宜昌地区土壤有机质的空间分布及演变特征

2012-04-29张萍黄永文杨杨吴昌荣张进

湖北农业科学 2012年3期

关键词：演变

张萍黄永文杨杨吴昌荣张进

摘要：对宜昌地区１３个典型土壤剖面土壤有机质进行了测定和统计分析。结果表明，宜昌地区土壤有机质表现出显著的空间变异性。在水平分布上，西部高山区土壤有机质最为丰富，高山棕壤土０～１０ｃｍ土层有机质含量可达到７７．７２ｇ／ｋｇ；中部低山丘陵区土壤养分缺乏，尤其是耕种后的红壤土０～１０ｃｍ土层有机质含量仅有２．８３ｇ／ｋｇ；东部河谷平原区土壤有机质相对较高，水稻土表土层有机质含量为２７．１0 ｇ／ｋｇ。在垂直分布上，大多土壤剖面有机质都表现出显著的表聚性，并且黄棕壤、棕壤２种地带性土壤以及非地带性土壤中的潮土表现出明显的从表层往下有机质依次递减的规律。近３０年来，宜昌地区土壤有机质整体上出现一定的退化特征，其中黄壤与红壤的退化特征尤为明显，０～１０ｃｍ土层有机质分别下降３９．９％和５４．７％。

关键词：土壤有机质；空间分异；演变；宜昌地区

中图分类号：S153.6+21文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）03－0462-04

ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＳｐａｔｉａｌＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄＥｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆＳｏｉｌＯｒｇａｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌＣｏｎｔｅｎｔｉｎＹｉｃｈａｎｇＤｉｓｔｒｉｃｔ

ＺＨＡＮＧＰｉｎｇ１，ＨＵＡＮＧＹｏｎｇ－ｗｅｎ２，ＹＡＮＧＹａｎｇ２，ＷＵＣｈａｎｇ－ｒｏｎｇ３，ＺＨＡＮＧＪｉｎ４

（１．ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＣｈｉｎａＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００３８，Ｃｈｉｎａ；

２．ＹｉｃｈａｎｇＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｙｉｃｈａｎｇ４４３０００，Ｈｕｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ；３．ＹｉｄｕＭｕｎｉｃｉｐａｌＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＢｕｒｅａｕ，Ｙｉｃｈａｎｇ４４３０００，Ｈｕｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ；４．ＹｉｃｈａｎｇＭｕｎｉｃｉｐａｌＢｕｒｅａｕｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，Ｙｉｃｈａｎｇ４４３０００，Ｈｕｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Sｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｍａｔｒｅｉａｌ（ＳＯＭ）ｓａｍｐｌｅｓｆｒｏｍ１３ｔｙｐｉｃａｌｓｏｉｌｐｒｏｆｉｌｅｓｉｎＹｉｃｈａｎｇａｒｅａｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄａｎｄａｎａｌｙｓｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＳＯＭｃｏｎｔｅｎｔｓｈｏｗｅｄａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｖａｒｉａｔｉｏｎｉｎｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ＳＯＭｃｏｎｔｅｎｔｉｎｔｈｅｗｅｓｔｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓａｒｅａｒａｎｋｅｄｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔ；ａｎｄｔｈａｔ in ｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓｂｒｕｎｉｓｏｌｉｃｓｏｉｌ at ｔｈｅ０～１０ｃｍｄｅｐｔｈｒｅａｃｈｅｄｔｏ７７．７２ｇ／ｋｇ. ＳｏｉｌｎｕｔｒｉｅｎｔｗａｓｌｏｗｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅｈｉｌｌｙｒｅｇｉｏｎａｎｄＳＯＭｃｏｎｔｅｎｔｉｎｔｈｅｃｕｌｔｕｒｅｄｒｅｄｌｏａｍｓｏｉｌ at ｔｈｅ０～１０ｃｍｄｅｐｔｈｗａｓｏｎｌｙ２．８３ｇ／ｋｇ；ＳＯＭｃｏｎｔｅｎｔｉｎｔｈｅｅａｓｔｖａｌｌｅｙｅｄｐｌａｉｎａｒｅａｗａｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｈｉｇｈ；ａｎｄｔｈａｔｏｆ top ｐａｄｄｙｓｏｉｌｗａｓ２７．１ｇ／ｋｇ．ＳＯＭｃｏｎｔｅｎｔ at ｍｏｓｔｓｉｔｅｓｓｈｏｗｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｓｕｒｆａｃｅａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．ＴｈｅｐｒｏｆｉｌｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＳＯＭｃｏｎｔｅｎｔｏｆ２ｚｏｎａｌｓｏｉｌ，ｙｅｌｌｏｗｂｒｏｗｎｓｏｉｌａｎｄｂｒｏｗｎｓｏｉｌ，ａｎｄａｎｏｎ－ｚｏｎａｌｓｏｉｌ，ｍｏｉｓｔｕｒｅｓｏｉｌｇｅｎｅｒａｌｌｙｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｄｅｃｌｉｎｉｎｇｔｒｅｎｄｆｒｏｍｕｐｔｏｄｏｗｎ．ＴｈｅｒｅｗａｓａｇｅｎｅｒａｌｄｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｉｇｎｉｎＳＯＭｃｏｎｔｅｎｔｉｎＹｉｃｈａｎｇａｒｅａｄｕｒｉｎｇｔｈｅｌａｓｔ３０ｙｅａｒｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｙｅｌｌｏｗｓｏｉｌａｎｄｒｅｄｌｏａｍｓｏｉｌ， of which the ＳＯＭｃｏｎｔｅｎｔｉｎｔｈｅ０～１０ｃｍｄｅｐｔｈｈａｄｄｅｃｒｅａｓｅｄｂｙ３９．９％ａｎｄ５４．７％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＯＭ；ｓｐａｔｉａｌｄｉｓｄｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ；Ｙｉｃｈａｎｇａｒｅａ

