李 可，楊 勇，劉亞軍，譚秀麗，楊 雪，李恩光，吳若景

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

土壤是人類進(jìn)行各項(xiàng)生產(chǎn)和賴以生存的基地，土壤質(zhì)量變化與質(zhì)量高低關(guān)系到人類的生存狀況，而土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）是構(gòu)成土壤有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膠體的核心物質(zhì)，是土壤的重要組成部分，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、物理性狀、化學(xué)性狀和生態(tài)過(guò)程有著重要的影響與作用［1-2］。所以，研究SOM的時(shí)空變化特征，對(duì)協(xié)調(diào)耕地土壤肥力，提高土壤質(zhì)量水平，揭示土壤有機(jī)質(zhì)空間分布格局，了解土壤質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化，優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和施肥管理具有科學(xué)指導(dǎo)作用［3-4］。

近年來(lái)，由于GIS技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的快速發(fā)展，學(xué)者們開(kāi)始利用兩者相結(jié)合來(lái)研究各個(gè)尺度上SOM時(shí)空變化特性，為測(cè)土培肥等技術(shù)實(shí)施提供理論支持。如田塊尺度上，李國(guó)良等［5］探究了廣東荔枝園土壤養(yǎng)分肥力時(shí)空變化特征，提出該地區(qū)土壤養(yǎng)分肥力發(fā)生了很大變化，多種肥力屬性有明顯下降趨勢(shì)，但有機(jī)質(zhì)變化不大；縣市尺度上，王少賀等［6］對(duì)臺(tái)安縣SOM的時(shí)空變化特征的研究表明：25年來(lái)，該縣耕地土壤有機(jī)質(zhì)平均含量下降了2.65 g/kg，整體已呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，這與人們長(zhǎng)期的“重種輕養(yǎng)、只用不養(yǎng)”有關(guān)；鮑思屹等［7］研究了建甌市近40年來(lái)竹林土壤有機(jī)質(zhì)的變化特征，得出建甌市毛竹林土壤有機(jī)質(zhì)Ⅰ級(jí)與Ⅲ級(jí)土壤面積分別增加了4.68%和17.3%，而Ⅱ與Ⅳ級(jí)土壤面積分別減少了17.4%和4.63%，人類活動(dòng)對(duì)竹林土壤有機(jī)質(zhì)的影響程度有所增強(qiáng)；省級(jí)尺度上，趙明松等［8］以江蘇省為研究對(duì)象，對(duì)比分析了近26年全省土壤有機(jī)質(zhì)的時(shí)空變異特征，結(jié)果表明：SOM含量空間分布呈現(xiàn)出北增南減，沿江平原增，寧鎮(zhèn)丘陵減，濱海平原基本持平的空間格局，增加幅度由北向南逐漸減?。蝗珖?guó)尺度上，任意等［9］對(duì)我國(guó)東北、西北、華北、西南、中南和華東不同地區(qū)土壤養(yǎng)分的差異及變化趨勢(shì)進(jìn)行了研究，結(jié)果指出在1986～1997年中南、華北區(qū)有顯著的上升趨勢(shì)，華東、東北區(qū)有下降趨勢(shì)，西北、西南區(qū)變化平穩(wěn)，1998～2006年各個(gè)區(qū)域的土壤有機(jī)質(zhì)變化基本平穩(wěn)。以上研究均表明，SOM在各空間尺度上存在明顯的時(shí)空分異，這對(duì)分析土壤肥力對(duì)人類活動(dòng)的響應(yīng)、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

