劉婉玲，王俊杰，林梓君，曾 婷，陳一民，隋躍宇，焦曉光

（1黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080；2中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，哈爾濱 150081）

0 引言

東北黑土區(qū)是中國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，耕地面積3.6×107hm2[1]，全國(guó)糧食總產(chǎn)量的1/4和商品糧的1/3來(lái)源于此[2]。黑龍江省黑土面積483萬(wàn)hm2，占全省耕地面積的1/3[3]。黑土有機(jī)質(zhì)含量豐富，有機(jī)碳作為有機(jī)質(zhì)的重要組成部分，故土壤有機(jī)碳也是衡量土壤肥力的指標(biāo)之一[4]，同時(shí)碳也是植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，因此研究土壤有機(jī)碳的空間變異性可以為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展、作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)綠色提供重要理論依據(jù)[5]。根據(jù)第二次土壤普查數(shù)據(jù)可知東北地區(qū)的黑土土壤有機(jī)碳含量高達(dá)到20.75 g/kg，黑龍江省土壤有機(jī)碳含量平均值高達(dá)27.43 g/kg[6]。由于近年來(lái)土地過(guò)度開(kāi)發(fā)、不合理利用、化肥農(nóng)藥的過(guò)量施用等原因，黑土面臨著有機(jī)質(zhì)減少、厚層黑土數(shù)量在下降、土壤結(jié)構(gòu)被破壞、犁底層增厚、土壤通透性變差和水土流失等問(wèn)題[7-9]。韓秉進(jìn)等[10]研究指出1979—2002年黑龍江省和吉林省黑土土壤有機(jī)質(zhì)的含量下降；陸訪儀等[11]指出1981—2008年海倫市土壤有機(jī)碳含量明顯下降；尤孟陽(yáng)等[12]指出1981—2011年黑土農(nóng)田表層土壤有機(jī)碳含量有明顯的下降趨勢(shì)，且不同厚度的黑土層中有機(jī)碳含量下降速度不同；鄭琳[13]研究表明海倫市農(nóng)田土壤整體呈現(xiàn)有機(jī)碳含量下降且空間差異較大；宋丹[14]基于168個(gè)樣點(diǎn)得出東北區(qū)有機(jī)碳含量呈現(xiàn)由南向北逐漸升高的變化趨勢(shì)；譚琴等[15]研究發(fā)現(xiàn)海倫市土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)由東北向西南遞減趨勢(shì)。

在不同時(shí)間尺度內(nèi)研究土壤有機(jī)碳的變化，是土壤養(yǎng)分科學(xué)管理和施肥合理調(diào)控的基礎(chǔ)[16-17]。黑龍江省綏化市典型黑土耕地面積173萬(wàn)hm2，約占東北黑土區(qū)的1/10[18]，其商品糧產(chǎn)量約占黑龍江省的1/4[19]，因此綏化市的耕地黑土保護(hù)對(duì)中國(guó)糧食安全至關(guān)重要。本研究以黑龍江省綏化市的典型農(nóng)田黑土為研究對(duì)象，在時(shí)間和空間尺度上揭示綏化市典型農(nóng)田黑土有機(jī)碳演變特征，以期為提高糧食產(chǎn)量、保障糧食安全，農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

綏化市地處黑龍江省中南部(45°10′—48°05′N，124°53′—128°35′E)，松嫩平原北部，位于東北黑土帶。地勢(shì)復(fù)雜多樣，地勢(shì)東北高，西南低，由低丘陵、高平原和河谷平原組成，海拔高度135～247 m[20]。綏化市總面積34000 km2，耕地面積193萬(wàn)hm2，約占全省耕地總面積的1/7[21]。綏化市位于北半球中溫帶，屬于大陸性季風(fēng)氣候，四季明顯[22]，綏化市平均氣溫在四度以下，積溫2500℃左右[23]，無(wú)霜期為143天。

1.2 土壤樣品采集

依據(jù)綏化市行政區(qū)域圖與綏化市黑土分布圖在ArcGIS中繪制出采樣點(diǎn)分布圖如圖1所示。樣品的采集分別于2002年和2019年完成，對(duì)研究區(qū)域每間隔5 km隨機(jī)采樣，選取典型代表性地塊，每塊地按“W”型采樣和4分法收集，共采集表層0～20 cm土樣129個(gè)。

