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(1寧波市種植業(yè)管理總站,浙江寧波315000;2寧波市農業(yè)監(jiān)測中心,浙江寧波315000;3寧??h農業(yè)技術推廣總站,浙江寧波315600)
摘要:有機質水平常用作評價土壤肥力的首要指標,而土壤有機碳在全球氣候變化研究中有重要作用。新墾耕地表土中有相當比例的>2 mm礫石。為了準確評價新墾耕地的土壤肥力及其碳貯量,以寧波市寧??h14 個新墾耕地表土(0~30 cm)土樣為例,對表土有機質和有機碳含量計算方法進行了比較研究。結果表明:當這些樣品的計算包括大于2 mm的礫石時,有機質水平下降了22%(平均值從23.1 g/kg下降到18.0 g/kg);按照美國農業(yè)部的計算方法,表土(0~30 cm)有機碳含量在1.97~8.97 kg/m2間,參照加拿大農業(yè)-農產品部評價標準,這些樣品的有機碳含量屬于低的水平。
關鍵詞 :土壤有機質;土壤有機碳;計算方法;累積指數(shù);礫石;新墾耕地
中圖分類號:S158.2 文獻標志碼:A 論文編號:2014-0698
基金項目:農業(yè)部測土配方施肥項目(財農[2012]99 號)。
第一作者簡介:王飛,女,1968 年出生,浙江舟山人,高級農藝師,碩士,主要從事土肥技術研究與推廣工作。通信地址:315000 寧波市寶善路220 號寧波市種植業(yè)管理總站,Tel:0574-87130748,E-mail:veg-wf@163.com。
收稿日期:2014-07-14,修回日期:2014-10-05。
0 引言
為加強耕地質量建設與管理,根據(jù)國土資源部農業(yè)部《關于加強占補平衡補充耕地質量建設與管理的通知》、農業(yè)部《關于補充耕地質量驗收評定工作規(guī)范》和浙江省農業(yè)廳《關于規(guī)范和加強補充耕地質量評定工作的通知》等文件精神,農業(yè)部門開展了新墾耕地質量評定工作,即通過對開發(fā)造地項目工程和肥力要素的調查分析,來綜合評定新墾耕地是否符合農業(yè)生產基本條件。根據(jù)《浙江省耕地質量評定與地力分等定級技術規(guī)范(試行)》(以下簡稱《規(guī)范》),“耕層有機質含量”即是最重要的肥力要素。由于大多數(shù)低丘緩坡開發(fā)墾造的耕地表土中,礫石占了相當大的比例。如何計算其表土有機質和有機碳含量,對正確評估土壤肥力、指導作物合理施肥具有重要意義。
土壤與巖石的主要區(qū)別是有機質。土壤有機質(SOM)也稱作“土壤腐殖質”,其定義是除了土壤中未分解的各種動、植物殘體外的有機部分。有機質的品質和性質決定土壤形成過程方向以及生物化學、化學、物理和土壤肥力性質。有機質影響所吸附的陽離子的組成和活性以及土壤顏色、能量平衡、容重、結持性和固相比重。有機質含量影響許多土壤性質,如持水量、交換性鹽基、團聚體穩(wěn)定性、土壤通氣性以及供應氮、磷和微量養(yǎng)分的能力。因此土壤有機質含量是評價土壤質量的重要指標之一。然而實驗室測定土壤有機質含量時,一般僅包括通過2 mm篩部分,因此,是難以定量地估計一個土壤有機質含量的[1]。
土壤有機碳通過土壤生物和植物根系呼吸排放CO2,是決定陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的主要因子。土壤有機碳較小幅度的變化,都有可能影響到碳向大氣的排放,結果以溫室氣體影響全球氣候變化。因此早在20 世紀70 年代,國際上就有學者開始對全球土壤有機碳進行估算,一般按土壤類型[2]、植被類型[3]、生命帶[4]或以模型法[5]作統(tǒng)計,并提出了土壤剖面有機碳密度的概念。由于各研究之間計算方法不一致,因此各研究結果之間差異較大。20 世紀90 年代,中國開始對中國土壤有機碳總量進行計算。由于不同研究者所采用的資料來源和統(tǒng)計樣本容量不同[6-9],以及不同研究者所采用的深度標準、統(tǒng)計方法存在差異[10-13],對土壤有機碳的估計差異也很大。
中國歷來對土壤有機質含量以通過2 mm篩部分為基數(shù)進行計算[14],至今仍以此方法作為評價土壤有機質含量分級標準[15]。但對丘陵山地礫石含量高的土壤,按此法所測得的土壤有機質含量普遍較高,因而被賦予較高的農業(yè)生產能力,這不符合客觀事實。因此,筆者以寧波市寧??h2013 年低丘緩坡墾造耕地項目為例,參照美國農業(yè)部[1]和加拿大農業(yè)-農產品部[16]有關標準,對表土有機質和有機碳含量計算方法進行了比較研究,旨在為準確估算土壤碳庫和合理施肥提供參考。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
寧??h位于浙江省東部沿海、寧波市的南部,地處北緯29°06′—29°32′,東經121°09′—121°49′之間,屬沿海低山丘陵地區(qū)??偯娣e1843 km2,山地面積945 km2,平原面積805 km2。擁有耕地3.5萬hm2,林地10.8萬hm2,灘涂2.6萬hm2,素有“七山二地一分田”之稱。
寧海屬亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū),常年以東南風為主,氣候溫暖濕潤,四季分明,日照充足,雨水充沛,年平均氣溫15.3~17℃,年日照1900 h 左右,平均相對濕度78%,年平均降水量1000~1600 mm,無霜期230天。
1.2 供試土壤
根據(jù)1994 年浙江省土壤普查辦公室所編著的《浙江土壤》[17]一書中浙江省土壤分類及中國國家標準《中國土壤分類與代碼》(GB/T 17296—2009)[18],本研究的土壤分類屬紅壤土類黃紅壤亞類砂泥質黃紅壤土屬黃泥砂土土種(代碼A1321611)。此土種在浙江省分布廣泛,因此有一定代表性。
1.3 土壤樣品的采集和測定
根據(jù)《規(guī)范》要求,采集0~30 cm土層(30 cm×30 cm×30 cm)土樣,用篩分法,計算粒徑≥2 mm固體顆粒的重量百分比。
土壤樣品按農業(yè)部的農業(yè)行業(yè)標準中規(guī)定的方法進行檢測:按NY/T 1121.4—2006環(huán)刀法測定<2 mm土壤容重;按NY/T 1121.1—2006 土樣制備方法和NY/T 1121.6—2006 重鉻酸鉀容量法進行<2 mm土壤有機質含量測定。
1.4 土壤有機質和有機碳含量計算方法
(1)以<2 mm土壤干土重為基數(shù)的土壤有機質含量計算方法,見NY/T 1121.6—2006[15]。
(2)以包括>2 mm礫石為基數(shù)的土壤有機質含量計算方法:<2 mm土壤有機質含量(g/kg)×(100->2 mm礫石含量)/100。
(3)按美國農業(yè)部自然資源保護局的土壤有機碳(C)累積指數(shù)的計算方法[1]:土壤有機碳累積指數(shù)(kg/m2)=Wtoc×0.1×p×Hcm ×Cm
其中:Wto為以<2 mm土壤為基數(shù)的有機碳(C)含量百分數(shù)(%);0.1為轉換因子,常數(shù);p 為<2 mm土壤容重(g/cm3);Hcm 為土層厚度(cm);Cm為>2 mm礫石轉換系數(shù),如無礫石,Cm=1;如有礫石,Cm計算如下:Cm =(100->2 mm礫石體積%)/100
>2 mm礫石體積%計算如下:
P>2 mm={(A/B)/[(A/B)+(100-A)/C]}×100
其中:P>2 mm為>2 mm礫石體積%;A為>2 mm部分重量百分數(shù)(%);B 為>2 mm部分容重(g/cm3),如無測定值,可用2.65 g/cm3;C為<2 mm土壤容重(g/cm3),如無測定值,礦質土壤可用1.45 g/cm3。
1.5 土壤有機質和有機碳含量評價標準
(1)采用《規(guī)范》中“工程與肥力要素評價標準”,對測定的土壤有機質含量(<2 mm土壤,g/kg)進行生產能力賦值:<5 g/kg,0.2分;5~10 g/kg,0.4分;10~15 g/kg,0.6 分;15~20 g/kg,0.8 分;>20 g/kg,1 分。
(2)對包括大于2 mm礫石為基數(shù)計算的有機質含量(g/kg)進行生產能力賦值,標準同上。
(3)按加拿大農業(yè)-農產品部土地和生物資源研究中心標準對表土0~30 cm 有機碳(C)含量(kg/m2)進行評價,從低到高分級為:<1.7 kg/m2;1.7~4.9 kg/m2;4.9~14 kg/m2;14~35 kg/m2;35~69 kg/m2;>69 kg/m2[16]。
1.6 數(shù)據(jù)分析
采用Excel 2003 進行數(shù)據(jù)處理與分析。
2 結果與分析
2.1 表土土壤有機質含量計算方法的校正及評價由于有機碳是土壤有機質的主要成分,因此NY/T 1121.6—2006 標準中,用測定土壤有機碳來間接地求得有機質,即用測得的有機碳值乘以范貝梅倫系數(shù)(Van Bemmelen Factor=1.724)來計算有機質含量。
由于用NY/T 1121.6—2006 標準測定的是以<2 mm土壤為基數(shù)的有機質含量,不包含>2 mm礫石含量,因此有必要對測定值進行校正,即將>2 mm礫石含量計算在內。
