東北典型黑土區旱地耕層土壤肥力指標的緯度變化特征及其關系

尹思佳，李慧，徐志強，裴久渤?，戴繼光，劉雨薇，李艾蒙，于雅茜，劉維，汪景寬

1沈陽農業大學土地與環境學院/土肥資源高效利用國家工程實驗室/農業農村部東北耕地保育重點實驗室，沈陽 110866；2沈陽農業大學林學院，沈陽 110866；3遼寧省農業發展服務中心，沈陽 110034

0 引言

【研究意義】黑土是最珍貴的土壤資源，在我國主要分布在東北地區[1-2]。該區域因黑土有機質含量高，土壤肥沃，耕性良好，是我國重要的商品糧生產基地，對我國糧食安全起到“壓艙石”的作用[3]。因此，保證東北黑土數量與質量至關重要。但是，隨著東北黑土的不斷開墾，“重用輕養”越發嚴重，造成肥力下降，嚴重影響了該區域農業生產和生態安全，保護黑土地已成為當前國家的重要戰略之一[4]。東北典型黑土區是東北黑土區的核心地帶，是我國重要的黃金玉米帶，主要呈現為沿緯度梯度的不規則“鐮刀彎”型，因此，明確該核心地帶土壤肥力指標的緯度特征和關系是調節黑土地土壤肥力和指導施肥與耕作的重要前提[5]，對區域耕地質量調控、糧食穩產增產和生態安全具有重要意義[6]。【前人研究進展】隨著土壤學和地理學的深入融合，土壤肥力單一指標在不同尺度空間地理上的分布和變異特征研究越來越廣泛。一般而言，不同海拔和緯度位置土壤類型的差異，引起了土壤結構、養分等性質的不同，且各養分指標存在著空間異質性和相互作用[7-8]。趙靜漪[9]研究表明大興安嶺的土壤有機質，酸堿度，全量及速效氮、磷、鉀含量隨緯度的升高而升高。而化學肥料的長期不合理施用，更加劇了土壤肥力指標的變化，使土壤肥力指標的空間差異性和不均衡性加大[10]，造成了土壤養分失衡、酸化及面源污染等問題[11]。作為土壤肥力重要指標的有機質，受水熱條件、農業管理等影響。霍穎等[12]研究表明，有機質的變化不僅影響各養分指標的有效性，而且也是影響土壤酸堿度、土壤結構變化的重要因素。葛順峰等[13]對土壤養分狀況研究也表明，養分的有效性常因有機質含量及熟化程度的不同而有明顯差異。然而，關于東北黑土地區核心地帶多種土壤肥力指標的緯度關系和特征的研究鮮有報道。【本研究切入點】東北典型黑土區是國家重要的玉米主產區，在長期集約化經營下，土壤肥力指標的空間特征及其相互關系是當前黑土地肥力調控亟待明確的問題。因此，本研究通過在該區域內沿緯度梯度采樣，測定多種土壤肥力指標，揭示其緯度特征和關系，為東北黑土地肥力調控和質量提升提供基礎資料，為國家“藏糧于技、藏糧于地”戰略提供理論依據。【擬解決的關鍵問題】東北典型黑土區沿緯度梯度進行樣點采集與各土壤肥力指標測定，分析其沿緯度的空間變化特征，探討其相互關系。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

東北典型黑土區介于東經 123.59°—128.78°，北緯 42.41°—50.11°，跨越黑龍江、吉林和遼寧 3個省份，是東北黑土區土壤最為肥沃、糧食生產能力最高的區域，是重要的黃金玉米帶[14]。土壤類型主要以黑土和草甸土為主，地貌類型以平原為主，成土母質主要為第四紀沉積物。該區域屬于溫帶大陸性季風氣候，以中溫帶氣候區為主，氣候南北差異較大，冬季寒冷漫長，春季多風少雨，夏季氣溫較高；年均溫7—11℃，年均降水量450—850 mm，無霜期為120—150 d，年日照時數2 650—2 750 h[15]。

1.2 樣品采集

土壤樣品于2018年10月1日至4日秋收時期采自研究區0—20 cm土層，采樣地種植作物均為玉米。土壤類型為黑土，質地為壤質，地形為平地。參考并改進 LIU等[16]的采樣策略在該區域進行布點，本研究采樣點沿研究區核心地帶緯度梯度按每隔約40 km距離進行選取布設，共計30個樣點（表1），為保證采樣點的代表性和統計學意義，每個采樣點按品字形進行3次重復采樣，重復與重復之間間隔約20 m，每個采樣點的每個重復按5點取樣后用四分法進行混合處理后采集。此外，采用環刀法對每個重復處的土壤樣品進行容重樣品采集。將采集的所有土壤樣品分別裝入自封袋，帶回實驗室，挑出枯葉、礫石、作物殘留根系和其他廢棄物，自然風干后，分別過20目和100目篩，用于土壤各肥力指標的測定。

