海伦黑土有机碳和养分含量30年变化特征

尤孟阳,郝翔翔,李禄军,2

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站，黑龙江 哈尔滨 150081；2.中国科学院大学,北京 100049)

0 引 言

黑土有机质含量高，土质肥沃，是珍贵的土壤资源。我国黑土仅分布在东北平原地区，耕地面积约为1.85×107hm2，是支撑东北地区粮食高产稳产的基础，对陆地生态系统稳定性起着重要作用[1-2]。在东北黑土带，黑龙江省黑土耕地面积约占东北黑土耕地总面积的56%，高于吉林省、辽宁省和内蒙古自治区三地的总和[3-4]。然而，高强度的农业耕作以及土壤流失导致黑土肥力逐年下降，严重影响黑土耕地质量，保护黑土地迫在眉睫[5]。黑土开垦历时短、过程快，由自然生态系统开垦为稳定性较低的农田生态系统后，抗逆能力逐渐降低，土壤肥力及理化性质出现不同程度的退化[6]。保证土壤质量和肥力的可持续发展，是保护黑土地和保障粮食安全的现实所需。

土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)是衡量土壤肥力变化的重要指标[7]。然而，由于农作物种植结构单一和管理用养失调，世界黑土均面临土壤退化问题。在过去的100年间，北美黑土SOC含量降低了50%[8]；50年间俄罗斯库尔斯克地区黑土SOC含量下降了38%，土壤全氮含量下降了45%[9]；我国东北黑土SOC含量下降了46%[10]。作为陆地生态系统中最重要和最活跃的碳库，SOC的变化也影响到大气碳库的源汇效应[11-12]。我国东北黑土从土壤释放到大气中的碳排放速率约为0.17～2.17 Tg·a-1，成为大气碳排放的碳源[13]。近几年，通过采用有效的农田管理措施，我国黑土地保护性实践取得了明显成效，不仅促进SOC积累，提高了肥料利用率，而且改善了土壤抗旱保墒能力，为提升黑土综合功能奠定了基础[14-16]。取得的生态效益，与国家对黑土地保护的高度重视与支持密切相关。农业农村部会同国家发展改革委员会、财政部、国土资源部、环境保护部、水利部于2017年发布了《东北黑土地保护规划纲要(2017～2030年)》，该纲要明确指出黑土地保护的重要性和紧迫性。

为保护我国东北黑土资源，在时间尺度上明确黑土SOC及其相关养分含量的演变特征，对于评价黑土质量变化和肥力改善潜力具有重要意义。揭示农田土壤养分的丰缺及平衡状况，对于合理调控土壤肥力，实施精准施肥，提高土地生产力至关重要。本文以位于东北黑土带腹地，代表典型黑土的黑龙江省海伦市为研究区域，结合80年代第二次全国土壤普查资料和2011年中国科学院战略性先导科技专项“碳专项”实测数据，研究了30年来黑土农田SOC及养分含量的变化特征，为黑土农田土壤肥力提升和黑土地保护提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

海伦市位于黑龙江省中部(126°09′～127°25′E，47°00′～47°43′N)，东北黑土带中心，是东北黑土的典型代表。该区域属中温带大陆性季风气候型，冬季干燥寒冷，夏季雨热同期。多年平均气温约为1.5 ℃，7月温度最高。多年平均降水量为550 mm，年降水量的近70%集中在6～8月。地形多是波状起伏的漫川漫岗，土壤母质为第四纪黄土状母质。主要农作物为一年一熟制的大豆(GlycinemaxL.)、玉米(ZeamaysL.)和水稻(OryzasativaL.)等。

1.2 样品采集及数据获取

1981年海伦市农田黑土有机碳和养分数据从第二次全国土壤普查资料中获取并进行整理。2011年，参考第二次全国土壤普查资料黑龙江省采样点位置，结合土壤类型和土地利用分布状况，在海伦市农田生态系统中选取68个取样点，根据现场调研结合土壤类型图，认定厚层黑土样品8个，中层黑土样品45个，薄层黑土样品15个。采集土壤表层(0～20 cm)样品，同一块农田随机选取5个样点，均匀混合为一个混合样。

