利用黑土層厚度評價東北黑土區土壤生產力
——以鶴北小流域為例

李 驁， 段興武

(1．華中農業大學 430070， 湖北 武漢； 2．云南大學 亞洲國際河流研究中心， 云南 昆明 650091)

東北黑土區是中國重要的糧食生產基地。據農業部農業信息網公布的統計資料，2011年東北三省的糧食總產量為1.07×1011kg，約占全國總產的18.86%，其中玉米產量占全國的33.06%，大豆占46.78%，人均糧食占有量是全國平均水平的2.4倍，在保障國家糧食安全問題上起著舉足輕重的作用，被譽為中國糧食生產的“穩壓器”[1-2]。

黑土養分含量豐富、結構良好、土壤肥力極高[3]。自從20世紀初大面積開墾以來，黑土土壤理化性質發生了顯著變化[4-8]，土壤生產力顯著降低[7-9]，引起黑土土壤生產力變化的原因比較復雜，可主要分為施肥和侵蝕兩種。為提高作物產量，自20世紀70年代末80年代初開始，中國開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量[11]，同時也能改變土壤的理化性質[12-13]，從而影響到作物品質的提高和土壤肥力的可持續利用[14]。另一方面，在高強度的人為耕作下，黑土區土壤侵蝕嚴重[1-4]。據水利部松遼水利委員會2002年的統計報告，該區水土流失面積占全區總面積的27%，發育大型切溝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，流失的養分折合標準化肥5.0×109～6.0×109kg，相當于全省化肥施用總量[6]，嚴重的侵蝕造成土壤養分損失、土壤質地粗化、持水能力降低，直接導致土壤生產力退化[13]。在這樣的前提下，研究簡便易行的土壤生產力評價指標可為黑土資源的合理利用和保護提供理論依據和方法參考。

土壤生產力評價方法可分為定性和定量兩種[15]。定性評價是通過對田間土壤的實地調查和診斷，對土壤宏觀性狀進行定性描述，多帶有經驗性，很難量化[16]。定量評價主要有3種：一是單指標評價；二是多指標表土綜合評價，即選取表層土壤多個理化性質指標評價表土生產力；三是多指標土體綜合評價，即將整個土體看作是作物生長的環境，選擇各個土層的土壤性質指標，將不同深度土層賦予不同的權重，綜合、立體地評價土壤生產力，比較有代表性的是土壤生產力指數模型(productivity index, PI)[17]，該模型在國內外獲得了廣泛應用[18-20]。段興武等[15]在該模型基礎上，根據東北黑土土壤理化性質和作物產量調查結果，構建了適用于東北黑土區的修正的生產力指數模型(modified productivity Index, MPI)并得到多次驗證[21-22]。但該模型仍然需要采集剖面土壤樣本、測定多項土壤理化指標，不利于野外快速和大范圍土壤生產力調查與評價。表層黑土養分含量豐富、土壤結構良好，表層黑土厚度(簡稱黑土層厚度)便于野外調查，對黑土土壤生產力貢獻較大[3]，被認為是衡量黑土退化程度的重要指標[7-8,23]。但時至今日，鮮有探討黑土層厚度與土壤生產力的研究案例。

本文以位于東北典型黑土區北端的鶴北小流域為案例區，通過調查和分析流域內不同等級土地的土壤厚度及土壤理化性質，構建了黑土層厚度與土壤生產力間的關系，并據此評價典型地塊的土壤生產力空間特征及其影響因素。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于黑龍江省農墾總局九三分局鶴山農場境內的鶴北小流域，地理坐標為48°59′0″—49°3′0″N，125°16′0″—125°121′0″E，屬于寒溫帶大陸性季風氣候，冬季漫長，夏季短促，秋季涼爽初霜早，春季風大，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。該區位于小興安嶺南麓，是小興安嶺向嫩江平原過渡地帶，屬漫崗丘陵區，坡長一般800～1 500 m，坡度一般1°～4°。自然植被屬于溫帶半濕潤草甸草原，土壤屬中國發生學分類中的黑土，屬中國土壤系統分類中的均腐土[24]。

鶴北小流域的面積為28 km2，大部分已開墾為農地，且開墾歷史都在60 a以上。開墾之初，通過種植人工林帶將各個地塊隔開，且無論是起壟或行播均沿林帶方向實行機械化作業。流域內共包括41個地塊，種植的農作物主要有大豆、小麥和玉米，尤以大豆為主。農業機械化程度高，整地、播種、噴藥、施肥、除草和收割等全部實行機械化作業。