表1 研究區采樣點分布Table 1 Distribution of sampling points in the study area

1.3 測試項目與方法

土壤酸堿度采用電位計法（水土比2.5∶1）測定，用 pHs-3B 型 pH計測定；土壤容重測定采用環刀法；土壤溫度和土壤含水量采用便攜式土壤水溫測定儀測定（德國 IMKO，TRIME-PICO64）；堿解氮測定采用NaOH 擴散皿法。速效磷測定采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提鉬銻抗比色法；速效鉀測定采用 NH4OAc火焰光度計法；全磷測定采用NaOH 熔融鉬銻抗比色法；全鉀測定采用NaOH 熔融火焰光度計法；土壤有機質測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定的土壤有機碳乘以系數 1.724 計算得到[17]。團聚體分級測定采用干篩法[18]，利用團聚體篩分儀（Retsch AS 200, Germany）將團聚體分成≥0.25 mm的大團聚體和＜0.25 mm的微團聚體，105℃烘干12 h 后稱重，計算大微團聚體質量比。

1.4 數據處理

利用Microsoft Excel 2016軟件進行數據整理和作圖、運用Canoco 5和Origin 2020b軟件進行主成分分析和相關性分析、方差分析和顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結果

2.1 土壤肥力指標的空間特征

由表 2可以看出，在緯度 42.99°— 49.18°范圍內，土壤肥力指標及土壤環境指標的空間分異程度各有不同。參考胡偉等[19]土壤變異系數的劃分等級，CV＜0.1為弱變異性；0.1＜CV＜1為中變異性；CV＞1為強變異性。從變異系數來看，土壤速效磷變異系數最大，為77.21%，其次是堿解氮，為 70.06%，土壤容重的變異系數最小，為9.32%，pH和土壤溫度變異系數也較小，分別為11.11%和15.31%。除土壤容重屬于弱變異外，所有土壤肥力指標的變異系數均屬于中等變異強度。

表2 研究區土壤肥力指標的描述性統計Table 2 The descriptive statistics of soil fertility indices in study area

由圖1可以看出，隨著緯度的變化，土壤肥力指標及土壤環境指標都有不同程度的波動。隨著緯度升高，土壤有機質、酸堿度、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀，以及堿解氮都有一定的上升；容重、土壤含水量及土壤溫度隨緯度的升高而下降。從采樣數據總體看，土壤有機質和容重的離散程度較小，且與緯度擬合的關系相對更好。

2.2 土壤肥力指標的主成分和冗余分析

圖2所示的主成分分析表明，采樣點在主成分1上具有明顯的分異現象，緯度在 46.07°—49.18°之間的采樣點主要分布在主成分 1的負半軸，緯度在42.99°—45.59°之間的采樣點主要分布在主成分1的正半軸。由冗余分析（圖3）可以看出，采樣點在緯度分異影響下的土壤肥力指標關系存在差異。總體看，采樣點在主成分 1上具有明顯的分異現象，緯度在 46.07°—49.18°之間的采樣點主要分布在主成分1的負半軸，緯度在42.99°—45.59°之間的采樣點主要分布在主成分 1的正半軸。土壤有機質、大微團聚體質量比、速效養分、全量養分、堿解氮與緯度成正相關，其中有機質與緯度的相關性最強，土壤容重、土壤溫度與緯度及其他土壤肥力指標呈負相關，而土壤含水量與緯度和多數土壤肥力指標的空間關系均較弱。

2.3 土壤肥力指標的相關分析

從圖4可以看出，土壤有機質、酸堿度、速效鉀、全鉀、速效磷、全磷、堿解氮含量與緯度成正相關，土壤容重、土壤溫度與緯度成負相關，而土壤含水量與緯度無顯著相關性。除含水量外，土壤有機質含量與其他肥力指標都有很好的相關性，且與土壤容重、土壤溫度呈顯著負相關。而土壤容重與有機質含量成正相關，與全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、堿解氮含量和土壤酸堿度成負相關。土壤酸堿度除了與緯度、土壤有機質、全磷含量成顯著正相關，與容重成顯著負相關外，與其他肥力指標無顯著相關性。大微團聚體質量比與土壤有機質、全磷、全鉀，堿解氮和速效磷含量呈顯著正相關，與其他肥力指標無相關性。除土壤含水量外，土壤全磷含量與其他土壤肥力指標均呈顯著相關。其中與土壤容重呈負相關，與其他肥力指標呈正相關。土壤全鉀含量與大微團聚體質量比、土壤有機質、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀含量呈顯著正相關，與土壤容重和溫度呈顯著負相關。除土壤含水量和酸堿度外，土壤速效磷含量與其他土壤肥力指標均顯著相關，且與土壤容重和溫度呈負相關。土壤速效鉀含量與有機質含量呈正相關，與容重呈負相關。土壤堿解氮含量與土壤有機質、全磷、全鉀、速效磷含量和大微團聚體質量比呈正相關，與土壤容重和土壤溫度呈負相關。

