土地利用方式變化對(duì)吳江市耕地土壤環(huán)境質(zhì)量的影響

1、土地利用方式變化對(duì)吳江市耕地土壤環(huán)境質(zhì)量的影響侯鵬程（上海農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海松江：201600）摘 要: 土地利用方式的不同影響著土壤環(huán)境質(zhì)量的變化。本文采用了2003年江蘇省吳江市耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)中資料, 分析了六種不同土地利用方式下的土壤養(yǎng)分及Pb, Cr, Hg, As, Cd等5個(gè)重金屬元素全量的變化, 并采用土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(SQI)法計(jì)算不同利用下的土壤環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。關(guān)鍵詞：土地利用方式；土壤質(zhì)量；土壤養(yǎng)分；土壤重金屬當(dāng)前，土地利用方式對(duì)土壤質(zhì)量及其生態(tài)環(huán)境功能的影響成為地球表層系統(tǒng)界面過程及其環(huán)境效應(yīng)研究的熱點(diǎn)。合理的土地利用可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高周圍空氣和水的質(zhì)量，增強(qiáng)土壤對(duì)外

2、界環(huán)境變化的抵抗力，不合理的土地利用會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，增加土壤侵蝕、降低生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和土地生產(chǎn)力等1。本文利用2003年進(jìn)行的吳江市耕地調(diào)查的資料，對(duì)該市稻田、旱地、苗木地、桑園、果園和菜地等不同利用下共300多個(gè)表土樣品的土壤養(yǎng)分性質(zhì)（pH、有機(jī)碳、全氮、有效磷和速效鉀）和重金屬（Pb、Cd、Hg、As和Cr）全量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并利用土壤質(zhì)量的綜合指數(shù)評(píng)價(jià)不同土地利用對(duì)土壤質(zhì)量的影響。1 資料和方法1.1 研究區(qū)概況吳江市土壤大部分屬沼澤土起源，地勢(shì)低平，自東北向西南緩慢傾斜，南北高差2.0米左右。田面海拔高程一般3.24.0米。因受不同水系的影響，形成以壤質(zhì)為主，砂壤、

3、粘質(zhì)為輔，壤、砂、粘交叉沉積、混合淀積和間隔出現(xiàn)的母質(zhì)組合，土壤以壤粘土質(zhì)的黃泥土和粘土質(zhì)的青紫泥為主。歷史上本區(qū)是江蘇重要的水稻生產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)量高且穩(wěn)定。在江蘇上世紀(jì)70年代以來，工業(yè)的快速發(fā)展和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，土地利用發(fā)生了顯著的變化（表1）。表1 近20年來吳江市土地利用類型面積變化表Table 1 The area variety of different land use in recent twenty years in WuJing土地利用類型農(nóng)田土壤面積/hm2 1982年2003年稻田63691.5018293.33林地(花卉苗木地) 212.655340.00果園 /700

4、.00桑園 4560.454106.67菜地(商品菜地) /1946.67旱地 4292.82700.00總計(jì) 72757.4131086.671.2 資料來源所采用的資料來自農(nóng)業(yè)部全國耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)計(jì)劃中對(duì)吳江市耕地土壤質(zhì)量調(diào)查。該次調(diào)查按全國耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)規(guī)范于2003年秋作物收割后進(jìn)行，在1980年吳江縣全國第二次土壤普查的主剖面點(diǎn)位基礎(chǔ)上，進(jìn)行全市隨機(jī)的耕層土壤（015cm）抽樣調(diào)查。其中，蔬菜地66 hm2取土樣1個(gè)，稻田133 hm2取土樣1個(gè)，林地（含花卉苗木地）、果園、桑園66 hm2取土樣1個(gè)。本次調(diào)查共采得稻田土壤樣品110個(gè)、菜地土壤樣品15個(gè)，桑園土壤樣品26個(gè)，果園土壤樣

5、品10個(gè)，林地土壤樣品33個(gè)以及旱地土壤樣品84個(gè)。采樣兼顧在全市的空間代表性，隨機(jī)選取田塊地點(diǎn)，用GPS進(jìn)行定位，建立編號(hào)。在所確定田塊采用“X”法隨機(jī)五點(diǎn)取樣均勻混合后取部分成為混合樣。1.3 土壤性質(zhì)的測(cè)定分析 對(duì)土壤的基本性質(zhì)分析均按魯如坤推薦的方法2進(jìn)行，具體方法如下：1.3.1土壤養(yǎng)分(1)土壤有機(jī)碳：高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法；(2)土壤全氮：半微量開氏法；(3)有效磷：碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法；(4)速效鉀：乙酸銨提取-火焰光度法 ；(5)pH值：水:土比1:2.5，電位計(jì)法。1.3.2土壤重金屬全量的分析方法如下：(1)土壤總鉛和總鉻：火焰原子吸收光譜法（GB/T171

