近30年江西省耕地肥力質(zhì)量時空演變規(guī)律

汪曉燕， 郭　熙， 趙小敏

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室，江西南昌 330045)

糧食是關(guān)系國計民生和經(jīng)濟(jì)安全的重要保障，而糧食的單位面積產(chǎn)量和質(zhì)量很大程度上受到土壤肥力的影響。所謂土壤肥力指的是土壤能夠提供植物生長必需養(yǎng)料的能力，是保障糧食生產(chǎn)的根本[1]。耕地肥力質(zhì)量的綜合評價在指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、提供農(nóng)業(yè)管理決策中具有重要的意義。目前，相關(guān)學(xué)者研究了農(nóng)田尺度下耕地肥力質(zhì)量的時空變異特性[2-4]，并揭示了耕地肥力屬性具有較好的空間相關(guān)性，而且與水肥管理措施有關(guān)；近年來，在區(qū)域尺度上有關(guān)耕地肥力質(zhì)量時空演變的研究較多，主要集中市縣域尺度[5-18]，以及在黃淮海沖積平原區(qū)[19]、珠江三角洲[20]、黃土高原區(qū)[21]、太湖流域[22]、紅壤小區(qū)域等小流域地區(qū)[23-27]，主要揭示了耕地肥力屬性在空間上的演變規(guī)律以及區(qū)域因素如土壤類型、氣候、地形、地貌、土地利用類型、土壤侵蝕等對其空間變異的影響；在省級尺度上開展耕地肥力屬性及綜合質(zhì)量時空變化的研究相對較少[15]。本研究以江西省耕地肥力質(zhì)量為研究對象，在全國第二次土壤普查(1985年)數(shù)據(jù)和圖件[28]、農(nóng)業(yè)部“測土配方施肥項目”中2012年采集的大量土壤樣品的基礎(chǔ)上，采用GIS技術(shù)，分析1985—2012年江西省耕地肥力質(zhì)量的時空變化情況，有助于了解江西省耕地肥力的現(xiàn)狀和變化，以期更好地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實現(xiàn)耕地的可持續(xù)利用。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

江西省地處24°29′14″N～30°04′41″N，113°34′36″E～118°28′58″E之間，位于中國東南長江中下游南岸。東鄰浙江省、福建省，南連廣東省，西毗湖南省，北連湖北省、安徽省。全省土地面積1.7×105km2，轄11個地級市。江西屬亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)，全年雨量充沛，年均降水量1 341～1 940 mm，無霜期長。地貌類型以山地、丘陵為主，山地面積占全省土地總面積的36%，丘陵占42%，主要山脈多沿省域邊陲分布，北部較為平坦，東西南部三面環(huán)山，中部丘陵起伏，成為一個整體向鄱陽湖傾斜而往北開口的巨大盆地。全境有大小河流 2 400 余條，贛江、撫河、信江、修河、饒河為江西五大河流，鄱陽湖是中國第一大淡水湖。主要土壤類型為紅壤、水稻土、黃壤和山地黃棕壤。糧食作物以水稻為主，其次為甘薯、小麥，還盛產(chǎn)油菜、油茶、茶葉、黃麻、苧麻和柑橘等。

1.2　數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所采用的數(shù)據(jù)主要包括：(1)1985年的土壤屬性數(shù)據(jù)來源于第二次土壤普查資料，將1985年1 ∶50萬土壤圖數(shù)字化后與第二次土地資源調(diào)查的耕地分布圖進(jìn)行疊加，獲得有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀等耕地肥力數(shù)據(jù)；(2)基于2012年測土配方施肥17 682個樣點的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，采用克里金插值法(Kriging)獲得土壤分布圖并與耕地分布圖斑進(jìn)行疊加，獲得2012年耕地肥力數(shù)據(jù)。

1.2.1土壤樣品理化性質(zhì)分析方法有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-硫酸溶液-油浴法；全氮采用凱氏定氮法；有效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法；速效鉀采用乙酸銨提取-火焰光度法。

1.2.2統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析在SPSS 17.0中進(jìn)行；耕地肥力綜合質(zhì)量指數(shù)的空間插值利用克里金插值法，空間插值以及相關(guān)的空間分析在ArcGIS9.3中進(jìn)行。

1.3　半方差函數(shù)

半方差函數(shù)γ(h)也被稱作半變異函數(shù)，它是地統(tǒng)計學(xué)中研究土壤變異性的關(guān)鍵函數(shù)，是抽樣距離h樣本值方法數(shù)學(xué)期望的一半，是用來反映土壤性質(zhì)在不同距離h觀測值之間的變化，即描述不同土壤性質(zhì)在空間上連續(xù)變異情況的函數(shù)，具體計算公式為：

