高玉秋 徐彩龍 馬立暉 楊舟 吳存祥 韓天富

摘要：為全面分析鄂倫春旗土壤有機質含量隨著時間推移發(fā)生的變化及在空間上的分布情況，比較該區(qū)域不同土壤類型有機質含量的差異，探討土壤有機質和全氮含量之間的關系，對2008—2014年在鄂倫春旗域內均勻采集的7722個耕地土壤樣品進行土壤類型判別及有機質、全氮含量測定，并與1986年全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)進行對比，同時通過盆栽試驗研究土壤有機質含量及施肥水平對大豆農藝性狀和產量的影響。分別采用油浴加熱重鉻酸鉀容量法和半微量凱氏定氮法測定土壤有機質含量和全氮含量。通過相同區(qū)域近30年間有機質、全氮含量的比較分析鄂倫春旗土壤肥力變化動態(tài)。盆栽試驗供試品種為‘北豆26’，設置23.24、41.45、60.21、81.37、98.71 g/kg等5個土壤有機質含量水平，在大豆開花期、成熟期分別記載發(fā)育進度和農藝性狀，收獲后考種獲得產量性狀數(shù)據(jù)。近30年來，鄂倫春旗耕層土壤有機質含量平均由127.24 g/kg下降到64.82 g/kg，降幅達49.06%。對不同土壤類型有機質含量變化進行分析，發(fā)現(xiàn)沼澤土有機質含量由165.9 g/kg下降到67.89 g/kg，降幅為59.08%；暗棕壤由120.9 g/kg下降到63.83 g/kg，降幅為47.20%；棕色針葉林土由149.2 g/kg下降到103.79 g/kg，降幅為30.44%；草甸土由111.5 g/kg下降到66.61 g/kg，降幅為40.26%；黑土由88.7 g/kg下降到65.63 g/kg，降幅為26.01%。土壤有機質與全氮含量顯著正相關。施用化肥對大豆的增產效果因土壤有機質含量而異，當土壤有機質含量高于81.37 g/kg時，化肥對大豆的增產作用效果不明顯。鄂倫春旗耕層土壤有機質含量下降49.06%，表明缺少有效土壤培肥措施的耕種對土壤有機質消耗極大。不同土類有機質平均含量隨耕作年限的延長而下降的幅度存在明顯差異，其中沼澤土降幅最大，黑土降幅較小，暗棕壤居中。土壤有機質含量豐富的土壤，即使不施用化肥，也能獲得較高產量。因此，提高有機質含量是提高土壤生產能力和農業(yè)生產效益的根本性措施。作者認為，輪作倒茬和秸稈還田是最重要的土壤培肥措施。

關鍵詞：鄂倫春旗；土壤有機質；時空分布；大豆；產量

中圖分類號：S316文獻標志碼：A論文編號：cjas20190400012

Temporal-Spatial Distribution of Arable Soil Organic Matter in Oroqen Banner and Its Relationship with Soybean Yield

Gao Yuqiu1，2， Xu Cailong1， Ma Lihui2， Yang Zhou2， Wu Cunxiang1， Han Tianfu1

（1Institute of Crop Sciences， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100081， China；

2Agricultural Technology Extension Center of Oroqen Banner， Hulun Buir 165450， Inner Mongolia， China）

