农田黑土退化过程

张兴义，隋跃宇，宋春雨

(中国科学院东北地理与农业生态研究所中国科学院黑土区农业生态重点实验室，黑龙江哈尔滨150081)

东北典型黑土以富含有机质潜在肥力高而著称，主要分布于大小兴安岭及长白山向松嫩平原过渡的漫川漫岗区域，南起辽宁省昌图北至内蒙古大兴安岭东麓，沿沈阳－长春－哈尔滨－北安铁路呈条带分布，长900 余km，宽200 km 左右，总面积700 余万hm2，即为东北著名的黑土带［1］。土地集中连片，土壤肥沃，气候适宜，垦殖率高达70%以上，成为我国最大商品粮基地的核心区域［2］。黑土的原始植被多为草甸草原，开垦为农田后，原有的天然植物群落与土壤之间的物质循环平衡遭到破坏，加之掠夺式农业经营，多年积累的有机物质，处于被分解消耗的过程中，黑土发生了严重退化，土壤肥力降低，严重威胁了区域的粮食生产能力和生态安全［3］。因此黑土退化问题成为关注的热点和急需解决的问题［2］。已有的研究主要采用在某个小区域内测定草地及不同开垦年限的农田土壤有机质含量来确定黑土退化过程［4－5］，结果反映是某个特定区域的黑土质量变化，同时受不同地块开垦前土壤有机质含量的本底差异的影响，结果具有局限性。研究通过黑土带全区域采样调查，从空间区域尺度分析黑土退化过程，可客观揭示黑土退化的过程及其总体趋势，旨在为黑土退化认知和黑土农田耕地保育提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域为黑龙江省农田黑土主分布区，主要分布在滨北、滨长铁路沿线的两侧，北界直到内蒙古交界、南界由双城、五常一带延伸到吉林省，西界与松嫩平原的黑钙土和盐渍土接壤，东界则可延伸到小兴安岭。位于北纬45°10'～49°38'，东经124°55'～132°30'，东西长234 km，南北长486 km。地形大都是在现代新构造运动中间歇上升，并受不同程度切割的高平原和山前洪积平原，多为波状起伏的漫岗地，坡度多为1°～5°。地势东北部略高，向南、西倾斜，海拔370 m～120 m，辖23 个市县，松花江和嫩江流经该区域。农田黑土面积385.2 hm2，由北向南依次为厚层黑土(黑土层60 cm～100 cm)、中层黑土(黑土层20 cm～60 cm)、薄层黑土(黑土层厚度小于20 cm)。年平均气温为0.4 ℃～3.5 ℃，年降雨量为400 mm～600 mm，年有效积温1 600 ℃～2 700 ℃。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤样品采集及化验分析。参照黑龙江省土壤图，利用GPS 定位，沿主要公路，在全区黑土农田不规则取样。在每个点位，选取有代表性的农田，采集耕层(0～20 cm)5 点土壤，充分混合后装袋，共采集土样636 个。所有样品经风干、剔除杂质、研磨、过100 目筛后，用于氮磷钾含量分析。

样品的氮、磷、钾的全量及有效含量的测定参照鲁如坤主编的《土壤农业化学分析方法》［6］。

土壤有机质和全量氮含量用意大利产FlashEA1112 型元素分析仪测定。

1.2.2 数据分析。①样品的描述性分析采用SPSS10.0 软件包。②开垦历史:由各县市县志、土壤志和统计年鉴获取。③开垦前土壤有机质含量:利用所在区域县市土壤志获取。④1982 年土壤养分含量:利用第二次土壤普查数据及所在区域县市土壤志获取。⑤黑土退化过程:以县域和省域黑土区为单元，以开垦前草地为起点，2002 年为结点。

