福建耕地土壤磷素富集空間差異及其影響因素*

詹秋麗, 張黎明, 周碧青, 巫順金, 邢世和**

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福建耕地土壤磷素富集空間差異及其影響因素*

詹秋麗1,2, 張黎明1,2, 周碧青2, 巫順金1,2, 邢世和2**

(1. 福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 福州 350002; 2. 土壤生態(tài)系統(tǒng)健康與調(diào)控福建省高校重點實驗室 福州 350002)

利用1∶250 000福建省耕地土壤類型空間數(shù)據(jù)庫以及1982年1 676個和2008年200 322個耕地土壤調(diào)查樣點數(shù)據(jù)資料, 借助GIS技術(shù)與灰色關(guān)聯(lián)分析模型, 探討了26年間研究區(qū)耕地耕層土壤有效磷富集程度空間差異及其影響因素。結(jié)果表明: 26年來福建省耕地土壤有效磷呈明顯富集趨勢, 全省92.81%的耕地有效磷處于不同程度富集狀態(tài), 有效磷平均富集量和年均富集率分別高達(dá)24.38 mg×kg-1和10.01%, 并呈較明顯的空間差異。地處南亞熱帶的廈門市耕地有效磷富集程度最大, 中亞熱帶的南平市富集程度最小; 有效磷富集程度較高的土類為紫色土、潮土、水稻土和赤紅壤, 較小的土類為濱海鹽土和石灰土; 富集程度較大的亞類包括淹育水稻土、灰潮土和漂洗水稻土, 較小的亞類包括棕色石灰土和濱海鹽土。研究區(qū)耕地土壤磷素富集及其空間差異主要受年均磷肥施用量、pH、年均氣溫和土壤黏粒含量顯著影響, 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)>0.722。根據(jù)研究區(qū)耕地土壤磷素富集程度及其空間差異制定磷肥優(yōu)化管理措施是十分必要的。

耕層土壤; 有效磷; 富集量; 富集率; 灰色關(guān)聯(lián)分析; GIS

磷(P)是植物生長發(fā)育必要的大量營養(yǎng)元素之一。已有研究表明, 1961—2011年中國農(nóng)田磷投入量增加了7.93倍, 積累量達(dá)到71.18 Mt P[1]; 隨著磷肥的持續(xù)施用, 農(nóng)田土壤磷素還將不斷累積[2], 當(dāng)累積超過一定限度, 磷素可通過徑流、滲透、淋溶等途徑向水體遷移, 對水體環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重危害[3]。因此, 科學(xué)揭示區(qū)域耕地土壤磷素富集程度的空間差異及其影響因素, 減緩農(nóng)田土壤磷素富集, 對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外學(xué)者已對土壤磷素含量空間分異及影響因素進(jìn)行了較多研究。全球尺度上, Sattari等[4]指出中歐用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的磷肥比其收獲作物中的磷含量多許多倍, 導(dǎo)致土壤中的磷大量積累; Tóth等[5]和Schoumans等[6]則將研究區(qū)域擴(kuò)大至全歐洲, 指出過度糞肥應(yīng)用導(dǎo)致歐洲農(nóng)用地中磷積累增加。國家尺度上, Nieder等[7]指出2010年德國農(nóng)田磷累積量約為1 100 kg×hm-2, 大大超過農(nóng)田負(fù)荷量; Reijneveld等[8]研究表明, 20世紀(jì)初到50年代荷蘭農(nóng)業(yè)用地中磷盈余從11 kg×hm-2上升到17 kg×hm-2, 20世紀(jì)80年代達(dá)34 kg×hm-2, 至2008年下降到17 kg×hm-2; 方玉東等[9]研究指出我國農(nóng)田土壤磷盈余程度為東部>中部>西部。行政區(qū)域尺度上, 麻萬諸等[10]研究表明浙江省近幾年耕地地力調(diào)查中土壤有效磷均值為25.43 mg×kg-1, 明顯高于第2次土壤普查期間的均值5.66 mg×kg-1; 張慧等[11]研究表明2001—2007年北京房山區(qū)農(nóng)田磷素積累表現(xiàn)為南高北低, 東南和西南部地區(qū)增速較快; 金明清等[12]發(fā)現(xiàn)1984—2010年四川省不同區(qū)域的耕地土壤有效磷變化速率存在差異, 施肥方式和土壤自身性質(zhì)對土壤有效磷空間演變影響顯著; 袁大剛等[13]研究表明南京市3種土地利用方式下土壤全剖面磷含量明顯高于中國和世界非城市土壤的平均水平; 陳玉東等[14]研究發(fā)現(xiàn)黑龍江海倫市2008年、2009年農(nóng)田土樣的有效磷含量明顯高于第2次土壤普査的含量, 與耕作歷史及耕作方式等密切相關(guān); 于洋等[15]基于渭北臺塬區(qū)耕地土壤1980年和2011年兩個時期的實測樣點數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn), 人為活動是影響土壤有效磷時空變化的重要因素?？梢? 國內(nèi)外已有的相關(guān)研究主要聚焦于采用簡單的統(tǒng)計分析方法開展農(nóng)田土壤磷素含量及其影響因素研究[16-17], 基于GIS與數(shù)學(xué)模型集成技術(shù)開展區(qū)域耕地土壤磷素富集的空間差異及其影響因素的研究尚少見報道。如何借助區(qū)域空間信息和土壤檢測大數(shù)據(jù)挖掘、結(jié)合模糊數(shù)學(xué)方法揭示區(qū)域耕地土壤磷素富集空間分異特征及其影響因素的研究有待進(jìn)一步深入。為此, 本研究借鑒國內(nèi)外學(xué)者在大數(shù)據(jù)挖掘和GIS技術(shù)領(lǐng)域的研究經(jīng)驗, 基于農(nóng)業(yè)部耕地質(zhì)量調(diào)查的大量源數(shù)據(jù), 以地處亞熱帶地區(qū)的福建省耕地土壤為研究對象, 利用全省1982年1 676個和2008年200 322個耕地土壤調(diào)查樣點有效磷分析數(shù)據(jù)和1︰250 000耕地土壤類型空間數(shù)據(jù)庫, 基于GIS與地統(tǒng)計學(xué)和灰色關(guān)聯(lián)模型集成技術(shù), 以有效磷富集率和富集量為指標(biāo), 探討26年來亞熱帶地區(qū)省域耕層土壤有效磷的富集特征、空間差異及其影響因素, 為省域耕地土壤制定合理的磷肥優(yōu)化管理措施、防控磷素遷移所致的環(huán)境風(fēng)險等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