Abstract： To study the spatial and temporal dynamic of soil organic matter content of different soil types in Oroqen and the relationships between organic matter content and total N content， the soil organic matter and total nitrogen content of 7722 soil samples collected in Oroqen Banner in 2008-2014 were analyzed and compared with the results of local soil samples taken during The Second National Soil Census in 1986. Furthermore， a pot experiment with different soil organic matter contents was conducted to determine the effects of soil organic content on botanical characteristics， agronomic traits and yield of soybean. The content of soil organic matter and total N were determined by oil bath heating potassium dichromate volumetric method and semi-micro Kjeldahl method， respectively. There were five levels for soil organic matter content （23.24， 41.45， 60.21， 81.37， 98.71 g/kg）， and two fertilizing levels （fertilizer application and no fertilizer） in the pot experiment and soybean cultivar‘Beidou 26’was used as material. Developmental rate and agronomic traits were investigated at flowering and maturity stage， and yield measurements were taken after harvest. The soil organic matter content of arable layer in Oroqen Banner was significantly decreased by 49.06% from 127.24 to 64.82 g/kg in recent 30 years. The changes of organic matter content in different soil types were analyzed： organic matter content of swamp soil significantly decreased by 59.08% from 165.9 to 67.89 g/kg； organic matter content of dark brown soil significantly decreased by 47.20% from 120.9 to 63.83 g/kg； organic matter content of brown forest soil significantly decreased by 30.44% from 149.2 to 103.79 g/kg； organic matter content of meadow soil significantly decreased by 40.26% from 111.5 to 66.61 g/kg； organic matter content of black soil significantly decreased by 26.01% from 88.7 to 65.63 g/kg. Soil organic matter and total nitrogen content showed an obvious positive correlation. The effects of chemical fertilizer application on soybean seed yield were dependent on the soil organic matter content and no increasing effects were found after the soil organic matter content reached 81.37 g/kg. Soil organic matter in Oroqen Banner decreased by 49.06% ， showing that unsustainable farming consumed a lot of soil organic matter. Significant differences of organic matter changes over years were found among the soil types， i.e. swampy soil had the largest decrease， while black soil had the smallest decrease and the dark brown soil was in the middle. Soil rich of organic matter， even without chemical fertilizer application， can also produce a higher yield of soybean. Therefore， enriching the organic matter content is the fundamental measure to improve the soil productivity and agricultural production efficiency. The authors suggest that crop rotation and straw returning are the most important measures for elevating soil organic matter.

Keywords： Oroqen Banner； Organic Matter； Spatio-temporal Distribution； Soybean； Yield

0引言

自20世紀80年代第2次全國土壤普查以來，東北黑土保護問題日益受到重視[1-4]。研究表明，耕作制度不合理、有機質投入少直接或間接地影響土壤理化性狀，是導致黑土區(qū)土壤肥力下降的重要因素。鄂倫春旗位于東北北部黑土區(qū)，耕地面積大，開墾較晚，有機質含量總體水平較高。對鄂倫春旗土壤有機質時空動態(tài)進行研究，有助于了解高寒地區(qū)土壤肥力要素的變化趨勢，對東北黑土保護和利用意義重大。由有機質的分解與轉化所構成的土壤有機碳循環(huán)，受溫度、水分、土壤質地、土壤微生物、耕作制度與耕作方式等許多因素影響[5-9]。土壤有機質與全氮含量、土壤機械組成、土壤容重、孔隙度等理化因子之間存在相關性[10-11]。作物產量與土壤有機質含量存在顯著的正相關關系[12]。有機質含量與水稻產量之間的相關系數(shù)為0.674，土壤易氧化有機質與水稻產量之間的相關系數(shù)為0.767[13]。增加土壤有機質含量可提高土壤的肥力從而促進作物增產[14]。如增加鹽化潮土有機質含量，可促進光合作用，減少蒸騰耗水，對作物高產有積極作用[15]。在10o左右的坡耕地增施有機肥，可改善土壤結構，減輕水土流失，促進有機質提升、作物增產[16]。土地利用方式影響土壤有機碳的礦化速率及有機質含量[17]。增施有機肥、合理輪耕、休耕、種植豆科類牧草、秸稈還田等生產措施，可提高土壤肥力，從而提高作物產量[18-20]。相對于耕翻，免耕顯著提高水溶性有機碳、微生物生物量碳和易氧化態(tài)碳含量[21]。筆者以鄂倫春旗南部農區(qū)為典型研究區(qū)，以耕層土壤有機質含量變化為研究重點，在鄂倫春旗10鄉(xiāng)鎮(zhèn)布設土壤調查樣點，開展土壤樣品采集，在實驗室測定土壤有機質和全氮含量，分析鄂倫春旗農田土壤有機質含量的時空變化規(guī)律，并通過盆栽試驗研究土壤有機質含量與大豆生長發(fā)育及產量的關系，以期為鄂倫春旗及東北北部高寒地區(qū)土壤改良和農業(yè)生產發(fā)展提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1土樣采集與分析

