基于土壤肥力的江蘇省耕作層土壤剝離分區(qū)與深度確定

王君櫹，劉 斌，周生路※，徐翠蘭，隋雪艷，朱 雁，王炳君

基于土壤肥力的江蘇省耕作層土壤剝離分區(qū)與深度確定

王君櫹1，劉 斌2，周生路1※，徐翠蘭2，隋雪艷2，朱 雁3，王炳君3

（1. 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210046；2. 江蘇省土地開(kāi)發(fā)整理中心，南京 210024；3. 南京南源土地開(kāi)發(fā)利用咨詢有限公司，南京 210008）

耕作層土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是耕地資源的核心，剝離利用對(duì)保障耕地?cái)?shù)量和質(zhì)量動(dòng)態(tài)平衡具有重要意義。該研究在江蘇省內(nèi)收集了來(lái)自20世紀(jì)80年代的201個(gè)代表性土壤剖面及其不同層次有機(jī)質(zhì)、容重、pH值、全氮、全磷、速效鉀和土層厚度等屬性數(shù)據(jù)，通過(guò)主成分分析確定江蘇省耕地肥力差異主控因子，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用聚類分析得出江蘇省耕地肥力性質(zhì)差異分區(qū)，最后采用顯著性檢驗(yàn)方法，得出了全省不同分區(qū)下耕地耕作層土壤剝離深度。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：1）對(duì)于所選取的指標(biāo)體系來(lái)看，影響全省耕地肥力性質(zhì)差異的因素主要有pH值、全磷、全氮含量和容重。2）江蘇省耕地土壤亞耕層/犁底層與表耕層肥力相似、性狀略差，應(yīng)考慮剝離利用，而心土層與表耕層、亞耕層/犁底層差異較大，不具有所需的質(zhì)量，不宜剝離利用。3）全省耕作層土壤剝離深度可分為6個(gè)區(qū)，分區(qū)結(jié)果與農(nóng)業(yè)綜合區(qū)劃相類似。4）耕作層土壤剝離深度應(yīng)區(qū)分水田、旱地、菜地，并結(jié)合全省不同地區(qū)的耕地保護(hù)壓力、耕地（農(nóng)用地）年轉(zhuǎn)用量、復(fù)墾開(kāi)發(fā)補(bǔ)充耕地面積情況等，實(shí)施差別化的管理?？蔀榻K省耕作層剝離工作提供參考。

土地利用；土壤；剝離；剝離深度；聚類

0 引 言

耕作層土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是耕地資源的核心[1]。隨著城市化進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，建設(shè)用地不斷增加，耕地及后備資源不斷減少，耕地占補(bǔ)平衡任務(wù)艱巨[2-3]。耕作層土壤剝離利用對(duì)保障耕地動(dòng)態(tài)平衡尤其是質(zhì)量平衡具有重要意義，當(dāng)前已引起高度重視，并成為土地使用者的法定義務(wù)[4]。然而，由于氣候、地形等成土因素以及土地利用差異的影響，耕地土壤的理化性質(zhì)、剖面構(gòu)型差別很大[5-8]，耕作層土壤剝離亟待加強(qiáng)指導(dǎo)和管理[9-10]，根據(jù)土壤類型、屬性和土地利用等的地區(qū)差異制定差別化的耕作層剝離方案[11]。目前，部分地區(qū)已開(kāi)展相關(guān)探索性工作[6,12-13]，但缺少操作標(biāo)準(zhǔn)，研究尺度過(guò)小，不能提供全局性、可操作性的決策支持[14-15]。為此，本文選取江蘇省為研究區(qū)，收集覆蓋全省所有縣市的代表性土壤剖面及其不同層次的土壤屬性數(shù)據(jù)，通過(guò)主成分分析確定江蘇省耕地肥力差異主控因子，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用聚類分析得出江蘇省耕地肥力性質(zhì)差異分區(qū)，最后采用顯著性檢驗(yàn)方法，得出了全省不同分區(qū)下耕地耕作層土壤剝離深度。通過(guò)揭示耕地不同層次厚度、土壤屬性的地域差異，進(jìn)行全省耕地土壤耕作層剝離分區(qū)并確定不同區(qū)域的剝離深度，以期對(duì)全省耕作層剝離工作提供指導(dǎo)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與技術(shù)路線