福建省位于我國東南沿海, 地處23°33′~28°20′N, 115°50′~120°40′E, 屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候, 年均氣溫14.6~21.3 ℃, ≥10 ℃年活動積溫高達(dá)5 000~7 800 ℃, 年均降水量1 037~2 051 mm。地形以山地丘陵為主, 地勢總體呈東南低, 西北高, 境內(nèi)水熱條件垂直分帶較明顯[18]。福建有9個土類(赤紅壤、紅壤、黃壤、紫色土、石灰土、風(fēng)砂土、潮土、濱海鹽土、水稻土)和14個亞類。2008年末福建全省耕地土壤總面積1.31×106hm2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

福建省1︰250 000耕地土壤類型圖數(shù)據(jù)庫來自農(nóng)業(yè)部耕地質(zhì)量調(diào)查與評價項目; 1982年1 676個耕層土壤樣點數(shù)據(jù)由福建省第2次土壤普查縣(市、區(qū))剖面樣點中提取(圖1a), 2008年200 322個耕地耕層土壤樣點數(shù)據(jù)來自農(nóng)業(yè)部耕地質(zhì)量調(diào)查與評價項目(圖1b), 兩期土壤調(diào)查樣點相關(guān)屬性均采用相同的土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法測定, 其中有效磷均采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測定。磷肥施用量來自1983—2009年以縣為統(tǒng)計單位的福建省農(nóng)村經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計年鑒; 年均降水量、年均氣溫等數(shù)據(jù)來自福建省氣象局66個氣象站點近30年的觀測數(shù)據(jù)資料。

