鄱陽(yáng)湖區(qū)洪澇災(zāi)害稻田土壤養(yǎng)分狀況與質(zhì)量評(píng)價(jià)

蘇 甜，劉方平*，徐 濤，吳建富，索猛利

（1.江西省灌溉試驗(yàn)中心站，江西 南昌 330201；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西 南昌 330000）

我國(guó)農(nóng)作物減產(chǎn)的主要因素是自然災(zāi)害，包括水災(zāi)和旱災(zāi)。江西省位于長(zhǎng)江中下游地區(qū)，降雨量豐富，長(zhǎng)江洪水倒灌現(xiàn)象嚴(yán)重，這更加劇了洪澇災(zāi)害的程度。而鄱陽(yáng)湖區(qū)又是長(zhǎng)江中下游洪澇災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)和多發(fā)區(qū)［1］。土壤質(zhì)量是土壤物理、化學(xué)及生物性質(zhì)的綜合反映［2］，在生態(tài)系統(tǒng)中起著保持各生物生產(chǎn)力、維持環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)動(dòng)植物健康生長(zhǎng)的能力［3］。健康的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是保障人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的需求之一。當(dāng)前針對(duì)受洪澇災(zāi)害的林地土壤質(zhì)量研究較多［4-5］，但針對(duì)洪澇災(zāi)害地區(qū)的稻田土壤質(zhì)量研究報(bào)道較少，且缺乏系統(tǒng)性的評(píng)價(jià)，難以全面、科學(xué)地反映洪澇區(qū)域的土壤質(zhì)量。因此，研究鄱陽(yáng)湖區(qū)受洪澇災(zāi)害影響的農(nóng)田土壤養(yǎng)分狀況及質(zhì)量，對(duì)湖區(qū)人民的生產(chǎn)生活具有著重要意義。

主成分分析法(PCA)是一種將多維因子納入同一系統(tǒng)進(jìn)行定量研究的多元統(tǒng)計(jì)方法，目前也被應(yīng)用于土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究中［6］。本文以受災(zāi)程度不同的稻田土壤為研究材料，運(yùn)用PCA法將應(yīng)用較多的土壤指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子，以揭示不同區(qū)域的土壤肥力及質(zhì)量狀況，旨在了解洪澇災(zāi)害下的土壤健康狀況，以期為土壤治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于我國(guó)江西省鄱陽(yáng)湖平原區(qū)，屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。鄱陽(yáng)湖區(qū)主要包括南昌市區(qū)、南昌縣、新建區(qū)、進(jìn)賢縣、九江市區(qū)、永修縣、德安縣、都昌縣、湖口縣、廬山市、余干縣、鄱陽(yáng)縣等12個(gè)縣市［7］。本文選取鄱陽(yáng)湖區(qū)內(nèi)氣候、土壤和地形等自然條件及耕作制度、生產(chǎn)力水平等具有典型代表性的永修、南昌、進(jìn)賢、余干、鄱陽(yáng)5個(gè)縣區(qū)作為研究區(qū)域。

1.2 研究方法

1.2.1 采集方法 2021年6月，分別從洪澇重災(zāi)區(qū)、常災(zāi)區(qū)和易災(zāi)區(qū)［8］選取5個(gè)縣區(qū)的28個(gè)村莊，進(jìn)行稻田土壤的采集。土壤采集按照100 m×100 m網(wǎng)格進(jìn)行，避開(kāi)路邊、田埂、溝邊、肥堆等特殊部位，采集0~20 cm 表層土壤樣品（每個(gè)土壤樣品由3個(gè)相近采樣點(diǎn)的土壤樣品組合而成）。樣品采集后置于陰涼處自然風(fēng)干，去除植物根系、碎石等雜質(zhì)后，研磨過(guò)100目尼龍篩備用。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)定方法 土壤容重、孔隙度及持水量采用環(huán)刀法［9］測(cè)定；機(jī)械組成采用激光粒度分布儀測(cè)定；電導(dǎo)率（EC）使用電導(dǎo)率儀測(cè)定；全氮含量采用元素分析儀測(cè)定；pH值及堿解氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷含量等測(cè)定方法參考《土壤農(nóng)化分析》［10］；過(guò)氧化氫酶及酸性磷酸酶參考《土壤酶及其研究方法》［11］測(cè)定；土壤細(xì)菌及微生物量采用平板培養(yǎng)菌落計(jì)數(shù)法［12］測(cè)定。

