（土壤学专业论文）近20年来大同市土壤肥力质量的时空演化分析.pdf

摘要 本文基于g i s 和地统计学研究了2 0 年来天同市土壤表层( 0 2 0 c m ) 有机质、全氯、全磷、 速效磷、速效钾的时空变化规律，主要结论如下： ( 1 ) 土壤养分的统计结果表明，2 0 年来，大同市土壤表层有机质、全磷和速效磷均有不同 程度的提高，而全氮和速效钾晕下降趋势。全磷和速效磷含量的提高主要与化肥的施用量增多有 关：而忽视氮肥和不施钾肥。是造成土壤氯素、钾素含量降低的主要原因。 ( 2 ) 两期士壤养分的空间分布图对比表明：研究区内土壤有机质含量有升有降，1 i 总面积 3 7 2 7 的区域有机质含量提高了0 s g k g ，而4 4 6 5 的区域有机质下降，0 6 9 k g ；全氮含量 有所下降，占总面积5 0 8 1 的地区土壤全氨含量下降了0 o i g k g ，下降幅度人丁_ 0 i g k g 的区 域占总面积的2 4 9 1 ：仅有2 1 2 8 的区域全氮含量提高了o o 1 9 k g 。全磷含量表现为上升趋 势，占总面积6 8 7 8 的地区全磷含量提高了o 0 2 5 9 k g ，有2 4 2 8 的地区f 降了o o 3 9 k g ： 速效磷含量总体上表现为上升趋势，且提高幅度较大，全区仅有3 4 的地区速效磷含量略有f 降而速效磷含量提高了0 t o m g k g 和i o 2 0 m g k g 的区域占到了研究区总面积的8 01 6 另 有1 6 2 6 的区域速效磷提高幅度大t - 2 0 m g k g ；速效钾含量呈下降趋势，下降幅度为0 2 0 m g k g 和2 0 5 0 m g k g 的区域占到了总面积的5 7 8 0 ，而含量提高了0 2 0 m g k g 和2 0 4 0 m g k g 的区 域占总面积的3 5 4 6 。 ( 3 ) 通过对不同土地利用方式f 土壤肥力质量研究表明，人为耕作措施、士地利用方式以 及田间管理措施是影响土壤肥力质量诸多因素之中的重要因素。山区、丘陵区土壤随着屉殖力度 的加人以及开垦年限的加长，土壤有机质含量呈下降趋势，水十：流失、土地沙化日趋严重十壤 质量逐渐恶化。今后，山区、丘陵区应在建设基本农田的同时，尽快有计划、按比例的退耕还林 还草，逐步建成本区的畜牧业基地。耕地多分布在盆地平原区，在人为种植过程中，耕地土壤肥 力受制于利用方式和管理水平。水浇地、旱地和菜地土壤肥力质量的变化主要取决1 二人为管理和 投入水平，耕作精细、投入较高的土地，其土壤肥力质量有明显的提高。因此，高肥力十壤的保 持与低肥力十壤的改良具有同样重要的意义 关键词：土壤肥力质量，空间变异，时空变化，g i s a b s t r a c t g e o s t a t i s t i c sc o m b i n e dw i t hg i sw s sa p p l i e dt oa n a l y z et h es p a t i o - t e m p o r a lc h a n g el a w so fs o i l n u t r i e n t si nt o p s o i l ( 0 2 0 c m ) i nd a t o n go fs h a n x ip r o v i n c e s o i ln u t r i e n mi nt h i ss t u d yi n c l u d e do r g a n i c m a t t e r , t o t a ln ，t o t a lra v a i l a b l epa n da v a i l a b l ek t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o i l o w s ： ( 1 ) t h es t a t i s t i cr e s u l to fs o i ln u t r i e n th a ss h o w e dt h a tt h eo r g a n i cm a r e r t o t a lpa n da v a i l a b l epo f s o i is u r f a c eh a v ei n c r e a s e dr e s p e c t i v e l yi nd a t o n g ，h o w e v e r , t h et o t a lna n da v a i l a b l ekh a v ed e c r e a s e d t h ei n c r e a s i n go ft o t a lpa n da v a i l a b l epi sm a i n l yr e l e v a n tw i t ht h ea p p l i c a t i o nr a t eo ff e r t i l i t y , b u t i g n o r i n gt h en a n dkh a v er e s u l t e di nt h er e d u c eo f s o i lna n dk ( 2 ) t h er e s u l th a v