6、371997）；(2)土壤總鎘：石墨爐原子吸收光譜法（GB/T171411997）；(3)土壤總汞：冷原子吸收法（GB/T171361997）。(4)土壤總砷：二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法（GB/T171341997）所有測(cè)定在江蘇省張家港市土肥站化驗(yàn)室（通過省級(jí)技術(shù)認(rèn)證）進(jìn)行，于2004年8月前完成。1.4 統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 12.0 軟件進(jìn)行平均值、標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)及T-TEST統(tǒng)計(jì)分析，顯著性差異水平取(p0.05)。1.5 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)采用了土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(SQI)計(jì)算不同利用下的土壤環(huán)境質(zhì)量3。土壤質(zhì)量綜合指數(shù)是土壤各指標(biāo)因子的綜合和集成。由于土壤因子變化具有連續(xù)性質(zhì),故各評(píng)價(jià)指

7、標(biāo)采用連續(xù)性質(zhì)的隸屬度函數(shù)，并從主成分因子負(fù)荷量值的正負(fù)性，確定隸屬度函數(shù)分布的升降性。通過隸屬度函數(shù)求出各指標(biāo)的隸屬度，其中養(yǎng)分指標(biāo)屬于一種S型的隸屬關(guān)系，其隸屬度函數(shù)為： 1.0 x2x f (x)= 0.9(x-x1)/(x2-x1)+0.1 x1xx2 0.1 xx1pH屬于拋物線型隸屬度函數(shù)，相應(yīng)的隸屬度函數(shù)為： 0.9(x-x3)/(x4-x3) +0.1 x3x x4f (x) = 1.0 x2xx30.9(x-x1)/(x2-x1) +0.1 x1xx20.1 xx1或xx4參考中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NYT391-2000）以及前人研究結(jié)果4，根據(jù)沈漢1990年劃分的土壤

8、評(píng)價(jià)指標(biāo)中拐點(diǎn)的選擇8，結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥李愋臀覀兇_定了曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(表1、2）：表1 s型隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)Table 1 Values of turning point in S-type membership function利用方式水田旱地林地轉(zhuǎn)折點(diǎn)X1X2X1X2X1X2有機(jī)質(zhì)153010201050全氮0.751.50.51.20.51.2速效磷2.5105102.510速效鉀401005010050100表2 拋物線型函數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)值Table 2 Values of turning point in parabola-type membership functionpH轉(zhuǎn)折點(diǎn)X1X2X3X

9、4利用方式水田4.55.56.58.5旱地4.56.58.08.5林地4.56.57.58.5某重金屬對(duì)二級(jí)土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量的隸屬度函數(shù)10： 0 xa或 xc f (x)= (x-a)/(b-a) axb (c-x)/(c-b) bxc再利用SPSS求出各因子的權(quán)重（表3）如下：表3 土壤肥力質(zhì)量各指標(biāo)權(quán)重Table 3 Weight of evaluated factors of soil quality in Wujiang County指標(biāo)pH有機(jī)質(zhì)全氮有效磷速效鉀權(quán)重0.100.110.130.110.10指標(biāo)總鎘總鉛總鉻總砷總汞權(quán)重0.090.090.090.080.10土壤質(zhì)量

10、的綜合指標(biāo)值的計(jì)算公式為: SQI= (=1)式中Wi為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，Ii為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量的隸屬度。2 結(jié)果與分析2.1 土壤質(zhì)量指標(biāo)的總體變異對(duì)本次耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)的養(yǎng)分指標(biāo)和重金屬全量的所有測(cè)定數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表4?？梢?，這些指標(biāo)的變異幅度迥異。變幅最大的是有效磷，達(dá)80%以上，其次是重金屬元素Cd、Pb和Hg，達(dá)30%50%， 變異程度中等的是碳、氮和重金屬鉻、砷，最小的是土壤pH，變異系數(shù)僅達(dá)10%左右，因而土壤pH基本上受成土過程控制。看來，土壤中有效磷素在不同利用和人類干擾下最易變化，重金屬元素的較大變異與污染有關(guān)。表4 2003年吳江市耕地監(jiān)測(cè)肥力與環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)Tab