1.2.3 評(píng)價(jià)方法 （1）評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇。選取pH值、田間持水量、總孔隙度、毛管孔隙度等17項(xiàng)物理、化學(xué)及生物指標(biāo)作為本研究土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的基本指標(biāo)［13］。

（2）土壤質(zhì)量綜合指數(shù)的計(jì)算。為衡量各土壤指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量的貢獻(xiàn)程度，以主成分分析法確定單個(gè)土壤指標(biāo)的權(quán)重值［14］，然后根據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度計(jì)算不同區(qū)域的土壤質(zhì)量指數(shù)。本研究中的土壤指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果轉(zhuǎn)化為土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)［15］。

通過(guò)主成分分析，得到各采樣點(diǎn)的主成分得分，采用加權(quán)法計(jì)算土壤質(zhì)量綜合指數(shù)(Q) ，其表達(dá)式為：Q=∑WiFi。其中，Wi是各主成分的貢獻(xiàn)率；Fi是各主成分的得分。若Q為正，則表明該區(qū)域土壤質(zhì)量在平均水平之上，反之則表明其在平均水平以下。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用主成分分析法計(jì)算土壤質(zhì)量綜合指數(shù)；運(yùn)用SPSS 22.0軟件對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)和顯著性分析，運(yùn)用Pearson相關(guān)系數(shù)法檢驗(yàn)各土壤指標(biāo)間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 洪澇災(zāi)害地區(qū)稻田土壤基本狀況

2.1.1 土壤質(zhì)地 研究區(qū)土壤組成以砂粒和粉粒為主，黏粒含量不高。根據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)［16］及現(xiàn)場(chǎng)鑒別，研究區(qū)域主要是壤土和黏壤土，其中粉質(zhì)壤土占比最大，達(dá)58.98%，各縣區(qū)具體的土壤組成見(jiàn)圖1。由圖1可知，南昌縣土壤黏粒和粉粒含量最高，永修縣土壤砂粒含量最高；進(jìn)賢縣土壤黏粒含量最低，余干縣土壤粉粒含量最低，南昌縣土壤沙粒含量最低。由此可見(jiàn)，南昌縣土壤黏性較大，永修縣土壤偏砂性?？傮w上研究區(qū)采樣點(diǎn)42.86%的土壤為紅壤。

圖1 研究區(qū)域土壤組成情況

2.1.2 土壤物理特性 由表1可知，研究區(qū)土壤的田間持水量在36.27%~62.61%之間，均值為49.76%。對(duì)比不同縣區(qū)的土壤持水量，在同一個(gè)村莊中，地勢(shì)較高的稻田中土壤持水量較低，持水量最高的采樣點(diǎn)是鄱陽(yáng)縣的車(chē)門(mén)村。各采樣點(diǎn)的土壤毛管孔隙度、總孔隙度分別介于39.43%~62.82%、39.90%~67.91%之間，非毛管孔隙度只占總孔隙度的6.5%，由此可知，該區(qū)域土壤主要以大孔隙為主，透水通氣性能較差，屬耐旱性較差的土壤。綜上，余干縣的土壤物理特性相對(duì)較好，其次是鄱陽(yáng)、南昌與進(jìn)賢3個(gè)縣，而永修縣則處于較低水平。

表1 研究區(qū)域采樣點(diǎn)土壤理化指標(biāo)