從表1 可以看出,以包括>2 mm礫石為基數(shù)計算時,14 個采樣點土壤有機質平均含量已由測定時的23.1 g/kg 降至18.0 g/kg,降幅達22%,生產能力賦值也由0.86 分降低到0.71 分,降幅達19%。尤其是8 號土樣>2 mm礫石含量達44%,該土壤應劃為粗骨土類酸性粗骨土亞類[17]。
2.2 土壤有機碳按累積指數(shù)法的計算及評價
1995 年美國農業(yè)部自然資源保護局在《土壤調查實驗室信息手冊》第一版中就提出了土壤有機碳累積指數(shù)accumulation index)的概念和計算方法[19],到2011年該手冊第二版得到進一步規(guī)范[1]:這一計算方法的另一術語是碳貯量(C stocks),其定義是碳庫(carbonpool)含有的碳的數(shù)量,意思是貯藏庫或系統(tǒng)中累積或釋放碳的能力,以土層深度為1 m時,每平方米所貯存的有機碳(C)數(shù)量(kg/m2)來表示。
寧??h低丘緩坡墾造耕地表土(0~30 cm)有機碳含量按累積指數(shù)法計算結果見表2,按加拿大農業(yè)-農產品部標準[16],除3 號和4 號土樣的有機碳含量在4.9~14 kg/m2 外,其余12 個土樣的有機碳含量均在1.7~4.9 kg/m2范圍內,可見總體上來說,所分析的土樣有機碳含量是低的。
3 結論與討論
3.1 土壤有機質含量計算的改進
對于礫石占比大的土壤如新墾耕地等,以包括大于2 mm的礫石含量為基數(shù)進行有機質含量計算,其值較為符合實際生產能力。中國第二次土壤普查時也有類似情形,如浙江省的酸性粗骨土亞類石砂土(礫石含量28%,2~0.02 mm砂粒含量50%)<2 mm部分有機質的含量高達53 g/kg[17],但這些土壤的農業(yè)生產能力均為低下。
另外,中國在20 世紀50 年代至70 年代土壤粒級及質地分類用的是卡慶斯基制,即>1 mm為礫石;到第二次土壤普查時改為國際制,而中國土壤系統(tǒng)分類用的是美國農部制[20],都以>2 mm為礫石;但中國在采用國際制質地分類時并未考慮礫石含量。因此筆者認為,對礫石占比大的土壤質地分類及其有機質含量計算方法有必要進一步研究和明確,并在有關標準中予以規(guī)定。
3.2 土壤有機質含量的表達方式
范貝梅倫系數(shù)假定土壤有機質含有58%有機碳,實際上該系數(shù)在土壤與土壤之間,以及同一土壤剖面的不同深度,都會有所變化。從土壤學發(fā)展的觀點看,土壤成分數(shù)量表達的統(tǒng)一系統(tǒng)是必不可少的。因此,有機碳含量一詞比有機質含量更好,因為后者不是一個適宜的或準確可量度的實體[21]。
為準確評估土壤碳庫,筆者認為應從國家層面上建立統(tǒng)一的土壤碳貯量計算方法。本研究引入土壤有機碳累積指數(shù)的概念,可供參考。
值得注意是,加拿大表土(0~30 cm)碳含量圖上還標出了3 種圖例:100%巖石(轉換系數(shù)為0),100%冰和100%水[15]。100%巖石在第二次土壤普查時,浙江省稱為“巖禿”,據(jù)統(tǒng)計浙江省“巖禿”面積達27888 hm2,占浙江省土壤面積的0.29%,這部分面積當時均歸到酸性粗骨土亞類中石砂土,這就是說石砂土有機質含量沒有原統(tǒng)計值高。另外,中國青藏高原等地的冰川(永凍土)的有機質含量計算也值得進一步研究[22-23]。
3.3 本研究在作物施肥上的應用
對于無礫石的土壤,<2 mm土壤有效氮、磷、鉀等養(yǎng)分測定結果可基本上反映該土壤養(yǎng)分供給能力;但對于含有礫石的土壤,有必要循本文思路,對其測定值進行換算,并及時補充有關養(yǎng)分。但肥料一次不能施用太多,因過量施肥會引起土壤養(yǎng)分濃度過高,造成傷苗,甚至減產。
3.4 結論
綜合以上對土壤有機質含量計算的比較分析表明,以包括>2 mm的礫石含量為基數(shù)的有機質含量計算值,要優(yōu)于僅包括過2 mm篩的測定值;而引進的土壤有機碳累積指數(shù)的計算方法,對土壤碳貯量從體積上有了統(tǒng)一而又較為準確的計算方法,值得推廣和應用。
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作者簡介:趙娜娜(1985-),女,河南靈寶人,助理研究員,博士,主要從事農田作物耗水規(guī)律、水文學及水資源方面研究。E-mail:
通訊作者:于福亮(1953-),男,北京人,教授級高級工程師,博士,主要從事水文學及水資源方面研究。E-mail:
摘要:時間穩(wěn)定性是分析土壤水分時空變異性的重要因素,對土壤水分時間穩(wěn)定性的分析可為區(qū)域土壤墑情的預測及水資源量的評估、以及水文模型的發(fā)展等提供依據(jù)。在2 m2坡面尺度上,采用EC-5土壤水分傳感器對四種土地利用類型(玉米、小麥、草地和裸地)在兩種坡度(5°、15°)下淺層土壤水分的時間穩(wěn)定性進行分析?;谙鄬Σ罘址ê蚐pearman秩相關系數(shù)分析法研究得出:不同植被類型、坡度下淺層土壤水分具有一定的時間穩(wěn)定性,其不同深度的平均相對偏差(MRD)及其標準差均很小;不同坡度間的土壤水分時間穩(wěn)定性差異不顯著,而植被類型對土壤水分時間穩(wěn)定性影響較大,相比而言,玉米和草地的土壤水分標準差相對較大,土壤水分時間穩(wěn)定性明顯低于小麥和裸地。
關鍵詞:土壤水分;時間穩(wěn)定性;植被類型;坡度;spearman秩相關系數(shù);相對差分法
中圖分類號:P333 文獻標志碼:A 文章編號:
1672-1683(2015)04-0765-06
Temporal stability of soil water under different soil coverages
ZHAO Na-na1,2,3,LI Chuan-zhe1,2,LIU Jia2,MU Wen-bin2,YU Fu-liang2,XING Jiu-ping4
(1.State Key Laboratory of Water Resources & Hydropower Engineering Science,Wuhan University,Wuhan 430072,
China;2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin,Institute of Water Resources
and Hydropower Research,Beijing 100038,China;3.Research Institute of Wetland,Chinese Academy of Forestry,
Beijing 100091,China;4.Hebei Provincial Water Conservancy Bureau,Shijiazhuang 050021,China)
Abstract:Temporal stability is an important factor to analyze the spatial and temporal variability of soil water,so its study can provide reference for the prediction of local soil moisture,evaluation of water resources,and development of hydrology modelling.According to the real-time monitoring of soil moisture data collected by EC-5 sensors in the hillslope scale of 2 m2,the temporal stability of shallow soil water under four different vegetation covers (spring maize,wheat,ryegrass,and bare land) were analyzed using the relative difference method and Spearman rand correlation coefficient method.Results showed that the temporal stability occurs in the shallow soil water under different vegetable types and slopes with small MRD and standard deviation values at various soil depths.There was no significant difference for the temporal stability of soil water under different slopes,but obvious difference under different vegetation types.The temporal stability of soil water for maize and ryegrass was obviously lower than that of wheat and bare land with smaller MRD and standard deviation values.