根據(jù)鄂倫春旗土地矢量圖資料疊加形成基本單元圖，考慮到地面坡度大小、耕地布局、土壤類型等因素，形成采樣點位圖。丘陵山區(qū)每5～7 hm2選1個土樣，平原區(qū)每6～13 hm2選取1個土樣。取樣工作于2008—2014年進行，共采集鄂倫春旗10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)7722個土壤樣品。在一個采樣點，按“S”形路線，以隨機、多點、等量混合的方式采集0～20 cm的土壤樣品，用四分法留取1 kg左右裝袋，注明編號。采回土樣后，在通風、干凈無污染的室內風干，風干后的土樣經(jīng)打磨后過0.3 mm篩備用。

采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化-容量法（NY/85—1988）[22]測定土壤有機質含量；采用半微量凱氏定氮法（NY/53—1987）[23]測定土壤全氮含量。

第二次土壤普查數(shù)據(jù)來自《鄂倫春自治旗土壤》[24]，取樣時間為1985年5月—1986年8月。

1.2盆栽試驗

2016—2017年在鄂倫春旗阿里河鎮(zhèn)進行。試驗地點位于東經(jīng)123°42′04″，北緯50°33′32″。2016—2017年平均年日照時數(shù)2658.5 h，平均無霜期為114天，年平均降水量541.4 mm，6—8月降水占全年的50.13%（鄂倫春旗氣象局提供）。

盆栽試驗土壤取自大楊樹鎮(zhèn)北郊村農田，取土深度0～30 cm，采集有機質含量分別為23.24、98.71 g/kg的土壤按不同比例混配，配制成有機質含量分別為23.24、41.45、60.21、81.37、98.71 g/kg的土壤進行盆栽試驗，研究不同土壤有機質含量和施肥水平對大豆農藝性狀和產量的影響。盆栽試驗于5月19日播種，供試品種為‘北豆26’，設常規(guī)施肥和不施肥2個肥料水平，施肥區(qū)每盆施用復混肥（N-P2O5-K2O=15-25-11） 0.78 g，以種肥一次性施入，共10個處理，每處理15盆，3次重復，隨機排列。在大豆開花期和成熟期時分別記載發(fā)育進度和農藝性狀，收獲后考種獲得產量性狀數(shù)據(jù)。

1.3數(shù)據(jù)處理

采用江蘇省揚州市土壤肥料工作站開發(fā)的4.0測土配方施肥數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進行錄入、存儲和管理；使用Microsoft Office Excel 2003、R語言和Microsoft Visual FoxPro 6.0等軟件進行數(shù)據(jù)分析。

2結果與分析

2.1鄂倫春旗耕地土壤有機質含量現(xiàn)狀

鄂倫春旗耕地土壤有機質平均含量為64.82 g/kg，呈現(xiàn)由西北部向東南部逐步下降趨勢。位于鄂倫春旗西北部的克一河鎮(zhèn)、甘河鎮(zhèn)、吉文鎮(zhèn)土壤有機質含量高于80 g/kg，為高肥力土壤；位于西北部的托扎敏鄉(xiāng)、阿里河鎮(zhèn)和東南部的古里鄉(xiāng)、烏魯布鐵鎮(zhèn)土壤有機質含量在65～80 g/kg之間；位于東南部的大楊樹鎮(zhèn)、諾敏鎮(zhèn)、宜里鎮(zhèn)土壤有機質含量65 g/kg以下，低于全旗平均值（表1）。

