松嫩典型黑土帶土壤碳氮磷儲(chǔ)量空間分布特征

宋春威, 杜會(huì)石

(吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 四平 136000)

黑土是在溫帶濕潤(rùn)半濕潤(rùn)氣候與草原草甸植被條件下,受獨(dú)特地形條件和成土母質(zhì)影響形成的土壤碳氮磷等有機(jī)質(zhì)含量較高、理化性質(zhì)和質(zhì)地結(jié)構(gòu)良好的均腐殖質(zhì)土壤,是一種獨(dú)具特色稀缺的土地資源[1]。北半球三大黑土區(qū)分別為烏克蘭大平原黑土區(qū)、美國(guó)中部大平原黑土區(qū)和中國(guó)東北平原,其中松嫩典型黑土帶位于中國(guó)東北平原內(nèi),該區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富,是最適宜農(nóng)耕的優(yōu)質(zhì)土地[2-3]。近年來,高強(qiáng)度的連續(xù)耕作致使該區(qū)土壤結(jié)構(gòu)破壞、土壤有機(jī)質(zhì)含量銳減、土壤物種豐度降低,成為學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[4-5]。在生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)過程中全碳(total carbon, TC)、全氮(total nitrogen,TN)和全磷(total phosphorus,TP)是極其重要的元素,不僅能提供植被生長(zhǎng)所需養(yǎng)分,還能改善土壤結(jié)構(gòu)和消解有機(jī)污染物[6]。因此,開展TC、TN和TP含量及空間分異研究,對(duì)維持黑土資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要參考價(jià)值。

受氣候變化、人類活動(dòng)、地形起伏與土壤類型等眾多因素的共同影響,TC、TN、TP含量存在顯著地帶性差異[7-8]。中外學(xué)者對(duì)土壤元素的化學(xué)計(jì)量研究很多,如Blesh等[9]通過對(duì)美國(guó)密西西比河玉米和大豆等作物TN含量進(jìn)行研究,認(rèn)為土壤中TN含量存在冗余,需要降低TN含量的投入而增加TC含量的投入。黃智軍等[10]通過對(duì)長(zhǎng)汀縣馬尾松林紅壤區(qū)的TC、TN、TP等元素的化學(xué)計(jì)量特征進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)郁閉度管理對(duì)土壤元素存在影響,且隨著土層深度加深有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。陶慧敏等[11]通過對(duì)滇南喀斯特地區(qū)黃壤區(qū)的人工林和自然群落的13種土壤元素進(jìn)行研究,將人工林土壤元素與灌木群落土壤元素進(jìn)行對(duì)比,認(rèn)為人工林TC、TN、TP元素較灌木林的相關(guān)性更強(qiáng)。何紹浪等[12]通過對(duì)江西省茶葉主生產(chǎn)地茶園進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳和TP等元素含量較高,且隨著種植年限的增加,有機(jī)碳和TN含量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。劉尊方等[13]通過對(duì)青海省湟水流域的土壤有機(jī)質(zhì)和速效磷的空間分布特征進(jìn)行探究,認(rèn)為高程主要受土壤有機(jī)質(zhì)影響,有效磷主要受土壤酸堿度(pondus hydrogenii, PH)的影響。張興義等[14]則借助74個(gè)薄層黑土樣本數(shù)據(jù)對(duì)中國(guó)黑龍江省雙城市土壤TC、TN和TP進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,認(rèn)為黑土TC、TN空間分布受黑土層厚度影響。此外,學(xué)者還就沿海濕地[15]、高原濕地[16]、坡耕地[17]與丘陵[18]等典型地貌的TC、TN、TP含量時(shí)空特征也作大量報(bào)道。總體來看,傳統(tǒng)土壤元素空間分布特征研究,多基于測(cè)量少數(shù)離散采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)分析,存在精確低、樣本少與代表性不高等窠臼[11-12]。同時(shí),部分學(xué)者僅使用單因子對(duì)土壤元素的空間分布特征進(jìn)行分析,因土壤元素受自然和人為等因素共同影響,故研究方法存有不足。而本研究則考慮各數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的空間相關(guān)性,基于克里金插值法,利用半變異方差函數(shù)精準(zhǔn)外推至松嫩典型黑土帶全區(qū)。并通過相關(guān)性分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析方法,定量分析氣候、地形、土壤質(zhì)地等因素對(duì)TC、TN、TP儲(chǔ)量的影響。