圖1 綏化市采樣樣點(diǎn)分布圖

1.3 土壤樣品分析方法

將采集的土樣在室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)干，取20 g左右土樣進(jìn)行研磨，研磨過(guò)程中去除根系，過(guò)0.25 mm篩，采用德國(guó)產(chǎn)Vario ELⅢ型元素分析儀測(cè)定土壤有機(jī)碳的含量。

1.4 數(shù)據(jù)的處理

將所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，用Excel 2016和SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要是特征值（平均值、中值、極大值、極小值、標(biāo)準(zhǔn)差）和變異系數(shù)以及相關(guān)性分析。其中變異系數(shù)采用Nielsen(1985)劃分的標(biāo)準(zhǔn)，即小于10%時(shí)為弱變異性，介于10%～100%間為中等變異性，大于100%為強(qiáng)變異性；通過(guò)峰度、偏度及K-S檢驗(yàn)(P＞0.05)對(duì)兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，峰度、偏度小于1且K-S顯著性大于0.05時(shí)，數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布[24-29]。用ArcGIS10.2軟件繪制土壤有機(jī)碳含量分布圖，并使用Rstudio軟件繪制箱線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 綏化市典型農(nóng)田黑土有機(jī)碳描述性統(tǒng)計(jì)特征

2.1.1 2002年綏化市典型農(nóng)田黑土有機(jī)碳描述性特征從表1中可以看出，綏化市整體的129個(gè)采樣點(diǎn)的土壤有機(jī)碳含量范圍是10.66～35.85 g/kg，均值為22.02 g/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為4.97，變異系數(shù)為22.57%，2002年的采樣區(qū)域內(nèi)的土壤有機(jī)碳含量最低值為10.66 g/kg，最大值是35.85 g/kg，最大值和最小值相差較大，說(shuō)明綏化市整體的土壤有機(jī)碳分布較為分散，不同地區(qū)的分布情況差異較大，根據(jù)養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，綏化市整體處于三級(jí)水平，部分地區(qū)的有機(jī)碳含量能達(dá)到二級(jí)水平，綏化市整體的變異系數(shù)在10%～100%之間，屬于中等變異。在采樣的8個(gè)市縣里，海倫市的有機(jī)碳含量平均值是最大的，北林區(qū)的有機(jī)碳含量的均值是最小的，其余市縣的平均值大小是綏棱縣＞慶安縣＞明水縣＞青岡縣＞望奎縣＞蘭西縣。采樣區(qū)域內(nèi)有機(jī)碳含量的最大值是海倫市是35.85 g/kg，最小值是綏棱縣是10.66 g/kg，但是從表1中可以看出，綏棱縣的最大值可以排到第二位，最小值是所有市縣中最小的，平均值卻可以排到第二位，而且綏棱縣的變異系數(shù)也是最大的，所以說(shuō)綏棱縣的有機(jī)碳含量離散程度大，差異明顯。

從表1中可以看出，2002年望奎縣的變異系數(shù)是最小的，變異系數(shù)是7.72%小于10%，屬于弱變異性，綏棱縣的變異系數(shù)是33.42%，變異性在采樣區(qū)域內(nèi)是最大的，但仍在10%～100%之間，屬于中等變異。根據(jù)養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，望奎縣、北林區(qū)和蘭西縣的土壤有機(jī)碳含量均值在10～20 g/kg之間，處于四級(jí)即中等水平，其他市縣土壤有機(jī)碳含量平均值都在20～30 g/kg之間，處于三級(jí)水平即中等水平，所以說(shuō)綏化市整體的有機(jī)碳含量處于三、四級(jí)水平，有機(jī)碳含量較為豐富。

