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        宜昌地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布及演變特征

        2012-04-29 07:33:08張萍黃永文楊楊吳昌榮張進(jìn)
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2012年3期
        關(guān)鍵詞:空間分異土壤有機(jī)質(zhì)演變

        張萍 黃永文 楊楊 吳昌榮 張進(jìn)

        摘要:對宜昌地區(qū)13個(gè)典型土壤剖面土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行了測定和統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明, 宜昌地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)出顯著的空間變異性。在水平分布上,西部高山區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)最為豐富,高山棕壤土0~10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量可達(dá)到77.72 g/kg;中部低山丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分缺乏,尤其是耕種后的紅壤土0~10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量僅有2.83 g/kg;東部河谷平原區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)相對較高,水稻土表土層有機(jī)質(zhì)含量為27.10 g/kg。在垂直分布上,大多土壤剖面有機(jī)質(zhì)都表現(xiàn)出顯著的表聚性,并且黃棕壤、棕壤2種地帶性土壤以及非地帶性土壤中的潮土表現(xiàn)出明顯的從表層往下有機(jī)質(zhì)依次遞減的規(guī)律。近30年來,宜昌地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)整體上出現(xiàn)一定的退化特征,其中黃壤與紅壤的退化特征尤為明顯,0~10 cm土層有機(jī)質(zhì)分別下降39.9%和54.7%。

        關(guān)鍵詞:土壤有機(jī)質(zhì);空間分異;演變;宜昌地區(qū)

        中圖分類號:S153.6+21文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:0439-8114(2012)03-0462-04

        Study on the Spatial Distribution and Evolution of Soil Organic Material Content in Yichang District

        ZHANG Ping1,HUANG Yong-wen2,YANG Yang2,WU Chang-rong3,ZHANG Jin4

        (1. Water Resources Department, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China;

        2. Yichang Environmental Protection Department, Yichang 443000, Hubei, China; 3. Yidu Municipal Environmental Protection Bureau, Yichang 443000, Hubei, China; 4. Yichang Municipal Bureau of Agriculture, Yichang 443000, Hubei, China)

        Abstract: Soil organic matreial(SOM) samples from 13 typical soil profiles in Yichang area were measured and analysed. The results showed that SOM content showed a significant variation in spatial distribution. In the horizontal distribution, SOM content in the west mountainous area ranked the highest; and that in mountainous brunisolic soil at the 0~10 cm depth reached to 77.72 g/kg. Soil nutrient was low in the middle hilly region and SOM content in the cultured red loam soil at the 0~10 cm depth was only 2.83 g/kg; SOM content in the east valleyed plain area was relatively high; and that of top paddy soil was 27.1 g/kg. SOM content at most sites showed significant surface accumulation character in the vertical distribution. The profile distribution of SOM content of 2 zonal soil, yellow brown soil and brown soil, and a non-zonal soil, moisture soil generally presented a declining trend from up to down. There was a general degeneration sign in SOM content in Yichang area during the last 30 years, especially yellow soil and red loam soil, of which the SOM content in the 0~10 cm depth had decreased by 39.9% and 54.7%, respectively.

        Key words: SOM; spatial disdribution; evolution; Yichang area

        土壤有機(jī)質(zhì)是表征土壤質(zhì)量的重要因子,在調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)、改善土壤結(jié)構(gòu)、培育土壤肥力等方面有著重要作用[1,2]。持續(xù)穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)含量是土壤維持生產(chǎn)能力的基礎(chǔ),因此,可以用土壤有機(jī)質(zhì)的含量及動(dòng)態(tài)演變來衡量土地利用與管理水平[3]。受氣候、地形、生物等多方面因素的影響,土壤分布沿水平方向和垂直方向呈現(xiàn)一定的遞變特性,而土壤有機(jī)質(zhì)含量也存在顯著的空間變異性[4,5]。隨著現(xiàn)代地理信息技術(shù)的發(fā)展,土壤特性的空間變異性研究成為土壤科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[6]。自我國第二次土壤普查以來,許多學(xué)者開展了大量的小區(qū)域定位觀測研究,通過長時(shí)期的跟蹤觀測分析來研究土壤有機(jī)質(zhì)的演變特征[3],且對土壤有機(jī)質(zhì)的關(guān)注多在于土壤物理化學(xué)過程機(jī)理等方面。這些研究多是針對單一土壤類型、單一地貌單元,并且在農(nóng)田系統(tǒng)開展得較多,對區(qū)域尺度的有機(jī)質(zhì)長期演變規(guī)律研究較少[7]。以地貌單元豐富、土壤類型多樣、成土條件復(fù)雜的宜昌地區(qū)為研究區(qū)域,選擇典型土壤進(jìn)行剖面采樣,分析土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布特征及演變規(guī)律,為該地區(qū)土壤養(yǎng)分資源的科學(xué)精準(zhǔn)管理和土地資源的可持續(xù)利用提供參考。

