利用黑土層厚度評(píng)價(jià)東北黑土區(qū)土壤生產(chǎn)力
——以鶴北小流域?yàn)槔?/h1>
2014-09-13 10:06:56段興武
水土保持通報(bào) 2014年1期
李 驁， 段興武
(1．華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 430070， 湖北 武漢； 2．云南大學(xué) 亞洲國(guó)際河流研究中心， 云南 昆明 650091)
東北黑土區(qū)是中國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地。據(jù)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)公布的統(tǒng)計(jì)資料，2011年?yáng)|北三省的糧食總產(chǎn)量為1.07×1011kg，約占全國(guó)總產(chǎn)的18.86%，其中玉米產(chǎn)量占全國(guó)的33.06%，大豆占46.78%，人均糧食占有量是全國(guó)平均水平的2.4倍，在保障國(guó)家糧食安全問(wèn)題上起著舉足輕重的作用，被譽(yù)為中國(guó)糧食生產(chǎn)的“穩(wěn)壓器”[1-2]。
黑土養(yǎng)分含量豐富、結(jié)構(gòu)良好、土壤肥力極高[3]。自從20世紀(jì)初大面積開(kāi)墾以來(lái)，黑土土壤理化性質(zhì)發(fā)生了顯著變化[4-8]，土壤生產(chǎn)力顯著降低[7-9]，引起黑土土壤生產(chǎn)力變化的原因比較復(fù)雜，可主要分為施肥和侵蝕兩種。為提高作物產(chǎn)量，自20世紀(jì)70年代末80年代初開(kāi)始，中國(guó)開(kāi)始大量施用化工肥料[10]，化工肥料的施用能顯著提高作物產(chǎn)量[11]，同時(shí)也能改變土壤的理化性質(zhì)[12-13]，從而影響到作物品質(zhì)的提高和土壤肥力的可持續(xù)利用[14]。另一方面，在高強(qiáng)度的人為耕作下，黑土區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重[1-4]。據(jù)水利部松遼水利委員會(huì)2002年的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，該區(qū)水土流失面積占全區(qū)總面積的27%，發(fā)育大型切溝2.5×104條余，吞噬耕地面積約3.9 hm2[5]。每年僅黑龍江省流失的土壤就變化在2.0×108～3.0×108m3，流失的養(yǎng)分折合標(biāo)準(zhǔn)化肥5.0×109～6.0×109kg，相當(dāng)于全省化肥施用總量[6]，嚴(yán)重的侵蝕造成土壤養(yǎng)分損失、土壤質(zhì)地粗化、持水能力降低，直接導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力退化[13]。在這樣的前提下，研究簡(jiǎn)便易行的土壤生產(chǎn)力評(píng)價(jià)指標(biāo)可為黑土資源的合理利用和保護(hù)提供理論依據(jù)和方法參考。
土壤生產(chǎn)力評(píng)價(jià)方法可分為定性和定量?jī)煞N[15]。定性評(píng)價(jià)是通過(guò)對(duì)田間土壤的實(shí)地調(diào)查和診斷，對(duì)土壤宏觀性狀進(jìn)行定性描述，多帶有經(jīng)驗(yàn)性，很難量化[16]。定量評(píng)價(jià)主要有3種：一是單指標(biāo)評(píng)價(jià)；二是多指標(biāo)表土綜合評(píng)價(jià)，即選取表層土壤多個(gè)理化性質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)表土生產(chǎn)力；三是多指標(biāo)土體綜合評(píng)價(jià)，即將整個(gè)土體看作是作物生長(zhǎng)的環(huán)境，選擇各個(gè)土層的土壤性質(zhì)指標(biāo)，將不同深度土層賦予不同的權(quán)重，綜合、立體地評(píng)價(jià)土壤生產(chǎn)力，比較有代表性的是土壤生產(chǎn)力指數(shù)模型(productivity index, PI)[17]，該模型在國(guó)內(nèi)外獲得了廣泛應(yīng)用[18-20]。段興武等[15]在該模型基礎(chǔ)上，根據(jù)東北黑土土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量調(diào)查結(jié)果，構(gòu)建了適用于東北黑土區(qū)的修正的生產(chǎn)力指數(shù)模型(modified productivity Index, MPI)并得到多次驗(yàn)證[21-22]。但該模型仍然需要采集剖面土壤樣本、測(cè)定多項(xiàng)土壤理化指標(biāo)，不利于野外快速和大范圍土壤生產(chǎn)力調(diào)查與評(píng)價(jià)。表層黑土養(yǎng)分含量豐富、土壤結(jié)構(gòu)良好，表層黑土厚度(簡(jiǎn)稱(chēng)黑土層厚度)便于野外調(diào)查，對(duì)黑土土壤生產(chǎn)力貢獻(xiàn)較大[3]，被認(rèn)為是衡量黑土退化程度的重要指標(biāo)[7-8,23]。但時(shí)至今日，鮮有探討黑土層厚度與土壤生產(chǎn)力的研究案例。
