湖南省耕地類型與土壤潛育化對農(nóng)用地分等分級的影響

湖南省耕地類型與土壤潛育化對農(nóng)用地分等分級的影響

湖南省位于長江中游，湖泊洼地分布廣泛。其中，河網(wǎng)密集，地勢低洼，地下水位高。由于在原有的農(nóng)用地分等定級中沒有重視南方土壤潛育化問題,因此南方地區(qū)農(nóng)用地等級與實際相差較大。另外,根據(jù)在湖南省境內(nèi)勘察的地球化學(xué)資料可知,土壤中重金屬元素含量超過正常值的土地約有2.8萬km2,土壤中有害元素的增加不僅會影響農(nóng)作物的生長,而且會通過食物鏈毒害人畜健康;而含有有益元素及良好質(zhì)地的土壤類型則會成為優(yōu)勢作物和名優(yōu)農(nóng)作物的產(chǎn)地,這些都應(yīng)該反映到農(nóng)用地分等定級中去。1洞廷湖區(qū)耕地潛耕化對土壤肥力和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響1.1潛育化水稻土/水土流失區(qū)洞庭湖湖區(qū)河湖眾多,水面寬廣,地下水豐富,潛水位高。在潛水面以下,土壤空隙全部充水,處于還原狀態(tài),高價鐵錳還原,形成青灰色的潛育層———青泥層,稱為土壤潛育化。除此之外,湖區(qū)長期推行雙季稻—綠肥輪作制,水稻土的耕作層和犁底層處于充水和過濕狀態(tài),常形成與地下潛水無直接聯(lián)系的高位青泥層,稱為次生潛育化。湖區(qū)潛育化水稻土主要有青紫潮泥和青黃潮泥,面積8.2萬hm2,約占水稻土總面積的16.9%,次生潛育化水稻土在湖區(qū)稱為青隔紫潮泥和青隔黃潮泥,約占水稻土總面積的43.1%。潛育化和次生潛育化水稻土面積之和占湖區(qū)水田面積的60%。以湖南省華容、湘陰2縣為例,平原湖區(qū)38%~49%的耕地、41%~78%的水田均發(fā)生了不同程度的澤害。華容縣常年受災(zāi)面積達(dá)4萬hm2,占耕地面積的70%,其中重災(zāi)面積和中災(zāi)面積所占比例為80%~90%;湘陰縣常年受災(zāi)面積達(dá)3.3萬hm2,占耕地的80%,其中90%為重災(zāi)和中災(zāi)。該地區(qū)澤澇災(zāi)害常常發(fā)生在每年3—5月,以4月尤為嚴(yán)重(主要是對夏作物而言),當(dāng)降水量在這3個月中累計超過300mm時,土壤便會產(chǎn)生澤害;超過400mm時,便會產(chǎn)生嚴(yán)重澤害。1.2地下水位與作物生長和產(chǎn)量之間的關(guān)系1.2.1對水稻養(yǎng)分吸收能力的影響有資料表明,地下水位的高度除了會直接影響水稻的株高、根長、鮮質(zhì)量等指標(biāo)外,還會影響其對養(yǎng)分的吸收能力,最終影響水稻的產(chǎn)量,尤其在不施肥的情況下更為突出(表1、表2)。1.2.2地下水位對大豆和1112.3.3地下水位對旱作物如小麥、油菜和大豆的產(chǎn)量影響很大,小麥、油菜、大豆在脫潛育化土壤上能獲得高產(chǎn),但在重潛育化土壤中種旱作物會導(dǎo)致低產(chǎn),甚至顆粒無收。模擬地下水位試驗時,在4.67m2的水泥地里池內(nèi)填入不同厚度的土層,人為造成不同高度的地下水位,然后種上大豆和油菜。結(jié)果(表3)表明,地下水位對大豆和油菜的產(chǎn)量影響很大,大豆的生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量隨地下水位升高而明顯降低。地下水位高于田面20cm且不低于田面100cm的小區(qū)減產(chǎn)98%,地下水位平田面的小區(qū)減產(chǎn)83%~98%,地下水位高的小區(qū)比地下水位低的小區(qū)減產(chǎn)38%~54%。由于澤害,隨處可見澤死的油菜,導(dǎo)致油菜提前20d收獲,產(chǎn)量受到嚴(yán)重影響。1.3總硫酸鋁還原自然還原社會功能主組元通過以往土壤潛育化的研究,對潛育化土壤中13項指標(biāo)進(jìn)行主組元分析和系統(tǒng)聚類法分析,得到各組元的特征值貢獻(xiàn)率(表4)。其中特征值貢獻(xiàn)率大于10%的有3個主組元,第一主組元為活性還原物質(zhì)濃度,其貢獻(xiàn)率為47.40%。在淹水條件下有機質(zhì)分解產(chǎn)生還原物質(zhì),其中能為高錳酸鉀迅速氧化的部分稱作活性還原物質(zhì),該值與氧化還原電位呈負(fù)相關(guān)。