es h o w e db yc o m p a r i n gt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o nm a pa tt w op e r i o dt h a tt h es o i l o r g a n i cm a t t e rc o n t e n ti n c r e a s e db y0 - s g k gc o v e r st h ea r e ao f3 2 2 7p e r c e n to ft o t a la r e a , r e d u c e db y g k gc o v e r st h e4 4 5p e r c e n to ft o t a la r e a t h et o t a lnh a sd e c r e a s e da n dr e d u c e db y0 - 4 ) lv k g c o v e r st h e5 0 8 1p e r c e n to ft o t a la r e a , r e d u c e dr a n g el a r g e rt h a n0 1g k gc o v e r st h e2 4 9 lp e r c e n to f t o t a la r e a o n l y2 1 2 8p e r c e n ta r e ah a s i n c r e a s e d t h e t o t a l p h a sa i n c r e a s i n g t r e n d ，i n c r e a s e db y0 o 2 5 e g k gc o v e r st h e6 8 7 8p e r c e n to ft h et o t a la r e a t h ea v a i l a b l epi st h es a m ea st h et o t a lpb u tt h e i n c r e a s e dr a n g ei s l a r g e r o n l y3 4p e r c e n ta r e ai sr e d u c e da n di n c r e a s e db y0 - 1 0m k ga n d1 0 2 0 m g k gc o v e rt h e8 0 1 6p e r c e n to ft o t a la r e a i na d d i t i o n i n c r e a s e db ym o r et h a n2 0m g k gc o v e r st h e 1 6 2 6p e r c e n ta r e a t h ea v a i l a b l ekh a sd e c r e a s e d r e d u c e db y0 。1 - 2 0m g k ga n d2 0 4 5 0m g & gc o v e rt h e 5 7 8 0p e r c e n to f t o t a la r e a , i n c r e a s e db y0 2 0m g k ga n d2 0 - 4 0m g k gc o v e rt h e3 54 6p e r c e n to f t o t a l a r e a ( 3 ) t h es t u d yo fs o i lf e r t i l i t yq u a l i t yu n d e rd i f f e r e n tl a n du s ep a t t e r nh a v es h o w e dt h a tp e o p l e l s t i l l a g e ，l a n du s ep a t t e ma n dt h ef i e l dm a n a g e m e n ta r ei m p o r t a n tf a c t o r sa m o n gm a n yi n f l u e n c ef a c t o r s o fs o i l f e r t i l i t yq u a l i t y w i t ht h ei n c r e a s i n gr e c l a i me x t e n ta n dl e n g t h e n i n gr e c l a i mt i m ei nm o u n t a i n a n dh i l l ya r e a s ，t h e r ei s d e g r a d i n gs o i lo r g a n i cm a h e r s ，s e r i o u sw a t e rl o s sa n ds o i le r o s i o n ，s o i l d e s e r t i f i c a t i o na n ds o i lf e r t i l i t yq u a l i t yd e t e r i o r a t i n g i nt h ef u t u r ew es h o u l dn o to n l ys t r e n g t h e nt h e b