松嫩典型黑土帶是中國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地,對(duì)中國(guó)糧食安全和生態(tài)安全具有舉足輕重的作用。近幾十年來,不合理耕作方式和大量化工肥料使用導(dǎo)致土壤侵蝕嚴(yán)重、自然肥力下降、生態(tài)功能退化,土壤TC、TN與TP含量呈現(xiàn)失衡狀態(tài),并受到各界廣泛關(guān)注。亟需開展松嫩典型黑土帶TC、TN與TP化學(xué)元素含量空間分布、理化性質(zhì)轉(zhuǎn)換及其驅(qū)動(dòng)因素的研究工作。

因此,現(xiàn)以松嫩典型黑土帶為研究區(qū),利用野外土壤樣本實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)1 057件,基于典型統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)分析、灰色關(guān)聯(lián)分析、核密度分析與地統(tǒng)計(jì)分析等方法,研究0～20 cm耕層TC、TN、TP的空間分布與空間聚集特征,揭示黑土土壤碳氮磷元素含量空間異同性,探討其與氣候條件、土壤質(zhì)地、地形等因子的相關(guān)關(guān)系,以期為中國(guó)黑土地保護(hù)與利用提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

松嫩典型黑土帶(42°04′12″N～42°14′30″ N、126°04′09″E～126°33′30″ E),主要位于松嫩平原黑龍江西南部、吉林省中部,自北向南呈條帶狀分布,南北長(zhǎng)752.83 km,東西長(zhǎng)448.14 km,總面積約83 439 km2(圖1)。屬寒溫帶大陸濕潤(rùn)半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候過渡區(qū),全區(qū)最冷月和最熱月分別為1月和7月,降雨主要集中在夏季6—9月,年均平均氣溫介于-7～11 ℃,年平均降水量548.5 mm,無(wú)霜期128 d,太陽(yáng)輻射 504 kJ/cm2。海拔高度介于103～707 m,地貌類型主要以平原和波狀起伏低丘陵,坡度較緩且坡長(zhǎng)較長(zhǎng),現(xiàn)已多開發(fā)為農(nóng)田。研究區(qū)土地利用類型農(nóng)田和林地為主,二者約占松嫩典型黑土帶面積的93.40%。松嫩典型黑土帶分布著黑土、黑鈣土、棕壤、暗棕壤、草甸土、白漿土、水稻土、火山灰土、石灰土、沼澤土、新積土等類型。研究區(qū)土壤類型以黑土和草甸土為主,二者在研究區(qū)分布較均勻,共占研究區(qū)77.59%,面積分別為38 469 km2和 26 272 km2。其次為暗棕壤、黑鈣土、白漿土、沼澤土和水稻土,共占研究區(qū)面積的19.68%,其中暗棕壤面積最大約為6 976 km2。其余各土壤類型面積占研究區(qū)面積均低于2%,在研究區(qū)零星分布。自然植被類型自東向西從落葉闊葉林過渡到草地[19-20]。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling points in the research area