2 结果与分析

2.1 农田黑土养分状况

为了阐明黑土退化过程，首先要摸清农田黑土土壤肥力现状。于2002 年9 月－11 月秋收后，根据黑土的分布情况，选择由北向南的典型地块，对黑龙江省农田黑土进行大样点调查。以县域为单元，黑龙江省整个黑土区养分现状为:土壤有机质平均为38.9 g·kg－1，变化范围为23.8 g·kg－1～73.7 g·kg－1;全氮平均含量为2.3 g·kg－1，变化范围1.7 g·kg－1～3.7 g·kg－1;全磷平均含量为0.6 g·kg－1，变化范围0.4 g·kg－1～1.0 g·kg－1;全钾平均含量为19.3 g·kg－1，变化范围为17.7 g·kg－1～21.2 g·kg－1;碱解氮平均含量为192.2 mg·kg－1，变化范围为125.5 mg·kg－1～313.2 mg·kg－1;有效磷平均含量为25.7 mg·kg－1，变化范围为13.7 mg·kg－1～54.2 mg·kg－1;有效钾平均含量为163.6 mg·kg－1，变化范围为116.7 mg·kg－1～243.5 mg·kg－1，见表1。土壤有机质呈北高南低的分布，主要是由于黑土为地带性土壤，受气候影响大，开垦前(原始草地)土壤有机质就呈由北向南降低的趋势分布。北部嫩江县、五大连池市和北安市农田土壤有机质平均含量仍高于5%，而南部的部分市县已不足3%。土壤全氮含量虽与土壤有机质含量成极显著相关［7］，变化趋势与土壤有机质相同，但变化幅度较土壤有机质含量小。全磷含量多在0.6 g·kg－1左右，全钾含量多在20 mg·kg－1左右，均未呈地带性分布，全磷含量受土壤自身含量、施肥量和种植作物等多重影响，而全钾是受黑土母质为富含钾的黄土状亚黏土的影响，总体较为均匀。有效养分除碱解氮略呈南北变化趋势外，有效磷和有效钾无空间分布规律，主要受施肥影响。

表1 以县为单位农田黑土肥力现状统计结果(2002)Tab.1 Statistic result of the fertility of arable Mollisols

同全国其他区域的农田土壤基础养分含量相比，黑龙江省农田黑土仍然是最高的，但同时也是下降速度最快的［8］。

2.2 农田黑土退化过程

2.2.1 县域尺度黑土养分的变化。依据黑龙江省黑土区各县土壤志、第二次土壤普查资料、2002 年采集黑龙江省黑土各县农田黑土样品的测定结果，归纳为表2。黑龙江省黑土开垦前土壤有机质含量以北部的最高，在100 g·kg－1～150 g·kg－1，南部略低，在65 g·kg－1～110 g·kg－1。第二次土壤普查到2002 年20 a的时间里，各县总体而言土壤有机质略有下降，个别县市略有增加。下降最大的县市有海伦市、克山县、巴彦县，分别下降了11.8 g·kg－1、11.3 g·kg－1、11.9 g·kg－1，平均每年约下降0.585 g·kg－1，年均下降速率高达13.5‰。这3 个县市都是水土流失较严重的县市，因此可以说水土流失是导致该阶段土壤退化的主要因素。变化非常小的县市主要有嫩江县、庆安县、五常县、依安县，分别下降了1.0 g·kg－1、1.1 g·kg－1、1.9 g·kg－1、1.6 g·kg－1，平均每年约下降0.07 g·kg－1。这比第二次土壤普查时的平均年下降速度0.1 g·kg－1～0.34 g·kg－1要低的多。

2002 年，在黑龙江省黑土带上的23 个市县中，有12 个县市土壤全氮含量较第二次土壤普查时的含量降低，主要发生在第二次土壤普查全氮含量较高的市县中，降低最多的两个县为绥棱县和呼兰县，20 a中平均每年降低0.0325 g·kg－1。其余11 个县市土壤全氮含量不但没降低，还略有上升，主要发生在第二次土壤普查全氮含量较低的市县中，其中以哈尔滨市增加的最多，平均每年增加0.044 g·kg－1。