Key words:soil water;temporal stability;vegetation type;slope;Spearman rand correlation coefficient;relative difference
1 研究背景
土壤水是水文循環(huán)過程中的關鍵狀態(tài)變量,對水文過程,如降雨入滲、蒸發(fā)、徑流形成過程等有重要的作用,同時,土壤水也是農田生態(tài)系統(tǒng)維持和區(qū)域灌溉制度制定的基礎和依據(jù)。然而,由于土壤類型、結構、質地等的空間變異性及區(qū)域氣候、植被、地形等因素的影響,土壤水分具有一定的時空變異性,而如何對土壤水分時空變異性進行定量分析和描述也是影響流域水文模型模擬精度的重要因素之一。因此,準確分析區(qū)域土壤水分的時空動態(tài)變化對于水文模型的發(fā)展以及區(qū)域水資源的評價、保護和管理等都是很有必要的。
國內外許多學者對土壤水分的時空變異性,尤其是土壤水分的空間變異性進行了大量的研究[1-4],而這種研究實際上是基于土壤水分在時間上具有一定的穩(wěn)定性。所謂土壤水分的時間穩(wěn)定性, Vachaud[5]通過土壤水分的試驗研究發(fā)現(xiàn):將所有測點的土壤水分含量按高低排序后,不同測量時間下這些測點的順序基本沒有變化或變化不大,這種土壤水分的空間格局隨時間相對穩(wěn)定的現(xiàn)象就是時間穩(wěn)定性(time stability),一些學者將時間穩(wěn)定性定義為:在既定的土壤類型中,空間位置和經典的統(tǒng)計參數(shù)在時間上相對不變的聯(lián)系。Kachanoski[6]和de Jong[7]將時間穩(wěn)定性重新定義為土壤水分在不同空間形式上表現(xiàn)出的時間一致性,是與空間尺度有關的空間分布結構或模式在時間上持續(xù)性,空間某點的土壤含水量是各種水文過程在不同空間尺度上共同作用的結果。
由于土壤水分實時測量需要先進的測量技術,耗時多、成本高,許多研究者試圖尋找、提出一種新的、可以減少用以描述研究區(qū)域內土壤水分特性所需的實測點的方法,從而節(jié)省成本提高效率。因此,如何使用較少的實測點并能夠代表研究區(qū)域或流域的平均土壤水分,這對流域的徑流模擬精度具有很大的影響。通過對土壤水分時間穩(wěn)定性的分析,可利
用最少的土壤水分數(shù)據(jù)測量來表征山坡或流域尺度的平均土壤含水率,因此,土壤水分時間穩(wěn)定的概念一經提出就得以廣泛研究和應用。一些研究學者已經證實了時間穩(wěn)定的測點位置可以很好地表征小流域的平均土壤含水率。Grayson和Western[8]應用時間穩(wěn)定性的概念對流域進行研究,發(fā)現(xiàn)在研究區(qū)域內存在一些可以連續(xù)地表征整個研究區(qū)域平均土壤水分狀況的位置,將其稱之為流域平均土壤水分監(jiān)測點(CASMM)。Martinez和Ceballos[9]也提出了相似的概念RMSM,即典型平均土壤水分實測點,這些代表性的實測點可以代表整個流域的平均土壤水分狀況。我國的一些學者也針對不同區(qū)域的土壤水分時間穩(wěn)定性進行研究,如黃土高原地區(qū)土壤水分時間穩(wěn)定性的尺度性及其尺度性研究[10-11],干旱、半干旱荒漠化地區(qū)的淺層土壤土壤水分時間穩(wěn)定特性[12],四川盆地丘陵地區(qū)[13]等,而針對華北地區(qū)不同下墊面類型下的土壤水分時間穩(wěn)定性特征研究相對較少。本文通過室內試驗,采用相對差分法及Spearman 秩相關系數(shù)分析法對華北地區(qū)不同下墊面的土壤水分時間穩(wěn)定性特征進行分析和研究,以期為該區(qū)域水文模型的發(fā)展、農業(yè)水管理及生態(tài)環(huán)境建設等提供研究依據(jù)。
2 材料與方法
2.1 試驗布設
為了研究不同下墊面類型的土壤水分動態(tài)變化過程,試驗采用6個可自動調節(jié)坡度的坡面徑流試驗裝置(長×寬×高= 200 cm ×100 cm ×60 cm),采用分層回填的方式每隔
5 cm進行分層裝土,土壤干容重控制在1.41 g/cm3左右,總土層厚度為50 cm,可基本視為各向同性、均質土壤。為了觀測降水過程中的地表徑流及壤中流產流情況,土槽出口的縱剖面用鐵質的百葉窗封裝,同時在百葉窗內側安裝紗網(wǎng),防止降水過程中的土壤側漏。裝土完成后將土槽調整到試驗設定坡度(5°和15°),灑水加速土壤沉積以更接近于原狀土的性狀。同時在試驗土槽中分別種植小麥、玉米及黑麥草,并設置兩個重復,以研究坡度、土地利用類型對土壤水分變化的影響。此外,為了便于有無植被覆蓋下的土壤水分分布的對比分析,將其中一個土槽設為裸荒地,其坡度為5°。
試驗主要采用室內人工模擬降雨的方式,降雨結束后將土槽移至野外天然條件下以觀測蒸散發(fā)過程中土壤水分的動態(tài)變化過程。試驗階段內的降水量見圖1,人工模擬降雨的設計雨強為0.45 mm/min和0.7 mm/min,其中小麥和玉米整個生育期內進行了6場人工降雨,為了研究土壤接近飽和情況下的土壤水分運動過程,對草地和裸地總共開展了11場人工模擬降雨,設計雨強及降雨歷時詳見表1。試驗過程中在各土槽中隨機選取采樣點,用環(huán)刀取土,進行土壤理化性質的測定,見表 2。
為了實時監(jiān)測土壤水分動態(tài)變化過程及坡面內土壤水分時空變化規(guī)律,沿土槽的坡長方向,在距土槽頂端30 cm、100 cm和170 cm處(即A1-A3、B1-B3剖面)分別埋設三組土壤水分傳感器,埋設深度為10 cm、20 cm、40 cm(見圖2),以觀測不同坡位、不同土壤深度的水分動態(tài)變化過程。試驗采用的土壤水分傳感器的型號為EC-5(Decagon,USA),其基本原理是通過測量土壤中的介電常數(shù)來計算土壤體積含水率,測量精度可達到±1%~2%[14-15];此外,由于該傳感器體積小,其主體部分長度僅為5 cm,適合長期埋設在野外進行土壤水分的長期監(jiān)測而被廣泛用于體積土壤含水率的測定[16-17]。土壤含水率數(shù)據(jù)主要采用配套的EM50數(shù)據(jù)采集器(Decagon,Pullman,Washington,USA)于2013年3月至2013年9月對各測點進行采集,數(shù)據(jù)監(jiān)測時間頻率為1 h。同時,采用傳統(tǒng)的取土烘干法對EC-5土壤水分傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行率定和校準,其校準方程為:θcorr=0.9249θabs,R2=0.997。
2.2 研究方法
(1) 相對差分法。
相對差分法主要通過計算平均相對差分(MRD)和繪制平均相對差分的標準差圖(σi,j)來分析土壤水分時間穩(wěn)定性,通過平均相對差分圖可以顯示出估算區(qū)域平均土壤水分的實測點位置。根據(jù)Vachaud[5]及Grayson和Western[8]推薦的方法,對本研究試驗研究的4種不同下墊面處理的時間穩(wěn)定性進行分析。其中相對差分的計算公式為
式中:Si,j為在j時間測點位置i的土壤水分實測值;j為j時刻的土壤水分平均值;δi,j為j時刻測點位置i的土壤水分相對差分值;n為觀測點的個數(shù);MRDi為測點位置i的平均相對差分值;m則為觀測的樣本時間的數(shù)量;σi為測點位置i的相對差分的標準差。
