劉戰(zhàn)勇,張佳倩,張向前,厲雅華,遲文峰,張德健*

(1 內(nèi)蒙古大學生命科學學院,牧草與特色作物教育部重點實驗室,呼和浩特 010070;2 內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學院,退化農(nóng)田生態(tài)修復與污染治理重點實驗室,呼和浩特 010031;3 內(nèi)蒙古財經(jīng)大學資源與環(huán)境經(jīng)濟學院,呼和浩特 010017)

關(guān)鍵字:團聚體;穩(wěn)定性;經(jīng)典統(tǒng)計學;阿榮旗

土壤團聚體是土壤中細小顆粒在有機物等成分的膠結(jié)作用下形成的復雜膠體結(jié)構(gòu)[1]。 土壤團聚體結(jié)構(gòu)既可決定土壤的穩(wěn)定性,又是支持作物生長的重要元素。 土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元,是土壤的重要組成部分,對土壤抵御外力破壞起著至關(guān)重要的作用[2-4]。 土壤團聚體的大小、分布、穩(wěn)定性能對降水后土壤入滲和土壤抗蝕性產(chǎn)生重要影響[5]。 土壤團聚體的破壞會直接對土壤孔隙造成影響,進而影響土壤通氣性、透水性,土壤中水氣含量會因此降低,對作物的養(yǎng)分吸收間接產(chǎn)生阻礙[6]。 不合理的耕作方式或其他不當?shù)耐恋乩枚紩斐蓤F聚體結(jié)構(gòu)變差,大團聚體破裂,土壤穩(wěn)定性降低,對作物高產(chǎn)高效產(chǎn)生限制[7]。 土壤團聚體的數(shù)量和質(zhì)量不僅對土壤抗侵蝕能力有顯著影響,還影響著土壤肥力[8-10]。阿榮旗位于大興安嶺南麓黑土區(qū),雖然耕地養(yǎng)分比較肥沃,但由于近年來不合理的利用和水土流失加劇,導致土壤養(yǎng)分失調(diào),土壤結(jié)構(gòu)不平衡[11]。

為明確大興安嶺南麓農(nóng)田土壤團聚體組成及空間分異性,本研究借助地理信息系統(tǒng)(GIS)等技術(shù),采用經(jīng)典統(tǒng)計學對阿榮旗土壤團聚體組成結(jié)構(gòu)進行分析,以期維護阿榮旗地區(qū)土壤團聚體穩(wěn)定性,保護耕地,阻止土壤肥力繼續(xù)退化,為進一步了解阿榮旗地區(qū)土壤養(yǎng)分提供數(shù)據(jù)指導,并為構(gòu)建大興安嶺南麓阿榮旗地區(qū)耕地質(zhì)量評價體系提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

阿榮旗是呼倫貝爾市嶺東三旗市之一,位于東經(jīng)122°02＇30″—124°05＇40″,北緯47°56＇54″—49°19＇35″,地處內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市東南部,與大興安嶺、松嫩平原臨近,屬于大興安嶺南麓地區(qū)。阿榮旗屬于溫帶大陸性半濕潤氣候,地貌呈中低山-丘陵漫崗地形,地勢由西北向東南呈階梯式下降,年平均氣溫1.7 ℃,無霜期90—130 d,年均降水量458.4 mm,轄8 個建制鎮(zhèn)、4 個少數(shù)民族鄉(xiāng)、148 個行政村、7 個地方林場和2 個國營農(nóng)場。 該地區(qū)農(nóng)業(yè)資源豐富,有耕地31.44 萬hm2,占全境總面積的23.05%,以玉米、大豆、水稻、小麥、馬鈴薯、南瓜等為主要農(nóng)作物;土地類型主要有黑土、暗棕壤、草甸土、沼澤土、粗骨土。

