東北典型黑土區(qū)坡耕地澇漬地土壤化學性狀

馬富亮, 符素華,2, 羅廣惠

(1.北京師范大學 地理學與遙感科學學院, 北京 100875; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.北京市一六五中學, 北京 100010)

東北典型黑土區(qū)坡耕地澇漬地土壤化學性狀

馬富亮1, 符素華1,2, 羅廣惠3

(1.北京師范大學 地理學與遙感科學學院, 北京 100875; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.北京市一六五中學, 北京 100010)

中國東北典型黑土區(qū)是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，對我國糧食安全和國民經(jīng)濟的穩(wěn)定起到舉足輕重的作用。作為土壤退化的一種特殊形式，澇漬地嚴重影響著墾區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在東北典型黑土區(qū)坡面澇漬地及其周圍正常耕地中布設采樣點，測定了土壤氧化還原性及相關指標，以揭示坡耕地澇漬土壤與其周圍耕種土壤化學性質的差異，得出澇漬土壤所具有的特殊化學性狀。結果表明：澇漬土壤與耕種土壤化學性質差異顯著。澇漬土壤屬于酸性土壤，pH值為5.53，顯著低于耕種土壤，有機質含量較高，且越接近澇漬地中心土壤有機質含量越高。澇漬土壤Eh顯著低于耕種土壤，空間變異范圍較大，但還沒有達到強度還原狀態(tài)。澇漬土壤在長期淹水條件下，大量的Fe3+、一部分高價錳被迅速還原，與耕種土壤相比，澇漬土壤還原性物質總量較高，高出20倍多，亞鐵含量高出12倍還多，二價錳含量高出約10倍。

黑土區(qū); 坡耕地; 澇漬地; 土壤性狀

中國東北典型黑土區(qū)是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，對我國糧食安全和國民經(jīng)濟的穩(wěn)定起到舉足輕重的作用[1]。作為土壤退化的一種特殊形式，澇漬地廣泛分布于東北黑土區(qū)的農(nóng)田耕地中，嚴重影響著墾區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。我國共有3 207萬hm2澇漬地[2-3]，僅黑龍江省黑河市嫩江縣鶴山農(nóng)場鶴北小流域中的澇漬地面積就占整個流域面積的4%左右[4]。黑土區(qū)澇漬土壤由于濕度過大阻礙了農(nóng)機耕作的連續(xù)性，嚴重降低了土地利用效率[5-6]。因此，針對我國人口眾多、糧食安全壓力巨大的現(xiàn)狀，研究黑土區(qū)澇漬地土壤性狀，提出和實施有效的治理措施，挖掘單位耕地面積的生產(chǎn)力潛力顯得尤為重要。

根據(jù)前人[7-11]的研究成果可知，與正常耕地相比，澇漬地土壤具有獨特的性質。澇漬地長期水分飽和的土壤環(huán)境，為土壤成分間發(fā)生氧化還原反應提供了必要條件，也是發(fā)生化學反應、產(chǎn)生新物質的場所。川口桂三郎[12]認為淹水或水分飽和條件下，大氣和土壤之間氣體交換受阻，氧氣只能通過分子的形式擴散進入土壤，但分子態(tài)的氧在水中的擴散速度非常低，土壤表現(xiàn)出強烈的還原性；徐瑞瑚等[13]對江漢平原澇漬地的研究結果表明，澇漬地土壤在低溫、積水和缺氧條件下，氧化還原電位降低，并且有機質在分解過程中產(chǎn)生大量有機酸、硫化氫、亞鐵、亞錳等侵害作物根系的有毒物質。一般，旱地中還原性物質是測不出來的，土壤灌水后，還原性物質含量會逐漸增加，還原性物質的含量變化受到Eh的控制，還與有機質含量、pH值、淹水時間等有關[14]。

