典型黑土地土壤有機(jī)質(zhì)含量空間變化特征研究
——以綏化市北林區(qū)為例

楊賀平

黑龍江省自然資源調(diào)查院，黑龍江 哈爾濱 150036

0 引言

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤質(zhì)量的核心，維系著土壤肥力、糧食安全、氣候變化等關(guān)乎地球和人類生存發(fā)展的諸多要素［1-3］.黑土之所以肥沃是因為富含有機(jī)質(zhì)，東北黑土地是世界三大黑土帶之一［4-5］，是我國糧食安全保障的基石［6-7］，有著“耕地里的大熊貓”的美譽(yù).黑龍江省是東北黑土帶的重要組成部分.黑龍江省糧食產(chǎn)量和商品糧產(chǎn)量雙雙連續(xù)多年位居全國第一位，其農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展得益于擁有大面積富含有機(jī)質(zhì)的黑土地［8-10］.然而，黑土地在高產(chǎn)、豐產(chǎn)的同時，也面臨著黑土有機(jī)質(zhì)大量減少、土地肥力透支的問題［11-18］.因此，要保護(hù)利用好黑土地就必須首先準(zhǔn)確掌握黑土有機(jī)質(zhì)含量的空間變化特征［19-20］，才能精準(zhǔn)施策為黑土流失防治提供科學(xué)依據(jù)，實現(xiàn)黑土生態(tài)文明建設(shè)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展雙贏的目的［21-22］.

1 研究區(qū)概況

黑龍江省綏化市北林區(qū)是典型東北寒地黑土地分布區(qū)域，是本次黑土有機(jī)質(zhì)含量空間變化特征研究的主要對象.研究區(qū)位于松嫩平原中東部，地理坐標(biāo)為46°19′—47°09′N、126°25′—127°27′E，面積2 756 km2，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候；年平均氣溫2.4℃，日照時數(shù)2 766 h，積溫2 580℃，無霜期約129 d，年均降水量547 mm.區(qū)內(nèi)地勢總體相對平坦，東北部地勢相對較高，而西南部為平原區(qū).黑土、黑鈣土是綏化市北林區(qū)最主要的土壤類型，這兩類土壤類型約占北林區(qū)總面積的90%，僅有約10%的草甸土呈條帶狀沿河流流域區(qū)分布.區(qū)內(nèi)主要有呼蘭河、諾敏河、克音河、泥河、泥爾根河和津河，屬于松花江流域呼蘭河水系.綏化市北林區(qū)現(xiàn)有耕地面積17.45×104hm2，盛產(chǎn)水稻、玉米、大豆等農(nóng)作物.

2 試驗方法

2.1 樣品采集與分析

用于綏化市北林區(qū)黑土有機(jī)質(zhì)含量空間變化特征研究有兩期的土壤有機(jī)質(zhì)分析數(shù)據(jù).一期數(shù)據(jù)是按照國務(wù)院國發(fā)〔1979〕111號文件精神要求，于1979—1990年第二次土壤普查期間在綏化市北林區(qū)采集的耕作層土壤有機(jī)質(zhì)分析數(shù)據(jù)①黑龍江省土壤普查辦公室.黑龍江第二次土壤普查數(shù)據(jù)冊：綏化市耕地農(nóng)化樣品分析結(jié)果登記表.1990.，這也是綏化市北林區(qū)有記錄以來基本涵蓋所有村屯耕地的土壤有機(jī)質(zhì)分析數(shù)據(jù)；另一期數(shù)據(jù)是2009—2019年按照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》（DZ/T 0295—2016）要求在綏化地區(qū)開展的1∶250 000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查，土壤樣品的基本采樣密度1點/km2，采樣深度為0～20 cm，在采樣點附近100 m范圍內(nèi)多點采集以增強(qiáng)土壤樣品的代表性.采集后的土壤樣品重量大于1 kg，土壤樣品自然干燥后過20目（＜0.84 mm）尼龍篩，將過篩后土壤樣品送到具有承擔(dān)多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)樣品分析測試資質(zhì)的實驗室進(jìn)行分析測試.樣品分析質(zhì)量采用了外部質(zhì)量監(jiān)控和內(nèi)部質(zhì)量監(jiān)控相結(jié)合的方法保證測試分析質(zhì)量的可靠性.樣品分析元素的檢出限、報出率以及分析的準(zhǔn)確度和精密度均滿足規(guī)范要求.

