東北典型黑土區(qū)旱地耕層土壤肥力指標(biāo)的緯度變化特征及其關(guān)系

尹思佳，李慧，徐志強，裴久渤?，戴繼光，劉雨薇，李艾蒙，于雅茜，劉維，汪景寬

1沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/土肥資源高效利用國家工程實驗室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北耕地保育重點實驗室，沈陽 110866；2沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，沈陽 110866；3遼寧省農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，沈陽 110034

0 引言

【研究意義】黑土是最珍貴的土壤資源，在我國主要分布在東北地區(qū)[1-2]。該區(qū)域因黑土有機質(zhì)含量高，土壤肥沃，耕性良好，是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，對我國糧食安全起到“壓艙石”的作用[3]。因此，保證東北黑土數(shù)量與質(zhì)量至關(guān)重要。但是，隨著東北黑土的不斷開墾，“重用輕養(yǎng)”越發(fā)嚴(yán)重，造成肥力下降，嚴(yán)重影響了該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)安全，保護(hù)黑土地已成為當(dāng)前國家的重要戰(zhàn)略之一[4]。東北典型黑土區(qū)是東北黑土區(qū)的核心地帶，是我國重要的黃金玉米帶，主要呈現(xiàn)為沿緯度梯度的不規(guī)則“鐮刀彎”型，因此，明確該核心地帶土壤肥力指標(biāo)的緯度特征和關(guān)系是調(diào)節(jié)黑土地土壤肥力和指導(dǎo)施肥與耕作的重要前提[5]，對區(qū)域耕地質(zhì)量調(diào)控、糧食穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)和生態(tài)安全具有重要意義[6]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】隨著土壤學(xué)和地理學(xué)的深入融合，土壤肥力單一指標(biāo)在不同尺度空間地理上的分布和變異特征研究越來越廣泛。一般而言，不同海拔和緯度位置土壤類型的差異，引起了土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分等性質(zhì)的不同，且各養(yǎng)分指標(biāo)存在著空間異質(zhì)性和相互作用[7-8]。趙靜漪[9]研究表明大興安嶺的土壤有機質(zhì)，酸堿度，全量及速效氮、磷、鉀含量隨緯度的升高而升高。而化學(xué)肥料的長期不合理施用，更加劇了土壤肥力指標(biāo)的變化，使土壤肥力指標(biāo)的空間差異性和不均衡性加大[10]，造成了土壤養(yǎng)分失衡、酸化及面源污染等問題[11]。作為土壤肥力重要指標(biāo)的有機質(zhì)，受水熱條件、農(nóng)業(yè)管理等影響?；舴f等[12]研究表明，有機質(zhì)的變化不僅影響各養(yǎng)分指標(biāo)的有效性，而且也是影響土壤酸堿度、土壤結(jié)構(gòu)變化的重要因素。葛順峰等[13]對土壤養(yǎng)分狀況研究也表明，養(yǎng)分的有效性常因有機質(zhì)含量及熟化程度的不同而有明顯差異。然而，關(guān)于東北黑土地區(qū)核心地帶多種土壤肥力指標(biāo)的緯度關(guān)系和特征的研究鮮有報道?！颈狙芯壳腥朦c】東北典型黑土區(qū)是國家重要的玉米主產(chǎn)區(qū)，在長期集約化經(jīng)營下，土壤肥力指標(biāo)的空間特征及其相互關(guān)系是當(dāng)前黑土地肥力調(diào)控亟待明確的問題。因此，本研究通過在該區(qū)域內(nèi)沿緯度梯度采樣，測定多種土壤肥力指標(biāo)，揭示其緯度特征和關(guān)系，為東北黑土地肥力調(diào)控和質(zhì)量提升提供基礎(chǔ)資料，為國家“藏糧于技、藏糧于地”戰(zhàn)略提供理論依據(jù)。【擬解決的關(guān)鍵問題】東北典型黑土區(qū)沿緯度梯度進(jìn)行樣點采集與各土壤肥力指標(biāo)測定，分析其沿緯度的空間變化特征，探討其相互關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

