中國稻田土壤有機質時空變化及其驅動因素

李冬初，黃晶，馬常寶，薛彥東，高菊生，王伯仁，張楊珠，柳開樓,4，韓天富，張會民

（1湖南農業大學資源環境學院，長沙 410128；2中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；3農業農村部耕地質量監測保護中心，北京 100125；4江西省紅壤研究所/國家紅壤改良工程技術研究中心，江西進賢 331717）

0 引言

【研究意義】土壤有機質與土壤質量密切相關，有機質數量的耗竭和質量的惡化可直接導致土壤生態功能的衰退[1]。土壤有機質的變化受多種因素的影響，具有較強的時空變異性[2-4]。水稻土是中國面積最大、分布最廣的耕地土壤，占全國耕地面積的1/5，維持稻田土壤質量和生態功能對我國糧食生產和安全至關重要[5-6]。研究稻田土壤有機質變化對全面了解我國稻田合理施肥以及保障作物高產穩產具有重要指導意義。【前人研究進展】土壤有機質變化方面已開展了較多研究，包括國家尺度、省域尺度，以及典型地區和氣候帶，土壤類型區等方面。黃耀等基于1980—2000年文獻數據的研究表明，全國近60%的農田表層土壤有機質含量上升，有機碳儲量總體增加310—400 Tg，其中水稻土和潮土有機質含量增加明顯[3]。楊帆等比較測土施肥和全國第二次土壤普查數據，結果表明近30年全國農田耕層土壤有機質提高4.85 g·kg-1，并指出我國農田有機質上升原因可能包括秸稈還田、農作物產量的快速提升、免耕少耕技術推廣以及堆肥和綠肥的施用等[4]。TANG等通過14 371個野外監測點，估算出全國陸地生態系統不同土地利用方式碳庫特征，認為其與年均氣溫和降水關系顯著，并指出82.9%的碳庫存在于0—1 m的土層中[7]。PAN等[8]通過比較國家耕地土壤監測數據和全國第二次土壤普查數據，研究表明全國稻田表層土壤有機碳密度顯著高于旱地，其固碳潛力巨大層中。顧成軍等分別在不同省域尺度上研究土壤有機質變化特征，認為不同土地利用方式，肥料的大量施用，秸稈還田及其土壤類型等顯著影響土壤有機質含量[9-16]。楊玉盛等分別分析了中亞熱帶山區、黃土丘陵溝壑區、東北黑土區等地帶性土壤有機質變化特征，表明不同土地利用方式、土壤類型、土壤覆蓋、土壤坡度等影響土壤有機質含量[17-19]。任麗等報道了蘋果、柑橘等果樹種植區土壤有機質空間分布及其影響因素，并建立了相關模型[20-21]。此外還有較多關于不同點位上的土壤有機質變化研究，多數報道施用有機肥顯著提升土壤有機質含量，常規施肥土壤有機質含量呈上升趨勢[22-24]。在有機質變化的研究手段上有基于多點位的統計學比較分析[3-4,6-10]，也有基于地統計學方法及GIS技術的時空變異特征分析[12,25]，以及模型分析[11,26-27]。目前，研究較多集中在對土壤有機質驅動因子的探討，以及土壤有機質結構、形態及功能等研究[28-31]。【本研究切入點】目前國家尺度的農田土壤有機質含量變化研究一方面基于布置在全國各地的長期定位試驗點。比如中國農業科學院的肥力與肥料效應監測網長期定位試驗[32]，中國科學院CERN臺站長期定位試驗，以及各地農業科學院系統布置的大量長期定位試驗，其研究多基于不同施肥、輪作、耕作等對土壤有機質的影響[22]。另一方面，基于區域尺度上的采樣數據或者文獻調研數據，通過與第二次土壤普查數據比較，或者通過模型模擬獲取全國農田土壤有機質含量變化[3,8]。農業農村部自1988年開始建立國家級耕地質量監測點，其中在中國主要水稻種植區稻田土壤上布置了大量的長期定位監測點。李建軍等依托國家耕地質量1988—2012年數據研究了中國稻田土壤基礎地力變化特征和長江中下游稻田土壤養分變化特征，結果表明中國稻田土壤基礎地力總體呈上升趨勢，基礎地力與水稻產量同步上升。長江中下游稻田土壤養分含量基本呈上升趨勢，土壤肥力總體改善[33-34]。韓天富等依托國家耕地質量1988—2017年數據研究認為施肥尤其是有機肥與無機肥配合施用是維持和提高水稻高產的重要措施[35]。近年來，我國農業結構調整，尤其是種植結構優化和有機替代，化肥減施增效等政策密集影響，土壤面臨更加復雜的作物、肥料投入和氣候變化。另一方面，基于國家級耕地質量監測點的全國稻田土壤有機質長期、動態、定位等的系統研究和分析相對較少，其變化特征、速率和趨勢不明確。【擬解決的關鍵問題】本研究擬依托338個國家級稻田土壤長期定位監測點，系統分析中國主要水稻種植區稻田土壤有機質變化特征，旨在揭示我國稻田土壤有機質演變規律及區域分異特征，分析稻田土壤有機質變化驅動因素。評價土壤有機質對土壤容重和耕層深度等影響，為稻田土壤合理施肥和作物穩產高效提供科學指導，為耕地地力提升和建設高質量稻田提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 監測點分布概況

