長(zhǎng)期土壤肥力因子變化及其與植被指數(shù)耦合關(guān)系_李燕麗

1、長(zhǎng)期土壤肥力因子變化及其與植被指數(shù)耦合關(guān)系李燕麗1，2潘賢章1＊＊周睿1，2王昌昆1，2劉婭1，2石榮杰1，2陳冬峰1趙其國(guó)1(1中國(guó)科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京土壤研究所)，南京2100082中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)摘要以廣西南寧、崇左地區(qū)作為典型區(qū)，利用AVHRR和MODISNDVI遙感影像數(shù)據(jù)，以及1981年、2011年的土壤數(shù)據(jù)，分析歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)與土壤肥力因子及其變化之間的相互關(guān)系。結(jié)果表

2、明:近30年來(lái)，土壤pH極顯著下降，全氮、速效磷、速效鉀含量顯著上升同時(shí)，NDVI變化整體呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，且NDVI變化與土壤有機(jī)質(zhì)變化及土壤全氮變化呈顯著正相關(guān)。因此，NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)能夠在一定程度上反映土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮含量的變化，這為土壤肥力長(zhǎng)期變化監(jiān)測(cè)提供了一種可行的方法。關(guān)鍵詞土壤肥力監(jiān)測(cè)NDVI長(zhǎng)期變化中圖分類號(hào)S1583，TP79文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1000－4890(2013)3－0536－06Longtermc

3、hangesofsoilfertilityfactstheirrelationshipswithNDVILIYanli1，2，PANXianzhang1＊＊，ZHOURui1，2，WANGChangkun1，2，LIUYa1，2，SHIRongjie1，2，CHENDongfeng1，ZHAOQiguo1(1KeyLabatyofSoilEnvironmentPollution，InstituteofSoilScience，Chines

4、eAcademyofSciences，Nanjing210008，China2UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China)ChineseJournalofEcology，2013，32(3):536－541Abstract:TakingtheNanningChongzuoofGuangxiProvince，SouthChinaastestareas，byusingth

5、etimeseriesNDVIofAVHRRMODISsenssthesoildatain19812011，thispaperanalyzedtherelationshipsbetweenthenmalizeddifferencevegetationindex(NDVI)soilfertilityfacts，thecrelationsbetweenthelongtermchangesoftheNDVIsoilfertilityfacts

6、Inrecent30years，thesoilpHintestareasdeclinedsignificantly，whilethesoiltotalnitrogen，availablephosphus，availablepotassiumcontentshadasignificantincreaseMeanwhile，theNDVIpresentedanoverallslowincreasingtrend，thechangesofth

7、eNDVIhadsignificantpositiverelationshipswiththoseofthesoilganicmattertotalnitrogen，suggestingthatthetimeseriesNDVIcouldbeusedtoindicatethechangesofsoilganicmattertotalnitrogentosomeextent，hence，provideafeasiblemethodfmon

8、itingthelongtermchangeofsoilfertilityKeywds:soilfertilitymonitingNDVIlongtermchange國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1033004)和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)性項(xiàng)目(XDA05050509)資助。＊＊通訊作者Email:panxz@issasaccn收稿日期:20120907接受日期:20121221生態(tài)系統(tǒng)中土壤和植被之間相互影響、相互作用，土壤肥力與植被生長(zhǎng)狀況

9、之間呈復(fù)雜的耦合關(guān)系。土壤肥力直接影響植被生長(zhǎng)狀況，而植被也反過(guò)來(lái)會(huì)影響土壤肥力的積累(劉滿強(qiáng)等，2003Sparlingetal，2006杜鋒等，2007漆良華等，2007周璟等，2009)。由于地表植被的長(zhǎng)勢(shì)差異體現(xiàn)在植被光譜，尤其是植被指數(shù)的變化上(Baumgardneretal，1970潘劍君等，2010)，因而，利用植被指數(shù)間接監(jiān)測(cè)土壤肥力狀況是可行的。近30年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在利用NDVI數(shù)據(jù)反演表層土壤養(yǎng)分含量以及空間格局方面

10、取得了進(jìn)展。Ayoubi等(2012)分別建立土壤有機(jī)質(zhì)與NDVI、LsatTM1以及土壤有機(jī)質(zhì)與NDVI、LsatTM2兩個(gè)回歸模型，其決定系數(shù)R2分別達(dá)到0.77和0.54。潘劍君等(2010)研究了中巴資源衛(wèi)星NDVI和土壤全氮含量的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)二者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.628。Numata等(2003)利用LsatETM遙感數(shù)據(jù)研究NDVI與土壤磷、土壤鉀的相關(guān)性，結(jié)果顯示NDVI與二者的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.72、0.58。劉慶生等(

11、2011)進(jìn)行了翅堿蓬高光譜植被指數(shù)對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的響應(yīng)研究，結(jié)果表明NDVI與土壤pH生態(tài)學(xué)雜志ChineseJournalofEcology2013，32(3):536－541DOI:10.13292j.10004890.2013.0074式中:NDVI1981、NDVI1982、NDVI2005和NDVI2006分別為1981、1982、2005、2006年的年NDVI最大值。θchg為NDVI的變化量，θchg＞0說(shuō)明該時(shí)間段內(nèi)