1.1 研究區(qū)概況

江蘇境內(nèi)地勢(shì)平坦，水網(wǎng)密布，平原面積大，耕地比重高。得益于長(zhǎng)期的耕作培育，耕地土壤普遍肥沃。降水量由南往北遞減，最南端年降水量大于1 100 mm，北部地區(qū)年降水量小于950 mm。截止2014年，江蘇省土地總面積10.26萬(wàn)km2，占全國(guó)的1.06%，全省耕地4.58萬(wàn)km2，而江蘇人口總數(shù)7 800多萬(wàn)，人口密度居全國(guó)各省之首，人均耕地面積586.67 m2，遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平[2]，同時(shí)，在此情形下，2014年仍有建設(shè)占用耕地12 km2。同時(shí)，十三五期間全省耕地后備資源共600 km2，江蘇耕地占補(bǔ)平衡尤其是質(zhì)量平衡形勢(shì)嚴(yán)峻[3]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文研究所依據(jù)的土壤剖面及其不同層次土壤屬性數(shù)據(jù)，全部來(lái)自于全省各縣市第二次土壤普查形成的土壤志，其采樣測(cè)定時(shí)間在20世紀(jì)80年代。雖然土壤屬性會(huì)隨時(shí)間變化，但本研究關(guān)注土壤空間差異，對(duì)時(shí)間變化并不敏感。耕地利用分為水田、旱地和菜地3種亞類型，每個(gè)土壤剖面劃為表土層、犁底層（亞耕層）和心土層3個(gè)層次，研究所據(jù)土壤屬性包括有機(jī)質(zhì)、容重、pH值、全氮、全磷、速效鉀等。由于地勢(shì)平坦，境內(nèi)土壤分異較小，每個(gè)縣市水田、旱地和菜地分別選取一個(gè)代表性土壤剖面。部分土壤分異較為顯著的縣市包括宜興市、東臺(tái)市、張家港市等則進(jìn)一步細(xì)分，其中宜興劃分為南部丘陵和北部平原、東臺(tái)劃分為東部沿海和西部里下河、張家港市劃分為太湖和沿江2個(gè)部分，全省共劃分67個(gè)縣級(jí)分析單元。搜集各縣市土壤志，并整理、統(tǒng)計(jì)，得到涵蓋各縣級(jí)分析單元的201個(gè)代表性剖面土壤屬性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，其中，旱地、水田、菜地剖面各67個(gè)，其中，108個(gè)剖面屬于河流沖積母質(zhì)，33個(gè)剖面屬于坡積母質(zhì)，27個(gè)剖面屬于湖相沉積物，15個(gè)剖面屬于海相沉積物，12個(gè)剖面屬于黃土和黃土狀推積母質(zhì)，6個(gè)剖面屬于殘積母質(zhì)。研究區(qū)土壤類型分布狀況如圖1。

圖1 江蘇省土壤類型分布狀況Fig.1 Distribution of soil types in Jiangsu Province

1.3 技術(shù)路線

江蘇耕作層土壤剝離分區(qū)與深度確定的主要步驟包括：1）根據(jù)代表性剖面土壤屬性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，通過(guò)主成分分析，確定影響江蘇省內(nèi)耕地土壤剖面肥力差異的主控因子；2）通過(guò)主控因子計(jì)算耕地土壤肥力主成分分值，并結(jié)合多種聚類算法對(duì)省內(nèi)各縣市土壤剖面肥力差異進(jìn)行分區(qū)；3）參考農(nóng)業(yè)綜合區(qū)劃和土壤改良利用分區(qū)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)并得出最優(yōu)分區(qū)結(jié)果；4）研究分區(qū)內(nèi)土壤不同土壤剖面層次間理化性質(zhì)的差異，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)確定剝離土壤層次；5）結(jié)合上述數(shù)據(jù)計(jì)算得出不同區(qū)域內(nèi)耕作層剝離深度。具體技術(shù)路線圖如圖2。

