蘇州市城市邊緣帶土壤肥力演變特征及演變趨勢(shì)

蘇州市城市邊緣帶土壤肥力演變特征及演變趨勢(shì)

隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，城市邊緣區(qū)土壤資源的分布空間日益縮小，土地利用方式和土壤功能日益多樣，土壤異質(zhì)性和土壤質(zhì)量的變化變得越來(lái)越強(qiáng)烈。在此背景下,需要大量的土壤屬性及其時(shí)空演變信息以滿(mǎn)足城市邊緣帶土壤資源保護(hù)、合理配置與高效利用的現(xiàn)實(shí)需要,以實(shí)現(xiàn)城市化、工業(yè)化與區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略。另一方面,隨著城郊型集約農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及設(shè)施農(nóng)業(yè)的蓬勃發(fā)展,土壤變異特別是土壤質(zhì)量時(shí)空變異信息的獲取正發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,適時(shí)、準(zhǔn)確的土壤質(zhì)量信息不僅是確定土宜、進(jìn)而決定土壤資源利用方式的必要前提,同時(shí)也是精準(zhǔn)土壤養(yǎng)分管理和高效施肥實(shí)踐的基礎(chǔ)。蘇州市位于長(zhǎng)江三角洲中部,江蘇省南部,屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)海洋性氣候、降水豐沛、地形平坦、土壤肥沃,農(nóng)耕歷史悠久,過(guò)去一直是重要的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)和著名的魚(yú)米之鄉(xiāng)。經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放20多年以來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,蘇州市目前已經(jīng)成為長(zhǎng)江三角洲地區(qū)城市擴(kuò)張速度最快的地區(qū)之一。城市化率由1999年的35.3%提高到2002年的48.1%,年均增長(zhǎng)率約為4%。隨城市化、工業(yè)化進(jìn)程的不斷深入,農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐不斷加快,城市邊緣帶土地利用格局變化劇烈、農(nóng)業(yè)集約化程度不斷提高、土壤資源利用與農(nóng)業(yè)物質(zhì)投入強(qiáng)度日益加大。受此影響,土壤肥力質(zhì)量演變速率加快,空間分異程度加大。本研究以蘇州市城市邊緣帶土壤肥力質(zhì)量為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)11個(gè)樣區(qū)不同利用方式下的土壤進(jìn)行系統(tǒng)的采樣分析,利用數(shù)值化綜合評(píng)價(jià)方法建立土壤肥力綜合指標(biāo),通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析以及ArcGIS9.0分析軟件,揭示蘇州市城市邊緣帶不同土壤類(lèi)型土壤綜合肥力空間變異特征,動(dòng)態(tài)演變規(guī)律以及綜合肥力等值線圖,以期為蘇州市都市農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略中土壤資源利用格局的規(guī)劃和調(diào)整、土壤資源的優(yōu)化配置和集約利用、土壤資源保護(hù)和土壤質(zhì)量調(diào)控提供決策依據(jù)。1研究區(qū)概況及土壤類(lèi)型1.1研究區(qū)概況蘇州市位于北緯30°47′~32°02′、東經(jīng)119°55′~121°20′之間,全市總面積8488km2。該市自1983年地市合并,實(shí)行市管縣體制,2001年吳縣市拆分為吳中、相城兩個(gè)區(qū)。