苏州市城市边缘带土壤肥力演变特征及演变趋势

苏州市城市边缘带土壤肥力演变特征及演变趋势

随着我国工业化和城市化的快速发展，城市边缘区土壤资源的分布空间日益缩小，土地利用方式和土壤功能日益多样，土壤异质性和土壤质量的变化变得越来越强烈。在此背景下,需要大量的土壤属性及其时空演变信息以满足城市边缘带土壤资源保护、合理配置与高效利用的现实需要,以实现城市化、工业化与区域生态环境建设协调发展战略。另一方面,随着城郊型集约农业、精准农业及设施农业的蓬勃发展,土壤变异特别是土壤质量时空变异信息的获取正发挥越来越重要的作用,适时、准确的土壤质量信息不仅是确定土宜、进而决定土壤资源利用方式的必要前提,同时也是精准土壤养分管理和高效施肥实践的基础。苏州市位于长江三角洲中部,江苏省南部,属于亚热带湿润季风海洋性气候、降水丰沛、地形平坦、土壤肥沃,农耕历史悠久,过去一直是重要的传统农业区和著名的鱼米之乡。经过改革开放20多年以来社会经济的高速发展,苏州市目前已经成为长江三角洲地区城市扩张速度最快的地区之一。城市化率由1999年的35.3%提高到2002年的48.1%,年均增长率约为4%。随城市化、工业化进程的不断深入,农业结构调整步伐不断加快,城市边缘带土地利用格局变化剧烈、农业集约化程度不断提高、土壤资源利用与农业物质投入强度日益加大。受此影响,土壤肥力质量演变速率加快,空间分异程度加大。本研究以苏州市城市边缘带土壤肥力质量为研究对象,通过对11个样区不同利用方式下的土壤进行系统的采样分析,利用数值化综合评价方法建立土壤肥力综合指标,通过数理统计分析以及ArcGIS9.0分析软件,揭示苏州市城市边缘带不同土壤类型土壤综合肥力空间变异特征,动态演变规律以及综合肥力等值线图,以期为苏州市都市农业发展战略中土壤资源利用格局的规划和调整、土壤资源的优化配置和集约利用、土壤资源保护和土壤质量调控提供决策依据。1研究区概况及土壤类型1.1研究区概况苏州市位于北纬30°47′~32°02′、东经119°55′~121°20′之间,全市总面积8488km2。该市自1983年地市合并,实行市管县体制,2001年吴县市拆分为吴中、相城两个区。现辖沧浪区、平江区、金阊区、吴中区、相城区、虎丘区、苏州新加坡工业园区、高新技术开发区8个区和常熟市、张家港市、太仓市、昆山市、吴江市5个县级市。本文研究区为不包括5个县级市在内的苏州市区,行政面积1650km2。截止2003年,研究区城镇建成区总面积达到263km2,与1984年相比面积扩大2.6倍,年均扩张面积4.40km2。苏州市城市边缘带为典型的农业-工业混合型城市边缘带,土地利用结构复杂,农业生产活动主要以水稻与小麦、油菜轮作以及果蔬、花木种植为主。研究区内分布的土壤类型多样,以粘壤质普通简育水耕人为土和粉砂粘壤质普通简育水耕人为土分布面积最广。由于农耕历史悠久,本区土壤发生学特性与肥力特征普遍反映出较为强烈的人为活动影响。1.2样区设置及设置根据1∶10万苏州市地形图、1∶20万苏州市土壤图和基于SPOT卫星遥感影像(2003年10月)解译的土地利用现状图,在系统考虑土壤分布、发生类型、人为活动历史、利用现状以及与城镇建成区距离等时空因素的基础上,综合分析野外调查信息和第二次土壤普查资料,在苏州市城市边缘带内的吴中区、相城区、虎丘区、苏州新加坡工业园区、高新技术开发区共设置11个面积不等的典型样区(图1),样区基本覆盖了苏州市城市边缘带有代表的土壤与土地利用类型。2土壤样品及样点设置2.1样品采集与处理11个样区分别采集土壤样品,采用等距格网(200m×200m)法布设样点。11个样区共采集土壤表层(0~20cm)5m对角线混合样品201个。另设置典型土壤标准剖面20个,剖面样品分层采集。样点GPS定位并标识于GIS环境下的研究区综合信息图,样点所在地土壤类型、利用现状、耕作历史、物质投入等相关信息录入样区数据库。土壤样品自然风干后研磨,弃除土壤侵入物,研磨分别过10目、60目、100目筛,用于不同项目的实验室测试分析。2.2全氮、碱解氮测定土壤pH采用电位法,有机质采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法,阳离子交换量(CEC)采用醋酸铵-EDTA交换法,全氮采用半微量开氏定氮法,全磷采用氢氟酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法,全钾采用氢氟酸-高氯酸消煮-火焰光度法,碱解氮采用碱解扩散法分析测定。