從地理?xiàng)l件上講，河北省地形地貌復(fù)雜，是全國(guó)唯一兼有高原、山地、丘陵、平原、湖泊和海濱的省份，土壤類型較多。從經(jīng)濟(jì)人口條件上講，河北省總?cè)丝跀?shù)全國(guó)排第6，約為7 185.4萬(wàn)（第六次全國(guó)人口普查數(shù)據(jù)）。而且河北省是農(nóng)業(yè)大省，全省34.60%的面積為耕地，其糧食產(chǎn)量在全國(guó)位居前列。因此，本文選取了河北省作為研究區(qū)域，并采用GIS空間分析、地統(tǒng)計(jì)分析法以及回歸克里格空間插值方法，對(duì)1980～2010年間河北省土壤有機(jī)質(zhì)的時(shí)空變化進(jìn)行了研究，為預(yù)測(cè)糧食產(chǎn)量、優(yōu)化施肥管理、保護(hù)生態(tài)平衡和耕地的可持續(xù)發(fā)展等提供了科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省簡(jiǎn)稱“冀”，位于東經(jīng)113°27′～119°50′，北緯 36°05′～42°40′，地處華北地區(qū)，北靠燕山，南望黃海，西依太行，東臨渤海，面積約18.8萬(wàn)km2。河北省地勢(shì)自西北向東南傾斜，東部有太行山脈，全省依據(jù)地形地貌具體可分為河北平原區(qū)、壩上高原區(qū)、燕山和太行山地區(qū)3大部分。全省最高海拔2 855 m，平均海拔551 m，大部分地區(qū)還是屬于平原丘陵。總的來(lái)說(shuō)，河北省是全國(guó)唯一兼有高原、山地、丘陵、平原、湖泊和海濱的省份，其土壤類型按發(fā)生分類共分為21種土類、55種亞類，整體呈帶狀分布，變化較大，極具研究意義。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1978～1980年（以下均表示為1980年）河北省表層土壤數(shù)據(jù)來(lái)自全國(guó)第二次土壤普查時(shí)期，《河北土種志》［10］中記錄的334個(gè)典型土壤剖面，每個(gè)剖面的坐標(biāo)位置通過(guò)《土種志》對(duì)典型剖面的地理位置描述與高清遙感影像結(jié)合得出。2009～2011年（以下均表示為2010年）表層土壤數(shù)據(jù)為國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)“我國(guó)土系調(diào)查與《中國(guó)土系質(zhì)》［11］編制”中河北省162個(gè)典型土壤剖面數(shù)據(jù)。兩個(gè)時(shí)期具體樣點(diǎn)分布如圖1所示，不同的土地利用類型上均有樣點(diǎn)分布，1980年時(shí)耕地、林地、草地、水域、未利用地與城鄉(xiāng)、工礦、居民用地6類土地利用類型上分別分布了195、30、31、10、5、63個(gè)土壤樣點(diǎn)，2010年時(shí)則分別分布了68、41、35、6、4、8個(gè)土壤樣點(diǎn)，其中土系調(diào)查72個(gè)典型土壤剖面均在第二次土壤普查時(shí)期的典型剖面附近采集。

本文采用的輔助變量為海拔高程、曲率、歸一化植被指數(shù)、坡度、土地利用類型和土壤類型。因此，除了土壤剖面數(shù)據(jù)以外，還收集了研究區(qū)域1 km分辨率的數(shù)字高程圖（DEM）、2010年植被指數(shù)（NDVI）空間分布圖、1980和2010年土地利用數(shù)據(jù)（由Landsat TM/ETM遙感圖像人工目視解譯生成）等環(huán)境因子數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn）。河北省1∶100萬(wàn)土壤類型圖為ArcGIS數(shù)字化數(shù)據(jù)，來(lái)源于國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)—國(guó)家地球系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)-土壤科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//soil.geodata.cn）。坡度和曲率數(shù)據(jù)在ArcGIS 10.2軟件中由DEM數(shù)據(jù)提取而來(lái)。結(jié)果分析時(shí)涉及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于1995和2015年《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》、1985和2011年《河北經(jīng)濟(jì)年鑒》，涉及部分土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自上述土地利用遙感數(shù)據(jù)計(jì)算得出的結(jié)果。

圖1 研究區(qū)域土壤樣點(diǎn)分布圖

1.3 研究方法

1.3.1 回歸克里格插值（Regression Kriging，RK）

回歸克里格的基本步驟原理：首先，對(duì)輔助環(huán)境變量和目標(biāo)變量之間的回歸關(guān)系進(jìn)行計(jì)算；然后，對(duì)空間樣點(diǎn)上的趨勢(shì)項(xiàng)進(jìn)行分離，用實(shí)際值減去趨勢(shì)項(xiàng)值得到殘差，對(duì)殘差進(jìn)行線性無(wú)偏估計(jì)處理；最后，將回歸分析的趨勢(shì)項(xiàng)同殘差插值結(jié)果相加，從而得到目標(biāo)變量的空間估測(cè)值［12-13］。假設(shè)目標(biāo)變量為 z（s1），z（s2），…，z（sn），si=（xi，yi），i=1，2，…，n，si為實(shí)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，n為實(shí)測(cè)點(diǎn)的數(shù)目。則預(yù)測(cè)點(diǎn)s0的值z(mì)（s0）可表示為：

