張一鶴，楊澤，戴慧敏，劉國(guó)棟，韓曉萌，李秋燕

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.自然資源部 黑土地演化與生態(tài)效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110034；3.遼寧省黑土地演化與生態(tài)效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110034)

0 引言

穆棱河—興凱湖平原(以下簡(jiǎn)稱穆興平原)位于我國(guó)黑龍江省東南部，黑土層厚，有機(jī)質(zhì)含量高，是中國(guó)最大的糧食生產(chǎn)基地，對(duì)保障國(guó)家糧食安全，發(fā)展綠色食品產(chǎn)業(yè)有著重要意義[1]。黑土是最肥沃的土壤之一，以有機(jī)質(zhì)含量高、土質(zhì)肥沃而聞名。黑土位于溫帶半濕潤(rùn)地區(qū)，四季分明，其氣候特征為雨熱同季。黑土是具有強(qiáng)烈脹縮和擾動(dòng)特性的黏質(zhì)土壤，并有季節(jié)凍土層。溫帶季風(fēng)氣候影響下，夏季高溫多雨，草甸草本植物生長(zhǎng)繁茂，地上和地下都積累了大量的有機(jī)物質(zhì)[2]。土體內(nèi)鹽基遭到淋溶，碳酸鹽也移出土體，土壤呈中性至微酸性。季節(jié)性上層滯水引起土壤中鐵錳還原，并在旱季氧化，形成鐵錳結(jié)核，特別是亞表層表現(xiàn)更明顯。但在漫長(zhǎng)而寒冷的冬季(約有120～200 d)，則土壤凍結(jié)，微生物活動(dòng)微弱，因而有機(jī)質(zhì)緩慢分解，并在土壤中積累，逐步形成深厚的有機(jī)質(zhì)層。所以，黑土是由強(qiáng)烈的有機(jī)質(zhì)累積和滯水潴積過程形成的，是一種特殊的草甸化過程。自然狀態(tài)下，黑土有機(jī)質(zhì)可厚達(dá)1 m，養(yǎng)分含量豐富，肥力水平高[3]。

黑土開墾后，有機(jī)質(zhì)含量下降，因母質(zhì)黏重，土壤侵蝕明顯，黑土退化逐漸成為限制東北區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素[4]。土壤有機(jī)碳(SOC)和全氮(TN)是陸地土壤碳庫(kù)和氮庫(kù)的重要組成部分，是黑土有機(jī)質(zhì)含量重要影響因素之一，對(duì)土壤理化性質(zhì)、生物學(xué)特性具有深遠(yuǎn)的意義，長(zhǎng)期以來一直是土壤學(xué)相關(guān)廣大研究學(xué)者的研究熱點(diǎn)[5-11]。但是在穆興平原區(qū)域尺度上，土壤碳氮關(guān)系的時(shí)空演變的研究較少。因此，筆者利用第二次土壤普查(1979年)數(shù)據(jù)和2019年定位采樣數(shù)據(jù)，運(yùn)用GIS技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，對(duì)表層土壤SOC和TN的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行研究，探討穆興平原表層土壤SOC、TN的時(shí)空變異特征，進(jìn)一步解釋土壤SOC、TN變化規(guī)律，有助于揭示有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化方式和機(jī)理，正確評(píng)價(jià)農(nóng)田黑土的退化狀況和趨勢(shì)，對(duì)制定合理的耕作計(jì)劃，推進(jìn)黑土保護(hù)戰(zhàn)略的實(shí)施及黑土資源的可持續(xù)發(fā)展和利用有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省東部偏南，北以完達(dá)山為界，南抵興凱湖之濱，東與俄羅斯接壤，西至張廣才嶺。行政區(qū)隸屬虎林市、密山市下轄各縣市街道及鄉(xiāng)村，均屬雞西市管轄，面積為16 608 km2。穆興平原屬中緯度寒溫帶濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，1月氣溫最低，月平均氣溫為-17.9 ℃；7月氣溫最高，月平均氣溫為21.5 ℃，年平均氣溫2.9～3.1 ℃。年平均降水量為526～710 mm，降水多集中在6～9月，占全年降水量的70%。全年日照為2 343.1 d，大于(等于)10 ℃積溫(活動(dòng)積溫)為2 654.7 ℃，無霜期為141 d。融雪在2月下旬，結(jié)凍期約180 d左右，平均年雷暴日數(shù)20 d。研究區(qū)主要土地利用為耕地，以水田為主，占工作區(qū)總面積的60%；其次為林地和沼澤地，分別占工作區(qū)總面積的21%和11%。土壤類型以白漿土為主，其次為暗棕壤、沼澤土及草甸土[1]。