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

松嫩典型黑土帶野外土壤采樣數(shù)據(jù)收集與含量測(cè)定于2013年5—10月,共收集野外土壤采樣點(diǎn)1 057件(圖1)。每個(gè)采樣點(diǎn)以1 m為邊長(zhǎng)的正方形4個(gè)頂點(diǎn)及中心點(diǎn)共5個(gè)子采樣點(diǎn),采樣土壤提取深度為0～20 cm,土壤樣品去除植物根系和礫石等雜質(zhì)后裝入采樣袋封裝并標(biāo)注采樣點(diǎn)信息,采樣點(diǎn)中心位置用手持GPS打點(diǎn)并記錄(數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所)。TC、TN、TP、砂粒含量、黏粒含量、粉粒含量和PH數(shù)據(jù)來源于野外土壤采樣數(shù)據(jù)。TC、TN和TP的測(cè)定分別采用重鉻酸鉀-外加熱法、凱氏定氮法和鉬銻抗比色法,測(cè)定結(jié)果的平均值表示含量。根據(jù)國(guó)際系統(tǒng)劃分土壤顆粒粒度的方法將土壤質(zhì)地劃分為砂粒、粉粒和黏粒,用比重計(jì)法進(jìn)行測(cè)定。PH采用電位法進(jìn)行測(cè)量。年均氣溫、年均降水量等氣象數(shù)據(jù)下載自Google Earth Engine ECMWF Copernicus Climate Change Service數(shù)據(jù)集(https://earthengine.google.com)。數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)下載自中國(guó)地理空間數(shù)據(jù)云ASTER GDEM 30 M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)集(http://www.gscloud.cn/sources/accessdata)。土地利用類型數(shù)據(jù)和土壤類型數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017)將松嫩典型黑土帶劃分為耕地、林地、草地、水域、建筑用地和未利用地6類。

本文研究利用Excel 2016對(duì)土壤TC、TN、TP進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì),計(jì)算最大值、最小值、均值、偏度系數(shù)和變異系數(shù),運(yùn)用單因素方差分析的最小顯著差異進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。借助IBM SPSS Statistics(V.26.0) 分析松嫩典型黑土帶采樣點(diǎn)TC、TN、TP、砂粒含量、黏粒含量、粉粒含量、pH、年均氣溫、年均降水量、DEM等數(shù)據(jù)的相關(guān)性。采用K-S檢驗(yàn)法驗(yàn)證數(shù)據(jù)正態(tài)性,不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用Box-Cox變化方法使其滿足正態(tài)分布[21]。借助ArcGIS(V.10.2)的Interpolation Kriging工具,對(duì)松嫩典型黑土帶采樣點(diǎn)進(jìn)行空間插值,獲得TC、TN、TP、砂粒含量、黏粒含量、粉粒含量和pH的空間分布特征,運(yùn)用High/Low Clustering工具對(duì)C∶N、C∶P和N∶P進(jìn)行空間聚類分析。

2.2 研究方法

2.2.1 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析

變異系數(shù)是一種分析指標(biāo)數(shù)據(jù)變化幅度進(jìn)而減少其帶來的誤差,通過客觀賦權(quán)法求取指標(biāo)權(quán)重,可反映數(shù)據(jù)離散程度的絕對(duì)值。計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的變異系數(shù)的公式[22]為

(1)

式(1)中:CV、SD、MN分別為各指標(biāo)要素的相對(duì)變異程度、標(biāo)準(zhǔn)差、均值。CV<0.1為弱變異,介于0.1～1為中等變異,超過1為強(qiáng)變異。

2.2.2 地統(tǒng)計(jì)分析

地統(tǒng)計(jì)學(xué)是以區(qū)域化變量為基礎(chǔ),借助變異函數(shù),對(duì)同時(shí)具有空間隨機(jī)結(jié)構(gòu)和相關(guān)結(jié)構(gòu)的地理數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,模擬或計(jì)算這些地理數(shù)據(jù)的離散或波動(dòng)的方法統(tǒng)稱為地統(tǒng)計(jì)分析方法。本文研究利用變異函數(shù)理論,對(duì)TC、TN、TP含量的空間特征進(jìn)行分析,具體公式[23]為

(2)

式(2)中:γ(h)為變異函數(shù);N(h)為分割距離為h時(shí)的樣本點(diǎn)總數(shù);Z(xi)為Z(x)在空間位置xi處的實(shí)測(cè)值;Z(xi+h)為Z(x)在xi處距離h的實(shí)測(cè)值。

