深圳市光明新區(qū)土壤肥力時(shí)空演變的主成分分析

周 波，陳旭飛，張聰俐，李靜娟，張 靜，任宗玲，張 池，戴 軍

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東廣州510642)

人類活動(dòng)的干擾對(duì)土壤肥力屬性具有一定影響［1-2］.深圳市光明新區(qū)位于珠三角腹地，20世紀(jì)80年代以來，經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)了高速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了土壤利用方式、管理及投入水平等方面的轉(zhuǎn)變.這些轉(zhuǎn)變對(duì)該區(qū)土壤肥力的演變是否造成影響［3］，經(jīng)濟(jì)發(fā)展初期土壤肥力的主要障礙因素與當(dāng)前是否相同，這些問題都關(guān)系到土壤資源的合理及可持續(xù)利用［4］.因此，有必要對(duì)土壤肥力的年代與區(qū)域變異情況進(jìn)行綜合分析［5］.本文通過對(duì)深圳市光明新區(qū)土壤容重、pH、有機(jī)質(zhì)、全氮及有效養(yǎng)分等肥力指標(biāo)的測(cè)定與分析，研究該區(qū)土壤肥力屬性隨時(shí)間和空間的變異情況，分析其改良的關(guān)鍵因子，并探討珠三角地區(qū)土壤肥力在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中的時(shí)空演變趨勢(shì)，以期為該區(qū)域土壤資源的高效管理及合理利用提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

深圳市光明新區(qū)位于深圳市西北部，北緯22°42'～22°49'、東經(jīng) 113°52'～113°60'之間，總面積156.1 km2，當(dāng)前人口約80萬.該區(qū)地處北回歸線以南，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫22.4℃，平均無霜期355 d，年均降雨1 926.7 mm.地貌類型為低山丘陵和臺(tái)地，土壤母質(zhì)為花崗巖，主要土壤類型是赤紅壤.區(qū)內(nèi)耕地面積占深圳市的40%，主要分布在白花、樓村、北區(qū)、將石和鳳凰5大片區(qū).土壤利用方式在20世紀(jì)80年代以水稻為主，糧食作物占總播種面積的76.8%，經(jīng)濟(jì)作物14.2%，蔬菜6.9%，近10年則以蔬菜和水果生產(chǎn)為主，占總面積的98%以上.施肥習(xí)慣在20世紀(jì)六七十年代以綠肥和農(nóng)家肥為主，80年代開始使用化學(xué)肥料，近年則以化學(xué)復(fù)合肥為主.

1.2 樣品采集與分析

20世紀(jì)80年代的土壤肥力數(shù)據(jù)采用1984年完成的第2次土壤普查中關(guān)于光明新區(qū)舊址的土壤肥力數(shù)據(jù)［6］，2011年土壤肥力調(diào)查按照第2次土壤普查樣點(diǎn)位置布點(diǎn)，對(duì)于不同片區(qū)則按照代表面積大小、土壤類型、地貌特征等情況布點(diǎn)，選取10 m×10 m的范圍，依據(jù)“對(duì)角線法”采集0～20 cm的5個(gè)點(diǎn)土壤，混勻后利用四分法保留1 kg土壤備用，同時(shí)用GPS記錄每個(gè)樣點(diǎn)的經(jīng)緯度，并詳細(xì)記載樣點(diǎn)的地理位置、土地利用歷史、植被、土壤類型及施肥習(xí)慣等信息.將土壤樣品風(fēng)干磨細(xì)過篩，按照第2次土壤普查時(shí)采用的測(cè)定方法測(cè)定容重、pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀等土壤肥力指標(biāo).

容重用環(huán)刀法測(cè)定;土壤pH的測(cè)定用pH計(jì)電位法(水土質(zhì)量比2.5∶1.0);有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法;全氮的測(cè)定采用開氏消煮法;堿解氮采用堿解擴(kuò)散法;有效磷的測(cè)定采用Olsen法;速效鉀用NH4AC浸提-火焰光度法.