u i l do fb a s i cf a r m l a n db u ta l s or e t u r nf a r m l a n dt of o r e s ta n dg r a s sl a n d s ，t h e nf o r m i n ga n i m a l a g r i c u l t u r eb a s e f a r m l a n dm a i n l yi sd i s t r i b u t e di np l a i na r e a s ，f e r t i l i t yo fs o i lo f t e ni sl i m i t e db yt h e l a n du s ep a r e r n a n d t h e l e v e lo f m a n a g e m e n t t h ec h a n g e o fs o i lq u a l i t y i n t h e w a t e r - i r r i g a t e d f a r m ，d r y f a r ma n dv e g e t a b l ep l o t si sm a i n l yd e p e n d e do nt h em a n sm a n a g e m e n ta n d i n p u tl e v e la n di nt h eg o o d t i l l a g ea n dh i g hi n p u tf a r m l a n d st h es o i lf e r t i l i t yq u a l i t yi so b v i o u s l yi n c r e a s e d t h e r e l b r e ，t h e r ei s i m p o r t a n tt ok e e pt h eh i g hf e r t i l i t ys o i la n di m p r o v et h el o wf e r t i l i t ys o i l k e yw o r d s ：s o i lf e r t i l i t yn u t r i e n t s ，s p a t i a lv a r i a b i l i t y , s p a t i o - t e m p o r a lc h a n g e ，g 1 s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：乃p 丑韵 时间： ) ，盯年月一只 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论支的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大耋! 定以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究尘签名：詹呐啪 时间：妒疗年g 月h 导师签名时问：弘咆r 年占月印门 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论 当前，随着人口一资源一环境之间矛盾的日趋尖锐，土壤质量问题正在不断得到世界范围内 的共同关注。这是因为在粮食增产和环境的持续发展中，土壤资源是一种具有脆弱性的非再生资 源( 人类的时间尺度上) 。要想获得农业的稳定增长。必须重新认识十壤在环境中的重要意义 必须加强对土壤的“代传”保护，其核心就是土壤质量及其与环境之间的相互关系( 赵其国等， 1 9 9 7 ) 。 土壤质量是十壤特性的综合反映，也是解释i 二壤条件动态变化最敏感的指标。而且能体现人 类活动对土壤的影响。壤质量是t 壤支持生物生产力、净化环境能力和促进动植物与人类健康 能力的集中体现。土壤质量变化在一定的时间范围内具有一定的趋向性，或是趋向于正向变化， 表现为土壤质量的提高和作物生产力的增强：或是趋向于负向变化，表现为十壤质量的下降。 研究区大同市位丁山西省最北端，地处黄土高原东北边缘，为首都之屏障、全晋北方之fj 户， 全市国土总面积1 4 1 1 2 5 6 平方公里，平均海拔7 0 0 1 4 0 0 米之间，境内地貌类型复杂多样 ：打 山区、丘陵区占总面积的7 9 。大同地处毛鸟素沙漠东缘，是山西省乃至全国生态环境脆弱的地 区。伴随社会经济的发展，区域生态环境进一步恶化，全市1 4 万多平方公里的土地面积，沙漠 土地就有6 4 9 8 平方公里。“无风三尺土，风起土满天”，每年春季人风时地表土被风蚀达0 5 至 l ，2 厘米左右。由于植妓薄弱，水蚀也较为严重，每年雨水侵蚀沟以l 至3 米的速度延伸，沟道 下切速度1 至2 米，水十流失严重。这些生态环境问题已经成为大同经济社会可持续发展的制约 因素和瓶颈。 大同市生态环境脆弱，土壤环境恶化，农产品品质f 降成为制约大同市经济发展的主要因素， 广大人民群众强烈要求改善生态环境，生产无公害绿色食品。太l i n i 土壤质量评价的研究结果可 为大同市土壤农业生态环境的改善提供理论依据和技术支撑，同时还可为生产无公害绿色食赫 提供环境监测、土壤质量监测等技术服务。 