2020, Vol. 29
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2. 中国地质调查局 黑土地演化与生态效应重点实验室, 辽宁 沈阳 110034;
3. 中国地质大学, 北京 100101
2. Key Laboratory of Black Land Evolution and Ecological Effects, CGS, Shenyang 110034, China;
3. China University of Geosciences, Beijing 100101, China
黑土是一定的地形地貌在较寒冷气候条件下, 地表植被经过长时间腐殖演化而形成, 有机质含量多在4%~12%之间[1].自然黑土C/N比值为10~14, 黏粒含量大于35% [2], 土壤呈酸性, 粒状和团粒状结构, 吸水性和保水性良好, 土壤养分丰富, 特别适合农作物生长.一般认为植物必需养分元素主要有N、P、K、Ca、Mg、S、Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、B、Cl、C、H、O等16种.根据植物体内含量不同, 又可分为大量元素(N、P、K、Ca、Mg、S、C、H、O)和微量元素(Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、B、Cl) [3].
汪景宽等[4]通过试验研究, 发现黑土开垦后尚没有对土壤全钾含量产生很大影响, 黑土表层中有机质与全氮、全硫和全磷之间都有极显著的正相关, 有机质与速效钾也达到显著相关水平, 认为土壤有机质可以作为黑土养分方面的综合质量指标.他们进一步研究公主岭、海伦和北安地区黑土全锌、全锰、全铜和全铁平均含量并与1980年第二次土壤普查结果对比, 得出各养分元素含量基本一致, 有效锌、有效锰、有效铜和有效铁的平均含量都高于缺素的临界值, 认为3个地区黑土中目前不会出现微量元素严重缺乏的现象.其他研究也大多集中在土壤有机碳、氮、磷及钾等指标[5-11], 认为黑土退化以有机质、氮和磷主要养分流失为特点.
自然黑土形成后, 人类活动影响远远超过了自然变化影响的速率和程度.土地利用行为特别是农业开垦和森林砍伐, 会导致陆地生态系统向大气释放大量碳, 是工业革命以来甚至全新世大气CO2浓度不断升高的主要原因之一[12-13].土地利用方式变化不仅直接改变了地表植被类型和覆盖程度, 从而影响土壤有机碳的输入, 而且还引起了土壤理化性质的变化, 对土壤的固碳能力也产生重要影响[14-15].草原植被光合作用的有机产物中92%以上分布在地下, 同时草本植物每年均有大量的根系死亡进入土壤碳循环过程.在相同的气候条件下, 草原土壤有机碳约为森林土壤有机碳的2倍[16].对于农田土壤, 由于收割时农作物的残茬常被移除, 地表有机物的淋溶损失较大, 存留的作物残体的分解能力较弱, 因此其有机碳密度常常低于森林土壤[17]; 而在缺乏地表植被覆盖的沙漠和荒漠地区, 植被和土壤的碳密度几乎为零[18].
土壤pH和CaCO3含量对土壤有机质含量有重要影响[19].人为活动可导致强酸性或强碱性土壤环境以及土壤C/N值的改变, 土壤强酸性环境会抑制微生物的活动而降低有机碳分解速率, 土壤固碳能力就较强[20].当土壤氮素增加时, 土壤C/N降低, 可以促进微生物的活动, 提高土壤有机质的分解速率[21], 土壤有机碳含量降低.黑土在垦殖后土壤总有机碳和全氮含量持续下降[6], 化肥的大量使用, 农作物清种和连作, 土壤的矿化速度不断加速, 土壤板结, 导致土壤中某些营养元素的严重缺乏, 土壤C/N值发生改变, 造成土壤营养元素比例失调[22].有研究显示, 黑土总有机碳含量随着开垦时间的增长而降低, 开垦0~50 a, 黑土总有机碳含量下降较快, 开垦50 a后下降缓慢, 开垦至130 a后, 其含量基本上维持在同一水平而不再下降.黑土耕作200 a, 耕层总有机碳含量损失幅度约1.76%~24.81% [5].而土壤有机碳的微小变化将对大气CO2浓度产生显著影响, 农业土壤已被认同是大气CO2的一个重要来源, 对大气温室气体累积贡献量占人类活动释放到大气CO2的1/4, 最终会影响土壤乃至整个陆地生态系统的可持续性[23-25], Lal等人也估算, 农业土壤对大气温室气体累积贡献量占人类活动释放到大气CO2的1/4, 农田土壤因侵蚀而迁移的有机碳20%被矿化释放到大气中[25-27].