鄂倫春旗不同土壤類型有機質含量存在一定區(qū)別，其中，棕色針葉林土有機質含量大于80 g/kg，沼澤土、草甸土、黑土在65～80 g/kg之間，暗棕壤小于65 g/kg，低于全旗土壤有機質含量平均水平（表2）。

2.2耕地土壤養(yǎng)分變化趨勢

對比300個相同地點次土壤普查結果，發(fā)現(xiàn)鄂倫春旗耕地土壤有機質平均含量由1986年的127.24 g/kg下降到2008—2014年的64.82 g/kg，減幅高達49.06%。對不同土壤類型有機質含量變化進行分析，發(fā)現(xiàn)沼澤土有機質含量由165.9 g/kg下降到67.89 g/kg，減幅為59.08%；暗棕壤由120.9 g/kg下降到63.83 g/kg，減幅達47.20%；棕色針葉林土由149.2 g/kg下降到103.79 g/kg，減幅為30.44%；草甸土由111.5 g/kg下降到66.61 g/kg，減幅為40.26%；黑土有機質含量由88.7 g/kg下降到65.63 g/kg，減幅為26.01%?？梢?，沼澤土有機質含量降幅最大，暗棕壤其次，黑土最?。▓D1）。

2.3土壤有機質與全氮相關性分析

對鄂倫春旗7722個土壤樣品有機質與全氮含量進行的相關和回歸分析表明，兩者呈極顯著正相關（圖2），回歸方程為Y=0.0452X + 0.1197（R2=0.7473，n= 7722），即土壤有機質含量每增加1 g/kg，其全氮含量增加0.0452 g/kg。

2.4土壤有機質含量對大豆生長發(fā)育及產量性狀的影響

由圖3得出，隨土壤有機質含量的增加，大豆株高呈升高趨勢，與土壤有機質含量23.24 g/kg相比，當土壤有機質含量上升到98.71 g/kg時，大豆株高平均增高3.4%。施肥可顯著提高大豆株高，本研究中，施肥后大豆株高平均增高3.1%。不同土壤有機質含量條件下，施肥與否對大豆株高影響不同，不施肥條件下，大豆株高隨土壤有機質含量的增加而升高，但施肥后不同土壤有機質含量下大豆株高無顯著差異。

由圖4得出，隨土壤有機質含量的增加，大豆單株莖稈干重呈增高趨勢，與土壤有機質含量23.24 g/kg相比，當土壤有機質含量上升到98.71 g/kg時，大豆單株莖稈干重平均增高36.4%。不同土壤有機質含量條件下施肥均可顯著提高大豆莖稈干重，本研究中，施肥后大豆單莖干重平均增高9.9%，但隨土壤有機質含量提高，施肥處理與不施肥處理的差距逐步縮小。

由圖5得出，隨土壤有機質含量的增加，大豆單株產量呈增高趨勢，且前期增長較快，當有機質含量高于81.37 g/kg時，大豆產量趨于平穩(wěn)；與土壤有機質含量23.24 g/kg相比，當土壤有機質含量上升到81.37 g/kg時，大豆單株產量平均增高20.2%。不同土壤有機質含量條件下施肥均可顯著提高大豆單株產量，本研究中，施肥后大豆產量平均增高7.8%。與單莖干重表現(xiàn)一致，隨土壤有機質含量提高，施肥處理與不施肥處理間單株產量的差距逐步縮小。

3結論

對鄂倫春旗不同時空尺度內土壤耕層有機質含量演變趨勢的研究表明，鄂倫春旗耕層土壤有機質平均含量由1986年第二次土壤普查時的127.24 g/kg下降到2008—2014年時段的64.82 g/kg，降幅高達49.06%，表明傳統(tǒng)方式下的農業(yè)耕種對土壤有機質消耗極大。

