謝 越,馬東豪,王擎運(yùn),趙炳梓,朱安寧,張叢志,張佳寶,李曉鵬 〔.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥 30036;.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所),江蘇 南京 0008〕

近年來,聚焦于土壤多功能、多屬性的土壤綜合評(píng)價(jià)體系逐步取代了傳統(tǒng)土壤肥力的評(píng)價(jià)方法,可以全面、合理地反映區(qū)域土壤質(zhì)量的綜合特征[1],成為分析土壤質(zhì)量的重要方法,而評(píng)價(jià)體系構(gòu)建、指標(biāo)得分的計(jì)算方法成為影響評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系構(gòu)建是建立在合理的功能需求和指標(biāo)選取的基礎(chǔ)上的,依據(jù)土壤的功能特點(diǎn),選取合適的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)并計(jì)算結(jié)果。逼近理想點(diǎn)排序法(TOPSIS)作為一種基于理想解與實(shí)際值距離排序的計(jì)算方法,結(jié)合GIS克里金空間插值,能夠直觀表現(xiàn)出區(qū)域土壤的時(shí)空變化特征,在土壤綜合評(píng)價(jià)方面得到廣泛應(yīng)用,為土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)體系提供了良好的方法與途徑[2]。

黃淮海平原是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地,年生產(chǎn)全國(guó)約60%的小麥和35%的玉米[3]。潮土作為該區(qū)域的主要土壤類型,1984—2011年間伴隨著田間管理措施的變化,其土壤功能和質(zhì)量發(fā)生了明顯變化,亟需對(duì)區(qū)域土壤質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和再評(píng)價(jià),以便更好地利用和保護(hù)潮土耕地資源。筆者以黃淮海平原典型潮土區(qū)封丘縣為研究區(qū),基于1984、2003和2011年3期縣域土壤監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的指標(biāo)數(shù)據(jù),采用主成分分析結(jié)合TOPSIS法,以土壤參與生態(tài)過程的主要功能為基礎(chǔ),構(gòu)建該區(qū)域土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng),對(duì)縣域土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),以期揭示耕地土壤質(zhì)量的時(shí)空變化特征,為黃淮海平原潮土耕作區(qū)土壤質(zhì)量變化和耕地資源可持續(xù)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

封丘縣(34°53′ N～35°14′ N,114°14′ E～114°45′ E)位于河南省新鄉(xiāng)市內(nèi),地屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫為13.9 ℃,降水量為615 mm,60%～90%的降水分布在6—10月,平均海拔為68.75 m。全縣區(qū)域面積為1 220 km2,其中,耕地面積為617 km2。該縣以一年兩熟的冬小麥-夏玉米輪作制度為主,是黃淮海平原重要的糧食生產(chǎn)區(qū)域[4]。

1.2 樣品采集及數(shù)據(jù)處理

依托1984年第二次土壤普查、2003年國(guó)家土壤質(zhì)量監(jiān)測(cè)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和2011年碳專項(xiàng)的3期土壤監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的采樣點(diǎn)空間位置信息(圖1),參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[5],測(cè)定3期土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、容重、有機(jī)質(zhì)、陽(yáng)離子交換量、砂粒、粉粒、黏粒、田間持水量、有效含水量、飽和導(dǎo)水率和孔隙度。

圖1 研究區(qū)概況及3期采樣點(diǎn)分布Fig.1 Survey of the study area and distribution of sampling sites of the three sampling years

采用文獻(xiàn)[6]中的預(yù)測(cè)模型,基于封丘縣土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)和容重計(jì)算1984和2003年各采樣點(diǎn)田間持水量、有效含水量和飽和導(dǎo)水率,2011年各采樣點(diǎn)田間持水量、有效含水量和飽和導(dǎo)水率為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。采用閾值法處理異常值,用正常值區(qū)間范圍內(nèi)的最大值或最小值替代異常數(shù)據(jù),其中,1984年異常值占該年數(shù)據(jù)總量的0.52%,2003年為0.61%,2011年為0.64%,3期數(shù)據(jù)異常值較少,數(shù)據(jù)質(zhì)量整體良好。