基于農業農村部在全國不同稻作區布置的土壤監測點及其數據庫[35]，選取全國水稻種植區域稻田土壤監測點共338個，根據水稻監測點分省（區）分布情況，結合自然地理區域，本研究監測點位按照數量高低，分布于長江中游（111個），長江下游（82個），華南（80個），西南（47個），東北（18個）。在全國稻田總的338個土壤監測點中，有140個為長期定位監測點，其中長江中游、長江下游、華南、西南和東北分別有52個、29個、31個、22個和6個。

全國稻田土壤長期監測點自1988年開始監測，分別設置無肥對照區和常規施肥區（農民習慣施肥）兩個處理。種植制度根據不同區域氣候特點分別包括①東北，一年一熟制，種植水稻為主；②長江中游，一年兩熟制，種植制度主要為雙季稻，部分為水稻-油菜（小麥、煙葉、蔬菜、綠肥等）輪作；③長江下游，一年兩熟制，以水稻-小麥（油菜、綠肥等）水旱輪作為主；④西南，一年兩熟制，以水稻-小麥（油菜、玉米、冬閑等）水旱輪作為主；⑤華南，一年兩熟制（部分三熟制），種植制度主要為雙季稻，部分為水稻-蔬菜（煙葉、綠肥等）輪作。各點分別監測肥料養分氮磷鉀投入、主要作物產量以及土壤肥力狀況。

1.2 樣品采集與分析

各監測點按照統一的規范，分別于每年度最后一季作物收獲后采集耕層土壤樣品。耕層指農業耕作、施肥、灌溉影響區域和作物根系分布的集中層段，其顏色、結構、緊實度都有明顯的特征和界線。每個處理采用“S”型采集5—10鉆土壤樣品，3次重復。土壤樣品自然風干，人工除去植物殘體和石塊后過2 mm 篩，混勻后備用。土壤各指標測定方法依據《土壤分析技術規范》[36]。各監測點每年記錄施肥種類、數量，作物籽粒和秸稈產量以及管理措施等，現場根據作物根系分布和土壤顏色、緊實度等指標調查耕層厚度。

1.3 數據處理與統計分析

各稻作區監測點位數量及其代表面積不同，本文利用各省（區）稻田土壤有機質含量的平均值與該省稻田土壤面積比例加權平均后得到各稻作區土壤有機質平均含量[37-38]。

式中，SOM為稻作區土壤有機質平均含量（g·kg-1）；Mi為該區域i省份土壤有機質平均含量（g·kg-1），Ai為i省份稻作土壤面積（104hm2）。

各點數據采用Excel 2016整理計算，運用SigmaPlot 12.0分析并作圖，IBM SPSS 22.0進行差異顯著性檢驗（LSD，Duncan (D)，P＜0.05）。