速效磷采用盐酸-氟化铵法,速效钾采用乙酸铵提取法,具体规范见《土壤农业化学分析方法》。2.3x4xx值的测算本研究的土壤肥力质量评价采用骆伯胜等人介绍的数值化综合评价方法。首先对选定的肥力质量指标土壤表层pH值、有机质、全NPK、速效NPK进行无量纲化数值处理,即根据作物的响应效应曲线建立各肥力要素相应的隶属函数,计算其隶属度以表征各肥力要素的状态值。相应的隶属度函数为: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)取值区间为[0.1,1.0],最大值1.0表示要素x处于最好的肥力状态,最小值0.1则表示肥力状况最差。f(x)最小值非零化取值一是为了计算方便,二是符合各要素发挥肥力效应的客观情况。根据骆伯胜等的研究,确定曲线中转折点的相应取值如表1所示。由于各肥力要素对土壤整体肥力质量的贡献率不同,因此在对土壤肥力质量进行综合评价时确定各肥力要素的权重系数至关重要。为准确反映各肥力要素之间的交互作用与相互影响,单项肥力要素的权重系数由其要素之间的偏相关系数来确定。本研究应用SPSS11.5软件的偏相关分析功能,求得各肥力要素与其它要素偏相关系数的平均值,该平均值占所有肥力要素偏相关系数平均值之和的百分率即为该要素对土壤肥力质量的贡献率,由此可以得出各项肥力指标的权重Wi,结果如表2所示。依据上述相关计算结果,采用相互交叉的同类要素间加法合成法获得土壤肥力质量综合数值指数:SFQ=Wi×Ni,Ni=f(x)(2)Wi表示全重,Ni表示隶属度函数3土壤性状与土壤肥力3.1土壤综合肥力描述性统计及变异特征分析样品土壤理化性状实验室分析测试结果的描述性统计分析列于表3。研究区表层土壤pH平均值5.7,变化范围4.3~7.6,全区201个样点中,pH低于5.0的18个,而pH低于6.0的142个,占70%以上。样点间土壤表层pH变异系数10.3,属于空间弱变异,研究区土壤酸性特征明显。样区表层土壤电导率平均值223.8uscm-1,变化范围55.6~1917.0,变异系数为95.5%,属空间强度变异。在土壤电化学属性中,电导率常被用于表征土壤盐离子浓度高低与土壤盐渍化程度。但由于能有效反映土壤中离子总量,电导率也常被用作表征土壤肥力的一个综合性参考指标。水耕土壤上的研究表明,土壤肥力质量高低与土壤电导率之间具有显著相关关系。本研究的土壤电导率测定与分析结果一定程度上反映出苏州市边缘带土壤肥力质量较强的空间变异特征。表层土壤养分方面,研究区土壤有机质平均含量32.83gkg-1,明显高于城市边缘带以外地区土壤有机质含量总体水平,反映了城郊型、集约型农业条件下物质高投入特征。同时,研究区内土壤表层有机质含量变幅极大(4.5~95.4gkg-1),变异系数高达33.9%,属空间强度变异,表明城市边缘带土壤资源利用的多样性及其对土壤有机质含量的强烈影响。即使在同一利用方式下的土壤,耕作历史与利用管理、物质投入方面的差异依然导致土壤有机质含量存在明显不同。分析表明,研究区内水田、荒地、园地和菜地等不同利用方式下土壤有机质变异系数都>20%,均属于空间强度变异。土壤表层全N平均含量1.87gkg-1,变幅为0.29~4.43gkg-1,其空间分析特征与土壤有机质含量显著相关,变异系数(28.88%)与有机质接近,属空间强变异。全P平均含量0.77gkg-1,变幅为0.22~5.98gkg-1,变异系数80.5,表现出空间极强变异特征。局部区域表层土壤P素聚集现象明显,反映出外源P(施肥、污染)的强烈影响。表层土壤全钾平均含量14.65gkg-1,全K变异系数为15.77%,其空间变异特征明显弱于全N、全P,主要体现为土壤发生学特性上的差异。与全量养分相比,土壤表层速效养分表现出更强的空间变异性,相对变异和绝对变异特征均强于全量养分,土壤肥力这一普遍特点在城市边缘带地区表现得更为突出。研究区表层土壤速效P变异系数高达388%,碱解N、速效K的变异系数也都超过了35%,反映出城市边缘带土壤资源利用的多样性以及农业人为活动对土壤肥力特征的强烈影响。