1 研究区概况东北黑土区在地域分布上主要包括松嫩平原、三江平原、大兴安岭山前平原、辽河平原, 北达黑龙江, 东延伸至小兴安岭和长白山山间谷地以及三江平原, 南抵辽宁千山, 西连内蒙古高原.平原区多为第四纪沉积物覆盖, 岩性为冲积、洪积、风积、冰水堆积、海陆交互相碎屑堆积物, 局部发育火山岩.基岩露头少, 在盆地边缘可见断续出露的中生代地质体.
研究区位于东北黑土核心区, 也是东北地区粮食主产区.根据何凡能等对东北黑土区土地利用空间格局动态变化对比[28-29], 研究区自18世纪初开始开垦, 开垦主要集中在辽宁省, 开垦程度比较低, 开垦率为10%左右; 至19世纪末(1887年)开垦向北拓展至吉林省, 随后东北黑土进入快速开垦时期; 至20世纪初, 吉林省和辽宁省大部分地区开垦率达到70%左右, 黑龙江省黑土区呈现初垦; 1990年, 东北平原大部分黑土区垦殖程度均较高, 平原大部分地区垦殖率达90%.辽宁省土地开发约为280 a, 吉林省约为200 a, 黑龙江省开发约为120 a.研究区最主要土地利用类型为耕地, 占研究区总面积的75.81%, 其次为林地、草地、盐碱荒地、内陆滩涂、水域和建设用地, 分别占研究区11.27%、4.39%、2.23%、1.48%、2.47%和2.33% [30-32].主要农作物为水稻、玉米、大豆、高粱、小麦、甜菜.土壤类型主要为暗棕壤、棕壤、白浆土、黑土、黑钙土、草甸土、栗钙土、盐碱土、潮土、水稻土、沼泽土、风沙土、褐土[33-36].
2 材料与方法 2.1 数据来源研究数据来源于2016~2018年开展的东北黑土地1 : 25万质量地球化学调查项目.表层土壤采样密度为1点/km2, 采样深度为0~20 cm, 4 km2组合样品进行分析测试; 深层土壤采样密度为1点/4 km2, 采样深度为150~180 cm, 16 km2组合样品进行分析测试.分析Mn、Se、SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO、总碳、有机碳、pH等54项指标.样品分析分别由辽宁省地质矿产研究院、吉林省地质科学研究所和黑龙江省地质矿产测试应用研究所承担.全碳和有机碳采用容量法, CaO、MgO、Fe2O3、K2O、Na2O、SiO2、Al2O3、Mn采用X射线荧光光谱法, pH采用玻璃电极法测试.测试分析采用实验室外部质量监控和内部质量监控相结合、以外部质量监控为主的方法监控分析质量.
2.2 数据处理土壤中有机质、氮、磷、钾全量评价参照全国第二次土壤普查养分分级标准进行养分等级划分, 在氮、磷、钾土壤单指标养分地球化学等级划分基础上, 按照下列公式计算土壤养分地球化学综合得分.
| $ {f_{养综}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{k_i}{f_i}} $ | (1) |
式中, f养综为土壤N、P、K评价总得分, 1≤ f养综≤5; ki为N、P、K权重系数, 分别为0.4、0.4、0.2; fi分别为土壤N、P、K的单元素等级得分. 5等、4等、3等、2等、1等所对应的fi得分分别为1、2、3、4、5分.
