蘇州市城市邊緣帶土壤肥力演變特征及演變趨勢

蘇州市城市邊緣帶土壤肥力演變特征及演變趨勢

隨著我國工業(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)量的變化變得越來越強烈。在此背景下,需要大量的土壤屬性及其時空演變信息以滿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)實需要,以實現(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)量時空變異信息的獲取正發(fā)揮越來越重要的作用,適時、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,同時也是精準(zhǔn)土壤養(yǎng)分管理和高效施肥實踐的基礎(chǔ)。蘇州市位于長江三角洲中部,江蘇省南部,屬于亞熱帶濕潤季風(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,過去一直是重要的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)和著名的魚米之鄉(xiāng)。經(jīng)過改革開放20多年以來社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,蘇州市目前已經(jīng)成為長江三角洲地區(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)量為研究對象,通過對11個樣區(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)值化綜合評價方法建立土壤肥力綜合指標(biāo),通過數(shù)理統(tǒng)計分析以及ArcGIS9.0分析軟件,揭示蘇州市城市邊緣帶不同土壤類型土壤綜合肥力空間變異特征,動態(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,實行市管縣體制,2001年吳縣市拆分為吳中、相城兩個區(qū)?，F(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)開發(fā)區(qū)8個區(qū)和常熟市、張家港市、太倉市、昆山市、吳江市5個縣級市。本文研究區(qū)為不包括5個縣級市在內(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)分布的土壤類型多樣,以粘壤質(zhì)普通簡育水耕人為土和粉砂粘壤質(zhì)普通簡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烈的人為活動影響。1.2樣區(qū)設(shè)置及設(shè)置根據(jù)1∶10萬蘇州市地形圖、1∶20萬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)生類型、人為活動歷史、利用現(xiàn)狀以及與城鎮(zhèn)建成區(qū)距離等時空因素的基礎(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)開發(fā)區(qū)共設(shè)置11個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型。2土壤樣品及樣點設(shè)置2.1樣品采集與處理11個樣區(qū)分別采集土壤樣品,采用等距格網(wǎng)(200m×200m)法布設(shè)樣點。11個樣區(qū)共采集土壤表層(0~20cm)5m對角線混合樣品201個。另設(shè)置典型土壤標(biāo)準(zhǔn)剖面20個,剖面樣品分層采集。樣點GPS定位并標(biāo)識于GIS環(huán)境下的研究區(qū)綜合信息圖,樣點所在地土壤類型、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。土壤樣品自然風(fēng)干后研磨,棄除土壤侵入物,研磨分別過10目、60目、100目篩,用于不同項目的實驗室測試分析。2.2全氮、堿解氮測定土壤pH采用電位法,有機質(zhì)采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法,陽離子交換量(CEC)采用醋酸銨-EDTA交換法,全氮采用半微量開氏定氮法,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《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》。2.3x4xx值的測算本研究的土壤肥力質(zhì)量評價采用駱伯勝等人介紹的數(shù)值化綜合評價方法。首先對選定的肥力質(zhì)量指標(biāo)土壤表層pH值、有機質(zhì)、全NPK、速效NPK進(jìn)行無量綱化數(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)折點的相應(yīng)取值如表1所示。由于各肥力要素對土壤整體肥力質(zhì)量的貢獻(xiàn)率不同,因此在對土壤肥力質(zhì)量進(jìn)行綜合評價時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土壤肥力質(zhì)量的貢獻(xiàn)率,由此可以得出各項肥力指標(biāo)的權(quán)重Wi,結(jié)果如表2所示。依據(jù)上述相關(guān)計算結(jié)果,采用相互交叉的同類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)計及變異特征分析樣品土壤理化性狀實驗室分析測試結(jié)果的描述性統(tǒng)計分析列于表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個樣點中,pH低于5.0的18個,而pH低于6.0的142個,占70%以上。樣點間土壤表層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)量較強的空間變異特征。表層土壤養(yǎng)分方面,研究區(qū)土壤有機質(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,研究區(qū)內(nèi)土壤表層有機質(zhì)含量變幅極大(4.5~95.4gkg-1),變異系數(shù)高達(dá)33.9%,屬空間強度變異,表明城市邊緣帶土壤資源利用的多樣性及其對土壤有機質(zhì)含量的強烈影響。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質(zhì)變異系數(shù)都>20%,均屬于空間強度變異。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質(zhì)含量顯著相關(guān),變異系數(shù)(28.88%)與有機質(zhì)接近,屬空間強變異。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)出更強的空間變異性,相對變異和絕對變異特征均強于全量養(yǎng)分,土壤肥力這一普遍特點在城市邊緣帶地區(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)人為活動對土壤肥力特征的強烈影響。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),對研究區(qū)土壤主要肥力要素進(jìn)行縱向的對比分析,以揭示蘇州市城市邊緣帶土壤過去20年來肥力質(zhì)量動態(tài)演變趨勢(表4)。結(jié)果表明,蘇州城市邊緣帶土壤酸化趨勢明顯,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)程以對土壤環(huán)境的強烈影響。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。其中,土壤表層有機質(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)投入強度加大對土壤養(yǎng)分水平的影響。在土壤全N、P含量明顯上升的同時,研究區(qū)表層土壤全K卻呈現(xiàn)總體下降趨勢,與1986年相比平均下降幅度為8.6%,說明研究區(qū)土壤利用方式、利用強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,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個樣點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)不同土壤類型的肥力質(zhì)量演變趨勢,選取分布面積較大的10個主要土屬作為研究對象,基于1986年和2004年獲取的土壤肥力要素數(shù)據(jù),分別計算每一土屬兩個不同時期的綜合肥力質(zhì)量指數(shù)平均值,結(jié)果列入表5。10個樣本土屬中,只有粘壤質(zhì)底潛鐵滲水耕人為土20年來土壤綜合肥力質(zhì)量指數(shù)未發(fā)生明顯變化。其余9個土壤中,5個土屬的綜合肥力質(zhì)量表現(xiàn)出上升趨勢,其中粉砂粘壤質(zhì)普通簡育水耕人為土綜合肥力質(zhì)量指數(shù)絕對升幅及相對變化率均為最大,分別達(dá)0.30和50.85%;4個土屬的綜合肥力質(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)下降的絕對幅度和相對變化率值最大,分別達(dá)到-0.15與-21.13%。經(jīng)過20年演變,就分布類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,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)普通簡育鐵滲水耕人為最低,平均值0.47;2004年本研究實施時,綜合肥力質(zhì)量指數(shù)最高的土壤類型為粉砂粘壤質(zhì)普通簡育水耕人為土,平均值為0.89,最低為粘壤質(zhì)普通簡育水耕人為土,平均值0.52。同時,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度的變化對土壤質(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)的測算結(jié)果。據(jù)測算的(1)研究區(qū)土壤肥力要素表現(xiàn)出較強的變異性,表層土壤電導(dǎo)率、有機質(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間序列上的高度可變性對土壤質(zhì)量演變的重要影響。(2)在表層土壤有機質(zhì)、全N、全P及各種速效養(yǎng)分含量水平明顯提高的同時,過去20年來土壤全K含量卻呈下降趨勢,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