計算每一個測點位置的平均相對差分值(MRD),以相對差分的標準差作為誤差,按照順序排列繪制成圖來確定哪個實測點位置可以代表/估算流域的平均土壤水分值。通常有兩種判定標準來選擇理想的平均土壤水分測點:一種方法是測點位置周圍的平均相對差分為0,說明該測點能夠精確地估算山坡的平均值,另一種方法是標準差很?。凑`差條較短),則說明其估算值變差較小。如果一個測點同時具備了上述兩種特性,可以認為該測點位置能夠很精確地估算山坡/流域的平均土壤水分。
(2)Spearman秩相關系數(shù)法。
采用Spearman非參數(shù)檢驗法分析不同測點的秩隨時間變化的一致性和穩(wěn)定性,主要反映測量樣點的空間模式在時間上的相似性,其值越接近于1說明土壤水分的空間模式在時間上越相似,即土壤水分的時間穩(wěn)定性越強,其計算公式如下:
ρ=1-6∑d2n(n2-1)(5)
式中:d為觀測序列的等級差,即同一觀測點在不同觀測時刻的秩的差;n為觀測點個數(shù)。ρ越接近于1,說明其穩(wěn)定越好。
3 結果與討論
3.1 相對差分
根據(jù)式(1)-式(4)計算試驗階段內各個下墊面不同測點各深度的土壤含水率平均相對差分值MRD及其標準差σ,將不同深度的土壤含水率平均相對差分由小到大進行排列,繪制相對差分圖,分析其時間穩(wěn)定性。圖3至圖5即為小麥、玉米、草地、裸地在生長期3月-9月不同位置的土壤水分觀測點的平均相對差分圖,平均相對差分值為正,說明相應的測點位置與實測平均值相比較為濕潤;負值則相反,說明該點土壤含水率相對較低。標準差σ越小說明樣點的時間穩(wěn)定性越強,而 Spearman 系數(shù)越接近于 1,表明土壤水分的空間模式在不同時間越相似。
由圖3-圖5可以看出,同一土地利用類型下,10 cm,20 cm,以及40 cm不同深度平均相對差分MRD變化范圍差異不大,總體上40 cm深度的土壤水分穩(wěn)定性略高,土壤層時間穩(wěn)定性隨深度增加而增強,可能是由于植被根系吸水、林冠影響土壤蒸發(fā)、地形引起的變異以及降水等對表層土壤的影響較大,并且較深層的土壤結構以及土壤的持水能力相對更加穩(wěn)定,這說明影響土壤水分時間穩(wěn)定性的因素存在深度上的依賴性。圖中的誤差線為相對差分值的標準差,其大小說明了各測點土壤含水率與平均含水率之間相對差分的離散程度,標準差越小說明土壤水分時間穩(wěn)定性越高。由圖可以看出:而標準差則隨著深度逐漸增加(如小麥三個不同深度的標準差的平均值分別為0.062,0.066和0.092),這可能是由于試驗土槽底部的設計為封閉型,使得土壤在飽和或者接近飽和后降雨入滲的水分更容易在土壤底部集聚,從而使深層土壤含水率相對較高,而使其穩(wěn)定性相對較弱。高磊[10]在對黃土高原小流域的土壤水分時間穩(wěn)定性進行分析時也發(fā)現(xiàn):低含水量的樣點往往有更強的時間穩(wěn)定性,而高含水量的樣點更趨于不穩(wěn)定,但同時也指出測量點含水量的高低和時間穩(wěn)定性強弱之間并沒有必然的關系。
不同土地利用類型下,土壤水分監(jiān)測點各深度的土壤水分有相對較強的時間穩(wěn)定性,所有的MRD值都非常低,說明不同下墊面條件下土壤水分具有很好的整體時間穩(wěn)定性。5°麥地0~10 cm的土壤水分平均相對偏差變化范圍為-5.9%~10.9%,20 cm為-9.1%~7.7%,40 cm為14.5%~17.3%;15°三個不同深度的平均相對差分變化范圍分別為-13.2%~6.8%、-6.4%~6.8%、-5.1%~5.2%。5°玉米0~10 cm的土壤水分平均相對偏差變化范圍為-5.5%~7.3%,20 cm為-7.3%~7.8%,40 cm為-4.6%~9.9%;15°則分別為-9.7%~5.7%、-9.7%~5.0%、-7.5%~4.5%。草地10 cm、20 cm、40 cm的土壤水分平均相對差分值變化范圍分別為-4.1%~7.3%、-11.6%~4.2%、-6.1%~3.7%,裸地則分別為-4.9%~2.7%、-2.0%~2.2%、-2.0%~1.8%。同時,不同土地利用類型之間,玉米、草地的土壤水分標準差明顯高于其它小麥和裸地,可能與土壤水分觀測期正是春玉米、黑麥草的主要生長階段有關,也說明了植被對土壤水分的變異性和穩(wěn)定性有明顯影響,與Hupet和Vanclooster[18]的研究結果基本相符。
根據(jù)MRD接近于0且標準差很小的原則可判斷不同坡度、深度的最佳土壤水分觀測點位置,即可以代表整個區(qū)域的平均土壤水分值。小麥5°處理中10 cm及20 cm深度的平均土壤水分觀測點為A2,40 cm深度則為B1;15°中10 cm、20 cm、40 cm深度則分別為A2、B2、B2,總體上對于小麥而言,坡中位置應為土壤水分最佳監(jiān)測點,能夠容易較好地估算整個坡面的土壤水分平均值。玉米不同坡度下各深度的土壤水分最優(yōu)觀測點差異較大,5°條件下10 cm、20 cm、40 cm深度分別為A1、A2、A1,15°條件下則為B1、A2、A2,這可能與玉米生育期內初始土壤含水率較低有關,整體上5°處理的玉米其土壤水分觀測點可選為A1,即坡頂位置,而15°則為坡中位置(A2)。草地則為坡頂位置(A1/B1),裸地為坡中(A2)位置最佳。
3.2 Spearman秩相關系數(shù)
采用Spearman秩相關系數(shù)ρ對相同植被類型、不同深度、坡度的MRD進行比較,結果如表3-表6??傮w上相關系數(shù)相對較高,表明淺層土壤水分具有一定的時間穩(wěn)定性。麥地5°只有10 cm和20 cm,20 cm和40 cm深度,及15°中20 cm和40 cm深度有較高的相關系數(shù)外,其余深度間的相關性并不顯著。而玉米不同深度間也沒有顯著的相關性,草地和裸地在20 cm和40 cm深度的相關性達到極顯著水平
(置信水平為0.01)。這很可能是由于不同下墊面的土壤含水率的差異引起的,Penna[19]等通過實測數(shù)據(jù)分析認為氣象條件的差異也可能是造成表層與深層數(shù)據(jù)差異的主要原因。此外,不同的前期土壤濕潤條件也會對各深度的MRD值及標準差產生影響[20]。
4 結論
文中采用了兩種相對比較廣泛應用的相對差分法和Spearman秩相關系數(shù)分析法對2 m2小尺度上不同下墊面類型的淺層土壤水分時間穩(wěn)定性進行分析,研究結果表明:10 cm、20 cm和40 cm深度的土壤水分具有明顯的時間穩(wěn)定性,且這種穩(wěn)定性隨著深度的增加逐漸增強。土地利用類型對土壤水分的時間穩(wěn)定性影響很大,相同土壤和氣候條件下,玉米和草地的土壤水分變異性明顯高于小麥和裸地,Hupet 和 Vanclooster[18]認為玉米生長階段的變化也會引起較大土壤水分的變異性,Gomez-Plaz等[21]也對植被和地形因素對土壤水分的時間穩(wěn)定性的影響進行分析表明植被會使土壤水分在空間分布結構上具有較大的變異性。而不同坡度間土壤水分時間穩(wěn)定性差異并不明顯,可能與回填的土壤表面相對平整、的洼地等因素有關。不同深度的Spearman
秩相關系數(shù)對比,總體上相關系數(shù)相對較高,表明淺層土壤水分具有一定的時間穩(wěn)定性,但可能受降水及植被的影響,僅部分深度之間有明顯的相關性,不同下墊面的各深度的土壤水分沒有明顯的相關性。同時,不同坡度間的很低的MRD的秩相關系數(shù)也說明了地形因素對土壤水分的時間穩(wěn)定性影響很小,這與相對差分法的分析結果一致。
