都市区土地整治初期对耕地土壤肥力的影响

林栗漾,鲜骏仁,刘静静

(1. 四川农业大学,成都 611130;2. 成都理工大学,成都 610059)

【研究意义】土壤肥力是评估土壤供给作物养分能力的重要标准,是协调作物生长发育的综合能力,也是土地生产力的基础[1-3],直接影响作物生长及农业的可持续发展[4-6]。土地整治是土地整理复垦开发的统称,对土地集约利用和提升土地产能有较大作用[7]。【前人研究进展】随着土地整治持续推进,土地整治对土壤肥力影响的研究得到学者的广泛关注。例如,研究发现山区土地整治显著改变土壤有机质和全氮含量[8-9],农村区域土地整治后土壤肥力明显提升[10];董起广等[11]发现汉中市土地整治项目区土地整治后有机质、全氮含量不断增加,朱嘉伟等[12]在河南省新郑市研究发现土地整治对平原区耕地的土壤质地、速效钾、有机质含量有显著影响,由此可见,区域土地综合整治会对土壤肥力产生重要影响。【本研究切入点】城市土地整治区具有耕地资源禀赋不高、整治工程快速等特点,因其耕地利用存在土地多功能的博弈,土地整治强度、整治后作物种植特点都不同于传统农区,特别是对于整治初期土壤养分和肥力变化的影响研究还不够充分[7]。【拟解决的关键问题】拟以成都市绕城高速周边的土地综合整治区耕地为研究对象,通过采样分析和土地肥力综合评价,探索都市区土地整治工程初期(1～2年)耕地土壤养分和土壤肥力的变化情况,揭示整治区耕地的主要限制因子,为土地整治初期土壤质量提升提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于成都市绕城高速公路(G4202)两侧500 m范围内,以及周边七大楔形地块内的土壤综合整治区,大致呈环状分布,区域幅员面积约187.15 km2,其中耕地面积约44.00 km2, 主要种植玉米、油菜、水稻、小麦和蔬菜等粮食作物和经济作物。研究区内大部分耕地整治完成年限为1～2年,主要种植粮食作物或绿肥。该区域属亚热带湿润季风气候,四季分明,日照较少,无霜期长,气候温和,降雨充沛,年平均气温约16.7 ℃,年平均相对湿度为82.1%,年平均蒸发量994 mm,年平均降雨量约1009.8 mm,且主要集中于6—9月。耕地以水稻土为主,成土母质主要是岷江冲积物,包括灰色冲积物、灰棕冲积物和紫色冲积物。

1.2 试验设计与样品采集

本研究参照《土壤环境监测技术规范》(GB/T 17141—2008)的要求,于2020年7月在高标准基本农田和传统农田分别采集0～20 cm耕作层的土壤样品,每个采样点按照梅花点法随机采集5个单点样各0.5 kg,并将其混合为1个复合样。采样点的布设考虑土地利用类型、土地整治情况、耕作方式等因素的差异,同时遵循随机性、代表性和典型性原则,其分布如图1所示。由于研究区域面积较小,且地势平坦、海拔高度相近、气候条件一致,因此本研究忽略了微小地形差异对土壤肥力的影响。

图1 土壤采样点空间分布Fig.1 Spatial distribution of soil sampling points

采用马尔文激光粒度仪测定土壤机械组成,按照美国农业部(Uniled States Department of Agriculture,USDA)的粒级划分标准进行分类;用环刀法测定土壤容重;用烘干法测定土壤含水率;参照《土壤农业化学分析方法》[13]测定土壤化学性质,具体方法如下:pH用pH计测定;有机质用K2Cr2O7-H2SO4容量法测定;碱解氮用碱解扩散法测定;有效磷(以Olsen-P表示)用0.5 mol/L NaHCO3溶液(pH 8.5)浸提-钼锑抗比色法测定;全氮用半微量-凯氏法测定;全磷用碱熔-钼锑抗显色法测定;有效钾用1 mol/L中性醋酸铵浸提-火焰光度法测定;阳离子交换量用滴定法测定。

1.3 统计与分析

本文利用SPSS 25.0非参数检验(Mann-Whitney)揭示土地整治前后耕地土壤养分及土壤肥力指数差异。

1.4 土壤肥力单项指数

参照相关标准和已有研究[5,14],结合实际分析数据对土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾进行评级。

其中,土壤酸碱度(pH)的分级标准为:pH≤5.0,土壤pH属于强酸性,Fi=1.0;5.08.5,土壤pH属于强碱性,Fi=1.0。

土壤质地根据进行评价,轻壤、中壤Fi=3.0;砂壤、重壤Fi=2.0;砂土、黏土Fi=1.0。根据美国制土壤质地分类法,研究区内耕地土壤基本属于砂质壤土,结合研究区容重数据和《南方耕地土壤肥力诊断与评价》确定土壤质地分级标准:Ci>1.45或Ci<1.14,Fi=1.0;1.25≤Ci≤1.45,Fi=2.0;1.14≤Ci<1.25,Fi=3.0。