1.3 室内分析

土壤样品去除肉眼可见石砾、植物残体和根系，风干过0.25 mm筛后，采用元素分析仪(EA3000,Euro Vector,Italy)测定土壤全碳和全氮含量。由于该区域黑土中不含碳酸盐，因此，全碳含量即为土壤有机碳含量。土壤pH值采用电位法(水土比=2.5∶1 v/w)；土壤机械组成、碱解氮、速效钾和有效磷测定方法参考土壤农业化学分析方法[17]。表层黑土pH平均值为6.34，砂粒、黏粒和粉粒平均含量分别为37.1%、35.9%和27.0%。

1.4 数据计算及分析

样地空间位置利用ArcGIS软件读入GPS数据，进行精确的投影转换(Albers投影)，输出用于地统计分析的矢量格式的土壤采样点。通过Microsoft Excel 2010和SPSS 14.0分析土壤有机碳变化特征和土壤养分之间的相关系数。不同土壤性质之间的相关性分析采用Pearson相关分析。

2 结果与讨论

2.1 黑土农田土壤有机碳变化特征

1981年的第二次土壤普查结果表明，海伦市农田表层SOC含量平均值为34.6 g·kg-1，2011年SOC含量平均值为30.6 g·kg-1，近30年表层黑土SOC含量下降12%(图1)。而基于遥感影像数据的研究发现，在2008～2011年期间，海伦市农田SOC含量没有显著变化[18]。然而，黑龙江省黑土自开垦以来仅有50～200年的历史，有研究认为，在开垦初始的前10年，SOC含量从120 g·kg-1降到70 g·kg-1，下降了42%；开垦20～30年后，与开垦的前10年相比继续下降了29%～43%；开垦50年后，与开垦20～30年相比又下降了20%～25%[4]。因此，研究证实了海伦市农田黑土SOC含量进入较稳定阶段[15]。

注：矩形盒中下边缘线和上边缘线分别代表全部数据的5%和95%，上实心点为异常值。矩形盒上、下边缘分别代表上四分位数和下四分位数，分别代表全部数据的75%和25%，实线代表平均值；F与P值代表1981年与2011年土壤有机碳t检验分析; 不同字母表示1981年不同厚度黑土有机碳在P<0.05水平上差异显著。下同。Note:The lower edge and upper edge lines represented the 5% and 95% of all the data,the solid points represented the vertical outliers.The lower quartile and upper quartile of the boxplots represented 25% and 75% of all data,the solid lines represented the average values; F and P represent the t-test of soil organic carbon between 1981 and 2011; different letters show significantly different among the three soils in 1981.The same is as below.图1 海伦农田表层黑土有机碳变化特征Fig.1 Changes in soil organic carbon of croplands in Hailun Mollisols

按照土壤发生学分类，海伦市黑土土种主要包括薄层黑土、中层黑土和厚层黑土，所占比例分别为39.8%、40.8%和19.4%[19-20]。通过研究不同土种黑土SOC变化趋势发现，与1981年相比，厚层黑土SOC下降了22%，而中层和薄层黑土分别下降了11%和10%。虽然厚层黑土SOC含量下降最多，但是海伦耕地黑土以中层黑土为主，厚层黑土所占的面积比例相对较小，因此削弱了由厚层黑土SOC大幅降低所引起的黑土整体SOC含量的锐减。1981年，黑土不同土种间SOC含量存在显著差异， 2011年厚层黑土SOC含量虽然略高于中层和薄层黑土，但不同土种间SOC含量的差距逐渐缩小。这主要是因为土壤肥力的降低逐渐受到人们的重视，不同农田管理措施的实施使SOC降低的趋势有所减缓，超过50%的表层黑土SOC含量呈小幅波动[18]。由此可见，海伦黑土自上世纪80年代至2011年，SOC含量的变化特征呈下降至相对稳定的趋势；而从上世纪90年代开始，SOC含量几乎无变化[18,21](图2)。

