海倫黑土有機碳和養(yǎng)分含量30年變化特征

尤孟陽,郝翔翔,李祿軍,2

(1.中國科學院 東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所，海倫農田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，黑龍江 哈爾濱 150081；2.中國科學院大學,北京 100049)

0 引 言

黑土有機質含量高，土質肥沃，是珍貴的土壤資源。我國黑土僅分布在東北平原地區(qū)，耕地面積約為1.85×107hm2，是支撐東北地區(qū)糧食高產穩(wěn)產的基礎，對陸地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性起著重要作用[1-2]。在東北黑土帶，黑龍江省黑土耕地面積約占東北黑土耕地總面積的56%，高于吉林省、遼寧省和內蒙古自治區(qū)三地的總和[3-4]。然而，高強度的農業(yè)耕作以及土壤流失導致黑土肥力逐年下降，嚴重影響黑土耕地質量，保護黑土地迫在眉睫[5]。黑土開墾歷時短、過程快，由自然生態(tài)系統(tǒng)開墾為穩(wěn)定性較低的農田生態(tài)系統(tǒng)后，抗逆能力逐漸降低，土壤肥力及理化性質出現不同程度的退化[6]。保證土壤質量和肥力的可持續(xù)發(fā)展，是保護黑土地和保障糧食安全的現實所需。

土壤有機碳(Soil organic carbon,SOC)是衡量土壤肥力變化的重要指標[7]。然而，由于農作物種植結構單一和管理用養(yǎng)失調，世界黑土均面臨土壤退化問題。在過去的100年間，北美黑土SOC含量降低了50%[8]；50年間俄羅斯庫爾斯克地區(qū)黑土SOC含量下降了38%，土壤全氮含量下降了45%[9]；我國東北黑土SOC含量下降了46%[10]。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要和最活躍的碳庫，SOC的變化也影響到大氣碳庫的源匯效應[11-12]。我國東北黑土從土壤釋放到大氣中的碳排放速率約為0.17～2.17 Tg·a-1，成為大氣碳排放的碳源[13]。近幾年，通過采用有效的農田管理措施，我國黑土地保護性實踐取得了明顯成效，不僅促進SOC積累，提高了肥料利用率，而且改善了土壤抗旱保墑能力，為提升黑土綜合功能奠定了基礎[14-16]。取得的生態(tài)效益，與國家對黑土地保護的高度重視與支持密切相關。農業(yè)農村部會同國家發(fā)展改革委員會、財政部、國土資源部、環(huán)境保護部、水利部于2017年發(fā)布了《東北黑土地保護規(guī)劃綱要(2017～2030年)》，該綱要明確指出黑土地保護的重要性和緊迫性。

為保護我國東北黑土資源，在時間尺度上明確黑土SOC及其相關養(yǎng)分含量的演變特征，對于評價黑土質量變化和肥力改善潛力具有重要意義。揭示農田土壤養(yǎng)分的豐缺及平衡狀況，對于合理調控土壤肥力，實施精準施肥，提高土地生產力至關重要。本文以位于東北黑土帶腹地，代表典型黑土的黑龍江省海倫市為研究區(qū)域，結合80年代第二次全國土壤普查資料和2011年中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項“碳專項”實測數據，研究了30年來黑土農田SOC及養(yǎng)分含量的變化特征，為黑土農田土壤肥力提升和黑土地保護提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

海倫市位于黑龍江省中部(126°09′～127°25′E，47°00′～47°43′N)，東北黑土帶中心，是東北黑土的典型代表。該區(qū)域屬中溫帶大陸性季風氣候型，冬季干燥寒冷，夏季雨熱同期。多年平均氣溫約為1.5 ℃，7月溫度最高。多年平均降水量為550 mm，年降水量的近70%集中在6～8月。地形多是波狀起伏的漫川漫崗，土壤母質為第四紀黃土狀母質。主要農作物為一年一熟制的大豆(GlycinemaxL.)、玉米(ZeamaysL.)和水稻(OryzasativaL.)等。

