黑土坡耕地土壤有機質與生產力的空間關系

王 平

(黑龍江省水土保持科學研究院, 黑龍江 哈爾濱 150070)

黑土坡耕地土壤有機質與生產力的空間關系

王 平

(黑龍江省水土保持科學研究院, 黑龍江 哈爾濱 150070)

摘要：[目的] 從田塊尺度上揭示黑土坡耕地生產力與土壤有機質和全氮的空間關系，為坡耕地水土流失的治理和農業生產提供參考。 [方法] 利用經典統計學和地統計學的方法對典型黑土區坡耕地大豆產量與土壤有機質、全氮、海拔高度的空間關系進行分析。 [結果] 坡耕地大豆產量、土壤有機質和全氮含量存在較大變異，分別為0.05～0.26 g/kg，19.27～52.64 g/kg和0.95～2.38 g/kg，但大豆產量與土壤有機質和全氮之間不存在顯著的空間相關關系，與海拔高度之間存在負相關，但不顯著。土壤有機質和土壤全氮之間存在極顯著相關關系。 [結論] 坡耕地生產力受地形、地下水位、成土過程等結構性因子的影響約占2/3，受人類耕作、施肥、種植作物的影響只占1/3。水土流失是造成黑土農田生產力降低的主要因素。

關鍵詞：黑土; 坡耕地; 生產力; 有機質; 全氮

東北典型黑土區是我國最大的商品糧基地，地貌特征為漫川漫崗，墾殖率70%以上，約60%為坡耕地，黑土坡耕地存在不同程度的水土流失，其過程表現為坡上和坡中的表層土壤被剝離后，多數遷移并沉積于坡腳[1-2]。坡耕地長期侵蝕的結果是剝蝕區黑土層變薄，沉積區原黑土層被上游搬運的土壤所掩埋，坡面土壤質量和生產力下降，對農業生產造成了嚴重的危害[3-4]。黑土侵蝕研究多集中于坡耕地水土流失特征與治理措施、土壤侵蝕分布特征以及侵蝕溝發育機理等方面[5-7]，水土流失與作物產量關系的研究近年得到了學者們的關注，多采取剝離小區試驗，研究黑土層、土壤有機質、施肥等對作物產量的影響，也有在小流域尺度研究作物產量和土壤有機質的關系。坡耕地土壤性狀在空間上存在高度的異質性，且在不同空間尺度影響土壤性質的關鍵因素也有差異[8]。一般認為在田塊尺度，微地形也會對土壤理化特性產生顯著影響[3,9]。土壤性狀的空間差異，勢必造成作物產量的空間變化，只有在全坡面上研究性狀間的空間關系，才能揭示其影響。地統計學已成功地應用到土壤性狀空間分布及其空間異質性研究，彌補了經典統計分析方法在結構和過程分析的不足，能更有效地解釋養分的時空分布格局對生態過程和功能的影響[10]。因此，本研究以典型黑土區坡耕地為對象，利用經典統計學和地統計學的方法，探討典型黑土區坡耕地大豆產量、土壤有機質、土壤全氮含量空間變異特性，從田塊尺度上揭示黑土坡耕地生產力與土壤有機質和全氮的空間關系，以期為黑土坡耕地水土流失的治理和農業生產提供參考。

1材料與方法

1.1　試驗區基本情況

試驗區位于典型黑土區的黑龍江省海倫市前進鄉光榮村，試驗地為東西長75.5 m，南北長310 m，總面積1.42 hm2的坡耕地，北緯47°20′21″—47°20′38″，東經126°50′21″—126°50′24″。西側為分水嶺，東側為侵蝕溝。地勢西北略高，向東南傾斜。海拔高度在186.7～205 m，1942年由榛柴林開墾為農田。年平均氣溫1.5 ℃，1月平均氣溫-23.5 ℃，7月平均氣溫21 ℃，年平均降水量550 mm，作物有效生長季為120～130 d。2003年10月秋翻后起南北向壟，2004年種植大豆，施種肥N107.2 kg/km2，P18.6 kg/km2。土壤為侵蝕黑土。

1.2　研究方法

2004年春季播種前，采用系統布點法，設置102個觀測點(采樣點)，樣點東西間距10.5 m，南北間距20 m。于2004年施肥前采集耕層(0—20 cm)土樣，將風干樣過2 mm篩，用德國產Vario ELⅢ型元素分析儀測定土壤全量碳氮含量。于2004年9月28日在每樣點旁邊采集兩壟(壟距0.7 m)長3 m小區大豆，測定籽實產量，轉換為14%含水量的籽實產量。樣品的描述性分析采用SPSS 10.0軟件包，用美國Gamma Design Soft Ware公司的地統計學軟件GS+5.3 b進行地統計學分析。具體步驟為： (1) 利用SPSS 10.0的K—S檢驗，對土壤性狀進行正態分布檢驗，不滿足正態分布的進行對數轉換，直至滿足正態分布為止； (2) 利用GS+5.3 b進行半方差函數分析和Kriging插值繪圖。