3 黑土退化地球化学指示 3.1 土壤养分平衡特征对有机质丰富(>3.0)、有机质缺乏( <2.0)、强酸性(pH <5.5)、强碱性(pH >7.5)的土壤以及30 a以来土壤呈现碳亏损区分别统计计算土壤C/N值显示, 强碱性土壤以及相对于20世纪80年代的碳亏损区土壤C/N值分别为8.94和9.49, 黑土土壤养分不平衡(表 1), 在有机质缺乏区土壤C/N值为8.85(图 1).这些参数特征表明, 土壤有机碳消耗及向盐碱化发展过程中, 土壤养分明显下降, 当黑土演变为强碱性土壤及土壤有机碳消耗至缺乏时, 土壤养分平衡被破坏, N、P、S等元素同时降到缺乏状况; 而在土壤有机质丰富区, 土壤C/N值为13.2, 适合土壤微生物累积, 土壤N、P、S等元素也为明显的高含量特征.从上述土壤属性参数及主要养分元素含量特点可以看出, 人类活动以及自然因素导致的黑土土壤有机质消耗和盐碱化是退化重要因素.
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表 1 不同土壤属性C/N值及大量元素平均值 |
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图 1 不同属性特征土壤C/N平均值 Fig.1 Average C/N values of major elements in different soil properties a—本次研究(the present study); b—全国第二次土壤普查结果(the second national soil survey) |
有实验显示, 典型黑土土壤中pH的微弱变化(0.5左右), 会对土壤中某些微量营养元素产生难以想象的影响[37].因此, 本次研究对上述各种对有机质丰富、有表 1不同土壤属性C/N值及大量元素平均值机质缺乏、强酸性、强碱性的土壤以及30 a以来土壤呈现碳亏损区、pH增加0.45以上的数据进行聚类分析.分析结果显示, 强酸性土壤与有机质丰富区土壤元素组合特征极为相似(图 2、3).第一类组合为TC、Corg、N、P、S、Mo, 代表着土壤养分中植物生长必需的大量元素, 在一定程度上体现了自然黑土的基本特征; 第二类为Fe2O3、Al2O3、Cu、Zn、Mn(MgO), 代表土壤质地的特征元素组合.强碱性土壤、30 a以来土壤pH值增加0.45以上区域及30 a以来碳源区土壤元素组合特征相似(图 4~6).第一类组合均为代表土壤质地的特征元素组合(Fe2O3、Al2O3、Cu、Zn、Mn(MgO)), 第二类组合为大量元素TC、Corg、N组合.土壤有机质缺乏区聚类分析显示, 只有代表土壤质地的特征元素组合(Fe2O3、Al2O3、Cu、Zn、Mn)相关性较强, 土壤有机碳、N、P之间相关性明显弱.在盐碱化及碳源区等黑土退化过程中的元素组合特征表明, 土壤养分的大量元素协同规律逐渐被破坏, 但代表土壤质地的特征元素仍具有保持"生命共同体"密切相关的特点, 表明黑土有机质降低是导致土壤结构破坏和养分元素比例失衡的关键控制因素, 当土壤有机质含量降到小于2.0%(缺乏)时, 土壤养分失衡(图 7).
