穆棱河—興凱湖平原土壤有機碳、全氮的時空變異特征

張一鶴，楊澤，戴慧敏，劉國棟，韓曉萌，李秋燕

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034；2.自然資源部 黑土地演化與生態(tài)效應重點實驗室，遼寧 沈陽 110034；3.遼寧省黑土地演化與生態(tài)效應重點實驗室，遼寧 沈陽 110034)

0 引言

穆棱河—興凱湖平原(以下簡稱穆興平原)位于我國黑龍江省東南部，黑土層厚，有機質(zhì)含量高，是中國最大的糧食生產(chǎn)基地，對保障國家糧食安全，發(fā)展綠色食品產(chǎn)業(yè)有著重要意義[1]。黑土是最肥沃的土壤之一，以有機質(zhì)含量高、土質(zhì)肥沃而聞名。黑土位于溫帶半濕潤地區(qū)，四季分明，其氣候特征為雨熱同季。黑土是具有強烈脹縮和擾動特性的黏質(zhì)土壤，并有季節(jié)凍土層。溫帶季風氣候影響下，夏季高溫多雨，草甸草本植物生長繁茂，地上和地下都積累了大量的有機物質(zhì)[2]。土體內(nèi)鹽基遭到淋溶，碳酸鹽也移出土體，土壤呈中性至微酸性。季節(jié)性上層滯水引起土壤中鐵錳還原，并在旱季氧化，形成鐵錳結核，特別是亞表層表現(xiàn)更明顯。但在漫長而寒冷的冬季(約有120～200 d)，則土壤凍結，微生物活動微弱，因而有機質(zhì)緩慢分解，并在土壤中積累，逐步形成深厚的有機質(zhì)層。所以，黑土是由強烈的有機質(zhì)累積和滯水潴積過程形成的，是一種特殊的草甸化過程。自然狀態(tài)下，黑土有機質(zhì)可厚達1 m，養(yǎng)分含量豐富，肥力水平高[3]。

黑土開墾后，有機質(zhì)含量下降，因母質(zhì)黏重，土壤侵蝕明顯，黑土退化逐漸成為限制東北區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素[4]。土壤有機碳(SOC)和全氮(TN)是陸地土壤碳庫和氮庫的重要組成部分，是黑土有機質(zhì)含量重要影響因素之一，對土壤理化性質(zhì)、生物學特性具有深遠的意義，長期以來一直是土壤學相關廣大研究學者的研究熱點[5-11]。但是在穆興平原區(qū)域尺度上，土壤碳氮關系的時空演變的研究較少。因此，筆者利用第二次土壤普查(1979年)數(shù)據(jù)和2019年定位采樣數(shù)據(jù)，運用GIS技術和地統(tǒng)計學相結合的方法，對表層土壤SOC和TN的時空變化規(guī)律進行研究，探討穆興平原表層土壤SOC、TN的時空變異特征，進一步解釋土壤SOC、TN變化規(guī)律，有助于揭示有機質(zhì)轉化方式和機理，正確評價農(nóng)田黑土的退化狀況和趨勢，對制定合理的耕作計劃，推進黑土保護戰(zhàn)略的實施及黑土資源的可持續(xù)發(fā)展和利用有重要的理論和實踐意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省東部偏南，北以完達山為界，南抵興凱湖之濱，東與俄羅斯接壤，西至張廣才嶺。行政區(qū)隸屬虎林市、密山市下轄各縣市街道及鄉(xiāng)村，均屬雞西市管轄，面積為16 608 km2。穆興平原屬中緯度寒溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風氣候，1月氣溫最低，月平均氣溫為-17.9 ℃；7月氣溫最高，月平均氣溫為21.5 ℃，年平均氣溫2.9～3.1 ℃。年平均降水量為526～710 mm，降水多集中在6～9月，占全年降水量的70%。全年日照為2 343.1 d，大于(等于)10 ℃積溫(活動積溫)為2 654.7 ℃，無霜期為141 d。融雪在2月下旬，結凍期約180 d左右，平均年雷暴日數(shù)20 d。研究區(qū)主要土地利用為耕地，以水田為主，占工作區(qū)總面積的60%；其次為林地和沼澤地，分別占工作區(qū)總面積的21%和11%。土壤類型以白漿土為主，其次為暗棕壤、沼澤土及草甸土[1]。