第二主組元為用硫酸鋁提取的亞鐵量,其貢獻(xiàn)率為17.49%,該值與氧化還原電位呈負(fù)相關(guān),與活性鐵量呈正相關(guān)。第三主組元為氧化還原電位(Eh),其貢獻(xiàn)率為14.42%,此值反映土壤氧化還原狀況,與土壤中的有機質(zhì)含量和淹水狀況密切相關(guān)。以上3個主組元累積方差貢獻(xiàn)為79.31%,可以認(rèn)為這三者已包括了原始變量中絕大部分信息,可以作為劃分土壤潛育化程度的一項重要指標(biāo),根據(jù)這樣的研究結(jié)果得出主要診斷指標(biāo)(表5)。2土壤元素對土壤結(jié)構(gòu)的影響2.1對作物生長發(fā)育和豐產(chǎn)的元素農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)與許多因素有關(guān),一般除與品種、耕作方式、管理技術(shù)和氣候條件有關(guān)外,還與土壤環(huán)境狀況和質(zhì)量密切相關(guān),尤其是與土壤化學(xué)元素的含量及其有效形態(tài)關(guān)系極為密切。由國內(nèi)外研究結(jié)果可知,對作物生長發(fā)育和增產(chǎn)起顯著作用的元素有N、P、K、S、Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo、V、Ti、Mg、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Y、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu,對作物生長發(fā)育和增產(chǎn)有一定作用的元素有Ga、Co、Ni、F、Tl、Si、Na,對作物生長發(fā)育和增產(chǎn)有害的元素有Cr、Pb、Cd、Hg、Se、Ba、Te、Ta。目前已知的化學(xué)元素有112種,植物體內(nèi)有70多種,與植物生長發(fā)育有關(guān)的有44種,元素對植物生長發(fā)育的作用主要表現(xiàn)在以下3個方面:一是植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)組成部分;二是作為植物生命活動的調(diào)節(jié)者參與酶的活動;三是起化學(xué)作用即離子濃度平衡、膠體的穩(wěn)定和電荷的中和作用等。以往的研究已證實農(nóng)作物生長發(fā)育與元素有密切聯(lián)系,例如Zn是植物200多種酶的組成元素,參與葉綠素和生長素的合成,在磷代謝和碳水化合物代謝中,Zn起重要作用,它能促使核酸和蛋白質(zhì)的合成,調(diào)節(jié)淀粉的合成,提高籽實量和籽粒質(zhì)量。江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作所1975—1988年進(jìn)行了139個點的水稻施Zn肥試驗,其中97個點增產(chǎn);Cd對作物的毒害作用很大,含有Cd的廢水排入農(nóng)田能使秧苗枯死,即使成活,作物吸收、積累的Cd在糧食內(nèi),人吃了會中毒。日本的相關(guān)研究結(jié)果表明,一般情況下,土壤中Cd含量為0.5~10μg/g時,大米中的Cd含量為0.05~0.1μg/g。2.2湖南其他地區(qū)非香米田的“進(jìn)出”狀況眾所周知,香米是大米中的珍品,被譽為“一畝稻花香千里,一家煮飯萬家香”,通過對香米和非香米的比較發(fā)現(xiàn),香米香味濃,外觀品質(zhì)好,堊白面積小,堊白粒率低,蛋白質(zhì)含量較高,食味好。在湖南江永源口鄉(xiāng)黃土坳、黔陽深度鄉(xiāng)花洋溪、永順顆砂鄉(xiāng)桂溶坪有香米田13.33、6.67、1.33hm2。通過研究發(fā)現(xiàn),香米田和非香米田在小氣候、土壤、土層結(jié)構(gòu)等方面均相同,香米田有“出水”,“出水”蔓延范圍就是香米田,“出水”四周是最佳香米田。因此,對香米田起重要作用的是一種特殊水文地質(zhì)條件下形成的“出水”,對“出水”進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)其中含有多種微量元素,其中Zn、Ca、S、La、V、Ti、Cr、Sr等較當(dāng)?shù)胤窍忝滋锕喔人扛?表6)。微肥田間試驗結(jié)果進(jìn)一步表明,施用La、V、Co等可以明顯降低稻米堊白面積和堊白顆粒,并能提高稻米香味。