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  地质与资源 2020, Vol. 29 Issue (6): 543-549  
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doi：10.13686/j.cnki.dzyzy.2020.06.006
引用本文
宋运红, 张哲寰, 杨凤超, 梁帅, 魏明辉, 刘凯, 许江. 黑龙江海伦地区垦殖前后典型黑土剖面主要养分元素垂直分布特征[J]. 地质与资源, 2020, 29(6): 543-549.  
SONG Yun-hong, ZHANG Zhe-huan, YANG Feng-chao, LIANG Shuai, WEI Ming-hui, LIU Kai, XU Jiang. VERTICAL DISTRIBUTION OF MAJOR NUTRIENT ELEMENTS IN TYPICAL BLACK SOIL SECTIONS IN HAILUN, HEILONGJIANG PROVINCE: Before and After Reclamation[J]. Geology and Resources, 2020, 29(6): 543-549.  
黑龙江海伦地区垦殖前后典型黑土剖面主要养分元素垂直分布特征
宋运红1,2 , 张哲寰1,2 , 杨凤超1 , 梁帅1,2 , 魏明辉1,2 , 刘凯1,2 , 许江1,2     
1. 中国地质调查局 沈阳地质调查中心, 辽宁 沈阳 110034;
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
收稿日期：2020-08-27; 修回日期：2020-09-04
基金项目：中国地质调查局基础性公益性土地调查项目“兴凯湖平原及松辽平原西部土地质量地球化学调查”（DD20190520）。
作者简介：宋运红(1983-), 女, 硕士, 高级工程师, 主要从事土地质量地球化学调查及研究工作, 通信地址辽宁省沈阳市皇姑区黄河北大街280号, E-mail//yunhong408@163.com。
摘要：垦殖前后典型黑土主要养分元素特征研究对东北黑土资源的可持续利用和保护东北大粮仓具有重要作用.在松嫩平原东部海伦地区对比研究了典型黑土区40年间土地利用未发生改变的地区（本次对比研究林地和耕地），布设了4条典型黑土剖面，对垦殖前后典型黑土剖面中土壤肥力的主要指标元素（有机质、全氮、全磷、C：N及pH值）分别对比分析.结果表明：有机质、全氮、全磷含量表现为随土壤深度急剧下降—缓慢下降—基本稳定的变化趋势；垦殖虽然改变了各土层土壤中养分元素的含量，但是并未改变其随土壤深度的变化规律；垦殖在一定程度上影响了表层黑土土壤的pH值，导致耕地表层黑土土壤慢慢酸化.研究结果可为黑土资源的可持续利用、保护及修复提供科学依据.
关键词：典型黑土    土壤养分    土壤pH值    垦殖    海伦地区    黑龙江省    
中图分类号：S155.27;S158.3            文献标志码：A             文章编号：1671-1947(2020)06-0543-07
VERTICAL DISTRIBUTION OF MAJOR NUTRIENT ELEMENTS IN TYPICAL BLACK SOIL SECTIONS IN HAILUN, HEILONGJIANG PROVINCE: Before and After Reclamation
SONG Yun-hong1,2 , ZHANG Zhe-huan1,2 , YANG Feng-chao1 , LIANG Shuai1,2 , WEI Ming-hui1,2 , LIU Kai1,2 , XU Jiang1,2     
1. Shenyang Center of China Geological Survey, Shenyang 110034, China;
2. Key Laboratory of Black Land Evolution and Ecological Effects, CGS, Shenyang 110034, China
Abstract: The study on the characteristics of major nutrient elements in typical black soil areas before and after reclamation is important for sustainable utilization of black soil resources and protection of the breadbasket in Northeast China. Four sections are laid out in the typical black soil areas where land use has not changed for the past 40 years in Helen area, eastern Songnen Plain, to make a comparative study on the main index elements for soil fertility (organic matter, total nitrogen, total phosphorus, C:N and pH value) in the sections before and after reclamation. The results indicate that the contents of organic matter, total nitrogen and total phosphorus show a change trend of rapid decrease through slow decrease to basically stable with soil depth. Although reclamation has changed the content of nutrient elements in soil, it does not change the content variation rule with soil depth. Reclamation affects the pH value of black topsoil to a certain extent, which led to slow acidification of cultivated land. The research results will expectedly provide scientific basis for sustainable utilization, protection and restoration of black soil resources.
Key words: typical black soil    soil nutrient    soil pH    reclamation    Hailun area    Heilongjiang Province    