2 樣品采集與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

1979年土壤數(shù)據(jù)來自于第二次全國土壤普查土壤養(yǎng)分元素調(diào)查，普查時間為1979～1985年，界定為1979年，本次引用中國科學院南京土壤研究所提供的第二次普查柵格數(shù)據(jù)。

東北地區(qū)1980年、2019年土地利用1∶10萬矢量數(shù)據(jù)來源于中國科學院地理科學與資源研究所。

2.2 土壤樣品的采集

本次土壤樣品采集網(wǎng)度為1 km×1 km，基本采樣密度為1個點/km2。根據(jù)事先設定的坐標進行實地采樣，主要采集了農(nóng)田、林地、園地等位置的土壤，優(yōu)先選擇分布面積最廣的農(nóng)業(yè)用地土壤。取樣點避開局部低洼地和高崗地，有明顯點狀污染的地段，有新近搬運的堆積土、垃圾土和水土流失嚴重的地段以及田埂等處。采樣時刮去地表植物凋落物，采集地表至20 cm深處的土柱(采用刻槽方式取樣，以保證土樣上下的均勻性)，并去除雜草、草根、礫石、磚塊、肥料團塊等雜物。在農(nóng)田內(nèi)，在每處采樣點垂直壟溝30 m范圍內(nèi)采集3處土壤樣品組合成一件樣，若在林地及城市等地域受到限制區(qū)域，子坑呈三角形布設。

2.3 測定項目及方法

樣品由具有承擔多目標地球化學調(diào)查樣品分析資質(zhì)的遼寧地研院有限責任公司承擔。該研究的分析指標為2項，分析方法和檢出限見表1。

表1 土壤中氮和有機質(zhì)的分析方法及檢出限Table 1 Analytical methods and detection limits of nitrogen and organic matter in soil

土壤樣品分析質(zhì)量采用實驗室外部質(zhì)量監(jiān)控和內(nèi)部質(zhì)量監(jiān)控相結合，以外部質(zhì)量監(jiān)控為主。樣品分析過程中采用國家一級標準土樣監(jiān)控分析測試的準確度，采用重復樣監(jiān)控分析測試的精密度，一級標準物質(zhì)的所有分析指標合格率為100%，重復樣合格率符合《多目標區(qū)域地球化學調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014))中的分析質(zhì)量控制要求，測試指標報出率均達到100%，異常點重復性檢驗合格率95.8%。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用域法識別異常值，即按標準方差的倍數(shù)來識別異常值，一般異常值定為樣品均值加3倍均方差，然后用正常值最大值代替異常值[5]。利用SPSS25.0軟件進行統(tǒng)計分析，地統(tǒng)計軟件GS+10.0進行半方差函數(shù)計算， Office2016繪制相關表格， ArcGIS10.4、CorelDRAW2018繪制相關圖件。

3 結果與分析

3.1 土壤SOC、TN、C/N描述性統(tǒng)計特征

統(tǒng)計結果表明(表2)：研究區(qū)2019年表層土壤有機碳含量(SOC)、全氮含量(TN)、碳氮比(C/N)分別在3.47×10-3～52.41×10-3、0.22×10-3～4.30×10-3、4.63～23.75，1979年表層土壤SOC含量、TN含量、C/N分別在9.92×10-3～80.05×10-3、1.00×10-3～7.30×10-3、7.65～16.38，各指標值域范圍波動較大；2019年SOC、TN、C/N平均值分別為26.47×10-3、2.23×10-3、11.85，1979年平均值分別為35.60×10-3、3.18 ×10-3、11.18，經(jīng)過40年，SOC含量下降了25.65%、TN含量下降了29.87%、C/N增加了6.00%。本次研究將變異程度分為3種類型：CV<15%為弱變異性，15%≤CV<35%為中等變異性，CV≥35%為強變異性。2019年SOC、TN、C/N變異系數(shù)分別為32.24%、30.38%、10.14%，說明SOC含量、TN含量屬于中等變異，C/N屬于弱變異；1979年SOC、TN、C/N變異系數(shù)分別為51.78%、51.48%、11.66%，說明SOC含量、TN含量屬于高度變異，C/N屬于弱變異。

表2 研究區(qū)土壤SOC、TN和C/N統(tǒng)計特征Table 2 Statistical characteristics of soil SOC, TN and C/N in the study area

