黑土坡耕地土壤有機(jī)質(zhì)與生產(chǎn)力的空間關(guān)系

王 平

(黑龍江省水土保持科學(xué)研究院, 黑龍江 哈爾濱 150070)

黑土坡耕地土壤有機(jī)質(zhì)與生產(chǎn)力的空間關(guān)系

王 平

(黑龍江省水土保持科學(xué)研究院, 黑龍江 哈爾濱 150070)

摘要：[目的] 從田塊尺度上揭示黑土坡耕地生產(chǎn)力與土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的空間關(guān)系，為坡耕地水土流失的治理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。 [方法] 利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)典型黑土區(qū)坡耕地大豆產(chǎn)量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、海拔高度的空間關(guān)系進(jìn)行分析。 [結(jié)果] 坡耕地大豆產(chǎn)量、土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量存在較大變異，分別為0.05～0.26 g/kg，19.27～52.64 g/kg和0.95～2.38 g/kg，但大豆產(chǎn)量與土壤有機(jī)質(zhì)和全氮之間不存在顯著的空間相關(guān)關(guān)系，與海拔高度之間存在負(fù)相關(guān)，但不顯著。土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮之間存在極顯著相關(guān)關(guān)系。 [結(jié)論] 坡耕地生產(chǎn)力受地形、地下水位、成土過程等結(jié)構(gòu)性因子的影響約占2/3，受人類耕作、施肥、種植作物的影響只占1/3。水土流失是造成黑土農(nóng)田生產(chǎn)力降低的主要因素。

關(guān)鍵詞：黑土; 坡耕地; 生產(chǎn)力; 有機(jī)質(zhì); 全氮

東北典型黑土區(qū)是我國最大的商品糧基地，地貌特征為漫川漫崗，墾殖率70%以上，約60%為坡耕地，黑土坡耕地存在不同程度的水土流失，其過程表現(xiàn)為坡上和坡中的表層土壤被剝離后，多數(shù)遷移并沉積于坡腳[1-2]。坡耕地長(zhǎng)期侵蝕的結(jié)果是剝蝕區(qū)黑土層變薄，沉積區(qū)原黑土層被上游搬運(yùn)的土壤所掩埋，坡面土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力下降，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的危害[3-4]。黑土侵蝕研究多集中于坡耕地水土流失特征與治理措施、土壤侵蝕分布特征以及侵蝕溝發(fā)育機(jī)理等方面[5-7]，水土流失與作物產(chǎn)量關(guān)系的研究近年得到了學(xué)者們的關(guān)注，多采取剝離小區(qū)試驗(yàn)，研究黑土層、土壤有機(jī)質(zhì)、施肥等對(duì)作物產(chǎn)量的影響，也有在小流域尺度研究作物產(chǎn)量和土壤有機(jī)質(zhì)的關(guān)系。坡耕地土壤性狀在空間上存在高度的異質(zhì)性，且在不同空間尺度影響土壤性質(zhì)的關(guān)鍵因素也有差異[8]。一般認(rèn)為在田塊尺度，微地形也會(huì)對(duì)土壤理化特性產(chǎn)生顯著影響[3,9]。土壤性狀的空間差異，勢(shì)必造成作物產(chǎn)量的空間變化，只有在全坡面上研究性狀間的空間關(guān)系，才能揭示其影響。地統(tǒng)計(jì)學(xué)已成功地應(yīng)用到土壤性狀空間分布及其空間異質(zhì)性研究，彌補(bǔ)了經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析方法在結(jié)構(gòu)和過程分析的不足，能更有效地解釋養(yǎng)分的時(shí)空分布格局對(duì)生態(tài)過程和功能的影響[10]。因此，本研究以典型黑土區(qū)坡耕地為對(duì)象，利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，探討典型黑土區(qū)坡耕地大豆產(chǎn)量、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮含量空間變異特性，從田塊尺度上揭示黑土坡耕地生產(chǎn)力與土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的空間關(guān)系，以期為黑土坡耕地水土流失的治理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1材料與方法