圖1 1982年(a)和2008年(b)福建省耕地土壤樣點分布圖

1.3 耕地土壤相關(guān)屬性空間數(shù)據(jù)庫建立

以1︰250 000福建省耕地土壤類型矢量數(shù)據(jù)圖層為基礎(chǔ)圖層, 根據(jù)1982年全國第2次土壤普查《土種志》中記錄的剖面點詳細(xì)采樣位置, 以村界為限定區(qū)域, 找出與該剖面土壤類型一致的土壤圖最大面積“圖斑”, “圖斑”的中心點即認(rèn)為是全國第2次土壤普查剖面采集位置。根據(jù)剖面樣點采集位置將1 676個樣點逐一轉(zhuǎn)繪到耕地土壤類型矢量數(shù)據(jù)圖層, 生成1982年福建省土壤普查調(diào)查樣點空間數(shù)據(jù)圖層, 然后采用反距離權(quán)重插值模型[19]將有效磷樣點數(shù)據(jù)拓展為面數(shù)據(jù), 建立有效磷空間屬性數(shù)據(jù)庫。同樣, 2008年調(diào)查樣點的GPS定位坐標(biāo)采用反距離權(quán)重插值模型將有效磷樣點數(shù)據(jù)拓展到面數(shù)據(jù), 建立2008年福建省土壤有效磷空間屬性數(shù)據(jù)庫。利用福建省66個氣象站點的GPS定位坐標(biāo), 并結(jié)合反距離權(quán)重插值殘差訂正模型[20]進(jìn)行年均氣溫和年均降水量柵格空間屬性數(shù)據(jù)推算, 建立全省年均氣溫和年均降水量空間屬性數(shù)據(jù)庫。采用反距離權(quán)重插值模型進(jìn)行福建省耕層土壤pH、有機質(zhì)、砂粒、粉粒、黏粒等柵格空間屬性數(shù)據(jù)推算并建立相關(guān)屬性空間數(shù)據(jù)庫。利用福建省耕地土壤類型空間數(shù)據(jù)圖層分別掩膜上述屬性柵格空間數(shù)據(jù)圖層, 并以耕地土壤亞類圖斑為評價單元, 計算建立研究區(qū)耕地評價單元有效磷、pH、有機質(zhì)、砂粒、粉粒、黏粒、年均氣溫和年均降水量等屬性空間數(shù)據(jù)庫。利用以縣為統(tǒng)計單位的年均磷肥施用量數(shù)據(jù)資料, 采用人機對話賦值法建立福建省耕地評價單元年均磷肥施用量空間屬性數(shù)據(jù)庫。

1.4 耕地土壤有效磷富集程度空間數(shù)據(jù)庫建立

本研究以富集量(EQ)和富集率(ER)為衡量指標(biāo)[21], 揭示耕地土壤有效磷富集程度的空間差異。具體計算公式分別為:

EQ=s-o (1)

ER=(s-o)/o (2)

式中: EQ和ER分別為評價單元有效磷富集量和富集率,s為2008年評價單元有效磷含量,o為1982年評價單元有效磷含量。利用上述建立的2008年和1982年福建省耕地土壤有效磷空間數(shù)據(jù)圖層, 借助ArcGIS 10.2軟件計算并建立福建省耕地土壤有效磷富集量和富集率空間數(shù)據(jù)庫。評價圖斑2008年平均含量減1982年平均含量大于0 mg×kg-1(即EQ>0) , 以及富集率大于0(即ER>0)被認(rèn)為是富集, 該圖斑面積算入富集面積。

1.5 耕地土壤有效磷富集影響因素分析

根據(jù)耕地土壤磷素平衡理論, 可能影響土壤有效磷富集的因素包括土壤內(nèi)在屬性(如砂粒、粉粒、黏粒、pH和有機質(zhì)等)和外在因素(如年均氣溫、年均降水量和年均磷肥施用量等)[22-27]。從福建省耕地土壤有效磷富集空間數(shù)據(jù)庫分別提取出各評價單元的有效磷富集量, 建立福建省耕地土壤有效磷富集量(即因變量)數(shù)列, 從影響耕地土壤有效磷富集因素空間數(shù)據(jù)庫提取出相應(yīng)評價單元的砂粒、粉粒、黏粒、pH、有機質(zhì)、年均氣溫、年均降水量和年均磷肥施用量數(shù)據(jù), 建立福建省耕地土壤有效磷富集影響因素(即自變量)數(shù)列。借助DPS統(tǒng)計軟件的灰色關(guān)聯(lián)度分析模型, 分辨系數(shù)取0.2, 計算有效磷富集量與相關(guān)影響因子的關(guān)聯(lián)度系數(shù), 分析相關(guān)因子對土壤有效磷富集的影響程度及差異。

1.6 圖件編制與數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用ArcGIS 10.2軟件編制福建省有效磷富集程度空間分布圖, 采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)的常規(guī)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 福建省耕層土壤有效磷富集空間差異