土壤有机质是表征土壤质量的重要因子，在调节土壤理化性质、改善土壤结构、培育土壤肥力等方面有着重要作用［１，２］。持续稳定的有机质含量是土壤维持生产能力的基础，因此，可以用土壤有机质的含量及动态演变来衡量土地利用与管理水平［３］。受气候、地形、生物等多方面因素的影响，土壤分布沿水平方向和垂直方向呈现一定的递变特性，而土壤有机质含量也存在显著的空间变异性［４，５］。随着现代地理信息技术的发展，土壤特性的空间变异性研究成为土壤科学领域的研究热点之一［６］。自我国第二次土壤普查以来，许多学者开展了大量的小区域定位观测研究，通过长时期的跟踪观测分析来研究土壤有机质的演变特征［３］，且对土壤有机质的关注多在于土壤物理化学过程机理等方面。这些研究多是针对单一土壤类型、单一地貌单元，并且在农田系统开展得较多，对区域尺度的有机质长期演变规律研究较少［７］。以地貌单元丰富、土壤类型多样、成土条件复杂的宜昌地区为研究区域，选择典型土壤进行剖面采样，分析土壤有机质的空间分布特征及演变规律，为该地区土壤养分资源的科学精准管理和土地资源的可持续利用提供参考。

１研究区概况

宜昌市位于湖北省西部，地处我国地势第二级阶梯向第三级阶梯的过渡地带，也是长江上游高原山地与长江中游平原的过渡地带［８］，地理坐标为E１１０°１５′-１１１°５２′，Ｎ２９°５６′-３１°３５′，面积２１２５０．７９ｋｍ２。其地势西高东低，境内地貌类型多样，西部与中部分别以山地、丘陵为主，占土地总面积的８９．３３％；东部为平原，占土地总面积的１０．６７％。地形最大高差达到２３８１．６ｍ。宜昌市河流水系发达，有河流百余条，其中长江是最大的过境河流。宜昌市属于亚热带湿润季风气候区，常年温暖湿润，有利于土壤风化与物质淋溶；大部分地区热量和雨水丰富，并且雨热同期，四季分明；年均气温为１６～１８ ℃，年降水量为９８３～１４０６ｍｍ；同时由于境内地势起伏大，造成气候的垂直差异以及区域差异明显。植被以亚热带常绿阔叶林为主，并有落叶阔叶林、针阔混交林以及灌草丛分布。按照土壤发生类型，宜昌市共有黄壤、黄棕壤和棕壤、红壤４个地带性土类，紫色土、石灰（岩）土、潮土、（山地）草甸土和水稻土５个非地带性土类，其中黄壤、黄棕壤和石灰（岩）土的面积较大，共占全市土壤面积的６１．３４％，红壤和（山地）草甸土的面积很小，占全市土壤面积的比例不到１％。研究采集的１３个典型土壤剖面样品主要涉及黄壤、黄棕壤、棕壤、红壤４个地带性土类以及石灰（岩）土、潮土、水稻土３个非地带性土类，表１为采样点概况。