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用 SAS9.0、ADE-4［7-8］和 Excel等軟件進(jìn)行.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年代土壤肥力屬性差異分析

表1為1984年第2次土壤普查與2011年調(diào)查的土壤肥力屬性年代差異比較.經(jīng)過近30年的耕作，土壤容重顯著增加(P=0.041)，這與土壤利用方式以及耕作方法的轉(zhuǎn)變有關(guān).土壤 pH顯著升高(P=0.008)，2011年pH的標(biāo)準(zhǔn)差大于1984年，說明2011年的pH變異性大于1984年.土壤有機(jī)質(zhì)的含量與1984年相比差異不顯著(P=0.318).全氮和堿解氮的含量都顯著下降，但2011年堿解氮樣點(diǎn)之間的均勻性要好于1984年.有效磷和速效鉀的含量與1984年相比顯著提高，標(biāo)準(zhǔn)差也大于1984年.從時(shí)間上看，不同肥力指標(biāo)的變化趨勢(shì)存在較大差異.

表1 不同年代土壤肥力屬性差異1)Tab.1 Differences in soil fertility properties in different years

單個(gè)指標(biāo)的分析不能真實(shí)反映土壤肥力屬性的年代變化規(guī)律，本文針對(duì)以上7個(gè)指標(biāo)對(duì)該區(qū)土壤肥力屬性的年代變化進(jìn)行了主成分分析，結(jié)果如圖1所示.

由圖1a可見，第一和第二這2個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到86.65%，包含了樣本的大部分信息.第一主成分的貢獻(xiàn)率為62.23%，包含了大部分指標(biāo)的信息.第二主成分的貢獻(xiàn)率為24.42%，主要來自有機(jī)質(zhì)、全氮和容重等指標(biāo).結(jié)合圖1b分析可見，1984年土壤肥力偏向于較高的氮素含量、較低的磷鉀含量以及較低的pH和容重的方向，土壤肥力的主要決定指標(biāo)是堿解氮、全氮以及容重，主要障礙因素是速效磷、鉀的缺乏以及pH偏低.2011年的土壤肥力屬性偏向于有效磷和鉀含量高、氮素含量缺乏，土壤肥力的主要決定指標(biāo)是有效磷和速效鉀，主要限制因素則為全氮和堿解氮，以及容重.2個(gè)年代土壤肥力的主要決定指標(biāo)和限制因素都發(fā)生了變化，通過對(duì)土壤綜合肥力的判別分析發(fā)現(xiàn)，2個(gè)年代的土壤綜合肥力差異顯著(P=0.197).

圖1 不同年代土壤肥力屬性主成分分析圖Fig.1 Principal component analysis of soil fertility properties in different years

2.2 不同區(qū)域土壤肥力屬性差異分析

不同區(qū)域的空間條件不同，地理位置和地形有差異，水肥條件、耕作等人為擾動(dòng)的程度不同，導(dǎo)致在土壤肥力演變過程中，各肥力屬性產(chǎn)生差異.表2為研究區(qū)2011年不同基本農(nóng)田片區(qū)主要土壤肥力屬性指標(biāo)的差異分析.由表中數(shù)據(jù)可見，白花和樓村片區(qū)的容重顯著低于其他片區(qū)(P=0.039).白花片區(qū)pH顯著高于樓村片區(qū)，其余各片區(qū)之間差異均不顯著.樓村片區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他片區(qū)，北片區(qū)則顯著低于其他片區(qū)(P=0.014).全氮含量為將石和北區(qū)片區(qū)顯著低于其他片區(qū)(P＜0.000 1).將石片區(qū)的堿解氮含量顯著低于其他片區(qū)(P=0.002).白花片區(qū)有效磷的含量顯著高于其他片區(qū)(P＜0.000 1)，并且由標(biāo)準(zhǔn)差可見白花片區(qū)各樣點(diǎn)之間的差異最小.速效鉀以將石片區(qū)最低，顯著低于其他片區(qū)(P=0.005).