土壤全磷含量除宾县、五常县、哈尔滨市、青冈县、克山县、望奎县略有增加外，其余各市县均降低。这与我国大部分土壤全磷含量由于施入土壤中的磷肥大部分被固定而致使土壤全磷含量增加的趋势不一致，主要是由于黑土中的磷约有三分之二的磷以有机态存在，而其它土壤多以无机态存在不同。据黑龙江省农科院土肥所1983 年－1985 年的田间实验结果，施入黑土农田中的磷只有13%被固定，因此磷肥施用对农田黑土的全磷含量的影响远不如对我国中原土壤的影响。目前磷肥的施用量还不能使黑土农田的磷素达到平衡。降低最大的市县有依安县、呼兰县、五大连池市、海伦市，在第二次土壤普查时该4 市县土壤全磷含量均较高，20 a 间全磷含量年平均减少0.012 8 g·kg－1。

表2 以县为单位农田黑土有机质随开垦年限的变化Tab.2 Dynamic of soil organic matter content after reclamation

土壤全钾含量有一半县市在下降，且同土壤有机质、全氮、全磷的含量下降数量相比，土壤全钾下降的数量仅次于土壤有机质，20 a 钾素年平均减少0.160 g·kg－1。主要是由于土壤钾是不可再生元素，长期重氮磷肥的施用，轻钾肥，致使钾素过度消耗，通过收获物大量移出农田所致。哈尔滨市钾素下降量最大也说明了这一点，20 a 钾素年平均减少0.295 g·kg－1。

2.2.2 省域尺度土壤有机质演变。为了阐明黑土退化过程，选取占典型黑土面积总量70%的黑龙江省农田黑土有机质含量变化加以研究。综合前人的研究结果，结合各县和黑龙江省土壤志以及第二次土壤普查结果，以开垦为起点，2002 年区域采样测定结果为结点，以土壤有机质为指标，归纳为黑土的退化过程及强度如图1 所示。黑龙江省黑土开垦前土壤有机质含量在80 g·kg－1～100 g·kg－1，变化范围为65 g·kg－1～150 g·kg－1。在最初的开垦后20 a 里，土壤有机质约下降了30%，之后下降速度逐渐变缓，主要是由于活性组分含量逐渐降低;在开垦年限达到80 a 以后，年下降速度低于2‰，最后进入缓慢下降和相对平衡阶段，土壤有机质的演变方向取决于黑土农田的输入和获取量，既可能由于输入的不足，造成黑土进一步退化，也可能由于人们重视土壤培肥，增加农田的输入，使黑土向培肥方向发展。2002 年黑龙江省典型黑土区农田黑土土壤有机质平均含量为38.9 g·kg－1，开垦后黑土有机质已下降了约60%。从第二次土壤普查起的20 a 间，农田黑土土壤有机质仍以年平均5‰的速率在下降，表明黑土退化不容忽视，如不加以及时保育，势必要降低黑土农田生产力。孟凯依据黑土退化的强度，将黑土退化分为退化的初级阶段、退化的发展阶段和退化的危机阶段3 个阶段。处于发展阶段的主要集中在北部，中部多处于发展阶段，南部及中部水土流失严重的县市处于危机阶段［9］。

图1 黑土有机质随开垦年限下降过程Fig.1 The decline process of soil organic matter content after reclamation

土壤有机质的演变方向取决于黑土农田的输入和获取量，既可能由于输入的不足，造成黑土进一步退化，也可能由于人们重视土壤培肥，增加农田的输入，使黑土向培肥方向发展。第二次土壤普查到2002 年20 a 间，拜泉县、哈尔滨市、双城市、青冈县、阿城市，分别上升了14.0 g·kg－1、5.6 g·kg－1、1.7 g·kg－1、1.1 g·kg－1、0.8 g·kg－1，平均每年约上升了0.232 g·kg－1，拜泉县提升的最多。拜泉县是国家生态治理的重点县之一，是黑土区近些年来国家、省、地方政府生态治理投入资金最大的县，经过20多a 的生态治理生态环境大为改观，土壤养分正在上升，为黑土区持续发展的成功代表。哈尔滨市农田黑土地处郊区，主要是保护地种植，每年有机肥和化肥的投入量是非常大的，土壤养分状况也向好的方向发展。双城市和阿城市为黑土区开垦年限最长的县市，长的已达150 a～200 a，已进入平衡稳定期，由于近些年来增大了化肥的投入，使输入大于了输出，土壤养分也向好的方向发展。该结果表明通过增加退化黑土农田的投入或生态保育，可遏止黑土退化，提升农田质量。