２材料与方法

２．１样品采集

于２０１０年８月对宜昌市内主要土壤类型进行样品采集。１３个样点涉及高山、低山、河谷、平原等主要地貌类型，多数样点为未受人工扰动的原状土，而农田样点尽量避开道路与田边。按照相关野外试验规范要求，对０～１０、１０～２０、２０～４０、４０～６０、６０～８０、８０～１００ cm等不同深度土壤进行分层采集，并从地表往下、整层均匀地采集混合样品，共获取分层样品９１个，每个样品重量约为３００ｇ。土壤样品用密实袋密封，贴上标签，并做好样点信息记录，样点位置由ＧＰＳ定位。

２．２样品测定与数据处理

按照相关土壤理化指标分析标准［8］，采用重铬酸钾外热源氧化－硫酸亚铁滴定法对土壤有机质进行测定。对每个测定项目都做３个平行样，以保证测定结果的准确性。采用ＳＰＳＳ１８．０对样本的空间分布特征进行统计学描述和分析，采用Ｅｘｃｅｌ２００７进行绘图。

３结果与分析

３．１土壤有机质空间分布规律

各采样点土壤有机质含量表现出明显的空间分布特征（表２）。长阳县火烧坪乡的高山棕壤土有机质含量最高，０～１０ｃｍ土层有机质含量达到７７．７２ｇ／ｋｇ，远远高出国家第二次土壤普查土壤养分分级中有机质含量１级标准（＞４０ｇ／ｋｇ）；最小值为秭归县九畹溪镇的红壤土，０～１０ｃｍ土层有机质含量仅有２．８３ｇ／ｋｇ，低于国家第二次土壤普查土壤养分分级中有机质含量６级标准（＜６ｇ／ｋｇ），最大值约为最小值的２７倍，变异系数达到８６．０４％（表２）。土壤有机质含量的空间差异与采样点所在地区的气候特征、地貌类型、土地利用以及地表植被条件等因素密切相关。海拔大于１２００ｍ的高山区，降水丰富，温度较低，地表植被多以天然的针叶林、针阔混交林、灌木林等为主，土壤接收植被根系分泌物以及枯枝落叶等有机物质较多，并且湿冷的环境有利于土壤有机质的积累，生物积累作用强，因此在各个采样点中，土壤有机质含量都处于一个较高的水平。海拔在５００～８００ｍ的低山以及海拔在１００～５００ｍ的丘陵河谷地区存在一定强度的人类活动。传统的沟谷农业，导致该区域土壤侵蚀和水土流失比较严重，因此，在宜昌市窑湾乡的果园样地（黄壤）与秭归县九畹溪镇的花生样地（红壤）采集到的土壤，有机质含量普遍较低，０～１０ｃｍ土层有机质含量分别为４．２５ｇ／ｋｇ和２．８３ｇ／ｋｇ。海拔低于１００ｍ的平原地区，土层深厚，灌溉便利，农业集约化程度较高，人类定向培育土壤的田间管理措施使得土壤有机质含量比丘陵河谷地区高，当阳市玉泉镇水稻土０～１０ｃｍ土层有机质含量为２７．１0 ｇ／ｋｇ，处于国家第二次土壤普查土壤养分分级中有机质含量３级标准（２０～３０ｇ／ｋｇ）。

３．２土壤有机质垂直分布规律

土壤养分元素一般具有表聚性，采用表聚系数表征这种特性，表聚系数按下式计算［9］：

Ｃｉ＝■

式中，Ｎｉ为第ｉ层土壤营养元素含量；Ｄｉ为第ｉ层土层厚度。采样层次ｎ＝６，分别令ｍ等于１和２，即求得０～１０ｃｍ与０～２０ｃｍ土层的表聚系数。若某种土壤营养元素在这两层的表聚系数分别大于０．１和０．２，则认为该种营养元素具有表聚性，表聚系数越大，表聚性越强。