綜上所述，前人對澇漬土壤化學性質的研究主要集中在水田或地勢相對低平和低洼、地下水位高且排水條件較差的區(qū)域，對于分布于坡面、居于坡中位置的澇漬地研究較少，并且對土壤化學性質研究大部分拘泥于一個或少許常規(guī)指標，幾乎沒有較全面的研究，尤其是對氧化還原狀態(tài)及相關指標缺少系統(tǒng)的研究，況且，由于研究區(qū)域差異較大，前人得出的關于澇漬土壤性質的研究結論只能借鑒，不能夠完全照搬照用。本文在東北黑土區(qū)坡面澇漬地及其周圍正常耕地中布設采樣點，測定耕層土壤氧化還原狀態(tài)及相關化學指標，比較分析澇漬地土壤與其周圍耕種土壤的差異性，明確該類澇漬地土壤所具有的特殊性質，為該類澇漬地的治理后再利用提出切實可行的實施方案服務。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選在黑龍江省九三農(nóng)墾分局鶴山農(nóng)場境內的鶴北小流域。鶴北小流域位于鶴山農(nóng)場場部東北方向，地理位置為48°59′3.37″—49°02′35.7″N，125°15′45.71″—125°20′46.79″E。整個流域又被9條支溝分為9個次級小流域，其中主溝道以西有4條支溝，由南至北將次一級小流域依次編號為1，2，3，4號小流域；主溝道以東有5條支溝，由北至南依次編號為5，6，7，8，9號小流域。本研究對鶴北小流域內的坡面澇漬地進行了大量的實地調查，得到鶴北小流域澇漬地空間分布圖(圖1)，并在坡面澇漬地分布比較集中的7號和8號流域選取典型的坡面澇漬地作為研究對象。

圖1鶴北小流域澇漬地空間分布

研究區(qū)地處大興安嶺南麓，海拔150～383 m。坡崗平緩，坡長較長，被當?shù)厝朔Q為“漫川漫崗”，屬于典型黑土區(qū)。研究區(qū)為寒溫帶大陸性季風氣候，冬夏氣溫相差比較懸殊。因受季風和高緯度影響，全年冷熱、干濕季節(jié)劃分明顯，春季干燥少雨，夏秋兩季濕潤多雨且晝夜溫差較大，冬季寒冷漫長。年平均氣溫-1.5～0.4℃，年內溫差變化大，夏季最熱月份為7月，平均氣溫為20.8℃，冬季最冷月份為1月，平均氣溫為-22.5℃。年日照時間為2 550～2 700 h，全年無霜期115 d左右。年均降雨量約為470 mm，多集中于6—9月。該區(qū)土壤沉積物主要為第三紀和第四紀的砂粒及黏土層，一般呈黃色或紅色。主要土壤類型為黑土，在黑土開墾以前，其自然植被為草原化草甸植物。本研究中供試土壤0—20 cm土層砂粒、粉粒和黏粒含量分別為20.20%，37.14%和42.66%，土壤質地為黏土，pH值5.67，有機質含量為5.04%。

1.2 觀測方法

1.2.1 樣點布設 通過野外調查，在鶴北小流域7號，8號流域不同坡面上選取5塊典型澇漬地LZD7-3，LZD8-1，LZD8-3，LZD8-4，LZD8-6進行土壤化學性質測定，圖1中顏色較深的為選定的要研究的坡面澇漬地。在選定坡面澇漬地和與其相鄰的坡耕地內按照“十”字形進行布點取樣。圖2為其中一組坡面澇漬地與坡耕地采樣點分布圖，縱坡方向上，自坡上的耕地穿過澇漬地中心到坡下的耕地，共布5個點：分別命名為Z1，Z2，J3，Z4，Z5。橫坡方向上，面對坡上，自左側坡耕地穿過澇漬地中心到右側的坡耕地布點，分別命名為H1，H2，J3，H4，H5，二者交于坡面澇漬地的中心位置點J3。其中Z2，J3，Z4，H2，H4為澇漬地內的點，Z1，Z5，H1，H5為坡耕地內的點，每組坡面澇漬地與坡耕地布9個采樣點，5組共45個采樣點。

圖2LZD8-3土壤養(yǎng)分采樣點圖

1.2.2 土樣采集與樣品測定 在各采樣點耕層土壤中用取土鏟取土，放入已編號的塑封袋，帶回實驗室，土樣經(jīng)風干、研磨、過篩后用四分法取樣測定土壤pH值、有機質含量。土壤pH值用電位法測定，有機質含量用重鉻酸鉀容量法測定。測定方法根據(jù)土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法[15]以及北京師范大學分析測試中心資料進行。

在采樣點耕層土壤中用木質鏟子采集鮮土樣和鋁盒樣(用于測定同期土壤含水量)，將采回的鮮土樣帶回實驗室直接放入冰箱(4℃)內保存，待測定時用四分法取樣測定還原性物質總量、亞鐵、二價錳含量。還原性物質總量用重鉻酸鉀氧化法測定，亞鐵的測定用鄰菲羅啉比色法測定，二價錳的測定用高碘酸鉀比色法測定，測定方法根據(jù)土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法[15]進行。