1.3 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

基于土壤功能綜合決定土壤質(zhì)量的理論基礎(chǔ),參考楊穎等[7]和德國(guó)Müncheberg評(píng)價(jià)系統(tǒng)[8],根據(jù)17項(xiàng)土壤指標(biāo),將質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)內(nèi)的土壤功能歸納為作物生產(chǎn)功能、碳固存功能、持水凈化功能和養(yǎng)分運(yùn)移功能4項(xiàng)[9],各功能得分的累加能夠綜合反映區(qū)域土壤質(zhì)量的綜合狀況,即為土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(SQI)。

對(duì)17項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分類,包括土壤發(fā)生形成過程中穩(wěn)定的屬性指標(biāo),以各類養(yǎng)分元素含量為主的化學(xué)指標(biāo),以及涵蓋土壤結(jié)構(gòu)特征的物理指標(biāo)。其中,屬性指標(biāo)包括成土過程中形成的相對(duì)穩(wěn)定的土壤質(zhì)地與粉黏比[10];化學(xué)指標(biāo)參照USDA[11]、LARSON等[12]的研究選取;物理指標(biāo)參照陳夢(mèng)軍等[13]的研究選取。具體指標(biāo)分類及功能評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)體系框架Fig.2 Framework of soil quality comprehensive evaluation system

各土壤功能的指標(biāo)選取過程如下:

(1)作物生產(chǎn)功能是土壤的基礎(chǔ)功能,土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素、土體構(gòu)型和水熱條件共同決定了作物產(chǎn)量和生產(chǎn)能力,因此,將所有屬性指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)和物理指標(biāo)綜合納入作物生產(chǎn)功能評(píng)價(jià)體系中。

(2)碳固存功能反映土壤儲(chǔ)碳的能力,是調(diào)節(jié)地域氣候及生態(tài)過程的主要功能[14],屬性指標(biāo)中砂粒、粉粒和黏粒均能與有機(jī)碳鍵合,土壤質(zhì)地不同,有機(jī)碳鍵合能力也不同[15],故將屬性指標(biāo)全部納入評(píng)價(jià)體系。在化學(xué)指標(biāo)中,有機(jī)質(zhì)含量直接反映土壤碳儲(chǔ)量,pH影響土壤的儲(chǔ)碳速率,故將其納入評(píng)價(jià)體系。在物理指標(biāo)中,耕層土壤容重影響土壤通氣性和有機(jī)碳的礦化,故將其納入評(píng)價(jià)體系。

(3)持水凈化功能指土壤參與養(yǎng)分循環(huán)、污染凈化等生態(tài)過程的能力。研究結(jié)果表明砂粒含量高的土壤導(dǎo)水性強(qiáng),黏粒、粉粒含量高,則儲(chǔ)水能力強(qiáng),故將屬性指標(biāo)全部納入評(píng)價(jià)系統(tǒng)。有機(jī)質(zhì)可以增強(qiáng)土壤的緩沖性能,優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu),增強(qiáng)土壤保水保墑能力[16],故將有機(jī)質(zhì)作為化學(xué)指標(biāo)納入評(píng)價(jià)體系;CEC不僅是用于肥力評(píng)價(jià)的重要指標(biāo),也是土壤中污染物遷移轉(zhuǎn)化的重要影響因素,故將CEC納入評(píng)價(jià)體系[17];田間持水量、有效含水率、飽和導(dǎo)水率、孔隙度和容重可以表征土壤結(jié)構(gòu)特征,量化土壤儲(chǔ)水性、水分有效性及其運(yùn)移能力,故將5項(xiàng)物理指標(biāo)納入評(píng)價(jià)體系。

