土地利用方式变化对吴江市耕地土壤环境质量的影响

1、土地利用方式变化对吴江市耕地土壤环境质量的影响侯鹏程（上海农林职业技术学院，上海松江：201600）摘 要: 土地利用方式的不同影响着土壤环境质量的变化。本文采用了2003年江苏省吴江市耕地质量监测中资料, 分析了六种不同土地利用方式下的土壤养分及Pb, Cr, Hg, As, Cd等5个重金属元素全量的变化, 并采用土壤质量综合指数(SQI)法计算不同利用下的土壤环境质量指数。关键词：土地利用方式；土壤质量；土壤养分；土壤重金属当前，土地利用方式对土壤质量及其生态环境功能的影响成为地球表层系统界面过程及其环境效应研究的热点。合理的土地利用可以改善土壤结构，提高周围空气和水的质量，增强土壤对外

2、界环境变化的抵抗力，不合理的土地利用会导致土壤质量下降，增加土壤侵蚀、降低生物多样性、生态系统服务功能和土地生产力等1。本文利用2003年进行的吴江市耕地调查的资料，对该市稻田、旱地、苗木地、桑园、果园和菜地等不同利用下共300多个表土样品的土壤养分性质（pH、有机碳、全氮、有效磷和速效钾）和重金属（Pb、Cd、Hg、As和Cr）全量进行了统计分析，并利用土壤质量的综合指数评价不同土地利用对土壤质量的影响。1 资料和方法1.1 研究区概况吴江市土壤大部分属沼泽土起源，地势低平，自东北向西南缓慢倾斜，南北高差2.0米左右。田面海拔高程一般3.24.0米。因受不同水系的影响，形成以壤质为主，砂壤、

3、粘质为辅，壤、砂、粘交叉沉积、混合淀积和间隔出现的母质组合，土壤以壤粘土质的黄泥土和粘土质的青紫泥为主。历史上本区是江苏重要的水稻生产区，产量高且稳定。在江苏上世纪70年代以来，工业的快速发展和农业产业结构的调整，土地利用发生了显著的变化（表1）。表1 近20年来吴江市土地利用类型面积变化表Table 1 The area variety of different land use in recent twenty years in WuJing土地利用类型农田土壤面积/hm2 1982年2003年稻田63691.5018293.33林地(花卉苗木地) 212.655340.00果园 /700

4、.00桑园 4560.454106.67菜地(商品菜地) /1946.67旱地 4292.82700.00总计 72757.4131086.671.2 资料来源所采用的资料来自农业部全国耕地质量监测计划中对吴江市耕地土壤质量调查。该次调查按全国耕地质量监测规范于2003年秋作物收割后进行，在1980年吴江县全国第二次土壤普查的主剖面点位基础上，进行全市随机的耕层土壤（015cm）抽样调查。其中，蔬菜地66 hm2取土样1个，稻田133 hm2取土样1个，林地（含花卉苗木地）、果园、桑园66 hm2取土样1个。本次调查共采得稻田土壤样品110个、菜地土壤样品15个，桑园土壤样品26个，果园土壤样

5、品10个，林地土壤样品33个以及旱地土壤样品84个。采样兼顾在全市的空间代表性，随机选取田块地点，用GPS进行定位，建立编号。在所确定田块采用“X”法随机五点取样均匀混合后取部分成为混合样。1.3 土壤性质的测定分析 对土壤的基本性质分析均按鲁如坤推荐的方法2进行，具体方法如下：1.3.1土壤养分(1)土壤有机碳：高温外加热重铬酸钾氧化-容量法；(2)土壤全氮：半微量开氏法；(3)有效磷：碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法；(4)速效钾：乙酸铵提取-火焰光度法 ；(5)pH值：水:土比1:2.5，电位计法。1.3.2土壤重金属全量的分析方法如下：(1)土壤总铅和总铬：火焰原子吸收光谱法（GB/T171

6、371997）；(2)土壤总镉：石墨炉原子吸收光谱法（GB/T171411997）；(3)土壤总汞：冷原子吸收法（GB/T171361997）。(4)土壤总砷：二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法（GB/T171341997）所有测定在江苏省张家港市土肥站化验室（通过省级技术认证）进行，于2004年8月前完成。1.4 统计分析采用SPSS 12.0 软件进行平均值、标准差统计及T-TEST统计分析，显著性差异水平取(p0.05)。1.5 土壤质量评价采用了土壤质量综合指数(SQI)计算不同利用下的土壤环境质量3。土壤质量综合指数是土壤各指标因子的综合和集成。由于土壤因子变化具有连续性质,故各评价指