土壤氧化還原電位Eh用FJA-5型氧化還原電位去極化法全自動測定儀進行原位測定。由于Eh變異較大，每個采樣點測定需7～9次重復。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

應用統(tǒng)計軟件(Excel，SPSS等)和Origin軟件對測定的土壤理化性質數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析和圖表制作。

2 結果與分析

2.1 pH值和有機質

澇漬土壤與其相鄰農(nóng)田耕種土壤的pH值及有機質含量均存在顯著差異(表1)，pH值平均值分別為5.53，5.71，屬于偏酸性土壤，這與于君寶[16]和唐羅忠[17]等的研究結果相似。澇漬土壤的水分含量過大，長期處于淹水條件，土壤中缺少氧氣，土壤有機質分解會產(chǎn)生大量的有機酸和CO2使得澇漬土壤pH值下降。澇漬土壤pH值低于耕種土壤，并且差異達到顯著水平。澇漬土壤與其相鄰農(nóng)田耕種土壤有機質的平均值分別為61.7 mg/kg和50.3 mg/kg，澇漬土壤有機質高于正常農(nóng)田耕種土壤，并且差異達到極顯著水平。澇漬土壤長期淹水，土壤溫度低，通氣條件差，形成的還原環(huán)境不利于有機質分解，使有機質含量相對較高。

表1 澇漬土壤與耕種土壤pH值、有機質含量t-test結果

注：“**”表示p<0.01，差異極顯著；“*”表示p<0.05，差異顯著。

2.2 氧化還原性性狀

澇漬土壤與耕種土壤在氧化還原相關性質上都存在顯著差異。澇漬土壤Eh遠遠低于耕種土壤(表2)。澇漬土壤的Eh變化范圍比較大，均值370.91～603.61 mV變化。澇漬土壤處于中度還原、輕度還原到氧化狀態(tài)之間。受漬害影響較大的土壤中的Fe3+和有機還原性物質被還原，Eh很低，旱作作物會發(fā)生嚴重的濕害。大部分樣點長期處于輕度還原狀態(tài)，這時NO3-，Mn4+被還原，旱作將會受到影響。少部分澇漬土壤處于氧化狀態(tài)，但作物的生長和種植不受影響，耕種土壤的Eh較大且空間變異比較小，均值709.34～764.72 mv變化(表2)。徐瑞瑚和楊禮茂[13]、唐羅忠等[17]和丁昌璞[18]分別對江漢平原的澇漬地、濕地和水稻土進行了研究，與本研究相比，雖然研究區(qū)域不同，但研究對象均屬于澇漬地范疇，同樣得出了相似的結論。決定Eh的體系主要有氧、有機質等。澇漬地內土壤漬水，而Eh急劇下降，首先是由于土壤淹水后，土壤孔隙被水占據(jù)，土壤中的含氧量不足。其次，Eh與有機質含量存在負相關關系，這是由于有機質中有大量的有機還原性物質，有機體系在決定Eh方面起著很大的作用。

還原性物質包括有機還原性物質和無機還原性物質兩類，其中有機還原性物質約占80%，無機還原性物質約占20%，還原性物質的總量代表了土壤還原性狀態(tài)的數(shù)量指標。澇漬土壤的還原性物質總量均值為6.31 cmol/kg。由于澇漬地內土壤水分空間分布不均，還原性物質含量的空間變異較大(表2)，還原性物質總量在0.61～12.01 cmol/kg之間變化。一般情況下，旱地的還原性物質難以測出。本研究中測出的耕種土壤的還原性物質總量平均為0.31 cmol/kg，遠低于澇漬土壤還原性性物質總量。這是由于澇漬土壤在淹水控制下產(chǎn)生還原性物質，劉志光等[14]對水稻土進行研究表明，水稻土的還原性物質總量最高可達14.92 cmol/kg，本研究中澇漬土壤由于淹水時間較水稻土短，所以還原性物質總量稍低于水稻土。