(4)養(yǎng)分運(yùn)移功能是土壤穩(wěn)定供給作物各類營(yíng)養(yǎng)元素的重要功能,土壤養(yǎng)分運(yùn)移參與到作物的整個(gè)生育過程[18]。在化學(xué)指標(biāo)中,土壤中有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)量越大,其礦化作用后產(chǎn)生的養(yǎng)分就越多;CEC表示土壤所能吸附各類陽(yáng)離子的總量,反映土壤的綜合養(yǎng)分含量[19];pH值變化直接影響化學(xué)反應(yīng)速率,故將其納入評(píng)價(jià)體系。在物理指標(biāo)中,土壤水作為載體參與各類養(yǎng)分的運(yùn)移過程,飽和導(dǎo)水率和孔隙度作為反映土壤水分運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵指標(biāo),將其直接納入評(píng)價(jià)體系。

1.4 評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)權(quán)重

1.4.1權(quán)重及隸屬函數(shù)計(jì)算

采用主成分分析方法計(jì)算各功能的指標(biāo)權(quán)重[20],通過隸屬函數(shù)計(jì)算指標(biāo)隸屬度,參考GB/T 28407—2012《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》及封丘縣作物的養(yǎng)分需求及土體構(gòu)型特征[21],明確指標(biāo)隸屬函數(shù)及閾值,具體結(jié)果見表1。

表1 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬函數(shù)Table 1 Subordinate function of soil quality evaluation index

1.4.2土壤功能得分計(jì)算

TOPSIS是基于指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)與最優(yōu)解、最劣解之間距離來確定樣本數(shù)據(jù)好壞的多屬性排序法[2]。具體計(jì)算步驟如下:

(1)最優(yōu)與最劣樣本的確定:

Z+=ai1+,ai2+,ai3+,…,ain+,

(1)

Z-=ai1-,ai2-,ai3-,…,ain-。

(2)

式(1)～(2)中,Z+、Z-分別表示數(shù)據(jù)集下指標(biāo)理想最優(yōu)解、最劣解的集合;ain+、ain-分別表示第n個(gè)指標(biāo)的最優(yōu)解與最劣解。

(2)最優(yōu)與最劣樣本的加權(quán)歐式距離計(jì)算:

(3)

(4)

式(3)～(4)中,Di+、Di-分別表示i點(diǎn)與最優(yōu)集合、最劣集合之間的距離;aij表示標(biāo)準(zhǔn)化后的i點(diǎn)對(duì)應(yīng)在j指標(biāo)上的取值;ωj表示第j個(gè)指標(biāo)權(quán)重。

(3)土壤功能得分計(jì)算:

(5)

式(5)中,k=1;Ci表示i點(diǎn)土壤功能得分,0≤Ci≤1,該值越接近1,說明該點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的土壤功能越強(qiáng),反之越差。

(4)土壤質(zhì)量綜合指數(shù):

(6)

式(6)中,ISQi表示i點(diǎn)土壤質(zhì)量綜合指數(shù),0≤ISQi≤4,該值越大,表明該點(diǎn)處土壤質(zhì)量越高;Cij表示i點(diǎn)處土壤功能j的得分。

1.4.3地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間插值

使用普通克里金插值法對(duì)研究區(qū)樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分指標(biāo)含量進(jìn)行空間插值分析,計(jì)算區(qū)域面積內(nèi)養(yǎng)分分布情況[22]。

Ni為第i個(gè)指標(biāo)相應(yīng)的隸屬值;X1、X2、X3和X4代表函數(shù)閾值。TN為全氮;TP為全磷;TK為全鉀;AN為堿解氮;AP為有效磷;AK為速效鉀;BD為容重;SOM為有機(jī)質(zhì);CEC為陽(yáng)離子交換量;Sand為砂粒;Silt為粉粒;Clay為黏粒;S/C為粉黏比;WHC為田間持水量;AWC為有效含水量;SHC為飽和導(dǎo)水率;PO為孔隙度。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

采用SPSS 22.0中主成分分析模塊計(jì)算指標(biāo)權(quán)重,采用ArcGIS 10.5進(jìn)行克里金空間插值和區(qū)域面積統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 封丘縣土壤指標(biāo)的演變特征

