鄂伦春旗耕地土壤有机质含量的时空变化趋势及其与大豆产量的关系

高玉秋 徐彩龙 马立晖 杨舟 吴存祥 韩天富

摘要：為全面分析鄂伦春旗土壤有机质含量随着时间推移发生的变化及在空间上的分布情况，比较该区域不同土壤类型有机质含量的差异，探讨土壤有机质和全氮含量之间的关系，对2008—2014年在鄂伦春旗域内均匀采集的7722个耕地土壤样品进行土壤类型判别及有机质、全氮含量测定，并与1986年全国第二次土壤普查数据进行对比，同时通过盆栽试验研究土壤有机质含量及施肥水平对大豆农艺性状和产量的影响。分别采用油浴加热重铬酸钾容量法和半微量凯氏定氮法测定土壤有机质含量和全氮含量。通过相同区域近30年间有机质、全氮含量的比较分析鄂伦春旗土壤肥力变化动态。盆栽试验供试品种为‘北豆26’，设置23.24、41.45、60.21、81.37、98.71 g/kg等5个土壤有机质含量水平，在大豆开花期、成熟期分别记载发育进度和农艺性状，收获后考种获得产量性状数据。近30年来，鄂伦春旗耕层土壤有机质含量平均由127.24 g/kg下降到64.82 g/kg，降幅达49.06%。对不同土壤类型有机质含量变化进行分析，发现沼泽土有机质含量由165.9 g/kg下降到67.89 g/kg，降幅为59.08%；暗棕壤由120.9 g/kg下降到63.83 g/kg，降幅为47.20%；棕色针叶林土由149.2 g/kg下降到103.79 g/kg，降幅为30.44%；草甸土由111.5 g/kg下降到66.61 g/kg，降幅为40.26%；黑土由88.7 g/kg下降到65.63 g/kg，降幅为26.01%。土壤有机质与全氮含量显著正相关。施用化肥对大豆的增产效果因土壤有机质含量而异，当土壤有机质含量高于81.37 g/kg时，化肥对大豆的增产作用效果不明显。鄂伦春旗耕层土壤有机质含量下降49.06%，表明缺少有效土壤培肥措施的耕种对土壤有机质消耗极大。不同土类有机质平均含量随耕作年限的延长而下降的幅度存在明显差异，其中沼泽土降幅最大，黑土降幅较小，暗棕壤居中。土壤有机质含量丰富的土壤，即使不施用化肥，也能获得较高产量。因此，提高有机质含量是提高土壤生产能力和农业生产效益的根本性措施。作者认为，轮作倒茬和秸秆还田是最重要的土壤培肥措施。

关键词：鄂伦春旗；土壤有机质；时空分布；大豆；产量

中图分类号：S316文献标志码：A论文编号：cjas20190400012

Temporal-Spatial Distribution of Arable Soil Organic Matter in Oroqen Banner and Its Relationship with Soybean Yield

Gao Yuqiu1，2， Xu Cailong1， Ma Lihui2， Yang Zhou2， Wu Cunxiang1， Han Tianfu1

（1Institute of Crop Sciences， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100081， China；

2Agricultural Technology Extension Center of Oroqen Banner， Hulun Buir 165450， Inner Mongolia， China）

Abstract： To study the spatial and temporal dynamic of soil organic matter content of different soil types in Oroqen and the relationships between organic matter content and total N content， the soil organic matter and total nitrogen content of 7722 soil samples collected in Oroqen Banner in 2008-2014 were analyzed and compared with the results of local soil samples taken during The Second National Soil Census in 1986. Furthermore， a pot experiment with different soil organic matter contents was conducted to determine the effects of soil organic content on botanical characteristics， agronomic traits and yield of soybean. The content of soil organic matter and total N were determined by oil bath heating potassium dichromate volumetric method and semi-micro Kjeldahl method， respectively. There were five levels for soil organic matter content （23.24， 41.45， 60.21， 81.37， 98.71 g/kg）， and two fertilizing levels （fertilizer application and no fertilizer） in the pot experiment and soybean cultivar‘Beidou 26’was used as material. Developmental rate and agronomic traits were investigated at flowering and maturity stage， and yield measurements were taken after harvest. The soil organic matter content of arable layer in Oroqen Banner was significantly decreased by 49.06% from 127.24 to 64.82 g/kg in recent 30 years. The changes of organic matter content in different soil types were analyzed： organic matter content of swamp soil significantly decreased by 59.08% from 165.9 to 67.89 g/kg； organic matter content of dark brown soil significantly decreased by 47.20% from 120.9 to 63.83 g/kg； organic matter content of brown forest soil significantly decreased by 30.44% from 149.2 to 103.79 g/kg； organic matter content of meadow soil significantly decreased by 40.26% from 111.5 to 66.61 g/kg； organic matter content of black soil significantly decreased by 26.01% from 88.7 to 65.63 g/kg. Soil organic matter and total nitrogen content showed an obvious positive correlation. The effects of chemical fertilizer application on soybean seed yield were dependent on the soil organic matter content and no increasing effects were found after the soil organic matter content reached 81.37 g/kg. Soil organic matter in Oroqen Banner decreased by 49.06% ， showing that unsustainable farming consumed a lot of soil organic matter. Significant differences of organic matter changes over years were found among the soil types， i.e. swampy soil had the largest decrease， while black soil had the smallest decrease and the dark brown soil was in the middle. Soil rich of organic matter， even without chemical fertilizer application， can also produce a higher yield of soybean. Therefore， enriching the organic matter content is the fundamental measure to improve the soil productivity and agricultural production efficiency. The authors suggest that crop rotation and straw returning are the most important measures for elevating soil organic matter.