图2 黑土有机碳含量动态变化特征Fig.2 Dynamics of soil organic carbon content

SOC含量的大幅改变必然会引起土壤碳储量的变化，30年的耕作使海伦市表层黑土有机碳储量降低了14.7 Mg·hm-2，耕地退化现象严重[22-23]。海伦黑土剖面研究结果表明，土壤有机碳储量(0～100 cm)为229.3 Mg·hm-2，其中，20～100 cm的有机碳储量占土壤剖面有机碳储量的67.2%[24]。对于0～200 cm的海伦黑土剖面而言，100～200 cm的有机碳储量与表层0～20 cm有机碳储量相近，具有提高土壤碳汇功能的重要潜力[25]。因此，在改善表层土壤肥力时，培育深层土壤肥力，改善土壤结构，增强土壤渗透能力，有利于提高土壤的碳储量。

SOC的动态变化是有机物料输入与土壤碳输出之间动态平衡的结果。开垦初期，施肥方式以化肥为主，土壤中有机物质输入有限，主要为微生物生长提供碳源，收获后伴随生物量的移出，土壤碳输出大于碳输入，使得SOC难以积累，因此黑土SOC快速下降，土壤养分处于长期亏缺状态[4]。有机肥的施用增加了SOC的输入量，缓解了SOC快速下降的趋势。随着施肥量的增加，土壤不同形态的碳也发生改变。化肥配施高量猪粪使表层SOC增加18.2%，其中惰性有机碳库增加了29.5%，SOC稳定性得以提升[26]。但有研究认为，有机肥仅能在一定程度上改善土壤肥力属性，达到短期增产的目的[27]。而畜禽粪便等有机肥输入到土壤后，由于其可能存有病原菌或者重金属污染土壤，从而会影响粮食作物的品质，因此从土壤健康和粮食安全的角度出发，应严格管控和监测有机肥质量。

目前，秸秆还田作为提升土壤肥力和保护环境的措施获得广泛关注。例如，灭茬还田使长期种植玉米的厚层黑土、中层黑土和薄层黑土SOC含量分别增加了9.4%、13.7%和7.0%[28]。秸秆还田配施化肥不仅提高了全土层SOC含量，而且增加了土壤各级团聚体内的SOC含量，也显著提高了大粒级团聚体中有机碳对全土层SOC的贡献率[29]。将秸秆均匀深混到0～35 cm土层中，通过提升土壤表层的蓄水能力，也可以达到改善土壤肥力的目的[16]。秸秆和化肥配合施用能够改善土壤结构，增强团聚结构对SOC的物理保护作用，减缓微生物对SOC的分解作用[30-32]。有关秸秆还田的方式，秸秆粉碎的尺寸和秸秆还入土壤深度对SOC固存影响的报道很多[33-36]，然而，连续多年定量秸秆还田，并不能使SOC含量持续增加[37]。虽然增施秸秆还田量能够在短时间内增加SOC含量，但是也会增加温室效应带来的环境风险。因此，在秸秆还田条件下，应更加关注土壤碳的收支平衡以及SOC稳定性的变化。

2.2 黑土农田土壤养分变化特征

土壤养分是土壤肥力的基础，与粮食生产密切相关。据报道，1972～2001年海伦市施肥制度主要经历了4个阶段：不施肥-有机肥为主-有机肥和化肥配施-化肥为主，期间化肥用量增加了8.5倍[38]。伴随施肥制度的变化，和SOC变化一样，土壤养分含量也呈现不同的变化趋势。本研究结果表明，30年间土壤碱解氮和速效钾含量分别降低了32%和47%，而有效磷含量增加了52%(图3)。这一结果与王建国等[39]研究发现一致，即黑土养分处于土壤磷素盈余，而钾素亏缺的状态。