0 引言

黑土地是大自然给予人类的得天独厚的宝藏, 它是农业生产的基础, 也是我国粮食安全的保障[1], 自然黑土区是环境演化的重要地质记录[2].选取自然黑土土壤剖面, 可以减少人为因素干扰, 从而获得土壤剖面元素分布的自然规律[3-5].土壤学家对黑土质量已经做了很多的研究[6-11], 土壤的pH值和养分状况是土壤质量的重要标准.人类的垦殖活动导致大量天然植被受到破坏, 同时加剧了水土的流失, 导致土壤养分下降, 从而引起土壤质量的退化.

耕地是一个复杂的农业生态系统, 其中气候、土壤和人类活动是主要的功能决定因素[12].这些元素之间的相互作用结合在一起决定产量.本次研究在ArcGIS软件平台支持下, 进行不同时期(1970、1995、2010年3期1 : 10万比例尺)土地利用数据信息叠加, 在典型黑土区40年间(1970~2010年)土地利用未发生改变的地区(林地和耕地)分别布设土壤剖面, 选择与黑土质量关系密切的pH、有机质、全氮、全磷及碳氮比等作为研究对象, 探讨典型黑土垦殖前后黑土土壤质量指标的含量变化、垂直分布规律等, 为揭示典型黑土垦殖前后土壤质量的演化规律及黑土质量的提高提供基础资料.

1 样品采集和分析

典型黑土剖面位于松嫩平原东部, 小兴安岭西麓, 海伦市中部地区, 行政区域为绥化市.全区分布多丘陵及平原, 区内地势总体呈东北高西南低的特征, 东北部一般海拔在350~450 m, 最高处海拔490 m.区内属大陆性气候, 冬季干寒漫长, 夏季湿热短暂.年平均气温1.2 ℃, 年降水量550 mm左右, 大部分集中在7~8月, 11月至翌年4月为冻结期.

野外样品采集时剥去剖面上表层土壤, 向剖面内挖2 m左右深的竖槽, 以到达成土母质为最低标准.在每个典型黑土剖面采样点处均严格按照采样要求进行样品采集, 同时用GPS记录取样点经纬度, 详细描述采样周围的环境, 拍摄相关照片.具体采样位置如图 1所示.样品采集均严格按照要求, 离开公路200~300 m距离, 在同一采样层位多点采样, 组合成一个样品.取样原则:自下而上依次取样, 取样间隔20 cm.分析测试由辽宁省地质科学研究院完成.其中全氮、总碳和有机碳采用容量法, 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.

图 1 海伦地区剖面采样位置图 Fig.1 Sampling location of typical black soil section in Hailun area

本次工作以4条典型黑土剖面作为研究对象, 其中林地剖面2条, 编号分别为PM1907、PM1909;耕地剖面2条, 编号为PM1908、PM1910.并以40年土地利用方式未发生改变的林地及耕地分别作为垦殖前与垦殖后土壤的研究对象, 对比研究土壤指标的变化规律.

2 结果分析

本次对海伦地区垦殖前后典型黑土土壤剖面养分含量的研究结果如表 1、2所示.

表 1 海伦地区典型黑土开垦前后土壤PM1907、PM1908剖面养分含量表 Table 1 Nutrient contents before and after reclamation in typical black soil sections PM1907 and PM1908
表 2 海伦地区典型黑土开垦前后土壤PM1909、PM1910剖面养分含量表 Table 2 Nutrient contents before and after reclamation in typical black soil sections PM1909 and PM1910
2.1 垦殖前后有机质垂直分布

海伦地区垦殖前后典型黑土剖面土壤有机质垂直分布情况如图 2所示.对比土地利用类型为林地和耕地的黑土土壤剖面中有机质含量的变化, 整体上有机质含量随土壤深度的变化较一致, 呈现急剧下降—缓慢下降—基本稳定的变化趋势.耕地剖面表层(0~10 cm)土壤中有机质含量较相对应的林地明显偏低(如PM1908为3.75%, 对应林地PM1907为5.66%;而PM1910为4.35%, 对应林地PM1909为7.17%.耕地土壤剖面中0~20 cm有机质含量较林地降低趋势更明显, 耕地剖面PM1910与同等深度的林地剖面PM1909土壤相比, 耕地土壤0~10、10~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm深度的有机质含量分别降低了39.4%、44.6%、41.1%、28.2%、9.1%和33.0%.其中PM1910中0~120 cm, 有机质含量持续下降, 140 cm以下有机质含量基本稳定, 代表成土母质的有机碳含量, 这与PM1907、PM1908变化趋势相类似.不同的是, 耕地剖面PM1908、PM1910中有机质含量基本稳定是在120 cm以下, PM1907是在100 cm处开始稳定.