2.2.3 典型相關(guān)分析

典型相關(guān)分析在地理學(xué)各要素間應(yīng)用廣泛,是識(shí)別并量化地理空間兩組變量間相關(guān)性的一種統(tǒng)計(jì)方法,通過線性函數(shù)對(duì)兩組變量進(jìn)行線性變換,從而達(dá)到數(shù)據(jù)降維目的。具體公式[24]為

Ui=a1x1+a2x2+…+anxn

(3)

Vi=b1y1+b2y2+…+bnyn

(4)

式中:i為變量;n為變量個(gè)數(shù);a、b分別為綜合變量的Ui與Vi的自相關(guān)系數(shù);通過Ui與Vi的關(guān)系來研究x與y之間的相關(guān)關(guān)系。

2.2.4 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析是對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)間各因素之間的關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行定量分析,其隨時(shí)間或?qū)ο笠蛩馗淖兂尸F(xiàn)相似或相反的發(fā)展趨勢(shì),各要素間的理想序列越相似其變化趨勢(shì)就越接近,灰色關(guān)聯(lián)度越高,其公式[25]為

(5)

式(5)中:Ri為比較數(shù)列i處的元素值與參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)度;n為關(guān)聯(lián)要素?cái)?shù)量值;ζi為關(guān)聯(lián)系數(shù);k為關(guān)聯(lián)度取各結(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)系數(shù)均值。

2.2.5 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)分析是各數(shù)據(jù)間的依賴性即衡量空間數(shù)據(jù)屬性及其變化的相關(guān)程度。本文研究針對(duì)單一要素選取局部Moran指數(shù)來表達(dá)空間集散結(jié)構(gòu)及分布規(guī)律?？臻g關(guān)聯(lián)局部指標(biāo)聚類圖(local indicators of spatial association, LISA)是在局部Moran指數(shù)基礎(chǔ)上計(jì)算同類對(duì)象的相似度和不同對(duì)象之間的差異的結(jié)果,主要包含5種聚集模式:高高和低低兩種聚集區(qū)、高低和低高兩種異常聚集區(qū)和不顯著區(qū)域[26]。局部Moran指數(shù)的計(jì)算公式為

(6)

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤碳氮磷元素儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)分析

TC、TN、TP、C∶N、C∶P和N∶P含量分別介于6.86～74.74 g/kg、0.89～5.93 g/kg、0.54～3.77 g/kg、5.57～17.35 g/kg、4.26～39.00 g/kg、0.47～3.22 g/kg(表1),平均含量分別為19.25、1.91、1.28、10.10、15.25、1.52 g/kg。偏度系數(shù)均為正值且相對(duì)較小,表明樣本含量值接近均值且偏正態(tài)分布,說明土壤元素存在一定變化。TC、C∶N和C∶P的變異系數(shù)均小于0.1,這表明其變異程度較小,而TN、TP和N∶P的變異系數(shù)在0.1～1,為中等程度變異,且變異程度大小為TN=TP>N∶P>C∶N>C∶P>TC。根據(jù)第二次全國(guó)土壤普查,黑土區(qū)土壤TC、TN和TP平均含量分別為14.00、1.50、0.80 g/kg,其含量遠(yuǎn)低于松嫩典型黑土帶,這表明松嫩典型黑土帶TC、TN和TP含量較高。

表1 松嫩典型黑土帶樣點(diǎn)表層土壤性質(zhì)統(tǒng)計(jì)描述Table 1 Statistical description of the surface soil properties of Songnen’s typical black soil strip sample points

3.2 土壤碳氮磷元素儲(chǔ)量核密度分析和空間分布特征

通過核密度分析工具對(duì)TC、TN和TP分別進(jìn)行空間分析(圖2)。TC、TN和TP核密度分別介于0～11 300 g/(kg·km2)、0～1 200 g/(kg·km2)和0～750 g/(kg·km2)。根據(jù)自然斷點(diǎn)法,將TC、TN和TP核密度值超過6 000、600、400 g/(kg·km2)為高密度熱點(diǎn)區(qū)域,其主要分布于巴彥縣、北安市和雙城區(qū)西部,阿城區(qū)東部,海倫市、呼蘭區(qū)、梨樹縣、德惠市和公主嶺市中部,五常市、榆樹市和德惠市北部以及哈爾濱市直轄區(qū)南部。中密度熱點(diǎn)區(qū)域TC、TN和TP核密度值略低于高密度熱值區(qū)域,其主要分布在高密度熱點(diǎn)區(qū)附近。