        1研究區(qū)概況

        宜昌市位于湖北省西部,地處我國地勢第二級階梯向第三級階梯的過渡地帶,也是長江上游高原山地與長江中游平原的過渡地帶[8],地理坐標(biāo)為E110°15′-111°52′,N29°56′-31°35′,面積21 250.79 km2。其地勢西高東低,境內(nèi)地貌類型多樣,西部與中部分別以山地、丘陵為主,占土地總面積的89.33%;東部為平原,占土地總面積的10.67%。地形最大高差達(dá)到2 381.6 m。宜昌市河流水系發(fā)達(dá),有河流百余條,其中長江是最大的過境河流。宜昌市屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),常年溫暖濕潤,有利于土壤風(fēng)化與物質(zhì)淋溶;大部分地區(qū)熱量和雨水豐富,并且雨熱同期,四季分明;年均氣溫為16~18 ℃,年降水量為983~1 406 mm;同時(shí)由于境內(nèi)地勢起伏大,造成氣候的垂直差異以及區(qū)域差異明顯。植被以亞熱帶常綠闊葉林為主,并有落葉闊葉林、針闊混交林以及灌草叢分布。按照土壤發(fā)生類型,宜昌市共有黃壤、黃棕壤和棕壤、紅壤4個(gè)地帶性土類,紫色土、石灰(巖)土、潮土、(山地)草甸土和水稻土5個(gè)非地帶性土類,其中黃壤、黃棕壤和石灰(巖)土的面積較大,共占全市土壤面積的61.34%,紅壤和(山地)草甸土的面積很小,占全市土壤面積的比例不到1%。研究采集的13個(gè)典型土壤剖面樣品主要涉及黃壤、黃棕壤、棕壤、紅壤4個(gè)地帶性土類以及石灰(巖)土、潮土、水稻土3個(gè)非地帶性土類,表1為采樣點(diǎn)概況。

        2材料與方法

        2.1樣品采集

        于2010年8月對宜昌市內(nèi)主要土壤類型進(jìn)行樣品采集。13個(gè)樣點(diǎn)涉及高山、低山、河谷、平原等主要地貌類型,多數(shù)樣點(diǎn)為未受人工擾動(dòng)的原狀土,而農(nóng)田樣點(diǎn)盡量避開道路與田邊。按照相關(guān)野外試驗(yàn)規(guī)范要求,對0~10、10~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm等不同深度土壤進(jìn)行分層采集,并從地表往下、整層均勻地采集混合樣品,共獲取分層樣品91個(gè),每個(gè)樣品重量約為300g。土壤樣品用密實(shí)袋密封,貼上標(biāo)簽,并做好樣點(diǎn)信息記錄,樣點(diǎn)位置由GPS定位。

        2.2樣品測定與數(shù)據(jù)處理

        按照相關(guān)土壤理化指標(biāo)分析標(biāo)準(zhǔn)[8],采用重鉻酸鉀外熱源氧化-硫酸亞鐵滴定法對土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行測定。對每個(gè)測定項(xiàng)目都做3個(gè)平行樣,以保證測定結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用SPSS 18.0對樣本的空間分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)描述和分析,采用Excel 2007進(jìn)行繪圖。