1.2 試驗方法

于2019 年11 月初,在阿榮旗耕地區(qū)采樣,耕地主要分布在阿榮旗南部地區(qū)亞東鎮(zhèn)、六合鎮(zhèn)、霍爾奇鎮(zhèn)、向陽峪鎮(zhèn)、音河達斡爾鄂溫克民族鄉(xiāng)、新發(fā)朝鮮民族鄉(xiāng)、得力其爾鄂溫克民族鄉(xiāng)、查巴奇鄂溫克民族鄉(xiāng)、復興鎮(zhèn)、三岔河鎮(zhèn)、興安鎮(zhèn)11 個鄉(xiāng)鎮(zhèn);東亞鎮(zhèn)村、四合村、新興村等98 個村莊。 采用5 點采樣法,取0—20 cm 土層混合土樣,平均每666.67 hm2設(shè)1 個采樣點,3 個重復,共采取470 個樣點、1 410 份土樣。 使用GPS 定位儀測量記錄采樣點的經(jīng)緯度、海拔、坡度等,并觀察記錄耕地作物、田間管理方式等信息,各采樣點的分布如圖1 所示。 將土樣自然風干后,采用機械篩分法測定團聚體組成。

圖1 阿榮旗耕地采樣點分布圖Fig.1 Distribution of cultivated land sampling points in Arong Banner

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 軟件對阿榮旗地區(qū)耕地土樣團聚體數(shù)據(jù)進行處理,并對≥2 mm、0.25—2 mm (含0.25 mm)、0.053—0.25 mm(含0.053 mm)、＜0.053 mm 4 種粒徑團聚體進行檢驗分析[12-15]。 利用SPSS 22.0軟件的相關(guān)模塊對阿榮旗各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤團聚體進行Kolmogorov-Smirnov(K-S)檢驗,明確是否服從正態(tài)分布(顯著性水平α 設(shè)定為0.05,置信區(qū)間為95%);對呈正態(tài)分布的大團聚體采用Pearson 相關(guān)性分析,對呈正偏態(tài)分布的微團聚體采用Spearman 相關(guān)性分析;并進行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Kolmogorov-Smirnov 檢定

如表1 所示,阿榮旗各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤團聚體主要以大團聚體為主,≥2 mm 粒徑的大團聚體中,得力其爾鄉(xiāng)的土壤團聚體均值最大,為174.88 g,其次是向陽峪鎮(zhèn),新發(fā)鄉(xiāng)的土壤團聚體均值最小;0.25—2 mm 粒徑的大團聚體中,三岔河鎮(zhèn)的土壤團聚體均值最大,為129.86 g,其次是新發(fā)鄉(xiāng),得力其爾鄉(xiāng)的土壤團聚體均值最小;0.053—0.25 mm 粒徑的微團聚體中,六合鎮(zhèn)的土壤團聚體均值最大,為30.91 g,其次是新發(fā)鄉(xiāng),向陽峪鎮(zhèn)的土壤團聚體均值最小;＜0.053 mm 粒徑的微團聚體中,新發(fā)鄉(xiāng)的土壤團聚體均值最大,為5.29 g,其次是三岔河鎮(zhèn),得力其爾鄉(xiāng)的土壤團聚體均值最小。 綜上,阿榮旗各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤團聚體中,新發(fā)鄉(xiāng)≥2 mm 粒徑的大團聚體含量最少,＜2 mm 粒徑的土壤團聚體含量相對較大,說明新發(fā)鄉(xiāng)的土壤團聚體穩(wěn)定性相對較差,破壞相對嚴重。

表1 阿榮旗各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤團聚體數(shù)據(jù)Kolmogorov-Smirnov 檢定Table 1 Kolmogorov-Smirnov verification of soil aggregate data of villages and towns in Arong Banner