3.2 土壤SOC、TN、C/N空間變異結構特征分析

本次研究利用GS+軟件對符合正態(tài)分布的表層土壤SOC、TN含量進行半方差函數(shù)模型擬合，表3中的塊金值(C0)代表采樣或試驗誤差與小于采樣尺度上耕作施肥管理等隨機因素引起的不同程度的變異；基臺值(C0+C)代表系統(tǒng)內(nèi)總變異；塊金效應[C0/(C0+C)]代表空間異質(zhì)性程度，該比值越高則說明數(shù)據(jù)由非結構性因素引起的空間變異程度較大，而由空間自相關部分引起的空間變異程度較小[12]。研究區(qū)表層土壤SOC、TC、C/N的塊金值分別為32.2%、32.0%、50%，說明C/N受隨機因素引起的空間變異和結構性因素雙重影響；SOC、TN則與由結構性因素如土壤類型、地形地貌等引起的空間自相關程度較高。

表3 土壤SOC、TN、C/N半方差函數(shù)模型參數(shù)Table 3 Soil SOC, TN, C/N semi-variance function model parameters

變程表示具有空間自相關性的最大距離，超過該距離則不存在空間自相關[13]。研究區(qū)表層土壤SOC、TC、C/N的變程分別為697.8 km、311 km、61.8 km，SOC和TN的變程都較大，說明SOC和TN在這個較大的空間范圍內(nèi)，其空間自相關性較強。

3.3 土壤SOC、TN、C/N空間插值分析

研究區(qū)表層土壤SOC含量、TC含量及C/N空間分布見圖1?？梢钥闯?，SOC含量呈現(xiàn)東北高西南低的趨勢。參照土地質(zhì)量地球化學評價規(guī)范(DZ/T 0295—2016)[14]，SOC、TC不同等級的分布面積和比例見表4，SOC主要處于三等以上水平，屬于豐富—中等狀態(tài)，面積16 296 km2，占總面積的98.12%?？梢?，研究區(qū)土壤SOC含量整體呈現(xiàn)出較豐富和豐富、局部缺乏的分布特征。從研究區(qū)表層土壤TN含量空間分布可以看出，TN含量與SOC含量分布趨勢相近，也呈現(xiàn)東北高西南低的趨勢。TN含量主要處于三等以上水平，屬于豐富—較豐富狀態(tài)，其中一等和二等土壤面積14 428 km2，占總面積的86.87%。可見，研究區(qū)土壤TN含量普遍豐富，大部分呈現(xiàn)適中和較豐富，小面積嚴重缺氮。綜上，研究區(qū)表層土壤養(yǎng)分比較優(yōu)越，土壤養(yǎng)分缺乏的占比較少。土壤C/N比在空間分布上呈現(xiàn)南部和北部向中部逐步降低的趨勢，大部分區(qū)域土壤C/N位于12～14之間，低值區(qū)則主要在中部呈帶狀分布。

圖1 土壤SOC、TN、C/N空間分布Fig.1 Spatial distribution of soil SOC, TN and C/N

表4 土壤SOC、TN等級分布面積及比例Table 4 Distribution area and proportion of soil SOC and TN grade

3.4 土壤SOC、TN空間變異影響因素分析

3.4.1 不同土壤類型下SOC、TN含量變化

不同土壤類型具有不同的礦物組成、成土過程、發(fā)育程度及耕作管理措施[15-17]，因而其土壤特性存在差異，故導致不同土壤類型下SOC、TN含量不同。如表5，研究區(qū)表層土壤SOC含量以如下趨勢遞減：沼澤土>草甸土>白漿土>黑土>暗棕壤>水稻土，與1979年相比，沼澤土SOC含量下降23.89×10-3，草甸土下降2.65×10-3，白漿土下降1.14×10-3，黑土下降5.22×10-3，暗棕壤下降16.06×10-3，水稻土增加2.59×10-3。土壤TN含量以如下趨勢遞減：沼澤土>白漿土>草甸土>黑土>暗棕壤>水稻土，與1979年相比，沼澤土TN含量下降2.17×10-3，白漿土下降0.29×10-3，草甸土下降0.34×10-3，黑土下降0.61×10-3，暗棕壤下降1.56×10-3，水稻土增加0.01×10-3。土壤C/N以如下趨勢遞減：暗棕壤>水稻土>黑土>草甸土>沼澤土>白漿土，與1979年相比，暗棕壤C/N含量增加0.75，水稻土增加1.30，黑土增加0.64，草甸土增加0.11，白漿土增加1.13，沼澤土增加0.15。