(1)

式中：設(shè)Z(x)為一隨機(jī)函數(shù)，并滿足二階平穩(wěn)假設(shè)；Z(xi)與Z(xi+h)分別指Z(x)在空間位置xi和xi+h處的實際觀測值[i=1，2，N(h)]，N(h)指以h為間距的樣本成對數(shù)目。

γ(h)主要包括3個重要的參數(shù)：基臺值(Sill)、塊金值(C0)、變程(Range)。塊金值是指最小采樣距離下變量的測量誤差和變異性；基臺值用C0+C表示指半變異函數(shù)γ(h)隨著距離h的增大而增加到一個相對穩(wěn)定的常數(shù)；而變程指的就是半變異函數(shù)γ(h)由最初的塊金值達(dá)到基臺值的h的變化范圍。塊金基臺比(C0/Sill)和變程對半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)具有重要的意義。塊金基臺比表示空間變異性程度[29]，可以用來度量空間自相關(guān)的變異所占的比例，如果塊金基臺比<25% 表明具有強(qiáng)烈空間自相關(guān)性，如果塊金基臺比是 25%～75% 表明具有中等的空間自相關(guān)性，如果塊金基臺比>75%表明具有較弱的空間自相關(guān)性。一般認(rèn)為，較高的空間自相關(guān)性說明空間變異受土壤母質(zhì)、地形、氣候等非人為的結(jié)構(gòu)性因素影響強(qiáng)烈，而較低的空間自相關(guān)性表明更多的受隨機(jī)因素的影響，則說明區(qū)域內(nèi)空間變異更多的來自諸如施肥、管理水平、灌溉條件等非結(jié)構(gòu)性隨機(jī)因素。

1.4　耕地肥力質(zhì)量指標(biāo)體系構(gòu)建

1.4.1評價指標(biāo)體系構(gòu)建及其權(quán)重確定本研究主要選取有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀4個指標(biāo)來表征耕地肥力質(zhì)量[6，30]。采用層次分析法結(jié)合專家打分法來確定各指標(biāo)的權(quán)重，指標(biāo)體系與權(quán)重見表1。

表1　江西省耕地肥力質(zhì)量綜合評價指標(biāo)體系及量化標(biāo)準(zhǔn)

1.4.2評價因子量化處理由于不同耕地肥力指標(biāo)實測值之間的量綱不一致，因此，需要對各個評價因子屬性值進(jìn)行量化處理，將指標(biāo)的實測值轉(zhuǎn)換為分值，以利于不用屬性之間的計算與綜合。本研究采用賦值法對評價因子進(jìn)行量化處理，評價因子級別臨界值參照第二次土壤普查確定的因子級別劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分為6個級別，并按100分制標(biāo)準(zhǔn)賦分(表1)。

1.4.3耕地肥力質(zhì)量指數(shù)模型研究表明，耕地綜合肥力質(zhì)量指數(shù)模型是一種較優(yōu)的耕地肥力質(zhì)量評級模型。因此，本研究利用耕地綜合肥力質(zhì)量模型進(jìn)行耕地綜合肥力質(zhì)量的計算，計算公式為：

LQI=∑(pi×wi)。

(2)

式中：LQI為綜合耕地肥力質(zhì)量指數(shù)；pi為第i項耕地肥力質(zhì)量評價因子的標(biāo)準(zhǔn)化值；wi為第i項耕地肥力質(zhì)量評價因子的權(quán)重。LQI取值為0～100，其值越高，表明耕地肥力質(zhì)量越高。

根據(jù)江西省在1985年以后的近30年間LQI的變化范圍，將耕地綜合肥力分為4個等級，將耕地肥力質(zhì)量按照10分的級差分為4 個等級，LQI>80 為Ⅰ級；70

2　結(jié)果與分析

2.1　耕地肥力質(zhì)量各指標(biāo)的時空變化特征

2.1.1耕地肥力質(zhì)量各指標(biāo)級別的描述性統(tǒng)計從表2可以看出，對比1985、2012年2個時期的耕地肥力質(zhì)量因子級別，1985年，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀的平均級別分別為3.087、3.028、4.620、3.210；2012年，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷級別的平均值均有所下降，即質(zhì)量有所上升，上升將近1個級別，而2012年速效鉀的級別下降0.49個級別。從這2個時期的變異系數(shù)的統(tǒng)計值來看，1985年有效磷的變異系數(shù)最低，為18.96%，速效鉀的變異系數(shù)最高，為37.98%；2012年，速效鉀變異系數(shù)最低，為14.16%，全氮最高，為27.63%，各耕地肥力質(zhì)量因子的變異系數(shù)均屬于中等強(qiáng)度變異。