7、标采用连续性质的隶属度函数，并从主成分因子负荷量值的正负性，确定隶属度函数分布的升降性。通过隶属度函数求出各指标的隶属度，其中养分指标属于一种S型的隶属关系，其隶属度函数为： 1.0 x2x f (x)= 0.9(x-x1)/(x2-x1)+0.1 x1xx2 0.1 xx1pH属于抛物线型隶属度函数，相应的隶属度函数为： 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xx4参考中华人民共和国农业行业标准（NYT391-2000）以及前人研究结果4，根据沈汉1990年划分的土壤

8、评价指标中拐点的选择8，结合当地土壤类型我们确定了曲线的转折点(表1、2）：表1 s型隶属度函数转折点Table 1 Values of turning point in S-type membership function利用方式水田旱地林地转折点X1X2X1X2X1X2有机质153010201050全氮0.751.50.51.20.51.2速效磷2.5105102.510速效钾401005010050100表2 抛物线型函数转折点值Table 2 Values of turning point in parabola-type membership functionpH转折点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某重金属对二级土壤重金属环境质量的隶属度函数10： 0 xa或 xc f (x)= (x-a)/(b-a) axb (c-x)/(c-b) bxc再利用SPSS求出各因子的权重（表3）如下：表3 土壤肥力质量各指标权重Table 3 Weight of evaluated factors of soil quality in Wujiang County指标pH有机质全氮有效磷速效钾权重0.100.110.130.110.10指标总镉总铅总铬总砷总汞权重0.090.090.090.080.10土壤质量

10、的综合指标值的计算公式为: SQI= (=1)式中Wi为各评价指标的权重，Ii为评价指标对土壤质量的隶属度。2 结果与分析2.1 土壤质量指标的总体变异对本次耕地质量监测的养分指标和重金属全量的所有测定数据的统计结果列于表4。可见，这些指标的变异幅度迥异。变幅最大的是有效磷，达80%以上，其次是重金属元素Cd、Pb和Hg，达30%50%， 变异程度中等的是碳、氮和重金属铬、砷，最小的是土壤pH，变异系数仅达10%左右，因而土壤pH基本上受成土过程控制。看来，土壤中有效磷素在不同利用和人类干扰下最易变化，重金属元素的较大变异与污染有关。表4 2003年吴江市耕地监测肥力与环境质量指标的统计Tab

11、le 4 Statistics of cropland fertility survey data of Wujiang city in 2003项目pH/g·kg-1SOC/g·kg-1全氮/g·kg-1有效/g·kg-1速效钾/g·kg-1全镉/mg·kg-1全铅/mg·kg-1全铬/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标准差0.63.860.3815.04320.03512.4013.42.630.1002.2 不同利用下土壤pH和养分的变异比较将不同利用下土壤的基本养分性质的统计比较列于表5。可以表明，不同利用下土壤的pH和养分含量发生了广泛的变异。从表5可见，稻田的平均pH最高，显著地高于除桑园外的非灌溉土壤，而果园土壤酸化明显，pH多在5.0以下。这是稻田经常处于还原状态下，有利于土壤的酸碱缓冲。因此，水稻土抵抗酸化的能力较强。土壤有机碳也以水稻土为最高，与其他利用下土壤都存在极显著差

13、异。表5 不同利用下土壤基本养分性质的变异比较Table 5 Variation of soil nutrient under different land use稻田旱地林地果园桑园菜地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速效钾/ (g·kg-1)80.57±20.52c112.77±32.39bc113.30±33.68bc122.31±33

15、.49a114.25±0.42bc103.13±32.01b同行小写字母表示不同利用下差异显著性(p0.05)，下同。土壤有效磷是最易移动的磷，最近有许多报告表明，农田土壤中高含量的有效磷对于水系富营养化有重要影响5,6。本次监测结果却表明，尽管水稻土中的磷被常常认为是磷面源污染的来源，但稻田土壤有效磷显著低于其他利用方式下，而桑园和菜地的有效磷最为丰富，最高达到70mg/kg。以上由该市桑园和菜地的面积已占全市耕地的20%。因此，在控制平原地区磷的面源污染上，控制菜地、桑园和其他旱地土壤磷的输出可能更为迫切。六种土地利用方式下稻田钾的含量显著低于其余五种利用方式，可见其他

