2022, Vol. 31
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土壤有机质是土壤质量的核心, 维系着土壤肥力、粮食安全、气候变化等关乎地球和人类生存发展的诸多要素[1-3]. 黑土之所以肥沃是因为富含有机质, 东北黑土地是世界三大黑土带之一[4-5], 是我国粮食安全保障的基石[6-7], 有着"耕地里的大熊猫"的美誉. 黑龙江省是东北黑土带的重要组成部分. 黑龙江省粮食产量和商品粮产量双双连续多年位居全国第一位, 其农业经济的持续发展得益于拥有大面积富含有机质的黑土地[8-10]. 然而, 黑土地在高产、丰产的同时, 也面临着黑土有机质大量减少、土地肥力透支的问题[11-18]. 因此, 要保护利用好黑土地就必须首先准确掌握黑土有机质含量的空间变化特征[19-20], 才能精准施策为黑土流失防治提供科学依据, 实现黑土生态文明建设和农业经济可持续发展双赢的目的[21-22].
1 研究区概况黑龙江省绥化市北林区是典型东北寒地黑土地分布区域, 是本次黑土有机质含量空间变化特征研究的主要对象. 研究区位于松嫩平原中东部, 地理坐标为46°19'-47°09'N、126°25'-127°27'E, 面积2 756 km2, 属寒温带大陆性季风气候; 年平均气温2.4℃, 日照时数2 766 h, 积温2 580℃, 无霜期约129 d, 年均降水量547 mm. 区内地势总体相对平坦, 东北部地势相对较高, 而西南部为平原区. 黑土、黑钙土是绥化市北林区最主要的土壤类型, 这两类土壤类型约占北林区总面积的90%, 仅有约10%的草甸土呈条带状沿河流流域区分布. 区内主要有呼兰河、诺敏河、克音河、泥河、泥尔根河和津河, 属于松花江流域呼兰河水系. 绥化市北林区现有耕地面积17.45×104 hm2, 盛产水稻、玉米、大豆等农作物.
2 试验方法 2.1 样品采集与分析用于绥化市北林区黑土有机质含量空间变化特征研究有两期的土壤有机质分析数据. 一期数据是按照国务院国发〔1979〕111号文件精神要求, 于1979-1990年第二次土壤普查期间在绥化市北林区采集的耕作层土壤有机质分析数据❶, 这也是绥化市北林区有记录以来基本涵盖所有村屯耕地的土壤有机质分析数据; 另一期数据是2009-2019年按照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295-2016)要求在绥化地区开展的1 : 250 000土地质量地球化学调查, 土壤样品的基本采样密度1点/km2, 采样深度为0~20 cm, 在采样点附近100 m范围内多点采集以增强土壤样品的代表性. 采集后的土壤样品重量大于1 kg, 土壤样品自然干燥后过20目(< 0.84 mm)尼龙筛, 将过筛后土壤样品送到具有承担多目标区域地球化学样品分析测试资质的实验室进行分析测试. 样品分析质量采用了外部质量监控和内部质量监控相结合的方法保证测试分析质量的可靠性. 样品分析元素的检出限、报出率以及分析的准确度和精密度均满足规范要求.
❶黑龙江省土壤普查办公室. 黑龙江第二次土壤普查数据册：绥化市耕地农化样品分析结果登记表. 1990.
2.2 资料收集与分析统计对绥化市北林区20世纪80年代第二次土壤普查土壤有机质分析数据和目前土地质量地球化学调查土壤有机质分析数据分别进行统计, 并以20世纪80年代第二次土壤普查结果为基准值, 利用MapGIS空间分析技术定量研究绥化市北林区黑土地土壤有机质含量的空间变化特征, 评价研究区黑土地土壤有机质流失程度.
3 结果与分析 3.1 土壤有机质含量统计特征为了使绥化市北林区不同时期土壤样品分析数据具有可对比性, 将绥化市北林区土地质量地球化学调查表层土壤有机碳分析数据全部转换成有机质(有机质=有机碳×1.724), 并对两期土壤有机质地球化学参数特征进行统计, 结果见表 1. 20世纪80年代第二次土壤普查时期绥化市北林区土壤有机质平均含量为41.16×10-3, 而目前土地质量地球化学调查土壤有机质平均含量为37.68×10-3, 土壤有机质平均减少了3.48×10-3, 土壤有机质流失率达8.45%, 有机质流失率=(目前有机质平均值-第二次土壤普查有机质平均值) ÷第二次土壤普查有机质平均值×100%.