圖2 研究技術(shù)路線圖Fig.2 Technical route of research

2 結(jié)果與分析

2.1 江蘇省耕地土壤剖面肥力差異主控因子識(shí)別

江蘇省內(nèi)耕地土壤剖面肥力空間差異較大。為此，需要采用一定的分析方法，對(duì)省內(nèi)耕地土壤剖面肥力空間差異的主控因子進(jìn)行識(shí)別提取。但是，由于所選指標(biāo)個(gè)數(shù)較多，且數(shù)據(jù)間存在一定相關(guān)性，如果對(duì)數(shù)據(jù)不加以處理和清洗，會(huì)使得每個(gè)單元之間差異不顯著，從而影響聚類分區(qū)結(jié)果的準(zhǔn)確性[16]。主成分分析是一種很好的手段[17]。通過(guò)主成分分析，能夠很好的識(shí)別不同因素對(duì)耕地肥力性質(zhì)的影響程度，同時(shí)也可去除共線因素。

本研究在R語(yǔ)言中通過(guò)psych程序包通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)耕地土壤性質(zhì)相關(guān)系數(shù)矩陣計(jì)算和碎石圖繪制[18]。研究區(qū)耕地土壤性質(zhì)主成分碎石圖見(jiàn)圖3。

圖3 江蘇省土壤性質(zhì)主成分碎石圖Fig.3 Principal components crushed stone figure of soil properties in Jiangsu Province

從圖3中可以看出，特征值的真實(shí)值與估計(jì)值在4~5之間相交，可見(jiàn)選取4個(gè)主成分就可以很好的表示全省的土壤性質(zhì)狀況。在選定主成分個(gè)數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣計(jì)算特征值及貢獻(xiàn)率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

從表1中可以看出，第一主成分與表耕層厚度、表耕層全磷的含量、亞耕層/犁底層全磷的含量和心土層全磷的含量高度相關(guān)，第二主成分與表耕層pH值、亞耕層/犁底層pH值和心土層pH值高度相關(guān)，第三主成分與表耕層速效鉀的含量、亞耕層/犁底層速效鉀的含量和心土層速效鉀的含量高度相關(guān)，第四主成分與表耕層容重、亞耕層/犁底層全氮的含量、亞耕層/犁底層容重高度相關(guān)，可見(jiàn)在江蘇省全省范圍內(nèi)，控制耕地肥力性質(zhì)的主要有pH值、全磷、全氮含量和容重。

表1 江蘇省土壤性質(zhì)主成分分析相關(guān)系數(shù)矩陣Table.1 Correlation coefficient matrix of principal component analysis of Jiangsu Province soil properties

表2 江蘇省土壤性質(zhì)主成分分析特征值匯總矩陣Table.2 Feature summary matrix of principal component analysis of Jiangsu Province soil properties

表2中可見(jiàn)4個(gè)主成分解釋能力較為接近，同時(shí)這4個(gè)主成分可以解釋所有變量中70%的方差，總體代表性較好。

2.2 江蘇省耕地土壤剖面肥力差異分區(qū)

在全省耕作層剝離工作中，聚類分析是進(jìn)行空間分區(qū)的重要方法。聚類的結(jié)果是將一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象劃分為不同的組，使得組內(nèi)的元素相互之間差異最小而組間的元素之間差異最大。在本研究中，可以通過(guò)聚類分析方法將全省劃分為多個(gè)不同的區(qū)域，并保證相同區(qū)域內(nèi)的耕地肥力較為接近同時(shí)不同區(qū)域間的耕地質(zhì)量具有明顯差異。