全氮(TN)、碱解氮(ABN)、有机质(OM)、全磷(TP)、速效钾(AK)、有效磷(AP)、阳离子交换量(CEC)的单项肥力值采用以下计算方式,各指标指数标准值如表1所示。

表1 土壤肥力属性指标标准值Table 1 Standard value of fertility attribute indicators

肥力属性指标值的评价采用单项肥力指数,按式(1)计算:

Fi=Ci/Si

(1)

式中,Fi为土壤中一项指标i的单项肥力指数,Fi值直接反应该肥力指标丰富程度,越大表明该指标越丰富,土壤肥力越高;Ci为土壤一项指标i的实测数据;Si为土壤中一项指标i的评价标准值。

1.5 主成分分析

采用主成分分析法对土壤养分进行分析,探究土壤肥力的主要影响因子[15-18]。

1.6 土壤综合肥力评价

采用改进的内梅罗综合指数法对耕地土壤肥力进行综合评价。根据已有研究[19-21],选取土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、pH、土壤质地、阳离子交换量作为土壤综合肥力评价指标。改进的内梅罗(Nemero)公式[22-23]为:

(2)

土壤综合肥力等级评价(表2)参考已有研究分为3级[23], 能够比较全面反映土壤肥力水平。

表2 土壤肥力等级划分标准Table 2 The classification standards of soil fertility grade

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质

由表3可见,整治农田土壤容重(1.44 g/cm3)稍高于传统农田(1.40 g/cm3),两者的容重变异系数分别为14%和9%,均属于中等变异水平。整治农田和传统农田的土壤含水率平均值分别为30.72%和31.33%,孔隙率平均值分别为58.33%和62.21%,两者的含水率和孔隙率变异系数都很小,呈现弱变异特征。非参数检验结果表明,整治农田与传统农田的土壤颗粒组成在粉粒方面存在显著差异(P<0.05),而在容重、含水量和孔隙度方面无显著不差异(P>0.05)。

表3 土壤物理性质描述性统计 Table 3 Descriptive statistics of soil physical properties

2.2 土壤养分含量

土壤养分指标的描述性统计结果(表4)表明,整治后农田土壤的pH均值为7.41,属于中性偏碱性,变异系数为9%,而传统农田土壤的pH均值为6.18,属于弱酸性,变异系数为16%。整治后农田土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷和速效钾的平均含量分别为12.80 g/kg、0.75 g/kg、0.58 g/kg、23.73 mg/kg、22.26 mg/kg和88.88 mg/kg,整体水平较低,均达不到Ⅲ级以上标准,且养分含量波动较大。相比之下,传统农田土壤的养分含量普遍较高,尤其是有效磷的平均含量达到75.06 mg/kg,但变异系数也高达86%,说明空间分布不均匀。根据全国第二次土壤普查的土壤肥力分级标准,传统农田土壤的养分含量也仅属于偏低水平。整治后农田土壤的阳离子交换量平均为18.53 cmol/kg,为中等偏弱的保肥能力,稍低于传统农田土壤的阳离子交换量(19.66 cmol/kg)。整治后农田与传统农田土壤的养分含量偏度和峰度的绝对值都小于1.96,说明土壤各养分含量近似服从正态分布。

表4 土壤养分指标描述性统计Table 4 Descriptive statistics of soil nutrient indicators

2.3 耕地土壤肥力综合评价

总体上,整治后农田与传统农田综合肥力指数为0.93和1.53,土壤肥力总体处于较低水平(表5)。两类耕地土壤pH、有机质、全氮、碱解氮、有效磷存在显著差异(P<0.05),按照全国第二次土壤普查土壤肥力分级的标准,传统农田土壤肥力指数大于整治后农田土壤肥力指数,说明土地整治初期的土壤综合肥力还有待提高,通过对整治后农田不同地表覆盖地情况的土壤肥力综合指数的对比发现(表6),整治后栽种农作物能够在一定程度上改善土壤肥力状况。

表5 土壤综合肥力指数Table 5 Index of soil comprehensive fertility

表6 整治后农田不同地表覆盖的土壤综合肥力指数Table 6 Fertility index of different land use patterns of farmland

2.4 基于主成分分析的土壤肥力影响因子评价

由表7可见,两个主成分分别为4.691和1.983,方差贡献率为58.635%和24.786%,累计贡献度达83.422%,足以代表原始数据信息。因此,将这两个主成分作为综合变量对农田整治土壤肥力状况进行评价。第1主成分主要反映pH、有机质、全氮、全磷、碱解氮状况;第2主成分阳离子交换量、速效钾的系数较大,反映阳离子交换量和速效钾的情况。基于公因子方差(表8)求出权重系数,隶属度权重雷达图(图2)显示:全磷>碱解氮>有机质>全氮>pH>有效磷>速效钾>阳离子交换量,因此全磷对土壤肥力的贡献率最大,其次为有机质和碱解氮。