2結果與討論

2.1　經典統計學分析

2.1.1變異性分析樣本的平均數和中數是樣本數據的代表值，表示資料觀測值的中心位置。標準差、變異系數、最大值、最小值表示數據的異質性程度。中數和平均數有一定的差異，中數略小于平均數，說明了特異值對樣本的數值有一定的影響。從表1可以看出，大豆產量、土壤有機質、全氮的變化范圍均較大，分別為0.05～0.26 g/kg，19.27～52.64 g/kg，0.95～2.38 g/kg，說明坡耕地空間異質性較大。它們的變異系數均大于0.1，小于1，說明為中等強度變異[11]。樣本的傾斜度和峭度檢驗表明，土壤有機質和全氮符合正態分布，大豆產量經對數轉化后符合正態分布。

表1　坡耕地產量、土壤有機質、全氮的描述性統計

注：*為對數轉化后值。下同。

2.1.2相關性分析絕大多數研究表明土壤有機質與土壤全氮具有顯著的相關性[5]。在該黑土坡耕地上，土壤有機質與全氮存在極顯著正相關，相關系數高達0.97，而土壤有機質和全氮與大豆產量間的相關性不顯著，說明土壤有機質和全氮含量并不是決定黑土坡耕地產量的主要因素，前期的研究表明坡耕地大豆產量同播種前后的土壤含水量存在顯著的空間相關關系[1]，即水土流失加劇土壤水分脅迫遠較因土壤有機質下降對作物產量的影響大[12]。大豆產量與海拔高度存在不顯著負相關，主要是由于水土流失導致水肥在坡耕地較低區域富積。土壤有機質和全氮與海拔高度之間也存在極顯著正相關，這與土壤形成過程有關(表2)。

表2　坡耕地產量、土壤有機質、全氮、海拔高度的相關分析

注：*表示相關性的顯著水平p<0.05，**表示相關性的顯著水平p<0.01。

2.2　地統計學分析

2.2.1土地生產力、土壤有機質、全氮的空間變異函數特征在性狀空間變異性的經典統計分析中，是將性狀看作隨機的、彼此相互獨立的。然而實際中，在一定的空間范圍內，性狀存在一定的空間依賴型。地統計學方法被成功地引入土壤空間性狀分析，彌補了經典統計學的不足，在近20 a來被國內外土壤研究者廣泛采用[13-14]。由大豆產量、土壤有機質、全氮的半方差函數圖分析可得，該典型黑土坡耕地的大豆產量的試驗半方差函數符合指數模型，土壤有機質和全氮的半方差函數符合高斯模型，其相應的參數詳見表3。土壤有機質和全氮的塊金值與基臺值的比值均小于25%，表明變量有強烈的空間相關性；大豆產量的塊金值與基臺值的比值為33%，在25%～75%之間，表明變量具有中等的空間相關性。變程(Range)反映性狀的有效空間相關距離，三者的最大空間相關距離分別均為300 m左右。因此，在對黑土坡耕地生產力、土壤有機質、全氮的空間取樣調查的距離應小于300 m。

土壤性狀的空間異質性是由結構性因子和隨機因子共同作用的結果。結構性因子包括是指土壤形成過程中的成土母質、地形、地下水位及形成的土壤類型等；隨機因子是指土壤管理過程的施肥、種植的作物、耕作栽培措施等。通常，結構性因子促使土壤養分含量具有較強的空間相關性，而隨機性因子促使土壤養分含量的空間相關性減弱。土壤有機質和全氮具有強烈的空間相關性，說明主要受結構性因子的影響，分別占80.0%和75.3%；大豆產量具中等強度空間變異，受結構性因子地形和成土過程等的影響占67.0%，另33.0%受人類活動的影響。