在確定耕地肥力主控因子主成分分值之后，可根據(jù)每個(gè)縣市的主成分得分進(jìn)行聚類分析。聚類分析通過(guò)R語(yǔ)言cluster程序包[19-20]，對(duì)全省土壤主成分分值進(jìn)行聚類分析，聚類個(gè)數(shù)為6類（圖4）。

圖4 江蘇省不同聚類方法耕作層分區(qū)結(jié)果Fig.4 Clustering results of Jiangsu Province′s cultivated soil under different cluster methods

從圖4中看出每一個(gè)聚類中含有的地區(qū)個(gè)數(shù)并不相同，最少的一個(gè)類（如劃分層次聚類中的沿江平原區(qū)）中只有7個(gè)地區(qū)，最多的一個(gè)類（如K均值聚類中的徐淮平原區(qū)）中有20個(gè)。同時(shí)，劃分層次聚類結(jié)果空間表現(xiàn)較為細(xì)碎，而凝聚層次聚類和K均值聚類結(jié)果空間上都較為集聚。從不同聚類方法的結(jié)果中都能看出，同一分類中的地區(qū)地理位置也都較為接近，體現(xiàn)出位置相近的地區(qū)也具有相似的土壤本底、肥力性質(zhì)。

2.3 江蘇省耕地土壤肥力分區(qū)結(jié)果評(píng)價(jià)與確定

對(duì)聚類結(jié)果的精度評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)外常用的方法分為內(nèi)部性評(píng)價(jià)方法和外部性評(píng)價(jià)方法2種，內(nèi)部性評(píng)價(jià)方法由于缺少參照依據(jù)，較少用來(lái)進(jìn)行不同聚類方法結(jié)果的評(píng)價(jià)[21]。外部性評(píng)價(jià)是指將聚類結(jié)果同已有分類結(jié)果進(jìn)行比較，從而得出當(dāng)前聚類精度的方法[22]。在本次研究中，由于江蘇省耕作層剝離分區(qū)并未見(jiàn)相關(guān)研究，因而沒(méi)有直接可用來(lái)作為參照的聚類結(jié)果。不過(guò)，由凌啟鴻等學(xué)者完成的江蘇農(nóng)業(yè)綜合區(qū)劃工作中[23]和江蘇省第二次土壤普查[24]中都對(duì)全省農(nóng)用地進(jìn)行過(guò)區(qū)域劃分，雖然他們工作目的與本次研究并不相同，但他們的分區(qū)結(jié)果仍可作為全省土壤性質(zhì)的一種劃分方式，對(duì)全省土壤性質(zhì)的相似性與差異性具有一定的指示作用。

本研究以江蘇農(nóng)業(yè)綜合區(qū)劃和第二次土壤普查中的土壤改良利用分區(qū)結(jié)果，對(duì)聚類結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。常見(jiàn)的聚類評(píng)價(jià)指標(biāo)有：蘭德系數(shù)Rand statistic、杰卡德系數(shù)Jaccard coefficient、F-M系數(shù)Fowlkes and Mallows index、準(zhǔn)確度Precision coefficients、召回系數(shù)Recall coefficients和C-D系數(shù)Czekanowski-Dice index等[25]這些指標(biāo)能夠從不同方面評(píng)價(jià)聚類結(jié)果的準(zhǔn)確程度與有效性，值越大意味著準(zhǔn)確程度越高，有效性越好[26-28]。聚類分析通過(guò)R語(yǔ)言cluster程序包通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)[19]。聚類結(jié)果評(píng)價(jià)在R中通過(guò)clusterCrit程序包實(shí)現(xiàn)[25]。評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同聚類方法聚類評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.5 Results of cluster evaluation under different cluster methods