图 2 垦殖前后典型黑土剖面有机质含量垂直分布图 Fig.2 Vertical distribution of organic contents before and after reclamation in typical black soil sections

垦殖后, 耕地0~20 cm土层土壤有机质含量降低较明显, 如图 2所示.垦殖显著影响黑土表层0~20 cm土壤有机质含量, 垦殖虽然改变了各土层土壤有机质含量, 但是并未改变其随土壤深度的变化规律.垦殖前后土壤有机质含量与深度之间的关系均可用指数函数来描述.

2.2 垦殖前后全氮垂直分布

垦殖对土壤氮含量的影响与有机碳相似[13].从海伦地区黑土剖面土壤全氮含量的垂直剖面分布情况图(图 3)可以看出, 与有机质分布图类似, 整体上表现为急剧下降—缓慢下降—基本稳定的变化趋势.耕地与林地均是在表层土壤中全氮含量最高, 随着土层深度的增加, 土壤中的全氮含量持续缓慢下降.耕地和林地相比, 剖面中的土壤各层全氮含量均有下降, 其中表层土壤全氮含量下降显著, 如剖面PM1910典型黑土耕地0~20 cm土层中的全氮含量较同层林地下降了34.33%, 20~40 cm下降了41.62%; PM1908的0~20 cm下降了26.96%.表明海伦地区典型黑土表层土壤的全氮含量也受到了垦殖的影响.对耕地黑土剖面与林地黑土剖面土壤全氮与有机质含量之间的相关性进行分析(图 4), 结果表明, 海伦地区典型黑土剖面中有机质与全氮含量之间呈极显著正相关关系, 线性方程为y=0.002 x-0.462 (R2=0.989, p < 0.05).

图 3 垦殖前后典型黑土剖面全氮含量垂直分布图 Fig.3 Vertical distribution of total nitrogen contents before and after reclamation in typical black soil sections
图 4 垦殖前后典型黑土剖面全氮与有机质含量相关关系 Fig.4 Correlation between total nitrogen and organic matter contents before and after reclamation in typical black soil sections
2.3 垦殖前后全磷垂直分布

从海伦地区黑土剖面土壤全磷含量的垂直分布情况(图 5)可以看出, 整体上全磷含量在剖面上层富集, 随着深度的增加而逐渐降低.除PM1909外, 全磷在表层含量最高, 表现为急剧下降—缓慢下降—基本稳定的变化趋势. PM1907、PM1908两曲线形态基本一致, 表现为耕地中全磷含量较林地稍有增加. PM1909、PM1910则表现为林地中全磷含量较耕地每层均有增加.推测其原因为P是组成植物有机体的主要生命元素[14], 吸收方式主要是根系吸收, 所以耕地剖面中明显表层累积, 0~40 cm受影响显著.除PM1909外, 全磷在60 cm以下分布均匀, 变化不大, 达到基本稳定的状态.表明海伦地区典型黑土表层土壤的全磷含量也受到了垦殖的影响.

图 5 垦殖前后典型黑土剖面全磷含量垂直分布图 Fig.5 Vertical distribution of total phosphorus contents before and after reclamation in typical black soil sections
2.4 垦殖前后碳氮比垂直分布

由土壤碳氮比的剖面分布情况(图 6)可以看出, C : N与土壤有机质的质量和分解的难易程度密切相关.与林地相比, 耕地中各个深度层级的碳氮比均有下降.其中PM1910与同等深度的林地土壤相比, 耕地土壤在0~10、10~20、20~40、40~60、60~80和80~100 cm深度的碳氮比分别下降了7.68%、5.09%、13.4%、4.88%、10.6%和22.4%.与有机质下降比率相比, 说明垦殖对有机质分解的影响明显大于全氮矿化的影响.垦殖后土壤组分C : N也呈现随深度增加而降低的趋势(表 1、2), 但均不超过20, 不存在氮限制的现象[15].总体来看, 林地土壤C : N高于耕地土壤.