本文以位于東北典型黑土區(qū)北端的鶴北小流域?yàn)榘咐齾^(qū)，通過(guò)調(diào)查和分析流域內(nèi)不同等級(jí)土地的土壤厚度及土壤理化性質(zhì)，構(gòu)建了黑土層厚度與土壤生產(chǎn)力間的關(guān)系，并據(jù)此評(píng)價(jià)典型地塊的土壤生產(chǎn)力空間特征及其影響因素。
1 資料與方法
1.1 研究區(qū)概況
研究區(qū)位于黑龍江省農(nóng)墾總局九三分局鶴山農(nóng)場(chǎng)境內(nèi)的鶴北小流域，地理坐標(biāo)為48°59′0″—49°3′0″N，125°16′0″—125°121′0″E，屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)，夏季短促，秋季涼爽初霜早，春季風(fēng)大，年平均氣溫-1.5～0.4 ℃，歷年最高氣溫37.9 ℃，最低氣溫-46.5 ℃，年降水量在400～500 mm，集中于6—9月。該區(qū)位于小興安嶺南麓，是小興安嶺向嫩江平原過(guò)渡地帶，屬漫崗丘陵區(qū)，坡長(zhǎng)一般800～1 500 m，坡度一般1°～4°。自然植被屬于溫帶半濕潤(rùn)草甸草原，土壤屬中國(guó)發(fā)生學(xué)分類(lèi)中的黑土，屬中國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)中的均腐土[24]。
鶴北小流域的面積為28 km2，大部分已開(kāi)墾為農(nóng)地，且開(kāi)墾歷史都在60 a以上。開(kāi)墾之初，通過(guò)種植人工林帶將各個(gè)地塊隔開(kāi)，且無(wú)論是起壟或行播均沿林帶方向?qū)嵭袡C(jī)械化作業(yè)。流域內(nèi)共包括41個(gè)地塊，種植的農(nóng)作物主要有大豆、小麥和玉米，尤以大豆為主。農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度高，整地、播種、噴藥、施肥、除草和收割等全部實(shí)行機(jī)械化作業(yè)。
1.2 樣本采集
本研究根據(jù)地形狀況，選擇流域內(nèi)20個(gè)典型地塊調(diào)查土壤厚度和剖面土壤理化性質(zhì)。
(1)黑土厚度調(diào)查。從調(diào)查地塊的坡頂開(kāi)始每10 m高差布設(shè)一個(gè)厚度樣點(diǎn)，共計(jì)布設(shè)厚度樣點(diǎn)122個(gè)。利用半圓鉆(長(zhǎng)1 m，可加延長(zhǎng)桿，直徑4 cm)采集土樣，將樣本以10 cm為間隔按照厚度順序放入鋁盒。為防止打鉆過(guò)程中將土壤壓實(shí)，每次打鉆厚度控制在30 cm以?xún)?nèi)，直至采到母質(zhì)層。全剖面樣采完后，參照土壤發(fā)生分層標(biāo)準(zhǔn)劃分土層，并利用比色卡判定黑土厚度[25]?；厥覂?nèi)風(fēng)干后，再判定一次。
(2)剖面土樣采集。根據(jù)厚度分析結(jié)果，選擇其中18個(gè)地塊參照標(biāo)準(zhǔn)方法采集剖面土樣[25]，具體方法如下：在地塊中部地形變化不大且黑土層厚度接近地塊平均厚度的部位挖取剖面，以20 cm間隔分層采樣，直至母質(zhì)下20 cm為止，18個(gè)地塊共獲取分層土樣104個(gè)。每層采集3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀原狀土樣和1個(gè)混合土樣。
(3)土壤理化性質(zhì)測(cè)定。環(huán)刀樣本用于測(cè)定土壤容重?；旌贤寥缼Щ厥覂?nèi)風(fēng)干后參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[25]測(cè)定主要理化指標(biāo)，包括：有機(jī)質(zhì)含量(OM，g/100g)，機(jī)械組成(砂粒(2～0.02 mm)、粉粒(0.02～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)，土壤凋萎濕度PWP(%)，田間持水量FC(%)、有效含水量AWC(%)以及pH值。OM含量用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測(cè)定；機(jī)械組成采用吸管法測(cè)定；凋萎濕度和田間持水量用壓力膜法測(cè)定(壓力值分別設(shè)為1.5 MPa以及33 kPa)，有效持水量取二者之差；pH值用電位法測(cè)定，水土比采用2.5∶1。