1.2 樣品采集及數據獲取

1981年海倫市農田黑土有機碳和養(yǎng)分數據從第二次全國土壤普查資料中獲取并進行整理。2011年，參考第二次全國土壤普查資料黑龍江省采樣點位置，結合土壤類型和土地利用分布狀況，在海倫市農田生態(tài)系統(tǒng)中選取68個取樣點，根據現場調研結合土壤類型圖，認定厚層黑土樣品8個，中層黑土樣品45個，薄層黑土樣品15個。采集土壤表層(0～20 cm)樣品，同一塊農田隨機選取5個樣點，均勻混合為一個混合樣。

1.3 室內分析

土壤樣品去除肉眼可見石礫、植物殘體和根系，風干過0.25 mm篩后，采用元素分析儀(EA3000,Euro Vector,Italy)測定土壤全碳和全氮含量。由于該區(qū)域黑土中不含碳酸鹽，因此，全碳含量即為土壤有機碳含量。土壤pH值采用電位法(水土比=2.5∶1 v/w)；土壤機械組成、堿解氮、速效鉀和有效磷測定方法參考土壤農業(yè)化學分析方法[17]。表層黑土pH平均值為6.34，砂粒、黏粒和粉粒平均含量分別為37.1%、35.9%和27.0%。

1.4 數據計算及分析

樣地空間位置利用ArcGIS軟件讀入GPS數據，進行精確的投影轉換(Albers投影)，輸出用于地統(tǒng)計分析的矢量格式的土壤采樣點。通過Microsoft Excel 2010和SPSS 14.0分析土壤有機碳變化特征和土壤養(yǎng)分之間的相關系數。不同土壤性質之間的相關性分析采用Pearson相關分析。

2 結果與討論

2.1 黑土農田土壤有機碳變化特征

1981年的第二次土壤普查結果表明，海倫市農田表層SOC含量平均值為34.6 g·kg-1，2011年SOC含量平均值為30.6 g·kg-1，近30年表層黑土SOC含量下降12%(圖1)。而基于遙感影像數據的研究發(fā)現，在2008～2011年期間，海倫市農田SOC含量沒有顯著變化[18]。然而，黑龍江省黑土自開墾以來僅有50～200年的歷史，有研究認為，在開墾初始的前10年，SOC含量從120 g·kg-1降到70 g·kg-1，下降了42%；開墾20～30年后，與開墾的前10年相比繼續(xù)下降了29%～43%；開墾50年后，與開墾20～30年相比又下降了20%～25%[4]。因此，研究證實了海倫市農田黑土SOC含量進入較穩(wěn)定階段[15]。

注：矩形盒中下邊緣線和上邊緣線分別代表全部數據的5%和95%，上實心點為異常值。矩形盒上、下邊緣分別代表上四分位數和下四分位數，分別代表全部數據的75%和25%，實線代表平均值；F與P值代表1981年與2011年土壤有機碳t檢驗分析; 不同字母表示1981年不同厚度黑土有機碳在P<0.05水平上差異顯著。下同。Note:The lower edge and upper edge lines represented the 5% and 95% of all the data,the solid points represented the vertical outliers.The lower quartile and upper quartile of the boxplots represented 25% and 75% of all data,the solid lines represented the average values; F and P represent the t-test of soil organic carbon between 1981 and 2011; different letters show significantly different among the three soils in 1981.The same is as below.圖1 海倫農田表層黑土有機碳變化特征Fig.1 Changes in soil organic carbon of croplands in Hailun Mollisols

按照土壤發(fā)生學分類，海倫市黑土土種主要包括薄層黑土、中層黑土和厚層黑土，所占比例分別為39.8%、40.8%和19.4%[19-20]。通過研究不同土種黑土SOC變化趨勢發(fā)現，與1981年相比，厚層黑土SOC下降了22%，而中層和薄層黑土分別下降了11%和10%。雖然厚層黑土SOC含量下降最多，但是海倫耕地黑土以中層黑土為主，厚層黑土所占的面積比例相對較小，因此削弱了由厚層黑土SOC大幅降低所引起的黑土整體SOC含量的銳減。1981年，黑土不同土種間SOC含量存在顯著差異， 2011年厚層黑土SOC含量雖然略高于中層和薄層黑土，但不同土種間SOC含量的差距逐漸縮小。這主要是因為土壤肥力的降低逐漸受到人們的重視，不同農田管理措施的實施使SOC降低的趨勢有所減緩，超過50%的表層黑土SOC含量呈小幅波動[18]。由此可見，海倫黑土自上世紀80年代至2011年，SOC含量的變化特征呈下降至相對穩(wěn)定的趨勢；而從上世紀90年代開始，SOC含量幾乎無變化[18,21](圖2)。