東北典型黑土區(qū)介于東經(jīng) 123.59°—128.78°，北緯 42.41°—50.11°，跨越黑龍江、吉林和遼寧 3個省份，是東北黑土區(qū)土壤最為肥沃、糧食生產(chǎn)能力最高的區(qū)域，是重要的黃金玉米帶[14]。土壤類型主要以黑土和草甸土為主，地貌類型以平原為主，成土母質(zhì)主要為第四紀(jì)沉積物。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，以中溫帶氣候區(qū)為主，氣候南北差異較大，冬季寒冷漫長，春季多風(fēng)少雨，夏季氣溫較高；年均溫7—11℃，年均降水量450—850 mm，無霜期為120—150 d，年日照時數(shù)2 650—2 750 h[15]。

1.2 樣品采集

土壤樣品于2018年10月1日至4日秋收時期采自研究區(qū)0—20 cm土層，采樣地種植作物均為玉米。土壤類型為黑土，質(zhì)地為壤質(zhì)，地形為平地。參考并改進(jìn) LIU等[16]的采樣策略在該區(qū)域進(jìn)行布點，本研究采樣點沿研究區(qū)核心地帶緯度梯度按每隔約40 km距離進(jìn)行選取布設(shè)，共計30個樣點（表1），為保證采樣點的代表性和統(tǒng)計學(xué)意義，每個采樣點按品字形進(jìn)行3次重復(fù)采樣，重復(fù)與重復(fù)之間間隔約20 m，每個采樣點的每個重復(fù)按5點取樣后用四分法進(jìn)行混合處理后采集。此外，采用環(huán)刀法對每個重復(fù)處的土壤樣品進(jìn)行容重樣品采集。將采集的所有土壤樣品分別裝入自封袋，帶回實驗室，挑出枯葉、礫石、作物殘留根系和其他廢棄物，自然風(fēng)干后，分別過20目和100目篩，用于土壤各肥力指標(biāo)的測定。

表1 研究區(qū)采樣點分布Table 1 Distribution of sampling points in the study area

1.3 測試項目與方法

土壤酸堿度采用電位計法（水土比2.5∶1）測定，用 pHs-3B 型 pH計測定；土壤容重測定采用環(huán)刀法；土壤溫度和土壤含水量采用便攜式土壤水溫測定儀測定（德國 IMKO，TRIME-PICO64）；堿解氮測定采用NaOH 擴散皿法。速效磷測定采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提鉬銻抗比色法；速效鉀測定采用 NH4OAc火焰光度計法；全磷測定采用NaOH 熔融鉬銻抗比色法；全鉀測定采用NaOH 熔融火焰光度計法；土壤有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定的土壤有機碳乘以系數(shù) 1.724 計算得到[17]。團聚體分級測定采用干篩法[18]，利用團聚體篩分儀（Retsch AS 200, Germany）將團聚體分成≥0.25 mm的大團聚體和＜0.25 mm的微團聚體，105℃烘干12 h 后稱重，計算大微團聚體質(zhì)量比。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖、運用Canoco 5和Origin 2020b軟件進(jìn)行主成分分析和相關(guān)性分析、方差分析和顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結(jié)果

2.1 土壤肥力指標(biāo)的空間特征

由表 2可以看出，在緯度 42.99°— 49.18°范圍內(nèi)，土壤肥力指標(biāo)及土壤環(huán)境指標(biāo)的空間分異程度各有不同。參考胡偉等[19]土壤變異系數(shù)的劃分等級，CV＜0.1為弱變異性；0.1＜CV＜1為中變異性；CV＞1為強變異性。從變異系數(shù)來看，土壤速效磷變異系數(shù)最大，為77.21%，其次是堿解氮，為 70.06%，土壤容重的變異系數(shù)最小，為9.32%，pH和土壤溫度變異系數(shù)也較小，分別為11.11%和15.31%。除土壤容重屬于弱變異外，所有土壤肥力指標(biāo)的變異系數(shù)均屬于中等變異強度。

表2 研究區(qū)土壤肥力指標(biāo)的描述性統(tǒng)計Table 2 The descriptive statistics of soil fertility indices in study area

由圖1可以看出，隨著緯度的變化，土壤肥力指標(biāo)及土壤環(huán)境指標(biāo)都有不同程度的波動。隨著緯度升高，土壤有機質(zhì)、酸堿度、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀，以及堿解氮都有一定的上升；容重、土壤含水量及土壤溫度隨緯度的升高而下降。從采樣數(shù)據(jù)總體看，土壤有機質(zhì)和容重的離散程度較小，且與緯度擬合的關(guān)系相對更好。