圖5 中，縱坐標(biāo)顯示為不同指標(biāo)的數(shù)值，橫坐標(biāo)中，ks指K均值聚類與土壤改良利用分區(qū)的比較結(jié)果，ka指K均值聚類與農(nóng)業(yè)區(qū)劃的比較結(jié)果，as指凝聚層次聚類與土壤改良利用分區(qū)的比較結(jié)果，aa指凝聚層次聚類與農(nóng)業(yè)區(qū)劃的比較結(jié)果，ds指分裂層次聚類與土壤改良利用分區(qū)的比較結(jié)果，da指分裂層次聚類與農(nóng)業(yè)區(qū)劃的比較結(jié)果?？梢?jiàn)本研究所選取的6個(gè)指標(biāo)中，C-D系數(shù)Czekanowski-Dice index、F-M系數(shù)Fowlkes and Mallows index、杰卡德系數(shù)Jaccard coefficient和準(zhǔn)確度Precision coefficients4個(gè)指標(biāo)都顯示出凝聚層次聚類的結(jié)果要好于分裂層次聚類的結(jié)果，K均值聚類的結(jié)果最差，召回系數(shù)Recall coefficients仍然顯示出凝聚層次聚類結(jié)果較好，但是K均值聚類結(jié)果要好于分裂層次聚類，同時(shí)這一指標(biāo)不同結(jié)果間的差異并不明顯。蘭德系數(shù)Rand statistic結(jié)果顯示凝聚層次聚類結(jié)果最差，K均值聚類結(jié)果最好。

同時(shí)還可以看出，同一聚類方法計(jì)算出來(lái)的結(jié)果，不管是與土壤改良利用分區(qū)還是與農(nóng)業(yè)區(qū)劃的結(jié)果進(jìn)行聚類精度檢驗(yàn)，差異都很小，而不同方法檢驗(yàn)結(jié)果差異較大但是都體現(xiàn)出在空間上集聚的趨勢(shì)，意味著相近的地區(qū)土壤理化性質(zhì)也較為接近，這與前人的研究也較為一致[29-30]。表明在本研究的精度檢驗(yàn)中，決定精度評(píng)價(jià)結(jié)果的是不同的聚類方法，而并不是用來(lái)比對(duì)的分區(qū)，這說(shuō)明了前輩學(xué)者所研究出的土壤改良利用分區(qū)和農(nóng)業(yè)分類結(jié)果是相互支撐的，且具有較高的代表性，意味著本研究以這兩個(gè)分類結(jié)果作為分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)是可行的，可信度較高。根據(jù)以上結(jié)果及分析可以得出，對(duì)于江蘇省耕作層剝離工作來(lái)說(shuō)，凝聚層次聚類結(jié)果是最優(yōu)結(jié)果。接下來(lái)的研究與討論都在此分區(qū)結(jié)果上展開(kāi)。

2.4 江蘇省不同區(qū)域耕作層剝離深度確定

在剝離工作中，土壤層次中表耕層的剝離是毋庸置疑的。然而，對(duì)于亞耕層/犁底層是否具有剝離再利用能力這一問(wèn)題，目前尚無(wú)定論。影響剝離深度的因素眾多，例如土壤有機(jī)質(zhì)含量、質(zhì)地、pH值、全氮含量等，且不同因素相互影響，沒(méi)有明顯的主導(dǎo)因素[6-7,10]。本研究通過(guò)比對(duì)不同層次間土壤理化性質(zhì)，研究土壤不同分層性狀、質(zhì)地、肥力之間的差異，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)研究不同土層間本底、肥力性質(zhì)的差異，計(jì)算土壤中具有剝離再利用能力的土層深度。

顯著性檢驗(yàn)，亦稱student t檢驗(yàn)（student′s t test），主要用于樣本含量較小，總體標(biāo)準(zhǔn)差σ未知的正態(tài)分布資料。T檢驗(yàn)是用于小樣本的2個(gè)平均值差異程度的檢驗(yàn)方法。它是用T分布理論來(lái)推斷差異發(fā)生的概率，從而判定兩個(gè)平均數(shù)的差異是否顯著。一般而言，T檢驗(yàn)結(jié)果P> 0.05，則說(shuō)明二者差異不顯著，反之則說(shuō)明二者差異顯著。