圖2 黑土有機碳含量動態(tài)變化特征Fig.2 Dynamics of soil organic carbon content

SOC含量的大幅改變必然會引起土壤碳儲量的變化，30年的耕作使海倫市表層黑土有機碳儲量降低了14.7 Mg·hm-2，耕地退化現象嚴重[22-23]。海倫黑土剖面研究結果表明，土壤有機碳儲量(0～100 cm)為229.3 Mg·hm-2，其中，20～100 cm的有機碳儲量占土壤剖面有機碳儲量的67.2%[24]。對于0～200 cm的海倫黑土剖面而言，100～200 cm的有機碳儲量與表層0～20 cm有機碳儲量相近，具有提高土壤碳匯功能的重要潛力[25]。因此，在改善表層土壤肥力時，培育深層土壤肥力，改善土壤結構，增強土壤滲透能力，有利于提高土壤的碳儲量。

SOC的動態(tài)變化是有機物料輸入與土壤碳輸出之間動態(tài)平衡的結果。開墾初期，施肥方式以化肥為主，土壤中有機物質輸入有限，主要為微生物生長提供碳源，收獲后伴隨生物量的移出，土壤碳輸出大于碳輸入，使得SOC難以積累，因此黑土SOC快速下降，土壤養(yǎng)分處于長期虧缺狀態(tài)[4]。有機肥的施用增加了SOC的輸入量，緩解了SOC快速下降的趨勢。隨著施肥量的增加，土壤不同形態(tài)的碳也發(fā)生改變?；逝涫└吡控i糞使表層SOC增加18.2%，其中惰性有機碳庫增加了29.5%，SOC穩(wěn)定性得以提升[26]。但有研究認為，有機肥僅能在一定程度上改善土壤肥力屬性，達到短期增產的目的[27]。而畜禽糞便等有機肥輸入到土壤后，由于其可能存有病原菌或者重金屬污染土壤，從而會影響糧食作物的品質，因此從土壤健康和糧食安全的角度出發(fā)，應嚴格管控和監(jiān)測有機肥質量。

目前，秸稈還田作為提升土壤肥力和保護環(huán)境的措施獲得廣泛關注。例如，滅茬還田使長期種植玉米的厚層黑土、中層黑土和薄層黑土SOC含量分別增加了9.4%、13.7%和7.0%[28]。秸稈還田配施化肥不僅提高了全土層SOC含量，而且增加了土壤各級團聚體內的SOC含量，也顯著提高了大粒級團聚體中有機碳對全土層SOC的貢獻率[29]。將秸稈均勻深混到0～35 cm土層中，通過提升土壤表層的蓄水能力，也可以達到改善土壤肥力的目的[16]。秸稈和化肥配合施用能夠改善土壤結構，增強團聚結構對SOC的物理保護作用，減緩微生物對SOC的分解作用[30-32]。有關秸稈還田的方式，秸稈粉碎的尺寸和秸稈還入土壤深度對SOC固存影響的報道很多[33-36]，然而，連續(xù)多年定量秸稈還田，并不能使SOC含量持續(xù)增加[37]。雖然增施秸稈還田量能夠在短時間內增加SOC含量，但是也會增加溫室效應帶來的環(huán)境風險。因此，在秸稈還田條件下，應更加關注土壤碳的收支平衡以及SOC穩(wěn)定性的變化。

2.2 黑土農田土壤養(yǎng)分變化特征

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的基礎，與糧食生產密切相關。據報道，1972～2001年海倫市施肥制度主要經歷了4個階段：不施肥-有機肥為主-有機肥和化肥配施-化肥為主，期間化肥用量增加了8.5倍[38]。伴隨施肥制度的變化，和SOC變化一樣，土壤養(yǎng)分含量也呈現不同的變化趨勢。本研究結果表明，30年間土壤堿解氮和速效鉀含量分別降低了32%和47%，而有效磷含量增加了52%(圖3)。這一結果與王建國等[39]研究發(fā)現一致，即黑土養(yǎng)分處于土壤磷素盈余，而鉀素虧缺的狀態(tài)。