長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果(表2)表明,封丘縣耕層土壤中砂粒、粉粒、黏粒含量及粉黏比隨時(shí)間變化趨勢(shì)不明顯,27年間砂粒含量由(58.13±18.04)%提高到(63.25±15.50)%,粉粒、黏粒含量及粉黏比分別由(17.58±11.39)%、(24.28±9.47)%和(76.38±3.93)%降低至(13.72±10.13)%、(23.06±8.43)%和(62.39±46.31)%,計(jì)算結(jié)果顯示除粉黏比變異系數(shù)外,砂粒、粉粒和黏粒含量變異系數(shù)27年間變化不大。

表2 封丘縣土壤指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)Table 2 Descriptive statistics of soil indexes in Fengqiu County

化學(xué)指標(biāo)中,3期全氮含量分別為(0.54±0.12)、(0.78±0.15)和(0.99±0.45) g·kg-1。全磷含量分別為(0.72±0.03)、(0.75±0.13)和(0.77±0.10) g·kg-1。全鉀含量分別為(24.00±0.82)、(21.62±1.41)和(15.99±2.14) g·kg-1,2011年封丘縣全鉀含量較1984年整體降低33.38%,降幅明顯。在速效養(yǎng)分方面,27年間土壤堿解氮含量整體提高27.64%,有效磷含量提高42.72%。速效鉀含量分別為(178.49±30.29)、(99.57±38.11)和(207.36±83.54) mg·kg-1,速效鉀含量整體呈現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢(shì)。封丘縣3期有機(jī)質(zhì)含量分別為(7.86±1.80)、(13.16±3.10)和(16.49±5.62) g·kg-1,土壤有機(jī)質(zhì)含量整體提高109.80%。CEC 27年間整體提升30.45%,pH值變化趨勢(shì)則不明顯。

各評(píng)價(jià)指標(biāo)名稱中英文對(duì)照見表1。

在物理指標(biāo)中,27年間封丘縣土壤容重分別為(1.43±0.02)、(1.38±0.03)和(1.35±0.12) g·cm-3,該區(qū)域土壤容重整體降低5.59%,指標(biāo)敏感度處于低敏感度區(qū)間。田間持水量27年間變化趨勢(shì)不明顯。3期有效含水量平均值分別為24.09%、22.56%和20.43%,該區(qū)域有效含水量整體降低15.19%。3期飽和導(dǎo)水率平均值分別為2.86、3.05和3.05 cm·d-1,變異系數(shù)分別為19.21%、13.50%和35.08%,封丘縣土壤飽和導(dǎo)水率整體增加6.64%,指標(biāo)敏感度由1984年的高度敏感度區(qū)間降低至中度敏感度區(qū)間。土壤孔隙度27年間整體呈提升趨勢(shì),平均值分別為45.88%、47.96%和49.07%,27年間提升6.95%。

2.2 指標(biāo)權(quán)重及體系土壤功能得分計(jì)算

主成分分析計(jì)算結(jié)果(表3)顯示,各土壤功能的指標(biāo)權(quán)重從大到小依次為:作物生產(chǎn)功能中,全磷>有效磷=田間持水量=容重=黏粒=孔隙度>有效含水率>全氮=堿解氮=粉粒>速效鉀>全鉀=砂粒>有機(jī)質(zhì)>pH=飽和導(dǎo)水率>CEC>粉黏比。碳固存功能中,容重>粉粒>田間持水量>砂粒>pH。持水凈化功能中,黏粒>粉粒=容重>CEC>粉黏比>砂粒>孔隙度=田間持水量>飽和導(dǎo)水率=pH。養(yǎng)分運(yùn)移功能中,田間持水量=孔隙度>有效含水量>有機(jī)質(zhì)>飽和導(dǎo)水率>CEC。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的功能分類及權(quán)重Table 3 Functional classification and weight of indicators