1.2 樣本采集

本研究根據地形狀況，選擇流域內20個典型地塊調查土壤厚度和剖面土壤理化性質。

(1)黑土厚度調查。從調查地塊的坡頂開始每10 m高差布設一個厚度樣點，共計布設厚度樣點122個。利用半圓鉆(長1 m，可加延長桿，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。為防止打鉆過程中將土壤壓實，每次打鉆厚度控制在30 cm以內，直至采到母質層。全剖面樣采完后，參照土壤發生分層標準劃分土層，并利用比色卡判定黑土厚度[25]。回室內風干后，再判定一次。

(2)剖面土樣采集。根據厚度分析結果，選擇其中18個地塊參照標準方法采集剖面土樣[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，直至母質下20 cm為止，18個地塊共獲取分層土樣104個。每層采集3個標準環刀原狀土樣和1個混合土樣。

(3)土壤理化性質測定。環刀樣本用于測定土壤容重。混合土壤帶回室內風干后參照相關標準[25]測定主要理化指標，包括：有機質含量(OM，g/100g)，機械組成(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—外加熱法測定；機械組成采用吸管法測定；凋萎濕度和田間持水量用壓力膜法測定(壓力值分別設為1.5 MPa以及33 kPa)，有效持水量取二者之差；pH值用電位法測定，水土比采用2.5∶1。

1.3 土壤生產力指數計算

土壤生產力采用段興武等[15]修訂的東北黑土區土壤生產力評價模型MPI計算。該模型根據東北黑土的特性，剔除了原模型的容重因子，增加了土壤黏粒含量和有機質含量因子，具體如下：

式中：MPI——土壤生產力指數,范圍在0～1，數值越大，表明土壤的生產力越高；Ai——第i層土壤有效水含量的適宜性指數；Di——第i層土壤pH值的適宜性指數；Oi——第i層土壤有機質含量的適宜性指數； CLi——第i層土壤黏粒含量的適宜性指數； WFi——第i層土壤的權重，反映不同土層理化性質對土壤生產力的影響差異。各模型因子的適宜性指數計算參照段興武等[15]的研究結果。

為了評價模型的精度，收集了鶴山農場調查地塊1990—2008年的大豆產量統計資料。其中2007年為重旱災年份，產量明顯比往年偏低。為了剔除氣候災害的影響，在結果分析中沒有采用2007年的產量數據。

2 結果與分析

2.1 土壤生產力指數與黑土厚度的關系

利用MPI模型計算了18個地塊的土壤生產力指數，各地塊的土壤剖面平均理化性質及其生產力指數如表1所示。案例區土壤以壤土為主，有機質含量平均2.04%，18個剖面的黑土層厚度變化在22～90 cm，平均41.56 cm，從整個黑土區上看，較開墾初期顯著降低[7-8，26-28]。土壤生產力指數變化在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指標和土壤生產力指數MPI

MPI與黑土厚度有顯著正相關，相關系數0.525(p<0.05)。MPI指數隨黑土厚度增加而增加，但在40—50 cm處有一個拐點：當黑土厚度小于40—50 cm時，MPI隨黑土厚度增加速度較快；當黑土厚度大于40—50 cm時，MPI隨黑土厚度增加速度有所減緩，二者間的關系可用對數函數表達(圖1)。這種變化可能與土壤剖面構成有關，40—50 cm處土壤性質有較為明顯的變化，下部土壤生產力較低，導致增加速度較小，因此，40—50 cm黑土層厚度可能是黑土保護的一個閾值厚度。

圖1 典型地塊黑土厚度與土壤生產力指數MPI間的關系

2.2 利用黑土厚度評價地塊土壤生產力

利用建立的MPI與黑土厚度之間的關系，計算了20個地塊122個厚度樣點的MPI及其平均值(表2)。為了驗證黑土厚度評價土壤生產力的可行性，統計了各地塊MPI與1990—2008年平均大豆單產及當地土地等級之間的關系。結果表明，地塊平均MPI與大豆單產為顯著正相關，與當地土地等級為負相關(圖2)，MPI隨大豆產量增加而增加，隨土地等級增高(1等地土壤質量最高，5等地土壤質量最低)而降低，表明利用黑土厚度評價黑土土壤生產力可行。