表2 不同區(qū)域土壤肥力屬性差異1)Tab.2 Differences in soil fertility properties in different areas

通過分析發(fā)現(xiàn)，各片區(qū)的土壤肥力變異方向存在較大差異，為進(jìn)一步明確不同片區(qū)的差異，對(duì)5個(gè)片區(qū)的7種土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行了主成分分析，結(jié)果如圖2.

由圖2a可見，第一主成分的貢獻(xiàn)率為42.67%，主要來源于容重、全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮及有效磷，第二主成分的貢獻(xiàn)率為20.40%，主要來源于速效鉀和pH.由判別分析發(fā)現(xiàn)各片區(qū)的綜合肥力存在顯著差異(P=0.011).北片區(qū)土壤肥力屬性主要向著較高容重和較低全氮、有機(jī)質(zhì)、pH的方向演變，土壤綜合肥力相對(duì)較低，主要限制因素為有機(jī)質(zhì)、全氮的含量和容重.將石片區(qū)土壤肥力屬性主要向著較高容重和較低有效氮、磷、鉀養(yǎng)分的方向演變，土壤綜合肥力較差，主要限制因素為容重和有效養(yǎng)分的含量.樓村片區(qū)土壤肥力屬性主要向著較高有效氮、磷、鉀養(yǎng)分含量和較低容重、pH的方向演變，土壤綜合肥力處于中等，主要障礙因素為pH偏低.鳳凰片區(qū)土壤肥力屬性則主要向著較高pH、全氮、有機(jī)質(zhì)和較低速效鉀的方向演變，土壤綜合肥力處于中等，主要限制因素為速效鉀含量.白花片區(qū)土壤肥力屬性則向著較低容重和較高全氮、有機(jī)質(zhì)及有效氮、磷、鉀養(yǎng)分的方向演變，土壤綜合肥力較高，各肥力因子較為平衡.

圖2 不同片區(qū)土壤肥力屬性主成分分析圖Fig.2 Principal component analysis of soil fertility properties in different areas

3 討論與結(jié)論

1984—2011年是珠三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時(shí)期，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)土壤肥力如何變化是許多農(nóng)業(yè)工作者比較關(guān)心的問題.本文從時(shí)間和空間2個(gè)方面對(duì)土壤肥力的演變進(jìn)行了分析.

研究區(qū)土壤綜合肥力在時(shí)間上未表現(xiàn)出顯著差異，但主要限制因素發(fā)生了變化.通過單個(gè)因素方差分析可見，容重等物理屬性變差，pH顯著上升，有機(jī)質(zhì)未產(chǎn)生顯著差異，氮素下降，磷、鉀等有效養(yǎng)分顯著提高.水田改為旱地是土壤容重和pH提高的主要原因之一［9］.葉菜類蔬菜對(duì)氮素的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水稻，雖然近年來投入了大量復(fù)合肥，但未能滿足葉菜對(duì)氮素的需求，故氮素含量大幅下降.大量復(fù)合肥的施用，導(dǎo)致了作物利用較少的速效磷、鉀元素的積累.主成分分析的結(jié)果則表明，1984—2011年的土壤綜合肥力未產(chǎn)生顯著差異(P=0.197)，說明28年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)土壤綜合肥力并未產(chǎn)生較大變化.但值得注意的是，耕作過程中由于種植模式、耕作方式、以及管理水平等方面的改變，使得土壤肥力的主導(dǎo)因子與主要限制因素都發(fā)生了較大變化［5］，有效磷和速效鉀的含量大幅度上升是對(duì)2011年土壤綜合肥力的主要貢獻(xiàn)因素，改善了1984年時(shí)的速效磷、鉀缺乏狀況，這主要是由于大量化學(xué)肥料施用造成的［10］，但大量速效養(yǎng)分的存在也極易造成土壤的次生鹽漬化［11］，應(yīng)科學(xué)控制速效養(yǎng)分用量.1984年氮素含量為土壤綜合肥力的主要貢獻(xiàn)因素，但2011年的氮素含量卻成為主要限制因素，土壤利用方式由1984年的水稻為主轉(zhuǎn)變?yōu)?011年的蔬菜為主，而蔬菜種植又以對(duì)氮素需求較高的葉菜類占多數(shù)，長(zhǎng)期高強(qiáng)度葉菜類蔬菜的連作可能是導(dǎo)致氮素下降的一個(gè)原因［12］.此外，2011年的土壤肥力屬性還表現(xiàn)出物理性狀變差和養(yǎng)分失衡現(xiàn)象，不合理施肥和長(zhǎng)期高強(qiáng)度連作是主要原因［13］，在今后的生產(chǎn)中應(yīng)注意用地與養(yǎng)地結(jié)合、科學(xué)耕作、合理施肥.

