宜昌地區(qū)土壤有機質的空間分布及演變特征

張萍 黃永文 楊楊 吳昌榮 張進

摘要：對宜昌地區(qū)１３個典型土壤剖面土壤有機質進行了測定和統(tǒng)計分析。結果表明， 宜昌地區(qū)土壤有機質表現(xiàn)出顯著的空間變異性。在水平分布上，西部高山區(qū)土壤有機質最為豐富，高山棕壤土０～１０ ｃｍ土層有機質含量可達到７７．７２ ｇ／ｋｇ；中部低山丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分缺乏，尤其是耕種后的紅壤土０～１０ ｃｍ土層有機質含量僅有２．８３ ｇ／ｋｇ；東部河谷平原區(qū)土壤有機質相對較高，水稻土表土層有機質含量為２７．１0 ｇ／ｋｇ。在垂直分布上，大多土壤剖面有機質都表現(xiàn)出顯著的表聚性，并且黃棕壤、棕壤２種地帶性土壤以及非地帶性土壤中的潮土表現(xiàn)出明顯的從表層往下有機質依次遞減的規(guī)律。近３０年來，宜昌地區(qū)土壤有機質整體上出現(xiàn)一定的退化特征，其中黃壤與紅壤的退化特征尤為明顯，０～１０ ｃｍ土層有機質分別下降３９．９％和５４．７％。

關鍵詞：土壤有機質；空間分異；演變；宜昌地區(qū)

中圖分類號：S153.6+21文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０12）03－0462-04

Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｐａｔｉａｌ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｉｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ Ｙｉｃｈａｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ

ＺＨＡＮＧ Ｐｉｎｇ１，ＨＵＡＮＧ Ｙｏｎｇ－ｗｅｎ２，ＹＡＮＧ Ｙａｎｇ２，ＷＵ Ｃｈａｎｇ－ｒｏｎｇ３，ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎ４

（１． Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ， Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３８， Ｃｈｉｎａ；

２． Ｙｉｃｈａｎｇ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ， Ｙｉｃｈａｎｇ ４４３０００， Ｈｕｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ； ３． Ｙｉｄｕ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｂｕｒｅａｕ， Ｙｉｃｈａｎｇ ４４３０００， Ｈｕｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ； ４． Ｙｉｃｈａｎｇ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， Ｙｉｃｈａｎｇ ４４３０００， Ｈｕｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Sｏｉｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｒｅｉａｌ（ＳＯＭ） ｓａｍｐｌｅｓ ｆｒｏｍ １３ ｔｙｐｉｃａｌ ｓｏｉｌ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｉｎ Ｙｉｃｈａｎｇ ａｒｅａ ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ＳＯＭ ｃｏｎｔｅｎｔ ｓｈｏｗｅｄ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ． Ｉｎ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ， ＳＯＭ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｗｅｓｔ ｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓ ａｒｅａ ｒａｎｋｅｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ； ａｎｄ ｔｈａｔ in ｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓ ｂｒｕｎｉｓｏｌｉｃ ｓｏｉｌ at ｔｈｅ ０～１０ ｃｍ ｄｅｐｔｈ ｒｅａｃｈｅｄ ｔｏ ７７．７２ ｇ／ｋｇ. Ｓｏｉｌ ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｗａｓ ｌｏｗ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ｈｉｌｌｙ ｒｅｇｉｏｎ ａｎｄ ＳＯＭ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｃｕｌｔｕｒｅｄ ｒｅｄ ｌｏａｍ ｓｏｉｌ at ｔｈｅ ０～１０ ｃｍ ｄｅｐｔｈ ｗａｓ ｏｎｌｙ ２．８３ ｇ／ｋｇ； ＳＯＭ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｅａｓｔ ｖａｌｌｅｙｅｄ ｐｌａｉｎ ａｒｅａ ｗａｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｈｉｇｈ； ａｎｄ ｔｈａｔ ｏｆ top ｐａｄｄｙ ｓｏｉｌ ｗａｓ ２７．１ ｇ／ｋｇ． ＳＯＭ ｃｏｎｔｅｎｔ at ｍｏｓｔ ｓｉｔｅｓ ｓｈｏｗｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｐｒｏｆｉｌｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ＳＯＭ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ２ ｚｏｎａｌ ｓｏｉｌ， ｙｅｌｌｏｗ ｂｒｏｗｎ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｂｒｏｗｎ ｓｏｉｌ， ａｎｄ ａ ｎｏｎ－ｚｏｎａｌ ｓｏｉｌ， ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｓｏｉｌ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａ ｄｅｃｌｉｎｉｎｇ ｔｒｅｎｄ ｆｒｏｍ ｕｐ ｔｏ ｄｏｗｎ． Ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ａ ｇｅｎｅｒａｌ ｄｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎ ｉｎ ＳＯＭ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ Ｙｉｃｈａｎｇ ａｒｅａ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｌａｓｔ ３０ ｙｅａｒｓ， ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｙｅｌｌｏｗ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｒｅｄ ｌｏａｍ ｓｏｉｌ， of which the ＳＯＭ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ０～１０ ｃｍ ｄｅｐｔｈ ｈａｄ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ３９．９％ ａｎｄ ５４．７％， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ＳＯＭ； ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｄｒｉｂｕｔｉｏｎ； ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ； Ｙｉｃｈａｎｇ ａｒｅａ