1.3 土壤生產(chǎn)力指數(shù)計(jì)算
土壤生產(chǎn)力采用段興武等[15]修訂的東北黑土區(qū)土壤生產(chǎn)力評(píng)價(jià)模型MPI計(jì)算。該模型根據(jù)東北黑土的特性，剔除了原模型的容重因子，增加了土壤黏粒含量和有機(jī)質(zhì)含量因子，具體如下：
式中：MPI——土壤生產(chǎn)力指數(shù),范圍在0～1，數(shù)值越大，表明土壤的生產(chǎn)力越高；Ai——第i層土壤有效水含量的適宜性指數(shù)；Di——第i層土壤pH值的適宜性指數(shù)；Oi——第i層土壤有機(jī)質(zhì)含量的適宜性指數(shù)； CLi——第i層土壤黏粒含量的適宜性指數(shù)； WFi——第i層土壤的權(quán)重，反映不同土層理化性質(zhì)對(duì)土壤生產(chǎn)力的影響差異。各模型因子的適宜性指數(shù)計(jì)算參照段興武等[15]的研究結(jié)果。
為了評(píng)價(jià)模型的精度，收集了鶴山農(nóng)場(chǎng)調(diào)查地塊1990—2008年的大豆產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)資料。其中2007年為重旱災(zāi)年份，產(chǎn)量明顯比往年偏低。為了剔除氣候?yàn)?zāi)害的影響，在結(jié)果分析中沒(méi)有采用2007年的產(chǎn)量數(shù)據(jù)。
2 結(jié)果與分析
2.1 土壤生產(chǎn)力指數(shù)與黑土厚度的關(guān)系
利用MPI模型計(jì)算了18個(gè)地塊的土壤生產(chǎn)力指數(shù)，各地塊的土壤剖面平均理化性質(zhì)及其生產(chǎn)力指數(shù)如表1所示。案例區(qū)土壤以壤土為主，有機(jī)質(zhì)含量平均2.04%，18個(gè)剖面的黑土層厚度變化在22～90 cm，平均41.56 cm，從整個(gè)黑土區(qū)上看，較開(kāi)墾初期顯著降低[7-8，26-28]。土壤生產(chǎn)力指數(shù)變化在0.32～0.82，平均0.64，不同地塊間差異顯著。
表1 典型地塊土壤剖面平均理化性質(zhì)指標(biāo)和土壤生產(chǎn)力指數(shù)MPI
MPI與黑土厚度有顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.525(p<0.05)。MPI指數(shù)隨黑土厚度增加而增加，但在40—50 cm處有一個(gè)拐點(diǎn)：當(dāng)黑土厚度小于40—50 cm時(shí)，MPI隨黑土厚度增加速度較快；當(dāng)黑土厚度大于40—50 cm時(shí)，MPI隨黑土厚度增加速度有所減緩，二者間的關(guān)系可用對(duì)數(shù)函數(shù)表達(dá)(圖1)。這種變化可能與土壤剖面構(gòu)成有關(guān)，40—50 cm處土壤性質(zhì)有較為明顯的變化，下部土壤生產(chǎn)力較低，導(dǎo)致增加速度較小，因此，40—50 cm黑土層厚度可能是黑土保護(hù)的一個(gè)閾值厚度。
圖1 典型地塊黑土厚度與土壤生產(chǎn)力指數(shù)MPI間的關(guān)系
2.2 利用黑土厚度評(píng)價(jià)地塊土壤生產(chǎn)力
利用建立的MPI與黑土厚度之間的關(guān)系，計(jì)算了20個(gè)地塊122個(gè)厚度樣點(diǎn)的MPI及其平均值(表2)。為了驗(yàn)證黑土厚度評(píng)價(jià)土壤生產(chǎn)力的可行性，統(tǒng)計(jì)了各地塊MPI與1990—2008年平均大豆單產(chǎn)及當(dāng)?shù)赝恋氐燃?jí)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，地塊平均MPI與大豆單產(chǎn)為顯著正相關(guān)，與當(dāng)?shù)赝恋氐燃?jí)為負(fù)相關(guān)(圖2)，MPI隨大豆產(chǎn)量增加而增加，隨土地等級(jí)增高(1等地土壤質(zhì)量最高，5等地土壤質(zhì)量最低)而降低，表明利用黑土厚度評(píng)價(jià)黑土土壤生產(chǎn)力可行。
表2 典型地塊平均黑土厚度及MPI變化
圖2 土壤生產(chǎn)力指數(shù)MPI與大豆產(chǎn)量及土地等級(jí)間的關(guān)系