表3　半方差函數理論模型及相應參數

在自然界中，性狀的空間異質性常常表現為各向異性。經地統計學的半方差原理計算出的分形維數D和各向異性半方差函數分析可反映各向異性下各方向的空間變異強度，分形維數D是對生態因子場結構復雜性的表征，D越小，生態因子場的差異也就越大。表4為黑土坡耕地大豆產量、土壤有機質、全氮在各向異性下變異函數的計算結果。大豆產量在東北—西南(45°)方向上的空間變異最大，在西北—東南(135°)方向上的空間變異最小；有機質在東北—西南(45°)方向上的空間變異最大，在北—南(90°)方向上的空間變異最小；全氮在南—北(0°)方向上的空間變異最大，在西北—東南(135°)方向上的空間變異最小。地統計學的Moran’sI分析可測定性狀的空間自相關關系。Moran’sI分析結果表明，大豆產量、土壤有機質、全氮的最小空間自相關方向分別為158°，140°，142°，這與該坡耕地坡向大致相同，說明水土流失是導致空間變異強度加大的主要因素。該項結果也表明在野外對黑土坡耕地調查時，合理取樣間距不但要考慮各向同性的有效空間相關距離，要充分考慮其空間各向異性特征，在空間自相關距離大的方向，取樣間距可適當加大，在空間自相關距離小的方向上應適當縮短采樣間距，例如沿坡降方向取樣間度應適當縮短。

表4　向異性模型的分形維數

注：地統計學分析默認0°方向為北。

2.2.2土地生產力、土壤有機質、全氮的空間分布由圖1可知，大豆產量以東南角最高，高于0.15 kg/m2；西北角次之，以中部最低，低于0.1 kg/m2主要是由地勢所決定的。東南角地勢最低，相對較平緩，是流失水土主要的富積處，土壤有機質和全氮含量較高，因此產量最高。以中部地區的坡降最大，水土流失最為嚴重，土壤保水保肥能力最差，土壤有機質和全氮含量較低，因此土地生產力最低。西北角產量略高于坡中，主要是由于處于坡頂，地勢較緩，水土流失低于中部區域。土壤有機質和全氮的空間分布極其相似，北部(坡上)較高，中部和西南部較低，東南部又略有升高。主要是由于地勢走向和南北壟向導致的水土流失強度不同所致，東南部是由于沖刷下來的肥沃表土沉積所致(圖2—3)。

圖1　大豆產量的空間分布

圖2　土壤有機質的空間分布

圖3　土壤全氮的空間分布

3結 論

供試的黑土坡耕地開墾62 a后，土壤有機質和全氮空間異質性仍主要受成土過程和地形等結構性因子影響，受人類活動影響小于25%；坡耕地生產力受地形、地下水位、成土過程等結構性因子的影響約占2/3，受人類耕作、施肥、種植作物的影響只占1/3。土地生產力與土壤有機質和全氮之間不存在顯著的相關關系，與海拔高度之間存在負相關，但不顯著。土壤有機質和土壤全氮之間存在極顯著相關關系。就黑土坡耕地總體而言，以坡下生產力最高，坡頂次之，以坡中土地生產力最低，這主要是由于坡降不同導致的水土流失程度不同所致，但土壤有機質含量并不是造成黑土坡耕地生產力降低的主要因素，作物產量主要受土壤水分影響，說明黑土坡耕地水土流失防治應將保水作為首要目標。

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Spatial Correlation of Soil Organic Matter Content and Productivity in a Black Soil Sloping Farmland

WANG Ping

(InstituteofSoilandWaterConservationofHeilongjiangProvince,Harbin,Heilongjiang150070,China)

Abstract：[Objective] A case research in a black soil sloping farmland was conducted to illustrate the spatial correlations among productivity, organic matter and total nitrogen content, in order to provide some hints for controlling of soil and water loss and improving of agricultural production in simliar slope farmlands. [Methods] Spatial correlations among productivity, organic matter and total nitrogen content were analyzed by classical statistics and geostatistics methods. [Results] There was no significant correlations of soil productivity with organic matter content and total nitrogen content. A insignificant negative correlation(p<0.05) between soil productivity and altitude was found. There existed a significant correlation between soil organic matter content and total nitrogen content(p<0.01). [Conclusion] The productivity of the sloping farmland was greatly affected by soil structure factors, such as terrain, groundwater level and soil forming process; about sixty-seven percent of the variance of productivity can be explained by them.Other thirty-three percent variance was affected by cultivation, fertilizer application and planting. Soil erosion was thought to be the dominated process that lead to the reduction of the black soil productivity on sloping farmland.

Keywords:black soil; sloping farmland; productivity; organic matter; total nitrogen content

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0049-04

中圖分類號：S158， S157.1

收稿日期：2015-03-12修回日期：2015-03-18

資助項目：國家自然科學基金項目“土壤有機質與作物生產力的關系研究”(41071201)

第一作者：王平(1965—)女(漢族), 黑龍江省哈爾濱市人，學士，高級工程師,主要從事土壤侵蝕機理及水土流失監測技術方面研究。E-mail:wp626588@163.com。