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表 1 绥化市北林区土壤有机质地球化学参数特征表 Table 1 Characteristics of geochemical parameters of soil organic matter in Beilin District, Suihua City |
根据绥化市北林区第二次土壤普查土壤有机质含量数据和目前土地质量地球化学调查有机质含量数据, 按照土壤有机质含量5×10-3的等间距编制研究区不同时期土壤有机质含量地球化学图. 从图 1、2可见, 研究区不同时期土壤有机质含量的分布特征基本相似, 土壤有机质含量较高的地区主要分布在三井乡、张维镇、四方台镇、五营乡以及新华乡北部, 土壤有机质含量相对较低的区域主要分布在双河镇、东津镇、津河镇、兴福乡、东富镇、宝山镇、西长发镇、红旗满族乡.
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图 1 绥化市北林区第二次土壤普查时期土壤有机质含量图 Fig.1 Distribution map of soil organic matter content during the second national soil survey in Beilin District, Suihua City |
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图 2 绥化市北林区目前土壤有机质含量图 Fig.2 Distribution map of soil organic matter content in Beilin District, Suihua City |
对绥化市北林区不同时期土壤有机质含量区间的面积及所占比率进行统计, 结果见表 2. 相对第二次土壤普查期间, 目前研究区有机质高含量区间段所占的面积比率有所降低, 而低含量区间段所占的面积比率有所增加. 第二次土壤普查期间土壤有机质含量在35×10-3~40×10-3和40×10-3~45×10-3两个区间段的面积分别占研究区总面积的42.18%和31.75%, 而目前研究区土地质量地球化学调查土壤有机质含量在30×10-3~35×10-3和35×10-3~40×10-3两个区间段的面积分别占研究区总面积的39.63%和30.61%.
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表 2 绥化市北林区不同时期土壤有机质含量特征统计对比表 Table 2 Comparison of soil organic matter content characteristics between different periods in Beilin District, Suihua City |
为精确评判研究区黑土地土壤有机质含量增减空间变化特征, 以绥化市北林区第二次土壤普查土壤有机质地球化学图为基准, 以目前土地质量地球化学调查土壤有机质含量为研究对象, 运用MapGIS点对区空间分析功能研究各土壤采样点位有机质含量增减变化特征(即以目前土壤有机质含量减去第二次土壤普查有机质含量, 土壤有机质增加的数据为正数, 土壤有机质减少的数据为负数), 从而形成各土壤采样点位有机质含量增减变化特征的一系列数据.
绥化市北林区自第二次土壤普查至今土壤有机质含量增减变化特征见表 3. 近30 a以来, 研究区土壤有机质含量有增也有减, 但总体上土壤有机质是减少的, 平均土壤有机质减少了3.35×10-3, 土壤采样点位有机质增加最大值为82.1×10-3, 土壤采样点位有机质减少的最小值为48.5×10-3.
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表 3 绥化市北林区土壤有机质增减变化地球化学参数特征统计表 Table 3 Geochemical parameters of soil organic matter changes in Beilin District, Suihua City |
根据研究区土壤有机质点对区空间分析形成的一系列土壤采样点位有机质增减变化数据, 按照5×10-3等间距编制研究区近30 a以来土壤有机质含量空间变化特征地球化学图(图 3).
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图 3 绥化市北林区近30a土壤有机质含量增减变化特征图 Fig.3 Changes of soil organic matter contents in the past 30 years in Beilin District, Suihua City |
由图 3可见, 研究区土壤以有机质减少为主体, 其中土壤有机质减少10×10-3以上的土地主要分布在张维镇、四方台镇、秦家镇、连岗乡, 局部地段土壤有机质减少了20×10-3以上, 而土壤有机质增加的地区主要分布在三河镇、东富镇、新华乡东北部以及兴福乡西南部.