2.1.3 土壤化學(xué)特性 由表1可知，土壤pH值變化范圍為4.71~5.93，均值為5.18，整體屬于酸性土壤。其中官田里村（高）的土壤pH值低于其他采樣點(diǎn)的，這可能是由于該地表枯落物較多、腐殖酸積累較迅速致使土壤的pH值較低；北洲鄭家的土壤pH值最高。土壤全氮含量介于0.8~2.7 g/kg之間，均值為1.9 g/kg。堿解氮含量介于73.65~243.44 mg/kg之間，均值為159.71 mg/kg。有機(jī)質(zhì)、速效鉀和有效磷的平均含量分別為34.22、115.22、14.62 mg/kg，其中余干縣采樣點(diǎn)土壤中這3項(xiàng)指標(biāo)的含量均高于其他縣的；南昌縣采樣點(diǎn)土壤中速效鉀和有效磷含量均較低，永修縣采樣點(diǎn)土壤中有機(jī)質(zhì)含量較低。

2.1.4 土壤養(yǎng)分狀況 依據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［17］，研究區(qū)域內(nèi)32.0%的土壤養(yǎng)分很肥沃（I級(jí)），39.0%的屬于肥沃（Ⅱ級(jí)），只有17.9%的肥沃程度為一般（Ⅳ級(jí)）。

對(duì)土壤堿解氮、速效鉀和速效磷進(jìn)行養(yǎng)分分級(jí)。各采樣點(diǎn)土壤的堿解氮含量整體處于豐富水平（I級(jí)），但外閔家及南山東湖家采樣點(diǎn)土壤堿解氮較缺乏（Ⅳ級(jí)）；53.6%的村莊土壤速效鉀較缺乏（Ⅳ級(jí)）。速效鉀和速效磷養(yǎng)分水平整體處于中等豐富水平（Ⅲ級(jí)）。

2.2 土壤質(zhì)量綜合分析

整理分析采樣點(diǎn)的多項(xiàng)指標(biāo)，使用SPSS 22.0軟件進(jìn)行PCA前的相關(guān)分析和檢驗(yàn)。結(jié)果表明，KMO值為0.778，Bartlett球形度檢驗(yàn)顯著性的值小于0.01，說(shuō)明土壤評(píng)價(jià)指標(biāo)之間具有相關(guān)性，進(jìn)行主成分分析是可行的［18］。

本文采用主成分分析法對(duì)水稻田土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。因特征值大于1的主成分能夠解釋較多的總變異性，分析時(shí)應(yīng)選擇特征值大于1的主成分保留下來(lái)［18］。由表2可知，特征值＞1的主成分共計(jì)5個(gè)，可解釋78.973%的總變量。

表2 成分列表及特征值

2.2.1 土壤評(píng)價(jià)指標(biāo)的有效性 一般認(rèn)為，因子負(fù)荷量絕對(duì)值越大，變量在相應(yīng)主成分中的權(quán)重就越大，其中正負(fù)只表征影響效應(yīng)［18］。各因子的負(fù)荷量見(jiàn)表3，土壤第1主成分有多個(gè)高權(quán)重變量，其中有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷含量等貢獻(xiàn)較大；第2主成分起主要作用的是速效鉀含量、電導(dǎo)率以及過(guò)氧化氫酶活性；第3主成分中細(xì)菌總量貢獻(xiàn)最大，其次是微生物總量；第4主成分貢獻(xiàn)量最大的是pH值；第5主成分貢獻(xiàn)量最大的是真菌總量。

表3 主成分負(fù)荷量

2.2.2 稻田土壤的質(zhì)量綜合指數(shù) 以5個(gè)主成分中每個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率占所有提取主成分的貢獻(xiàn)率之和的比值為權(quán)重，Q為綜合指數(shù)，F(xiàn)為綜合因子得分，將每個(gè)采樣點(diǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后獲得每個(gè)采樣點(diǎn)的每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值(Zi)，并對(duì)每個(gè)指標(biāo)在不同主成分上的綜合得分(Fi)進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，主成分1~主成分5的權(quán)重值分別為：0.475、0.189、0.147、0.101和0.088。獲得主成分權(quán)重值后，采用加權(quán)法計(jì)算出各采樣點(diǎn)的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)。