2.2 土壤肥力指標(biāo)的主成分和冗余分析

圖2所示的主成分分析表明，采樣點在主成分1上具有明顯的分異現(xiàn)象，緯度在 46.07°—49.18°之間的采樣點主要分布在主成分 1的負(fù)半軸，緯度在42.99°—45.59°之間的采樣點主要分布在主成分1的正半軸。由冗余分析（圖3）可以看出，采樣點在緯度分異影響下的土壤肥力指標(biāo)關(guān)系存在差異?？傮w看，采樣點在主成分 1上具有明顯的分異現(xiàn)象，緯度在 46.07°—49.18°之間的采樣點主要分布在主成分1的負(fù)半軸，緯度在42.99°—45.59°之間的采樣點主要分布在主成分 1的正半軸。土壤有機質(zhì)、大微團聚體質(zhì)量比、速效養(yǎng)分、全量養(yǎng)分、堿解氮與緯度成正相關(guān)，其中有機質(zhì)與緯度的相關(guān)性最強，土壤容重、土壤溫度與緯度及其他土壤肥力指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，而土壤含水量與緯度和多數(shù)土壤肥力指標(biāo)的空間關(guān)系均較弱。

2.3 土壤肥力指標(biāo)的相關(guān)分析

從圖4可以看出，土壤有機質(zhì)、酸堿度、速效鉀、全鉀、速效磷、全磷、堿解氮含量與緯度成正相關(guān)，土壤容重、土壤溫度與緯度成負(fù)相關(guān)，而土壤含水量與緯度無顯著相關(guān)性。除含水量外，土壤有機質(zhì)含量與其他肥力指標(biāo)都有很好的相關(guān)性，且與土壤容重、土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)。而土壤容重與有機質(zhì)含量成正相關(guān)，與全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、堿解氮含量和土壤酸堿度成負(fù)相關(guān)。土壤酸堿度除了與緯度、土壤有機質(zhì)、全磷含量成顯著正相關(guān)，與容重成顯著負(fù)相關(guān)外，與其他肥力指標(biāo)無顯著相關(guān)性。大微團聚體質(zhì)量比與土壤有機質(zhì)、全磷、全鉀，堿解氮和速效磷含量呈顯著正相關(guān)，與其他肥力指標(biāo)無相關(guān)性。除土壤含水量外，土壤全磷含量與其他土壤肥力指標(biāo)均呈顯著相關(guān)。其中與土壤容重呈負(fù)相關(guān)，與其他肥力指標(biāo)呈正相關(guān)。土壤全鉀含量與大微團聚體質(zhì)量比、土壤有機質(zhì)、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀含量呈顯著正相關(guān)，與土壤容重和溫度呈顯著負(fù)相關(guān)。除土壤含水量和酸堿度外，土壤速效磷含量與其他土壤肥力指標(biāo)均顯著相關(guān)，且與土壤容重和溫度呈負(fù)相關(guān)。土壤速效鉀含量與有機質(zhì)含量呈正相關(guān)，與容重呈負(fù)相關(guān)。土壤堿解氮含量與土壤有機質(zhì)、全磷、全鉀、速效磷含量和大微團聚體質(zhì)量比呈正相關(guān)，與土壤容重和土壤溫度呈負(fù)相關(guān)。

3 討論

土壤肥力指標(biāo)是維持土壤質(zhì)量的基本性質(zhì)，也是影響作物生長和品質(zhì)的關(guān)鍵因子[20]。由于長期“重用輕養(yǎng)”，東北典型黑土區(qū)土壤肥力各指標(biāo)間的空間特征和相互關(guān)系迥異。其中有機質(zhì)在該區(qū)域與緯度關(guān)系最為密切，且與其他大多數(shù)肥力指標(biāo)呈正相關(guān)的指標(biāo)，也是培肥土壤的核心指標(biāo)[21]。因此，在該區(qū)域提升土壤有機質(zhì)是培肥土壤、應(yīng)對土壤退化的核心任務(wù)，對土壤肥力其他指標(biāo)，特別是對土壤有效養(yǎng)分影響顯著[22]。