图3 海伦农田表层黑土理化性质Fig.3 Soil properties in top layer of croplands in Hailun City

与1981年相比，2011年海伦黑土表层土壤全氮含量降低了8.5%，这一结果说明氮肥的施用减缓了土壤全氮含量的下降。但是，与1981年相比，厚层、中层和薄层黑土中，碱解氮分别以3.25 mg·kg-1·a-1、2.24 mg·kg-1·a-1和1.64 mg·kg-1·a-1的速率下降。持续且过量的施用氮肥，会加速土壤氮素的损失，降低作物对氮肥的利用率[40]，导致土壤碱解氮大量消耗以满足作物的生长。过量氮肥积累会促使土壤微生物硝化和反硝化作用增强，促进N2O等温室气体排放增多[41-42]。阻控氮肥损失的有效措施，可以增加作物对氮素的养分吸收率，降低土壤氮素消耗，缓解其对环境造成的不利影响。因此，根据土壤养分情况确定适宜的氮肥施用量，选择合理的施肥时期，以此提高氮肥利用率[43]，既能获得目标产量，又可以将氮素损失降低到环境可承受范围内[44-46]。

土壤有效磷是评价土壤磷素养分可利用水平的重要指标。从上世纪80年代初开始，生产上长期大量施用磷肥，除去作物能够吸收利用的磷素外，大量磷在土壤中累积，降低了土壤磷利用率[47]，但是土壤磷的盈余是现阶段土壤有效磷含量变化的主要特征[40]。与1981年相比，2011年土壤有效磷含量在不同土种黑土中分别以0.14 mg·kg-1·a-1(厚层黑土)、0.53 mg·kg-1·a-1(中层黑土)和0.22 mg·kg-1·a-1(薄层黑土)的速率增加。基于长期监测的研究结果也表明，39%的监测点土壤有效磷含量显著升高并引起了较高的磷盈余[48-49]。有研究表明，薄层黑土的磷酸酶活性较低，导致其有效磷含量低于厚层黑土和中层黑土[50]。较高的有效磷是作物高产的关键，但磷素盈余可能引发磷素淋溶从而导致地表水体的富营养化[51]。磷素过量积累，会减弱磷素有效性，降低磷肥利用率。近年来秸秆还田对磷的有效性起到积极作用，一方面有机残体分解过程中直接释放的磷可直接增加土壤有效磷含量[52]；另一方面，秸秆还田通过增加土壤持水能力进而促进根系生长吸收更多的磷，同时增加土壤微团聚体数量，减少土壤的吸附点位以及促进微生物的固磷作用来间接影响土壤磷的有效性[53]。由此可见，磷肥与秸秆还田配施对提高黑土磷的有效利用率有积极作用[54]。

钾素是作物生长所必需的营养三要素之一，而作物生长发育过程中所需的钾素主要来源于土壤，能否获得足够的钾来维持作物正常的生长发育，与土壤的供钾能力密切相关。截止2011年，海伦市黑土速效钾含量下降43%，厚层、中层和薄层黑土的速效钾下降速率分别是4.11 mg·kg-1·a-1、3.53 mg·kg-1·a-1和4.68 mg·kg-1·a-1。一般而言，黑龙江省土壤速效钾含量较高，钾肥施用效果不明显，导致钾肥被忽视。然而，土壤钾是不可再生资源，长期重氮肥和磷肥、轻钾肥的施肥方式，使土壤中的钾素在作物生长发育阶段过度消耗[55]。适当增加钾肥施用量，同时探寻黑土钾素改善的管理措施刻不容缓。