根據(jù)式(1)～(5),計(jì)算得到3個(gè)時(shí)期土壤功能得分:3個(gè)時(shí)期作物生產(chǎn)功能得分區(qū)間分別為0.37～0.51、0.34～0.58和0.39～0.61,其中,2003年得分比1984年整體提升3.24%,2011年較2003年提升5.85%,作物生產(chǎn)功能得分的四分位距分別為0.07、0.07和0.08,封丘縣土壤的作物生產(chǎn)功能整體呈現(xiàn)低緩提升狀態(tài)。

各評(píng)價(jià)指標(biāo)名稱中英文對(duì)照見表1。

3個(gè)時(shí)期碳固存功能得分平均值分別為0.31、0.31和0.34,其中,2011年得分比1984年整體提高9.68%,且該得分?jǐn)?shù)據(jù)離散性小于1984和2003年,該區(qū)域土壤的碳固存功能提升效果較為明顯。3個(gè)時(shí)期持水凈化功能得分的變幅分別為0.38～0.60、0.37～0.60和0.30 ～0.61,平均值分別為0.48、0.47和0.46,27年間該功能得分整體降低4.17%,封丘縣土壤的持水能力呈略微下降趨勢(shì)。在養(yǎng)分運(yùn)移功能方面,2003年得分比1984年整體提高8.22%,2011年比2003年則降低0.18%,27年間封丘縣土壤的養(yǎng)分運(yùn)移能力整體呈現(xiàn)出先提升后趨于平穩(wěn)的狀態(tài)(圖3)。

圖3 各土壤功能得分的描述性統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistical description of each soil function score

2.3 封丘縣各土壤功能得分時(shí)空變異特征

各土壤功能得分的空間插值分析結(jié)果(圖4)顯示,在作物生產(chǎn)功能得分方面,1984—2011年間中部區(qū)域生產(chǎn)功能低下(<0.30)的土地面積逐漸消失(圖4a～b),西部條帶狀和東部小范圍區(qū)域面積內(nèi)土地的作物生產(chǎn)功能逐步提高(圖4b～c),27年間作物生產(chǎn)功能反映在空間插值變化上的提升效果較為明顯。

圖4 各土壤功能得分的時(shí)空變化特征Fig.4 Temporal and spatial variation characteristics of soil function scores

在碳固存功能得分方面,27年間封丘縣土壤碳固存能力整體表現(xiàn)較弱,碳固存功能低下(<0.3)的區(qū)域由封丘縣中部延伸至北部區(qū)域(圖4d～f),1984—2003年期間西北部和東部零星小面積圖斑的碳固存得分達(dá)到較高水平(0.50～0.60),然而到2011年這部分圖斑消失,碳固存功能得分降低至0.40～0.50。

在持水凈化功能得分方面,封丘縣整體呈現(xiàn)出中部低分區(qū)域消失(圖4g～h)、西部和東部較高得分區(qū)域面積減少的時(shí)空動(dòng)態(tài)分布特征(圖4h～i),1984—2003年期間,中部得分<0.30的區(qū)域消失,西部持水功能較強(qiáng)的區(qū)域土壤有所退化。2003—2011年期間,封丘縣持水能力的時(shí)空變化差異性不大,2011年封丘縣西北部出現(xiàn)小面積持水能力良好(>0.70)區(qū)域(圖4i)。

在養(yǎng)分運(yùn)移功能得分方面,3期空間插值結(jié)果表明縣域內(nèi)養(yǎng)分運(yùn)移時(shí)空變化整體呈現(xiàn)出1984年期間全縣域范圍內(nèi)土壤養(yǎng)分運(yùn)移能力均較弱(圖4j)。2003年期間,低分圖斑由中部擴(kuò)散,得分緩慢增加,至2011年呈現(xiàn)出中部圖斑得分進(jìn)一步提高、西北部出現(xiàn)零星高得分區(qū)域、東部出現(xiàn)部分區(qū)域功能退化的兩級(jí)變化趨勢(shì)(圖4j～l)。