通過不同土地利用類型下土壤水分時間穩(wěn)定性在不同土壤剖面的分布特性的試驗分析和研究,驗證了小尺度上淺層土壤水分時間穩(wěn)定性的存在及不同土地利用類型對其的影響,但是由于土壤水分的影響因素具有明顯的時間和尺度依賴性,本文的研究僅對植被和坡度因素的影響進行初步分析,而不同尺度以及土壤深度下土壤水分時間穩(wěn)定性及其影響因素還需進一步定量分析和探討。
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長江流經宜昌段后,沿荊江進入一個相對低緩的地帶。其間河網(wǎng)密織、湖泊星羅棋布,形成了我國長江流域特有的湖泊型濕地景觀。明清以來,迫于人口壓力,人們對該濕地地區(qū)進行了不同形式的開墾,使之逐漸發(fā)展成為我國農業(yè)的發(fā)達地區(qū)。針對這片開墾地域農業(yè)面臨的各方面的問題,從20世紀90年代以來,不少學者將國際上的“濕地”概念引入到對本地區(qū)農業(yè)的研究上,相繼提出了要發(fā)展?jié)竦剞r業(yè)的思想[1~5]。我們在完成中日技術合作“湖北省江漢平原四湖澇漬地綜合開發(fā)計劃”和湖北省“九五”重大科技計劃項目“江漢平原澇漬地綜合開發(fā)研究”的過程中,對江漢平原農業(yè)發(fā)展中所面臨的若干問題進行了研究,希望對建立我國南方濕地農業(yè)技術體系作一些有益的探索。版權所有
1“濕地農業(yè)”的提出
“濕地農業(yè)”的概念是在“濕地”概念的基礎上發(fā)展起來的。多水(包括地下水、地表水)是濕地的基本特征。國際上提出濕地的概念,主要是鑒于該類自然資源對調節(jié)自然環(huán)境和保護生物物種的絕對重要性,即所謂“大地之腎”的特點提出來的,其核心是要加強對濕地的保護[6~7]。但對我國江漢平原乃至長江流域來講,近600年來,已有大片的濕地被開墾成了以水稻田為主的人工濕地,該濕地的主要功能已轉變成農業(yè)經營的基礎條件、生產農產品的功能上來。在該地區(qū)農業(yè)經營中,除要保護好依然存在的部分自然濕地、發(fā)揮濕地的生物和生態(tài)功能外,農業(yè)的經營本身還或多或少受到本區(qū)濕地特征的影響,如何根據(jù)其特點進行農業(yè)經營、處理好濕地開發(fā)、利用與保護之間的關系,是濕地農業(yè)所要解決的關鍵問題。很早以前,我國勞動人民針對南方多雨的特點,在有效排水和農業(yè)利用上就創(chuàng)造了一套成功的方法,在珠江三角洲形成了著名的“?;~塘”系統(tǒng),在長江下游地區(qū)則有所謂“圩田”利用方式。而在長江中游的兩湖平原,則是以湖垸形式的土地利用方式占優(yōu)勢。而且這部分地區(qū)在我國農產品生產上的地位十分突出。相對于我國北方干旱地區(qū)的干旱農業(yè)而言,我國南方濕地季風氣候條件下湖泊濕地地區(qū)的濕地農業(yè),還面臨著一系列特有的問題與挑戰(zhàn)。開展?jié)竦剞r業(yè)研究意義十分重大[8~13]。
2江漢平原濕地農業(yè)的特點
在低濕地上之所以短期內發(fā)展了出色的農業(yè),固然與人口壓力密切相關,但也與其具有獨特的優(yōu)點息息相關。江漢平原地勢平坦,土地肥沃;光熱水資源豐富,雨熱同季,宜于農作;交通發(fā)達,綜合經濟實力雄厚,湖北省綜合經濟實力百強縣大都位于江漢平原地區(qū)之內。但是在20世紀50~80年代期間,江漢湖泊數(shù)量和面積急劇減少,耕地面積驟增,生態(tài)環(huán)境日益脆弱化。農業(yè)災害,包括洪、澇、漬、干旱、病蟲、冷熱等日益嚴重,農業(yè)耕作和生活的設施水平與條件十分惡劣,農業(yè)的結構單一,勞動生產力與土地生產力徘徊不前,農業(yè)資源浪費嚴重,比較效益低下。形成了江漢平原濕地農業(yè)的基本背景[10,12]。江漢平原的濕地農業(yè)還具有一些具體特點。
2.1垸田特征
江漢平原濕地墾殖所產生的直接結果是大量垸田的產生。所謂垸田,就是人為地由湖邊向湖心通過建立堤壩、排干湖水,建立相應的水利設施,即所謂“圍湖造田”形成的農田。最后在地貌上就自然形成了一個個由人工開挖形成的水系相對獨立的垸落。從大的方面來看,垸田由于開墾歷史不同,所屬各異,因而垸落與垸落之間形成各種人為的隔離和阻礙,道路和水系混亂,不利于農田作業(yè)以及灌溉、排水與行洪。每逢5~10年一遇的大雨,往往形成大面積內漬[1,14]。
垸田的另一特征是土壤長期接納河流沖積物和湖漬物,因而表現(xiàn)為土體深厚、有機物豐富、土壤潛在肥力高但有效肥力低。由于其土地平整與水利設施大都不充分,因而排水不良。春季土壤升溫慢,形成所謂“冷漬田”。此外,還有一部分低湖田表現(xiàn)為土壤粘粒成分含量高、土壤結構不良。從土壤營養(yǎng)上來看,該地區(qū)土壤嚴重缺磷和缺鋅[4,15]。
2.2地貌和生態(tài)上的分異特征
江漢平原的農田多由湖泊開墾形成,在地貌和生態(tài)上呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。王克林等在對洞庭湖濕地進行探討時指出了洞庭湖區(qū)具有碟形盆地圈帶狀立體景觀結構的特點。并將該濕地歸納成3個圈次,即1)內環(huán)敞水帶;2)中環(huán)季節(jié)性淹沒帶;3)外環(huán)漬水性淹沒帶[2,8]。蔡述明等在江漢平原四湖地區(qū)監(jiān)利新興垸進行的研究闡明了四湖地區(qū)“湖垸同體”,從湖邊到湖心可分為9種農業(yè)利用地貌類型的規(guī)律[4]。我們通過對典型碟形洼地——高場示范區(qū)的剖析,觀察到一個沒有徹底完成墾殖過程的低湖地在多個土壤特征上(地下水位、土壤剖面結構、土壤機械構成、土壤營養(yǎng)、土壤溫度和綜合土地質量)存在明顯的梯級遞變,因而其適宜的農業(yè)利用價值也是不同的。
2.3災害加劇與生態(tài)脆弱化特征
由于本地區(qū)獨特的地理氣候特點,近幾十年來自然災害的頻率和程度日益加劇。主要災害有洪災、澇漬、干旱和病蟲災害等[16~18]。葉柏年等在分析湖北省旱澇發(fā)生情況時,論述了進入上世紀80年代以來,災害日益加重,如1980、1982、1983、1991、1993、1995、1996、1998年均為特大洪澇年,每年因洪澇使農田成災面積均超過66.7萬hm的標準,平均兩年就遇一次,其中1991年農作物受災174.97萬hm,農業(yè)損失55億元。80年代與50年代相比,旱災面積增加1.28倍,澇漬面積增加1.67倍。
王學雷等對江漢平原的生態(tài)脆弱性進行過專題論述[19]。除上述以洪澇為主體形成的各種自然災害外,江漢平原還面臨嚴重的生態(tài)脆弱化問題。包括,1)耕地面積日減,人口驟增,土地的承載壓力越來越大;2)土壤有機質含量逐年下降,物理結構劣化,生產性能下降;3)生物多樣性下降,時有暴發(fā)性或毀滅性病蟲害發(fā)生;4)水體面積減小,湖水水質下降,漁農矛盾日漸突出;5)農業(yè)內部結構單一,農業(yè)經營比較效益低,農業(yè)經濟再生產難以完成;6)農業(yè)設施老化,基本建設嚴重落后,農民生活得不到應有保障,等等,應該說濕地地區(qū)的農業(yè)面臨著一系列嚴峻的挑戰(zhàn)。
3濕地農業(yè)技術體系探討
局部性、季節(jié)性水環(huán)境惡化是南方低濕地的一個帶普遍性的問題。位于該地區(qū)的以湖泊為主體的自然濕地既是當?shù)剞r業(yè)的重要環(huán)境,又在該地區(qū)整體的水資源調度和控制中發(fā)揮著越來越重要的作用。必須從整體上來認識南方低濕地區(qū)存在的各種問題,大力開展?jié)竦剞r業(yè)技術研究(圖1)。
附圖
圖1“濕地農業(yè)”構成圖