為了分析地塊土壤生產(chǎn)力的空間差異，在ArcGIS中利用克里金插值方法得到各個(gè)地塊的黑土厚度及MPI的空間分布(圖3)。122個(gè)樣點(diǎn)黑土厚度變化在15～125 cm，平均厚度為36.84 cm，其中85%以上樣點(diǎn)的黑土厚度小于50 cm。根據(jù)本文研究結(jié)果，隨著侵蝕程度的加劇，這些樣點(diǎn)的土壤生產(chǎn)力將迅速降低，未來(lái)土壤侵蝕導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力下降不容忽視。為了維持生產(chǎn)力水平，必須采取行之有效的水土保持措施，如等高耕作、免耕等。20個(gè)地塊MPI變化在0.48～0.84，平均0.62，與東北典型黑土區(qū)的研究結(jié)果相比[15]，本案例區(qū)生產(chǎn)力水平變幅較小，均值略高，屬中等生產(chǎn)力水平。
黑土厚度與MPI空間分布一致：總體從坡頂?shù)狡碌?，土壤厚度增大，土壤生產(chǎn)力水平增加。高生產(chǎn)力土壤主要分布在底部地塊，如6-2-1和6-2-2號(hào)地塊；坡頂?shù)貕K土壤生產(chǎn)力最低，如6-5和9-5號(hào)地塊；位于坡中的大部分地塊生產(chǎn)力水平居中。從地塊內(nèi)部土壤生產(chǎn)力差異看，等高或接近等高耕作地塊的土壤生產(chǎn)力水平差異較小，如9-7，9-7-1，9-7-2，6-2-1和6-2-2號(hào)地塊等，而以順坡、接近順坡或與等高線有明顯交叉耕作的地塊，土壤生產(chǎn)力差異較大，如6-3-2，6-3-4，6-4-2和6-4-5號(hào)地塊等。
圖3 鶴北流域典型地塊黑土厚度及土壤生產(chǎn)力指數(shù)MPI空間分布
已有研究表明，盡管黑土區(qū)水土流失面積較大，但侵蝕的土壤物質(zhì)大部分沒(méi)有進(jìn)入河道，而是在低洼部位堆積下來(lái)，形成侵蝕和堆積共存的土壤物質(zhì)再分布景觀特征[29]。閻百興等[9]的研究結(jié)果也表明，漫崗區(qū)黑土從坡腳到坡頂侵蝕程度逐漸增加，由此造成的土壤質(zhì)量也逐漸降低。這些與本研究結(jié)果一致。流域內(nèi)農(nóng)地坡度大部分小于3°，除等高耕作外沒(méi)有其他水土保持措施。研究發(fā)現(xiàn)，等高耕作地塊土壤生產(chǎn)力較高，且空間差異不大，順坡或與等高線交叉耕作地塊土壤生產(chǎn)力較低且空間差異較大，說(shuō)明耕作方式對(duì)土壤侵蝕影響的重要性。順坡耕作導(dǎo)致坡上黑土加速侵蝕，使結(jié)構(gòu)良好、土壤肥力水平高的表層黑土沉積于坡度較緩的坡腳地區(qū)[29-31]。作為三北防護(hù)林體系重要組成部分的東北地區(qū)，在20世紀(jì)70—80年代建設(shè)了大面積的防護(hù)林帶[32]。這些防護(hù)林逐漸成為黑土區(qū)農(nóng)地的天然地塊邊界，且決定了地塊的耕作方向(一般耕作方向都是平行于地塊長(zhǎng)邊)。案例區(qū)當(dāng)前林帶的順坡布設(shè)，導(dǎo)致小流域內(nèi)地塊的耕作以順坡為主，這無(wú)疑加劇了土壤侵蝕速率和生產(chǎn)力退化進(jìn)程，因此，將來(lái)在考慮林帶更新時(shí)，應(yīng)注意林帶的等高布設(shè)，以便于等高耕作實(shí)施，從而減緩侵蝕速率，保護(hù)黑土生產(chǎn)力。
3 結(jié) 論
(1)黑土厚度與土壤生產(chǎn)力呈對(duì)數(shù)關(guān)系，隨著黑土厚度增加，土壤生產(chǎn)力水平逐漸增加，但在40—50 cm處有較明顯的變化，小于該厚度時(shí)，生產(chǎn)力隨厚度增加顯著；大于該厚度時(shí)，生產(chǎn)力隨厚度增加速度減緩，從而推測(cè)40—50 cm黑土厚度可能是黑土生產(chǎn)力保護(hù)的厚度閾值，應(yīng)進(jìn)一步深入研究。
(2)利用黑土厚度評(píng)價(jià)土壤生產(chǎn)力簡(jiǎn)易可行，結(jié)果得到了大豆單產(chǎn)及當(dāng)?shù)赝恋刭|(zhì)量等級(jí)的驗(yàn)證。案例區(qū)土壤生產(chǎn)力總體從坡頂?shù)狡履_有明顯增加趨勢(shì)，等高或接近等高耕作地塊的土壤生產(chǎn)力較高，且地塊內(nèi)生產(chǎn)力空間差異小，順坡、接近順坡或與等高線交叉耕作的地塊，土壤生產(chǎn)力空間差異較大，耕作方式是導(dǎo)致該區(qū)黑土生產(chǎn)力水平退化的重要原因。建議將來(lái)林帶更新時(shí)，應(yīng)將林帶位置及方向等的選擇與機(jī)械化水土保持耕作措施的實(shí)施相結(jié)合，以減緩黑土侵蝕速率，保護(hù)黑土生產(chǎn)力。