2.1.2 2019年綏化市典型農(nóng)田黑土有機(jī)碳描述性特征從表1中可以看出，2019年綏化市的129個(gè)采樣點(diǎn)的有機(jī)碳含量范圍在11.48～36.39 g/kg之間，均值為21.67 g/kg，根據(jù)養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，綏化市整體處于三級(jí)水平，標(biāo)準(zhǔn)差為4.87，變異系數(shù)為22.47%，處于10%～100%之間，屬于中等變異。2019年的采樣區(qū)域內(nèi)的土壤有機(jī)碳含量最小值為11.48 g/kg，最大值是36.39 g/kg，最大值和最小值相差較大，說(shuō)明綏化市整體的土壤有機(jī)碳分布較為分散，不同地區(qū)的分布情況差異較大。

表1 2002年和2019年綏化市土壤有機(jī)碳含量

雖然2019年綏化市整體的有機(jī)碳含量平均值比2002年有機(jī)碳含量均值有所下降，但是均值最大的地區(qū)還是海倫市，均值為25.75 g/kg，均值的最小值不再是北林區(qū)而是蘭西縣，均值最小值為17.42 g/kg；綏化市有機(jī)碳含量最大值依舊是海倫市的36.39 g/kg，最小值最小的地區(qū)是慶安縣，不再是綏棱縣，2002年慶安縣的最小值是排在第一位的，2019年卻下降到了最后一位，而且2019年慶安縣的有機(jī)碳含量變異系數(shù)30.46%，相對(duì)于2002年的15.37%上升很多，足以看出17年來(lái)慶安縣的有機(jī)碳含量變化很大，2019年的有機(jī)碳含量離散程度更大；望奎縣的有機(jī)碳含量平均值從2002年的19.77 g/kg到2019年22.73 g/kg，增加了2.96 g/kg，而且最大值和最小值都在增加，變異系數(shù)也從原來(lái)的7.72%，增加到18.42%，說(shuō)明2019年有機(jī)碳含量離散程度更大；北林區(qū)的有機(jī)碳含量平均值雖然也有增加，但是變異系數(shù)下降了。

從表1中可以看出2019年青岡縣的變異系數(shù)為9.91%，蘭西縣的變異系數(shù)為7.93%，都小于10%屬于弱變異性，而2002年青岡縣和蘭西縣變異系數(shù)分別為11.04%和11.4%，都在10%～100%之間屬于中等變異，變異系數(shù)下降了，說(shuō)明2019年青岡縣和蘭西縣的有機(jī)碳含量離散程度更小。2019年北林區(qū)和蘭西縣依舊處于四級(jí)水平，而其他市縣依舊處于三級(jí)水平，只有望奎縣從2002年的四級(jí)水平變?yōu)槿?jí)水平，但綏化市整體依然處于第三、四級(jí)水平。

2.2 綏化市典型農(nóng)田黑土有機(jī)碳空間分布特征

2002年綏化市土壤有機(jī)碳含量空間分布如圖2（左）所示，從圖中我們可以看出，綏化市有機(jī)碳含量分布是東南部地區(qū)的土壤有機(jī)碳含量較低，土壤有機(jī)碳含量分布呈現(xiàn)東西部地區(qū)的含量比中部地區(qū)高，整體來(lái)看，綏化市有機(jī)碳含量呈現(xiàn)著從南到北逐漸升高的趨勢(shì)，從兩邊向中間先降低在升高的趨勢(shì)。海倫市的土壤有機(jī)碳含量整體分布較高，部分地區(qū)處于二級(jí)水平即豐富水平，而北林區(qū)和蘭西縣的整體土壤有機(jī)碳含量分布較低，其他市縣的土壤有機(jī)碳含量分布較為均勻。明水縣、青岡縣和蘭西縣有機(jī)碳含量在空間上的分布都是從西向東逐漸減少，海倫市和綏棱縣有機(jī)碳含量分布是從東北向西南方向先降低在升高最后在降低，慶安縣、望奎縣和北林區(qū)有機(jī)碳含量分布是從北向南逐漸減少的。