2 樣品采集與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

1979年土壤數(shù)據(jù)來自于第二次全國(guó)土壤普查土壤養(yǎng)分元素調(diào)查，普查時(shí)間為1979～1985年，界定為1979年，本次引用中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所提供的第二次普查柵格數(shù)據(jù)。

東北地區(qū)1980年、2019年土地利用1∶10萬(wàn)矢量數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所。

2.2 土壤樣品的采集

本次土壤樣品采集網(wǎng)度為1 km×1 km，基本采樣密度為1個(gè)點(diǎn)/km2。根據(jù)事先設(shè)定的坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)地采樣，主要采集了農(nóng)田、林地、園地等位置的土壤，優(yōu)先選擇分布面積最廣的農(nóng)業(yè)用地土壤。取樣點(diǎn)避開局部低洼地和高崗地，有明顯點(diǎn)狀污染的地段，有新近搬運(yùn)的堆積土、垃圾土和水土流失嚴(yán)重的地段以及田埂等處。采樣時(shí)刮去地表植物凋落物，采集地表至20 cm深處的土柱(采用刻槽方式取樣，以保證土樣上下的均勻性)，并去除雜草、草根、礫石、磚塊、肥料團(tuán)塊等雜物。在農(nóng)田內(nèi)，在每處采樣點(diǎn)垂直壟溝30 m范圍內(nèi)采集3處土壤樣品組合成一件樣，若在林地及城市等地域受到限制區(qū)域，子坑呈三角形布設(shè)。

2.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

樣品由具有承擔(dān)多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查樣品分析資質(zhì)的遼寧地研院有限責(zé)任公司承擔(dān)。該研究的分析指標(biāo)為2項(xiàng)，分析方法和檢出限見表1。

表1 土壤中氮和有機(jī)質(zhì)的分析方法及檢出限Table 1 Analytical methods and detection limits of nitrogen and organic matter in soil

土壤樣品分析質(zhì)量采用實(shí)驗(yàn)室外部質(zhì)量監(jiān)控和內(nèi)部質(zhì)量監(jiān)控相結(jié)合，以外部質(zhì)量監(jiān)控為主。樣品分析過程中采用國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)土樣監(jiān)控分析測(cè)試的準(zhǔn)確度，采用重復(fù)樣監(jiān)控分析測(cè)試的精密度，一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的所有分析指標(biāo)合格率為100%，重復(fù)樣合格率符合《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014))中的分析質(zhì)量控制要求，測(cè)試指標(biāo)報(bào)出率均達(dá)到100%，異常點(diǎn)重復(fù)性檢驗(yàn)合格率95.8%。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用域法識(shí)別異常值，即按標(biāo)準(zhǔn)方差的倍數(shù)來識(shí)別異常值，一般異常值定為樣品均值加3倍均方差，然后用正常值最大值代替異常值[5]。利用SPSS25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，地統(tǒng)計(jì)軟件GS+10.0進(jìn)行半方差函數(shù)計(jì)算， Office2016繪制相關(guān)表格， ArcGIS10.4、CorelDRAW2018繪制相關(guān)圖件。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤SOC、TN、C/N描述性統(tǒng)計(jì)特征

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(表2)：研究區(qū)2019年表層土壤有機(jī)碳含量(SOC)、全氮含量(TN)、碳氮比(C/N)分別在3.47×10-3～52.41×10-3、0.22×10-3～4.30×10-3、4.63～23.75，1979年表層土壤SOC含量、TN含量、C/N分別在9.92×10-3～80.05×10-3、1.00×10-3～7.30×10-3、7.65～16.38，各指標(biāo)值域范圍波動(dòng)較大；2019年SOC、TN、C/N平均值分別為26.47×10-3、2.23×10-3、11.85，1979年平均值分別為35.60×10-3、3.18 ×10-3、11.18，經(jīng)過40年，SOC含量下降了25.65%、TN含量下降了29.87%、C/N增加了6.00%。本次研究將變異程度分為3種類型：CV<15%為弱變異性，15%≤CV<35%為中等變異性，CV≥35%為強(qiáng)變異性。2019年SOC、TN、C/N變異系數(shù)分別為32.24%、30.38%、10.14%，說明SOC含量、TN含量屬于中等變異，C/N屬于弱變異；1979年SOC、TN、C/N變異系數(shù)分別為51.78%、51.48%、11.66%，說明SOC含量、TN含量屬于高度變異，C/N屬于弱變異。

表2 研究區(qū)土壤SOC、TN和C/N統(tǒng)計(jì)特征Table 2 Statistical characteristics of soil SOC, TN and C/N in the study area