2 結果

2.1 土壤有機質含量空間變化

全國稻田耕層土壤有機質平均含量32.4 g·kg-1，變幅在11.3—65.0 g·kg-1（表1）。其中湖南、云南、貴州、廣西、廣東、江西、黑龍江、吉林、浙江和福建等10省（區）稻田耕層土壤有機質平均含量在30.0 g·kg-1以上。安徽、海南和上海低于25.0 g·kg-1。各稻作區域耕層土壤有機質平均含量高低順序為長江中游35.1 g·kg-1、華南34.2 g·kg-1、東北33.6 g·kg-1、西南31.0 g·kg-1和長江下游26.3 g·kg-1。由圖1可知，根據箱線圖統計的各稻作區耕層土壤有機質含量置信區間分別為長江中游20.6—51.2 g·kg-1，華南15.2—48.6 g·kg-1，東北11.9—51.6 g·kg-1，西南18.1—45.4 g·kg-1和長江下游17.2—43.9 g·kg-1。各稻作區稻田耕層土壤有機質含量差異顯著。長江中游地區耕層土壤有機質含量顯著高于西南地區和長江下游地區（P＜0.05）。從經度分布來看，各區域稻田耕層土壤有機質含量無顯著差異。從緯度分布看，N25°—30°和N20°—25°區域稻田耕層土壤有機質含量顯著高于＜N20°和N30°—40°區域（P＜0.05）。

表1 不同區域稻田耕層土壤有機質平均含量Table 1 The mean SOM content of paddy soil in plough layer in different regions

2.2 土壤有機質含量的時間變化

2.2.1 全國稻田土壤有機質含量的時間變化 全國140個長期監測點結果表明，常規施肥條件下近30年全國稻田耕層土壤有機質含量總體呈現上升趨勢（圖2-a）。通過對所有監測點338個點位數據土壤有機質含量的統計，與1988年相比，近30年全國稻田耕層土壤有機質平均含量上升3.49 g·kg-1（圖2-b）。回歸方程表明稻田耕層土壤有機質年增加速率0.09—0.12 g·kg-1（P＜0.01）。

2.2.2 不同區域稻田土壤有機質含量的時間變化 不同稻作區域長期監測點稻田耕層土壤有機質含量變化見圖3。各稻區稻田耕層土壤有機質含量均隨耕作時間呈現上升趨勢。土壤有機質年增長速率從高到低依次為東北（0.31 g·kg-1·a-1，P＜0.01）、長江下游（0.22 g·kg-1·a-1，P＜0.01）、長江中游（0.19 g·kg-1·a-1，P＜0.05）、華南（0.16 g·kg-1·a-1，P＜0.05）和西南（0.11 g·kg-1·a-1，P＜0.05）。土壤有機質含量年均增速總體表現為從北到南依次降低的趨勢。

圖1 不同區域稻田耕層土壤有機質含量及隨經度和緯度變化Fig.1 The SOM content of paddy soil in different rice cultivation regions and different regions with longitude and latitude

圖2 常規施肥下稻田土壤有機質變化(a，長期監測點；b，所有監測點1988、1998、2008、2017年統計)Fig.2 Change of SOM content in paddy soil under conventional fertilization within period of 1988 to 2017(a, data comes from long term monitoring points; b, data comes from all monitoring points in 1988, 1998, 2008, and 2017)

圖3 不同稻作區域稻田耕層土壤有機質含量變化Fig.3 Change of SOM content in paddy soil in different region within period of 1988 to 2017

2.2.3 不同區域有機質含量變化的點位特征 通過對不同區域長期監測點有機質含量的定位跟蹤，1988—2017年間全國140個長期監測點中，58個監測點稻田土壤有機質含量顯著上升，占總量的41.4%（表2）。44個監測點稻田土壤有機質含量顯著下降，占總量的31.4%，另外有27.1%的長期監測點稻田土壤有機質含量無顯著上升或下降趨勢。受到長期監測點地理位置、氣候、種植制度、肥料投入等影響，1988—2017年間長江中游地區52個長期定位監測點中，48.1%的監測點土壤有機質含量上升，42.3%的監測點下降，9.1%的監測點無顯著變化。華南地區31個長期定位監測點中32.3%監測點的有機質含量上升，25.8%下降，41.9%無顯著變化。長江下游地區29個長期定位監測點中41.4%上升，24.1%下降，34.5%無顯著變化。西南地區22個長期定位監測點中36.4%上升，22.7%下降，40.9%無顯著變化。東北地區6個長期定位監測點中50.0%上升，33.3%下降，16.7%無顯著變化。

2.3 土壤有機質含量變化影響因素

土壤有機質含量受土壤類型、氣候特征、種植制度以及施肥等的影響。不同區域土壤有機質含量對氣溫和降水量響應關系不同（圖4）。從東到西隨經度變化以及從南到北隨緯度變化，土壤有機質含量與年均溫度相關系數呈下降趨勢，兩者由正相關逐漸變化為顯著負相關（P＜0.05）。從東到西隨經度變化，土壤有機質含量與年均降水量在＜E105°、E110°—115°、＞125°區間表現為負相關，在E105°—110°、E115°—120°、E120°—125°區域為正相關（P＜0.05），其相關系數整體表現為兩頭低，中間高。從南到北隨緯度變化，土壤有機質含量與年均降水量由正相關關系逐漸變化為負相關（P＜0.05），相關系數隨緯度有下降趨勢。