土壤有機質是表征土壤質量的重要因子，在調節(jié)土壤理化性質、改善土壤結構、培育土壤肥力等方面有著重要作用［１，２］。持續(xù)穩(wěn)定的有機質含量是土壤維持生產能力的基礎，因此，可以用土壤有機質的含量及動態(tài)演變來衡量土地利用與管理水平［３］。受氣候、地形、生物等多方面因素的影響，土壤分布沿水平方向和垂直方向呈現(xiàn)一定的遞變特性，而土壤有機質含量也存在顯著的空間變異性［４，５］。隨著現(xiàn)代地理信息技術的發(fā)展，土壤特性的空間變異性研究成為土壤科學領域的研究熱點之一［６］。自我國第二次土壤普查以來，許多學者開展了大量的小區(qū)域定位觀測研究，通過長時期的跟蹤觀測分析來研究土壤有機質的演變特征［３］，且對土壤有機質的關注多在于土壤物理化學過程機理等方面。這些研究多是針對單一土壤類型、單一地貌單元，并且在農田系統(tǒng)開展得較多，對區(qū)域尺度的有機質長期演變規(guī)律研究較少［７］。以地貌單元豐富、土壤類型多樣、成土條件復雜的宜昌地區(qū)為研究區(qū)域，選擇典型土壤進行剖面采樣，分析土壤有機質的空間分布特征及演變規(guī)律，為該地區(qū)土壤養(yǎng)分資源的科學精準管理和土地資源的可持續(xù)利用提供參考。

１研究區(qū)概況

宜昌市位于湖北省西部，地處我國地勢第二級階梯向第三級階梯的過渡地帶，也是長江上游高原山地與長江中游平原的過渡地帶［８］，地理坐標為E１１０°１５′-１１１°５２′，Ｎ２９°５６′-３１°３５′，面積２１ ２５０．７９ ｋｍ２。其地勢西高東低，境內地貌類型多樣，西部與中部分別以山地、丘陵為主，占土地總面積的８９．３３％；東部為平原，占土地總面積的１０．６７％。地形最大高差達到２ ３８１．６ ｍ。宜昌市河流水系發(fā)達，有河流百余條，其中長江是最大的過境河流。宜昌市屬于亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，常年溫暖濕潤，有利于土壤風化與物質淋溶；大部分地區(qū)熱量和雨水豐富，并且雨熱同期，四季分明；年均氣溫為１６～１８ ℃，年降水量為９８３～１ ４０６ ｍｍ；同時由于境內地勢起伏大，造成氣候的垂直差異以及區(qū)域差異明顯。植被以亞熱帶常綠闊葉林為主，并有落葉闊葉林、針闊混交林以及灌草叢分布。按照土壤發(fā)生類型，宜昌市共有黃壤、黃棕壤和棕壤、紅壤４個地帶性土類，紫色土、石灰（巖）土、潮土、（山地）草甸土和水稻土５個非地帶性土類，其中黃壤、黃棕壤和石灰（巖）土的面積較大，共占全市土壤面積的６１．３４％，紅壤和（山地）草甸土的面積很小，占全市土壤面積的比例不到１％。研究采集的１３個典型土壤剖面樣品主要涉及黃壤、黃棕壤、棕壤、紅壤４個地帶性土類以及石灰（巖）土、潮土、水稻土３個非地帶性土類，表１為采樣點概況。

