度、提高田面平整度、改良灌排條件等，對耕地質量的改善主要體現(xiàn)在如下2個方面：一方面，通過土地整治可以減少土壤中作物生長所需的養(yǎng)分隨水土流失而損耗[22]，整治后旱可灌、澇可排，保證了土壤含水量的穩(wěn)定，從而可以改善土壤的通氣透水狀況、增加微生物活性、促進土壤中養(yǎng)分的循環(huán)與轉化[23]，進而影響到土壤pH、有機質和堿解氮等土壤肥力屬性指標[16].另一方面，通過土地整治還會帶來土地經(jīng)營者投入水平的提高，增加投入、培肥地力，進而提高土地管理和利用水平，最終會帶來有機質和堿解氮等土壤肥力指標的提高，以及耕地綜合質量提升.

本文通過對化州市耕地數(shù)據(jù)的分析和論證得出，研究區(qū)耕地自然質量等級(y)與主要土壤肥力指標[pH(x1)、堿解氮(x2)]間的數(shù)學關系式為：y=1 300.15+630.33x1+3.24x2.經(jīng)驗證，該關系式的公式與系數(shù)均達到顯著水平.進入關系式的肥力指標與原始的10個監(jiān)測指標顯著相關，與自然質量等指數(shù)具有顯著的線性相關，關系式計算誤差的算術平均值為0.55%.今后的研究中可以在更廣范圍內、不同時間段、不同地形、不同氣候條件下進行類似的驗證與探索.

[1]陳印軍，肖碧林，方琳娜，等.中國耕地質量狀況分析[J].中國農(nóng)業(yè)科學，2011，44(17): 3557-3564.

[2]張鴻輝，劉友兆，曾永年，等.耕地質量預警系統(tǒng)設計與實證[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2008，24(8): 74-79.

[3]姜廣輝，趙婷婷，段增強，等.北京山區(qū)耕地質量變化及未來趨勢模擬[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26(10): 304-311.

[4]LIMA A C R, BRUSSAARD L, TOTOLA M R, et al.A functional evaluation of three indicator sets for assessing soil quality[J].Appl Soil Ecol, 2013, 64: 194-200.

[5]DAVIS H T, MARJORIE AELION C, MCDERMOTT S, et al.Identifying natural and anthropogenic sources of metals in urban and rural soils using GIS-based data, PCA, and spatial interpolation[J].Environ Pollut, 2009, 157(8/9): 2378-2385.

[6]ALLIAUME F, ROSSING W A H, GARCíA M, et al.Changes in soil quality and plant available water capacity following systems re-design on commercial vegetable farms[J].Eur J Agron, 2013, 46: 10-19.

[7]MUELLER L, SHEPHERD G, SCHINDLER U, et al.Evaluation of soil structure in the framework of an overall soil quality rating [J].Soil Till Res, 2013, 127: 74-84.

[8]孫薇薇，胡月明，劉才興，等.基于決策樹的土壤質量等級研究[J].2005，26(3):108-110.

[9]中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 28407-2012 農(nóng)用地質量分等規(guī)程 [S]．北京：中國標準出版社，2012．

[10]DE PAUL OBADE V, LAL R.Assessing land cover and soil quality by remote sensing and geographical information systems (GIS)[J].Catena, 2013, 104: 77-92.

[11]KAUFMANN M, TOBIAS S, SCHULIN R.Quality evaluation of restored soils with a fuzzy logic expert system[J].Geoderma, 2009, 151(3/4): 290-302.

[12]ZHANG Chaosheng, TANG Ya, XU Xianli, et al.Towards spatial geochemical modelling: Use of geographically weighted regression for mapping soil organic carbon contents in Ireland[J].Appl Geochem, 2011, 26(7): 1239-1248.

[13]CAI Y F, BARBER P, DELL B, et al.Soil bacterial functional diversity is associated with the decline ofEucalyptusgomphocephala[J].Forest Ecol Manag, 2010, 260(6): 1047-1057.

[14]ARMENISE E, REDMILE-GORDON M A, STELLACCI A M, et al.Developing a soil quality index to compare soil fitness for agricultural use under different managements in the Mediterranean environment[J].Soil Till Res, 2013, 130: 91-98.