式中，趨勢(shì)項(xiàng)m（s0）通常用一元或多元線性回歸進(jìn)行擬合，殘差項(xiàng)ε（s0）用普通克里格插值。由上式可以看出，回歸克里格方法能夠綜合多個(gè)確定性的輔助環(huán)境變量（如曲率、坡度、高程等）對(duì)目標(biāo)變量進(jìn)行解釋預(yù)測(cè)［14］，在樣點(diǎn)較稀疏的區(qū)域得到精度較高的預(yù)測(cè)結(jié)果［15］。鑒于本研究的區(qū)域面積較大，樣點(diǎn)數(shù)量相對(duì)較少，因此，選用此方法對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行空間插值。

1.3.2 啞變量引入

土地利用和土壤類型分布圖均為范疇型變量，與DEM、NDVI等連續(xù)型變量不同的是，其Value值分別為標(biāo)識(shí)代碼和實(shí)際數(shù)值，兩者無(wú)法同時(shí)直接用于進(jìn)行回歸分析，因此引入啞變量值［16］。啞變量為虛擬變量，常用于處理定性因子或分類變量，一般取值為0或1［17］。啞變量的定義為對(duì)于等級(jí)（定性）數(shù)據(jù)α，用變量 （α，β）表示為：

這種方法叫做定性因子二值化展開(kāi)，變量（α，β）就稱為啞變量。因定性變量為取0或1的數(shù)值向量，便于用數(shù)值方法進(jìn)行處理［18］。本文將土地利用數(shù)據(jù)按照一級(jí)分類分為耕地、林地、草地、水域、未利用地與城鄉(xiāng)、工礦、居民用地6類，土壤類型數(shù)據(jù)按照發(fā)生分類中的土綱分為9類，然后按上述方法進(jìn)行啞變量換算，符合相應(yīng)類型即為1，不符合即為0，最后將啞變量和其它連續(xù)變量結(jié)合做出回歸分析。另外，本研究是直接利用全國(guó)第二次土壤普查圖件河北省土壤圖提取土綱進(jìn)行啞變量轉(zhuǎn)換，通過(guò)地圖套合與2010年土系調(diào)查的土壤樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)獲得樣點(diǎn)發(fā)生分類名稱，而非將2010年土壤樣點(diǎn)的系統(tǒng)分類的土壤類型直接對(duì)照為發(fā)生分類土壤類型。

1.4 分析工具

回歸克里格的計(jì)算與插值采用Matlab R2014a軟件和ArcGIS 10.2的地統(tǒng)計(jì)模塊來(lái)完成；空間數(shù)據(jù)的處理與制圖依靠ArcMap 10.2來(lái)完成；基本的統(tǒng)計(jì)分析由SPSS 19和Excel 2010軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 1980～2010年全省土壤有機(jī)質(zhì)的時(shí)間變化

表1為第二次全國(guó)土壤普查土壤有機(jī)質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［19］，表2為1980和2010年土壤典型剖面點(diǎn)描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表2可知，1980和2010年土壤有機(jī)質(zhì)含量范圍分別為0.80～164.50和2.60～208.50 g/kg，均值分別為22.02和18.38 g/kg，屬于III和IV級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（對(duì)比表1），這說(shuō)明從總體上看，近30年來(lái)SOM含量有一定程度的下降。而且，1980和2010年SOM含量變異系數(shù)分別為1.10和1.07，均大于1，屬于高度變異，這表示在該時(shí)期內(nèi)河北省的該類土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間分布差異較大，受人為影響嚴(yán)重。同時(shí)，對(duì)比兩時(shí)期內(nèi)SOM含量的變異系數(shù)可發(fā)現(xiàn)，近30年來(lái)土壤有機(jī)質(zhì)含量的變異系數(shù)有所減小，這表示隨著耕作制度、施肥量變化、施肥方式和田間管理措施等人為因素的影響，土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間變異特征表現(xiàn)為逐漸減弱的趨勢(shì)。

表1 第二次全國(guó)土壤普查土壤有機(jī)質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) （g/kg）