1.1　試驗(yàn)區(qū)基本情況

試驗(yàn)區(qū)位于典型黑土區(qū)的黑龍江省海倫市前進(jìn)鄉(xiāng)光榮村，試驗(yàn)地為東西長(zhǎng)75.5 m，南北長(zhǎng)310 m，總面積1.42 hm2的坡耕地，北緯47°20′21″—47°20′38″，東經(jīng)126°50′21″—126°50′24″。西側(cè)為分水嶺，東側(cè)為侵蝕溝。地勢(shì)西北略高，向東南傾斜。海拔高度在186.7～205 m，1942年由榛柴林開墾為農(nóng)田。年平均氣溫1.5 ℃，1月平均氣溫-23.5 ℃，7月平均氣溫21 ℃，年平均降水量550 mm，作物有效生長(zhǎng)季為120～130 d。2003年10月秋翻后起南北向壟，2004年種植大豆，施種肥N107.2 kg/km2，P18.6 kg/km2。土壤為侵蝕黑土。

1.2　研究方法

2004年春季播種前，采用系統(tǒng)布點(diǎn)法，設(shè)置102個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(采樣點(diǎn))，樣點(diǎn)東西間距10.5 m，南北間距20 m。于2004年施肥前采集耕層(0—20 cm)土樣，將風(fēng)干樣過2 mm篩，用德國產(chǎn)Vario ELⅢ型元素分析儀測(cè)定土壤全量碳氮含量。于2004年9月28日在每樣點(diǎn)旁邊采集兩壟(壟距0.7 m)長(zhǎng)3 m小區(qū)大豆，測(cè)定籽實(shí)產(chǎn)量，轉(zhuǎn)換為14%含水量的籽實(shí)產(chǎn)量。樣品的描述性分析采用SPSS 10.0軟件包，用美國Gamma Design Soft Ware公司的地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+5.3 b進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。具體步驟為： (1) 利用SPSS 10.0的K—S檢驗(yàn)，對(duì)土壤性狀進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，不滿足正態(tài)分布的進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，直至滿足正態(tài)分布為止； (2) 利用GS+5.3 b進(jìn)行半方差函數(shù)分析和Kriging插值繪圖。

2結(jié)果與討論

2.1　經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2.1.1變異性分析樣本的平均數(shù)和中數(shù)是樣本數(shù)據(jù)的代表值，表示資料觀測(cè)值的中心位置。標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、最大值、最小值表示數(shù)據(jù)的異質(zhì)性程度。中數(shù)和平均數(shù)有一定的差異，中數(shù)略小于平均數(shù)，說明了特異值對(duì)樣本的數(shù)值有一定的影響。從表1可以看出，大豆產(chǎn)量、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮的變化范圍均較大，分別為0.05～0.26 g/kg，19.27～52.64 g/kg，0.95～2.38 g/kg，說明坡耕地空間異質(zhì)性較大。它們的變異系數(shù)均大于0.1，小于1，說明為中等強(qiáng)度變異[11]。樣本的傾斜度和峭度檢驗(yàn)表明，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮符合正態(tài)分布，大豆產(chǎn)量經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后符合正態(tài)分布。

表1　坡耕地產(chǎn)量、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮的描述性統(tǒng)計(jì)

注：*為對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后值。下同。

2.1.2相關(guān)性分析絕大多數(shù)研究表明土壤有機(jī)質(zhì)與土壤全氮具有顯著的相關(guān)性[5]。在該黑土坡耕地上，土壤有機(jī)質(zhì)與全氮存在極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.97，而土壤有機(jī)質(zhì)和全氮與大豆產(chǎn)量間的相關(guān)性不顯著，說明土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量并不是決定黑土坡耕地產(chǎn)量的主要因素，前期的研究表明坡耕地大豆產(chǎn)量同播種前后的土壤含水量存在顯著的空間相關(guān)關(guān)系[1]，即水土流失加劇土壤水分脅迫遠(yuǎn)較因土壤有機(jī)質(zhì)下降對(duì)作物產(chǎn)量的影響大[12]。大豆產(chǎn)量與海拔高度存在不顯著負(fù)相關(guān)，主要是由于水土流失導(dǎo)致水肥在坡耕地較低區(qū)域富積。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮與海拔高度之間也存在極顯著正相關(guān)，這與土壤形成過程有關(guān)(表2)。

表2　坡耕地產(chǎn)量、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、海拔高度的相關(guān)分析