[15]GIACOMETTI C, DEMYAN M S, CAVANI L, et al.Chemical and microbiological soil quality indicators and their potential to differentiate fertilization regimes in temperate agroecosystems[J].Appl Soil Ecol, 2013, 64: 32-48.

[16]LEBRON I, ROBINSON D A, OATHAM M, et al.Soil water repellency and pH soil change under tropical pine plantations compared with native tropical forest[J].J Hydrol, 2012(414/415): 194-200.

[17]CLARHOLM M, SKYLLBERG U.Translocation of metals by trees and fungi regulates pH, soil organic matter turnover and nitrogen availability in acidic forest soils[J].Soil Biol Biochem, 2013, 63: 142-153.

[18]王艷杰，付樺.霧靈山地區(qū)土壤有機質全氮及堿解氮的關系[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2005，24(z1): 85-90.

[19]AYUKE F O, BRUSSAARD L, VANLAUWE B, et al.Soil fertility management: Impacts on soil macrofauna, soil aggregation and soil organic matter allocation[J].Appl Soil Ecol, 2011, 48(1): 53-62.

[20]CHIVENGE P, VANLAUWE B, GENTILE R, et al.Organic resource quality influences short-term aggregate dynamics and soil organic carbon and nitrogen accumulation[J].Soil Biol Biochem, 2011, 43(3): 657-666.

[21]TYLOVA-MUNZAROVA E, LORENZEN B, BRIX H, et al.The effects of NH4+and NO3-on growth, resource allocation and nitrogen uptake kinetics ofPhragmitesaustralisandGlyceriamaxima[J].Aquat Bot, 2005, 81(4): 326-342.

[22]MOTTET A, LADET S, COQUé N, et al.Agricultural land-use change and its drivers in mountain landscapes: A case study in the Pyrenees[J].Agric Ecosyst Environ, 2006, 114(2/3/4): 296-310.

[23]HUANG Biao, SUN Weixia, ZHAO Yongcun, et al.Temporal and spatial variability of soil organic matter and total nitrogen in an agricultural ecosystem as affected by farming practices[J].Geoderma, 2007, 139(3): 336-345.

【責任編輯周志紅】

Therelationshipsbetweenthenaturalqualitygradeofarablelandandmainsoilfertilityindicators

ZHOU Bo1,2, WU Minghua1, CHENG Jiong3, DENG Nanrong3, HU Yueming1, DAI Jun1

(1 College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University/Key Laboratory of the Ministry of Land and Resources for Construction Land Transformation/Key Laboratory of the Ministry of Agriculture for South China Farmland Conservation Province/ Key Laboratory of Land Use and Consolidation of Guangdong, Guangzhou 510642, China; 2 Dringkable Plants Research Institute, Guangdong Academy of Agricultural Sciences, Guangzhou 510640, China; 3 Guangdong Institute of Eco-environment and Soil Sciences, Guangzhou 510650, China)

【Objective】The relationships between arable land natural quality grade and main soil fertility indicators were studied.【Method】 Arable land quality monitoring indicators and the soil fertility indicators were investigated after the study area was divided into four monitoring partitions and 38 sampling points were laid, based on the work of Huazhou arable land quality grade monitoring.【Result and conclusion】The results showed that the mathematical relationship between the arable land quality level(y) and the main soil fertility indicators[pH(x1)； available nitrogen content(x2)] wasy=1 300.15+630.33x1+3.24x2.pH and available nitrogen significantly are correlated with ten original monitoring indicators of arable land, and the two fertility indicators and the natural quality grade index also have a significant linear relationship.

arable land; natural quality grade; natural quality grade index; soil fertility indicator

2013- 10- 11優(yōu)先出版時間2014- 09- 30

優(yōu)先出版網(wǎng)址：http:∥www.cnki.net/kcms/detail/44.1110.S.20141003.1138.010.html

周 波(1983—)，男，博士研究生， E-mail：zhoubo-100@163.com； 通信作者：戴 軍(1958—)，男，教授，博士， E-mail：jundai@scau.edu.cn

國家自然科學基金(41201305)；國土資源部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201011006)；高等學校博士學科點專項科研基金(20124404110022)

周 波， 吳茗華， 程 炯，等.耕地自然質量等級與土壤主要肥力指標的關系[J].華南農(nóng)業(yè)大學學報，2014,35(6):46- 51.

S159

A

1001- 411X(2014)06- 0046- 06