圖2 TC、TN和TP核密度分析Fig.2 TC, TN and TP kernel density analysis

松嫩典型黑土帶TC、TN和TP含量隨著緯度的增加呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì),其變化規(guī)律具有一致性,如圖3所示。研究區(qū)TC、TN和TP含量超過36、3.2、2 g/kg為其分布的高值區(qū),其主要分布在松嫩典型黑土帶的東北部,其面積約占研究區(qū)的9%。這可能是因?yàn)樵搮^(qū)土壤層高于其他地區(qū),有部分中層黑土分布,其次是由于該區(qū)保護(hù)地較多,化肥使用量較高。研究區(qū)TC、TN和TP含量低于18、1.8、1.2 g/kg為其分布的低值區(qū),其主要分布在松嫩典型黑土帶中部的哈爾濱市、雙城區(qū)、阿城區(qū)和賓縣以及松嫩典型黑土帶南部的梨樹縣、伊通滿族自治縣、公主嶺市、長(zhǎng)春市、九臺(tái)區(qū)、永吉縣、德惠市、榆樹市和扶余區(qū)等地,黑龍江省呼蘭區(qū)、巴彥縣、綏化市、拜泉縣、青岡縣和依安縣也存在少量分布,其面積約占研究區(qū)的37%。這主要是因?yàn)樵搮^(qū)土壤層相對(duì)較薄,土壤各元素含量相對(duì)較低,其次是由于連年耕作玉米,玉米消耗土壤TC、TN和TP含量較高得不到及時(shí)補(bǔ)充所致。

圖3 TC、TN和TP空間分布特征Fig.3 Characteristics of spatial distribution of TC, TN and TP

3.3 土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量比空間分布和聚集性特征

松嫩典型黑土帶C∶N、C∶P和N∶P的空間分布特征受TC、TN和TP空間儲(chǔ)量影響(圖4),其中C∶N含量與TC、TN的空間分布特征具有一致性,這表明TC和TN在低值區(qū)含量相對(duì)較近,而在高值區(qū)含量差異較大。C∶P和N∶P含量空間變化與C∶N略有不同,C∶P、N∶P含量超過18、1.8為高值區(qū),其主要分布在松嫩典型黑土帶的西北部。C∶P、N∶P含量低于10、1為低值區(qū),其主要分布在松嫩典型黑土帶中部和南部,這表明研究區(qū)的TC、TN兩種元素與TP相對(duì)接近,東北部TC、TN含量差異相對(duì)較大。

圖4 C∶N、C∶P和N∶P的空間分布Fig.4 Spatial distribution of C∶N, C∶P and N∶P

C∶N、C∶P和N∶P的空間聚集性呈現(xiàn)不同變化特征(圖5),C∶N、C∶P和N∶P高聚集區(qū)域主要集中分布于松嫩典型黑土帶的北部,C∶N在吉林省榆樹市也存在高聚集區(qū)域,N∶P在哈爾濱市轄區(qū)和雙城區(qū)也有高聚集區(qū)域,C∶N、C∶P、N∶P分別超過10、15和1.5,這表明TC、TN和TP儲(chǔ)量在高聚集區(qū)域差異較大。C∶N的低聚集區(qū)域主要分布在松嫩典型黑土帶中部以及公主嶺等地區(qū),C∶P和N∶P的低值聚集區(qū)域主要分布在研究區(qū)南部,黑龍江省賓縣和巴彥縣也有少量分布,C∶N、C∶P和N∶P分別不超過10、15和1.5,這也表明低聚集區(qū)域TC、TN和TP儲(chǔ)量差異較小。