2.2 資料收集與分析統(tǒng)計

對綏化市北林區(qū)20世紀(jì)80年代第二次土壤普查土壤有機(jī)質(zhì)分析數(shù)據(jù)和目前土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查土壤有機(jī)質(zhì)分析數(shù)據(jù)分別進(jìn)行統(tǒng)計，并以20世紀(jì)80年代第二次土壤普查結(jié)果為基準(zhǔn)值，利用MapGIS空間分析技術(shù)定量研究綏化市北林區(qū)黑土地土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間變化特征，評價研究區(qū)黑土地土壤有機(jī)質(zhì)流失程度.

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機(jī)質(zhì)含量統(tǒng)計特征

為了使綏化市北林區(qū)不同時期土壤樣品分析數(shù)據(jù)具有可對比性，將綏化市北林區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查表層土壤有機(jī)碳分析數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)換成有機(jī)質(zhì)（有機(jī)質(zhì)＝有機(jī)碳×1.724），并對兩期土壤有機(jī)質(zhì)地球化學(xué)參數(shù)特征進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表1.20世紀(jì)80年代第二次土壤普查時期綏化市北林區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為41.16×10-3，而目前土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為37.68×10-3，土壤有機(jī)質(zhì)平均減少了3.48×10-3，土壤有機(jī)質(zhì)流失率達(dá)8.45%，有機(jī)質(zhì)流失率＝（目前有機(jī)質(zhì)平均值-第二次土壤普查有機(jī)質(zhì)平均值）÷第二次土壤普查有機(jī)質(zhì)平均值×100%.

表1 綏化市北林區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)地球化學(xué)參數(shù)特征表Table 1 Characteristics of geochemical parameters of soil organic matter in Beilin District，Suihua City

3.2 土壤有機(jī)質(zhì)分布地球化學(xué)特征

根據(jù)綏化市北林區(qū)第二次土壤普查土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)和目前土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)，按照土壤有機(jī)質(zhì)含量5×10-3的等間距編制研究區(qū)不同時期土壤有機(jī)質(zhì)含量地球化學(xué)圖.從圖1、2可見，研究區(qū)不同時期土壤有機(jī)質(zhì)含量的分布特征基本相似，土壤有機(jī)質(zhì)含量較高的地區(qū)主要分布在三井鄉(xiāng)、張維鎮(zhèn)、四方臺鎮(zhèn)、五營鄉(xiāng)以及新華鄉(xiāng)北部，土壤有機(jī)質(zhì)含量相對較低的區(qū)域主要分布在雙河鎮(zhèn)、東津鎮(zhèn)、津河鎮(zhèn)、興福鄉(xiāng)、東富鎮(zhèn)、寶山鎮(zhèn)、西長發(fā)鎮(zhèn)、紅旗滿族鄉(xiāng).

圖1 綏化市北林區(qū)第二次土壤普查時期土壤有機(jī)質(zhì)含量圖Fig.1 Distribution map of soil organic matter content during the second national soil survey in Beilin District，Suihua City

對綏化市北林區(qū)不同時期土壤有機(jī)質(zhì)含量區(qū)間的面積及所占比率進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表2.相對第二次土壤普查期間，目前研究區(qū)有機(jī)質(zhì)高含量區(qū)間段所占的面積比率有所降低，而低含量區(qū)間段所占的面積比率有所增加.第二次土壤普查期間土壤有機(jī)質(zhì)含量在35×10-3～40×10-3和40×10-3～45×10-3兩個區(qū)間段的面積分別占研究區(qū)總面積的42.18%和31.75%，而目前研究區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查土壤有機(jī)質(zhì)含量在30×10-3～35×10-3和35×10-3～40×10-3兩個區(qū)間段的面積分別占研究區(qū)總面積的39.63%和30.61%.