通過對不同土壤有機質含量條件下大豆籽粒產量的分析發(fā)現(xiàn)，隨土壤有機質含量的提高，大豆單株生產能力顯著增加，當有機質含量到達81.37 g/kg以上時，大豆干物質積累和籽粒產量趨于平穩(wěn)，說明隨著土壤有機質含量的增加，大豆產量潛力逐步得到挖掘。

在中、低有機質含量土壤，施用適量化肥可提高作物產量，但當土壤土壤有機質含量高于81.37 g/kg時，施用化肥的增產效果不明顯。

建立合理的輪作制度、全面推行秸稈還田配以合理的化肥用量，是提高土壤肥力、保證東北黑土區(qū)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本性措施。

4討論

4.1鄂倫春旗土壤有機質含量現(xiàn)狀與變化原因

本研究得出，與1986年全國第二次土壤普查時相同點位土壤有機質含量相比，發(fā)現(xiàn)30年來鄂倫春旗耕層土壤有機質含量平均由127.24g/kg下降到64.82g/kg，降幅達到49.06%。前人亦對黑龍江地區(qū)多個黑土區(qū)土壤進行了采樣和分析，研究得出土壤肥力綜合指數(shù)已由20世紀80年代的一、二級為主變?yōu)槎?、三級為主。本研究結果與前人結果基本一致。土壤有機質含量變化受多種因素影響，其中土壤侵蝕和土地利用方式改變（由自然土壤開墾為耕作土壤）是土壤有機質含量下降的主要因素[25-27]。因此，該區(qū)土壤肥力的明顯下降與長期以來“重種輕養(yǎng)”有關[28]。同時，通過對比鄂倫春旗10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕層土壤有機質含量發(fā)現(xiàn)，墾殖時間較長的南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤有機質含量要普遍低于北部新墾鄉(xiāng)鎮(zhèn)。有機質含量大幅度下降可能與農業(yè)生產中不重視有機肥的施用和作物秸稈還田，進而導致有機質總量入不敷出有關[4]。

4.2土壤有機質含量與作物產量的關系

土壤是發(fā)展農業(yè)生產和保障糧食安全的基礎條件，而作為土壤肥力核心要素的有機質含量直接影響農田生產力水平，是衡量土壤肥力的最重要指標[29]。前人通過分析小麥、大豆和玉米產量與土壤有機質含量的關系得出，作物產量與土壤有機質含量存在顯著相關關系（r=0.243，n=169，P<0.05）[30]。本研究中，伴隨土壤有機質含量的提高，大豆株高、單株干物質積累和籽粒產量顯著增加，當有機質含量到達81.37 g/kg以上時，大豆株高、單株干物質積累和籽粒產量趨于平穩(wěn)，本結果與前人結果基本一致，說明隨著土壤有機質含量的增加，作物的產量潛力可逐步得到挖掘，并進入穩(wěn)產階段[30-33]。作物產量盡管在很大程度上受田間管理、耕作措施、氣候條件等因素的影響，但仍與農田生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分供應能力及土壤肥力密切相關[34-35]。本研究中，與不施肥處理相比，施肥顯著提高大豆植株株高、單株干物質重和籽粒產量，同時，土壤有機質含量越低，施肥效果越顯著，當前試驗條件下，土壤有機質含量達到81.37 g/kg，施肥作用不顯著。研究表明，秸稈還田可將產自農田的有機物質歸還土壤，既減少了不必要的資源浪費，又避免了因秸稈焚燒而造成的環(huán)境污染，同時秸稈還田可改善土壤物理結構，使土壤的水、肥、氣、熱狀況向良性方向轉化，土壤有機質和速效養(yǎng)分含量增加，起到培肥地力的作用[36]。因此，生產中可采用秸稈還田手段穩(wěn)定和促進土壤有機質含量增加，從而減少生產中肥料的投入，促進農業(yè)生產綠色可持續(xù)發(fā)展。

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