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李 驁， 段興武
(1．華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 430070， 湖北 武漢； 2．云南大學(xué) 亞洲國(guó)際河流研究中心， 云南 昆明 650091)
東北黑土區(qū)是中國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地。據(jù)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)公布的統(tǒng)計(jì)資料，2011年?yáng)|北三省的糧食總產(chǎn)量為1.07×1011kg，約占全國(guó)總產(chǎn)的18.86%，其中玉米產(chǎn)量占全國(guó)的33.06%，大豆占46.78%，人均糧食占有量是全國(guó)平均水平的2.4倍，在保障國(guó)家糧食安全問(wèn)題上起著舉足輕重的作用，被譽(yù)為中國(guó)糧食生產(chǎn)的“穩(wěn)壓器”[1-2]。
黑土養(yǎng)分含量豐富、結(jié)構(gòu)良好、土壤肥力極高[3]。自從20世紀(jì)初大面積開(kāi)墾以來(lái)，黑土土壤理化性質(zhì)發(fā)生了顯著變化[4-8]，土壤生產(chǎn)力顯著降低[7-9]，引起黑土土壤生產(chǎn)力變化的原因比較復(fù)雜，可主要分為施肥和侵蝕兩種。為提高作物產(chǎn)量，自20世紀(jì)70年代末80年代初開(kāi)始，中國(guó)開(kāi)始大量施用化工肥料[10]，化工肥料的施用能顯著提高作物產(chǎn)量[11]，同時(shí)也能改變土壤的理化性質(zhì)[12-13]，從而影響到作物品質(zhì)的提高和土壤肥力的可持續(xù)利用[14]。另一方面，在高強(qiáng)度的人為耕作下，黑土區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重[1-4]。據(jù)水利部松遼水利委員會(huì)2002年的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，該區(qū)水土流失面積占全區(qū)總面積的27%，發(fā)育大型切溝2.5×104條余，吞噬耕地面積約3.9 hm2[5]。每年僅黑龍江省流失的土壤就變化在2.0×108～3.0×108m3，流失的養(yǎng)分折合標(biāo)準(zhǔn)化肥5.0×109～6.0×109kg，相當(dāng)于全省化肥施用總量[6]，嚴(yán)重的侵蝕造成土壤養(yǎng)分損失、土壤質(zhì)地粗化、持水能力降低，直接導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力退化[13]。在這樣的前提下，研究簡(jiǎn)便易行的土壤生產(chǎn)力評(píng)價(jià)指標(biāo)可為黑土資源的合理利用和保護(hù)提供理論依據(jù)和方法參考。
土壤生產(chǎn)力評(píng)價(jià)方法可分為定性和定量?jī)煞N[15]。定性評(píng)價(jià)是通過(guò)對(duì)田間土壤的實(shí)地調(diào)查和診斷，對(duì)土壤宏觀性狀進(jìn)行定性描述，多帶有經(jīng)驗(yàn)性，很難量化[16]。定量評(píng)價(jià)主要有3種：一是單指標(biāo)評(píng)價(jià)；二是多指標(biāo)表土綜合評(píng)價(jià)，即選取表層土壤多個(gè)理化性質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)表土生產(chǎn)力；三是多指標(biāo)土體綜合評(píng)價(jià)，即將整個(gè)土體看作是作物生長(zhǎng)的環(huán)境，選擇各個(gè)土層的土壤性質(zhì)指標(biāo)，將不同深度土層賦予不同的權(quán)重，綜合、立體地評(píng)價(jià)土壤生產(chǎn)力，比較有代表性的是土壤生產(chǎn)力指數(shù)模型(productivity index, PI)[17]，該模型在國(guó)內(nèi)外獲得了廣泛應(yīng)用[18-20]。段興武等[15]在該模型基礎(chǔ)上，根據(jù)東北黑土土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量調(diào)查結(jié)果，構(gòu)建了適用于東北黑土區(qū)的修正的生產(chǎn)力指數(shù)模型(modified productivity Index, MPI)并得到多次驗(yàn)證[21-22]。但該模型仍然需要采集剖面土壤樣本、測(cè)定多項(xiàng)土壤理化指標(biāo)，不利于野外快速和大范圍土壤生產(chǎn)力調(diào)查與評(píng)價(jià)。表層黑土養(yǎng)分含量豐富、土壤結(jié)構(gòu)良好，表層黑土厚度(簡(jiǎn)稱(chēng)黑土層厚度)便于野外調(diào)查，對(duì)黑土土壤生產(chǎn)力貢獻(xiàn)較大[3]，被認(rèn)為是衡量黑土退化程度的重要指標(biāo)[7-8,23]。但時(shí)至今日，鮮有探討黑土層厚度與土壤生產(chǎn)力的研究案例。