圖5 C∶N、C∶P和N∶P聚類分析Fig.5 C∶N, C∶P and N∶P cluster analysis

3.4 土壤質(zhì)地空間分布特征

松嫩典型黑土帶土壤中砂粒含量最高,其次為黏粒,最小的為粉粒(圖6)。研究區(qū)砂粒含量幾乎全部超過30%,砂粒含量在30%～40%,TC、TN、TP達(dá)到最大值,含量分別介于8.94～74.74 g/kg、1.02～5.93 g/kg、0.71～3.56 g/kg。研究區(qū)內(nèi)黏粒含量達(dá)30%以上的為松嫩典型黑土帶北部,研究區(qū)中部和伊通滿族自治縣等地也有少量分布,TC、TN、TP最大值區(qū)域,含量分別介于8.21～74.74 g/kg、0.97～5.93 g/kg、0.54～3.76 g/kg。研究區(qū)粉粒含量在30%以上,其主要分布在黑龍江省五大連池市和北安市以及松嫩典型黑土區(qū)中部和公主嶺市等,TC、TN和TP含量分別介于6.86～74.74 g/kg、0.94～5.93 g/kg、0.66～3.76 g/kg。從整體上看,五大連池市和北安市粉粒含量較高,黏粒含量適中,砂粒含量相對(duì)較少,其TC、TN和TP含量較為豐富;而研究區(qū)南部粉粒含量較高地區(qū),砂粒含量適中,黏粒含量相對(duì)較少地區(qū),TC、TN和TP含量相對(duì)較少。

圖6 土壤質(zhì)地空間分布圖Fig.6 Spatial distribution map of soil texture

3.5 松嫩典型黑土帶碳氮磷儲(chǔ)量影響因素分析

松嫩典型黑土帶土壤TC、TN和TP含量分布,主要受多方面自然和人文雙重因素共同影響,如圖7所示。松嫩典型黑土帶大部分以平原為主,但其北部以山地為主,高程自北向南呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。0～20 cm耕層內(nèi),TC、TN和TP元素在地勢(shì)較高的地區(qū)含量較高,地勢(shì)較低的地區(qū)其含量相對(duì)較少。研究區(qū)年均氣溫自北向南呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),高值區(qū)主要分布在年均氣溫較低區(qū),低值區(qū)主要分布在年均氣溫較高區(qū)。降水量自北向南呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),其中松嫩典型黑土帶北部降水量較少區(qū)域土壤的TC、TN、TP含量較高。土壤pH也呈現(xiàn)自北向南逐漸減弱的趨勢(shì),在松嫩典型黑土帶南部土壤pH接近于5.5,TC、TN和TP含量值低,研究區(qū)北部土壤pH約為7,TC、TN和TP含量也相對(duì)較低,土壤pH為6.0～6.5更有利提高土壤TC、TN和TP儲(chǔ)量。根據(jù)土地利用變化數(shù)據(jù)可知,研究區(qū)南部建筑用地明顯多于研究區(qū)北部,故人口數(shù)量也明顯多于研究區(qū)北部,人口數(shù)量自北向南呈現(xiàn)遞減趨勢(shì),0～20 cm耕層內(nèi)黑土地的TC、TN、TP含量也呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。