        3結(jié)果與分析

        3.1土壤有機(jī)質(zhì)空間分布規(guī)律

        各采樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)出明顯的空間分布特征(表2)。長陽縣火燒坪鄉(xiāng)的高山棕壤土有機(jī)質(zhì)含量最高,0~10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到77.72 g/kg,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出國家第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級中有機(jī)質(zhì)含量1級標(biāo)準(zhǔn)(>40 g/kg);最小值為秭歸縣九畹溪鎮(zhèn)的紅壤土,0~10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量僅有2.83 g/kg,低于國家第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級中有機(jī)質(zhì)含量6級標(biāo)準(zhǔn)(<6 g/kg),最大值約為最小值的27倍,變異系數(shù)達(dá)到86.04%(表2)。土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間差異與采樣點(diǎn)所在地區(qū)的氣候特征、地貌類型、土地利用以及地表植被條件等因素密切相關(guān)。海拔大于1 200 m的高山區(qū),降水豐富,溫度較低,地表植被多以天然的針葉林、針闊混交林、灌木林等為主,土壤接收植被根系分泌物以及枯枝落葉等有機(jī)物質(zhì)較多,并且濕冷的環(huán)境有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累,生物積累作用強(qiáng),因此在各個(gè)采樣點(diǎn)中,土壤有機(jī)質(zhì)含量都處于一個(gè)較高的水平。海拔在500~800 m的低山以及海拔在100~500 m的丘陵河谷地區(qū)存在一定強(qiáng)度的人類活動(dòng)。傳統(tǒng)的溝谷農(nóng)業(yè),導(dǎo)致該區(qū)域土壤侵蝕和水土流失比較嚴(yán)重,因此,在宜昌市窯灣鄉(xiāng)的果園樣地(黃壤)與秭歸縣九畹溪鎮(zhèn)的花生樣地(紅壤)采集到的土壤,有機(jī)質(zhì)含量普遍較低,0~10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量分別為4.25 g/kg和2.83 g/kg。海拔低于100 m的平原地區(qū),土層深厚,灌溉便利,農(nóng)業(yè)集約化程度較高,人類定向培育土壤的田間管理措施使得土壤有機(jī)質(zhì)含量比丘陵河谷地區(qū)高,當(dāng)陽市玉泉鎮(zhèn)水稻土0~10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量為27.10 g/kg,處于國家第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級中有機(jī)質(zhì)含量3級標(biāo)準(zhǔn)(20~30 g/kg)。

        3.2土壤有機(jī)質(zhì)垂直分布規(guī)律

        土壤養(yǎng)分元素一般具有表聚性,采用表聚系數(shù)表征這種特性,表聚系數(shù)按下式計(jì)算[9]:

        Ci=■

        式中,Ni為第i層土壤營養(yǎng)元素含量;Di為第i層土層厚度。采樣層次n=6,分別令m等于1和2,即求得0~10 cm與0~20 cm土層的表聚系數(shù)。若某種土壤營養(yǎng)元素在這兩層的表聚系數(shù)分別大于0.1和0.2,則認(rèn)為該種營養(yǎng)元素具有表聚性,表聚系數(shù)越大,表聚性越強(qiáng)。

        結(jié)果表明,在4類地帶性土壤中,黃棕壤與棕壤各土壤剖面有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)出較明顯的從上往下依次遞減的規(guī)律,并表現(xiàn)出較強(qiáng)的表聚性,0~10 cm土層表聚系數(shù)分別為0.215、0.188,0~20 cm土層表聚系數(shù)分別為0.418、0.340。紅壤與黃壤的表層土壤有機(jī)質(zhì)含量也相對較高,0~10 cm與0~20 cm土層表聚系數(shù)分別為0.135、0.287和0.147、0.290,但40 cm以下剖面土壤有機(jī)質(zhì)含量變化不明顯(圖1)。在3類非地帶性土壤中,石灰(巖)土的表聚性最強(qiáng),0~10 cm土層表聚系數(shù)達(dá)到0.191,但表層以下各剖面土壤有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著。潮土剖面有機(jī)質(zhì)則有從表層往下明顯減少的趨勢。水稻土表層土壤有機(jī)質(zhì)最為豐富,0~10 cm土層達(dá)到27.10 g/kg,這與有機(jī)肥料的施入以及高茬秸稈還田有關(guān),10~20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量較低,只有8.78 g/kg,40 cm以下土層有機(jī)質(zhì)又有較大幅度增加,整個(gè)土壤剖面沒有明顯的變化規(guī)律(圖2)。