本文以位于東北典型黑土區(qū)北端的鶴北小流域?yàn)榘咐齾^(qū)，通過(guò)調(diào)查和分析流域內(nèi)不同等級(jí)土地的土壤厚度及土壤理化性質(zhì)，構(gòu)建了黑土層厚度與土壤生產(chǎn)力間的關(guān)系，并據(jù)此評(píng)價(jià)典型地塊的土壤生產(chǎn)力空間特征及其影響因素。
1 資料與方法
1.1 研究區(qū)概況
研究區(qū)位于黑龍江省農(nóng)墾總局九三分局鶴山農(nóng)場(chǎng)境內(nèi)的鶴北小流域，地理坐標(biāo)為48°59′0″—49°3′0″N，125°16′0″—125°121′0″E，屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)，夏季短促，秋季涼爽初霜早，春季風(fēng)大，年平均氣溫-1.5～0.4 ℃，歷年最高氣溫37.9 ℃，最低氣溫-46.5 ℃，年降水量在400～500 mm，集中于6—9月。該區(qū)位于小興安嶺南麓，是小興安嶺向嫩江平原過(guò)渡地帶，屬漫崗丘陵區(qū)，坡長(zhǎng)一般800～1 500 m，坡度一般1°～4°。自然植被屬于溫帶半濕潤(rùn)草甸草原，土壤屬中國(guó)發(fā)生學(xué)分類(lèi)中的黑土，屬中國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)中的均腐土[24]。
鶴北小流域的面積為28 km2，大部分已開(kāi)墾為農(nóng)地，且開(kāi)墾歷史都在60 a以上。開(kāi)墾之初，通過(guò)種植人工林帶將各個(gè)地塊隔開(kāi)，且無(wú)論是起壟或行播均沿林帶方向?qū)嵭袡C(jī)械化作業(yè)。流域內(nèi)共包括41個(gè)地塊，種植的農(nóng)作物主要有大豆、小麥和玉米，尤以大豆為主。農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度高，整地、播種、噴藥、施肥、除草和收割等全部實(shí)行機(jī)械化作業(yè)。
1.2 樣本采集
本研究根據(jù)地形狀況，選擇流域內(nèi)20個(gè)典型地塊調(diào)查土壤厚度和剖面土壤理化性質(zhì)。
(1)黑土厚度調(diào)查。從調(diào)查地塊的坡頂開(kāi)始每10 m高差布設(shè)一個(gè)厚度樣點(diǎn)，共計(jì)布設(shè)厚度樣點(diǎn)122個(gè)。利用半圓鉆(長(zhǎng)1 m，可加延長(zhǎng)桿，直徑4 cm)采集土樣，將樣本以10 cm為間隔按照厚度順序放入鋁盒。為防止打鉆過(guò)程中將土壤壓實(shí)，每次打鉆厚度控制在30 cm以?xún)?nèi)，直至采到母質(zhì)層。全剖面樣采完后，參照土壤發(fā)生分層標(biāo)準(zhǔn)劃分土層，并利用比色卡判定黑土厚度[25]?；厥覂?nèi)風(fēng)干后，再判定一次。
(2)剖面土樣采集。根據(jù)厚度分析結(jié)果，選擇其中18個(gè)地塊參照標(biāo)準(zhǔn)方法采集剖面土樣[25]，具體方法如下：在地塊中部地形變化不大且黑土層厚度接近地塊平均厚度的部位挖取剖面，以20 cm間隔分層采樣，直至母質(zhì)下20 cm為止，18個(gè)地塊共獲取分層土樣104個(gè)。每層采集3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀原狀土樣和1個(gè)混合土樣。
(3)土壤理化性質(zhì)測(cè)定。環(huán)刀樣本用于測(cè)定土壤容重?；旌贤寥缼Щ厥覂?nèi)風(fēng)干后參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[25]測(cè)定主要理化指標(biāo)，包括：有機(jī)質(zhì)含量(OM，g/100g)，機(jī)械組成(砂粒(2～0.02 mm)、粉粒(0.02～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)，土壤凋萎濕度PWP(%)，田間持水量FC(%)、有效含水量AWC(%)以及pH值。OM含量用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測(cè)定；機(jī)械組成采用吸管法測(cè)定；凋萎濕度和田間持水量用壓力膜法測(cè)定(壓力值分別設(shè)為1.5 MPa以及33 kPa)，有效持水量取二者之差；pH值用電位法測(cè)定，水土比采用2.5∶1。