2.1.1 耕層土壤有效磷富集總體特征

研究結(jié)果表明(圖2), 26年間福建省多數(shù)區(qū)域耕層土壤有效磷含量均有不同程度增加, 總體呈富集狀態(tài)。與1982年相比, 2008年福建省耕層土壤有效磷富集量平均高達(dá)24.38 mg×kg-1, 富集面積為1.22×106hm2, 占全省耕地總面積的92.81%。省域范圍內(nèi)耕地土壤有效磷富集程度空間差異較顯著, 1982—2008年全省耕層土壤有效磷富集量的變異系數(shù)高達(dá)71.25%。從富集量大小空間差異分析來看, 全省大部分耕地土壤有效磷富集量低于20 mg×kg-1, 占全省有效磷富集耕地總面積的50.87%, 主要分布于福建省東部、西部、中部和北部; 富集量介于20~50 mg×kg-1的中度富集耕地土壤在全省各地級市均有塊狀分布, 占全省有效磷富集耕地總面積的36.75%; 富集量大于50 mg×kg-1的耕地占全省有效磷富集耕地總面積的12.38%, 主要分布于福建省南部?？傮w來看, 研究區(qū)耕地耕層土壤有效磷具有富集面積大、分布范圍廣、空間差異顯著等特點。

圖2 福建省1982—2008年耕層土壤有效磷富集量空間分布圖

2.1.2 不同行政區(qū)耕層土壤有效磷富集差異分析

26年來福建省各地級市耕地土壤有效磷總體呈富集狀態(tài), 且有效磷富集程度差異明顯。從富集率差異來看(圖3), 廈門和漳州兩市耕地土壤有效磷年均富集率顯著高于其他地級市, 均≥28.40%, 遠(yuǎn)高于全省平均水平10.01%; 三明、泉州、福州和龍巖4市耕地土壤有效磷年均富集率居中, 介于7.45%~9.46%, 略低于全省平均水平; 而南平、寧德和莆田3市耕地土壤有效磷年均富集率相對較低, 均≤5.50%, 僅為全省平均水平的34.47%~54.95%。各地級市耕地土壤有效磷富集量差異趨勢與富集率基本一致(圖3) , 廈門和漳州兩市富集量頗為可觀, 均≥51.91 mg×kg-1, 比全省平均水平(24.38 mg×kg-1)分別高出44.61 mg×kg-1、27.53 mg×kg-1; 三明、莆田、龍巖、福州和泉州5市耕地土壤有效磷富集量介于18.2~22.82 mg×kg-1, 略低于全省平均水平; 而南平和寧德兩市的富集量遠(yuǎn)低于全省平均水平, 介于8.67~14.34 mg×kg-1, 僅為全省平均水平的35.56%~ 58.82%。就有效磷富集面積比例差異而言(表1), 除莆田和南平市外, 其余各地級市耕地土壤有效磷富集面積均占各地級市耕地總面積的90%以上, 以廈門、漳州和三明3市有效磷富集面積比例最高?？梢? 26年間福建省耕地土壤有效磷富集程度以位于南部的廈門和漳州兩市最為顯著, 位于東部和北部的寧德和南平兩市則相對較弱。

圖3 1982—2008年福建省各地級市耕層土壤有效磷年均富集率和富集量

2.1.3 不同土壤類型耕層土壤有效磷富集空間差異

研究表明(圖4, 表2) , 福建省各土類耕層土壤有效磷呈現(xiàn)富集狀態(tài), 不同土類間富集程度差異較大。從富集率和富集量差異來看(圖4), 有效磷富集率和富集量均以紫色土、潮土、水稻土和赤紅壤4個土類較高, 有效磷年均富集率和富集量分別≥8.90%和≥24.50 mg×kg-1; 有效磷富集率和富集量較小的土類為濱海鹽土和石灰土, 其年均富集率和富集量分別≤1.96%和≤4.10 mg×kg-1; 其余土類的有效磷富集量和富集率分別介于3.63%~8.18%和14.16~17.02 mg×kg-1。從有效磷富集面積比例差異而言(表2), 除濱海鹽土和風(fēng)砂土的富集面積比例相對較小(≤78.97%)外, 其余土類耕地土壤有效磷富集面積均占相應(yīng)土類總面積的87.51%以上, 其中以黃壤、石灰土和紫色土的有效磷富集面積比例最高。

從耕地土壤亞類來看(圖5, 表2), 有效磷富集率和富集量較大的為淹育水稻土、灰潮土和漂洗水稻土, 其有效磷富集率和富集量分別≥12.69%和≥32.51 mg×kg-1; 有效磷富集率和富集量較小的亞類主要包括棕色石灰土和濱海鹽土, 富集率和富集量分別不及全省耕地土壤均值的19.58%和16.82%; 其余亞類有效磷富集率和富集量介于上述兩者之間,大致與全省耕地土壤平均水平(分別為10.01%和24.38 mg×kg-1) 相當(dāng)。從有效磷富集面積比例差異而言(表2), 除濱海鹽土和耕作風(fēng)砂土的富集面積比例較小外, 其余耕地土壤亞類有效磷富集面積均占相應(yīng)亞類總面積的86.59%以上, 其中以黃壤、酸性紫色土和棕色石灰土亞類的有效磷富集面積比例最高。