3 讨 论

黑土退化过程。以往对黑土退化过程的研究以汪景宽2000 年在黑龙江省北安的调查最为代表，测定了开垦的年限分别为0 (荒地)、5a、10 a、20 a、40 a、60 a 和100 a 0～20 cm 表层黑土有机质含量，得出开垦20 a、40 a 和100 a 较开垦前分别下降了48%、54%和67%［4］。得出退化过程趋势一致、有机质下降速度略高于本区域研究的调查结果，由于在不同地块的结果放在一时间序列比较，可能存在的地块间的土壤差异，对结果造成影响。此外，汪景宽等的研究为黑龙江省北安市一个小区域(点)的调查结果，区域上存在局限性。

黑土有机碳相对稳定性。开垦后黑土有机碳前期快速下降，尔后下降速度逐渐降低，已在国内外形成共识。这个过程约需100 a 以上的时间，关键是在此之后会再朝何方向发展。综合国内外研究成果和本研究结果，可归纳为三个方向。一是在管理总体不变的情况下，在某一气候区，黑土碳趋于相对稳定状态，只是年际有小的波动，总体不变。于君宝等2004 年通过对未开垦的荒地(开垦0)、开垦5 a、20 a、30 a、40 a、50 a、100 a、130 a 和200 a 的典型农田黑土有机碳调查得出开垦130 a 后其含量基本维持在同一水平而不再下降，每年腐殖化形成有机碳的数量与矿化有机碳数量相近，达到平衡状态［5］。二是土壤有机碳进一步下降，向不可逆转的方向发展，主要发生在水土流失严重的区域，黑土层因侵蚀逐渐被剥离，最终消失呈“破皮黄”［10］。三是呈缓慢上升趋势，主要是随着向农田中的投入增加，诸如增加化肥、有机肥和秸秆还田等，是退化黑土朝培育的方向发展。

东北农田黑土退化严重，且仍呈发展的趋势，但通过耕地保育和生态治理，黑土退化可被缓解或遏止，严重退化的也可被培肥。

［1］中国科学院林业土壤研究所. 中国东北土壤［M］. 北京:科学出版社，1980.

［2］刘兴土，佟连军，武志杰. 东北地区粮食生产潜力的分析与预测［J］. 地理科学，1998，18 (6):501－509.

［3］刘兴土，阎百兴. 东北黑土区水土流失与粮食安全［J］. 中国水土保持，2009 (1):17－19.

［4］汪景宽，王铁宇，张旭东，等. 黑土土壤质量演变初探I:不同开垦年限黑土主要质量指标演变规律［J］. 沈阳农业大学学报，2002，33 (1):43－47.

［5］于君宝，刘景双，王金达，等. 不同开垦年限黑土有机碳变化规律［J］. 水土保持学报，2004，18 (1):27－30.

［6］鲁如坤. 土壤农业化学分析方法［M］. 北京:中国农业科技出版社，2000.

［7］Zhang X Y，Sui Y Y，Zhang X D，et al. Spatial variability of nutrient properties in Black soil of Northeast China［J］. Pedosphere，2007，17 (1):19－29.

［8］刘晓燕. 我国农田土壤肥力与养分平衡状况研究［D］. 北京:北京农业科学院，2008.

［9］孟 凯，刘月杰. 黑土退化阶段与强度分析［J］. 农业系统科学与综合研究，2008，24 (4):476－479.

［10］黑龙江省土壤普查办公室. 黑龙江土壤［M］. 北京:农业出版社，1992.