11、le 4 Statistics of cropland fertility survey data of Wujiang city in 2003項(xiàng)目pH/g·kg-1SOC/g·kg-1全氮/g·kg-1有效/g·kg-1速效鉀/g·kg-1全鎘/mg·kg-1全鉛/mg·kg-1全鉻/mg·kg-1全砷/mg·kg-1全汞/mg·kg-1最小值4.03.650.590.60440.01112.7015.94.560.055最大值7.424.772.5171.402020.216138.409

12、4.017.640.644平均值5.515.581.4917.931000.07336.9660.79.830.230標(biāo)準(zhǔn)差0.63.860.3815.04320.03512.4013.42.630.1002.2 不同利用下土壤pH和養(yǎng)分的變異比較將不同利用下土壤的基本養(yǎng)分性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)比較列于表5。可以表明，不同利用下土壤的pH和養(yǎng)分含量發(fā)生了廣泛的變異。從表5可見，稻田的平均pH最高，顯著地高于除桑園外的非灌溉土壤，而果園土壤酸化明顯，pH多在5.0以下。這是稻田經(jīng)常處于還原狀態(tài)下，有利于土壤的酸堿緩沖。因此，水稻土抵抗酸化的能力較強(qiáng)。土壤有機(jī)碳也以水稻土為最高，與其他利用下土壤都存在極顯著差

13、異。表5 不同利用下土壤基本養(yǎng)分性質(zhì)的變異比較Table 5 Variation of soil nutrient under different land use稻田旱地林地果園桑園菜地pH5.61±0.32a5.43±0.49b5.47±0.28b4.99±0.03c5.60±1.00ab5.32±0.18bSOC/ (g·kg-1)16.94±3.13a14.68±4.04b14.63±4.00b13.10±4.44b15.5±4.37b14.9±3.20b全

14、氮/ (g·kg-1)1.17±0.29b1.34±0.36a1.29±0.31a1.31±0.43a1.40±0.42a1.35±0.27a有效磷/ (g·kg-1)9.59±6.71d23.3±16.5b15.7±12.8c19.3±14bc26.9±12.5b37.3±20.9a速效鉀/ (g·kg-1)80.57±20.52c112.77±32.39bc113.30±33.68bc122.31±33

15、.49a114.25±0.42bc103.13±32.01b同行小寫字母表示不同利用下差異顯著性(p0.05)，下同。土壤有效磷是最易移動(dòng)的磷，最近有許多報(bào)告表明，農(nóng)田土壤中高含量的有效磷對(duì)于水系富營養(yǎng)化有重要影響5,6。本次監(jiān)測(cè)結(jié)果卻表明，盡管水稻土中的磷被常常認(rèn)為是磷面源污染的來源，但稻田土壤有效磷顯著低于其他利用方式下，而桑園和菜地的有效磷最為豐富，最高達(dá)到70mg/kg。以上由該市桑園和菜地的面積已占全市耕地的20%。因此，在控制平原地區(qū)磷的面源污染上，控制菜地、桑園和其他旱地土壤磷的輸出可能更為迫切。六種土地利用方式下稻田鉀的含量顯著低于其余五種利用方式，可見其他

16、五種利用方式下肥料的施用量是很高的。2.3不同利用下土壤重金屬含量的變異土壤重金屬含量是土壤環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)。不同利用下土壤重金屬Pb, Cd, Hg, As, Cr的含量的差異結(jié)果列于表6。不同利用下土壤重金屬元素的全量存在明顯的差異前述的重金屬全量的頻率分布顯示，Pb、Cd和As的變異程度明顯較大，可能在部分土壤中出現(xiàn)外源污染。這里的結(jié)果表明，在不同利用中，菜地的Pb、Cd和As的全量變異比其他利用下明顯較大，說明菜地土壤樣品出現(xiàn)污染的情況可能較多。其次是桑園的Pb和As，果園的Cr的變異也較明顯，這些利用下的土壤重金屬污染情況也較多。表6 不同利用下土壤重金屬全量(mg·kg

17、-1)Table 6 Total content of heavy metal under different land use稻田桑園菜地旱地果園林地Pb35.1±11.56a40.5±10.97c36.51±15.09ac37.68±12.58a27.97±8.06b38.76±12.67aCd0.06±0.02a0.08±0.04b0.09±0.04b0.08±0.04b0.07±0.02b0.08±0.04bHg0.24±0.09ab0.26±0.