Keywords： Oroqen Banner； Organic Matter； Spatio-temporal Distribution； Soybean； Yield

0引言

自20世纪80年代第2次全国土壤普查以来，东北黑土保护问题日益受到重视[1-4]。研究表明，耕作制度不合理、有机质投入少直接或间接地影响土壤理化性状，是导致黑土区土壤肥力下降的重要因素。鄂伦春旗位于东北北部黑土区，耕地面积大，开垦较晚，有机质含量总体水平较高。对鄂伦春旗土壤有机质时空动態进行研究，有助于了解高寒地区土壤肥力要素的变化趋势，对东北黑土保护和利用意义重大。由有机质的分解与转化所构成的土壤有机碳循环，受温度、水分、土壤质地、土壤微生物、耕作制度与耕作方式等许多因素影响[5-9]。土壤有机质与全氮含量、土壤机械组成、土壤容重、孔隙度等理化因子之间存在相关性[10-11]。作物产量与土壤有机质含量存在显著的正相关关系[12]。有机质含量与水稻产量之间的相关系数为0.674，土壤易氧化有机质与水稻产量之间的相关系数为0.767[13]。增加土壤有机质含量可提高土壤的肥力从而促进作物增产[14]。如增加盐化潮土有机质含量，可促进光合作用，减少蒸腾耗水，对作物高产有积极作用[15]。在10o左右的坡耕地增施有机肥，可改善土壤结构，减轻水土流失，促进有机质提升、作物增产[16]。土地利用方式影响土壤有机碳的矿化速率及有机质含量[17]。增施有机肥、合理轮耕、休耕、种植豆科类牧草、秸秆还田等生产措施，可提高土壤肥力，从而提高作物产量[18-20]。相对于耕翻，免耕显著提高水溶性有机碳、微生物生物量碳和易氧化态碳含量[21]。笔者以鄂伦春旗南部农区为典型研究区，以耕层土壤有机质含量变化为研究重点，在鄂伦春旗10乡镇布设土壤调查样点，开展土壤样品采集，在实验室测定土壤有机质和全氮含量，分析鄂伦春旗农田土壤有机质含量的时空变化规律，并通过盆栽试验研究土壤有机质含量与大豆生长发育及产量的关系，以期为鄂伦春旗及东北北部高寒地区土壤改良和农业生产发展提供理论依据。

1材料与方法

1.1土样采集与分析

根据鄂伦春旗土地矢量图资料叠加形成基本单元图，考虑到地面坡度大小、耕地布局、土壤类型等因素，形成采样点位图。丘陵山区每5～7 hm2选1个土样，平原区每6～13 hm2选取1个土样。取样工作于2008—2014年进行，共采集鄂伦春旗10个乡镇7722个土壤样品。在一个采样点，按“S”形路线，以随机、多点、等量混合的方式采集0～20 cm的土壤样品，用四分法留取1 kg左右装袋，注明编号。采回土样后，在通风、干净无污染的室内风干，风干后的土样经打磨后过0.3 mm筛备用。

采用油浴加热重铬酸钾氧化-容量法（NY/85—1988）[22]测定土壤有机质含量；采用半微量凯氏定氮法（NY/53—1987）[23]测定土壤全氮含量。

第二次土壤普查数据来自《鄂伦春自治旗土壤》[24]，取样时间为1985年5月—1986年8月。

1.2盆栽试验

2016—2017年在鄂伦春旗阿里河镇进行。试验地点位于东经123°42′04″，北纬50°33′32″。2016—2017年平均年日照时数2658.5 h，平均无霜期为114天，年平均降水量541.4 mm，6—8月降水占全年的50.13%（鄂伦春旗气象局提供）。