表2 綏化市北林區(qū)不同時期土壤有機(jī)質(zhì)含量特征統(tǒng)計對比表Table 2 Comparison of soil organic matter content characteristics between different periods in Beilin District，Suihua City

3.3 土壤有機(jī)質(zhì)含量增減空間變化特征

為精確評判研究區(qū)黑土地土壤有機(jī)質(zhì)含量增減空間變化特征，以綏化市北林區(qū)第二次土壤普查土壤有機(jī)質(zhì)地球化學(xué)圖為基準(zhǔn)，以目前土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查土壤有機(jī)質(zhì)含量為研究對象，運用MapGIS點對區(qū)空間分析功能研究各土壤采樣點位有機(jī)質(zhì)含量增減變化特征（即以目前土壤有機(jī)質(zhì)含量減去第二次土壤普查有機(jī)質(zhì)含量，土壤有機(jī)質(zhì)增加的數(shù)據(jù)為正數(shù)，土壤有機(jī)質(zhì)減少的數(shù)據(jù)為負(fù)數(shù)），從而形成各土壤采樣點位有機(jī)質(zhì)含量增減變化特征的一系列數(shù)據(jù).

綏化市北林區(qū)自第二次土壤普查至今土壤有機(jī)質(zhì)含量增減變化特征見表3.近30 a以來，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量有增也有減，但總體上土壤有機(jī)質(zhì)是減少的，平均土壤有機(jī)質(zhì)減少了3.35×10-3，土壤采樣點位有機(jī)質(zhì)增加最大值為82.1×10-3，土壤采樣點位有機(jī)質(zhì)減少的最小值為48.5×10-3.

表3 綏化市北林區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)增減變化地球化學(xué)參數(shù)特征統(tǒng)計表Table 3 Geochemical parameters of soil organic matter changes in Beilin District，Suihua City

根據(jù)研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)點對區(qū)空間分析形成的一系列土壤采樣點位有機(jī)質(zhì)增減變化數(shù)據(jù)，按照5×10-3等間距編制研究區(qū)近30 a以來土壤有機(jī)質(zhì)含量空間變化特征地球化學(xué)圖（圖3）.

由圖3可見，研究區(qū)土壤以有機(jī)質(zhì)減少為主體，其中土壤有機(jī)質(zhì)減少10×10-3以上的土地主要分布在張維鎮(zhèn)、四方臺鎮(zhèn)、秦家鎮(zhèn)、連崗鄉(xiāng)，局部地段土壤有機(jī)質(zhì)減少了20×10-3以上，而土壤有機(jī)質(zhì)增加的地區(qū)主要分布在三河鎮(zhèn)、東富鎮(zhèn)、新華鄉(xiāng)東北部以及興福鄉(xiāng)西南部.

圖3 綏化市北林區(qū)近30 a土壤有機(jī)質(zhì)含量增減變化特征圖Fig.3 Changes of soil organic matter contents in the past 30 years in Beilin District，Suihua City

對研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)增減變化特征進(jìn)行土地面積統(tǒng)計，結(jié)果見表4.近30 a以來，研究區(qū)82.1%的土地面積土壤中有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)出不同程度的減少，僅有占17.9%的土地面積土壤中有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)出增加的趨勢.研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)減少5×10-3以下的土地面積有995.48 km2，占研究區(qū)總面積的36.10%；土壤有機(jī)質(zhì)減少在5×10-3～10×10-3區(qū)間段的土地面積有1 073.91 km2，占研究區(qū)總面積的38.94%.

表4 綏化市北林區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)增減變化特征土地面積統(tǒng)計表Table 4 Land areas and proportions of soil organic matter changes in Beilin District，Suihua City