3.2 土壤SOC、TN、C/N空間變異結(jié)構(gòu)特征分析

本次研究利用GS+軟件對(duì)符合正態(tài)分布的表層土壤SOC、TN含量進(jìn)行半方差函數(shù)模型擬合，表3中的塊金值(C0)代表采樣或試驗(yàn)誤差與小于采樣尺度上耕作施肥管理等隨機(jī)因素引起的不同程度的變異；基臺(tái)值(C0+C)代表系統(tǒng)內(nèi)總變異；塊金效應(yīng)[C0/(C0+C)]代表空間異質(zhì)性程度，該比值越高則說明數(shù)據(jù)由非結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異程度較大，而由空間自相關(guān)部分引起的空間變異程度較小[12]。研究區(qū)表層土壤SOC、TC、C/N的塊金值分別為32.2%、32.0%、50%，說明C/N受隨機(jī)因素引起的空間變異和結(jié)構(gòu)性因素雙重影響；SOC、TN則與由結(jié)構(gòu)性因素如土壤類型、地形地貌等引起的空間自相關(guān)程度較高。

表3 土壤SOC、TN、C/N半方差函數(shù)模型參數(shù)Table 3 Soil SOC, TN, C/N semi-variance function model parameters

變程表示具有空間自相關(guān)性的最大距離，超過該距離則不存在空間自相關(guān)[13]。研究區(qū)表層土壤SOC、TC、C/N的變程分別為697.8 km、311 km、61.8 km，SOC和TN的變程都較大，說明SOC和TN在這個(gè)較大的空間范圍內(nèi)，其空間自相關(guān)性較強(qiáng)。

3.3 土壤SOC、TN、C/N空間插值分析

研究區(qū)表層土壤SOC含量、TC含量及C/N空間分布見圖1?？梢钥闯?，SOC含量呈現(xiàn)東北高西南低的趨勢(shì)。參照土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范(DZ/T 0295—2016)[14]，SOC、TC不同等級(jí)的分布面積和比例見表4，SOC主要處于三等以上水平，屬于豐富—中等狀態(tài)，面積16 296 km2，占總面積的98.12%。可見，研究區(qū)土壤SOC含量整體呈現(xiàn)出較豐富和豐富、局部缺乏的分布特征。從研究區(qū)表層土壤TN含量空間分布可以看出，TN含量與SOC含量分布趨勢(shì)相近，也呈現(xiàn)東北高西南低的趨勢(shì)。TN含量主要處于三等以上水平，屬于豐富—較豐富狀態(tài)，其中一等和二等土壤面積14 428 km2，占總面積的86.87%?？梢姡芯繀^(qū)土壤TN含量普遍豐富，大部分呈現(xiàn)適中和較豐富，小面積嚴(yán)重缺氮。綜上，研究區(qū)表層土壤養(yǎng)分比較優(yōu)越，土壤養(yǎng)分缺乏的占比較少。土壤C/N比在空間分布上呈現(xiàn)南部和北部向中部逐步降低的趨勢(shì)，大部分區(qū)域土壤C/N位于12～14之間，低值區(qū)則主要在中部呈帶狀分布。

圖1 土壤SOC、TN、C/N空間分布Fig.1 Spatial distribution of soil SOC, TN and C/N

表4 土壤SOC、TN等級(jí)分布面積及比例Table 4 Distribution area and proportion of soil SOC and TN grade

3.4 土壤SOC、TN空間變異影響因素分析

3.4.1 不同土壤類型下SOC、TN含量變化

不同土壤類型具有不同的礦物組成、成土過程、發(fā)育程度及耕作管理措施[15-17]，因而其土壤特性存在差異，故導(dǎo)致不同土壤類型下SOC、TN含量不同。如表5，研究區(qū)表層土壤SOC含量以如下趨勢(shì)遞減：沼澤土>草甸土>白漿土>黑土>暗棕壤>水稻土，與1979年相比，沼澤土SOC含量下降23.89×10-3，草甸土下降2.65×10-3，白漿土下降1.14×10-3，黑土下降5.22×10-3，暗棕壤下降16.06×10-3，水稻土增加2.59×10-3。土壤TN含量以如下趨勢(shì)遞減：沼澤土>白漿土>草甸土>黑土>暗棕壤>水稻土，與1979年相比，沼澤土TN含量下降2.17×10-3，白漿土下降0.29×10-3，草甸土下降0.34×10-3，黑土下降0.61×10-3，暗棕壤下降1.56×10-3，水稻土增加0.01×10-3。土壤C/N以如下趨勢(shì)遞減：暗棕壤>水稻土>黑土>草甸土>沼澤土>白漿土，與1979年相比，暗棕壤C/N含量增加0.75，水稻土增加1.30，黑土增加0.64，草甸土增加0.11，白漿土增加1.13，沼澤土增加0.15。