3.1濕地農業(yè)關鍵技術的探討
“九五”期間,我們對農業(yè)濕地中的主體——澇漬地合理開發(fā)利用技術進行了較深入的研究,關鍵技術包括:
(1)澇漬地農業(yè)小區(qū)綜合整治開發(fā)規(guī)劃與實施研究建立了兩個分別代表典型“湖積地”和“沖積地”的澇漬地改良綜合開發(fā)示范區(qū),在示范區(qū)的綜合整治與開發(fā)規(guī)劃中提出了以“單元水系”為基本單位整治澇漬地的觀點,將農田基本建設作為整治澇漬地的先決手段。規(guī)劃中還引入了日本區(qū)域排水規(guī)劃的數(shù)理模型與土地分析的“數(shù)量化理論ⅰ”,實踐證明上述兩種方法對江漢平原濕地地區(qū)微地域特點的分析具有較好的適用性。研究還將高場示范區(qū)的開發(fā)模式總結為“農田整備+梯級開發(fā)”,岑河示范區(qū)的開發(fā)模式為“農田整備+優(yōu)化模式”[22~24]。
(2)澇漬地排水改良技術
濕地農業(yè)中農田的排水是一項關鍵技術[25~27]。研究開發(fā)和引進了適合于濕地農業(yè)小區(qū)排水的數(shù)學模型以及農道、溝渠、土地平整的工程技術參數(shù)。深入探討了農田澇漬相隨的作用過程和主要作物棉花、大豆、油菜在關鍵生育期的排漬標準和澇漬排水綜合控制指標[28]。
(3)澇漬地土壤肥力特征及改良技術
選擇典型地域對近20年來大范圍的江漢平原濕地農田土壤肥力動態(tài)演替進行了分析和評價,采用土壤系統(tǒng)分類法,對澇漬地的土壤類型進行了重新劃分,找出了不同類型澇漬土壤的特征與利用方法。探討了澇漬地土壤的分布與肥力演變規(guī)律。
(4)適生生物種質資源的發(fā)現(xiàn)、引進與鑒定
對多種水生經濟植物蓮藕、芡實等的適宜特性進行了鑒定。發(fā)掘并開發(fā)了新魚種——月鱧,繼續(xù)擴大了對適宜于濕地的早熟西、甜瓜品種的篩選,選出適合于大面積推廣的新品種“黃寶石”、甜瓜“豐甜1號”。引進篩選出“兩優(yōu)培九”和“豐兩優(yōu)1號”等品種作為濕地高產優(yōu)質水稻換代“組合”。
(5)主要作物抗?jié)碀n的機理及抗?jié)n高產栽培
重點對水稻、油菜等作物不同抗(耐)性品種間差別產生的機理進行了探討,并總結出一套本地區(qū)水稻的抗?jié)n栽培技術體系。研究認為栽培上應重點抓好品種篩選和育苗技術兩個環(huán)節(jié)[29]。
(6)澇漬地作物病蟲草害的發(fā)生規(guī)律及綜合防治技術
重點對澇漬地上易發(fā)生的稻飛虱、稻螟和紋枯病、白葉枯病的發(fā)生特點進行跟蹤調查,以有效排水和節(jié)水灌溉為出發(fā)點,探討了病蟲草害綜合防除策略。
(7)澇漬地生態(tài)環(huán)境異化評價及生態(tài)恢復技術
濕地環(huán)境異化程度在日益加重,環(huán)境異化的根源在于人類對濕地資源的過度和不合理的利用。環(huán)境治理策略既要注重緩解環(huán)境壓力,也要注意照顧當前經濟發(fā)展,要做到二者的良性互動。
(8)澇漬地高效農業(yè)模式研究
濕地良好的土壤潛在肥力和充裕的光、溫、水等自然資源為本地區(qū)農業(yè)的主體產品開發(fā)和農田多熟制提供了十分難得的自然條件[5,30~32]。以“麥—瓜—稻”模式為基礎,面對新的農村形勢,新創(chuàng)了4種高效農業(yè)模式。這4種模式是系統(tǒng)針對本地區(qū)爽水型高產水田、旱田、農牧肥結合以及保護地栽培方式分別形成的,在生產中已得到迅速推廣。
3.2濕地農業(yè)綜合開發(fā)典型模式探討
濕地農業(yè)模式總體上可分成農田高效農業(yè)模式,農林間(混)作模式,水體養(yǎng)殖模式,種養(yǎng)加一體化模式和碟形地域梯級開發(fā)模式等5類。每一類有若干種形式的模式。主要模式可以歸結為如下幾種:
(1)適宜于中小水面的分層混養(yǎng)模式;
(2)適宜于連片池塘的魚、豬—禽復合混養(yǎng)模式;
(3)適宜于大中型水面的網(wǎng)箱養(yǎng)魚與流水圍欄精養(yǎng)模式;
(4)野生水生植物人工種植園模式;
(5)適宜于河灘湖灘季節(jié)性淹水帶的耐漬經濟植物模式;
(6)低湖田魚—稻—藕共生模式;
(7)湖區(qū)生態(tài)公園觀光農業(yè)模式;
(8)適宜于大面積低湖田的一季中稻模式;
(9)適宜于典型碟形洼地的梯級開發(fā)模式;
(10)適宜于高產爽水區(qū)的多種農田高效種植模式,包括:麥—瓜—豆—稻模式;油—瓜—稻模式;菜—甜瓜—雜交棉模式;大麥=玉米+綠豆—晚稻—畜禽模式。
優(yōu)化模式的實施產生了良好的生態(tài)、經濟和社會效益。其中經濟效益尤為顯著[3,5,33~36]。
3.3濕地農業(yè)的若干技術難題
縱觀江漢平原過去幾十年來的研究,濕地農業(yè)的技術研究多集中在點、區(qū)或者局部技術環(huán)節(jié)上,成績很大但有所偏頗。今后應加強如下重大關鍵問題的研究。
(1)關于濕地農作區(qū)國土綜合整治,即生產、泄洪和湖區(qū)水面面積的合理比例及其規(guī)劃建設問題。進入20世紀90年代以后,湖泊面積還在繼續(xù)減少,減少的部分主要用來作漁業(yè)養(yǎng)殖用。與低湖農田的利用方式相比,漁業(yè)養(yǎng)殖兼顧了蓄水、生產和調節(jié)生態(tài)環(huán)境等多方面功能,生態(tài)與經濟效益顯著,因而顯示出較大的優(yōu)越性。但江漢平原全域內土地面積如何在生產、泄洪和湖區(qū)水面之間分配出一個合理的比例,并通過具體地規(guī)劃、布局(該布局還應該與相關的水利、農業(yè)設施相匹配),是今后濕地農業(yè)中必須要解決的一個首要問題。應該學習日本“土地改良區(qū)”的做法,大范圍統(tǒng)一規(guī)劃,整體分區(qū)建設;通過立法,集中來自于國家、地方和農業(yè)經營者的有效投資;規(guī)劃與建設必須遵循統(tǒng)一的技術規(guī)范,做到資源的可持續(xù)利用與開發(fā)、保護的有機結合。版權所有
(2)關于拳頭產業(yè)的選擇與培育。要在減輕澇漬為害的同時,充分發(fā)揮濕地地區(qū)多水與土地肥沃的優(yōu)勢,培育特色產業(yè),建立相應的優(yōu)質、名牌商品基地。而這一方面恰好是江漢平原濕地農業(yè)過去的薄弱環(huán)節(jié)。具體來講,需水較多的水稻、油菜,水生動物(魚、鴨、鵝等)養(yǎng)殖,水生經濟植物產品是本地區(qū)農業(yè)發(fā)展的潛在優(yōu)勢,但一直以來未形成相應的產業(yè)和產品優(yōu)勢,今后應重點研究其從基地化生產到加工、包裝和銷售一體化的技術,形成濕地農業(yè)的特色。
(3)關于恢復優(yōu)美環(huán)境與確保食物安全。江漢平原的地理特點決定了該地區(qū)各種用水可能在不同區(qū)域之間產生多次循環(huán)使用,而且人畜飲水、農業(yè)灌溉用水與生活排水之間極易相互混雜。以水作媒介,農藥、化肥及有機污染物容易得到迅速傳播與分布,從而導致對環(huán)境的大面積污染,進而導致對農產品的污染。在江漢平原這個傳統(tǒng)的農業(yè)集約區(qū)和國家農產品生產基地,如何保證農村廣大土地以及農產品免遭污染,改善農業(yè)從業(yè)者的生產與生活環(huán)境,將是今后濕地農業(yè)技術體系中的一個難點。
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關鍵詞:地理信息系統(tǒng);地統(tǒng)計學;多學科融合