根據(jù)不同土層的土壤本底質(zhì)量和肥力質(zhì)量，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)對(duì)聚類區(qū)域內(nèi)每個(gè)土層的每個(gè)指標(biāo)相互間都進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得出各土壤分層之間理化性質(zhì)、肥力的差異與相似程度，從而確定每個(gè)指標(biāo)區(qū)域內(nèi)剝離層次。再根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算出指標(biāo)區(qū)內(nèi)每個(gè)層次的厚度均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，得到剝離深度。對(duì)每個(gè)區(qū)域內(nèi)土壤表耕層、亞耕層/犁底層和心土層的指標(biāo)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。結(jié)果如下表3所示：

表3 江蘇省耕作層不同分區(qū)下土壤層次顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Table.3 Significance tests of different soil layers in each clusterof Jiangsu Province soil cultivated layer

從表3中可以看出，各地區(qū)3種類型土壤都體現(xiàn)出相似規(guī)律，即亞耕層/犁底層與表耕層在個(gè)別地區(qū)的個(gè)別指標(biāo)上之外（如：里下河平原的菜地pH值、沿海平原的菜地有機(jī)質(zhì)等），容重、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和速效鉀、pH值上差異均不顯著，全省共有108組檢驗(yàn)值，其中7組顯示出差異顯著，101組顯示出差異不顯著。而同時(shí)，犁底層與心土層各個(gè)指標(biāo)除了在個(gè)別地區(qū)的個(gè)別指標(biāo)之外（如太湖平原的水田pH值等），差異均顯著，全省共有108組檢測(cè)值，其中3組差異不顯著，105組差異顯著。這就意味著對(duì)于全省絕大部分地區(qū)來(lái)說(shuō)，表耕層與亞耕層/犁底層具有相似的性狀與肥力，可以考慮同時(shí)剝離以提高耕地資源利用效率，最大程度減少優(yōu)質(zhì)耕地的浪費(fèi)與流失。而亞耕層/犁底層與心土層差異較大，不具有所需的質(zhì)量，不宜剝離。

將每個(gè)區(qū)域內(nèi)水田、旱地、菜地不同層次厚度按面積做加權(quán)平均處理，得到指標(biāo)區(qū)內(nèi)各層次厚度平均值，鑒于江蘇省耕地土壤肥力，亞耕層/犁底層接近于表耕層并明顯高于心土層，但亞耕層/犁底層土壤物理結(jié)構(gòu)偏緊實(shí)即容重偏大，耕地耕作層土壤剝離利用時(shí)，根據(jù)我省不同地區(qū)耕地保護(hù)壓力、耕地（農(nóng)用地）年轉(zhuǎn)用量、復(fù)墾開(kāi)發(fā)補(bǔ)充耕地面積情況等，采用差別化的剝離厚度。其中：1）耕地保護(hù)壓力小、耕地（農(nóng)用地）年轉(zhuǎn)用量小、復(fù)墾開(kāi)發(fā)年補(bǔ)充耕地面積小的地區(qū)，剝離厚度 = 耕層平均厚度，此為剝離厚度最小值；2）耕地保護(hù)壓力中等、耕地（農(nóng)用地）年轉(zhuǎn)用量中等、復(fù)墾開(kāi)發(fā)年補(bǔ)充耕地面積中等地區(qū)，剝離厚度 = 耕層平均厚度+1/2犁底層/亞耕層厚度，此為剝離厚度建議值；3）耕地保護(hù)壓力大、耕地（農(nóng)用地）年轉(zhuǎn)用量大、復(fù)墾開(kāi)發(fā)年補(bǔ)充耕地面積大的地區(qū)，剝離厚度 = 耕層平均厚度+犁底層/亞耕層厚度；此為剝離厚度最大值。

對(duì)結(jié)果中小數(shù)位數(shù)進(jìn)行四舍五入，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 江蘇省耕作層剝離深度值Table.4 Stripping depth value of soil cultivated layer in Jiangsu Province