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图 2 强酸性土壤养分元素聚类分析谱系图 Fig.2 Cluster analysis pedigree diagram of nutrient elements in strongly acidic soil C-Corg 0.983; C-N 0.958; C-P 0.862; Fe2O3-MgO 0.816; Fe2O3-Zn 0.753; Cu-Fe2O3 0.711; C-S 0.613; Cu-Mn 0.563; C-Mo 0.463; C-Cu 0.443; C-Se 0.358; Cu-CaO 0.267; C-Cl 0.174; B-C 0.036; K2O-pH 0.003; B-K2O-0.510 |
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图 3 有机质丰富区土壤养分元素聚类分析谱系图 Fig.3 Cluster analysis pedigree diagram of soil nutrient elements in area rich in organic matters MgO-pH 0.915; C-Corg 0.907; C-N 0.879; Al2O3-Fe2O3 0.686; C-S 0.591; Cu-Zn 0.560; K2O-SiO2 0.474; C-P 0.461; Al2O3-Cu 0.400; Al2O3-Mn 0.359; MgO-Mo 0.253; K2O-MgO 0.150; Al2O3-B 0.137; CaO-Cl 0.131; C-CaO 0.029; Al2O3-K2O 0.025; Al2O3-C 0.129 |
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图 4 强碱性土壤区养分元素聚类分析谱系图 Fig.4 Cluster analysis pedigree diagram of soil nutrient elements in strongly alkaline soils Cu-Fe2O3 0.919; Corg-N 0.901; C-Corg 0.877; Cu-Zn 0.852; Al2O3-Cu 0.825; Al2O3-Mn 0.816; Al2O3-P 0.721; K2O-SiO2 0.605; Al2O3-C 0.572; Al2O3-B 0.423; Al2O3-Rb 0.412; Cl-S 0.360; Al2O3-Mo 0.334; Al2O3-CaO 0.217; Al2O3-Cl 0.180; K2O-pH 0.069; Al2O3-K2O 0.637 |
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图 5 30年来pH增加0.45以上土壤区养分元素聚类分析谱系图 Fig.5 Cluster analysis pedigree diagram of nutrient elements in soil with pH value increased by more than 0.45 over the past 30 years Corg-N 0.895; MgO-pH 0.882; C-Corg 0.873; Al2O3-Fe2O3 0.797; Al2O3-Cu 0.759; Al2O3-P 0.714; K2O-SiO2 0.529; Al2O3-C 0.453; Cl-S 0.417; Al2O3-Cl 0.162; CaO-MgO 0.119; Al2O3-CaO 0.028; Al2O3-K2O-0.690 |
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图 6 30年来土壤碳源区养分元素聚类分析谱系图 Fig.6 Cluster analysis pedigree diagram of nutrient elements in soil carbon source area over the past 30 years Corg-N 0.910; Fe2O3-Zn 0.897; Cu-Fe2O3 0.840; C-Corg 0.836; Cu-Mn 0.767; Cu-Se 0.735; Cu-P 0.716; CaO-pH 0.633; C-Cu 0.610; C-MgO 0.466; Cl-S 0.435; B-C 0.383; CaO-C 0.228, B-CaO 0.044; B-Mo 0.0071; B-K2O 0.637 |
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图 7 土壤有机质缺乏区养分元素聚类分析谱系图 Fig.7 Cluster analysis pedigree diagram of nutrient elements in area lack of organic matters Fe2O3-Zn 0.920; Fe2O3-Mn 0.889; Cu-Fe2O3 0.820; C-CaO 0.796; Cu-Al2O3 0.785; Cu-P 0.762; K2O-SiO2 0.625; Cu-MgO 0.575; pH-C 0.525; S-Cl 0.518; Cu-B 0.454; Cu-N 0.408; Cu-pH 0.207; pH-S 0.173; Cu-Mo 0.030; Corg-Cu 0.022; Corg-K2O-0.072 |
将本次研究获取的吉林省公主岭和黑龙江省海伦地区微量元素Cu、Zn、全铁、Mn分别计算平均值, 与2000年监测[6]对比显示:在公主岭和海伦地区, 除Cu元素平均值差别不明显外, 近20 a微量元素Mn、全铁、Zn三个指标明显降低, 其中海伦地区全铁降低达45%以上(表 2).黑土在退化过程中, 不可忽视微量元素的下降.
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表 2 20年来海伦及公主岭地区土壤微量元素含量变化情况 Table 2 Content variation of soil trace elements in Hailun and Gongzhuling areas over the past 20 years |
对研究区土壤有机质评价统计显示, 50.54%的土壤有机质缺乏, 与20世纪80年代全国第二次土壤普查对比显示, 土壤有机碳下降了12.8%.典型黑土区有机碳下降更为明显, 为28.8%;土壤全氮下降7.5%, 全磷下降4.69%, 全钾上升18.26%. 30 a以来研究区54.45%地区为土壤养分下降区(退化区), 土壤有机碳总体减少131 Mt, 按20%释放到大气计算, 东北地区向大气释放碳数量为26.2 Mt.