近年来我国北方的沙尘暴出现了强度加人、频率增加、发生时问提前的趋势。大同市毗邻北 京，又在北京的上游、上风向，是北京防风固沙的屏障和重要的水源地之一。因此。为了提高十 壤肥力，发展粮食生产，扩大植被覆盖度，需要研究大同市士壤质量的变化过程，探求土壤质量 变化的原因，为防治沙尘暴，保护首都生态环境提供理论依据和技术支撑。 从第二次土壤普查的资料来看，大同市普遍存在着“缺氮少磷”的现象。近2 0 年来，人同 市经济已发生了巨大的变化。期问大同市农业结构调整、标准农田建没、土壤利用、施肥等情况 也发生了很大的变化。随着土地利 j 集约度和土壤管理水平的改变，_ 七壤肥力状况必然会发生变 化。为了适应农作物高产优质的要求，保障粮食安全，发展效益农业，及时了解斗：壤肥力的变化 状况，对促进全市农业的增产增收及农业的可持续发展具有重要指导意义。 1 2 国内外研究进展 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 土壤质量的定义 土壤质量这个名字早在2 0 世纪7 0 年代初就出现在土壤学文献中( a l e x a n d e r ，1 9 7 1 ：w a r k e n t i n a n df l e t c h e r ，1 9 7 7 ) 但是频繁引用并成为国际土壤学研究热点则是2 0 世纪末本世纪初的事 ( k a r l e n ，1 9 9 9 ) 。土壤质量与水和空气的质量一样对生物生产能力和生物与人的健康有着强烈的 作用和影响，因为水和空气是被生命直接吸收或呼吸消耗的，因此其质量的定义、指标和标准都 比较容易统一认识，争议较少。而土壤只是其中的一些成分，有的可被生命体直接吸收消化。有 的对生物的生命活动和健康有间接的影响或者这些成分受人为管理和其他条件的干扰变化很人， 因此在土壤学界、农学界对土壤质量的定义和标准有一些不同的看法，土壤质量的定义目前尚不 统一。 关于土壤质量的概念大概有以f j l 种认识：美国土壤学会( 1 9 8 7 ) 认为，土壤质量即士壤本 质特征，它可由十壤的紧实性、土壤侵蚀度和土壤肥力等指标来推测和评价。p o w e ra n dm y e r s ( 1 9 8 9 ) 将十- 壤质量定义为土壤的生产力，其能力的发挥依赖丁许多土壤特性，如十壤耕性、团 聚作用、有机质含量、土壤深度、有效持水量、渗透率、p h 值变化、养分含量等。p a r r 等( 1 9 9 2 ) 定义为：土壤长期持续生产安全营养的作物，提高人类和动物健康，并不破坏自然资源或环境的 能力。l a r s o na n d p i e r c e ( 1 9 9 1 ，1 9 9 3 ) 将土壤质量描述为土壤在其生态内部的作用能力及其与系 统外部环境要素间的协调能力。从期尺度上讲，土壤生产安全、富营养食物、并且增强分类及 动物健康，不损害自然资源和环境的能力。d o r a na n d p a r k i n ( 1 9 9 4 ) 在“定义和评价土壤质量” 一文中，进一步明确指出，土壤质最是指在一定环境生态系统内，十壤实现其生物生产功能护 能环境功能汞1 提高动、植物健康水平方面的能力。 中国士壤学界根据我国的科学实践，参考了国际土壤学会联合会秘书长b l u m 教授等( b l u m ， 1 9 9 4 ) 阐明的士壤具备的六大功能，在d o r a na n dp a r k ( 1 9 9 4 ) 定义的基础上给土壤质量的科学 定义如下：土壤质量是土壤在一定的生态系统内提供生命必须养分和生产生物物质的能力：容纳、 降解、净化污染物质和维护生态平衡的能力；影响和促进植物、动物和人类生命安全和健康的能 力之综合量度( 曹志洪，1 9 9 8 ；2 0 0 0 ) 。简言之，土壤质量是士壤肥力质量、土壤环境质量和十 壤健康质虽三个相对立而又有机联系的组分之综合集成。 1 2 2 土壤质量演变的研究动态 事实上，有关土壤退化与土壤质量演变的研究已经成为当时我国学者和国际 ：壤学、农学及 环境科学界兆捌，之注的热点课题之一，皇要表现在以下儿个，j 面： 1 2 2 1 土壤质量的评价指标 七壤质量足t 壤的许多物理、化学和牛物。学性质，以及形成这蝗性质的一些重要过群的综合 体。迄今为止，还没有评价土壤质量的统一标准。 1 9 9 1 年，r o d a l e 研究院首先发起并召开了题为“士壤质晕监洲和评价”专题研讨会探讨了 土壤质量评价的指标问题，指出土壤质量评价的生物指标比物理、化学指标耕具敏感性和动态性， 也能显示卜壤质苗演变早期信号。1 9 9 2 年，美国1 ：壤学会、荚国农学会、美国北方中部地区卜壤 有机质学会共间举办了有关 壤质繁的学术研讨会，并出版r “d e f i n i n gs o i lq u a l i t y f o r 。l 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 s u s t a i n a b l ee n v i r o n m e n t ”论文集，进一步明确了土壤质量评价指标。