结果表明，在４类地带性土壤中，黄棕壤与棕壤各土壤剖面有机质含量表现出较明显的从上往下依次递减的规律，并表现出较强的表聚性，０～１０ｃｍ土层表聚系数分别为０．２１５、０．１８８，０～２０ｃｍ土层表聚系数分别为０．４１８、０．３４0。红壤与黄壤的表层土壤有机质含量也相对较高，０～１０ｃｍ与０～２０ｃｍ土层表聚系数分别为０．１３５、０．２８７和０．１４７、０．２９０，但４０ｃｍ以下剖面土壤有机质含量变化不明显（图１）。在３类非地带性土壤中，石灰（岩）土的表聚性最强，０～１０ｃｍ土层表聚系数达到０．１９１，但表层以下各剖面土壤有机质含量差异不显著。潮土剖面有机质则有从表层往下明显减少的趋势。水稻土表层土壤有机质最为丰富，０～１０ｃｍ土层达到２７．１0 ｇ／ｋｇ，这与有机肥料的施入以及高茬秸秆还田有关，１０～２０ｃｍ土层有机质含量较低，只有８．７８ｇ／ｋｇ，４０ｃｍ以下土层有机质又有较大幅度增加，整个土壤剖面没有明显的变化规律（图２）。

３．３土壤有机质演变特征分析

将土壤有机质的采样结果（０～１０ｃｍ土层）与宜昌土壤的历史数据进行对比，结果如图３。由图3可知，不同土类土壤有机质的含量基本与宜昌土壤的历史数据一致，即棕壤有机质含量最高，其次为水稻土、石灰（岩）土和黄棕壤，红壤、黄壤以及潮土的有机质含量较低。宜昌土壤的历史数据主要来源于１９７９～１９８３年在宜昌地区开展的第二次土壤普查结果。近３０年来，土壤有机质出现一定的退化特征（图３），其中红壤、黄壤有机质变化最为明显，分别下降３９．９％、５４．７％，这与有关耕种利用可使红壤、黄壤的表土层有机质含量分别下降２４．２％和３０．４％的结论一致。红壤与黄壤生态系统的恶化主要是因为这两类土壤广泛分布于沟谷农业发达的低山丘陵河谷区，植被破坏与水土流失相对严重。水稻土是长期以来的人类活动对原有土壤不断改良所产生的新的土壤类型，表层土壤有机质含量比较稳定。棕壤、黄棕壤、石灰（岩）土有机质含量的变化幅度相对红壤和黄壤小，分别下降４．７％、１７．４％和１６．６％。潮土有机质含量基本上没有变化。

４结论

１）受气候特征、地形地貌、土地利用以及植被条件的影响，宜昌地区土壤有机质呈现显著的空间变异性。较强的生物积累作用使西部高山地区具有最高的土壤有机质含量，中部低山丘陵河谷区存在较严重的水土流失，土壤有机质含量最低，东部河谷平原区农业活动发达，具有较高的有机质含量。

２）不同土类有机质的垂直分布具有差异性。除水稻土外，其余土类均在０～１０ｃｍ与０～２０ｃｍ土层表现出一定的表聚性，并且黄棕壤、棕壤、石灰（岩）土的表聚系数相对较高，且黄棕壤、棕壤和潮土的有机质从表层往下明显递减。

３）近３０年来宜昌地区土壤有机质整体上表现出一定的退化特性，其中，红壤与黄壤有机质含量下降最为明显。因此，在有机质含量丰富而湿冷的西部高山区，适宜发展经济林木或畜牧业；中部山地丘陵区，要针对水土流失问题实施小流域治理，通过一系列的保土培肥措施遏制土壤生态系统退化，促进传统的沟谷农业向立体农业发展；对于东部河谷平原区，要注意施肥结构不合理带来的肥力结构失调问题，进行土壤培育、熟化和持续利用。

4）虽然采样的典型剖面都来自于各类土壤分布的核心区，具有一定的代表性，但由于采集到的样点数量有限。因此，有关土壤有机质演变特征的分析结论有待进一步印证。

参考文献：

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［８］刘光崧．中国生态系统研究网络观测与分析标准方法：土壤理化分析与剖面描述［Ｍ］．北京：中国标准出版社，１９９６．１－２６６．

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（责任编辑郑威）