根據(jù)楊國勝等[16]CV 評估的標準(CV≤10%,為弱變異程度;10% ＜CV ＜100%,為中等變異程度;CV≥100%,為強變異程度)可知,阿榮旗各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤團聚體均屬于中等變異程度,其中大團聚體的變異度均弱于微團聚體。 ≥2 mm 粒徑的大團聚體中,新發(fā)鄉(xiāng)的土壤團聚體變異度最大,為44.09%,其次是六合鎮(zhèn),音河鄉(xiāng)的土壤團聚體變異度最小;0.25—2 mm 粒徑的大團聚體中,新發(fā)鄉(xiāng)的土壤團聚體變異度最大,為29.04%,其次是興安鎮(zhèn),音河鄉(xiāng)的土壤團聚體變異度最小;0.053—0.25 mm 粒徑的微團聚體中,六合鎮(zhèn)的土壤團聚體變異度最大,為70.96%,其次是新發(fā)鄉(xiāng),音河鄉(xiāng)的土壤團聚體變異度最小; ＜0.053 mm粒徑的微團聚體中,興安鎮(zhèn)的土壤團聚體變異度最大,為91.29%,其次是新發(fā)鄉(xiāng),音河鄉(xiāng)的土壤團聚體變異度最小。 綜上,阿榮旗各鄉(xiāng)鎮(zhèn)間土壤微團聚體的變異度大于大團聚體,其中,新發(fā)鄉(xiāng)的土壤團聚體變異度相對較大,尤其大團聚體的變異度最大,音河鄉(xiāng)土壤團聚體變異度最小,說明新發(fā)鄉(xiāng)的土壤團聚體穩(wěn)定性最小,音河鄉(xiāng)的土壤團聚體穩(wěn)定性最大。

2.2 正態(tài)分布

由圖2 可知,阿榮旗耕地土壤≥2 mm 和0.25—2 mm 粒徑的大團聚體均呈鐘形曲線,分別以均值為156.18 g、38.9 g 成中心左右對稱,說明阿榮旗地區(qū)≥2 mm 和0.25—2 mm 粒徑的大團聚體數(shù)值呈正態(tài)分布;0.053—0.25 mm 和＜0.053 mm 粒徑微團聚體的均值分別為22.96 g、3.64 g,不以均值為中心呈左右對稱,說明阿榮旗地區(qū)0.053—0.25 mm 和＜0.053 mm 粒徑的微團體均呈正偏態(tài)分布。

2.3 Pearson 和Spearman 相關(guān)性分析

由表2 可知,根據(jù)Pearson(皮爾遜)相關(guān)系數(shù)關(guān)聯(lián)度標準:相關(guān)系數(shù)|r|為0.8—1.0 表示極強相關(guān);0.6—0.8 表示強相關(guān);0.4—0.6 表示中等程度相關(guān);0.2—0.4 表示弱相關(guān);0.0—0.2 表示極弱相關(guān)或無相關(guān)。 呈正態(tài)分布的≥2 mm 與0.25—2 mm 粒徑的大團聚體經(jīng)Pearson 相關(guān)性分析,ρ =0.00 ＜0.05,說明≥2 mm 與0.25—2 mm 粒徑的大團聚體之間存在顯著的相關(guān)性;相關(guān)系數(shù)|r| = | -0.955| =0.955 ＞0.8,說明≥2 mm 與0.25—2 mm 粒徑大團聚體之間具有極強的負相關(guān)關(guān)系。

表2 粒徑≥0.25 mm 的大團聚體Pearson 相關(guān)性分析Table 2 Pearson correlation analysis of large aggregates with particle size ≥0.25 mm

由表3 可知,對呈正偏態(tài)分布的0.053—0.25 mm 與＜0.053 mm 粒徑的微團聚體進行Spearman 相關(guān)性分析,ρ=0.00,說明0.053—0.25 mm 與＜0.053 mm 粒徑微團聚體之間存在顯著的相關(guān)性,|r| =0.842 ＞0.8,說明0.053—0.25 mm 與＜0.053 mm 粒徑微團聚體之間極強的正相關(guān)關(guān)系。

表3 粒徑＜0.25 mm 微團聚體Spearman 相關(guān)性分析Table 3 Spearman correlation analysis of micro aggregates with particle size ＜0.25 mm

2.4 單因素方差分析

由表4、表5 可知,根據(jù)單因素方差分析,獲得阿榮旗地區(qū)土壤團聚體方差齊性檢驗的顯著性均為ρ＜0.05;單因素ANOVA 分析獲得≥2 mm 和0.25—2 mm 粒徑的大團聚體單因素顯著性均為ρ ＜0.05;0.053—0.25 mm 和＜0.053 mm 粒徑的微團聚體單因素顯著性均為ρ ＞0.05,說明在阿榮旗地區(qū)≥2 mm和0.25—2 mm 粒徑的土壤大團聚體結(jié)構(gòu)存在顯著差異,0.053—0.25 mm 和＜0.053 mm 粒徑的微團聚體結(jié)構(gòu)不存在顯著差異。