２材料與方法

２．１樣品采集

于２０１０年８月對宜昌市內主要土壤類型進行樣品采集。１３個樣點涉及高山、低山、河谷、平原等主要地貌類型，多數樣點為未受人工擾動的原狀土，而農田樣點盡量避開道路與田邊。按照相關野外試驗規(guī)范要求，對０～１０、１０～２０、２０～４０、４０～６０、６０～８０、８０～１００ cm等不同深度土壤進行分層采集，并從地表往下、整層均勻地采集混合樣品，共獲取分層樣品９１個，每個樣品重量約為３００ｇ。土壤樣品用密實袋密封，貼上標簽，并做好樣點信息記錄，樣點位置由ＧＰＳ定位。

２．２樣品測定與數據處理

按照相關土壤理化指標分析標準［8］，采用重鉻酸鉀外熱源氧化－硫酸亞鐵滴定法對土壤有機質進行測定。對每個測定項目都做３個平行樣，以保證測定結果的準確性。采用ＳＰＳＳ １８．０對樣本的空間分布特征進行統(tǒng)計學描述和分析，采用Ｅｘｃｅｌ ２００７進行繪圖。

３結果與分析

３．１土壤有機質空間分布規(guī)律

各采樣點土壤有機質含量表現(xiàn)出明顯的空間分布特征（表２）。長陽縣火燒坪鄉(xiāng)的高山棕壤土有機質含量最高，０～１０ ｃｍ土層有機質含量達到７７．７２ ｇ／ｋｇ，遠遠高出國家第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級中有機質含量１級標準（＞４０ ｇ／ｋｇ）；最小值為秭歸縣九畹溪鎮(zhèn)的紅壤土，０～１０ ｃｍ土層有機質含量僅有２．８３ ｇ／ｋｇ，低于國家第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級中有機質含量６級標準（＜６ ｇ／ｋｇ），最大值約為最小值的２７倍，變異系數達到８６．０４％（表２）。土壤有機質含量的空間差異與采樣點所在地區(qū)的氣候特征、地貌類型、土地利用以及地表植被條件等因素密切相關。海拔大于１ ２００ ｍ的高山區(qū)，降水豐富，溫度較低，地表植被多以天然的針葉林、針闊混交林、灌木林等為主，土壤接收植被根系分泌物以及枯枝落葉等有機物質較多，并且濕冷的環(huán)境有利于土壤有機質的積累，生物積累作用強，因此在各個采樣點中，土壤有機質含量都處于一個較高的水平。海拔在５００～８００ ｍ的低山以及海拔在１００～５００ ｍ的丘陵河谷地區(qū)存在一定強度的人類活動。傳統(tǒng)的溝谷農業(yè)，導致該區(qū)域土壤侵蝕和水土流失比較嚴重，因此，在宜昌市窯灣鄉(xiāng)的果園樣地（黃壤）與秭歸縣九畹溪鎮(zhèn)的花生樣地（紅壤）采集到的土壤，有機質含量普遍較低，０～１０ ｃｍ土層有機質含量分別為４．２５ ｇ／ｋｇ和２．８３ ｇ／ｋｇ。海拔低于１００ ｍ的平原地區(qū)，土層深厚，灌溉便利，農業(yè)集約化程度較高，人類定向培育土壤的田間管理措施使得土壤有機質含量比丘陵河谷地區(qū)高，當陽市玉泉鎮(zhèn)水稻土０～１０ ｃｍ土層有機質含量為２７．１0 ｇ／ｋｇ，處于國家第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級中有機質含量３級標準（２０～３０ ｇ／ｋｇ）。