現(xiàn)轄滄浪區(qū)、平江區(qū)、金閶區(qū)、吳中區(qū)、相城區(qū)、虎丘區(qū)、蘇州新加坡工業(yè)園區(qū)、高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)8個(gè)區(qū)和常熟市、張家港市、太倉(cāng)市、昆山市、吳江市5個(gè)縣級(jí)市。本文研究區(qū)為不包括5個(gè)縣級(jí)市在內(nèi)的蘇州市區(qū),行政面積1650km2。截止2003年,研究區(qū)城鎮(zhèn)建成區(qū)總面積達(dá)到263km2,與1984年相比面積擴(kuò)大2.6倍,年均擴(kuò)張面積4.40km2。蘇州市城市邊緣帶為典型的農(nóng)業(yè)-工業(yè)混合型城市邊緣帶,土地利用結(jié)構(gòu)復(fù)雜,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)主要以水稻與小麥、油菜輪作以及果蔬、花木種植為主。研究區(qū)內(nèi)分布的土壤類(lèi)型多樣,以粘壤質(zhì)普通簡(jiǎn)育水耕人為土和粉砂粘壤質(zhì)普通簡(jiǎn)育水耕人為土分布面積最廣。由于農(nóng)耕歷史悠久,本區(qū)土壤發(fā)生學(xué)特性與肥力特征普遍反映出較為強(qiáng)烈的人為活動(dòng)影響。1.2樣區(qū)設(shè)置及設(shè)置根據(jù)1∶10萬(wàn)蘇州市地形圖、1∶20萬(wàn)蘇州市土壤圖和基于SPOT衛(wèi)星遙感影像(2003年10月)解譯的土地利用現(xiàn)狀圖,在系統(tǒng)考慮土壤分布、發(fā)生類(lèi)型、人為活動(dòng)歷史、利用現(xiàn)狀以及與城鎮(zhèn)建成區(qū)距離等時(shí)空因素的基礎(chǔ)上,綜合分析野外調(diào)查信息和第二次土壤普查資料,在蘇州市城市邊緣帶內(nèi)的吳中區(qū)、相城區(qū)、虎丘區(qū)、蘇州新加坡工業(yè)園區(qū)、高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)共設(shè)置11個(gè)面積不等的典型樣區(qū)(圖1),樣區(qū)基本覆蓋了蘇州市城市邊緣帶有代表的土壤與土地利用類(lèi)型。2土壤樣品及樣點(diǎn)設(shè)置2.1樣品采集與處理11個(gè)樣區(qū)分別采集土壤樣品,采用等距格網(wǎng)(200m×200m)法布設(shè)樣點(diǎn)。11個(gè)樣區(qū)共采集土壤表層(0~20cm)5m對(duì)角線混合樣品201個(gè)。另設(shè)置典型土壤標(biāo)準(zhǔn)剖面20個(gè),剖面樣品分層采集。樣點(diǎn)GPS定位并標(biāo)識(shí)于GIS環(huán)境下的研究區(qū)綜合信息圖,樣點(diǎn)所在地土壤類(lèi)型、利用現(xiàn)狀、耕作歷史、物質(zhì)投入等相關(guān)信息錄入樣區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)。土壤樣品自然風(fēng)干后研磨,棄除土壤侵入物,研磨分別過(guò)10目、60目、100目篩,用于不同項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試分析。2.2全氮、堿解氮測(cè)定土壤pH采用電位法,有機(jī)質(zhì)采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法,陽(yáng)離子交換量(CEC)采用醋酸銨-EDTA交換法,全氮采用半微量開(kāi)氏定氮法,全磷采用氫氟酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法,全鉀采用氫氟酸-高氯酸消煮-火焰光度法,堿解氮采用堿解擴(kuò)散法分析測(cè)定。速效磷采用鹽酸-氟化銨法,速效鉀采用乙酸銨提取法,具體規(guī)范見(jiàn)《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》。2.3x4xx值的測(cè)算本研究的土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)采用駱伯勝等人介紹的數(shù)值化綜合評(píng)價(jià)方法。