圖4 稻田土壤有機質含量與年均溫度和降水量相關關系隨經度和緯度變化Fig.4 The relationships between the SOM content and annual average air temperature, precipitation following change with longitude and latitude

從現有監測點位水稻土類型來看（圖5-a），潛育型水稻土的稻田耕層土壤有機質平均含量為38.9 g·kg-1，顯著高于其他類型水稻土（P＜0.05）。耕層土壤有機質含量受種植制度影響相對較少，一年三熟制稻田耕層土壤有機質平均含量要略高于一年兩熟和一年一熟制稻田（圖5-b）。土壤有機質與氮肥投入響應關系表明，在投入量0—200 kg·hm-2·a-1下，土壤有機質與氮肥投入呈負相關（圖5-c，P＜0.05）。年投入量200—300 kg·hm-2·a-1下，土壤有機質與氮肥投入呈極顯著正相關（P＜0.01）。年投入量大于300 kg·hm-2·a-1下，土壤有機質與氮肥年投入量極顯著負相關（P＜0.01）。

2.4 土壤有機質變化與土壤容重和耕層深度關系

土壤有機質含量與土壤容重及耕層深度存在響應關系。通常情況下有機質含量高，其土壤疏松，結構好，容重低，耕層深厚。通過對我國稻田耕層土壤602組有機質含量與容重數據做線性回歸獲得容重與土壤有機質含量的經驗方程：y（容重g·cm-3）=-0.0049×SOM(g·kg-1) + 1.3739 （R2= 0.1198,n= 602）（圖6-a）。同樣，對670組耕層深度數據與土壤有機質含量獲得經驗方程：y（SOM g·kg-1）=0.2879×T（耕層厚度 cm）+ 25.3651（R2= 0.0120,n= 670）（圖6-b）。

3 討論

3.1 土壤有機質時空變化特征

20世紀80年代以來，隨著我國農業投入的增加和農業科技快速發展，水稻總產量持續上升，農作物秸稈資源數量和還田比例持續增加，我國稻田耕層土壤有機質含量整體呈現上升趨勢。本研究得出近30年全國稻田耕層有機質含量平均增加約3.49 g·kg-1，年均增速0.09—0.12 g·kg-1。與前人觀點基本相似[3-4]。從區域來看，受到各地水熱條件、種植模式和肥料投入等影響，稻田土壤有機質含量上升速率存在差異，年均遞增速率呈現從南到北依次增加趨勢，結果與李建軍等的觀點相似[39]。我國稻田土壤也存在提升和發展不平衡狀況，在全國耕地質量長期監測點位中，約2/3以上的點位稻田土壤有機質含量保持穩定或呈增加趨勢，其結果略低于黃耀等文獻調研結果[3]。受時間跨度、點位和數據來源等影響，以往研究大多基于文獻調研或模型模擬研究國家尺度農田土壤有機質動態變化[2-4]。本研究依托國家級耕地質量長期定位監測點，具有長期穩定，定位精準，能真實反應農業生產方式和投入變化情況，數據可靠性高等特點。

圖5 不同水稻土類型（a）、種植制度（b）以及氮肥投入量（c）稻田的耕層土壤有機質含量變化Fig.5 The change of SOM content with different paddy soil types (a), different cropping systems (b) and N fertilizer applications (c)

圖6 稻田土壤有機質與土壤容重（a）及耕層深度（b）的關系Fig.6 Correlations between bulk density and SOM content (a), SOM and plough depth (b) content for the plough layers of the paddy soil

我國稻田土壤有機質提升技術措施主要包括農作物秸稈還田、施用有機肥或化肥有機肥配施以及種植綠肥[40-42]。稻田耕層土壤有機質含量明顯高于全國耕地土壤以及旱地耕作土壤[4]，其中10個省份超過30.0 g·kg-1。在不同區域，稻田土壤有機質含量呈現明顯的時空變異性[2-4]。長江中游和華南為我國典型雙季稻產區，水稻生產水平普遍較高，具有較好的水熱條件，有利于秸稈腐解，其稻田土壤有機質含量整體較高。長江中游、華南和東北稻田耕層土壤有機質含量較西南和長江下游高，原因可能是與后兩地為我國典型水旱輪作區域，稻田水旱交替加速土壤有機質分解有關[43-44]。