1.3 土壤生產(chǎn)力指數(shù)計(jì)算
土壤生產(chǎn)力采用段興武等[15]修訂的東北黑土區(qū)土壤生產(chǎn)力評(píng)價(jià)模型MPI計(jì)算。該模型根據(jù)東北黑土的特性，剔除了原模型的容重因子，增加了土壤黏粒含量和有機(jī)質(zhì)含量因子，具體如下：
式中：MPI——土壤生產(chǎn)力指數(shù),范圍在0～1，數(shù)值越大，表明土壤的生產(chǎn)力越高；Ai——第i層土壤有效水含量的適宜性指數(shù)；Di——第i層土壤pH值的適宜性指數(shù)；Oi——第i層土壤有機(jī)質(zhì)含量的適宜性指數(shù)； CLi——第i層土壤黏粒含量的適宜性指數(shù)； WFi——第i層土壤的權(quán)重，反映不同土層理化性質(zhì)對(duì)土壤生產(chǎn)力的影響差異。各模型因子的適宜性指數(shù)計(jì)算參照段興武等[15]的研究結(jié)果。
為了評(píng)價(jià)模型的精度，收集了鶴山農(nóng)場(chǎng)調(diào)查地塊1990—2008年的大豆產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)資料。其中2007年為重旱災(zāi)年份，產(chǎn)量明顯比往年偏低。為了剔除氣候?yàn)?zāi)害的影響，在結(jié)果分析中沒(méi)有采用2007年的產(chǎn)量數(shù)據(jù)。
2 結(jié)果與分析
2.1 土壤生產(chǎn)力指數(shù)與黑土厚度的關(guān)系
利用MPI模型計(jì)算了18個(gè)地塊的土壤生產(chǎn)力指數(shù)，各地塊的土壤剖面平均理化性質(zhì)及其生產(chǎn)力指數(shù)如表1所示。案例區(qū)土壤以壤土為主，有機(jī)質(zhì)含量平均2.04%，18個(gè)剖面的黑土層厚度變化在22～90 cm，平均41.56 cm，從整個(gè)黑土區(qū)上看，較開(kāi)墾初期顯著降低[7-8，26-28]。土壤生產(chǎn)力指數(shù)變化在0.32～0.82，平均0.64，不同地塊間差異顯著。
表1 典型地塊土壤剖面平均理化性質(zhì)指標(biāo)和土壤生產(chǎn)力指數(shù)MPI
MPI與黑土厚度有顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.525(p<0.05)。MPI指數(shù)隨黑土厚度增加而增加，但在40—50 cm處有一個(gè)拐點(diǎn)：當(dāng)黑土厚度小于40—50 cm時(shí)，MPI隨黑土厚度增加速度較快；當(dāng)黑土厚度大于40—50 cm時(shí)，MPI隨黑土厚度增加速度有所減緩，二者間的關(guān)系可用對(duì)數(shù)函數(shù)表達(dá)(圖1)。這種變化可能與土壤剖面構(gòu)成有關(guān)，40—50 cm處土壤性質(zhì)有較為明顯的變化，下部土壤生產(chǎn)力較低，導(dǎo)致增加速度較小，因此，40—50 cm黑土層厚度可能是黑土保護(hù)的一個(gè)閾值厚度。
圖1 典型地塊黑土厚度與土壤生產(chǎn)力指數(shù)MPI間的關(guān)系
2.2 利用黑土厚度評(píng)價(jià)地塊土壤生產(chǎn)力
利用建立的MPI與黑土厚度之間的關(guān)系，計(jì)算了20個(gè)地塊122個(gè)厚度樣點(diǎn)的MPI及其平均值(表2)。為了驗(yàn)證黑土厚度評(píng)價(jià)土壤生產(chǎn)力的可行性，統(tǒng)計(jì)了各地塊MPI與1990—2008年平均大豆單產(chǎn)及當(dāng)?shù)赝恋氐燃?jí)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，地塊平均MPI與大豆單產(chǎn)為顯著正相關(guān)，與當(dāng)?shù)赝恋氐燃?jí)為負(fù)相關(guān)(圖2)，MPI隨大豆產(chǎn)量增加而增加，隨土地等級(jí)增高(1等地土壤質(zhì)量最高，5等地土壤質(zhì)量最低)而降低，表明利用黑土厚度評(píng)價(jià)黑土土壤生產(chǎn)力可行。
表2 典型地塊平均黑土厚度及MPI變化
圖2 土壤生產(chǎn)力指數(shù)MPI與大豆產(chǎn)量及土地等級(jí)間的關(guān)系