首先對(duì)選定的肥力質(zhì)量指標(biāo)土壤表層pH值、有機(jī)質(zhì)、全NPK、速效NPK進(jìn)行無(wú)量綱化數(shù)值處理,即根據(jù)作物的響應(yīng)效應(yīng)曲線建立各肥力要素相應(yīng)的隸屬函數(shù),計(jì)算其隸屬度以表征各肥力要素的狀態(tài)值。相應(yīng)的隸屬度函數(shù)為:f(x)={1.0x≥x20.9(x-x1)/(x2-x1)+0.1x1≤x＜x20.1x＜x1(1)f(x)=?????1.0x≥x20.9(x?x1)/(x2?x1)+0.1x1≤x＜x20.1x＜x1(1)上式中f(x)取值區(qū)間為[0.1,1.0],最大值1.0表示要素x處于最好的肥力狀態(tài),最小值0.1則表示肥力狀況最差。f(x)最小值非零化取值一是為了計(jì)算方便,二是符合各要素發(fā)揮肥力效應(yīng)的客觀情況。根據(jù)駱伯勝等的研究,確定曲線中轉(zhuǎn)折點(diǎn)的相應(yīng)取值如表1所示。由于各肥力要素對(duì)土壤整體肥力質(zhì)量的貢獻(xiàn)率不同,因此在對(duì)土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)確定各肥力要素的權(quán)重系數(shù)至關(guān)重要。為準(zhǔn)確反映各肥力要素之間的交互作用與相互影響,單項(xiàng)肥力要素的權(quán)重系數(shù)由其要素之間的偏相關(guān)系數(shù)來(lái)確定。本研究應(yīng)用SPSS11.5軟件的偏相關(guān)分析功能,求得各肥力要素與其它要素偏相關(guān)系數(shù)的平均值,該平均值占所有肥力要素偏相關(guān)系數(shù)平均值之和的百分率即為該要素對(duì)土壤肥力質(zhì)量的貢獻(xiàn)率,由此可以得出各項(xiàng)肥力指標(biāo)的權(quán)重Wi,結(jié)果如表2所示。依據(jù)上述相關(guān)計(jì)算結(jié)果,采用相互交叉的同類(lèi)要素間加法合成法獲得土壤肥力質(zhì)量綜合數(shù)值指數(shù):SFQ=Wi×Ni,Ni=f(x)(2)Wi表示全重,Ni表示隸屬度函數(shù)3土壤性狀與土壤肥力3.1土壤綜合肥力描述性統(tǒng)計(jì)及變異特征分析樣品土壤理化性狀實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)試結(jié)果的描述性統(tǒng)計(jì)分析列于表3。研究區(qū)表層土壤pH平均值5.7,變化范圍4.3~7.6,全區(qū)201個(gè)樣點(diǎn)中,pH低于5.0的18個(gè),而pH低于6.0的142個(gè),占70%以上。樣點(diǎn)間土壤表層pH變異系數(shù)10.3,屬于空間弱變異,研究區(qū)土壤酸性特征明顯。樣區(qū)表層土壤電導(dǎo)率平均值223.8uscm-1,變化范圍55.6~1917.0,變異系數(shù)為95.5%,屬空間強(qiáng)度變異。在土壤電化學(xué)屬性中,電導(dǎo)率常被用于表征土壤鹽離子濃度高低與土壤鹽漬化程度。但由于能有效反映土壤中離子總量,電導(dǎo)率也常被用作表征土壤肥力的一個(gè)綜合性參考指標(biāo)。水耕土壤上的研究表明,土壤肥力質(zhì)量高低與土壤電導(dǎo)率之間具有顯著相關(guān)關(guān)系。本研究的土壤電導(dǎo)率測(cè)定與分析結(jié)果一定程度上反映出蘇州市邊緣帶土壤肥力質(zhì)量較強(qiáng)的空間變異特征。表層土壤養(yǎng)分方面,研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)平均含量32.83gkg-1,明顯高于城市邊緣帶以外地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量總體水平,反映了城郊型、集約型農(nóng)業(yè)條件下物質(zhì)高投入特征。同時(shí),研究區(qū)內(nèi)土壤表層有機(jī)質(zhì)含量變幅極大(4.5~95.4gkg-1),變異系數(shù)高達(dá)33.9%,屬空間強(qiáng)度變異,表明城市邊緣帶土壤資源利用的多樣性及其對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的強(qiáng)烈影響。