表2　不同時期耕地肥力質(zhì)量因子的描述性統(tǒng)計

2.1.2耕地肥力質(zhì)量各指標(biāo)時空變化特征根據(jù)江西省1985、2012年2個時期的耕地肥力質(zhì)量因子級別，采用克里金插值法得到1985、2012年2個時期的耕地肥力質(zhì)量因子級別的空間分布(圖1)。

從圖1-a、圖1-e、表3可以看出，1985年江西省的土壤有機(jī)質(zhì)含量大多數(shù)處于3級(>20～30 g/kg)，占全省耕地面積的31.22%；而2012年，土壤有機(jī)質(zhì)含量有了明顯提高，將近60%的耕地中有機(jī)質(zhì)含量等級在1級和2級(>30 g/kg)，并且有機(jī)質(zhì)含量等級均在4級以上，沒有明顯的低值區(qū)域，分布比較均勻。等別提升較大的區(qū)域主要為沿江平原區(qū)和西部丘陵山地區(qū)。

從圖1-b、圖1-f、表3可以看出，1985年江西省耕地中全氮含量大部分處在3級(>1.0～1.5 g/kg)，占全省耕地面積的36.56%；至2012年，全省耕地土壤全氮含量主要以2、3級為主，占將近90%的耕地面積，并且也沒有6級的分布；從空間分布來看，中部平原區(qū)耕地全氮等級有很明顯的提升。

從圖1-c、圖1-g、表3可以看出，1985年江西省有效磷等級主要集中在5級，占總面積的45.06%，等級比較高的區(qū)域主要集中在偏北部；2012年，有效磷等級主要集中在2級和3級，低量級只有0.01%的分布。從空間變化來看，從1985年至2012年，除了少量零星的區(qū)域有效磷等級有所下降，大部分地區(qū)有效磷含量有明顯的上升趨勢，特別是中部地區(qū)。

從圖1-d、圖1-h、表3可以看出，1985年江西省速效鉀等級主要集中在4級，占總面積的36.63%；相比1985年，2012年速效鉀含量屬于豐富級有所下降，1級由原來的 11.09% 下降到1.2%，2級由原來的21.7%下降到11.53%。從空間分布來看，2012年速效鉀含量出現(xiàn)了低值區(qū)域，主要分布在南嶺丘陵山地區(qū)。

2.2　耕地肥力質(zhì)量綜合指數(shù)時空變化特征

2.2.1耕地肥力綜合質(zhì)量的統(tǒng)計特征江西省1985、2012年耕地肥力質(zhì)量綜合指數(shù)的描述性統(tǒng)計見表4。2012年耕地肥力質(zhì)量綜合指數(shù)與1985年相比有較顯著的提高。平均值、最大值、最小值均有所提高。在耕地綜合肥力狀況提高的同時，2012年的變異系數(shù)為17.64%，小于1985年的18.23%，表明江西省耕地肥力質(zhì)量的變異減小，樣點間的整體差異減小。

表3　不同時期單因子耕地肥力質(zhì)量評價等級面積比例匯總

表4　江西省1985、2012年耕地肥力質(zhì)量綜合指數(shù)描述性統(tǒng)計

2.2.2耕地肥力質(zhì)量綜合指數(shù)空間變異性本研究分別對江西省1985、2012年2個時期的耕地肥力質(zhì)量綜合指數(shù)進(jìn)行半方差分析，以便了解江西省近30 年來耕地肥力綜合質(zhì)量空間變異的演變狀況，擬合的半方差函數(shù)圖及模型參數(shù)見表5。從表5可以看出，1985、2012年江西省耕地肥力質(zhì)量綜合指數(shù)半方差函數(shù)的塊金基臺比分別為0.621、0.501，均呈現(xiàn)中等強(qiáng)度空間自相關(guān)，2012年塊金基臺比相對小于1985 年，反映出較弱的空間自相關(guān)程度。同時通過比較2個時期耕地肥力質(zhì)量的變程可知，2012年的變程為16.54 km，小于1985年的變程的23.6 km，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的空間變異。表明江西省近30 年來，耕地肥力質(zhì)量的空間變異增強(qiáng)，且隨著整體耕地肥力水平提高，耕地肥力水平的空間變異更多受到人為管理因素的影響。

表5　耕地肥力質(zhì)量綜合指數(shù)半方差函數(shù)的理論模型及相關(guān)參數(shù)