３．２土壤有機質垂直分布規(guī)律

土壤養(yǎng)分元素一般具有表聚性，采用表聚系數表征這種特性，表聚系數按下式計算［9］：

Ｃｉ＝■

式中，Ｎｉ為第ｉ層土壤營養(yǎng)元素含量；Ｄｉ為第ｉ層土層厚度。采樣層次ｎ＝６，分別令ｍ等于１和２，即求得０～１０ ｃｍ與０～２０ ｃｍ土層的表聚系數。若某種土壤營養(yǎng)元素在這兩層的表聚系數分別大于０．１和０．２，則認為該種營養(yǎng)元素具有表聚性，表聚系數越大，表聚性越強。

結果表明，在４類地帶性土壤中，黃棕壤與棕壤各土壤剖面有機質含量表現(xiàn)出較明顯的從上往下依次遞減的規(guī)律，并表現(xiàn)出較強的表聚性，０～１０ ｃｍ土層表聚系數分別為０．２１５、０．１８８，０～２０ ｃｍ土層表聚系數分別為０．４１８、０．３４0。紅壤與黃壤的表層土壤有機質含量也相對較高，０～１０ ｃｍ與０～２０ ｃｍ土層表聚系數分別為０．１３５、０．２８７和０．１４７、０．２９０，但４０ ｃｍ以下剖面土壤有機質含量變化不明顯（圖１）。在３類非地帶性土壤中，石灰（巖）土的表聚性最強，０～１０ ｃｍ土層表聚系數達到０．１９１，但表層以下各剖面土壤有機質含量差異不顯著。潮土剖面有機質則有從表層往下明顯減少的趨勢。水稻土表層土壤有機質最為豐富，０～１０ ｃｍ土層達到２７．１0 ｇ／ｋｇ，這與有機肥料的施入以及高茬秸稈還田有關，１０～２０ ｃｍ土層有機質含量較低，只有８．７８ ｇ／ｋｇ，４０ ｃｍ以下土層有機質又有較大幅度增加，整個土壤剖面沒有明顯的變化規(guī)律（圖２）。

３．３土壤有機質演變特征分析

將土壤有機質的采樣結果（０～１０ ｃｍ土層）與宜昌土壤的歷史數據進行對比，結果如圖３。由圖3可知，不同土類土壤有機質的含量基本與宜昌土壤的歷史數據一致，即棕壤有機質含量最高，其次為水稻土、石灰（巖）土和黃棕壤，紅壤、黃壤以及潮土的有機質含量較低。宜昌土壤的歷史數據主要來源于１９７９～１９８３年在宜昌地區(qū)開展的第二次土壤普查結果。近３０年來，土壤有機質出現(xiàn)一定的退化特征（圖３），其中紅壤、黃壤有機質變化最為明顯，分別下降３９．９％、５４．７％，這與有關耕種利用可使紅壤、黃壤的表土層有機質含量分別下降２４．２％和３０．４％的結論一致。紅壤與黃壤生態(tài)系統(tǒng)的惡化主要是因為這兩類土壤廣泛分布于溝谷農業(yè)發(fā)達的低山丘陵河谷區(qū)，植被破壞與水土流失相對嚴重。水稻土是長期以來的人類活動對原有土壤不斷改良所產生的新的土壤類型，表層土壤有機質含量比較穩(wěn)定。棕壤、黃棕壤、石灰（巖）土有機質含量的變化幅度相對紅壤和黃壤小，分別下降４．７％、１７．４％和１６．６％。潮土有機質含量基本上沒有變化。