盆栽试验土壤取自大杨树镇北郊村农田，取土深度0～30 cm，采集有机质含量分别为23.24、98.71 g/kg的土壤按不同比例混配，配制成有机质含量分别为23.24、41.45、60.21、81.37、98.71 g/kg的土壤进行盆栽试验，研究不同土壤有机质含量和施肥水平对大豆农艺性状和产量的影响。盆栽试验于5月19日播种，供试品种为‘北豆26’，设常规施肥和不施肥2个肥料水平，施肥区每盆施用复混肥（N-P2O5-K2O=15-25-11） 0.78 g，以种肥一次性施入，共10个处理，每处理15盆，3次重复，随机排列。在大豆开花期和成熟期时分别记载发育进度和农艺性状，收获后考种获得产量性状数据。

1.3数据处理

采用江苏省扬州市土壤肥料工作站开发的4.0测土配方施肥数据管理系统进行录入、存储和管理；使用Microsoft Office Excel 2003、R语言和Microsoft Visual FoxPro 6.0等软件进行数据分析。

2结果与分析

2.1鄂伦春旗耕地土壤有机质含量现状

鄂伦春旗耕地土壤有机质平均含量为64.82 g/kg，呈现由西北部向东南部逐步下降趋势。位于鄂伦春旗西北部的克一河镇、甘河镇、吉文镇土壤有机质含量高于80 g/kg，为高肥力土壤；位于西北部的托扎敏乡、阿里河镇和东南部的古里乡、乌鲁布铁镇土壤有机质含量在65～80 g/kg之间；位于东南部的大杨树镇、诺敏镇、宜里镇土壤有机质含量65 g/kg以下，低于全旗平均值（表1）。

鄂伦春旗不同土壤类型有机质含量存在一定区别，其中，棕色针叶林土有机质含量大于80 g/kg，沼泽土、草甸土、黑土在65～80 g/kg之间，暗棕壤小于65 g/kg，低于全旗土壤有机质含量平均水平（表2）。

2.2耕地土壤养分变化趋势

对比300个相同地点次土壤普查结果，发现鄂伦春旗耕地土壤有机质平均含量由1986年的127.24 g/kg下降到2008—2014年的64.82 g/kg，减幅高达49.06%。对不同土壤类型有机质含量变化进行分析，发现沼泽土有机质含量由165.9 g/kg下降到67.89 g/kg，减幅为59.08%；暗棕壤由120.9 g/kg下降到63.83 g/kg，减幅达47.20%；棕色针叶林土由149.2 g/kg下降到103.79 g/kg，减幅为30.44%；草甸土由111.5 g/kg下降到66.61 g/kg，减幅为40.26%；黑土有机质含量由88.7 g/kg下降到65.63 g/kg，减幅为26.01%。可见，沼泽土有机质含量降幅最大，暗棕壤其次，黑土最小（图1）。

2.3土壤有机质与全氮相关性分析

对鄂伦春旗7722个土壤样品有机质与全氮含量进行的相关和回归分析表明，两者呈极显著正相关（图2），回归方程为Y=0.0452X + 0.1197（R2=0.7473，n= 7722），即土壤有机质含量每增加1 g/kg，其全氮含量增加0.0452 g/kg。

2.4土壤有機质含量对大豆生长发育及产量性状的影响

由图3得出，随土壤有机质含量的增加，大豆株高呈升高趋势，与土壤有机质含量23.24 g/kg相比，当土壤有机质含量上升到98.71 g/kg时，大豆株高平均增高3.4%。施肥可显著提高大豆株高，本研究中，施肥后大豆株高平均增高3.1%。不同土壤有机质含量条件下，施肥与否对大豆株高影响不同，不施肥条件下，大豆株高随土壤有机质含量的增加而升高，但施肥后不同土壤有机质含量下大豆株高无显著差异。

由图4得出，随土壤有机质含量的增加，大豆单株茎秆干重呈增高趋势，与土壤有机质含量23.24 g/kg相比，当土壤有机质含量上升到98.71 g/kg时，大豆单株茎秆干重平均增高36.4%。不同土壤有机质含量条件下施肥均可显著提高大豆茎秆干重，本研究中，施肥后大豆单茎干重平均增高9.9%，但随土壤有机质含量提高，施肥处理与不施肥处理的差距逐步缩小。