即使在同一利用方式下的土壤,耕作歷史與利用管理、物質(zhì)投入方面的差異依然導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量存在明顯不同。分析表明,研究區(qū)內(nèi)水田、荒地、園地和菜地等不同利用方式下土壤有機(jī)質(zhì)變異系數(shù)都>20%,均屬于空間強(qiáng)度變異。土壤表層全N平均含量1.87gkg-1,變幅為0.29~4.43gkg-1,其空間分析特征與土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著相關(guān),變異系數(shù)(28.88%)與有機(jī)質(zhì)接近,屬空間強(qiáng)變異。全P平均含量0.77gkg-1,變幅為0.22~5.98gkg-1,變異系數(shù)80.5,表現(xiàn)出空間極強(qiáng)變異特征。局部區(qū)域表層土壤P素聚集現(xiàn)象明顯,反映出外源P(施肥、污染)的強(qiáng)烈影響。表層土壤全鉀平均含量14.65gkg-1,全K變異系數(shù)為15.77%,其空間變異特征明顯弱于全N、全P,主要體現(xiàn)為土壤發(fā)生學(xué)特性上的差異。與全量養(yǎng)分相比,土壤表層速效養(yǎng)分表現(xiàn)出更強(qiáng)的空間變異性,相對(duì)變異和絕對(duì)變異特征均強(qiáng)于全量養(yǎng)分,土壤肥力這一普遍特點(diǎn)在城市邊緣帶地區(qū)表現(xiàn)得更為突出。研究區(qū)表層土壤速效P變異系數(shù)高達(dá)388%,堿解N、速效K的變異系數(shù)也都超過(guò)了35%,反映出城市邊緣帶土壤資源利用的多樣性以及農(nóng)業(yè)人為活動(dòng)對(duì)土壤肥力特征的強(qiáng)烈影響。表層土壤CEC均值為19.9,變異系數(shù)為14.5%,屬于中等空間變異,其分布與pH、全N、堿解N及有機(jī)質(zhì)含量具有密切的空間關(guān)系。3.2土壤全量養(yǎng)分含量的變化基于1986年第二次土壤普查期間獲取的土壤數(shù)據(jù),對(duì)研究區(qū)土壤主要肥力要素進(jìn)行縱向的對(duì)比分析,以揭示蘇州市城市邊緣帶土壤過(guò)去20年來(lái)肥力質(zhì)量動(dòng)態(tài)演變趨勢(shì)(表4)。結(jié)果表明,蘇州城市邊緣帶土壤酸化趨勢(shì)明顯,研究區(qū)表層土壤pH平均值從1986年的6.5大幅下降到目前的5.7,時(shí)間序列上看,土壤pH下降具有明顯的加速跡象。調(diào)查表明,大氣酸沉降以及工業(yè)排污是城市邊緣帶土壤pH降低的主要原因,反映出蘇州地區(qū)快速的城市化、工業(yè)化進(jìn)程以對(duì)土壤環(huán)境的強(qiáng)烈影響。與20世紀(jì)80年代中期相比,研究區(qū)土壤養(yǎng)分總體呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)。其中,土壤表層有機(jī)質(zhì)含量總體水平上升約16.0%,表層土壤全N、全P平均含量上升分別為10.4%和18.8%,CEC上升11.8%,反映出隨著城市邊緣帶的不斷外擴(kuò),土壤利用方式程度提高、物質(zhì)投入強(qiáng)度加大對(duì)土壤養(yǎng)分水平的影響。在土壤全N、P含量明顯上升的同時(shí),研究區(qū)表層土壤全K卻呈現(xiàn)總體下降趨勢(shì),與1986年相比平均下降幅度為8.6%,說(shuō)明研究區(qū)土壤利用方式、利用強(qiáng)度的變化一定程度上加劇了土壤全量養(yǎng)分失衡現(xiàn)象。速效養(yǎng)分方面,表層土壤堿解N含量與1986年相比呈下降趨勢(shì),平均下降幅度9.3%,而速效P與速效K平均含量同期分別上升19.5%與25.8%,表明研究區(qū)以N肥處支配地位的施肥結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化,在土壤全K損耗明顯的情況下,K肥的施用日益受到重視。