16、五种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属含量的变异土壤重金属含量是土壤环境质量的重要指标。不同利用下土壤重金属Pb, Cd, Hg, As, Cr的含量的差异结果列于表6。不同利用下土壤重金属元素的全量存在明显的差异前述的重金属全量的频率分布显示，Pb、Cd和As的变异程度明显较大，可能在部分土壤中出现外源污染。这里的结果表明，在不同利用中，菜地的Pb、Cd和As的全量变异比其他利用下明显较大，说明菜地土壤样品出现污染的情况可能较多。其次是桑园的Pb和As，果园的Cr的变异也较明显，这些利用下的土壤重金属污染情况也较多。表6 不同利用下土壤重金属全量(mg·kg

17、-1)Table 6 Total content of heavy metal under different land use稻田桑园菜地旱地果园林地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以桑园土壤较高于稻田、旱地和苗木林地，而果园土壤含量最低。土壤C

19、d含量总体上很低，但仍以稻田中最低，其他土壤中不存在显著差异。Hg含量以果园和菜地土壤中最低，而桑园中较高。As是稻田较高，桑园和菜地土壤中较低；Cr是桑园和菜地中显著较低，而稻田中较高。这种差异一方面可能与不同利用下土壤化学有效性和环境迁移条件的差异有关，例如果园、桑园和菜地土壤酸性总体较强，有利于溶解态重金属的淋溶；而稻田经常处于还原状态，As的移动性不如旱地氧化条件下高；另一方面，也与不同利用下施肥和灌溉的实践的差异有关。菜地和桑园长期使用大量磷肥，可能是土壤中较高的Cd的原因，而果园土壤中重金属全量一般较低，则可能与果树树冠截获外界污染物以及树木对表土元素的长期吸收而积累于体内有关。看

20、来，近20多年来的土地利用变异对该市土壤环境质量已产生了显著的影响。2.4 不同利用下土壤环境质量探索性综合评价考虑到当前土壤环境质量中主要的问题是控制土壤酸化和重金属的移动，促进土壤固碳和减少环境磷释放，我们将本次耕地监测的养分进行归一化的处理，探索不同利用下土壤环境质量的变异。利用前面的土壤养分综合指数SQI公式计算得到2003年六种不同利用方式下土壤环境质量如图2，可见在六种土地利用方式中稻田的土壤质量综合指数显著高于其他五种土地利用方式，而在旱地、菜地、林地、果园、桑园其余五种差异不明显。总体而言，稻田环境质量仍处于最优。图2 六种土地利用方式下平均土壤质量综合指数Fig.2 The

21、mean SQI value of soils under the six types of land uses3 结论（1）吴江市土壤基本上属微酸性土壤，部分土壤已经属于强酸性土壤，可见太湖地区普遍存在的酸化趋势。在稻田、林地、桑园、菜地、果园、旱地六种吴江常见的土地利用方式下，土壤有效磷显著低于其他利用方式中。可见在控制太湖地区磷的面源污染上，控制菜地、桑园和其他旱地土壤磷的输出可能更为迫切。（2）最近20多年吴江市土地利用方式发生了强烈的变化，这种变化深刻地影响了土壤性状及环境质量。在六种土地利用方式中，稻田的土壤环境质量综合指数显著高于其他利用下，可见稻田作为一种太湖地区传统的利用方式，仍是保持最佳土壤环境质量的土地利用选择。参考文献：1李新宇,唐海萍,赵云龙,等.怀来盆地不同土地利用方式对土壤质量的影响分析J.水土保持学报.2004.19(6): 103-107.2孙波,张桃林,赵其国.我国东南丘陵山区土壤肥力的综合评价J.土壤学报,1995,32(4):362-369.3沈汉. 土壤评价中参评因素的选定与分级指标的划分J.华北农学报,1990,5(3):63-69.4朱青,周生路,孙兆金,等.两种模糊数学模型在土壤重金属综合污染评价中的应用与比较J.环境保护科学,