圖3 海倫農田表層黑土理化性質Fig.3 Soil properties in top layer of croplands in Hailun City

與1981年相比，2011年海倫黑土表層土壤全氮含量降低了8.5%，這一結果說明氮肥的施用減緩了土壤全氮含量的下降。但是，與1981年相比，厚層、中層和薄層黑土中，堿解氮分別以3.25 mg·kg-1·a-1、2.24 mg·kg-1·a-1和1.64 mg·kg-1·a-1的速率下降。持續(xù)且過量的施用氮肥，會加速土壤氮素的損失，降低作物對氮肥的利用率[40]，導致土壤堿解氮大量消耗以滿足作物的生長。過量氮肥積累會促使土壤微生物硝化和反硝化作用增強，促進N2O等溫室氣體排放增多[41-42]。阻控氮肥損失的有效措施，可以增加作物對氮素的養(yǎng)分吸收率，降低土壤氮素消耗，緩解其對環(huán)境造成的不利影響。因此，根據土壤養(yǎng)分情況確定適宜的氮肥施用量，選擇合理的施肥時期，以此提高氮肥利用率[43]，既能獲得目標產量，又可以將氮素損失降低到環(huán)境可承受范圍內[44-46]。

土壤有效磷是評價土壤磷素養(yǎng)分可利用水平的重要指標。從上世紀80年代初開始，生產上長期大量施用磷肥，除去作物能夠吸收利用的磷素外，大量磷在土壤中累積，降低了土壤磷利用率[47]，但是土壤磷的盈余是現階段土壤有效磷含量變化的主要特征[40]。與1981年相比，2011年土壤有效磷含量在不同土種黑土中分別以0.14 mg·kg-1·a-1(厚層黑土)、0.53 mg·kg-1·a-1(中層黑土)和0.22 mg·kg-1·a-1(薄層黑土)的速率增加?；陂L期監(jiān)測的研究結果也表明，39%的監(jiān)測點土壤有效磷含量顯著升高并引起了較高的磷盈余[48-49]。有研究表明，薄層黑土的磷酸酶活性較低，導致其有效磷含量低于厚層黑土和中層黑土[50]。較高的有效磷是作物高產的關鍵，但磷素盈余可能引發(fā)磷素淋溶從而導致地表水體的富營養(yǎng)化[51]。磷素過量積累，會減弱磷素有效性，降低磷肥利用率。近年來秸稈還田對磷的有效性起到積極作用，一方面有機殘體分解過程中直接釋放的磷可直接增加土壤有效磷含量[52]；另一方面，秸稈還田通過增加土壤持水能力進而促進根系生長吸收更多的磷，同時增加土壤微團聚體數量，減少土壤的吸附點位以及促進微生物的固磷作用來間接影響土壤磷的有效性[53]。由此可見，磷肥與秸稈還田配施對提高黑土磷的有效利用率有積極作用[54]。

鉀素是作物生長所必需的營養(yǎng)三要素之一，而作物生長發(fā)育過程中所需的鉀素主要來源于土壤，能否獲得足夠的鉀來維持作物正常的生長發(fā)育，與土壤的供鉀能力密切相關。截止2011年，海倫市黑土速效鉀含量下降43%，厚層、中層和薄層黑土的速效鉀下降速率分別是4.11 mg·kg-1·a-1、3.53 mg·kg-1·a-1和4.68 mg·kg-1·a-1。一般而言，黑龍江省土壤速效鉀含量較高，鉀肥施用效果不明顯，導致鉀肥被忽視。然而，土壤鉀是不可再生資源，長期重氮肥和磷肥、輕鉀肥的施肥方式，使土壤中的鉀素在作物生長發(fā)育階段過度消耗[55]。適當增加鉀肥施用量，同時探尋黑土鉀素改善的管理措施刻不容緩。