綜上所述, 福建省耕地土壤有效磷富集程度較顯著的土類主要包括潮土、紫色土和水稻土, 亞類主要包括淹育水稻土、灰潮土和漂洗水稻土; 而富集程度較小的土類為濱海鹽土和石灰土, 亞類為濱海鹽土和棕色石灰土。

2.2 耕地土壤有效磷富集主要影響因素

灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明(表3), 研究區(qū)耕地土壤有效磷富集的影響因素大體可分為3類, 其中以年均磷肥施用量對研究區(qū)耕地土壤磷素富集作用影響最為顯著, 灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)>0.805; 其次是pH、年均氣溫、黏粒和粉粒, 灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)介于0.721~0.762; 而砂粒、年均降水量和有機質(zhì)含量對研究區(qū)耕地土壤磷素富集作用影響相對較弱, 灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)<0.720?？梢? 年均磷肥施用量是影響研究區(qū)耕地土壤磷富集的最關(guān)鍵因子, pH、年均氣溫、黏粒和粉粒含量是影響研究區(qū)耕地土壤磷富集的一般因子, 而砂粒、年均降水量和有機質(zhì)含量是影響研究區(qū)耕地土壤磷素富集的次要因子, 其中以有機質(zhì)含量對耕地土壤磷素富集的影響作用最弱。

3 討論

3.1 外在因素對耕地土壤有效磷富集差異的影響

有研究表明, 長期施肥會對土壤磷素含量及分布狀況產(chǎn)生影響[28], 施入農(nóng)田的磷肥有38%~60%會轉(zhuǎn)化為全磷富集在0~40 cm土壤中, 持續(xù)施用將顯著促進(jìn)土壤中磷素積累[29], 故耕地磷肥施用量的高低及其差異必然成為區(qū)域耕地土壤磷素富集作用最重要的影響因素。調(diào)查表明, 福建省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實際磷肥投入量遠(yuǎn)高于作物需求量, 且不同區(qū)域磷肥施用量存在明顯差異[30], 致使全省耕地土壤磷素富集較為顯著, 并呈現(xiàn)出明顯的空間差異。據(jù)福建省農(nóng)村經(jīng)濟(jì)年鑒資料統(tǒng)計, 近26年來福建省磷肥施用量持續(xù)增長, 2008年施用量高達(dá)1.7×105t, 是1982年的2.13倍, 且以酸性過磷酸鈣為主, 易被土壤吸附固定而富集。廈門和漳州兩市近26年來年均磷肥施用量介于0.032~0.061 t×hm-2, 明顯高于其他地級市的年均磷肥施用量(0.012~0.028 t×hm-2), 致使兩市耕地土壤有效磷富集最為顯著; 而南平和寧德兩市有效磷富集程度最低, 有效磷富集量不足全省平均富集量的36%, 主要是由于近26年來兩市的年均磷肥施用量僅分別為0.022 t×hm-2和0.012 t×hm-2, 明顯低于絕大多數(shù)地級市的磷肥施用水平。從不同土壤類型來看, 全省耕地土類中有效磷富集程度最大的是潮土, 主要是由于該土類多分布于地勢平坦、交通便利的平原和盆地區(qū)的河流沿岸和居民點周邊, 且多已辟為蔬菜用地, 耕地磷肥施用量較高, 致使其有效磷富集明顯, 有效磷富集量高達(dá)39.38 mg×kg-1, 遠(yuǎn)高于其他土類的富集水平; 而發(fā)育于灘涂母質(zhì)的濱海鹽土由于其含鹽量較高、農(nóng)作物產(chǎn)量低導(dǎo)致耕作經(jīng)營較粗放, 磷肥施用量較低, 致使其有效磷富集程度最低。因此, 年均磷肥施用量對研究區(qū)耕地土壤磷素富集作用及其差異的影響最為顯著。