对研究区土壤有机质增减变化特征进行土地面积统计, 结果见表 4. 近30 a以来, 研究区82.1%的土地面积土壤中有机质呈现出不同程度的减少, 仅有占17.9%的土地面积土壤中有机质呈现出增加的趋势. 研究区土壤有机质减少5×10-3以下的土地面积有995.48 km2, 占研究区总面积的36.10%;土壤有机质减少在5×10-3~10×10-3区间段的土地面积有1 073.91 km2, 占研究区总面积的38.94%.
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表 4 绥化市北林区土壤有机质增减变化特征土地面积统计表 Table 4 Land areas and proportions of soil organic matter changes in Beilin District, Suihua City |
土壤有机质的减少也就意味着该地区土壤中有机质年减少的量明显大于年积累的量, 造成土壤中有机质的流失. 分别按土壤有机质增减量(有机质增加为正数, 有机质减少为负数)含量间隔评价研究区黑土地土壤有机质流失程度, 结果见表 5. 研究区没有发生土壤有机质流失的一级土地资源仅占研究区总面积的7.9%, 属于轻微土壤有机质流失的二级土地资源占研究区总面积的36.1%, 属于轻度土壤有机质流失的三级土地资源占研究区总面积的38.94%, 属于中度土壤有机质流失的四级土地资源占研究区总面积的6.72%, 达到重度土壤有机质流失的五级土地资源占研究区总面积的0.34%. 研究区土壤有机质流失达到中度和重度区域主要分布在张维镇中南部、四方台镇中南部、秦家镇中西部以及连岗乡中北部等局部地段.
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表 5 绥化市北林区土壤有机质流失程度评价表 Table 5 Evaluation of soil organic matter loss degree in Beilin District, Suihua City |
(1) 对绥化市北林区土地质量地球化学调查土壤有机质分析数据与第二次土壤普查期土壤有机质分析数据进行统计对比研究, 发现在近30年来研究区土壤有机质平均减少了3.48×10-3, 土壤有机质流失率达8.45%.
(2) 根据绥化市北林区不同时期土壤有机质含量特征土地面积统计对比, 发现第二次土壤普查时期研究区73.93%土地面积土壤有机质含量在35×10-3~45×10-3区间, 而目前研究区占70.24%土地面积土壤有机质含量在30×10-3~40×10-3区间.
(3) 运用MapGIS点对区空间分析研究了绥化市北林区近30年来土壤有机质含量增减空间变化特征. 研究区82.1%的土地面积土壤中有机质呈现出不同程度的减少, 仅有占17.9%的土地面积土壤中有机质呈现出增加的趋势.
(4) 分别按土壤有机质不同减少量的含量间隔(表 5)评价研究区黑土地土壤有机质流失程度, 结果表明研究区黑土地以轻度和轻微土壤有机流失为主, 中度有机质流失区次之, 而重度土壤有机质流失区面积9.26 km2, 占研究区总面积的0.34%.
(5) 绥化市北林区的成土母质均为冲洪积型, 土壤类型主要为黑土、黑钙土, 总体地势相对平坦. 但从微地形地貌特征分析以及河流特征分析, 土壤有机质流失较严重的地区基本处于河流流速相对较快、地形坡度相对较大的地段(存在陡坎), 甚至有部分地段存在耕地的方向顺着地块缓坡的方向, 这些因素可能是造成北林区土壤有机质流失的主要因素.
(6) 东北黑土地是我国土壤有机质含量较高的土地资源, 也是我国重要的粮食生产基地和商品粮基地, 而地处东北黑土核心区的绥化市北林区总体地势相对平坦, 但是仍然有占总研究区面积65.43%的黑土地存在明显的土壤有机质流失现象. 虽然绥化市北林区黑土有机质流失较严重, 但是仍然达到中国土壤肥力质量含量高级别(>20×10-3)对有机质的要求[25]. 目前东北黑土地其他市县土壤有机质空间变化特征尚不清晰. 因此, 有必要全面开展东北黑土地市县级土壤有机质流失程度调查评价工作, 为实施精准的黑土地有机质流失治理提供准确、可靠信息.
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