1 9 9 6 年在新西兰林肯大学召 开了土壤质量的国际会议，形成了“s o i lq u a l i t yi n d i c a t o r sf o rs u s t a i n a b l ea g r i c u l t u r ei nn e w z e a l a n d ”论文集。 土壤质量的评价应针对特定的土地功能和十地利用类型进行。同样，不同的地区，不同景观 类型的土地，也应该使用不同的指标体系。在这方面，世界银行在全球选择了陡坡地、酸性的热 带稀树干草原、半湿润地区、半干旱地区( 仅有早作农业) 、干旱地区( 仅有牧业) 等五种有代 表性的土地类型进行研究提出了它们各自的指标体系( p i e d c h r i s t i a n 1 9 9 5 ) 。 l a r s o n 和p i e r c e ( 1 9 9 1 ) 提出了用于控制土壤侵蚀或防止地表水和地下水污染的指标：七壤 质地、结构和强度、植物有效水和最人扎根深度为物理指标；养分有效性、全碳、不稳定有机碳、 p h 和电解传导率为化学指标。他们认为所有这些指标可以综合起来评价土壤的质量。但其缺点 是没有明确每个组分的相对权重。美国土壤保持组织建议渗透作用，士壤质地、团聚作川、十：壤 结构、密度、排水、渗透性、持水性、通气性、有效含水量、毛管水、热传导、耕性、扳结、表 面的光滑度和土壤深度为评价土壤质量的物理指标，把阳离子交换量、肥力和有机质含量作为化 学指标。1 9 9 1 年的土壤质量评价与监测国际会议把渗透作用、有效持水量和耕层深度作为影响土 壤质量的首选物理指标，而水稳性团聚体、分散性的粘土矿物和密度作为次要的物理指标。化学 指标包括d h 值，含盐量、阳离子交换量、有机质和重金属、有毒有机物、硝酸盐及放射性物质 等。多数与会者建议士壤质量标准的特征包括气候的评价、景观、土壤化学和物理特征( p h 、舍 盐量、有机质、c e c 、质地、密度和有效水含量) ，对生物指标没能达成统一的意见。k a r l s o n 和 s t o t t ( 1 9 9 4 ) 提出与土壤侵蚀有关的最关键的物理指标是渗透作用、水力传导、切变强度和团聚 体稳定性，从而提出量化指标，即通过渗透来容纳雨水而不发生径流的权重为5 0 ，表面结构对 退化的阻力为3 5 ，表面输送能力为l o ，保持植物生长仅为5 。 土壤有机质( s o m ) 是十壤中非常活跃普通存在的组分，它几乎对土壤本质的所有方面都产 生强烈的影响。它首先是植物氮、磷、钾的主要营养来源；作为主要物质和能源调箝十壤生物的 生态动力：改善土壤结构、保持土壤水分；改变微量元素和杀虫剂的吸附特征。s o m 强烈地影 响着土壤特性如水渗透速率、侵蚀性、持水力、养分循环和杀虫剂的吸附( s t e v e n s o n ，1 9 9 4 ； c a m p b e l l 等1 9 9 6 ；f r a n c i o s o 等，2 0 0 0 ；w a n d e r 和y a n g ，2 0 0 0 ) 。有人认为s o m 的适当管理是 持续农业的核心( w e l l ，1 9 9 2 ) 。近来的研究则承认s o m 是土壤质量和健康的中心指标( 美国水 土保持学会。1 9 9 5 ) 。例如s o m 的降低( 生物氧化侵蚀) 显著地减少氮素供应，导致士壤物理 条件的恶化和作物产量降低( g r e e r 等，1 9 9 6 ) 。因此，为保持土壤生产力，维持适当水甲的s o m 是重要的。由于土壤有机质可以对土壤质量和作物生产力产生有益的影响，多数人认为s o m 是 士壤质量衡量指标中唯一最重要的指标( l a r s o n 和p i e r c e ，1 9 9 1 ：d o r a n 等，1 9 9 6 ) 。 国内方面孙波等( 1 9 9 9 ) 提出了选择红壤质量评价指标的原则，并从化学、物理学和生物 学三个方面初步探讨了评价红壤质量动态变化可资采用的指标体系；齐伟等( 2 0 0 1 ) 探讨了卜壤 指数法中的评价指标的量化方法，并建立了潮土区可持续十地利用管理的评价体系框架。 总之，十壤质量虽受土壤系统中组分复杂性的影响而使得评价困难但也有了大量的量化指 标研究结果。土壤质量指标的量化辨识也朱尽完善，诸如各种表征指标中与土壤生产力、r 壤污 染物等参数的关系都需要进一步研究，我们也很难寄希望于一种指标方法适用了二所有的情况。冈 此，选择最少的十壤属性参数，应j 十壤物理、化学和生物综合指标的方法，可能是将米 ：壤质 量评价的研究方向。 1 2 2 2 壤质量的评价方法 士壤质培的评价方法主要有定性和定鞋两种： ( 1 ) 定性的评价方法农比很甲懂得区分“好的十壤”和“坏的 壤” 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 评价土壤在作物生产中的表现。在中国古代，人们对土壤质量已经有相当深入的认识。尚书贡 禹中己经将天下九州的土壤分为3 等9 级，根据土壤质量制定赋税，这无疑是世界上最早的关 于土壤质量评价的记载。此后的历代典籍中，土壤评价方面的记载不胜枚举，需要我们进一步进 行总结归纳。农民们可以通过看、闻和感觉确定土壤质量，他们的这些知识在一定程度上弥补了 科学家们所使用方法的不足。农民和科学家的合作。