3.4 土壤有機(jī)質(zhì)流失程度評價

土壤有機(jī)質(zhì)的減少也就意味著該地區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)年減少的量明顯大于年積累的量，造成土壤中有機(jī)質(zhì)的流失.分別按土壤有機(jī)質(zhì)增減量（有機(jī)質(zhì)增加為正數(shù)，有機(jī)質(zhì)減少為負(fù)數(shù)）含量間隔評價研究區(qū)黑土地土壤有機(jī)質(zhì)流失程度，結(jié)果見表5.研究區(qū)沒有發(fā)生土壤有機(jī)質(zhì)流失的一級土地資源僅占研究區(qū)總面積的7.9%，屬于輕微土壤有機(jī)質(zhì)流失的二級土地資源占研究區(qū)總面積的36.1%，屬于輕度土壤有機(jī)質(zhì)流失的三級土地資源占研究區(qū)總面積的38.94%，屬于中度土壤有機(jī)質(zhì)流失的四級土地資源占研究區(qū)總面積的6.72%，達(dá)到重度土壤有機(jī)質(zhì)流失的五級土地資源占研究區(qū)總面積的0.34%.研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)流失達(dá)到中度和重度區(qū)域主要分布在張維鎮(zhèn)中南部、四方臺鎮(zhèn)中南部、秦家鎮(zhèn)中西部以及連崗鄉(xiāng)中北部等局部地段.

圖2 綏化市北林區(qū)目前土壤有機(jī)質(zhì)含量圖Fig.2 Distribution map of soil organic matter content in Beilin District，Suihua City

4 結(jié)論

（1）對綏化市北林區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查土壤有機(jī)質(zhì)分析數(shù)據(jù)與第二次土壤普查期土壤有機(jī)質(zhì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計對比研究，發(fā)現(xiàn)在近30年來研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)平均減少了3.48×10-3，土壤有機(jī)質(zhì)流失率達(dá)8.45%.

（2）根據(jù)綏化市北林區(qū)不同時期土壤有機(jī)質(zhì)含量特征土地面積統(tǒng)計對比，發(fā)現(xiàn)第二次土壤普查時期研究區(qū)73.93%土地面積土壤有機(jī)質(zhì)含量在35×10-3～45×10-3區(qū)間，而目前研究區(qū)占70.24%土地面積土壤有機(jī)質(zhì)含量在30×10-3～40×10-3區(qū)間.

（3）運用MapGIS點對區(qū)空間分析研究了綏化市北林區(qū)近30年來土壤有機(jī)質(zhì)含量增減空間變化特征.研究區(qū)82.1%的土地面積土壤中有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)出不同程度的減少，僅有占17.9%的土地面積土壤中有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)出增加的趨勢.

（4）分別按土壤有機(jī)質(zhì)不同減少量的含量間隔（表5）評價研究區(qū)黑土地土壤有機(jī)質(zhì)流失程度，結(jié)果表明研究區(qū)黑土地以輕度和輕微土壤有機(jī)流失為主，中度有機(jī)質(zhì)流失區(qū)次之，而重度土壤有機(jī)質(zhì)流失區(qū)面積9.26 km2，占研究區(qū)總面積的0.34%.

表5 綏化市北林區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)流失程度評價表Table 5 Evaluation of soil organic matter loss degree in Beilin District，Suihua City

（5）綏化市北林區(qū)的成土母質(zhì)均為沖洪積型，土壤類型主要為黑土、黑鈣土，總體地勢相對平坦.但從微地形地貌特征分析以及河流特征分析，土壤有機(jī)質(zhì)流失較嚴(yán)重的地區(qū)基本處于河流流速相對較快、地形坡度相對較大的地段（存在陡坎），甚至有部分地段存在耕地的方向順著地塊緩坡的方向，這些因素可能是造成北林區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)流失的主要因素.

（6）東北黑土地是我國土壤有機(jī)質(zhì)含量較高的土地資源，也是我國重要的糧食生產(chǎn)基地和商品糧基地，而地處東北黑土核心區(qū)的綏化市北林區(qū)總體地勢相對平坦，但是仍然有占總研究區(qū)面積65.43%的黑土地存在明顯的土壤有機(jī)質(zhì)流失現(xiàn)象.雖然綏化市北林區(qū)黑土有機(jī)質(zhì)流失較嚴(yán)重，但是仍然達(dá)到中國土壤肥力質(zhì)量含量高級別（＞20×10-3）對有機(jī)質(zhì)的要求［25］.目前東北黑土地其他市縣土壤有機(jī)質(zhì)空間變化特征尚不清晰.因此，有必要全面開展東北黑土地市縣級土壤有機(jī)質(zhì)流失程度調(diào)查評價工作，為實施精準(zhǔn)的黑土地有機(jī)質(zhì)流失治理提供準(zhǔn)確、可靠信息.