表1 1982—2008年福建省各地級市耕層土壤有效磷富集面積及其比例

圖4 1982—2008年福建省不同土類耕層土壤有效磷年均富集率和富集量

在土壤形成發(fā)育過程中, 氣候要素(如降水和溫度)主要通過影響土壤礦物風(fēng)化速率和養(yǎng)分淋溶強度而間接影響土壤磷素含量[31]。有研究表明, 中國土壤磷密度與年均氣溫和年均降水量具有顯著相關(guān)性[32]。福建省地處中、南亞熱帶氣候區(qū), 境內(nèi)峰嶺聳峙, 山丘連綿, 海拔高差達(dá)2 176 m, 致使轄區(qū)內(nèi)水熱空間分布差異明顯, 9個地級市間年均氣溫差達(dá)3.7 ℃, 年均降水量相差342 mm, 導(dǎo)致不同區(qū)域成土過程中礦物風(fēng)化和脫硅富鐵鋁作用差異明顯, 從而影響境內(nèi)耕地土壤有效磷的富集狀況。從本研究結(jié)果的總體分析來看, 分布于南亞熱帶地區(qū)的耕地土壤有效磷富集程度明顯高于中亞熱帶地區(qū), 如位于南亞熱帶廈門市的耕地有效磷富集量是位于中亞熱帶南平市的7.96倍。主要是由于南亞熱帶地區(qū)的漳州、廈門、泉州、莆田等市的年均氣溫較高, 土壤形成和發(fā)育過程中礦物風(fēng)化和脫硅富鐵鋁作用強烈, 導(dǎo)致鐵鋁氧化物富集而促進(jìn)磷素的富集作用, 致使上述區(qū)域大部分耕地有效磷富集量超過50 mg×kg-1, 廈門、漳州二市更有部分耕地有效磷富集量高達(dá)100 mg×kg-1以上。而位于中亞熱帶地區(qū)的南平、寧德、三明和龍巖市(尤其是海拔大于500 m區(qū)域)的耕地土壤有效磷富集程度較低, 主要是因為氣溫相對較低導(dǎo)致礦物風(fēng)化和脫硅富鐵鋁作用相對較弱, 故磷素富集程度也相對較低。本研究發(fā)現(xiàn)年均降水量與有效磷富集量的灰色關(guān)聯(lián)度低于年均氣溫而成為次要影響因子, 主要原因是研究區(qū)不同區(qū)域降水量雖有一定差異, 但總體均達(dá)較高水平。有研究表明磷在土壤中屬于較難遷移的元素[33], 降水量對土壤磷素的淋失影響程度較低, 故導(dǎo)致研究區(qū)降水量差異對耕地土壤有效磷富集作用影響不明顯。

3.2 內(nèi)在屬性對耕地土壤有效磷富集差異的影響

土壤酸堿性對元素的存在形態(tài)、釋放、固定和遷移等均有重要影響, 是影響土壤磷素吸附固定作用的重要因子, 進(jìn)而影響土壤磷素的富集作用。當(dāng)土壤pH<5.5時, 易產(chǎn)生鐵、鋁對土壤磷素的吸附固定作用; pH>7.5時, 則易產(chǎn)生鈣對土壤磷素的吸附固定作用[34]。福建省耕地土壤pH介于3.42~6.20, 有96.31%的耕地屬于酸性土壤(pH<6.5)[18], 磷素吸附固定作用較強, 致使施用的磷肥被大量吸附固定, 促進(jìn)土壤磷素的富集。本研究結(jié)果表明, 研究區(qū)有效磷富集率和富集量均較大的耕地土壤亞類包括淹育水稻土、灰潮土和漂洗水稻土, 由于26年來這些亞類分別有86.4%、100%和81.0%的土壤出現(xiàn)較明顯酸化, pH<5.5的耕地土壤面積分別占相應(yīng)亞類耕地面積的53.82%、39.39%和81.58%[18], 致使這些亞類耕地土壤磷素吸附固定作用強烈, 故磷素富集作用明顯。而有效磷富集程度最小的耕地土壤亞類包括棕色石灰土和濱海鹽土, 利用本研究調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計, 其pH均值分別為7.0和7.5, 故磷素固定和富集作用均較弱?？梢? 研究區(qū)耕地土壤酸化差異所致的磷素固定作用強弱, 可能對區(qū)域耕地有效磷富集的空間分異產(chǎn)生較大影響, 致使土壤pH成為影響區(qū)域耕地土壤有效磷富集的重要因子之一。