3.3土壤肥力質(zhì)量以201個(gè)樣點(diǎn)土壤各肥力要素的平均值作為本文公式(1)、(2)的原始輸入?yún)?shù),計(jì)算得出研究區(qū)土壤平均肥力質(zhì)量數(shù)值化指數(shù)為0.80,與基于1986年第二次土壤普查數(shù)據(jù)求算的平均肥力質(zhì)量指數(shù)0.72相比有明顯提高,上升幅度約為10%。這一結(jié)果定量地揭示了蘇州城市邊緣帶土壤20年來(lái)肥力質(zhì)量的演變方向與演變速率。為揭示研究區(qū)不同土壤類(lèi)型的肥力質(zhì)量演變趨勢(shì),選取分布面積較大的10個(gè)主要土屬作為研究對(duì)象,基于1986年和2004年獲取的土壤肥力要素?cái)?shù)據(jù),分別計(jì)算每一土屬兩個(gè)不同時(shí)期的綜合肥力質(zhì)量指數(shù)平均值,結(jié)果列入表5。10個(gè)樣本土屬中,只有粘壤質(zhì)底潛鐵滲水耕人為土20年來(lái)土壤綜合肥力質(zhì)量指數(shù)未發(fā)生明顯變化。其余9個(gè)土壤中,5個(gè)土屬的綜合肥力質(zhì)量表現(xiàn)出上升趨勢(shì),其中粉砂粘壤質(zhì)普通簡(jiǎn)育水耕人為土綜合肥力質(zhì)量指數(shù)絕對(duì)升幅及相對(duì)變化率均為最大,分別達(dá)0.30和50.85%;4個(gè)土屬的綜合肥力質(zhì)量下降,其中粘質(zhì)底潛鐵滲水耕人為土綜合肥力質(zhì)量指數(shù)下降的絕對(duì)幅度和相對(duì)變化率值最大,分別達(dá)到-0.15與-21.13%。經(jīng)過(guò)20年演變,就分布類(lèi)型而言蘇州市城市邊緣帶土壤資源結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化,而土壤質(zhì)量結(jié)構(gòu)卻變化明顯。1986年第二次土壤普查時(shí),研究區(qū)粘質(zhì)鐵滲潛育水耕人為土綜合肥力質(zhì)量指數(shù)最高,平均值為0.75,壤質(zhì)普通簡(jiǎn)育鐵滲水耕人為最低,平均值0.47;2004年本研究實(shí)施時(shí),綜合肥力質(zhì)量指數(shù)最高的土壤類(lèi)型為粉砂粘壤質(zhì)普通簡(jiǎn)育水耕人為土,平均值為0.89,最低為粘壤質(zhì)普通簡(jiǎn)育水耕人為土,平均值0.52。同時(shí),研究區(qū)土壤肥力質(zhì)量空間可變性與1986年相比顯著增大,最大變幅與變異系數(shù)明顯升高。1986年研究區(qū)肥力質(zhì)量最高的土屬其綜合肥力質(zhì)量指數(shù)的變幅與變異系數(shù)分別為0.28和15.15%,到2004年,肥力質(zhì)量最高的土屬其綜合肥力質(zhì)量指數(shù)的變幅與變異系數(shù)分別為0.37和20.44%,這一組數(shù)據(jù)反映出快速工業(yè)化、城市化與農(nóng)業(yè)集約化背景下土壤資源利用方式與利用強(qiáng)度的變化對(duì)土壤質(zhì)量結(jié)構(gòu)及其空間變異特征的重要影響。4土壤肥力綜合質(zhì)量指數(shù)的測(cè)算結(jié)果。據(jù)測(cè)算的(1)研究區(qū)土壤肥力要素表現(xiàn)出較強(qiáng)的變異性,表層土壤電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)、全N、全P以及速效養(yǎng)分含量的變異系數(shù)均大于20%,其中速效磷含量的變異系數(shù)更高達(dá)388%,體現(xiàn)出城市邊緣帶土壤肥力空間分異的普遍特征,反映了土地利用與管理方式空間上的多樣性與時(shí)間序列上的高度可變性對(duì)土壤質(zhì)量演變的重要影響。(2)在表層土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P及各種速效養(yǎng)分含量水平明顯提高的同時(shí),過(guò)去20年來(lái)土壤全K含量卻呈下降趨勢(shì),表明研究區(qū)土壤養(yǎng)分不均衡現(xiàn)象依然存在且愈加突出;土壤pH從6.5大幅下降為5.7,大氣酸沉降以及工業(yè)排污是城市邊緣帶土壤酸化的主要原因,反映出蘇州地區(qū)快速的城市