此深度的計(jì)算確定，建立在江蘇省耕地亞耕層/犁底層接近于表耕層并明顯高于心土層的基礎(chǔ)之上。此方法適用于土壤肥力分布呈現(xiàn)相似特征的地區(qū)，同時(shí)，需要結(jié)合不同耕地利用類型，以及耕地保護(hù)壓力等多方因素綜合考量，確立最終的耕作層剝離深度。

4 結(jié) 論

本文利用全省范圍內(nèi)不同耕地類型的表耕層、犁底層/亞耕層和心土層的土壤屬性數(shù)據(jù)，利用聚類算法、顯著性檢驗(yàn)等方法對(duì)江蘇省耕地不同土壤層次差異、分區(qū)差異進(jìn)行研究。主要研究結(jié)論如下：

1）對(duì)于所選取的指標(biāo)體系來(lái)看，影響全省耕地肥力性質(zhì)差異的因素主要有pH值、全磷、全氮含量和容重?？梢?jiàn)江蘇省范圍內(nèi)，此4項(xiàng)土壤屬性變動(dòng)分能夠較好的代表全省土壤性質(zhì)差異。

2）對(duì)全省耕地肥力主成分分值進(jìn)行聚類分析，可將全省劃分為6個(gè)區(qū)，每一個(gè)聚類中含有的地區(qū)個(gè)數(shù)并不相同。從不同聚類方法的結(jié)果中都能看出，同一分類中的地區(qū)地理位置也都較為接近，體現(xiàn)出位置相近的地區(qū)也具有相似的土壤本底、肥力性質(zhì)。影響精度結(jié)果的主要是聚類方法，選取不同的分類結(jié)果作為參照，評(píng)價(jià)出的結(jié)論是一致的，可見(jiàn)對(duì)于江蘇省土壤肥力來(lái)說(shuō)，區(qū)域差異是客觀存在的，且根據(jù)T檢驗(yàn)結(jié)果，差異顯著。

3）對(duì)于全省絕大部分地區(qū)來(lái)說(shuō)，表耕層與亞耕層/犁底層具有相似的性狀與肥力，可以考慮同時(shí)剝離以提高耕地資源利用效率，最大程度減少優(yōu)質(zhì)耕地的浪費(fèi)與流失。而亞耕層/犁底層與心土層差異較大，不具有所需的質(zhì)量，不宜剝離。

4）鑒于江蘇省耕地土壤肥力，亞耕層/犁底層接近于表耕層并明顯高于心土層，但亞耕層/犁底層土壤物理結(jié)構(gòu)偏緊實(shí)即容重偏大，耕地耕作層土壤剝離利用時(shí)，建議區(qū)分水田、旱地、菜地，根據(jù)江蘇省不同地區(qū)耕地保護(hù)壓力、耕地（農(nóng)用地）年轉(zhuǎn)用量、復(fù)墾開(kāi)發(fā)補(bǔ)充耕地面積情況等，采用差別化的剝離厚度。

從耕作層剝離工作的角度來(lái)看，對(duì)比前人所進(jìn)行的研究，本研究較為明確的提出在大尺度范圍上需要結(jié)合土壤本底、肥力性質(zhì)，針對(duì)不同的用地類型，因地制宜地采取不同的深度的研究思路，同時(shí)，結(jié)合耕作層剝離工作本身的特點(diǎn)進(jìn)行聚類分區(qū)，并未直接采取現(xiàn)有的分區(qū)結(jié)果，但將其用于聚類分區(qū)的精度評(píng)價(jià)。分區(qū)結(jié)果能夠很好的服務(wù)于全省耕作層剝離工作的開(kāi)展實(shí)施。

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Determination of peel depth and partition in cultivated soil of Jiangsu Province