表4 阿榮旗地區(qū)耕地土壤團聚體方差齊性檢驗Table 4 Homogeneity test of variance of soil aggregates in cultivated land in Arong Banner

表5 阿榮旗地區(qū)耕地土壤團聚體單因素ANOVA 分析Table 5 Single factor ANOVA analysis of soil aggregates in cultivated land in Arong Banner

3 討論

本研究表明,大興安嶺南麓阿榮旗地區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤團聚體以大團聚體為主,≥2 mm 粒徑的大團聚體占總體團聚體的一半以上,微團聚體含量很少,＞0.25 mm 粒徑的團聚體含量越高,土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定、抗侵蝕能力越好[17]。 阿榮旗地區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤團聚體變異度均為中等,且微團聚體的變異度高于大團聚體,可能是大團聚體受到破壞分解為微團聚體增加了微團聚體的不穩(wěn)定性。 新發(fā)鄉(xiāng)的土壤大團聚體含量相對較少,微團聚體含量相對較多,且變異度相對較大,說明其土壤團聚體結(jié)構(gòu)破壞相對嚴重,抗侵蝕能力相對較差。

從正態(tài)分布看,≥2 mm 和0.25—2 mm 粒徑的土壤大團聚體呈正態(tài)分布,0.053—0.25 mm 和＜0.053 mm粒徑的微團聚體呈正偏態(tài)分布,說明阿榮旗土壤微團聚體總體離散性大于大團聚體,原因可能是微團聚體差異性較大團聚體顯著。

從相關(guān)性分析看,阿榮旗地區(qū)≥2 mm 和0.25—2 mm 粒徑的土壤大團聚體呈極強的負相關(guān)性;0.053—0.25 mm 和＜0.053 mm 粒徑的微團聚體呈極強的正相關(guān)性。 原因是團聚體形成受地形、氣候、土壤管理措施、土壤屬性、土壤微生物活動等物理、化學、生物的共同作用[18],大團聚體可能形成于微團聚體的累積,微團聚體可能形成于黏粒或是大團聚體的周轉(zhuǎn)產(chǎn)物。 大團聚體受到外界因素的干擾后,經(jīng)過崩解、擠壓等作用逐步分解為微團聚體[19]。

從單因素方差分析看,阿榮旗地區(qū)土壤團聚體均不呈方差齊性,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)≥2 mm 和0.25—2 mm 粒徑的大團聚體穩(wěn)定性容易受到外界因素影響,0.053—0.25 mm 和＜0.053 mm 粒徑的微團聚體結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。 土壤團聚體的大小與組成、土地利用方式、土壤管理措施直接或間接影響團聚體的穩(wěn)定性和土壤質(zhì)量[20]。 不合理的耕地利用可能會破壞土壤結(jié)構(gòu)的動態(tài)平衡,土壤有機物活性、土壤屬性和溫度、氣體濃度、養(yǎng)分有效性和水勢壓等也會影響土壤團聚體的穩(wěn)定性[21]。

4 結(jié)論

阿榮旗地處大興安嶺南麓黑土區(qū),土壤團聚體整體穩(wěn)定性較好,但受氣候、地形、土壤屬性、水土流失和不合理利用的影響,大團聚體穩(wěn)定性降低,逐漸分解為微團聚體,導致各鄉(xiāng)鎮(zhèn)間的土壤團聚體存在顯著差異,且微團聚體的差異較大團聚體顯著,尤其以新發(fā)鄉(xiāng)的土壤團聚體結(jié)構(gòu)破壞相對嚴重。 良好的土壤結(jié)構(gòu)有利于土壤中氧氣擴散和水分滲透從而提高土壤儲水量,有利于土壤保水保肥,從而提高作物的肥料利用率[22]。 非生物的物理作用在團聚體的形成過程中占有相當大的貢獻,若能對耕地不合理利用加以改善,增加作物產(chǎn)量、有機碳輸入來增加團聚體數(shù)量,對防止土壤退化和水土流失予以重視[23-24],將對保護阿榮旗地區(qū)土壤團聚體結(jié)構(gòu),實現(xiàn)大興安嶺南麓農(nóng)業(yè)保護性耕作有顯著作用。