3 討論

土壤肥力指標是維持土壤質量的基本性質，也是影響作物生長和品質的關鍵因子[20]。由于長期“重用輕養”，東北典型黑土區土壤肥力各指標間的空間特征和相互關系迥異。其中有機質在該區域與緯度關系最為密切，且與其他大多數肥力指標呈正相關的指標，也是培肥土壤的核心指標[21]。因此，在該區域提升土壤有機質是培肥土壤、應對土壤退化的核心任務，對土壤肥力其他指標，特別是對土壤有效養分影響顯著[22]。

本研究中，土壤有機質、堿解氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、大微團聚體質量比和酸堿度，均隨緯度的增大而升高。土壤有機質、堿解氮、全磷、全鉀與緯度之間的關系擬合的更好，有機質與緯度之間的關系擬合的最好，隨緯度的升高而升高，這與王秀紅等[23]的研究一致。在東北典型黑土區由南向北有機質含量逐步升高。此外，隨著緯度由南向北的增加，土壤中的全量與速效養分含量也隨之加大，這與李婷等[24]研究一致。我國高緯度地區溫度相對較低，雨量較少，淋溶較弱有利于養分的積累。

主成分分析表明，采樣點在緯度42.99°—45.59°和46.07°—49.18°上具有明顯的分異現象，冗余分析和相關分析也進一步證明了緯度在 42.99°—45.59°之間的土壤肥力指標差異主要表現在土壤容重上，緯度在46.07°—49.18°之間差異主要表現在有機質、堿解氮、全磷、全鉀、酸堿度等指標上。不同土壤肥力指標與緯度的關系表現為有機質與緯度的正相關性最強，容重與緯度的負相關性最強，且有機質與各其他指標（堿解氮、速效磷、速效鉀、全鉀、全磷含量和酸堿度）之間呈顯著正相關，與土壤容重和溫度呈顯著負相關，這與各指標與緯度的擬合結果一致，與任科宇[25]、盛茂銀[26]、張淑香[27]、廖育林等[28]在研究有機質與土壤養分關系方面研究結果一致。本研究中土壤有機質與其他土壤肥力指標具有一定空間關系，是重要的土壤肥力指標，除與土壤容重和土壤溫度呈現負相關外，有機質與其他肥力指標關系總體上呈現隨緯度增加而升高的趨勢。此外，酸堿度也是影響土壤肥力的重要因子，對土壤中的物理、化學、生物過程有著重要的影響[29]，影響著土壤養分的有效性和微生物的結構與活性[30]。本研究中84%的采樣點酸堿度均呈現為酸性，是在緯度46.07°—49.18°之間的最大差異貢獻因子，且與土壤有機質呈顯著正相關，因此可以通過增施有機肥、石灰、微生物菌劑等方式提升土壤有機質來緩解土壤酸化[31]。而大團聚體和微團聚體的相對質量比是判定土壤質量好壞的重要因子[32]，主要以0.25 mm為界限對其進行分類。本研究中，大微團聚體質量比與土壤有機質也呈顯著正相關，這與陳曉芬等[33]的研究一致，反映出大團聚體適宜比例對土壤有機質提升具有重要影響，能夠提升土壤持肥能力，提高土壤結構穩定性[34]，因此，調節土壤有機質對改善土壤結構和促進土壤良好團聚體形成具有直接作用[35]。

4 結論

東北典型黑土區土壤肥力指標具有明顯的緯度分異性，其中在 46.07°—49.18°范圍內，土壤容重和土壤溫度是影響土壤肥力的重要指標；在42.99°—45.59°范圍內，除土壤容重和土壤溫度外各土壤肥力指標間的影響關系緊密，需要通過綜合調控來進行培肥土壤。土壤有機質是該區域影響土壤肥力的核心指標，與其他土壤肥力指標在空間上存在顯著影響關系，因此，在該區域應繼續采取有機質提升措施來進行培肥土壤，防止土壤質量下降。