2.3重金屬元素對土壤造成的污染近年來,隨著湖南省有色金屬采礦業(yè)規(guī)模的不斷擴大和眾多以個人和集體的小型礦藏的非法開采,違規(guī)作業(yè)及廢水廢渣的隨意排放,土壤受到不同程度的污染。根據(jù)勘察地球化學(xué)資料的整理,超過土壤正常值的重金屬元素、有毒元素和放射性元素對土壤造成的污染面積有2.8萬km2,約占全省面積的15%。其中,以郴州市最為嚴(yán)重,郴州是湖南“有色金屬之鄉(xiāng)”,采選有色金屬引起Pb、As、Cd、Hg等污染的土地面積達(dá)2250km2,以上4種元素含量在該片土地上分別超過土壤正常值148、25、19、4倍。土壤受到有色金屬元素的污染,不僅使糧食作物和其他作物的產(chǎn)量明顯下降,并不同程度地存在品質(zhì)問題,而且影響到該區(qū)域內(nèi)的水源。當(dāng)?shù)厝罕婇L期飲用受到污染的地下水、河水,食用受到污染的糧食、蔬菜、水果,致使地方病流行,其中包括由多種重金屬在人體中積累所導(dǎo)致的各種疾病。2.4土壤碳?xì)浠衔镔|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等級的初步制定2.4.1采取保護自然背景的新選擇地濕地土壤環(huán)境質(zhì)量的方法我國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以土壤應(yīng)用功能分區(qū),土地保護為目標(biāo),考慮土壤的主要性質(zhì),把土壤環(huán)境質(zhì)量劃分為3類:Ⅰ類主要適用于國家規(guī)定的自然保護區(qū)(原有背景重金屬含量高除外),集中式生活飲用水源地、茶園、牧場和其他保護地區(qū)的土壤,土壤質(zhì)量基本保護在自然背景水平;Ⅱ類主要適用于一般農(nóng)田、蔬菜地、茶園、果園、牧場等土壤,土壤質(zhì)量基本上保持在對植物和環(huán)境不造成危害和污染;Ⅲ類主要適用于林地土壤及污染物容量較大的高背景值土壤和礦產(chǎn)附近等地的農(nóng)田土壤(蔬菜地除外),土壤質(zhì)量基本上對植物和環(huán)境不造成危害和污染。上述3類土壤分別執(zhí)行三級標(biāo)準(zhǔn):一級標(biāo)準(zhǔn)為保護區(qū)域自然生態(tài)、維持自然背景的土壤環(huán)境質(zhì)量的限制值;二級標(biāo)準(zhǔn)為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、維護人體健康的土壤限制值;三級標(biāo)準(zhǔn)為保障農(nóng)林生產(chǎn)和植物正常生長的土壤臨界值(表7)。2.4.2組合污染指數(shù)以國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中二級標(biāo)準(zhǔn)值作為評價標(biāo)準(zhǔn),計算8種重金屬元素Cd、Hg、As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的單項污染指數(shù)以及尼梅羅綜合污染指數(shù),結(jié)果發(fā)現(xiàn)其符合污染指數(shù)(也簡稱為CPI值),累乘指數(shù),再根據(jù)指數(shù)值由低到高依次劃分為清潔(非污染)、輕度污染、中度污染和重污染。2.4.3對于小氣候、耕作方式、品種,其土壤類型及成分決定在自然土壤中適宜的有益元素含量及其組合會產(chǎn)生富有當(dāng)?shù)靥厣膬?yōu)勢作物和名優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品。例如,在小氣候、耕作方式、同等品種等相同條件下,其土壤類型及其有益元素含量及組合決定江永縣源口鄉(xiāng)的香米、優(yōu)質(zhì)柑橘等產(chǎn)品的名優(yōu)特性。因此,在對農(nóng)用地分等定級過程中應(yīng)該充分考慮土壤中有益元素對農(nóng)用地等級的影響。3在農(nóng)業(yè)分類中的應(yīng)用3.1樣品測定結(jié)果本次外業(yè)調(diào)查獲得七寶山河沿岸、江永源口、華容垸田基本資料,結(jié)果見表8。依據(jù)《農(nóng)用地分等規(guī)程》中農(nóng)用地分等評價指標(biāo)及其分級的相關(guān)規(guī)定,對七寶山河沿岸、江永源口、岳陽華容垸田相關(guān)資料進(jìn)行打分,結(jié)果見表9。