圖5 1982—2008年福建省不同亞類耕層土壤有效磷年均富集率和富集量

表2 1982—2008年福建省不同耕地土壤類型有效磷富集面積及其比例

有研究表明, 土壤磷含量與土壤顆粒組成密切相關(guān), 黏粒和粉粒含量越高, 土壤磷含量也越高[35]。本研究中灰色關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)研究區(qū)耕地土壤黏粒及粉粒含量與有效磷富集量的關(guān)聯(lián)度較高, 這是由于對磷素具有吸附和固定作用的氧化鐵鋁等黏土礦物主要分布于細(xì)小土粒中, 尤其是黏粒中, 故土壤質(zhì)地越黏重, 對磷素的吸附和固定作用越強, 則磷素富集作用也越明顯。據(jù)本研究樣點屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)計, 福建省耕地土壤總體偏砂, 砂粒含量均值達(dá)56.93%。砂粒的主要成分為石英和長石等, 比表面小, 對磷素的吸附作用很弱, 導(dǎo)致研究區(qū)耕地土壤砂粒含量與有效磷富集量的關(guān)聯(lián)度較小, 故土壤中對磷素具有較強吸附和固定作用的黏粒和粉粒含量高低必然對其有效磷富集程度產(chǎn)生較大影響。本研究結(jié)果表明, 研究區(qū)有效磷富集程度較高的亞類土壤包括淹育水稻土、灰潮土和漂洗水稻土, 其黏粒和粉粒含量之和介于34%~45%, 高于其他亞類的平均水平(18%~42%), 因而具有較高的有效磷富集量。因此, 研究區(qū)耕地土壤的磷素富集作用及其差異受黏粒和粉粒, 尤其是黏粒含量及其空間差異的影響較為顯著。

表3 1982—2008年福建省耕地土壤有效磷素富集量與影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析

土壤有機質(zhì)與土壤有效磷含量呈顯著正相關(guān)[36], 有機質(zhì)含量增加可以通過絡(luò)合和酸溶作用增加磷的活性, 進(jìn)而提高土壤有效磷含量[37]。本研究結(jié)果也顯示出土壤有機質(zhì)含量與有效磷富集量存在一定關(guān)系, 有效磷富集量較低的石灰土、濱海鹽土和風(fēng)砂土等土類, 其有機質(zhì)含量均低于全省耕地土壤有機質(zhì)含量均值(27.32 g×kg-1); 而有效磷富集量較高的土類(如潮土等) , 其有機質(zhì)含量也相對較高。但灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn), 在所有影響因子中, 有機質(zhì)含量與研究區(qū)耕地有效磷富集量的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)相對較小, 可能是由于研究區(qū)地處亞熱帶, 有機質(zhì)不易積累導(dǎo)致26年來耕層土壤有機質(zhì)含量變化不大。據(jù)本研究樣點屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)計, 1982年與2008年研究區(qū)耕層土壤(0~20 cm)有機質(zhì)平均含量變化不大(<7.87 g×kg-1), 故有機質(zhì)含量對研究區(qū)耕地土壤有效磷富集影響不明顯。此外, 研究區(qū)耕地土壤磷素富集作用受磷肥施用量等直接因素的影響更大, 而在一定程度上削弱了有機質(zhì)對土壤磷素富集的間接影響程度。

4 結(jié)論

1)研究區(qū)耕地耕層土壤有效磷富集作用較為顯著, 土壤有效磷年均富集率和富集量均值分別高達(dá)10.01%和24.38 mg×kg-1, 富集面積占全省耕地總面積的92.81%, 且空間差異較為明顯。以有效磷富集率為指標(biāo), 9個地級市耕地土壤有效磷富集程度大小順序為: 廈門市>漳州市>三明市>泉州市>福州市>龍巖市>寧德市>莆田市>南平市; 耕地土類以潮土的有效磷富集程度最大; 亞類以淹育水稻土富集程度最大。

2)導(dǎo)致研究區(qū)耕地土壤有效磷富集及其空間差異的主要因素是年均磷肥施用量、pH、年均氣溫和黏粒含量, 其中以年均磷肥施用量的影響最為顯著。因此, 研究區(qū)耕地土壤磷素富集作用及其空間差異是人為和自然多種因素交互作用所致。