可以在十壤质量研究中将农民的观察知识和 分析数据结合起来发展土壤质量评价方法，为土壤资源的经济和环境可持续发展提供指导。h a r r i s 等( 1 9 9 4 ) 提供了以解释框图和访谈指南为基础，包括通用调查表、特定地点调查表、相关报告 卡组成的一套较为完整的土壤质量评价信息收集工具。r o m i g 等( 1 9 9 7 ) 基于农民的士地评价方 法中给出的w i s c o n s i n 十壤健康评分卡中，包括2 4 项土壤指标1 4 项植物指标平3 项动物指标及 2 项水环境指标，根据农民对这些指标的评分可以得到十壤的健康状况。u s d a n r c s ( 1 9 9 9 ) 设计的m a r y l a n d 土壤质量评价手册将土壤动物有机质颜色、根系和残留物、袁十紧实性、土壤 耕性、侵蚀状况、持水性、渗透性、作物长势、p h 状况和保肥性分为羞、中、好3 个等级对 每个项目各个等级的特征有详细描述，在对这些项目等级评定的基础上得到土壤质量的定性状 况。 ( 2 ) 定最的评价方法随着信息技术在e 壤研究中的应用，我们越来越依赖j ：定量的数 学方法。定量方法利用各种数学方法根据量化的士壤属性计算出土壤质量的“分数”，通常最好 的土壤得到最高的分数。目前还没有一个标准的量化评价方法但是在研究中已经存在一些评价 体系。在评价中经常使用的数学方法包括评分法、分等定级法、模糊评判法、聚类分析法以及地 统计学方法( d o r a n ，1 9 9 4 ；p e n n o c k ，1 9 9 4 ；s m 曲，1 9 9 3 ：m i c h a l h ，1 9 9 9 ) 。这些方法在以往的 土壤质量评价中使用比较广泛，有些方法已经比较成熟，而有些方法仍在研究之中。d o r a n 和 p a r k i n ( 1 9 9 4 ) 将各个土壤质鼍元素相乘得到土壤质量评价值。s m i t h 等( 1 9 9 3 ) 总结了土壤质量 评价的多变量克立格法( m u l t i p l ev a r i a b l ei n d i c a t o rk r i g i n g ) ，可以将没有数量限制的单个土壤质 量指标综合成一个总体的土壤质量指标。国内关于土壤质量动态变化的研究报道较少，王效举等 ( 1 9 9 8 ) 利用土壤质量指标，采用相对士壤质量指数法，量化土壤在人为耕作条件卜发生的变化。 胡金明等( 1 9 9 9 ) 主要采用时间对比法，计算各类土壤表层土( 根作层) 土壤质量矩阵，通过不 同开垦年限土壤质量指数的变化定量评价开垦候士壤变化趋势。 1 2 3 土壤质量的空间变异性研究 土壤学家将土壤特性在不同空间位置上存在明显差异的属性称为土壤特性的空间变异性( 沈 思源，1 9 8 9 ) 。土壤特性的变异性普遍存在，并且情况比较复杂。成土母质、地形、人类活动等对 十壤养分空间变异均有较大影响，但在特定区域内，由丁气候条件等比较一致经过k 期比较一 致的种植和管理后，土壤特性空问变异将趋f 缓和，即由于母质差异等引起的空间变异逐渐减小。 研究空问变异主要是借助2 0 世纪6 0 年代初法国著名学者m a t h r e o n 创立的地质统计学，7 0 年代以 后，国内外许多学者开始将该方法应用于t 壤特性空间变异的研究( 郭旭东等，2 0 0 0 ：，擎小昱等， 2 0 0 0 ：自由路等，1 9 9 9 ；李菊梅等，1 9 9 8 ) 。8 0 年代， 壤空间变异性研究成为七壤科学的重要 研究内容，至今一直是十壤科学的研究热点之一。孙波等( 2 0 0 2 ) 研究表明，基丁摸l q ( m o d e l b a s e d ) 的地质统汁学方法通过半方著( s e m i v a r i o g m m ) 可以描述：l 壤肥力性质的空间分布模式及空间相关 性，并通过克立格插值( k r i g i n g ) 等方法预测未采样点的l ：壤性质。 4 中国农业大学硕十学位论文 第一章绪论 1 3 本文的研究目标、主要内容及技术路线 1 3 1 研究目标 利用3 s 技术和常规土壤调套技术，通过定最的研究在常规的农业管理措施情况下区域农田 土壤养分含量的变化，分析研究大同市土壤肥力质量的空间变异特征、变化趋势及其原因，为大 同市耕地的可持续利用管理提供科学依据。 1 3 2 研究内容 本研究的内容主要包括如f 三个方面： ( 1 ) 研究土壤有机质和十壤全氮、全磷、速效磷、速效钾等养分含萤的空间变异特征， 揭示土壤肥力质量的空间变化规律。 ( 2 ) 对比1 9 8 4 年和2 0 0 4 年两个时期的土壤养分含量变化特征，分析造成十壤肥力质量 变化的影响因素。 ( 3 ) 结合1 9 8 7 年和1 9 9 6 年两个时段的十地利用图，把样点土壤肥力质鼙的变化与十地 利用的变化结合起来，探讨十地利用结构和耕作制度的变化对i 。壤肥力造成的影响。 1 3 3 技术路线 根据所确定的研究目标和研究内容，结合已有的t 作基础和国内外相关的研究进展，本研究 所采用的技术路线如图1 1 ： 幽1 1 奉研究的技术路线 i ? i 9 1 im e t h o d o l o g y o f t h er e s e a r c h 中国农业大学硕士学位论文第二章研究区概况和数据获取 2 1 研究区概况 2 1 1 自然条件 第二章研究区概况和数据获取 1 地理位置 大同市位于山西省最北端，地处黄土高原东北边缘。