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2013)18-0083-03
隨著計算機、網(wǎng)絡和通信技術在科學交流中的廣泛應用,不同學科間的縱橫交叉與相互滲透已成為現(xiàn)代科學發(fā)展的趨勢。學科之間關系的動態(tài)發(fā)展往往通過知識流動的形式來維系,正是這些動態(tài)變化的知識流動促進了學科發(fā)展,加強了學科聯(lián)系,同時也傳導著學科變化。另外這些新興技術越來越完善的理論體系化與應用廣泛性逐漸影響著一些傳統(tǒng)的專業(yè)學科,實現(xiàn)多學科融合,多學科相互促進共同發(fā)展正成為目前學科發(fā)展的主要趨勢之一[1]。這一發(fā)展結合了傳統(tǒng)專業(yè)雄厚的知識背景與新興專業(yè)的科學技術優(yōu)勢,實現(xiàn)傳統(tǒng)學科與新興技術共同發(fā)展與進步的雙贏局面。而《土壤地理學》課程正是其中受到影響的學科之一。《土壤地理學》是研究土壤與地理環(huán)境相互關系的學科,是土壤學和自然地理學之間的邊緣學科,它是以土壤與地理環(huán)境之間的特殊矛盾為對象,研究土壤的形成、分類、分布規(guī)律、土壤資源的評價與開發(fā)利用以及土壤資源保護的科學[2]。隨著現(xiàn)代空間信息技術的高速發(fā)展與擴張,特別是近年來空間數(shù)據(jù)的急劇增長,不論是自然地理數(shù)據(jù)或者社會經濟數(shù)據(jù)都以井噴式的速度涌現(xiàn)出來,能夠合理利用現(xiàn)代空間信息技術和空間數(shù)據(jù)可以會為《土壤地理學》課程的學習和研究提供便利。
一、傳統(tǒng)土壤地理學概況
1.土壤地理學自身特點。土壤地理學是土壤學中最早出現(xiàn)的一個分支學科,它主要研究土壤形成分類、調查制圖、分布規(guī)律、土壤資源的評價和開發(fā)利用以及土壤資源的保護等,是綜合性大學、高等師范院校地理專業(yè)和高等農業(yè)院校農業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)的基礎課程之一。土壤地理學是土壤學與自然地理學之間的邊緣科學,它以土壤與環(huán)境之間的這一特殊矛盾為研究對象,研究土壤的發(fā)生、發(fā)展、分異和分布規(guī)律,為調控、改造和利用土壤資源提供科學依據(jù),具有較強的區(qū)域性和綜合性[3]。為此土壤地理學自身的特性要求學生不僅掌握基礎的土壤學知識,還應該具有一定的空間探索性與屬性信息的空間化,而對于土壤屬性信息的空間化是傳統(tǒng)土壤學所不具備的知識,為此需要學生在掌握好傳統(tǒng)土壤信息的基礎上應該更好地理解與應用地理信息系統(tǒng)的知識以及地統(tǒng)計學的知識,從而使學生擺脫純粹性學習和接收知識的階段,進入自我學習與探索的過程,為學生以后從事科學與科研工作奠定基礎。因此,從土壤地理學自身的特性以及學科發(fā)展的趨勢和教學的目標來說,立足于傳統(tǒng)土壤學基礎上,實現(xiàn)多學科融合,從更全面合理的角度來教授土壤地理學課程是勢在必行的,并且反過來可以讓學生更好地掌握土壤信息的空間化以及土壤發(fā)生、發(fā)展、分布的規(guī)律性。
2.土壤地理學多學科融合的必要性。土壤學作為一個傳統(tǒng)的基礎學科有其深厚的學術背景知識,土壤地理學作為一個跨學科的專業(yè)需要在保留原有的土壤學的基礎之上盡可能地發(fā)揮多學科的優(yōu)勢,使其為科研與學術研究而服務。土壤地理學作為土壤學與自然地理學的邊緣學科有其自身的優(yōu)勢所在,為盡可能地發(fā)揮其優(yōu)勢并培養(yǎng)全能型的人才,需要學校進行合理的課程設置,并制定合適的、具有應用性的課程目標,從而為社會提供適應性強的人才,為科研院所提供多學科背景知識的學生。目前隨著地理信息技術的迅速發(fā)展以及其應用的廣泛性,運用GIS技術來進行數(shù)據(jù)管理與圖形可視化顯示,以及運用地統(tǒng)計學知識進行空間分析與統(tǒng)計分析是土壤地理學自身學科發(fā)展的需求,同時也是滿足社會和科研院所人才需求的重要選擇。由此可見,多學科融合在土壤地理學中起到重要的作用,是其自身發(fā)展與人才培養(yǎng)的必經之路。
二、多學科融合對土壤地理學發(fā)展的優(yōu)勢
1.GIS技術在土壤地理學中的地位。地理信息系統(tǒng)簡稱GIS,是20世紀60年代中期開始發(fā)展起來的新技術,主要是指在計算機軟硬件支持下,把地理數(shù)據(jù)以一定的格式輸入、編輯、存儲、更新、顯示、制圖、綜合分析和應用的技術系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)具有強大的處理空間數(shù)據(jù)的能力,如圖形數(shù)字化、地理數(shù)據(jù)的空間分析、地形數(shù)據(jù)的三維模擬、虛擬場景、地圖輸出等。地理信息系統(tǒng)這一技術自問世以來,便得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用,近幾年該技術已經突破地學的范疇,在管理學、交通運輸、醫(yī)學、軍事等領域具有廣闊的應用前景[4]。GIS技術的發(fā)展和日益成熟的理論體系為研究性教學提供了技術支持,它的數(shù)據(jù)管理、圖形顯示、空間分析等知識可以很好地應用到土壤地理學的教學和研究中,實現(xiàn)土壤圖等專題地圖的制作與空間顯示,從而可以更好地輔助學生對于土壤學知識的理解和認識,從空間角度上理解土壤自然地理特性,同時可以進一步結合不同地理位置的自然條件(氣候、植被、地形和母質)來理解土壤屬性的空間差異性,進而結合土壤屬性的空間異質性和變異性來理解土壤屬性空間分布的特性。
2.地統(tǒng)計知識在土壤地理學中的應用。地統(tǒng)計學是以具有空間分布特點的區(qū)域化變量理論為基礎,研究自然現(xiàn)象的空間變異與空間結構的一門學科。它是針對像礦產、資源、生物群落、地貌等有著特定的地域分布特征而發(fā)展的統(tǒng)計學。地統(tǒng)計學的主要理論是法統(tǒng)計學家G.Matheron創(chuàng)立的,經過不斷完善和改進,目前已成為具有堅實理論基礎和實用價值的數(shù)學工具[5]。地統(tǒng)計學的應用范圍十分廣泛,不僅可以研究空間分布數(shù)據(jù)的結構性和隨機性、空間相關性和依賴性、空間格局與變異,還可以對空間數(shù)據(jù)進行最優(yōu)無偏內插,以及模擬空間數(shù)據(jù)的離散性及波動性。地統(tǒng)計學由分析空間變異與結構的變異函數(shù)及其參數(shù)和空間局部估計的Kriging(克里格)插值法兩個主要部分組成,目前已在地球物理、地質、生態(tài)、土壤等領域應用。土壤地理學作為一門結合自然地理學的學科,而且由于土壤空間屬性的存在,結合地統(tǒng)計學的知識對其進行一定的空間探索、模擬與預測具有重要的意義,可以根據(jù)已知的變量進行未知變量的預測和模擬,可以在一定程度上減少人力和物力,并能對土壤屬性空間分布規(guī)律的研究有一定的幫助。為此將地統(tǒng)計知識應用到土壤地理學的教學中可以幫助學生具有更多的科研與創(chuàng)新精神,在一定程度上從單純的學習知識上升到自我探索與研究的階段,具有不可忽視的意義。