圖7 影響因子空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of impact factors

4 討論

4.1 不同區(qū)域土壤碳氮磷儲(chǔ)量異同性

科學(xué)掌握松嫩典型黑土帶土壤元素儲(chǔ)量空間分布特征,可為保護(hù)黑土和制定合理土地利用方案提供參考[23]。本文研究對(duì)松嫩典型黑土帶碳氮磷元素含量進(jìn)行分析,結(jié)果表明TC、TN和TP均值含量較高,分別為19.25、1.91、1.28 g/kg。江西省農(nóng)田中0～20 cm耕層土壤TN和TP含量均值分別為1.58、0.52 g/kg[27],松嫩典型黑土帶TN和TP均值含量約是TN和TP含量的1.21倍和2.46倍。新疆石河子墾區(qū)農(nóng)田TN含量和C∶N比均值分別0.68和9.73[28],松嫩典型黑土帶的TN和C∶N的含量分別是新疆石河子墾區(qū)農(nóng)田的2.81倍和1.03倍,這足以說明黑土帶的TC、TN和TP的儲(chǔ)備豐富,其生產(chǎn)潛力優(yōu)勢(shì)巨大。此外,山東膠東半島[29]和福建丘陵紅壤[30]等地區(qū)土壤TN和TP含量也明顯低于黑土帶。而同為黑土區(qū)第聶伯河畔的烏克蘭大平原其儲(chǔ)量均值略高于松嫩典型黑土帶,這與烏克蘭平原黑土面積巨大和土層較厚相關(guān),土壤TC、TN、TP含量較為豐富[31]。陶玉華等[15]對(duì)廣西壯族自治區(qū)的仙島公園和沙井紅樹林的土壤進(jìn)行研究,通過測(cè)量土壤TC和TN含量,仙島公園TN和TP含量明顯高于沙井,但松嫩典型黑土帶TN均值含量明顯高于紅樹林,TC含量低于仙島公園的紅樹林,這可能是由于仙島公園人類活動(dòng)較低,植被枯落物在微生物的分解作用下,使TC含量顯著升高,而耕地秸稈大多焚燒,且土壤TC和TP含量主要來源于人工施肥,極易流失。

4.2 黑土區(qū)域土壤碳氮磷儲(chǔ)量異同性

中國(guó)黑土區(qū)TC、TN和TP儲(chǔ)量不同其研究結(jié)果也存在差異[14]。馬泉來等[32]通過對(duì)東北黑土區(qū)的海溝河表層小流域進(jìn)行研究,測(cè)得其均值與本研究結(jié)果較為相似。賈樹海等[3]和王曉波等[4]也與證實(shí)了中國(guó)黑土區(qū)不同區(qū)域TC、TN和TP儲(chǔ)量存在差異。李爽等[33]通過對(duì)吉林省農(nóng)田表層0～20 cm土壤的TN含量進(jìn)行測(cè)量,并分析認(rèn)為吉林省農(nóng)田土壤TN平均含量為1.74 g/kg明顯低于松嫩典型黑土帶,降幅約9.11%,這是由于松嫩典型黑土帶部分位于吉林省中部,其余部分主要分布在黑龍江省南部,遼寧和內(nèi)蒙古也有少量分布但占比較小,而吉林省面積較大,土壤類型多樣,其余土壤類型TN均值含量影響了吉林省中部的松嫩典型黑土帶的TN均值含量,全省整體TN含量呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。韓秉進(jìn)等[34]對(duì)東北黑土農(nóng)田區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行采集和含量測(cè)定,認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)含量和TN含量具有顯著的地域性,這與本研究結(jié)果一致。邢云飛等[35]對(duì)青海省三江源的黑土灘草地TC、TN、TP含量進(jìn)行分析,認(rèn)為C∶N、C∶P和N∶P在不同草地土壤中的變化范圍介于8.18～14.19、23.26～42.86、2.78～3.38,高于中國(guó)松嫩典型黑土帶耕地的各元素間的比值,這表明松嫩典型黑土帶各土壤元素含量差異較低。