表5 不同土壤類型下SOC、TN、C/N含量特征Table 5 Content characteristics of SOC, TN and C/N in different soil types

3.4.2 土地利用方式改變對土壤SOC、TN含量的影響

土地利用方式改變對表層土壤SOC含量、TC含量及C/N的影響如表6所示。經(jīng)過40年的開墾，濕地開墾為旱地，SOC含量下降13.12×10-3；濕地開墾為水田，SOC含量下降11.81×10-3；林地開墾為旱地，SOC含量下降11.39×10-3；草地開墾為旱地，SOC含量下降3.60×10-3；40年間土地利用方式一直為旱地的，SOC含量下降4.84×10-3，一直為水田的，SOC含量上升1.43×10-3。自然生態(tài)系統(tǒng)轉變?yōu)檗r(nóng)田引起土壤SOC含量減少，分析其原因，一是農(nóng)田在耕作和種植的過程中，增加了對土壤的擾動，增加土壤微生物的活性，進而加快了有機質(zhì)的分解速率；二是林草被作物取代后使初級生產(chǎn)固定的碳素向土壤中的分配比例降低，收割減少地上生物量中碳素向土壤的輸入[18]。

表6 主要開墾類型土壤SOC、TN、C/N含量變化Table 6 Changes of soil SOC, TN and C/N contents in main reclamation types

經(jīng)過40年的開墾，濕地開墾為旱地，TN含量下降1.25×10-3；濕地開墾為水田，TN含量下降1.20×10-3；林地開墾為旱地，TN含量下降1.19×10-3；草地開墾為旱地，TN含量下降0.44×10-3；40年土地利用方式一直為旱地，TN含量下降0.58×10-3，一直為水田，TN含量下降0.08×10-3。開墾土壤TN含量都在下降，主要原因可能是TN含量和SOC含量相關性極高，所以SOC含量降低，導致TN含量隨之降低。

經(jīng)過40年的開墾，濕地開墾為旱地，C/N含量增加0.19；濕地開墾為水田，C/N含量增加0.51；林地開墾為旱地，C/N含量增加1.05；草地開墾為旱地，C/N含量增加0.72；40年土地利用方式一直為旱地的，C/N含量增加0.93，一直為水田的，C/N含量增加0.92。土地利用方式主要通過土壤養(yǎng)分輸入控制土壤碳氮積累和釋放速度來影響土壤碳氮含量[19-21]。水田C/N升高，主要因為水田處于淹水低溫狀態(tài)，有機碳分解緩慢易于積累，從而使C/N處于增加水平[22-25]。

4 結論

1)2019年研究區(qū)表層土壤SOC、TN含量及C/N比平均值分別為26.47×10-3、2.23×10-3、11.85，1979年平均值分別為35.60×10-3、3.18×10-3、11.18。經(jīng)過40年開墾，SOC含量下降了25.65%，TN含量下降了29.87%，C/N增加了6.00%。表層土壤SOC、TN表現(xiàn)為中等程度的空間變異性，C/N表現(xiàn)為弱變異的空間變異性，其空間分布受結構性因素和隨機性因素的共同影響，空間自相關范圍較大。研究區(qū)表層土壤SOC、TC、C/N的變程分別為697.7 km、311 km、61.8 km，SOC和TN的變程都較大。

2)研究區(qū)表層土壤SOC含量主要處于三等以上水平，整體呈現(xiàn)出較豐富和豐富、局部缺乏的分布特征。表層土壤TN含量主要處于三等以上水平，土壤TN含量普遍豐富，大部分呈現(xiàn)適中和較豐富，小面積嚴重缺氮。由此可見研究區(qū)表層土壤養(yǎng)分比較優(yōu)越，土壤養(yǎng)分缺乏的占比較少。

3)研究區(qū)表層土壤SOC、TN、C/N在不同土壤類型、不同土地利用類型下的養(yǎng)分含量呈一定的差異。表層土壤SOC含量與1979年相比，不同土壤類型SOC、TN含量都在下降，只有水稻土增加；開墾導致SOC、TN含量都在下降。土壤類型和土地利用方式變化等因素對研究區(qū)土壤養(yǎng)分的空間變異程度有著顯著影響。