表2 1980和2010年土壤樣點(diǎn)SOM描述性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表3為河北省1980和2010年各地市SOM含量變化結(jié)果。由表3來(lái)看，1980年時(shí)石家莊、保定、張家口、承德地區(qū)的SOM含量均高于全省平均值，2010年時(shí)只有承德地區(qū)SOM含量高于全省平均值。從兩個(gè)時(shí)期對(duì)比變化來(lái)看，保定和張家口地區(qū)SOM含量在1980年時(shí)明顯高于其他地區(qū)，但隨著近30年來(lái)SOM含量變化，其整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，且差值很大，均從II級(jí)標(biāo)準(zhǔn)直跌至IV級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。石家莊、承德、邢臺(tái)3地SOM含量同樣呈降低趨勢(shì)。其中，石家莊和承德SOM含量降低量適中，邢臺(tái)地區(qū)SOM含量降低量較小。其他地市中，除邯鄲地區(qū)SOM含量無(wú)明顯變化外，剩余地區(qū)SOM含量均呈增長(zhǎng)狀態(tài)，且增量都較小。

造成上述土壤有機(jī)質(zhì)時(shí)間變化的原因：張家口和承德均位于北部，此地以棕壤和栗鈣土為主，腐殖質(zhì)層較厚，所以兩地區(qū)在1980年時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)較高。而在1990～2008年間，由于大量退耕還林還草導(dǎo)致張家口和承德兩地常用耕地面積分別減少了220 362、79 709 hm2，但近30年中兩地區(qū)總耕地面積增量百分比分別只有0.65%、-0.11%。這表明至2010年，張家口和承德地區(qū)在總耕地面積變化極小的前提下，大量非耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，所以SOM呈下降趨勢(shì)。同時(shí)，張家口地區(qū)耕地壓力指數(shù)增大［20］，至2010年，其耕地肥料使用量雖增加至113.50 kg/hm2，但相對(duì)其它市區(qū)來(lái)說(shuō)其施肥量最低，所以土壤養(yǎng)分無(wú)法得到及時(shí)補(bǔ)充，也會(huì)導(dǎo)致SOM含量降低。承德地區(qū)耕地壓力指數(shù)也在增加，加之近些年各類土地利用強(qiáng)度加大，農(nóng)業(yè)技術(shù)及管理水平相對(duì)較低，因此土壤有機(jī)質(zhì)在大幅度消耗后無(wú)法及時(shí)補(bǔ)足，SOM含量降低［20-21］。而保定、石家莊、邢臺(tái)地區(qū)，1980年SOM含量較高樣點(diǎn)所處的區(qū)域不屬于耕地范圍，所以不會(huì)對(duì)其進(jìn)行施肥等處理，隨著土壤養(yǎng)分流失，其SOM含量值同樣也就會(huì)降低。而其它地區(qū)可能由于土壤類型、20世紀(jì)80年代以前本省耕地管理問(wèn)題等的影響［22］，在1980年時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)相較于上述地市偏低，但經(jīng)過(guò)近30年施肥、秸稈還田、耕作制度調(diào)整等措施，促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的提升。

表3 1980～2010年河北省各地市土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)比

2.2 回歸克里格插值結(jié)果

利用回歸克里格插值方法對(duì)兩時(shí)期樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。在插值過(guò)程中分別隨機(jī)選取20%樣點(diǎn)作為驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，不參與插值，回歸分析及精度評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。表4中R2、F、P為回歸方程評(píng)價(jià)指標(biāo)，RMSE為插值精度評(píng)價(jià)指標(biāo)。由表4可得，1980和2010年SOM的分析P值均小于0.01，屬于極顯著水平。雖然SOM在兩時(shí)期內(nèi)的決定系數(shù)和統(tǒng)計(jì)量較低，但其最終兩時(shí)期SOM含量的結(jié)果精度值RMSE均小于其對(duì)應(yīng)均值的1/2（對(duì)比表2），所以整體插值精度也屬于誤差接受范圍。特別的是，兩時(shí)期中1980年SOM含量的RMSE值更小，可能是由于此時(shí)期用于插值的樣點(diǎn)數(shù)目為2010年的2倍，從而使得插值結(jié)果的精度更高。