注：*表示相關(guān)性的顯著水平p<0.05，**表示相關(guān)性的顯著水平p<0.01。

2.2　地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2.2.1土地生產(chǎn)力、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮的空間變異函數(shù)特征在性狀空間變異性的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析中，是將性狀看作隨機(jī)的、彼此相互獨(dú)立的。然而實(shí)際中，在一定的空間范圍內(nèi)，性狀存在一定的空間依賴型。地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法被成功地引入土壤空間性狀分析，彌補(bǔ)了經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)的不足，在近20 a來被國內(nèi)外土壤研究者廣泛采用[13-14]。由大豆產(chǎn)量、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮的半方差函數(shù)圖分析可得，該典型黑土坡耕地的大豆產(chǎn)量的試驗(yàn)半方差函數(shù)符合指數(shù)模型，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的半方差函數(shù)符合高斯模型，其相應(yīng)的參數(shù)詳見表3。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的塊金值與基臺(tái)值的比值均小于25%，表明變量有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；大豆產(chǎn)量的塊金值與基臺(tái)值的比值為33%，在25%～75%之間，表明變量具有中等的空間相關(guān)性。變程(Range)反映性狀的有效空間相關(guān)距離，三者的最大空間相關(guān)距離分別均為300 m左右。因此，在對(duì)黑土坡耕地生產(chǎn)力、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮的空間取樣調(diào)查的距離應(yīng)小于300 m。

土壤性狀的空間異質(zhì)性是由結(jié)構(gòu)性因子和隨機(jī)因子共同作用的結(jié)果。結(jié)構(gòu)性因子包括是指土壤形成過程中的成土母質(zhì)、地形、地下水位及形成的土壤類型等；隨機(jī)因子是指土壤管理過程的施肥、種植的作物、耕作栽培措施等。通常，結(jié)構(gòu)性因子促使土壤養(yǎng)分含量具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，而隨機(jī)性因子促使土壤養(yǎng)分含量的空間相關(guān)性減弱。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，說明主要受結(jié)構(gòu)性因子的影響，分別占80.0%和75.3%；大豆產(chǎn)量具中等強(qiáng)度空間變異，受結(jié)構(gòu)性因子地形和成土過程等的影響占67.0%，另33.0%受人類活動(dòng)的影響。

表3　半方差函數(shù)理論模型及相應(yīng)參數(shù)

在自然界中，性狀的空間異質(zhì)性常常表現(xiàn)為各向異性。經(jīng)地統(tǒng)計(jì)學(xué)的半方差原理計(jì)算出的分形維數(shù)D和各向異性半方差函數(shù)分析可反映各向異性下各方向的空間變異強(qiáng)度，分形維數(shù)D是對(duì)生態(tài)因子場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的表征，D越小，生態(tài)因子場(chǎng)的差異也就越大。表4為黑土坡耕地大豆產(chǎn)量、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮在各向異性下變異函數(shù)的計(jì)算結(jié)果。大豆產(chǎn)量在東北—西南(45°)方向上的空間變異最大，在西北—東南(135°)方向上的空間變異最??；有機(jī)質(zhì)在東北—西南(45°)方向上的空間變異最大，在北—南(90°)方向上的空間變異最??；全氮在南—北(0°)方向上的空間變異最大，在西北—東南(135°)方向上的空間變異最小。地統(tǒng)計(jì)學(xué)的Moran’sI分析可測(cè)定性狀的空間自相關(guān)關(guān)系。Moran’sI分析結(jié)果表明，大豆產(chǎn)量、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮的最小空間自相關(guān)方向分別為158°，140°，142°，這與該坡耕地坡向大致相同，說明水土流失是導(dǎo)致空間變異強(qiáng)度加大的主要因素。該項(xiàng)結(jié)果也表明在野外對(duì)黑土坡耕地調(diào)查時(shí)，合理取樣間距不但要考慮各向同性的有效空間相關(guān)距離，要充分考慮其空間各向異性特征，在空間自相關(guān)距離大的方向，取樣間距可適當(dāng)加大，在空間自相關(guān)距離小的方向上應(yīng)適當(dāng)縮短采樣間距，例如沿坡降方向取樣間度應(yīng)適當(dāng)縮短。