3)利用不同時期區(qū)域耕地土壤調(diào)查樣點屬性分析數(shù)據(jù), 采用GIS與數(shù)學(xué)模型集成技術(shù)研究耕地土壤磷富集作用, 能夠從空間尺度上科學(xué)地揭示區(qū)域耕地土壤磷素富集程度、空間差異特征及其影響因素。受土地利用現(xiàn)狀資料的限制, 本研究采用比例尺較小(1︰250 000)的耕地土壤類型圖為基礎(chǔ)圖層, 限制了區(qū)域耕地土壤磷素富集作用研究的空間細(xì)化。未來可根據(jù)研究區(qū)域的大小, 采用更大比例尺(如1︰50 000)和土壤樣點屬性的補充調(diào)查, 開展區(qū)域耕地土壤磷素富集作用的空間細(xì)化研究, 為區(qū)域耕地土壤制定合理的磷肥優(yōu)化管理措施、實現(xiàn)減量施用化肥和防控磷素遷移所致的環(huán)境風(fēng)險等提供科學(xué)依據(jù)。

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Spatial variation in phosphorus accumulation and the driving factors in cultivated lands in Fujian Province*

ZHAN Qiuli1,2, ZHANG Liming1,2, ZHOU Biqing2, WU Shunjin1,2, XING Shihe2**

(1. College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China; 2. University Key Laboratory of Soil Ecosystem Health and Regulation in Fujian Province, Fuzhou 350002, China)

Phosphorus is one of the largest nutrient elements needed for plant growth. Under the intensive production conditions, most farmland soils in China have had phosphorus enrichment problem, mainly due to excessive application of phosphate fertilizers, strong fixation and inefficient use of phosphorus. The enrichment of phosphorus in cropland soils is one of the important causes of non-point pollution, which has also restricted sustainable agricultural development in China. In this study, the 1∶250 000 spatial database on farmland soil types and the available phosphorus data on tillage layer soil samples of cultivated land (1 676 samples in 1982 and 200 322 samples in 2008) in Fujian Province were used to determine the spatial variation in the degree of phosphorus enrichment and the related driving factors in cultivated lands for the past 26 years. To do so, an integrated GIS with grey correlation analysis model was used. The aim of the study was to clarify the enrichment characteristics of soil available phosphorus, and its spatial variability and driving factors. The results showed that soil available phosphorus had been abundant in Fujian Province in the past 26 years. In addition, soil available phosphorus enrichment area reached 1 216 777 hm2, accounting for 92.81% of the total area of cultivated land in the province. The yearly average enrichment amount and rate of available phosphorus were 24.38 mg×kg-1and 10.01%, respectively, which showed obvious spatial variations. While cropland soils in Xiamen (which is in southern subtropics) had the largest degree of available phosphorus enrichment, those in Nanping (which is in mid-subtropics) showed the lowest degree of available phosphorus enrichment in Fujian Province. The soil types with high available phosphorus enrichment included purplish soils, fluvo-aquic soils, paddy soils and latosolic red soils. Then the soils with less available phosphorus enrichment included coastal solonchaks and calcareous soils. Soil subtypes with larger degrees of available phosphorus enrichment included submerged paddy soils and bleached paddy soils, while those with lower levels of available phosphorus enrichment included brown calcareous soils and coastal solonchaks. In general, enrichment of available phosphorus in tillage layer of cultivated land soil had happened in large area with wide distribution range and significant spatial variation in Fujian Province. Grey correlation analysis showed that soil available phosphorus enrichment and its spatial variation were mainly affected by annual application rate of phosphate fertilizer, soil pH, mean temperature and soil clay content, which were with grey correlation coefficients higher than 0.722. However, the effect of soil sand content, precipitation and soil organic matter content on phosphorus enrichment in cultivated soils in study areas was relatively weaker. Their gray correlation coefficients were less than 0.720. Based on the degree of phosphorus enrichment and spatial variation, inorganic phosphate fertilizer application should be controlled strictly to deal with the phosphorus enrichment in cultivated soils in Fujian Province. At the same time, there was the need to optimize fertilization management by increasing organic fertilizer and reducing chemical fertilizer use.

Tillage soil; Available phosphorus; Enrichment amount; Enrichment rate; Grey correlation analysis; GIS

, E-mail: fafuxsh@126.com

Aug. 24, 2017;

Oct. 26, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.170767

S15

A

1671-3990(2018)02-0274-10

邢世和, 主要研究方向為土壤生態(tài)系統(tǒng)碳氮磷循環(huán)、健康評價與調(diào)控。E-mail: fafuxsh@126.com 詹秋麗, 主要從事農(nóng)業(yè)資源與GIS應(yīng)用研究。E-mail: zqlholiday@163.com

2017-08-24

2017-10-26

* This work was supported by the Cropland Quality Survey and Evaluation Project of National Agriculture Ministry of China (FJ2009304).

* 農(nóng)業(yè)部耕地質(zhì)量調(diào)查與評價項目(FJ2009304)資助