由圖2可以看出，一半采樣點(diǎn)的土壤綜合指數(shù)＞0，土壤健康處于平均水平之上；另一半的采樣點(diǎn)土壤綜合指數(shù)＜0，土壤健康處于平均水平以下。28個(gè)采樣點(diǎn)的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)均值為0，表明土壤質(zhì)量整體處于平均水平。其中永修縣的土壤綜合指數(shù)均值為-0.36，南昌縣的為-0.47，進(jìn)賢縣的為0.18，余干縣的為0.35，鄱陽(yáng)縣的為0.26。永修縣（易災(zāi)區(qū)）、南昌縣（常災(zāi)區(qū)）的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)處于平均水平之下，應(yīng)著重對(duì)該區(qū)域的土壤養(yǎng)分進(jìn)行調(diào)控。

圖2 研究區(qū)域土壤質(zhì)量綜合指數(shù)得分

3 討論與結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)pH值在第4主成分上的負(fù)荷量為負(fù)值，表明pH值的增加可能會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)量的下降。PCA結(jié)果表明，研究區(qū)域內(nèi)的有機(jī)質(zhì)含量是影響土壤質(zhì)量的重要因素之一。對(duì)第1主成分貢獻(xiàn)量較大的指標(biāo)如田間持水量及有機(jī)質(zhì)、速效磷含量等數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，后進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)田間持水量與有機(jī)質(zhì)含量具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，與全氮、速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)。有機(jī)質(zhì)含量與土壤養(yǎng)分供給、物理特性及理化過(guò)程具有密切關(guān)系，主要源于人工施肥和植物凋落物的分解。

PCA結(jié)果顯示，全氮含量為影響土壤質(zhì)量的第1主成分，這可能與土壤長(zhǎng)期施用了大量的氮肥有關(guān)。劉立軍等［19］研究表明，土壤背景氮含量較高條件下的水稻產(chǎn)量對(duì)氮肥的反應(yīng)明顯降低，氮肥利用率的各個(gè)指標(biāo)均有不同程度的下降。研究區(qū)土壤速效磷含量豐富，部分地區(qū)達(dá)到極豐富水平。當(dāng)土壤速效磷含量高于20 mg/kg時(shí)，即為磷補(bǔ)給充足。但鄱陽(yáng)縣雙港鎮(zhèn)采樣點(diǎn)的土壤速效磷均值高達(dá)44 mg/kg，過(guò)量的磷會(huì)引發(fā)一系列的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。因而土壤磷含量較高的地區(qū)，建議少施或不施磷肥，以減少磷肥浪費(fèi)和避免環(huán)境污染。

李平等［20］研究表明，土壤中速效鉀易被植物直接吸收利用，其含量高低可直接反映土壤供鉀能力強(qiáng)弱，速效鉀含量不足是紅壤區(qū)水稻生產(chǎn)的主要限制因子。研究區(qū)土壤速效鉀含量一半處于較缺乏的水平，這些地區(qū)需補(bǔ)充鉀素，否則可能會(huì)影響當(dāng)?shù)厮井a(chǎn)量［21］。研究區(qū)域內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量與速效鉀含量有顯著的相關(guān)關(guān)系，速效鉀與速效磷具有極顯著的相關(guān)性關(guān)系。在PCA分析中，速效鉀含量在第2主成分中起主要作用，說(shuō)明速效鉀含量是影響研究區(qū)域內(nèi)稻田土壤質(zhì)量的重要因素。

綜上所述，鄱陽(yáng)湖平原洪澇災(zāi)害區(qū)的稻田土壤多為壤土和黏壤土，近一半土壤為紅壤土；研究區(qū)域內(nèi)土壤均屬酸性，堿解氮含量豐富，一半以上的土壤缺乏速效鉀，但速效鉀和有效磷養(yǎng)分水平整體處于中等豐富；土壤質(zhì)量整體處于平均水平，進(jìn)賢、鄱陽(yáng)及余干縣的土壤質(zhì)量?jī)?yōu)于南昌縣和永修縣。因此在施肥過(guò)程中，要適當(dāng)減少磷肥的施用，并采取相應(yīng)改良措施防止土壤繼續(xù)酸化或堿化。