12、NDVI升高反之則減少。1.4數(shù)據(jù)處理分析數(shù)據(jù)主要采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件。首先對(duì)表層土壤肥力進(jìn)行差異性比較分析，并計(jì)算NDVI的變化趨勢(shì)及變化量然后分別進(jìn)行土壤肥力各因子與NDVI、土壤肥力各因子變化與NDVI變化的相關(guān)分析。同時(shí)，按照土地利用變化方式的不同，把樣點(diǎn)分成由林地轉(zhuǎn)變成耕地、耕地長(zhǎng)期耕作兩種類型，并對(duì)這2種類型分別進(jìn)行土壤肥力各因子與NDVI的相關(guān)性研究。2結(jié)果與分析2.1土壤肥力因子的變化特征2.1.1土壤肥力因子變化狀

13、況從表1可以看出，2期的pH存在極顯著差異，研究區(qū)pH均值從1981年的5.71下降到2011年的5.06，下降了11.38%。其中上升的占采樣點(diǎn)的21.05%，下降的占78.95%。由此可見(jiàn)，研究區(qū)土壤酸化趨勢(shì)明顯，該趨勢(shì)與前人研究結(jié)果一致(江澤普等，2003)。速效磷和速效鉀增加比較明顯，而有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量略有上升，分別增加8.10%、14.29%、14.52%和17.59%。從表1可以看出，除有機(jī)質(zhì)、全磷、全鉀沒(méi)有統(tǒng)計(jì)

14、意義上的差異(P＞0.05)外，其他土壤養(yǎng)分含量均呈現(xiàn)顯著性增加趨勢(shì)。這可能與研究區(qū)化肥投入增加有關(guān)。根據(jù)第二次全國(guó)土壤普查統(tǒng)計(jì)資料顯示，1981年研究區(qū)年施用化肥量在15～16萬(wàn)t，其中氮肥10萬(wàn)t左右，磷肥3～4萬(wàn)t，鉀肥8500t左右，復(fù)合肥使用量較少。到2010年化肥施用量達(dá)到42.12萬(wàn)t，是1981年的2～3倍，其中氮肥10.17萬(wàn)t，磷肥4.24萬(wàn)t，鉀肥8.76萬(wàn)t，復(fù)合肥18.95萬(wàn)t(廣西壯族自治區(qū)統(tǒng)計(jì)局，2011)

15、。可見(jiàn)，鉀肥和復(fù)合肥施用量明顯增多，提高了土壤磷和鉀的含量，尤其是速效養(yǎng)分增加較多。2.1.2不同土地利用變化方式下的土壤肥力因子變化從表2可以看出，在林地耕地、耕地耕地2種變化方式下，土壤pH均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且2種變化存在極顯著性差異，長(zhǎng)期耕作的耕地pH下降幅度較大。土壤有機(jī)質(zhì)變化趨勢(shì)存在顯著性差異，長(zhǎng)期耕作下的耕地土壤有機(jī)質(zhì)小幅上升，而林地轉(zhuǎn)化為耕地，土壤有機(jī)質(zhì)含量總體上有所下降。主要是由于長(zhǎng)期施肥以及秸稈還田等農(nóng)業(yè)措施增加了土壤有

16、機(jī)質(zhì)投入，使得耕地有機(jī)質(zhì)增加而由于原來(lái)林地土壤有機(jī)質(zhì)含量普遍較高，轉(zhuǎn)化為耕地后有機(jī)質(zhì)總體上下降，使得林地轉(zhuǎn)化為耕地后有機(jī)質(zhì)總體上有所下降，這與已有研究(陳廣生和田漢勤，2007Jaiarreeetal.，2011)結(jié)論一致。土壤全氮含量在長(zhǎng)期耕作下有增加趨勢(shì)，與有機(jī)質(zhì)變化趨勢(shì)相同，這與有關(guān)研究結(jié)論一致(張慶費(fèi)和徐絨娣，1999魏孝榮等，2007朱兆良，2008)而從林地變?yōu)楦?，土壤全氮看起?lái)幾乎沒(méi)有變化，顯示其變化趨勢(shì)與有機(jī)質(zhì)稍有差異

17、，但是全氮的這種變化趨勢(shì)可能并不能反映真實(shí)情況，因?yàn)槿兓趦煞N變化方式下并不表1土壤肥力統(tǒng)計(jì)特征以及差異性檢驗(yàn)Table1StatisticalacteristicsofsoilpropertiespairedsamplesTtest年份統(tǒng)計(jì)指標(biāo)pH有機(jī)質(zhì)(gkg－1)全N(gkg－1)全P(gkg－1)全K(gkg－1)速效P(mgkg－1)速效K(mgkg－1)1981最小值4.505.660.370.140.920.501.0

18、0最大值7.3944.602.163.1724.348.5594.00均值5.7120.010.980.626.883.1537.36標(biāo)準(zhǔn)差0.839.350.450.667.102.2025.41變異系數(shù)(%)14.5446.7345.92106.45103.2069.8468.012011最小值3.985.980.380.200.603.9240.00最大值7.9545.032.202.0323.03100.39224.00均值5.

19、0621.631.120.718.0921.4282.43標(biāo)準(zhǔn)差0.718.260.420.436.6718.7847.97變異系數(shù)(%)14.0338.1937.5060.5682.4587.6858.19均值變化量－0.651.620.140.091.2118.2745.07變化百分比(%)－11.388.1014.2914.5217.59580.00120.64t檢驗(yàn)(P)0.000＊＊0.2120.0310.3520.3060.