為了分析地塊土壤生產(chǎn)力的空間差異，在ArcGIS中利用克里金插值方法得到各個(gè)地塊的黑土厚度及MPI的空間分布(圖3)。122個(gè)樣點(diǎn)黑土厚度變化在15～125 cm，平均厚度為36.84 cm，其中85%以上樣點(diǎn)的黑土厚度小于50 cm。根據(jù)本文研究結(jié)果，隨著侵蝕程度的加劇，這些樣點(diǎn)的土壤生產(chǎn)力將迅速降低，未來(lái)土壤侵蝕導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力下降不容忽視。為了維持生產(chǎn)力水平，必須采取行之有效的水土保持措施，如等高耕作、免耕等。20個(gè)地塊MPI變化在0.48～0.84，平均0.62，與東北典型黑土區(qū)的研究結(jié)果相比[15]，本案例區(qū)生產(chǎn)力水平變幅較小，均值略高，屬中等生產(chǎn)力水平。
黑土厚度與MPI空間分布一致：總體從坡頂?shù)狡碌?，土壤厚度增大，土壤生產(chǎn)力水平增加。高生產(chǎn)力土壤主要分布在底部地塊，如6-2-1和6-2-2號(hào)地塊；坡頂?shù)貕K土壤生產(chǎn)力最低，如6-5和9-5號(hào)地塊；位于坡中的大部分地塊生產(chǎn)力水平居中。從地塊內(nèi)部土壤生產(chǎn)力差異看，等高或接近等高耕作地塊的土壤生產(chǎn)力水平差異較小，如9-7，9-7-1，9-7-2，6-2-1和6-2-2號(hào)地塊等，而以順坡、接近順坡或與等高線有明顯交叉耕作的地塊，土壤生產(chǎn)力差異較大，如6-3-2，6-3-4，6-4-2和6-4-5號(hào)地塊等。
圖3 鶴北流域典型地塊黑土厚度及土壤生產(chǎn)力指數(shù)MPI空間分布
已有研究表明，盡管黑土區(qū)水土流失面積較大，但侵蝕的土壤物質(zhì)大部分沒(méi)有進(jìn)入河道，而是在低洼部位堆積下來(lái)，形成侵蝕和堆積共存的土壤物質(zhì)再分布景觀特征[29]。閻百興等[9]的研究結(jié)果也表明，漫崗區(qū)黑土從坡腳到坡頂侵蝕程度逐漸增加，由此造成的土壤質(zhì)量也逐漸降低。這些與本研究結(jié)果一致。流域內(nèi)農(nóng)地坡度大部分小于3°，除等高耕作外沒(méi)有其他水土保持措施。研究發(fā)現(xiàn)，等高耕作地塊土壤生產(chǎn)力較高，且空間差異不大，順坡或與等高線交叉耕作地塊土壤生產(chǎn)力較低且空間差異較大，說(shuō)明耕作方式對(duì)土壤侵蝕影響的重要性。順坡耕作導(dǎo)致坡上黑土加速侵蝕，使結(jié)構(gòu)良好、土壤肥力水平高的表層黑土沉積于坡度較緩的坡腳地區(qū)[29-31]。作為三北防護(hù)林體系重要組成部分的東北地區(qū)，在20世紀(jì)70—80年代建設(shè)了大面積的防護(hù)林帶[32]。這些防護(hù)林逐漸成為黑土區(qū)農(nóng)地的天然地塊邊界，且決定了地塊的耕作方向(一般耕作方向都是平行于地塊長(zhǎng)邊)。案例區(qū)當(dāng)前林帶的順坡布設(shè)，導(dǎo)致小流域內(nèi)地塊的耕作以順坡為主，這無(wú)疑加劇了土壤侵蝕速率和生產(chǎn)力退化進(jìn)程，因此，將來(lái)在考慮林帶更新時(shí)，應(yīng)注意林帶的等高布設(shè)，以便于等高耕作實(shí)施，從而減緩侵蝕速率，保護(hù)黑土生產(chǎn)力。
3 結(jié) 論
(1)黑土厚度與土壤生產(chǎn)力呈對(duì)數(shù)關(guān)系，隨著黑土厚度增加，土壤生產(chǎn)力水平逐漸增加，但在40—50 cm處有較明顯的變化，小于該厚度時(shí)，生產(chǎn)力隨厚度增加顯著；大于該厚度時(shí)，生產(chǎn)力隨厚度增加速度減緩，從而推測(cè)40—50 cm黑土厚度可能是黑土生產(chǎn)力保護(hù)的厚度閾值，應(yīng)進(jìn)一步深入研究。
(2)利用黑土厚度評(píng)價(jià)土壤生產(chǎn)力簡(jiǎn)易可行，結(jié)果得到了大豆單產(chǎn)及當(dāng)?shù)赝恋刭|(zhì)量等級(jí)的驗(yàn)證。案例區(qū)土壤生產(chǎn)力總體從坡頂?shù)狡履_有明顯增加趨勢(shì)，等高或接近等高耕作地塊的土壤生產(chǎn)力較高，且地塊內(nèi)生產(chǎn)力空間差異小，順坡、接近順坡或與等高線交叉耕作的地塊，土壤生產(chǎn)力空間差異較大，耕作方式是導(dǎo)致該區(qū)黑土生產(chǎn)力水平退化的重要原因。建議將來(lái)林帶更新時(shí)，應(yīng)將林帶位置及方向等的選擇與機(jī)械化水土保持耕作措施的實(shí)施相結(jié)合，以減緩黑土侵蝕速率，保護(hù)黑土生產(chǎn)力。
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