研究區(qū)不同位置的耕地土壤經(jīng)過28年的演變產(chǎn)生了顯著差異.隨著時(shí)間的推移以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，同一區(qū)域的不同農(nóng)田片區(qū)往往會(huì)形成各自的種植特色，種植模式的轉(zhuǎn)變會(huì)帶來各種管理方式的差異，土壤生態(tài)過程會(huì)隨之變化［14］，導(dǎo)致土壤肥力向著不同的方向演變［15］，最終作用于土壤綜合肥力［16］.不同農(nóng)田片區(qū)的土壤綜合肥力存在顯著差異(P=0.011)，1984年該區(qū)域土壤的利用方式以水稻為主，2011年98%以上都改為了蔬菜和水果，利用方式的轉(zhuǎn)變會(huì)影響土壤肥力演變［17-18］.北片區(qū)容重偏高，有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量較低，土壤綜合肥力較低，主要是因?yàn)樵撈瑓^(qū)有大面積新增和新整理的耕地［19］，耕層土壤尚未充分熟化，結(jié)構(gòu)尚未形成.將石片區(qū)以種植花卉和園林苗木為主，對(duì)土壤的管理較為粗放，水肥配合不夠得當(dāng)，影響了土壤肥力的演變過程［20］，最終導(dǎo)致綜合肥力較差.樓村和鳳凰片區(qū)均以蔬菜和水果種植為主，管理水平相對(duì)精細(xì)，土壤肥力處于中等.白花片區(qū)面積相對(duì)較小，以蔬菜種植為主，管理精細(xì)，水肥調(diào)節(jié)得當(dāng)［21］，土壤綜合肥力較高.

綜上所述，過去28年里，光明新區(qū)土壤pH升高，改善了土壤酸化現(xiàn)象.有效磷和速效鉀提高，改變了磷、鉀等速效養(yǎng)分缺乏的狀況，容重增大、氮素下降已演變成新時(shí)期土壤的主要障礙因素，土壤綜合肥力前后基本持平.但主成分分析表明，土壤肥力的主要貢獻(xiàn)因素和限制因素都發(fā)生了變化.利用方式和管理水平等方面的不同造成了空間上土壤綜合肥力及主導(dǎo)肥力因素的變異.白花片區(qū)綜合肥力最高，各肥力因子較為平衡;樓村和鳳凰片區(qū)肥力中等，限制因素分別為pH和速效鉀含量;北片區(qū)和將石片區(qū)土壤肥力最差，主要限制因素為土壤容重等物理性狀.在今后的耕作中應(yīng)針對(duì)主導(dǎo)肥力因素和肥力限制因子，加強(qiáng)現(xiàn)有肥力水平的保護(hù)和改良，采取積極的土壤保養(yǎng)手段進(jìn)行科學(xué)合理的耕作.最終實(shí)現(xiàn)珠三角區(qū)域土壤資源的合理保護(hù)與利用.通過分析發(fā)現(xiàn)，主成分分析不僅能夠區(qū)分土壤綜合肥力的高低，而且也是探查主要土壤肥力障礙因子的有效方法.

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