2.3 1980～2010年全省土壤有機(jī)質(zhì)的空間變化

圖2為1980～2010年SOM含量空間分布圖。由圖2可知，1980和2010年SOM含量整體上空間分布均是西北高東南低，并且整體呈現(xiàn)由西北向東南降低的趨勢(shì)，至2010年SOM含量東南與西北差異減小。由圖2a可得，1980年時(shí)SOM含量達(dá)到I、II級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的高值區(qū)域主要分布在承德西北部、張家口東北部和南部、保定西北部，V、VI級(jí)的低值區(qū)域主要在衡水、邢臺(tái)東部、唐山北部。且SOM值大多集中在III級(jí)和IV級(jí)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間內(nèi)，分別占全省面積的16.35%和33.85%，主要分布在河北省南部平原地區(qū)。由圖2b分析得，2010年SOM含量高值區(qū)域主要在承德、張家口西北部、保定北部等地，而低值區(qū)域面積較小，分布零散。此時(shí)，SOM含量同樣集中在III級(jí)和IV級(jí)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間內(nèi)，分別占全省面積的47.82%和20.73%，主要分布在南部平原地區(qū)、唐山地區(qū)。

圖3為兩時(shí)期SOM含量的空間變化分布圖，白色和淺灰色區(qū)域代表SOM含量減少，深灰色和黑色區(qū)域代表其含量增加。從整體上看，SOM含量整體上呈現(xiàn)西北減東南增的趨勢(shì)，增幅總體上由西北向東南依次增加；SOM含量增加的面積占全省面積的65.54%，主要分布在南部平原、唐山、秦皇島地區(qū)，其中增幅在0～10 g/kg間占比最高，約占全省面積的36.29%。從局部看，SOM減少區(qū)域主要位于1980年SOM高值分布地區(qū)，SOM增值較高的區(qū)域則對(duì)應(yīng)處于1980年SOM低值分布區(qū)域。同時(shí)，SOM含量增幅最大（＞20 g/kg）的區(qū)域在承德東部、唐山北部和秦皇島，降幅最大（＜-20 g/kg）的區(qū)域在承德西北部、石家莊和保定西部。造成上述變化的原因是由于降幅較大的地區(qū)在1980年時(shí)SOM含量就較高，但多為草地、林地，基本不屬于耕地。其中，位于承德西北部的圍場(chǎng)、豐寧地處河北壩上地區(qū)，至2005年時(shí)，此處放牧、樵采過(guò)度，壩上草場(chǎng)面積已由20世紀(jì)50年代初的86.7萬(wàn)hm2減少到現(xiàn)在的22.6萬(wàn)hm2，草場(chǎng)覆蓋度由90%降低到44%，森林面積也呈明顯減少趨勢(shì)，土地沙漠化嚴(yán)重，導(dǎo)致該區(qū)域土壤肥力流失嚴(yán)重，SOM含量大幅度降低［23］。而石家莊和保定西部地處太行山區(qū)，屬于石質(zhì)山區(qū)，由于過(guò)度追求開(kāi)墾種植、砍伐森林，導(dǎo)致森林覆蓋率低，生態(tài)環(huán)境脆弱，土層養(yǎng)分涵養(yǎng)差，SOM含量顯著降低［24］。而原來(lái)的低值區(qū)域大多處于耕地范圍，自20世紀(jì)90年代起，河北省開(kāi)始大力推廣綠肥種植、秸稈還田等措施，目前河北省東南部平原區(qū)域基本實(shí)現(xiàn)100%秸稈還田率，使得該區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)狀況得到較好改善［21，25］。

表4 1980和2010年河北省SOM回歸分析及插值精度結(jié)果

圖2 1980～2010年SOM空間分布圖

圖3 1980～2010年SOM空間變化分布圖

3 討論

由土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量的演化過(guò)程可知，1980～2010 年土壤有機(jī)質(zhì)含量的時(shí)空變化主要與自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)，自然過(guò)程的影響因素主要涉及氣候、溫度、降水等，但這些因素的變化從近30年來(lái)看，總體波動(dòng)幅度較小，對(duì)SOM的累積與變化影響不大，甚至可忽略不計(jì)。因此，本文主要側(cè)重分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)變化的影響。由李繼明等［26］的研究可知，綠肥與化肥長(zhǎng)期配合施用會(huì)使得土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷均有所積累，其積累的量與肥料施用量及有機(jī)肥種類有關(guān)。所以，接下來(lái)本研究主要分析土壤有機(jī)質(zhì)含量的時(shí)空變化同肥料施用量間的關(guān)系。