表7 土壤主成分的特征值和贡献率Table 7 Characteristic values and contribution rates of soil principal components

2.5 土壤肥力各指标相关性分析

为了分析耕地土壤肥力指标的相关性,进行相关系数分析(图3～4),传统农田土壤的pH与有机质、全氮、碱解氮、全磷均呈极显著负相关(P<0.01),而有机质与全氮、碱解氮、全磷、有效磷均呈极显著正相关(P<0.01);整治后农田土壤的pH与碱解氮、全氮呈显著负相关(P<0.05),速效钾与阳离子交换量、有效磷呈极显著正相关(P<0.01),全氮与碱解氮、有机质呈极显著正相关(P<0.01),有机质与碱解氮呈显著正相关(P<0.05)。由此可见,土地整治影响了土壤肥力各指标的相关性。

**. 在 0.01 级别(双尾),相关性显著。*.在 0.05 级别(双尾),相关性显著。差异具有统计学意义。下同。**.At the 0.01 level (two-tailed), the correlation is significant. *.At the 0.05 level (two-tailed), the correlation is also significant. The difference is statistically significant.The same as below.图3 传统农田土壤肥力指标间相关性Fig.3 Correlation among soil fertility indicators in traditional farmland

图4 整治后农田土壤肥力指标间相关性Fig.4 Correlation among soil fertility indicators after land consolidation

3 讨 论

研究区土地整治初期(1～2年)耕地总体表现为土壤粉粒含量多、黏粒含量少的特征,这些特征影响着土壤透气性、持水能力及土壤养分状况,决定着土壤肥力等级的大小。土地整治期土地扰动和机械压实使土壤容重大于传统农田,大部分样点土壤板结、紧实,物理性状较差,土壤含水率低于传统农田,但随着作物种植土壤含水率有所改善[25-27],后期随着整治区沟渠水系的连通,土壤水分补给将得以改善,后期随着作物种植与耕层板结土壤的疏松,土壤保水、透气功能将不断提高。

土壤养分变化受人为因素和自然因素的共同作用。土地整治工程改变了土壤酸碱环境,整治初期农田土壤中混有建筑废弃物、水泥等,并可能向土壤中释放NOx等化学物质,导致土壤pH升高,总体处于中性偏碱性状态,而传统农田长期施加复合肥料或人畜粪尿,土壤pH处于中性偏酸性状态;土壤中阳离子交换量因土壤酸碱度和质地发生改变,土地整治后,pH升高和土壤颗粒组成的变化导致土壤阳离子交换量略有增加,土壤保持养分的能力有所提高。整治后农田耕层内有机质、全氮、碱解氮、有效磷含量下降,土地整治工程深挖、回填、客土等措施使耕层土壤与深挖犁底层混合降低了土壤有机质含量,而土壤有机质具有保留土壤养分、保持土壤团粒状结构、促进土壤结构改良等作用,并且土地整治导致的土壤有机质下降也会造成土壤有效磷含量降低。因此,土地整治工程需要注意表层土的恢复与管理[28]。土壤中氮元素主要靠生物作用积累,全氮表明土壤氮的供应潜力,而碱解氮是衡量氮素有效性水平的一个重要指标,本研究中土地整治后土壤全氮、碱解氮含量下降,研究结果与前人相同[29-30],主要源自土地整治会使土壤结构被机械破坏,土壤氮素迅速流失。研究区土壤养分总体处于较低水平,土壤碱解氮、有效磷和有机质是土壤肥力低下的重要影响因子,主成分分析发现全磷为主要贡献指标,这可能与土壤扰动甚至是重构,下层生土大量掺杂进表土,导致土壤缺少磷素有关[31-32]。

土地整治对分散田块进行整合,降低了土壤养分空间异质性,整治后土壤肥力仍处于Ⅲ级水平,尚未达到高标准基本农田的养分等级,需要加强养分管理,例如采用秸秆还田、绿肥、精准施肥等措施。整治后作物覆盖也影响土壤肥力水平,作物对于改善土壤的物理和化学特性具有重要作用。建议土地整治工程结束后尽快种植作物或进行地表覆盖管理,进而快速恢复土壤养分和促进肥力提升。

4 结 论

土地整治对土壤物理性质影响较小,但对土壤耕作层pH、有机质、全氮、有效磷、全磷含量影响大,土壤养分含量下降;通过改进内梅洛法对耕地肥力进行综合评价发现,整治后的农田土壤综合肥力指数为1.17±0.57,土壤肥力等级多处于Ⅲ级水平,但与优质农田相比还有较大的提升空间;土壤磷素含量低下是土地整治初期农田土壤肥力下降的限制因素。