4.3 土壤碳氮磷儲(chǔ)量影響因素分析

土壤中作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要載體,TC、TN和TP元素含量分布受人類活動(dòng)、地理環(huán)特性、氣候條件等一系列因素共同制約[36]。本文研究選取了松嫩黑土帶年均氣溫、年均降水量、土壤酸堿度、DEM、土壤質(zhì)地等因子進(jìn)行典型相關(guān)分析和灰色關(guān)聯(lián)性分析(圖8),松嫩典型黑土帶中土壤TC、TN、TP的含量與氣候因子、土壤因子和地形因子等均存在相關(guān)性且TP元素含量與各影響因子間相關(guān)性較強(qiáng)。王子龍等[37]通過對(duì)松嫩平原黑土區(qū)進(jìn)行分析,認(rèn)為高程較低的地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較少,Tashi等[38]通過研究喜馬拉雅山脈東部的土壤TC和TN的研究也證明此觀點(diǎn),本文研究也認(rèn)為松嫩平原黑土帶平原地區(qū)地勢(shì)較平坦易于開發(fā),但由于人類不合理的利用致使其土壤TC、TN和TP元素降低,而地勢(shì)較高地區(qū)土壤各元素含量相對(duì)較高。貝昭賢等[39]通過對(duì)人工林地磷元素的研究,表明溫度升高可提高有效磷的含量,促進(jìn)植被對(duì)TP元素的吸收,進(jìn)而降低土壤中TP元素含量。李佳佳等[40]對(duì)黃土高原地區(qū)土壤化學(xué)元素進(jìn)行計(jì)量,研究表明C∶N、C∶P和N∶P化學(xué)計(jì)量比隨著降雨量減少而呈現(xiàn)降低趨勢(shì),這與本文研究結(jié)果一致。本文研究結(jié)果表明,年均溫度和年均降水量等氣象因子降低,土壤C∶N化學(xué)計(jì)量比呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。王學(xué)寅等[41]通過地統(tǒng)計(jì)分析對(duì)瑞安市7大類土壤中多種養(yǎng)分元素進(jìn)行分析,認(rèn)為成土母質(zhì)因子、地形因子和土壤因子等因素對(duì)土壤元素具有一定影響。Duan等[42]研究表明大氣沉降等氣候因素的改變會(huì)改變土壤碳氮元素含量密度,本文研究也認(rèn)為地形因子、土壤因子和氣候因子等對(duì)土壤TC、TN和TP含量具有一定的影響。松嫩典型黑土帶農(nóng)田在耕作過程中人工施肥、噴灑農(nóng)藥以及秸稈焚燒或還田等影響土壤TC、TN和TP含量變化最為顯著[43]。Blesh等[9]認(rèn)為濕地退化等土地利用變化能顯著降低土壤全碳、全氮含量,這與本文研究結(jié)果一致,人口密度和人類活動(dòng)增加致使土地利用類型轉(zhuǎn)化速率加快,進(jìn)而影響TC、TN和TP土壤養(yǎng)分含量的空間變化趨勢(shì)。

圖8 土壤元素和影響因素間相關(guān)性Fig.8 Correlation between soil elements and influencing factors

5 結(jié)論

松嫩典型黑土帶TC、TN、TP含量分別介于6.86～74.74 g/kg、0.89～5.93 g/kg、0.54～3.77 g/kg,其均值分別為19.25、1.91、1.28。TC、TN、TP含量整體偏正態(tài)分布,TC、C∶N和C∶P為弱變異,TN、TP和N∶P為中等程度變異。TC、TN、TP含量分別超過36、3.2、2 g/kg為高值區(qū),含量分別低于18、1.8、1.2 g/kg為低值區(qū)。

松嫩典型黑土帶TC、TN、TP空間差異性顯著,TC、TN和TP核密度值超過6 000、600、400 g/(kg·km2)為高密度熱點(diǎn)區(qū)域。TC、TN、TP和C∶N隨著緯度的增加,其含量呈逐漸上升的趨勢(shì),C∶P和N∶P隨著緯度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。在研究區(qū)北部TC、TN、TP存在差異較大,在研究區(qū)南部其差異較小。

松嫩典型黑土帶五大連池市和北安市土壤粉粒含量較高達(dá)30%,TC、TN和TP含量也相對(duì)較高,分別介于6.86～74.74 g/kg、0.94～5.93 g/kg、0.66～3.76 g/kg。TC、TN、TP含量與年均氣溫、年均降水、土壤酸堿度、地形等自然條件和土地利用等人文因素相關(guān)。

TC、TN和TP儲(chǔ)量和空間特征是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)過程,受多種因素共同影響。本文研究運(yùn)用1 057件實(shí)測(cè)樣本對(duì)松嫩典型黑土帶TC、TN和TP儲(chǔ)量的空間特征和影響因素進(jìn)行分析。在未來研究中,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注松嫩典型黑土帶的TC、TN和TP儲(chǔ)量長(zhǎng)時(shí)序的空間變化特征。