        3.3土壤有機(jī)質(zhì)演變特征分析

        將土壤有機(jī)質(zhì)的采樣結(jié)果(0~10 cm土層)與宜昌土壤的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,結(jié)果如圖3。由圖3可知,不同土類土壤有機(jī)質(zhì)的含量基本與宜昌土壤的歷史數(shù)據(jù)一致,即棕壤有機(jī)質(zhì)含量最高,其次為水稻土、石灰(巖)土和黃棕壤,紅壤、黃壤以及潮土的有機(jī)質(zhì)含量較低。宜昌土壤的歷史數(shù)據(jù)主要來源于1979~1983年在宜昌地區(qū)開展的第二次土壤普查結(jié)果。近30年來,土壤有機(jī)質(zhì)出現(xiàn)一定的退化特征(圖3),其中紅壤、黃壤有機(jī)質(zhì)變化最為明顯,分別下降39.9%、54.7%,這與有關(guān)耕種利用可使紅壤、黃壤的表土層有機(jī)質(zhì)含量分別下降24.2%和30.4%的結(jié)論一致。紅壤與黃壤生態(tài)系統(tǒng)的惡化主要是因?yàn)檫@兩類土壤廣泛分布于溝谷農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的低山丘陵河谷區(qū),植被破壞與水土流失相對嚴(yán)重。水稻土是長期以來的人類活動(dòng)對原有土壤不斷改良所產(chǎn)生的新的土壤類型,表層土壤有機(jī)質(zhì)含量比較穩(wěn)定。棕壤、黃棕壤、石灰(巖)土有機(jī)質(zhì)含量的變化幅度相對紅壤和黃壤小,分別下降4.7%、17.4%和16.6%。潮土有機(jī)質(zhì)含量基本上沒有變化。

        4結(jié)論

        1)受氣候特征、地形地貌、土地利用以及植被條件的影響,宜昌地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)顯著的空間變異性。較強(qiáng)的生物積累作用使西部高山地區(qū)具有最高的土壤有機(jī)質(zhì)含量,中部低山丘陵河谷區(qū)存在較嚴(yán)重的水土流失,土壤有機(jī)質(zhì)含量最低,東部河谷平原區(qū)農(nóng)業(yè)活動(dòng)發(fā)達(dá),具有較高的有機(jī)質(zhì)含量。

        2)不同土類有機(jī)質(zhì)的垂直分布具有差異性。除水稻土外,其余土類均在0~10 cm與0~20 cm土層表現(xiàn)出一定的表聚性,并且黃棕壤、棕壤、石灰(巖)土的表聚系數(shù)相對較高,且黃棕壤、棕壤和潮土的有機(jī)質(zhì)從表層往下明顯遞減。

        3)近30年來宜昌地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)整體上表現(xiàn)出一定的退化特性,其中,紅壤與黃壤有機(jī)質(zhì)含量下降最為明顯。因此,在有機(jī)質(zhì)含量豐富而濕冷的西部高山區(qū),適宜發(fā)展經(jīng)濟(jì)林木或畜牧業(yè);中部山地丘陵區(qū),要針對水土流失問題實(shí)施小流域治理,通過一系列的保土培肥措施遏制土壤生態(tài)系統(tǒng)退化,促進(jìn)傳統(tǒng)的溝谷農(nóng)業(yè)向立體農(nóng)業(yè)發(fā)展;對于東部河谷平原區(qū),要注意施肥結(jié)構(gòu)不合理帶來的肥力結(jié)構(gòu)失調(diào)問題,進(jìn)行土壤培育、熟化和持續(xù)利用。

        4)雖然采樣的典型剖面都來自于各類土壤分布的核心區(qū),具有一定的代表性,但由于采集到的樣點(diǎn)數(shù)量有限。因此,有關(guān)土壤有機(jī)質(zhì)演變特征的分析結(jié)論有待進(jìn)一步印證。

        參考文獻(xiàn):

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        (責(zé)任編輯鄭威)

        收稿日期:2011-11-28

        基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51027066);湖北省科技攻關(guān)項(xiàng)目(A2010-107e)

        作者簡介:張萍(1979-),女,湖北宜昌人,博士,主要從事水文、水資源、生態(tài)水文模擬研究,(電話)13811789151(電子信箱)lwlss628@163.com。

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