2.4 封丘縣土壤質(zhì)量綜合指數(shù)的時(shí)空演變特征

利用式(6)對(duì)試驗(yàn)區(qū)各采樣點(diǎn)土壤功能得分進(jìn)行累加,得到土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(SQI),空間插值結(jié)果見圖5。

圖5 土壤質(zhì)量綜合指數(shù)的時(shí)空變化特征Fig.5 Temporal and spatial variation characteristics of soil quality composite index

圖5顯示,27年間封丘縣SQI值整體呈逐步提升趨勢(shì),其中1984年呈現(xiàn)出縣中心和東部部分區(qū)域SQI值<0.5、SQI值沿中心區(qū)域呈環(huán)狀擴(kuò)散并逐漸增高(>0.5～2.0)的空間分布趨勢(shì);2003年SQI值<0.5的區(qū)域消失,全縣SQI值整體趨于>1.0～2.0,封丘縣西北部和東部零星圖斑SQI值提高到>2.0～2.5的中等偏上得分區(qū)間;2011年封丘縣西部和東部SQI值在>2.0～2.5區(qū)間內(nèi)的圖斑面積較2003年有明顯提升,北部和中部SQI值在>1.0～1.5區(qū)間內(nèi)的圖斑面積較2003年也有明顯減少,27年間封丘縣SQI在各項(xiàng)土壤功能得分累加基礎(chǔ)上有明顯提升。

重分類結(jié)果(表4)顯示,SQI值在0～1.0區(qū)間的土地面積在1984—2003年期間為0,SQI值在>1.0～1.5區(qū)間的土地面積占比由1984年的35.93%消減至2011年的24.56%,在>1.5～2.0區(qū)間的土地面積則由1984年的24.84%增加到2011年的51.32%。>2.0～2.5區(qū)間的土地面積在2011年上升至最大,占區(qū)域總面積的23.94%。27年間封丘縣約25%的土壤質(zhì)量提升至良好狀態(tài)。

表4 土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(SQI)的區(qū)間面積占比Table 4 The proportion of interval area of soil quality composite index

3 討論

3.1 土壤功能評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

筆者研究針對(duì)黃淮海平原典型潮土區(qū)域土壤狀況,參考楊穎等[7]和德國(guó)Müncheberg評(píng)價(jià)系統(tǒng)[8],從土壤功能角度出發(fā),基于作物生產(chǎn)、碳固存、持水凈化和養(yǎng)分運(yùn)移4類土壤功能,構(gòu)建了土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng),結(jié)合各土壤功能綜合得分的累加,得到研究區(qū)SQI。馬瑞明等[23]基于土壤功能的質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)1年的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià),缺少時(shí)間尺度的質(zhì)量變化分析;梁思源等[24]基于土壤功能構(gòu)建的質(zhì)量評(píng)價(jià)體系相對(duì)筆者研究中的功能構(gòu)建體系更具體,但由于功能和評(píng)價(jià)指標(biāo)繁多,評(píng)價(jià)過程繁瑣,導(dǎo)致應(yīng)用性欠佳。毛偉等[25]對(duì)揚(yáng)州市土壤狀況進(jìn)行近30年綜合評(píng)價(jià),但參與評(píng)價(jià)的指標(biāo)僅能反映該區(qū)域土壤肥力變化,無(wú)法代表土壤綜合質(zhì)量。筆者在優(yōu)化前人的評(píng)價(jià)體系后,對(duì)比分析了1984、2003和2011年土壤質(zhì)量變化,可以較合理地分析區(qū)域土壤綜合質(zhì)量隨時(shí)間和空間的變化趨勢(shì)。