Wang Junxiao1, Liu Bing2, Zhou Shenglu1※, Xu Cuilan2, Sui Xueyan2, Zhu Yan3, Wang Bingjun3
(1. Academy of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210046, China; 2. Jiangsu Center of Real Estate Development, Nanjing 210024, China; 3. Nanjing Nanyuan Consultation for Land Development and Utilization Limited Company, Nanjing 210008, China)

Cultivated soil is the material base of agricultural production and the core of arable land resources. Stripping utilization is of great significance to guarantee the dynamic balance of quantity and quality of arable land. The data of 201 representative soil profiles and organic matter, bulk density, pH value, total nitrogen, total phosphorus, available potassium and soil thickness were collected from Jiangsu Province in the 1980s. Principal component analysis was adopted to determine the dominant factor of cultivated land fertility difference in Jiangsu Province. And based on the cluster analysis, the difference of cultivated land fertility in Jiangsu Province was then partitioned. Finally, the significance of soil fertility was analyzed by using the method of significance test, and the soil stripping depth of cultivated land under different subarea was obtained. The results showed that: 1) For the selected index system, the factors affecting the difference of fertility of cultivated land in the province were pH value, total phosphorus, total nitrogen content and bulk density. It could be seen that within the scope of Jiangsu Province, the 4 types of soil properties changes could better represent the province’s soil properties. The clustering results of different methods were different, but they all showed the trend of gathering in space, which meant that the physical and chemical properties of soils in the similar areas were also closer, which was consistent with previous studies. 2) Through the clustering analysis of the main components of farmland fertility, the soil stripping depth of cultivated land could be divided into 6 zones, each of which contained the different number of regions. It could be seen from the results of different clustering methods that the geographical location in the same classification was also close to each other, and the areas with similar location also had similar soil background and fertility properties. The accuracy of the results was mainly influenced by clustering methods. If selecting the different classification results as a reference, the evaluations of the conclusions were consistent. It could be seen for the soil fertility in Jiangsu Province, the regional differences were objective, and according to the T test results, the significant difference could be seen. 3) For the most areas of the province, the surface layer and sub-plow layer / plow bottom layer had similar traits and fertility, which could be stripped at the same time to improve the utilization efficiency of arable land resources, and reduce the waste and loss of high-quality farmland to a maximum degree. While the sub-plow layer / plow bottom had a larger difference with subsoil layer, which did not have the required quality, and hence should not be stripped. 4) In view of the soil fertility of the cultivated land in this province, the sub-plow layer / plow bottom layer was close to the topsoil layer and obviously higher than that of the subsoil layer. However, the soil physical structure of the sub-plow layer / plow bottom layer was too tight, and the bulk density was relatively large. So it is proposed to distinguish paddy field, dry land and vegetable land. According to the pressure of cultivated land protection in different areas of this province, the annual conversion amount of cultivated land (agricultural land), the area of supplementary cropland, different stripping depth should be adopted.

land use; soil; stripping; stripping depth; cluster

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.037

P967; K903

A

1002-6819(2017)-05-0257-07

王君櫹，劉 斌，周生路，徐翠蘭，隋雪艷，朱 雁，王炳君. 基于土壤肥力的江蘇省耕作層土壤剝離分區(qū)與深度確定[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(5)：257－263.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.037 http://www.tcsae.org

Wang Junxiao, Liu Bin, Zhou Shenglu, Xu Cuilan, Sui Xueyan, Zhu Yan, Wang Bingjun. Determination of peel depth and partition in cultivated soil of Jiangsu Province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(5): 257－263. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.037 http://www.tcsae.org

2016-06-29

2017-01-25

國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201211050-05）；江蘇省重大科技專項(xiàng)（BE2015708）

王君櫹，男，江蘇興化人，博士生，主要研究方向?yàn)橥恋刭Y源利用，南京，南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，210046，

Email：njuwjx@outlook.com

※通信作者：周生路，男，江西大余人，教授，主要從事土地利用與土壤污染評(píng)價(jià)研究，南京，南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，210046，

Email：zhousl@nju.edu.cn