3.多學科融合在土壤地理學教程中的優(yōu)勢。土壤地理學因其區(qū)域性、綜合性的特點,為研究性學習提供了廣闊發(fā)展空間。在土壤地理學的教學中可以先從理論到實踐,然后從實踐再到探索,再從探索回歸理論。首先分析區(qū)域文獻資料并通過野外觀察對成土環(huán)境、土壤剖面及其診斷特性、土壤利用進行研究,運用地理比較法和相關分析法,把握區(qū)域土壤地理分異規(guī)律,繪制區(qū)域土壤圖,采集土壤標本、分析樣品。在此過程中若引用GIS技術與地統(tǒng)計技術則主要表現(xiàn)為以下幾個優(yōu)勢:首先利用GIS技術可以管理土壤空間屬性數(shù)據(jù),并且可以根據(jù)自然地理數(shù)據(jù)資料生成不同的專題地圖,以此來輔助對區(qū)域土壤地理分異規(guī)律的研究。其次,借助于GIS軟件可以有助于學生根據(jù)實地調查資料繪制區(qū)域土壤圖,以此來形成土壤屬性分布空間上的概念,從而加深對于土壤地理分布規(guī)律的理解和應用。第三,借助于地統(tǒng)計知識可以使學生獨立思考土壤屬性空間分布規(guī)律的原因,并結合已知觀測點來預測未知區(qū)域的土壤屬性,同時可以進一步分析土壤屬性空間分布具有變異性和異質性的原因。通過以上的分析可以得出,若基于多學科融合的知識進行土壤地理學的教授課程可以使學生能夠更加直觀形象地理解土壤地理分布規(guī)律,并且增強其動手能力和思考能力,從而為社會輸送適應性強的人才,為科研單位培養(yǎng)具有創(chuàng)新性和多學科知識背景的學生。
三、土壤地理學研究性教學理論方法
1.傳統(tǒng)土壤地理學教學理論方法。傳統(tǒng)土壤地理教學方式比較單一,以教師的講述為主,簡單地輔以地圖掛圖和多媒體資料介紹,不能有效幫助學生建立土壤地理空間概念和深入理解土壤的發(fā)生、發(fā)展、分異和分布規(guī)律,學習往往流于機械性記憶,很大程度上影響了土壤地理的教學質量與效果。有鑒于此,應用研究性學習理論方法,進行土壤地理教學改革研究具有積極的現(xiàn)實意義
2.基于GIS的應用性土壤地理學教學方法探討。GIS技術主要的優(yōu)勢是可以呈現(xiàn)土壤屬性資源的空間特征,借助于深厚的土壤學背景與一定的自然地理資源可以幫助學生方便地制作出不同的土壤屬性專題地圖,實現(xiàn)土壤屬性的空間圖形化。為此在此教學過程中主要注重學生的軟件操作與地理信息知識的學習過程。目前在GIS行業(yè)中可以應用的軟件較多,主要為ArcMAP,MAPGIS,SurperMAP等,鑒于目前應用較多和可操作性強的特點,建議在課程中選擇ESRI公司的ArcGIS軟件,課程的主要目的是使學生學會基本的地理信息技術,掌握基本的空間數(shù)據(jù)的編輯與專題地形圖的制作。因此可以以某一個案例作為研究對象,選取一個區(qū)域進行土壤自然特征屬性的調研,并通過所擁有的土壤背景知識以及自然地理資料進行區(qū)域土壤類型的診斷,然后畫出粗略的土地利用現(xiàn)狀圖以及土壤類型圖,然后通過GIS軟件轉繪,通過進行坐標的校正以及文件的編輯,制作專題地圖,從而實現(xiàn)土壤屬性專題地圖的掌握。這一案例的實現(xiàn)不僅可以幫助學生了解GIS軟件的基本操作以及在土壤地理學方面的應用,同時可以使學生掌握多背景知識,通過探索GIS軟件的其他功能來輔助土壤地理學課程的學習。
3.基于地統(tǒng)計學的科研性土壤地理學教學方法探討。地統(tǒng)計學的主要用途是研究對象空間相關結構(或空間變異結構)的探測以及變量值的估計和模擬。由于土壤屬性具有較強的空間依賴性和變異性,會受到自然地理位置以及周圍景觀特征的影響而產生不同的特征。為此在進行土壤地理學的土壤屬性的研究時可以根據(jù)已知觀測點的數(shù)據(jù)資料來完成未知點的預測和模擬以及土壤屬性之間關系的探索。運用地統(tǒng)計學進行空間分析包括以下幾個步驟,即數(shù)據(jù)探索性分析,空間連續(xù)性的量化模型,未知點屬性值的估計,對未知點局部及空間整體不確定性的預測。學生在掌握了基本的地理信息技術之后,可以實現(xiàn)基本的地統(tǒng)計知識的探索以及簡單模型的構建,通過地統(tǒng)計模型的模擬與預測實現(xiàn)簡單的土壤屬性專題地圖的制作。這一學習過程的掌握不僅可以幫助學生對土壤屬性整體空間特征的把握,而且還可以更好地實現(xiàn)根據(jù)自己的需求完成土壤屬性的預測和模擬,從而也可以培養(yǎng)學生的自我探索與學習過程。
4.多學科融合對土壤地理學教學的影響。教學的重點是使學生能夠在掌握基礎知識的同時,能夠做到舉一反三,培養(yǎng)良好的發(fā)散性思維,并且能夠做到學以致用,使自己學習到的知識應用到以后的科研或者工作中,這樣才能實現(xiàn)教育的價值。而本文關于土壤地理學的教學探討在基于基礎的土壤知識不變的前提下,結合最新最先進的GIS技術在土壤地理學中的應用,讓學生接觸到更多關于新興技術在自身專業(yè)中的應用,同時結合地統(tǒng)計學知識在土壤地理學中的應用,發(fā)揮學生獨立學習、思考與創(chuàng)新的精神,真正做到學以致用。本課程的改革具有以下幾個特性:
(1)以學生為主,重視學生的獨立性。實現(xiàn)多學科融合之后的土壤地理學,不再是單純的灌輸式教學模式,而是集動手、思考與創(chuàng)新于一體的新興教學模式,這樣可以盡可能地發(fā)揮每個學生的最大特點,讓他們選擇自己喜歡的方向進行探索,同時該課程也不僅僅局限于一方面,而是創(chuàng)造多元化的學習環(huán)境與提供多種教學平臺,使學生能夠根據(jù)自己的特點與喜好選擇自己的研究方向,如果動手能力操作性強可以注重在GIS軟件方向的發(fā)展,如果對于科研知識感興趣,可以在地統(tǒng)計學基礎的前提下進一步進行探索與研究。
(2)多種模式相結合,激發(fā)學生的學習興趣,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。課程改變了以前只是老師單純教授的模式,重新融合了多種案例在課程中,既可以從野外土壤屬性調查中學習怎樣在實踐中進行課程的學習,也可以通過課堂上軟件的操作實現(xiàn)通過GIS軟件來制作專題地圖,還可以通過多種案例來發(fā)揮學生獨立思考、創(chuàng)新的意識。在此種模式下讓學生所學的知識不單純是為了應付課程考試或者是專業(yè)知識的學習,而是盡可能地擴大了知識的應用面,讓學生通過多元化的思考與學習,可以在掌握基礎知識的同時,更多地選擇自己以后要從事的方向以及發(fā)展規(guī)劃。
四、結束語
經過多學科融合之后的土壤地理學不再是傳統(tǒng)的、一味灌輸?shù)慕虒W模式,結合了野外實習調查、室內軟件操作以及案例分析等特征,幫助學生從多方面來掌握土壤地理學的基礎知識。優(yōu)化了土壤地理教學過程,提高了學生對土壤地理信息的收集、處理能力,幫助學生學會分析土壤地理信息,應用信息解決土壤地理問題,提高其地理信息素養(yǎng),同時加強學生對土壤地理中空間概念的感知,加深了學生對土壤的發(fā)生、發(fā)展、分異和分布規(guī)律的認識,培養(yǎng)學生的空間想象力等地理核心能力,值得在土壤地理教學領域推廣。同時將目前國內外應用較為廣泛的地理信息技術以及地統(tǒng)計學的知識運用到土壤地理學的課堂中,充分發(fā)揮學生動手能力、思考能力,培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型的人才,為社會和科研單位輸送更多合適的人才。
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