本研究中，土壤有機質(zhì)、堿解氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、大微團聚體質(zhì)量比和酸堿度，均隨緯度的增大而升高。土壤有機質(zhì)、堿解氮、全磷、全鉀與緯度之間的關(guān)系擬合的更好，有機質(zhì)與緯度之間的關(guān)系擬合的最好，隨緯度的升高而升高，這與王秀紅等[23]的研究一致。在東北典型黑土區(qū)由南向北有機質(zhì)含量逐步升高。此外，隨著緯度由南向北的增加，土壤中的全量與速效養(yǎng)分含量也隨之加大，這與李婷等[24]研究一致。我國高緯度地區(qū)溫度相對較低，雨量較少，淋溶較弱有利于養(yǎng)分的積累。

主成分分析表明，采樣點在緯度42.99°—45.59°和46.07°—49.18°上具有明顯的分異現(xiàn)象，冗余分析和相關(guān)分析也進(jìn)一步證明了緯度在 42.99°—45.59°之間的土壤肥力指標(biāo)差異主要表現(xiàn)在土壤容重上，緯度在46.07°—49.18°之間差異主要表現(xiàn)在有機質(zhì)、堿解氮、全磷、全鉀、酸堿度等指標(biāo)上。不同土壤肥力指標(biāo)與緯度的關(guān)系表現(xiàn)為有機質(zhì)與緯度的正相關(guān)性最強，容重與緯度的負(fù)相關(guān)性最強，且有機質(zhì)與各其他指標(biāo)（堿解氮、速效磷、速效鉀、全鉀、全磷含量和酸堿度）之間呈顯著正相關(guān)，與土壤容重和溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，這與各指標(biāo)與緯度的擬合結(jié)果一致，與任科宇[25]、盛茂銀[26]、張淑香[27]、廖育林等[28]在研究有機質(zhì)與土壤養(yǎng)分關(guān)系方面研究結(jié)果一致。本研究中土壤有機質(zhì)與其他土壤肥力指標(biāo)具有一定空間關(guān)系，是重要的土壤肥力指標(biāo)，除與土壤容重和土壤溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)外，有機質(zhì)與其他肥力指標(biāo)關(guān)系總體上呈現(xiàn)隨緯度增加而升高的趨勢。此外，酸堿度也是影響土壤肥力的重要因子，對土壤中的物理、化學(xué)、生物過程有著重要的影響[29]，影響著土壤養(yǎng)分的有效性和微生物的結(jié)構(gòu)與活性[30]。本研究中84%的采樣點酸堿度均呈現(xiàn)為酸性，是在緯度46.07°—49.18°之間的最大差異貢獻(xiàn)因子，且與土壤有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)，因此可以通過增施有機肥、石灰、微生物菌劑等方式提升土壤有機質(zhì)來緩解土壤酸化[31]。而大團聚體和微團聚體的相對質(zhì)量比是判定土壤質(zhì)量好壞的重要因子[32]，主要以0.25 mm為界限對其進(jìn)行分類。本研究中，大微團聚體質(zhì)量比與土壤有機質(zhì)也呈顯著正相關(guān)，這與陳曉芬等[33]的研究一致，反映出大團聚體適宜比例對土壤有機質(zhì)提升具有重要影響，能夠提升土壤持肥能力，提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[34]，因此，調(diào)節(jié)土壤有機質(zhì)對改善土壤結(jié)構(gòu)和促進(jìn)土壤良好團聚體形成具有直接作用[35]。

4 結(jié)論

東北典型黑土區(qū)土壤肥力指標(biāo)具有明顯的緯度分異性，其中在 46.07°—49.18°范圍內(nèi)，土壤容重和土壤溫度是影響土壤肥力的重要指標(biāo)；在42.99°—45.59°范圍內(nèi)，除土壤容重和土壤溫度外各土壤肥力指標(biāo)間的影響關(guān)系緊密，需要通過綜合調(diào)控來進(jìn)行培肥土壤。土壤有機質(zhì)是該區(qū)域影響土壤肥力的核心指標(biāo)，與其他土壤肥力指標(biāo)在空間上存在顯著影響關(guān)系，因此，在該區(qū)域應(yīng)繼續(xù)采取有機質(zhì)提升措施來進(jìn)行培肥土壤，防止土壤質(zhì)量下降。