3.2 土壤有機質變化因素分析

稻田土壤有機質主要來源作物根茬、秸稈、綠肥還田，有機物料投入等。土壤有機質含量在固持和分解中維持動態平衡，影響稻田土壤有機質含量的因素有氣候、土壤類型、地形、施肥和耕作措施等[2,45-47]。溫度和水分是決定土壤有機質輸入和分解的氣候因子，其一方面影響作物產量，制約土壤有機質輸入量；另一方面對土壤水熱狀況和微生物活動產生深遠影響[48]。本研究表明，高緯度地區，稻田土壤有機質含量與年均溫度顯著負相關，說明溫度越高，有機質分解越快。低緯度地區，稻田土壤有機質含量與年均溫度呈正相關，溫度越高，越有利于作物生長，累積更多的碳投入[48-49]。從東到西，稻田土壤有機質含量與年均溫度由正相關，轉變為負相關，長江下游、華南地區東部年均氣溫對土壤有機質積累起促進作用，而到西南地區，年均氣溫則對土壤有機質分解起主導作用。從稻田土壤有機質與年降水量關系來看，在＜E105°、E110°—115°、＞E125°區間，降水加劇了有機質分解，兩者表現為負相關，在E105°—110°、E115°—120°、E120°—125°區域，隨著降水量增加，稻田淹水時間和淹水量增加，產生還原環境，有利于緩解土壤有機質礦化分解，增加土壤有機質積累[46]。隨著緯度增加，稻田土壤有機質與年降水量之間相關系數有下降趨勢。總體而言，溫度和水分二者的綜合配置影響稻田土壤有機質含量的地帶性分布。

施肥是影響土壤有機質至關重要的因素。長期施肥顯著提高土壤有機質含量[50-52]。全國耕地質量監測數據揭示稻田土壤有機質與肥料投入存在響應關系。合適的氮肥年投入量（200—300 kgN·hm-2·a-1）能提升土壤有機質含量，較低和過高氮肥年投入量均不利于土壤有機質含量提升。目前南方的長江下游、長江中游和華南等區域稻田氮肥年投入量普遍較高。因此，減肥是必然選擇，土壤有機質含量提升要與化肥減施有機結合，協調發展。就我國現有肥料投入水平來看，生產上應該以“減氮”為原則，采用秸稈還田和有機肥替代部分化肥，達到減施、提質和增效目的。水稻土類型和種植制度等主要通過土壤水熱狀況、微生物種群和外源投入等對稻田土壤有機質含量產生影響。

3.3 有機質與土壤容重及耕層深度的關系

土壤有機質對土壤質量及功能的調節起關鍵作用，較低的土壤有機質會降低土壤結構的穩定性。研究表明，土壤有機質提升有利于增加土壤孔隙，降低土壤容重，增厚土壤耕層[53-55]。WU和CALLESEN等[55-56]分別利用中國礦質土壤和加拿大森林土壤擬合土壤容重與有機質含量。本研究得出稻田土壤有機質含量與土壤容重響應關系，與PAN等[8]結果基本一致。通過擬合的經驗方程，可用來補充缺失土壤容重值，為計算稻田土壤碳庫儲量提供支撐。

土壤有機質有利于構建肥沃土壤耕層。相反，合適土壤耕層深度有利于土壤微生物活動，影響土壤有機質累積和分解。本研究結果也表明，稻田土壤有機質含量與耕層深度呈正相關關系（P＜0.01），但兩者相關性不如土壤容重，耕層深度可能與稻田管理措施，比如土壤翻耕深度、次數、以及機械化耕作管理等有關[56]。

4 結論

近30年全國稻田耕層土壤有機質含量平均上升3.49 g·kg-1，從南到北土壤有機質含量年均增速依次增加。不同區域稻田土壤有機質對年均氣溫和降水量響應關系不一樣。從東部到西部以及緯度從低到高，土壤有機質含量與年均氣溫相關性由正相關轉變為負相關。氮肥年投入量、水稻土類型以及種植制度等對稻田土壤有機質產生影響。稻田土壤有機質含量與土壤容重及耕層深度有響應關系，提升土壤有機質有利于降低土壤容重，土壤有機質含量隨土壤耕層增加而呈上升趨勢。