筆者研究采用主成分分析結(jié)合TOPSIS的數(shù)學(xué)方法計(jì)算土壤功能得分及土壤綜合質(zhì)量,由于主成分分析是基于變量系統(tǒng)降維的權(quán)重計(jì)算方法,缺少對(duì)指標(biāo)值的經(jīng)驗(yàn)判斷過程,可能會(huì)導(dǎo)致部分指標(biāo)權(quán)重不合理[20]。同時(shí),黃淮海平原土壤種類繁多,地域差異性較大,雖然4項(xiàng)土壤功能得分的累加計(jì)算可以近似代表土壤質(zhì)量,但該評(píng)價(jià)系統(tǒng)目前僅以典型潮土分布的封丘縣作為研究區(qū)域,因此需要進(jìn)一步對(duì)黃淮海平原不同類型農(nóng)耕土壤區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證,以探索該評(píng)價(jià)系統(tǒng)的廣泛適用性并加以完善。

3.2 封丘縣土壤指標(biāo)時(shí)空變化

土壤指標(biāo)的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化受到自然和人為因素的影響,對(duì)封丘縣1984—2011年的研究結(jié)果表明,在屬性指標(biāo)中,砂粒、粉粒和黏粒含量及粉黏比在27年間整體無(wú)較明顯變化,土壤質(zhì)地主要受地域成土母質(zhì)及自然成土過程中的時(shí)間驅(qū)動(dòng)[26],短期的人為影響不易造成土壤質(zhì)地發(fā)生較大改變。

在化學(xué)指標(biāo)中,27年間土壤全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量及CEC均有所增加,合理碳氮比投入下的秸稈還田處理可以有效提高耕層土壤養(yǎng)分含量。自1984年以來,隨著中低產(chǎn)田綜合開發(fā)的進(jìn)行,化肥、農(nóng)藥和優(yōu)良品種的應(yīng)用,封丘縣糧食產(chǎn)量持續(xù)增加,以根系形式還田的有機(jī)物質(zhì)也在增加,近些年更是開始全面實(shí)行秸稈還田[27],是促成土壤有機(jī)質(zhì)含量逐年提升的主要原因。2003年后,化肥與有機(jī)肥的混合配施模式逐步取代傳統(tǒng)的單施化肥模式[28],促進(jìn)了各類營(yíng)養(yǎng)元素在土壤的儲(chǔ)存和累積,再加上生物作用下土壤結(jié)構(gòu)的改良,土壤肥力不斷提升。北方大多是富鉀型土壤,一般不太重視鉀肥投入,一年兩熟制下隨作物秸稈帶走的鉀量遠(yuǎn)高于施入量,土壤鉀素庫(kù)每季都處于消耗狀態(tài),這應(yīng)是造成2003年前土壤速效鉀含量下降的主要原因。2003年后,秸稈還田開始大面積實(shí)施,秸稈中大量鉀素返回農(nóng)田,土壤鉀素的減少趨勢(shì)很快得到扭轉(zhuǎn),開始呈增加趨勢(shì)。在20世紀(jì)80年代,封丘縣土壤鹽漬化問題仍比較嚴(yán)重,土壤pH值整體較高,隨著以“井灌井排”為核心的綜合治理模式的全面推行,土壤鹽漬化問題得以解決,土壤pH值整體降低[29]。此外,27年間化肥的大量應(yīng)用也是造成土壤pH值下降的重要原因之一,但封丘縣土壤碳酸鈣含量較高,具有一定的酸堿緩沖能力,所以土壤pH值下降并不是特別明顯。

在物理指標(biāo)中,封丘縣耕層土壤容重、田間持水量和有效含水量27年間整體降低;飽和導(dǎo)水率和土壤孔隙度則有所提升。研究[30]表明,秸稈還田可能會(huì)降低土壤容重,提高飽和導(dǎo)水率,但同時(shí)會(huì)降低土壤持水能力[31],筆者研究結(jié)論與之相同。一般而言,隨著土壤容重的增大,土壤結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出大孔隙相應(yīng)減少、小孔隙逐漸增加的規(guī)律特征,且小的孔隙結(jié)構(gòu)有利于土壤保水保墑。伴隨封丘縣土壤容重的降低,土壤結(jié)構(gòu)中大孔隙逐漸增多,土壤的導(dǎo)水滲透能力逐漸增強(qiáng),這是導(dǎo)致該區(qū)域土壤持水能力降低的主要影響因素之一。另一方面,伴隨著黃淮海平原農(nóng)機(jī)化率的不斷提升,農(nóng)機(jī)翻收一體化作業(yè)取代了傳統(tǒng)的人工翻耕,不同區(qū)域農(nóng)機(jī)的投入頻次不同,土壤抗壓實(shí)能力不同,致使有效含水率和飽和導(dǎo)水率變異系數(shù)在2003—2011年期間明顯增大。