图 6 垦殖前后典型黑土剖面碳氮比垂直分布图 Fig.6 Vertical distribution of C: N ratios before and after reclamation in typical black soil sections
2.5 垦殖前后pH值垂直分布

土壤酸碱性是土壤许多化学性质的综合反映, 自然状态下的土壤酸碱性主要受成土因子控制, 其酸碱变化的过程十分缓慢[16].土壤酸化是土壤质量退化的一个重要指标, 也是严重的世界性生态环境问题之一, 土壤pH值直接影响到土壤养分的存在状态、转化及有效性[17].

土壤pH(酸碱度)对土壤中养分存在的形态和有效性、土壤理化性质、微生物活动以及植物生长发育都有很大影响.土壤pH过高会使土壤盐碱化, 过低又会使土壤酸化, 都不利于作物的生长和发育.本次在海伦剖面采集的4个典型黑土剖面中, 耕地黑土pH值在5.95~6.79之间, 林地黑土pH值在6.09~6.80之间(表 1、2, 图 7).典型黑土剖面pH值随深度变化如图 7所示, 耕地中表层土壤pH值较林地明显偏小, 土壤酸性较强. 0~20 cm pH值变化较大, 可见, 人类的耕作活动对土壤pH值的影响较大.林地土壤由于受人类活动的影响较小, 剖面土壤中pH值从表面到底部2 m左右pH值的变化幅度不大.

图 7 垦殖前后典型黑土剖面pH垂直分布图 Fig.7 Vertical distribution of pH values before and after reclamation in typical black soil sections
3 讨论与结论

本次对海伦地区4条典型黑土剖面土壤进行分层分析, 研究垦殖前后土壤中主要养分元素有机质、全氮、全磷、pH值的垂直分布规律.结果发现, 垦殖后耕地表层(0~10 cm)土壤中有机质含量较林地明显偏低, 耕地、林地土壤有机质含量均随土层加深而降低, 且0~100 cm随深度增加降低趋势更明显.垦殖对于土壤有机质的影响主要表现在:垦殖后耕地土壤中地上和地下生物量减少, 通过植物残体输入到土壤中的有机质减少[18-19], 所以垦殖后土壤有机碳含量降低.耕作影响了表层土壤的有机碳, 所以黑土耕地中0~20 cm有机碳降低趋势明显.而耕作对土壤的扰动较浅, 在土壤深处, 由于缺乏土壤扰动, 有机质变化不明显.

剖面中全氮、全磷均表现出上层累积, 其含量随剖面深度的增加而降低, 最后基本稳定.由于N、P是组成植物有机体的主要生命元素, 通过根系吸收, 所以受垦殖的影响较为明显, 表现为在土壤剖面上层富集.

土壤碳氮比是土壤质量评价的重要因子, 可以暗示土壤生物分解过程中碳和氮转化作用之间的密切关系[20].有研究认为, 正常耕地中土壤生物获得平衡营养的土壤碳氮比约为25, 当碳氮比小于15时, 土壤提供的有效氮量会超过微生物的同化量, 使植物有可能从有机质矿化过程中获得有效的氮供应[20].本次海伦剖面中土壤的碳氮比均小于15(最大值14.56), 数值相对较低, 表明耕地和林地土壤有机碳的腐殖化程度较高, 有机碳容易矿化也导致土壤有机质的分解和矿质氮的增加.

垦殖对土壤pH值(酸碱度)的影响主要为表层土壤, 推测人类活动(大量施用生理酸性肥料、不合理的种植方式等)在一定程度上影响了表层黑土土壤的pH值, 导致耕地黑土土壤慢慢酸化.

综合以上分析发现, 表层土壤作为气候、土壤和人类活动相互作用的关键层次, 与下层土壤相比, 其有机质、全氮、酸碱度特征对垦殖的影响更加敏感.烧荒、深翻土地、耕作、施肥等人为活动的影响, 使典型黑土表层的主要养分元素有机质、全氮含量变化较明显.希望本研究可为揭示东北黑土土壤质量的演化规律及提高黑土质量产生积极的作用.

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