表2 澇漬土壤與耕作土壤氧化還原性差異t-test結果

注：“**”表示p<0.01，差異極顯著；“*”表示p<0.05，差異顯著。

澇漬土壤的亞鐵含量遠遠大于耕種土壤(表2)，澇漬土壤的平均亞鐵含量為0.97 cmol/kg，而且變幅比較大。耕種土壤的亞鐵含量均值為0.04 cmol/kg，含量較低，變幅較小，澇漬土壤的亞鐵含量比耕種土壤高出12倍還多(表2)，差異極顯著。前人研究得出無機還原性物質中亞鐵占60%～80%[14,17]，本研究結果中澇漬土壤亞鐵含量占無機還原物質的76.9%，耕種土壤亞鐵含量占無機還原物質的64.5%，與前人研究結果一致，澇漬土壤的長期淹水環(huán)境為土壤中鐵的氧化物與有機物質作用下生成亞鐵等無機還原性物質提供了條件和場所。

澇漬土壤的二價錳含量均值為0.23 cmol/kg，而耕種土壤二價錳含量平均值為0.02 cmol/kg(表2)，澇漬土壤的二價錳含量比耕種土壤高出約10倍，差異極顯著。非澇漬土壤處于氧化條件下，土壤中錳絕大部分以一氧化物的形式存在，所以耕種土壤不含或者含有很少二價錳，而澇漬土壤中一定數(shù)量的高價錳被迅速還原，但由于氧化還原性空間分布不均，二價錳的空間變異也很大。同樣，川口桂三郎[12]、丁昌璞和于天仁[19]分別對水田和旱地進行了對比研究，也得出一致的結論。錳的氧化還原反應原理與鐵相似，二價錳是澇漬土壤中的氧化錳與有機物質相互作用形成，而且錳的還原性反應更為敏感。

3 結 論

通過對澇漬土壤與耕種土壤部分化學性狀的對比分析發(fā)現(xiàn)：澇漬土壤與耕種土壤化學性質差異顯著。澇漬土壤屬于酸性土壤，pH值為5.53，顯著低于耕種土壤，有機質含量較高，且越接近澇漬地中心土壤有機質含量越高。澇漬土壤Eh顯著低于耕種土壤，空間變異范圍較大，但還沒有達到強度還原狀態(tài)。澇漬土壤在長期淹水條件下，大量的Fe3+、一部分高價錳被迅速還原，與耕種土壤相比，澇漬土壤還原性物質總量較高，高出20倍多，亞鐵含量高出12倍還多，二價錳含量高出約10倍，且均達到極顯著水平。

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SoilChemicalCharacteristicsoftheWaterloggedLandonSlopeCroplandinTypicalBlackSoilRegionofNortheastChina

MA Fuliang1, FU Suhua1,2, LUO Guanghui3

(1.SchoolofGeography,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.BeijingNo.165HighSchool,Beijing100010,China)

The typical black soil zone in northeast China is an important commodity grain production base and plays crucial roles in the national food security and economic stability. As a special form of soil degradation, waterlogged lands severely affect the agricultural production in reclamation regions. The objective of this study was to analyze the differences of soil chemical characteristics between waterlogged land and the normal cultivated land and to try to find the special soil chemical characteristics of waterlogged land. The sampling points were set in and around the waterlogged land on the slope cropland in typical black soil region of northeast China. The oxidation and reduction properties-related indicators of soil were measured. The results showed that the differences in soil chemical characteristics between waterlogged land and the normal cultivated land were significant. The soil pH value (5.53) in waterlogged land is significantly lower than that of the normal cultivated land. The soil in waterlogged land has higher organic matter and the higher organic matter is found in the central zone of the waterlogged land. Eh in waterlogged land is lower and the spatial variation range is larger than that of normal cultivated land. But the soil in waterlogged land has not reach the strength reduction status. Much Fe3+and part of manganese ion with high valence are reduced rapidly because the soil in waterlogged land keeps high water content for a long term. The total reducing substances, ferrite iron content and bivalent manganese content of waterlogged soil are 20 times, 12 times and 10 times higher than those of the normal cultivated soil, respectively.

black soil; slope cropland; waterlogged land; soil property

2016-10-04

：2016-10-17

國家自然科學基金(41571259);國家自然科學基金重點項目(41530858);中國科學院“西部之光”人才培養(yǎng)引進計劃資助

馬富亮(1985—),男,山東夏津人,博士研究生,主要從事土壤水分運動方面的研究。E-mail:flma0620@163.com

符素華(1973—),女,四川岳池人,教授,主要從事土壤侵蝕與水土資源管理方面的研究。E-mail:suhua@bnu.edu.cn

S153.6+1; S153.6+2

：A

：1005-3409(2017)05-0051-04