由图5得出，随土壤有机质含量的增加，大豆单株产量呈增高趋势，且前期增长较快，当有机质含量高于81.37 g/kg时，大豆产量趋于平稳；与土壤有机质含量23.24 g/kg相比，当土壤有机质含量上升到81.37 g/kg时，大豆单株产量平均增高20.2%。不同土壤有机质含量条件下施肥均可显著提高大豆单株产量，本研究中，施肥后大豆产量平均增高7.8%。与单茎干重表现一致，随土壤有机质含量提高，施肥处理与不施肥处理间单株产量的差距逐步缩小。

3结论

对鄂伦春旗不同时空尺度内土壤耕层有机质含量演变趋势的研究表明，鄂伦春旗耕层土壤有机质平均含量由1986年第二次土壤普查时的127.24 g/kg下降到2008—2014年时段的64.82 g/kg，降幅高达49.06%，表明传统方式下的农业耕种对土壤有机质消耗极大。

通过对不同土壤有机质含量条件下大豆籽粒产量的分析发现，随土壤有机质含量的提高，大豆单株生产能力显著增加，当有机质含量到达81.37 g/kg以上时，大豆干物质积累和籽粒产量趋于平稳，说明随着土壤有机质含量的增加，大豆产量潜力逐步得到挖掘。

在中、低有机质含量土壤，施用适量化肥可提高作物产量，但当土壤土壤有机质含量高于81.37 g/kg时，施用化肥的增产效果不明显。

建立合理的轮作制度、全面推行秸秆还田配以合理的化肥用量，是提高土壤肥力、保证东北黑土区农业可持续发展的根本性措施。

4讨论

4.1鄂伦春旗土壤有机质含量现状与变化原因

本研究得出，与1986年全国第二次土壤普查时相同点位土壤有机质含量相比，发现30年来鄂伦春旗耕层土壤有机质含量平均由127.24g/kg下降到64.82g/kg，降幅达到49.06%。前人亦对黑龙江地区多个黑土区土壤进行了采样和分析，研究得出土壤肥力综合指数已由20世纪80年代的一、二级为主变为二、三级为主。本研究结果与前人结果基本一致。土壤有机质含量变化受多种因素影响，其中土壤侵蚀和土地利用方式改变（由自然土壤开垦为耕作土壤）是土壤有机质含量下降的主要因素[25-27]。因此，该区土壤肥力的明显下降与长期以来“重种轻养”有关[28]。同时，通过对比鄂伦春旗10个乡镇耕层土壤有机质含量发现，垦殖时间较长的南部乡镇土壤有机质含量要普遍低于北部新垦乡镇。有机质含量大幅度下降可能与农业生产中不重视有机肥的施用和作物秸秆还田，进而导致有机质总量入不敷出有关[4]。

4.2土壤有机质含量与作物产量的关系

土壤是发展农业生产和保障粮食安全的基础条件，而作为土壤肥力核心要素的有机质含量直接影响农田生产力水平，是衡量土壤肥力的最重要指标[29]。前人通过分析小麦、大豆和玉米产量与土壤有机质含量的关系得出，作物产量与土壤有机质含量存在显著相关关系（r=0.243，n=169，P<0.05）[30]。本研究中，伴随土壤有机质含量的提高，大豆株高、单株干物质积累和籽粒产量显著增加，当有机质含量到达81.37 g/kg以上时，大豆株高、单株干物质积累和籽粒产量趋于平稳，本结果与前人结果基本一致，说明随着土壤有机质含量的增加，作物的产量潜力可逐步得到挖掘，并进入稳产阶段[30-33]。作物产量尽管在很大程度上受田间管理、耕作措施、气候条件等因素的影响，但仍与农田生态系统的养分供应能力及土壤肥力密切相关[34-35]。本研究中，与不施肥处理相比，施肥显著提高大豆植株株高、单株干物质重和籽粒产量，同时，土壤有机质含量越低，施肥效果越显著，当前试验条件下，土壤有机质含量达到81.37 g/kg，施肥作用不显著。研究表明，秸秆还田可将产自农田的有机物质归还土壤，既减少了不必要的资源浪费，又避免了因秸秆焚烧而造成的环境污染，同时秸秆还田可改善土壤物理结构，使土壤的水、肥、气、热状况向良性方向转化，土壤有机质和速效养分含量增加，起到培肥地力的作用[36]。因此，生产中可采用秸秆还田手段稳定和促进土壤有机质含量增加，从而减少生产中肥料的投入，促进农业生产绿色可持续发展。

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