表层土壤CEC均值为19.9,变异系数为14.5%,属于中等空间变异,其分布与pH、全N、碱解N及有机质含量具有密切的空间关系。3.2土壤全量养分含量的变化基于1986年第二次土壤普查期间获取的土壤数据,对研究区土壤主要肥力要素进行纵向的对比分析,以揭示苏州市城市边缘带土壤过去20年来肥力质量动态演变趋势(表4)。结果表明,苏州城市边缘带土壤酸化趋势明显,研究区表层土壤pH平均值从1986年的6.5大幅下降到目前的5.7,时间序列上看,土壤pH下降具有明显的加速迹象。调查表明,大气酸沉降以及工业排污是城市边缘带土壤pH降低的主要原因,反映出苏州地区快速的城市化、工业化进程以对土壤环境的强烈影响。与20世纪80年代中期相比,研究区土壤养分总体呈现明显上升趋势。其中,土壤表层有机质含量总体水平上升约16.0%,表层土壤全N、全P平均含量上升分别为10.4%和18.8%,CEC上升11.8%,反映出随着城市边缘带的不断外扩,土壤利用方式程度提高、物质投入强度加大对土壤养分水平的影响。在土壤全N、P含量明显上升的同时,研究区表层土壤全K却呈现总体下降趋势,与1986年相比平均下降幅度为8.6%,说明研究区土壤利用方式、利用强度的变化一定程度上加剧了土壤全量养分失衡现象。速效养分方面,表层土壤碱解N含量与1986年相比呈下降趋势,平均下降幅度9.3%,而速效P与速效K平均含量同期分别上升19.5%与25.8%,表明研究区以N肥处支配地位的施肥结构发生明显变化,在土壤全K损耗明显的情况下,K肥的施用日益受到重视。3.3土壤肥力质量以201个样点土壤各肥力要素的平均值作为本文公式(1)、(2)的原始输入参数,计算得出研究区土壤平均肥力质量数值化指数为0.80,与基于1986年第二次土壤普查数据求算的平均肥力质量指数0.72相比有明显提高,上升幅度约为10%。这一结果定量地揭示了苏州城市边缘带土壤20年来肥力质量的演变方向与演变速率。为揭示研究区不同土壤类型的肥力质量演变趋势,选取分布面积较大的10个主要土属作为研究对象,基于1986年和2004年获取的土壤肥力要素数据,分别计算每一土属两个不同时期的综合肥力质量指数平均值,结果列入表5。10个样本土属中,只有粘壤质底潜铁渗水耕人为土20年来土壤综合肥力质量指数未发生明显变化。其余9个土壤中,5个土属的综合肥力质量表现出上升趋势,其中粉砂粘壤质普通简育水耕人为土综合肥力质量指数绝对升幅及相对变化率均为最大,分别达0.30和50.85%;4个土属的综合肥力质量下降,其中粘质底潜铁渗水耕人为土综合肥力质量指数下降的绝对幅度和相对变化率值最大,分别达到-0.15与-21.13%。经过20年演变,就分布类型而言苏州市城市边缘带土壤资源结构未发生变化,而土壤质量结构却变化明显。1986年第二次土壤普查时,研究区粘质铁渗潜育水耕人为土综合肥力质量指数最高,平均值为0.75,壤质普通简育铁渗水耕人为最低,平均值0.47;2004年本研究实施时,综合肥力质量指数最高的土壤类型为粉砂粘壤质普通简育水耕人为土,平均值为0.89,最低为粘壤质普通简育水耕人为土,平均值0.52。同时,研究区土壤肥力质量空间可变性与1986年相比显著增大,最大变幅与变异系数明显升高。1986年研究区肥力质量最高的土属其综合肥力质量指数的变幅与变异系数分别为0.28和15.15%,到2004年,肥力质量最高的土属其综合肥力质量指数的变幅与变异系数分别为0.37和20.44%,这一组数据反映出快速工业化、城市化与农业集约化背景下土壤资源利用方式与利用强度的变化对土壤质量结构及其空间变异特征的重要影响。4土壤肥力综合质量指数的测算结果。据测算的(1)研究区土壤肥力要素表现出较强的变异性,表层土壤电导率、有机质、全N、全P以及速效养分含量的变异系数均大于20%,其中速效磷含量的变异系数更高达388%,体现出城市边缘带土壤肥力空间分异的普遍特征,反映了土地利用与管理方式空间上的多样性与时间序列上的高度可变性对土壤质量演变的重要影响。(2)在表层土壤有机质、全N、全P及各种速效养分含量水平明显提高的同时,过去20年来土壤全K含量却呈下降趋势,表明研究区土壤养分不均衡现象依然存在且愈加突出;土壤pH从6.5大幅下降为5.7,大气酸沉降以及工业排污是城市边缘带土壤酸化的主要原因,反映出苏州地区快速的城市