表5 不同土壤類型下SOC、TN、C/N含量特征Table 5 Content characteristics of SOC, TN and C/N in different soil types

3.4.2 土地利用方式改變對(duì)土壤SOC、TN含量的影響

土地利用方式改變對(duì)表層土壤SOC含量、TC含量及C/N的影響如表6所示。經(jīng)過40年的開墾，濕地開墾為旱地，SOC含量下降13.12×10-3；濕地開墾為水田，SOC含量下降11.81×10-3；林地開墾為旱地，SOC含量下降11.39×10-3；草地開墾為旱地，SOC含量下降3.60×10-3；40年間土地利用方式一直為旱地的，SOC含量下降4.84×10-3，一直為水田的，SOC含量上升1.43×10-3。自然生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田引起土壤SOC含量減少，分析其原因，一是農(nóng)田在耕作和種植的過程中，增加了對(duì)土壤的擾動(dòng)，增加土壤微生物的活性，進(jìn)而加快了有機(jī)質(zhì)的分解速率；二是林草被作物取代后使初級(jí)生產(chǎn)固定的碳素向土壤中的分配比例降低，收割減少地上生物量中碳素向土壤的輸入[18]。

表6 主要開墾類型土壤SOC、TN、C/N含量變化Table 6 Changes of soil SOC, TN and C/N contents in main reclamation types

經(jīng)過40年的開墾，濕地開墾為旱地，TN含量下降1.25×10-3；濕地開墾為水田，TN含量下降1.20×10-3；林地開墾為旱地，TN含量下降1.19×10-3；草地開墾為旱地，TN含量下降0.44×10-3；40年土地利用方式一直為旱地，TN含量下降0.58×10-3，一直為水田，TN含量下降0.08×10-3。開墾土壤TN含量都在下降，主要原因可能是TN含量和SOC含量相關(guān)性極高，所以SOC含量降低，導(dǎo)致TN含量隨之降低。

經(jīng)過40年的開墾，濕地開墾為旱地，C/N含量增加0.19；濕地開墾為水田，C/N含量增加0.51；林地開墾為旱地，C/N含量增加1.05；草地開墾為旱地，C/N含量增加0.72；40年土地利用方式一直為旱地的，C/N含量增加0.93，一直為水田的，C/N含量增加0.92。土地利用方式主要通過土壤養(yǎng)分輸入控制土壤碳氮積累和釋放速度來影響土壤碳氮含量[19-21]。水田C/N升高，主要因?yàn)樗锾幱谘退蜏貭顟B(tài)，有機(jī)碳分解緩慢易于積累，從而使C/N處于增加水平[22-25]。

4 結(jié)論

1)2019年研究區(qū)表層土壤SOC、TN含量及C/N比平均值分別為26.47×10-3、2.23×10-3、11.85，1979年平均值分別為35.60×10-3、3.18×10-3、11.18。經(jīng)過40年開墾，SOC含量下降了25.65%，TN含量下降了29.87%，C/N增加了6.00%。表層土壤SOC、TN表現(xiàn)為中等程度的空間變異性，C/N表現(xiàn)為弱變異的空間變異性，其空間分布受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素的共同影響，空間自相關(guān)范圍較大。研究區(qū)表層土壤SOC、TC、C/N的變程分別為697.7 km、311 km、61.8 km，SOC和TN的變程都較大。

2)研究區(qū)表層土壤SOC含量主要處于三等以上水平，整體呈現(xiàn)出較豐富和豐富、局部缺乏的分布特征。表層土壤TN含量主要處于三等以上水平，土壤TN含量普遍豐富，大部分呈現(xiàn)適中和較豐富，小面積嚴(yán)重缺氮。由此可見研究區(qū)表層土壤養(yǎng)分比較優(yōu)越，土壤養(yǎng)分缺乏的占比較少。

3)研究區(qū)表層土壤SOC、TN、C/N在不同土壤類型、不同土地利用類型下的養(yǎng)分含量呈一定的差異。表層土壤SOC含量與1979年相比，不同土壤類型SOC、TN含量都在下降，只有水稻土增加；開墾導(dǎo)致SOC、TN含量都在下降。土壤類型和土地利用方式變化等因素對(duì)研究區(qū)土壤養(yǎng)分的空間變異程度有著顯著影響。