表4　向異性模型的分形維數(shù)

注：地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析默認(rèn)0°方向?yàn)楸薄?/p>

2.2.2土地生產(chǎn)力、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮的空間分布由圖1可知，大豆產(chǎn)量以東南角最高，高于0.15 kg/m2；西北角次之，以中部最低，低于0.1 kg/m2主要是由地勢(shì)所決定的。東南角地勢(shì)最低，相對(duì)較平緩，是流失水土主要的富積處，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量較高，因此產(chǎn)量最高。以中部地區(qū)的坡降最大，水土流失最為嚴(yán)重，土壤保水保肥能力最差，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量較低，因此土地生產(chǎn)力最低。西北角產(chǎn)量略高于坡中，主要是由于處于坡頂，地勢(shì)較緩，水土流失低于中部區(qū)域。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的空間分布極其相似，北部(坡上)較高，中部和西南部較低，東南部又略有升高。主要是由于地勢(shì)走向和南北壟向?qū)е碌乃亮魇?qiáng)度不同所致，東南部是由于沖刷下來的肥沃表土沉積所致(圖2—3)。

圖1　大豆產(chǎn)量的空間分布

圖2　土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布

圖3　土壤全氮的空間分布

3結(jié) 論

供試的黑土坡耕地開墾62 a后，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮空間異質(zhì)性仍主要受成土過程和地形等結(jié)構(gòu)性因子影響，受人類活動(dòng)影響小于25%；坡耕地生產(chǎn)力受地形、地下水位、成土過程等結(jié)構(gòu)性因子的影響約占2/3，受人類耕作、施肥、種植作物的影響只占1/3。土地生產(chǎn)力與土壤有機(jī)質(zhì)和全氮之間不存在顯著的相關(guān)關(guān)系，與海拔高度之間存在負(fù)相關(guān)，但不顯著。土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮之間存在極顯著相關(guān)關(guān)系。就黑土坡耕地總體而言，以坡下生產(chǎn)力最高，坡頂次之，以坡中土地生產(chǎn)力最低，這主要是由于坡降不同導(dǎo)致的水土流失程度不同所致，但土壤有機(jī)質(zhì)含量并不是造成黑土坡耕地生產(chǎn)力降低的主要因素，作物產(chǎn)量主要受土壤水分影響，說明黑土坡耕地水土流失防治應(yīng)將保水作為首要目標(biāo)。

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Spatial Correlation of Soil Organic Matter Content and Productivity in a Black Soil Sloping Farmland

WANG Ping

(InstituteofSoilandWaterConservationofHeilongjiangProvince,Harbin,Heilongjiang150070,China)

Abstract：[Objective] A case research in a black soil sloping farmland was conducted to illustrate the spatial correlations among productivity, organic matter and total nitrogen content, in order to provide some hints for controlling of soil and water loss and improving of agricultural production in simliar slope farmlands. [Methods] Spatial correlations among productivity, organic matter and total nitrogen content were analyzed by classical statistics and geostatistics methods. [Results] There was no significant correlations of soil productivity with organic matter content and total nitrogen content. A insignificant negative correlation(p<0.05) between soil productivity and altitude was found. There existed a significant correlation between soil organic matter content and total nitrogen content(p<0.01). [Conclusion] The productivity of the sloping farmland was greatly affected by soil structure factors, such as terrain, groundwater level and soil forming process; about sixty-seven percent of the variance of productivity can be explained by them.Other thirty-three percent variance was affected by cultivation, fertilizer application and planting. Soil erosion was thought to be the dominated process that lead to the reduction of the black soil productivity on sloping farmland.

Keywords:black soil; sloping farmland; productivity; organic matter; total nitrogen content

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)04-0049-04

中圖分類號(hào)：S158， S157.1

收稿日期：2015-03-12修回日期：2015-03-18

資助項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“土壤有機(jī)質(zhì)與作物生產(chǎn)力的關(guān)系研究”(41071201)

第一作者：王平(1965—)女(漢族), 黑龍江省哈爾濱市人，學(xué)士，高級(jí)工程師,主要從事土壤侵蝕機(jī)理及水土流失監(jiān)測(cè)技術(shù)方面研究。E-mail:wp626588@163.com。