2.2.3耕地肥力質(zhì)量空間分布的演變根據(jù)1985、2012年2個時期的耕地肥力質(zhì)量綜合指數(shù)，采用克里金插值法得到江西省這2個時期的耕地肥力質(zhì)量綜合指數(shù)空間分布以及這2個時期的耕地肥力質(zhì)量綜合指數(shù)變化。從表6、圖2-a可知，1985年江西省耕地肥力質(zhì)量綜合指數(shù)以Ⅳ等地居多，占全省總面積的36.09%；Ⅱ等、Ⅲ等地分別占27.11%、28.45%；Ⅰ等地只有少量分布，占總面積的8.35%。2012年，全省耕地肥力等級有了較大的變化，主要是出現(xiàn)了大幅度的耕地肥力質(zhì)量等級的提高，從2012年江西省耕地肥力質(zhì)量綜合評價結(jié)果(圖2-b)和統(tǒng)計結(jié)果可以看出，2012年，江西省耕地肥力質(zhì)量等級主要為Ⅱ等地，占總耕地面積的50.92%，Ⅰ等地的面積也大幅提高，占總面積的23.44%；Ⅲ等地和Ⅳ等地的比例有所下降，特別是Ⅳ等地，只占總面積的0.33%(表6)，等級較高的耕地占了絕大部分，從空間分布來看，與1985年耕地肥力質(zhì)量等級分布類似，耕地肥力質(zhì)量高的區(qū)域主要為鄱陽湖周邊的平原區(qū)域和沿浙贛線的平原與盆地，2012年耕地肥力質(zhì)量高的區(qū)域更為廣闊分布。

表6　江西省耕地肥力質(zhì)量綜合評價結(jié)果

2.2.4耕地綜合肥力等級變化趨勢對江西省1985、2012年耕地肥力質(zhì)量綜合等級進(jìn)行分析，從表7、圖2-c可以看出，江西省的耕地大部分出現(xiàn)了耕地肥力質(zhì)量等級變化，而且變化的區(qū)域中，絕大部分耕地肥力質(zhì)量等級是提高的，等級提升的耕地面積為2 013 265.59 hm2，占耕地總面積的 65.17%；提高程度較大的區(qū)域是中部平原區(qū)和贛東北中低丘陵區(qū)；耕地肥力質(zhì)量等級降低的耕地面積較少，占總耕地面積10.37%，零星分布于丘陵和山區(qū)；耕地肥力質(zhì)量等級沒有發(fā)生變化的耕地面積為755 716.44 hm2，占總耕地 面積的24.46%，基本呈現(xiàn)比較均勻的分布，有部分集中于贛撫中游河谷階地與丘陵區(qū)。

表7　江西省耕地肥力質(zhì)量各等級面積變化情況

3　結(jié)論

本研究通過選取土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀4個評價因子對江西省1985、2012年2個時期的耕地肥力質(zhì)量進(jìn)行綜合評價，并根據(jù)評價結(jié)果對江西省近30年土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀和耕地肥力綜合質(zhì)量時空變化特征進(jìn)行了分析。分析結(jié)果，1985年與2012年土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷含量等級均有所提升，有機(jī)質(zhì)、全氮大多為3級向2級轉(zhuǎn)變，有效磷級別提升較大，1985年有效磷級別主要集中在5級，占45.06%，2012年5級只有0.01%分布，主要集中在2級，比例為54.66%，提升的區(qū)域主要為中部平原區(qū)，而速效鉀含量等級卻有一定程度的下降，級別為1、2級比例由 32.79% 下降至12.73%，下降區(qū)域主要集中在南嶺丘陵山地區(qū)。1985年耕地綜合肥力等級主要集中在Ⅳ等地，為36.09%，隨耕地綜合肥力等別的提升，所占總面積的比例越來越小，Ⅰ等地僅占8.35%；2012年Ⅰ等、Ⅱ等地的面積比例達(dá)74.26%，Ⅳ等地面積比例僅占0.33%。1985、2012年2個時期的耕地肥力質(zhì)量等級分布規(guī)律比較相似，耕地肥力質(zhì)量綜合指數(shù)高的區(qū)域主要為鄱陽湖周邊的平原區(qū)域和沿浙贛線的平原與盆地，2012年，耕地肥力質(zhì)量綜合指數(shù)高的區(qū)域更為廣闊分布。江西省近30年來，耕地肥力質(zhì)量的空間變異增強(qiáng)，且隨著整體耕地肥力水平的提高，耕地肥力水平的空間變異更多地受到人為管理因素的影響。

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