長期土壤肥力因子變化及其與植被指數耦合關系_李燕麗

1、長期土壤肥力因子變化及其與植被指數耦合關系李燕麗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1(1中國科學院土壤環(huán)境與污染修復重點實驗室(南京土壤研究所)，南京2100082中國科學院大學，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遙感影像數據，以及1981年、2011年的土壤數據，分析歸一化差異植被指數(NDVI)與土壤肥力因子及其變化之間的相互關系。結果表

2、明:近30年來，土壤pH極顯著下降，全氮、速效磷、速效鉀含量顯著上升同時，NDVI變化整體呈現緩慢上升趨勢，且NDVI變化與土壤有機質變化及土壤全氮變化呈顯著正相關。因此，NDVI時間序列數據能夠在一定程度上反映土壤有機質和土壤全氮含量的變化，這為土壤肥力長期變化監(jiān)測提供了一種可行的方法。關鍵詞土壤肥力監(jiān)測NDVI長期變化中圖分類號S1583，TP79文獻標識碼A文章編號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國家自然科學基金重點項目(U1033004)和中國科學院戰(zhàn)略先導性項目(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狀況

9、之間呈復雜的耦合關系。土壤肥力直接影響植被生長狀況，而植被也反過來會影響土壤肥力的積累(劉滿強等，2003Sparlingetal，2006杜鋒等，2007漆良華等，2007周璟等，2009)。由于地表植被的長勢差異體現在植被光譜，尤其是植被指數的變化上(Baumgardneretal，1970潘劍君等，2010)，因而，利用植被指數間接監(jiān)測土壤肥力狀況是可行的。近30年來國內外學者在利用NDVI數據反演表層土壤養(yǎng)分含量以及空間格局方面

10、取得了進展。Ayoubi等(2012)分別建立土壤有機質與NDVI、LsatTM1以及土壤有機質與NDVI、LsatTM2兩個回歸模型，其決定系數R2分別達到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性，發(fā)現二者相關系數達到0.628。Numata等(2003)利用LsatETM遙感數據研究NDVI與土壤磷、土壤鉀的相關性，結果顯示NDVI與二者的相關系數分別達到0.72、0.58。劉慶生等(

11、2011)進行了翅堿蓬高光譜植被指數對土壤化學性質的響應研究，結果表明NDVI與土壤pH生態(tài)學雜志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說明該時間段內

12、NDVI升高反之則減少。1.4數據處理分析數據主要采用SPSS統(tǒng)計分析軟件。首先對表層土壤肥力進行差異性比較分析，并計算NDVI的變化趨勢及變化量然后分別進行土壤肥力各因子與NDVI、土壤肥力各因子變化與NDVI變化的相關分析。同時，按照土地利用變化方式的不同，把樣點分成由林地轉變成耕地、耕地長期耕作兩種類型，并對這2種類型分別進行土壤肥力各因子與NDVI的相關性研究。2結果與分析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的21.05%，下降的占78.95%。由此可見，研究區(qū)土壤酸化趨勢明顯，該趨勢與前人研究結果一致(江澤普等，2003)。速效磷和速效鉀增加比較明顯，而有機質、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，除有機質、全磷、全鉀沒有統(tǒng)計

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

15、?？梢姡浄屎蛷秃戏适┯昧棵黠@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均呈現下降趨勢，且2種變化存在極顯著性差異，長期耕作的耕地pH下降幅度較大。土壤有機質變化趨勢存在顯著性差異，長期耕作下的耕地土壤有機質小幅上升，而林地轉化為耕地，土壤有機質含量總體上有所下降。主要是由于長期施肥以及秸稈還田等農業(yè)措施增加了土壤有

16、機質投入，使得耕地有機質增加而由于原來林地土壤有機質含量普遍較高，轉化為耕地后有機質總體上下降，使得林地轉化為耕地后有機質總體上有所下降，這與已有研究(陳廣生和田漢勤，2007Jaiarreeetal.，2011)結論一致。土壤全氮含量在長期耕作下有增加趨勢，與有機質變化趨勢相同，這與有關研究結論一致(張慶費和徐絨娣，1999魏孝榮等，2007朱兆良，2008)而從林地變?yōu)楦?，土壤全氮看起來幾乎沒有變化，顯示其變化趨勢與有機質稍有差異

17、，但是全氮的這種變化趨勢可能并不能反映真實情況，因為全氮變化在兩種變化方式下并不表1土壤肥力統(tǒng)計特征以及差異性檢驗Table1StatisticalacteristicsofsoilpropertiespairedsamplesTtest年份統(tǒng)計指標pH有機質(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標準差0.839.350.450.667.102.2025.41變異系數(%)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標準差0.718.260.420.436.6718.7847.97變異系數(%)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(P)0.000＊＊0.2120.0310.3520.3060.