根據(jù)《農(nóng)用地分等規(guī)程》全國各區(qū)自然質(zhì)量因素及權(quán)重得出長江中下游區(qū)土地自然質(zhì)量選取因素及權(quán)重(表10)。3.2農(nóng)業(yè)用地自然質(zhì)量分析—新土地自然質(zhì)量因素及權(quán)重計算農(nóng)用地自然質(zhì)量分此次研究除上述土地自然因素外,還補充收集了七寶山河沿岸土壤污染狀況、江永源口優(yōu)質(zhì)土壤對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響以及華容垸田土壤潛育化狀況。3.2.1學(xué)標(biāo)準(zhǔn)值的確定河流沿岸土壤pH值為8.1,鎘含量為0.97mg/kg。該區(qū)域土壤按照表7,土壤環(huán)境質(zhì)量地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)值相關(guān)規(guī)定執(zhí)行二級標(biāo)準(zhǔn),判定七寶山河沿岸土壤為重污染,給出的分?jǐn)?shù)為10分。該地區(qū)基本上無土壤潛育化和富有當(dāng)?shù)靥厣膬?yōu)勢農(nóng)作物和名優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品。因此,在土壤潛育化程度和有益元素這2項給出的分?jǐn)?shù)為95、0分。采用加權(quán)平均法計算出七寶山河沿岸、江永源口、華容垸田三地的農(nóng)用地自然質(zhì)量分?jǐn)?shù),結(jié)果見表11。3.2.2土地有益元素添加量對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響江永源口產(chǎn)的香米在市場上價格高,具有一定品牌效益,深受廣大消費者喜愛,根據(jù)香米與普通大米價格上的差異和一定的比例關(guān)系,給出江永源口在土壤有益元素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響這一因素的單項分?jǐn)?shù),為98分。此外,該地區(qū)基本上沒有重金屬污染的土壤與潛育化土壤,因此土壤污染狀況和潛育化程度分別為98、95分。3.2.3華容哌田的土地自然質(zhì)量因素選取土壤潛育化相關(guān)數(shù)據(jù)如下,活性還原物質(zhì)為0.62mol/kg,亞鐵含量為0.47mol/kg,Eh值為460mV,地下水離地表深度為56cm,土色為灰褐色,土質(zhì)為黏質(zhì)。從表5區(qū)分不同潛育化類型土壤的指標(biāo)體系中可以得出華容垸田土壤潛育化類型為中潛育型,依據(jù)脫潛育型(80,100]、輕潛育型(60,80]、中潛育型(40,60]、重潛育型(20,40]、沼澤型[0,20]的記分規(guī)則,給出華容垸田在土壤潛育化程度上的單項得分為46分。另外,華容垸田沒有發(fā)現(xiàn)重金屬污染和富有當(dāng)?shù)靥厣膬?yōu)勢農(nóng)作物和名優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品,所以給出的土壤污染狀況和有益土壤元素的分?jǐn)?shù)分別為95、10分。此次研究針對湖南省農(nóng)用地特點,在原有土地自然質(zhì)量因素的基礎(chǔ)上添加了有益土壤元素、土壤污染狀況、潛育化程度3項因素指標(biāo),并依據(jù)特爾菲法制定出湖南省土地自然質(zhì)量選取因素及權(quán)重(表12)。運用湖南省土地自然因素及其權(quán)重表重新對湖南省瀏陽市七寶山小溪河沿岸、江永源口、華容垸田農(nóng)用地進(jìn)行農(nóng)用地分等自然質(zhì)量打分(表13)。3.3出香米、華容回發(fā)階段瀏陽市七寶山河沿岸自然質(zhì)量因土壤污染由原來的79.23分下降至65.88分,降幅達(dá)到16.85%;江永源口由于當(dāng)?shù)赝寥篮杏幸嫖⒘吭啬苌L出香米,土地自然質(zhì)量綜合得分由81.82分上升至84.90分,上升幅度為3.76%;華容垸田受地質(zhì)條件影響,農(nóng)用地潛育化嚴(yán)重,自然質(zhì)量綜合得分從71.95分下降到67.52分,降幅為6.16%。農(nóng)用地自然質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化進(jìn)而相應(yīng)