3.3 封丘縣土壤綜合質(zhì)量時(shí)空變化

1984—2011年間,封丘縣土壤的作物生產(chǎn)功能、碳固存功能和養(yǎng)分運(yùn)移功能均有所提升,持水凈化功能略微降低。其中,作物生產(chǎn)、碳固存和養(yǎng)分運(yùn)移功能整體提升9.29%、9.68%和7.36%,這3項(xiàng)功能的提升受封丘縣自1984年以來化肥和有機(jī)肥投入、秸稈等有機(jī)物料還田增加,以及土地利用和農(nóng)田管理方式改變的影響[32]。封丘縣由于受地理因素影響,河流沉積物形成的潮土中砂粒含量高,養(yǎng)分固持能力較弱[33],生物化學(xué)活性不強(qiáng),土壤的保水保墑能力也相對(duì)較差[34],極大地限制了該區(qū)域水分凈化功能的提升。

1984—2011年間,伴隨著各土壤功能得分的有效提升,封丘縣土壤綜合質(zhì)量提升效果明顯。伴隨著耕作技術(shù)的優(yōu)化和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)措施的改進(jìn),土壤參與各項(xiàng)復(fù)雜人為和自然生態(tài)系統(tǒng)過程的綜合能力得到提升[32],因此,科學(xué)地投入物料,使現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)參與平衡與協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分元素含量,并改善土壤結(jié)構(gòu)特征,均有助于提升黃淮海平原潮土耕地土壤的綜合質(zhì)量,為土地資源的可持續(xù)利用提供有效保障。

4 結(jié)論

該研究構(gòu)建了封丘縣基于4項(xiàng)土壤功能的土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng),對(duì)27年間封丘縣土壤的作物生產(chǎn)、碳固存、持水凈化和養(yǎng)分運(yùn)移功能及土壤質(zhì)量綜合指數(shù)進(jìn)行時(shí)間和空間尺度上的分析評(píng)價(jià),得出以下結(jié)論:

(1)27年間封丘縣土壤全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量及CEC、飽和導(dǎo)水率、孔隙度均呈現(xiàn)不同程度的提升趨勢(shì);全鉀含量、pH、容重、田間持水量、有效含水量則表現(xiàn)出逐年降低的變化特征;砂粒、粉粒和黏粒含量及粉黏比基本穩(wěn)定。

(2)27年間封丘縣土壤的作物生產(chǎn)功能、碳固存功能和養(yǎng)分運(yùn)移功能均有所提升,增長(zhǎng)率分別為9.29%、9.68%和7.36%,水分凈化功能則降低4.17%。各土壤功能的空間變化結(jié)果顯示,作物生產(chǎn)功能、碳固存功能和持水凈化功能得分<0.30的耕地面積圖斑逐年減少,得分>0.40的耕地面積圖斑逐年增加;養(yǎng)分運(yùn)移功能得分>0.40和<0.30的耕地面積圖斑逐年增加,呈現(xiàn)兩級(jí)分化的趨勢(shì)。

(3)封丘縣土壤綜合質(zhì)量有較為明顯的提升,其中,1984年全縣耕地均處于≤2.0的低指數(shù)區(qū)間,2003年綜合指數(shù)>2.0的耕地面積占全縣面積的8.44%,2011年該面積占比提升至24.05%。