北以外长城为界，与内蒙古自治区丰镇、 凉城县毗邻，西、南与本省朔州市、忻州地区相连，东与河北省阳原、涞源、蔚县相接，距首都 北京3 8 0 k i n ，地理坐标为东经1 1 2 。3 4 - - 1 1 4 。3 3 ，北纬3 9 。0 3 一4 0 4 4 之间。大同市地处晋、 冀、蒙交界处，是闻名全国的“煤都”，区位条件比较优越，交通通信较为便利。全市国土总面 积1 4 1 1 2 5 6 平方公里。具体位置见图21 。 图2 1 研究区地理位置示意图 f i g 2 1t h e l o c a t i o n o f s t u d y a r c a 6 中国农业大学硕士学位论文第二章研究区概况和数据获取 2 地貌 东北一西南走向的山脉构成了大同市的地貌骨架。山川相间，断层发育，丘陵起伏、沟壑纵 横。全市最高点位于阳高县六棱山黄羊尖，海拔高程2 4 2 0 m ，最低点位丁i 灵f 己县沙河出境处，海 拔高程仅为5 5 8 m 。由喜马拉雅运动形成的断陷盆地，将全市大致分为东南。西北两大部分。东 南部属恒山山脉。太行山北段山脉，包括以结晶岩、砂页岩中低山为主的山地及广灵、灵丘山间 盆地，山脉多呈东北一西南走向，北坡陡峻，南坡缓和，地形起伏较大，其表面上覆薄层黄十： 西北部山脉除了在十里河以南的截口山、七峰山等属于吕梁山北段洪涛山支脉以外，其余均属于 阴山山脉南支。七峰山、采凉山、雷公山、五周山为主体的土石丘陵、砂页岩黄十中山丘陵成为 这里的主要景观。西部地形波状起伏略向西倾斜，北部山脉山体陡峭，山岭破碎，地表覆盖人面 积黄土，沟壑纵横。水土流，大。土壤沙化现象严重。中部为断陷盆地，三面环山。中北部丰稔山 将盆地分为东北部天阳盆地、中南部大同盆地两人部分。区内以冲洪积平原为主体，地势平坦， 土层深厚，土地肥沃，为主要耕作区。盆地低洼处多有积水、沼泽，土壤出现盐渍化。大同盆地 东部有著名的大同火山群3 0 余座，均属于阴山山脉南支，火山外形多呈圆锥形、马蹄形和盾形， 属死火山。 3 气候 大同市属于典型温带人陆性季风气候，按全国气候分类，本区气候以恒山为界南北分别属 于暖温带和中温带两个气候亚区，均属丁| 半干早气候区。其特点是四季分明，春季干旱多风，夏 季短暂而炎热，秋季天高气爽，冬季漫长而寒冷。气温日差和年差较大。全市年平均气温为6 , 5 ，最高气温多出现在7 8 月份，极端最高气温3 8 3 ，极端最低气温为一3 7 3 c 。 全市光照较为充足，年均日照时数2 8 1 1 小时。无霜期，山地丘陵区较短，平川盆地区较长， 各县区无霜期一般介于1 1 5 一1 3 4 天。初霜1 3 高寒山区出现在9 月中旬，平川区出现在9 月下旬； 终霜日，平川区在5 月初，丘陵山区在5 月下旬到6 月上旬。 全市降水分布特点是，由东南向西北递减，山地多丁平原，迎风坡多于背风坡。降水量等值 线与山脉走向线吻合。全市多年平均降水量为4 1 2 6 r a m ，多年平均水面蒸发量约为1 2 0 0 m m 。降 水量年内分配极不均匀，6 9 月降水约占全年降水量的7 9 ，且雨势猛，强度大，历时短。 4 河流与水系 本市地跨海河、黄河两- 人流域，以海河流域为土，约t 全市总面积的9 9 4 3 ，黄河流域仅【b 全市总面积的o 5 7 。本市属丁- 海河流域人清河水系的流域面积占全市总面积的2 1 0 5 ，属r 永定河水系的流域面积占全市总面积的7 8 3 8 ，其中属于永定河支流桑干河的流域面积占全巾 总面积的6 4 4 1 ，属丁：永定河支流洋河的流域面积t l 全市总面积的1 8 2 4 。全市主要河流水系 分区简介如f ： 黄河流域：位于大同市两北部左云县境内，总面积仅8 0 k m 2 ，属于黄河支流苍头河流域范围， 区内几乎没有控制性水利1 ：样。 海河流域：总面积1 4 0 3 2 k m 2 ，其中流域酝秘在1 0 0 0 k m 2 以上的河流有8 条。境内人清河流 域：位于大同市东南部，包括浑源县南部及灵丘县全部区域，总面积2 9 7 0 6 6 k m 2 。按从属关系划 分，本区又是唐河及猪龙河流域所构成。境内洋河流域：位于大同市尔北部，包括阿l 高、天镇 两县的人部分地区，总面积2 5 7 35 5 k m 2 。南洋州是区内最大的河流，横穿天r 盆地，与阿洋河、 红墉河均在河北钳怀安县境内汇入洋河。境内蒙于f j j 流域：位于人同市中部及两北部，既包括 人同市区( 即城、矿i x 、南郊l i 嗣j 新荣区) 干| l 广灵、人同两县的全部地域，义包辐- 二二、浑游 中国农业大学硕士学位论义第二章研究区概况和数据获取 两县的大部分地域以及天镇、阳高两县南部的局部地域，总面积8 4 8 7 7 9 k m 2 。干流桑干河横穿大 同盆地，是区内最大的河流，属于其一级支流的中型河流有3 条，即浑河、御河和壶流河；属于 其二级支流的中型河流有l 条，即御河的一级支流十里河。 目前，在全市众多的河流中，除了东南部唐河、壶流河等少数河流具有少量的基流以外，大 部分河流属于时令河，汛期洪水暴涨暴落，枯水期河水锐减直至断流。 