18、09b0.20±0.08c0.23±0.10a0.17±0.08c0.23±0.12abAs10.76±2.66b8.43±2.4c9.28±2.62ac9.28±2.5a9.53±1.87ab9.85±2.6aCr65.18±10.89a55.53±13.8c56.33±14.9c59.29±13.66ab60.95±19.93a62.72±9.74b就不同元素而言，Pb以桑園土壤較高于稻田、旱地和苗木林地，而果園土壤含量最低。土壤C

19、d含量總體上很低，但仍以稻田中最低，其他土壤中不存在顯著差異。Hg含量以果園和菜地土壤中最低，而桑園中較高。As是稻田較高，桑園和菜地土壤中較低；Cr是桑園和菜地中顯著較低，而稻田中較高。這種差異一方面可能與不同利用下土壤化學(xué)有效性和環(huán)境遷移條件的差異有關(guān)，例如果園、桑園和菜地土壤酸性總體較強(qiáng)，有利于溶解態(tài)重金屬的淋溶；而稻田經(jīng)常處于還原狀態(tài)，As的移動(dòng)性不如旱地氧化條件下高；另一方面，也與不同利用下施肥和灌溉的實(shí)踐的差異有關(guān)。菜地和桑園長期使用大量磷肥，可能是土壤中較高的Cd的原因，而果園土壤中重金屬全量一般較低，則可能與果樹樹冠截獲外界污染物以及樹木對(duì)表土元素的長期吸收而積累于體內(nèi)有關(guān)?？?/p>

20、來，近20多年來的土地利用變異對(duì)該市土壤環(huán)境質(zhì)量已產(chǎn)生了顯著的影響。2.4 不同利用下土壤環(huán)境質(zhì)量探索性綜合評(píng)價(jià)考慮到當(dāng)前土壤環(huán)境質(zhì)量中主要的問題是控制土壤酸化和重金屬的移動(dòng)，促進(jìn)土壤固碳和減少環(huán)境磷釋放，我們將本次耕地監(jiān)測(cè)的養(yǎng)分進(jìn)行歸一化的處理，探索不同利用下土壤環(huán)境質(zhì)量的變異。利用前面的土壤養(yǎng)分綜合指數(shù)SQI公式計(jì)算得到2003年六種不同利用方式下土壤環(huán)境質(zhì)量如圖2，可見在六種土地利用方式中稻田的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)顯著高于其他五種土地利用方式，而在旱地、菜地、林地、果園、桑園其余五種差異不明顯?？傮w而言，稻田環(huán)境質(zhì)量仍處于最優(yōu)。圖2 六種土地利用方式下平均土壤質(zhì)量綜合指數(shù)Fig.2 The

21、mean SQI value of soils under the six types of land uses3 結(jié)論（1）吳江市土壤基本上屬微酸性土壤，部分土壤已經(jīng)屬于強(qiáng)酸性土壤，可見太湖地區(qū)普遍存在的酸化趨勢(shì)。在稻田、林地、桑園、菜地、果園、旱地六種吳江常見的土地利用方式下，土壤有效磷顯著低于其他利用方式中?？梢娫诳刂铺貐^(qū)磷的面源污染上，控制菜地、桑園和其他旱地土壤磷的輸出可能更為迫切。（2）最近20多年吳江市土地利用方式發(fā)生了強(qiáng)烈的變化，這種變化深刻地影響了土壤性狀及環(huán)境質(zhì)量。在六種土地利用方式中，稻田的土壤環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)顯著高于其他利用下，可見稻田作為一種太湖地區(qū)傳統(tǒng)的利用方式，仍是保持最佳土壤環(huán)境質(zhì)量的土地利用選擇。參考文獻(xiàn)：1李新宇,唐海萍,趙云龍,等.懷來盆地不同土地利用方式對(duì)土壤質(zhì)量的影響分析J.水土保持學(xué)報(bào).2004.19(6): 103-107.2孫波,張?zhí)伊?趙其國.我國東南丘陵山區(qū)土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)J.土壤學(xué)報(bào),1995,32(4):362-369.3沈漢. 土壤評(píng)價(jià)中參評(píng)因素的選定與分級(jí)指標(biāo)的劃分J.華北農(nóng)學(xué)報(bào),1990,5(3):63-69.4朱青,周生路,孫兆金,等.兩種模糊數(shù)學(xué)模型在土壤重金屬綜合污染評(píng)價(jià)中的應(yīng)用與比較J.環(huán)境保護(hù)科學(xué),