化肥對糧食的增產效果并不是逐年遞增的，30年的施肥結果表明，海倫市每千克化肥生產的糧食產量平均從34.7 kg下降到8.4 kg，化肥的施用已不能滿足糧食作物的生長需求，這也意味著土壤中提供給作物生長的養(yǎng)分有限，化肥利用率極低。減少化肥用量，提高肥料利用率越來越受到重視。有研究發(fā)現，就海倫市黑土的潛在肥力而言，禾本科作物停止施氮肥1年，糧食產量可以達到全肥產量的60%～70%；停施磷肥，產量可以達到全肥產量的85%以上；停施鉀肥，產量可以達到全肥產量的95%以上；但是長期連續(xù)不施肥，黑土農田氮、磷和鉀素養(yǎng)分的自然供給力將呈不同程度的下降趨勢[56]。有關秸稈還田的研究表明，我國秸稈中含有氮、磷、鉀養(yǎng)分含量占當年化肥施用量的一半左右[57]。采用秸稈還田與半量化肥配施，能夠提升SOC儲量，提高土壤養(yǎng)分含量，促進糧食高產穩(wěn)產，降低環(huán)境惡化的風險，是實現土壤肥力可持續(xù)發(fā)展的有效管理措施。因此，尋求低量高效的有機、無機肥配施措施是今后研究工作的重點。

2.3 海倫農田黑土有機碳與養(yǎng)分變化關系

與第二次全國土壤普查相比，海倫市黑土農田土壤有機碳與土壤養(yǎng)分含量均發(fā)生了不同程度的改變，土壤養(yǎng)分的演變特征具有一定的規(guī)律性，這主要是因為土壤有機碳與多個養(yǎng)分指標之間存在較強的關聯(lián)性(表1)。土壤有機碳與全氮含量總是具有相似的變化趨勢，本研究相關分析顯示，黑土有機碳與全氮含量相關程度最高(r=0.85，P< 0.01)。土壤的碳氮比(C/N)反映了碳和氮之間的平衡關系，其演變趨勢對土壤肥力以及碳、氮循環(huán)有著重要的影響。與1981年相比，2011年海倫黑土表層土壤全氮含量沒有發(fā)生顯著變化，而C/N比值呈現下降趨勢，表明土壤有機碳下降導致土壤C/N比降低，而C/N比降低會促進土壤微生物的活性，反過來會促進土壤有機質分解和養(yǎng)分消耗。因此，土壤有機碳與堿解氮和速效鉀含量呈現顯著正相關關系。但是土壤有機碳與有效磷相關性不顯著，這可能是由于長期的磷肥施用導致土壤有效磷含量超過黑土有效磷農學閾值(15.0 mg·kg-1)[48]。另外，土壤速效鉀與有機碳、全氮、碳氮比和堿解氮均呈顯著的正相關關系。開展黑土C∶N∶P∶K化學計量特征的綜合研究，解析氮、磷和鉀元素與土壤有機碳復雜的相關性以及三種養(yǎng)分元素的相互制約關系，對于糧食作物產量和土壤養(yǎng)分的影響，仍需要進一步研究。

表1 黑土土壤理化性質相關系數矩陣Table 1 Correlation coefficient matrix of soil properties in Mollisols

3 結論與展望

海倫農田黑土有機碳與養(yǎng)分變化是自然因素與人為干擾共同作用的結果，與上世紀80年代相比，近30年來表層黑土SOC含量下降了4 g·kg-1，其中厚層、中層和薄層黑土土壤有機碳分別以0.29 g·kg-1·a-1、0.12 g·kg-1·a-1和0.10 g·kg-1·a-1的速率下降。表層黑土堿解氮和速效鉀的下降速率分別為2.49 mg·kg-1·a-1和3.83 mg·kg-1·a-1，有效磷增加速率為0.37 mg·kg-1·a-1。不同土種土壤速效鉀的下降速率僅低于土壤有機碳，高于土壤堿解氮，其中厚層黑土下降的速率最快。然而，不同土種黑土有效磷呈現增長趨勢，中層黑土增長最快。綜合而言，在當前的農田管理措施下，黑土農田土壤表現為有機碳、氮含量相對穩(wěn)定、磷素盈余、鉀素虧缺的狀態(tài)。因此，選取合理的農田管理措施，提高肥料利用率，加強土壤固碳潛力，改善土壤養(yǎng)分含量及其生物活性，對黑土可持續(xù)利用意義重大。

致謝：

感謝參與野外取樣與室內測試分析的中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所的所有同事和同學。