化肥对粮食的增产效果并不是逐年递增的，30年的施肥结果表明，海伦市每千克化肥生产的粮食产量平均从34.7 kg下降到8.4 kg，化肥的施用已不能满足粮食作物的生长需求，这也意味着土壤中提供给作物生长的养分有限，化肥利用率极低。减少化肥用量，提高肥料利用率越来越受到重视。有研究发现，就海伦市黑土的潜在肥力而言，禾本科作物停止施氮肥1年，粮食产量可以达到全肥产量的60%～70%；停施磷肥，产量可以达到全肥产量的85%以上；停施钾肥，产量可以达到全肥产量的95%以上；但是长期连续不施肥，黑土农田氮、磷和钾素养分的自然供给力将呈不同程度的下降趋势[56]。有关秸秆还田的研究表明，我国秸秆中含有氮、磷、钾养分含量占当年化肥施用量的一半左右[57]。采用秸秆还田与半量化肥配施，能够提升SOC储量，提高土壤养分含量，促进粮食高产稳产，降低环境恶化的风险，是实现土壤肥力可持续发展的有效管理措施。因此，寻求低量高效的有机、无机肥配施措施是今后研究工作的重点。

2.3 海伦农田黑土有机碳与养分变化关系

与第二次全国土壤普查相比，海伦市黑土农田土壤有机碳与土壤养分含量均发生了不同程度的改变，土壤养分的演变特征具有一定的规律性，这主要是因为土壤有机碳与多个养分指标之间存在较强的关联性(表1)。土壤有机碳与全氮含量总是具有相似的变化趋势，本研究相关分析显示，黑土有机碳与全氮含量相关程度最高(r=0.85，P< 0.01)。土壤的碳氮比(C/N)反映了碳和氮之间的平衡关系，其演变趋势对土壤肥力以及碳、氮循环有着重要的影响。与1981年相比，2011年海伦黑土表层土壤全氮含量没有发生显著变化，而C/N比值呈现下降趋势，表明土壤有机碳下降导致土壤C/N比降低，而C/N比降低会促进土壤微生物的活性，反过来会促进土壤有机质分解和养分消耗。因此，土壤有机碳与碱解氮和速效钾含量呈现显著正相关关系。但是土壤有机碳与有效磷相关性不显著，这可能是由于长期的磷肥施用导致土壤有效磷含量超过黑土有效磷农学阈值(15.0 mg·kg-1)[48]。另外，土壤速效钾与有机碳、全氮、碳氮比和碱解氮均呈显著的正相关关系。开展黑土C∶N∶P∶K化学计量特征的综合研究，解析氮、磷和钾元素与土壤有机碳复杂的相关性以及三种养分元素的相互制约关系，对于粮食作物产量和土壤养分的影响，仍需要进一步研究。

表1 黑土土壤理化性质相关系数矩阵Table 1 Correlation coefficient matrix of soil properties in Mollisols

3 结论与展望

海伦农田黑土有机碳与养分变化是自然因素与人为干扰共同作用的结果，与上世纪80年代相比，近30年来表层黑土SOC含量下降了4 g·kg-1，其中厚层、中层和薄层黑土土壤有机碳分别以0.29 g·kg-1·a-1、0.12 g·kg-1·a-1和0.10 g·kg-1·a-1的速率下降。表层黑土碱解氮和速效钾的下降速率分别为2.49 mg·kg-1·a-1和3.83 mg·kg-1·a-1，有效磷增加速率为0.37 mg·kg-1·a-1。不同土种土壤速效钾的下降速率仅低于土壤有机碳，高于土壤碱解氮，其中厚层黑土下降的速率最快。然而，不同土种黑土有效磷呈现增长趋势，中层黑土增长最快。综合而言，在当前的农田管理措施下，黑土农田土壤表现为有机碳、氮含量相对稳定、磷素盈余、钾素亏缺的状态。因此，选取合理的农田管理措施，提高肥料利用率，加强土壤固碳潜力，改善土壤养分含量及其生物活性，对黑土可持续利用意义重大。

致谢：

感谢参与野外取样与室内测试分析的中国科学院东北地理与农业生态研究所的所有同事和同学。