表2 典型地塊平均黑土厚度及MPI變化

圖2 土壤生產力指數MPI與大豆產量及土地等級間的關系

為了分析地塊土壤生產力的空間差異，在ArcGIS中利用克里金插值方法得到各個地塊的黑土厚度及MPI的空間分布(圖3)。122個樣點黑土厚度變化在15～125 cm，平均厚度為36.84 cm，其中85%以上樣點的黑土厚度小于50 cm。根據本文研究結果，隨著侵蝕程度的加劇，這些樣點的土壤生產力將迅速降低，未來土壤侵蝕導致土壤生產力下降不容忽視。為了維持生產力水平，必須采取行之有效的水土保持措施，如等高耕作、免耕等。20個地塊MPI變化在0.48～0.84，平均0.62，與東北典型黑土區的研究結果相比[15]，本案例區生產力水平變幅較小，均值略高，屬中等生產力水平。

黑土厚度與MPI空間分布一致：總體從坡頂到坡底，土壤厚度增大，土壤生產力水平增加。高生產力土壤主要分布在底部地塊，如6-2-1和6-2-2號地塊；坡頂地塊土壤生產力最低，如6-5和9-5號地塊；位于坡中的大部分地塊生產力水平居中。從地塊內部土壤生產力差異看，等高或接近等高耕作地塊的土壤生產力水平差異較小，如9-7，9-7-1，9-7-2，6-2-1和6-2-2號地塊等，而以順坡、接近順坡或與等高線有明顯交叉耕作的地塊，土壤生產力差異較大，如6-3-2，6-3-4，6-4-2和6-4-5號地塊等。

圖3 鶴北流域典型地塊黑土厚度及土壤生產力指數MPI空間分布

已有研究表明，盡管黑土區水土流失面積較大，但侵蝕的土壤物質大部分沒有進入河道，而是在低洼部位堆積下來，形成侵蝕和堆積共存的土壤物質再分布景觀特征[29]。閻百興等[9]的研究結果也表明，漫崗區黑土從坡腳到坡頂侵蝕程度逐漸增加，由此造成的土壤質量也逐漸降低。這些與本研究結果一致。流域內農地坡度大部分小于3°，除等高耕作外沒有其他水土保持措施。研究發現，等高耕作地塊土壤生產力較高，且空間差異不大，順坡或與等高線交叉耕作地塊土壤生產力較低且空間差異較大，說明耕作方式對土壤侵蝕影響的重要性。順坡耕作導致坡上黑土加速侵蝕，使結構良好、土壤肥力水平高的表層黑土沉積于坡度較緩的坡腳地區[29-31]。作為三北防護林體系重要組成部分的東北地區，在20世紀70—80年代建設了大面積的防護林帶[32]。這些防護林逐漸成為黑土區農地的天然地塊邊界，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邊)。案例區當前林帶的順坡布設，導致小流域內地塊的耕作以順坡為主，這無疑加劇了土壤侵蝕速率和生產力退化進程，因此，將來在考慮林帶更新時，應注意林帶的等高布設，以便于等高耕作實施，從而減緩侵蝕速率，保護黑土生產力。

3 結 論

(1)黑土厚度與土壤生產力呈對數關系，隨著黑土厚度增加，土壤生產力水平逐漸增加，但在40—50 cm處有較明顯的變化，小于該厚度時，生產力隨厚度增加顯著；大于該厚度時，生產力隨厚度增加速度減緩，從而推測40—50 cm黑土厚度可能是黑土生產力保護的厚度閾值，應進一步深入研究。

(2)利用黑土厚度評價土壤生產力簡易可行，結果得到了大豆單產及當地土地質量等級的驗證。案例區土壤生產力總體從坡頂到坡腳有明顯增加趨勢，等高或接近等高耕作地塊的土壤生產力較高，且地塊內生產力空間差異小，順坡、接近順坡或與等高線交叉耕作的地塊，土壤生產力空間差異較大，耕作方式是導致該區黑土生產力水平退化的重要原因。建議將來林帶更新時，應將林帶位置及方向等的選擇與機械化水土保持耕作措施的實施相結合，以減緩黑土侵蝕速率，保護黑土生產力。

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