5 土壤 犬同市土壤属于褐土向栗褐土过渡带，褐士、栗褐土和栗钙土地带性土壤交错分布。全市土 壤类型众多，共有1 0 类。恒山以南低山丘陵区和山间盆地区，发育了褐士，是本市的主要地带 性土壤占全市总面积的2 4 4 ，恒山以北大部分地区，降水较少，气候干旱，发育了粟褐土， 广泛分布于恒山以北、二级阶地以上、丘陵和低山地区是本市分布最r 泛的地带性土壤，占全 市总面积的3 3 ，桑干河以北、洪涛山以东的大同盆地区域发育着粟钙土，占全市总面积的1 6 6 ，山地草甸士地带性十壤分布在六棱山、恒山、太白山、采凉l “等海拔2 0 0 0 m 以上山顶平台缓 坡处，占全市总面积的o 7 9 。在地带性土壤区域内，由于局部地区水、热、地质等条件的变化， 导致了土壤类犁上的差异，形成了非地带性的隐域性土壤。主要有潮土、盐、石质土、粗骨士、 红粘土、风沙土6 类。潮土、盐士属于半水成型土壤，主要分布在河流两岸地下水位较高的一级 阶地或局部的低洼地区，各县均有，以大同盆地及天阳盆地为主，此类 ：壤占全市总面积的7 2 2 ，粗骨_ 十、石质十主要分布在石质山地、植被稀疏、侵蚀严重的阳坡、陡坡一带，占全市总面 积的7 7 ，风沙土主要分布在天镇县的新平丘陵区和大同县峰峪的丘陵区，占全市总面积的0 1 8 红粘土零星分布在左云、天镇、阳高等水十流失严重的丘陵沟壑地带，占全市总面积的0 4 2 。 6 植被 本市处于暖温带落叶阔叶林向温带草原的过渡区域，由于水、热条件河地貌状况的差异，野 生植被群落和种类的垂直分布趋势是：海拔较高的( 1 2 0 0 m 以上) 高山地带物种多，海拔较低的 ( 1 2 0 0 m 以下) 地带物种少，阴坡部位物种多，生长较好；阳坡部位物种少，生长较差。野生植 被群落和种类的水平分布趋势是：从东南向西北递减。恒山以南地区为暖温性针阔叶混交林带， 植被物种多，分布广，乔灌草较茂盛；恒山以北，采凉山以南，洪涛山咀东地区，为温性落叶阔 叶灌丛带，种类少，分布面小，以灌草为主：温性半干旱灌丛草原带重要集中在本市两北部的黄 士丘陵地区，包括左云县、新荣区等地，以草原植被群落占优势。灌禾以沙棘、虎榛子、绣线菊 为主，分布稀疏。 人t ：植被主要集中在水、热条件较好的黄e i 陵沟壑区和河川谷地，以乔木林为主，树种较 单调，主要为杨树类、油松和经济林。 2 1 2 社会经济概况 大同市是国家苒批公布的2 4 个历史文化名城之一。火同战国属赵，汉置平城县，北魏建都， 唐开元十八年( 公元7 3 0 年) 置云中郡和云洲。辽重熙卜三年( 公元1 0 4 4 年) 丁| 今人同城建曲京，十 七年( 公元1 0 4 8 年) 置大同县附郭。自此，犬同县名沿川术改。洪武t 年( 公元1 3 7 4 年) 为人同蚋治。 抗日战争时期分设尔、幽大同县。1 9 4 9 年5jj 解放后，大同城区建为人同市，属察哈尔甫。】9 5 2 中国农业大学硕士学位论文第二章研究区概况和数据获取 年1 1 月重归山西省。1 9 9 3 年7 月雁北行署撤销，与大同市台并，并将雁北行署f 辖的部分县划 归大同市。现辖有城区、矿区、南郊区、新荣区等4 个区和阳高县、天镇县、广灵县、灵丘县、 浑源县、左云县、大同县等7 个县。 大同市土地广阔，主要农作物有玉米、谷子、莜麦、春小麦、黍子、马铃薯、胡麻、黄花菜、 黄芪、甜菜、向日葵和蔬菜、瓜果等。 大同市矿藏资源丰富，是我国著名的“煤乡”，煤炭储量大、质量好、热值高，己探明的煤 炭总储量达3 7 6 9 亿吨，是我国重要的优质动力煤生产基地。境内地下矿藏还有铁、铜、铝、锌、 磷以及石灰石、云母、石墨、大理石、花岗石等。 2 0 0 0 年全市常住人口3 0 0 3 万人，其中市区1 5 2 8 1 万人，其余七县1 4 7 7 9 万人。农村人口 1 6 9 5 7 万人，城镇人口1 3 0 7 3 万人。有蒙、满、回、藏、苗、朝鲜等少数民族，汉族人口1 1 i9 9 6 。2 0 0 0 全市国民生产总值1 7 l 亿元，财政总收入1 4 8 4 亿元，城镇居民可支配收入4 6 0 5 元， 农民人均纯收入1 5 3 9 元。 2 2 试验设计和数据获取 2 2 1 野外实验布置及采样 在收集第二次土壤普查资料数据的基础上，在2 0 0 4 年尽量靠近原样点采集土壤样品，同时 调查访问有关的土地利用类型、耕作与种植制度、施肥、灌溉、产量等情况，把土壤养分变化与 当地社会经济发展、士地利用状况结合起来。此次采样采用g p s 定位，为未来监测样点的精确定 位打下了良好基础。十壤样品取自耕层0 - - 2 0 c m 土壤。每一样点都按农化样的采样要求在直径 1 0 0 米范围内取3 5 个点，混合按四分法采分析样品i k g 。全区共采集1 3 5 个十样。 由于我国的土地、地形测量是以北京5 4 坐标系为参照，而。g p s 测量数据是以w g s 8 4 地心 坐标系为参照，这两个坐标系所采用的参考椭球体不同，因此必须进行坐标转换。在本研究中， 应用a r c g i s 8 3 的功能模块，读入g p s 数据，完成精确投影变换和数据格式转换，将w g s 8 4 坐 标下的g p s 数据转换到北京5