2019年綏化市土壤有機(jī)碳含量空間分布如圖2（右）所示，從圖中可以看出，綏化市有機(jī)碳含量分布依舊是東南部地區(qū)的土壤有機(jī)碳含量較低，綏化市有機(jī)碳含量呈現(xiàn)著從南到北逐漸升高的趨勢(shì)，從兩邊向中間先降低在升高的趨勢(shì)，和2002年比整體分布趨勢(shì)沒(méi)有太大變化。結(jié)合各市縣的有機(jī)碳含量分布，可以看出海倫市的土壤有機(jī)碳含量較其他市縣的有機(jī)碳含量多，北林區(qū)和蘭西縣整體的土壤有機(jī)碳含量相對(duì)較少，其他市縣的土壤有機(jī)碳含量分布較為均勻。明水縣的有機(jī)碳含量是從西向東先減少在增加的分布，海倫市的有機(jī)碳含量分布是從東北向西南先升高再降低，綏棱縣有機(jī)碳含量是從西南向東北呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，青岡縣有機(jī)碳含量分布是從西向東逐漸增加，慶安縣、望奎縣、北林區(qū)和蘭西縣的有機(jī)碳含量分布是從北向南逐漸減少。

圖2可以看出，綏化市整體的有機(jī)碳含量分布是在減少的，但是整體的有機(jī)碳含量分布依舊是從北向南逐漸降低，從兩邊向中間先減少再升高的趨勢(shì)。從整體來(lái)看海倫市、綏棱縣和慶安縣的部分地區(qū)有機(jī)碳含量下降非常明顯，望奎縣北部的有機(jī)碳含量上升明顯。

2.3 2002—2019年綏化市典型農(nóng)田黑土有機(jī)碳含量變化

結(jié)合表1、表2和圖2可以看出，2002—2019年綏化市整體的土壤有機(jī)碳含量從10.66～35.85 g/kg變化到11.48～36.39 g/kg，雖然最大值和最小值都有增加，但是平均值下降了1.6%，變異系數(shù)下降了0.1%，整體來(lái)說(shuō)綏化市的土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。望奎縣和北林區(qū)的土壤有機(jī)碳含量均值是上升的，其中望奎縣的平均值上升了14.97%，其他市縣的有機(jī)碳含量都是下降的，其中以蘭西縣下降的最多，下降了9.88%；只有明水縣、慶安縣和望奎縣的變異系數(shù)是上升的，以慶安縣的變異系數(shù)變化最大，提高了15.09%，其余市縣的變異系數(shù)都是下降，蘭西縣下降了3.47%。

結(jié)合表1和圖3中可以看出2019年綏化市整體土壤有機(jī)碳含量的中值和2002年土壤有機(jī)碳含量的中值相比是下降的，從圖3中也可以看出2002年和2019年的各個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)分布情況，兩個(gè)時(shí)期的有機(jī)碳含量分布比較相似，低于中值的數(shù)據(jù)分布較為集中，總體來(lái)看綏化市的土壤有機(jī)碳含量范圍變大。2002年有機(jī)碳含量范圍最大的是綏棱縣，最大值和最小值相差21.11 g/kg，含量范圍最小的是蘭西縣，最大值和最小值相差6.48 g/kg，2019年有機(jī)碳含量范圍最大是海倫市，最大值和最小值相差18.77 g/kg，含量范圍最小的依舊是蘭西縣，最大值和最小值相差5.39g/kg，海倫市、綏棱縣、青岡縣和蘭西縣的含量范圍雖然有所縮小，但是青岡縣的變化最大，明水縣、慶安縣、望奎縣和北林區(qū)的有機(jī)碳含量范圍增大，其中綏棱縣變化最大。

圖3 綏化市的土壤有機(jī)碳含量

3 結(jié)論

2002—2019年，綏化市整體的土壤有機(jī)碳含量平均值下降了0.35 g/kg，整體變異系數(shù)下降了0.1%。望奎縣和北林區(qū)的土壤有機(jī)碳含量平均值有所上升，其余市縣的有機(jī)碳含量都是下降的，下降程度順序是蘭西縣＞綏棱縣＞慶安縣＞青岡縣＞海倫市＞明水縣。2002年和2019年綏化市整體的土壤有機(jī)碳含量在空間上的分布都是從兩邊向中間先降低再升高的情況，從南向北有機(jī)碳含量逐漸升高，依舊是東北部分的有機(jī)碳含量比西南地區(qū)要高。這17年來(lái)綏化市的土壤有機(jī)碳含量在下降，但是整體的養(yǎng)分分級(jí)都是處于第三、四級(jí)水平，沒(méi)有太大的變化。