研究区不同生态系统对土壤有机碳变化具有明显影响, 农田生态系统土壤有机碳下降14.58%, 森林生态系统土壤有机碳基本保持不变, 草地生态系统土壤有机碳下降最为明显, 达20.5%(图 8).农田生态系统的土壤有机碳明显下降, 且有机碳下降过程中的N、P、S等元素含量较低, 表明开垦荒地和翻耕农田一方面消耗土壤有机碳, 同时加剧营养元素流失, 土壤成分破坏.已有研究表明, 草原生态系统土壤有机碳库随温度增加呈指数下降[38], 草原群落土壤呼吸速率与土壤温度间存有显著的相关关系, 呼吸量随温度升高呈指数上升[39-42], 但森林土壤有机碳分解速率并不受温度控制, 升温不会加速森林矿质土壤有机碳分解[43].本研究中草地生态系统土壤有机碳明显下降而森林生态系统土壤有机碳基本不变的结果与上述研究结果一致.
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图 8 30年来研究区土壤有机碳空间变化程度 Fig.8 Spatial variation degree of soil organic carbon in the study area over the past 30 years |
土壤养分综合评价显示, 30 a以来土壤养分缺乏的面积比例基本保持不变, 土壤养分丰富面积比例由16.76%下降到7.36%, 土壤养分中等面积比例增加近10%(表 3), 表现为优质黑土正逐步向中等黑土变化的过程.黑龙江省黑土开垦相对较晚, 土壤养分下降明显.因此表明土壤养分在开垦初期下降明显, 随开垦年限的增加, 土壤养分趋于平衡, 下降程度降低.
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表 3 30年来研究区土壤养分丰缺演变状况 Table 3 Enrichment-deficiency evolution of soil nutrients in the study area over the past 30 years |
土地利用活动通过改变地表植被覆盖, 直接造成植被和土壤碳库的变化, 这种影响会持续一定时间, 碳库损失量和随时间的变化与土地利用类型有关[44].从30 a以来黑土有机碳下降程度(图 8)对比发现, 黑土有机碳在黑龙江省开垦近120 a的地区为明显碳源区, 有机碳下降程度最高.同时显示, 30 a以来土壤有机质含量随生态系统发生改变而变化非常明显.主要表现为:在森林生态系统、草原生态系统转为农田生态系统以及水田改为旱田地区, 土壤有机质含量明显为负增长; 除此外, 在松辽平原中西部荒漠化区, 30 a以来一直为未利用地的局部地区, 土壤有机质同样呈负增长.不同时期土地利用类型与土壤盐碱化分布特征对比显示, 黑土荒漠化、盐碱化与土地利用程度相关性较弱, 以自然因素影响为主.可以认为土地荒漠化、盐碱化是黑土退化的又一关键因素.
6 讨论研究区土壤有机质下降、盐碱化是黑土退化的关键因素.有机质下降过程中, 土壤全氮、全磷、全硫及其他大量、微量营养元素均随之流失.有机质下降至缺乏(含pH>8.5区域)时, 土壤养分全氮、全磷等大量元素相关性弱, 在黑土盐碱化及有机质下降、有机质缺乏等不同演化过程与状态中, 代表土壤黏粒的铁、锰氧化物及易被这些元素吸附的微量元素仍保持密切相关, 即在不同的退化方式及退化程度下, 铁、锰氧化物及微量元素表现为"生命共同体"特征.结合海伦及公主岭地区不同时期微量元素指标变化的特征表明, 黑土退化过程是大量元素和微量元素同时下降的过程, 也是大量元素含量比例平衡被破坏的过程, 黑土退化过程中微量元素的流失不可忽视.自然因素引起的盐碱化、荒漠化和开发利用的程度是导致黑土退化的关键因素.因此, 未来应全面系统地开展盐碱化、荒漠化及土地开发利用导致黑土退化过程中物理及化学指标退化机制研究, 进而提出黑土退化的预防措施.
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