４結論

１）受氣候特征、地形地貌、土地利用以及植被條件的影響，宜昌地區(qū)土壤有機質呈現(xiàn)顯著的空間變異性。較強的生物積累作用使西部高山地區(qū)具有最高的土壤有機質含量，中部低山丘陵河谷區(qū)存在較嚴重的水土流失，土壤有機質含量最低，東部河谷平原區(qū)農業(yè)活動發(fā)達，具有較高的有機質含量。

２）不同土類有機質的垂直分布具有差異性。除水稻土外，其余土類均在０～１０ ｃｍ與０～２０ ｃｍ土層表現(xiàn)出一定的表聚性，并且黃棕壤、棕壤、石灰（巖）土的表聚系數相對較高，且黃棕壤、棕壤和潮土的有機質從表層往下明顯遞減。

３）近３０年來宜昌地區(qū)土壤有機質整體上表現(xiàn)出一定的退化特性，其中，紅壤與黃壤有機質含量下降最為明顯。因此，在有機質含量豐富而濕冷的西部高山區(qū)，適宜發(fā)展經濟林木或畜牧業(yè)；中部山地丘陵區(qū)，要針對水土流失問題實施小流域治理，通過一系列的保土培肥措施遏制土壤生態(tài)系統(tǒng)退化，促進傳統(tǒng)的溝谷農業(yè)向立體農業(yè)發(fā)展；對于東部河谷平原區(qū)，要注意施肥結構不合理帶來的肥力結構失調問題，進行土壤培育、熟化和持續(xù)利用。

4）雖然采樣的典型剖面都來自于各類土壤分布的核心區(qū)，具有一定的代表性，但由于采集到的樣點數量有限。因此，有關土壤有機質演變特征的分析結論有待進一步印證。

參考文獻：

［１］ 尹云峰，蔡祖聰，欽繩武． 長期施肥條件下潮土不同組分有機質動態(tài)研究［Ｊ］． 應用生態(tài)學報，２００５，１６（５）：８７５－８７８．

［２］ 蔣勇軍，袁道先，謝世友，等． 典型巖溶流域土壤有機質空間變異——以云南小江流域為例［Ｊ］． 生態(tài)學報，２００７，２７（５）：２０４０－２０４７．

［３］ 劉文杰，蘇永中，楊榮，等． 黑河中游林澤綠洲農田土壤有機質時空變化特征［Ｊ］． 干旱區(qū)地理，２０１０，３３（２）：１７０－１７６．

［４］ 方華軍，楊學明，張曉平，等． 坡耕地黑土有機碳空間異質性及其格局［Ｊ］． 水土保持通報，２００５，２５（３）：２０－２4，28．

［５］ 范亞寧，李世清，鄭紀勇，等． 寧夏雨霧山自然保護區(qū)草地土壤有機質空間變異性及采樣數確定［Ｊ］． 草業(yè)科學，２００７，２４（４）：８－１３．

［６］ 楊奇勇，楊勁松．不同尺度下耕地土壤有機質和全氮的空間變異特征［Ｊ］． 水土保持學報，２０１０，２４（３）：１００－１０４．

［７］ 朱安寧，張佳寶，楊勁松，等． 集約化種植條件下典型潮土區(qū)土壤有機質的演變特征［Ｊ］． 土壤通報，２０１０，４１（３）：５３２－５３６．

［８］ 劉光崧．中國生態(tài)系統(tǒng)研究網絡觀測與分析標準方法：土壤理化分析與剖面描述［Ｍ］．北京：中國標準出版社，１９９６．１－２６６．

［9］ 姜勇，郝偉，張玉革，等． 潮棕壤不同利用方式營養(yǎng)元素隨剖面深度的變化特征［Ｊ］． 水土保持學報，２００６，２０（３）：９３－９６， １２２．

（責任編輯鄭威）

收稿日期：2011-11-28

基金項目：國家自然科學基金項目（５１０２７０６６）；湖北省科技攻關項目（Ａ２０１０－１０７ｅ）

作者簡介：張萍（１９７９－），女，湖北宜昌人，博士，主要從事水文、水資源、生態(tài)水文模擬研究，（電話）13811789151（電子信箱）ｌｗｌｓｓ６２８＠１６３．ｃｏｍ。