1980～2010年河北省化肥施用量（折純量）由73.10萬(wàn)t增加至322.86萬(wàn)t，耕地面積由664.79萬(wàn)hm2減少至598.89萬(wàn)hm2，平均用量由109.96 kg/hm2增加至539.10 kg/hm2，其中氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥的用量有不同程度的增加（圖4）。1985～2010年間，全省氮肥和復(fù)合肥用量增加較大，分別由109.79、24.38 kg/hm2增加至255.64、159.63 kg/hm2；磷肥和鉀肥的用量增加較平穩(wěn)。同時(shí)，1980～2010年期間，全省糧食（稻谷、小麥、玉米、大豆、薯類）總產(chǎn)量由1 575萬(wàn)t增加至2 976萬(wàn)t，糧食平均產(chǎn)量由2.15 t/hm2增加至4.88 t/hm2，這主要得益于種植高產(chǎn)作物及使用更多的化肥、農(nóng)藥、地膜等［20］。同時(shí)，由于化肥使用量的大幅度提升，全省耕地土壤肥力質(zhì)量也有一定提升［22］。而對(duì)比SOM空間變化分布圖也可發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)SOM含量增長(zhǎng)的區(qū)域?qū)儆诟胤秶c上述分析結(jié)果相符。

圖4 1980～2010年肥料施用總量和平均量

由圖5知，近些年來(lái)唐山、邯鄲、秦皇島等地化肥平均施用量提升較高，SOM含量增幅也較高；張家口耕地肥料施用提升最少，SOM含量增幅則較小。這表明耕地化肥施用量、耕作制度及種植結(jié)構(gòu)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與土壤肥力質(zhì)量變化總體上呈正相關(guān)，對(duì)SOM水平的提升具有一定正效應(yīng)。其中石家莊、保定、承德地區(qū)化肥施用增量居中，但其SOM增幅較小，可能是由于肥料利用率低、耕地管理差導(dǎo)致的，也可能是由于1980年時(shí)此處高值采樣點(diǎn)較多且過(guò)于集中，導(dǎo)致其代表性較差引起的。曾招兵等［27］分析得出廣東省隨著化肥的投入增加了作物產(chǎn)量，使得作物以根系或秸稈廢棄物形式歸還土壤的數(shù)量相應(yīng)增長(zhǎng)，耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量也相應(yīng)增加；趙吉霞等［28］研究表明1985～2006年云南墨江縣土壤全氮含量隨著氮肥施用量增加而產(chǎn)生了較小幅度的增加。上述對(duì)不同地區(qū)的研究結(jié)果表明，河北省不同地市SOM含量總體上可能隨化肥施用量增加而增加，但由于各地市消耗不同，具體增量不一樣，部分地市增量甚至為負(fù)值，導(dǎo)致河北省有機(jī)質(zhì)總量降低。

圖5 河北省各地市化肥平均施用增量與SOM平均增量關(guān)系

4 結(jié)論

從時(shí)間上看，1980～2010年間河北省SOM含量總體呈降低趨勢(shì)，平均降低3.6 g/kg。從空間上看，近30年全省SOM含量整體上均呈現(xiàn)西北減東南增的趨勢(shì)，增幅總體上由西北向東南依次增加；且其增加的面積占全省面積的65.54%，主要分布在南部平原地區(qū)和唐山、秦皇島等地。上述土壤有機(jī)質(zhì)變化格局的形成主要與施用化肥、實(shí)施秸稈還田等人類活動(dòng)有關(guān)。因此，要想改善土壤肥力下降的問(wèn)題，就應(yīng)堅(jiān)持合理施用化肥、實(shí)施秸稈還田、制定合理的耕作制度、樹(shù)立用地養(yǎng)地相結(jié)合的耕作意識(shí)。

值得注意的是，本研究所采用的1980和2010年土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)差距較大，而且空間分布位置和密度不一，所以通過(guò)回歸克里格插值模擬出的空間分布圖精度差距較大，其產(chǎn)生的誤差是否會(huì)對(duì)研究結(jié)果造成一定影響，也是值得探索的方面。