近40 年陕西省农田土壤有机质时空变化及其影响因素

2022-07-14陈怡平毋俊华

地球环境学报 2022年3期

曹婧，陈怡平，毋俊华，王洪，江瑶

1. 中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061

2. 中国科学院大学，北京 100049

3. 西安地球环境创新研究院，西安 710061

土壤有机质（soil organic matter，SOM）是表征农田土壤肥力的重要指标之一，同时也是土壤微生物活动的底物和植物生长的养分源（Fernández et al，2015）。土壤有机质含量不仅与土壤微生物、凋落物等生物因素有关，还与气候因素、施肥措施等非生物因素有着密切关系（Liu et al，2013）。作为土壤健康和生态系统功能的关键属性，土壤有机质在维持全球碳循环和土壤保肥保水方面都起到了至关重要的作用（Chang et al，2020；Kopecký et al，2021；Xiong et al，2021）。土壤碳库在陆地生态系统碳库中占比达到90%以上，是植被碳库的3 — 4 倍、大气碳库的2 — 3 倍（周璞等，2021）。《气候变化绿皮书：应对气候变化报告（2021）》（谢伏瞻和庄国泰，2021）指出：至少到21 世纪中期，气候变暖仍将持续，极端事件将继续增加，2020 年全球大气中温室气体平均浓度再创新高。在面临生态安全和气候变化双重挑战的背景下，充分发掘农田土壤碳库的减排增汇效应，对于中国实现“双碳”目标具有重要意义。

土壤的形成过程较为复杂，受到母质、植被、气候、地形地貌、人为因素等众多因素的共同作用，所以土壤是一个具有高度空间异质性的时空连续体（赵明松等，2013；于洋，2016）。近年来，为了寻求气候变化缓解、粮食安全和生态安全三者的平衡点，土壤有机质的时空变化逐渐成为全球关注的焦点。时间尺度上，Ladha et al（2011）指出在全球范围内土壤有机质总体呈下降趋势。黄耀和孙文娟（2006）提出：1980 — 2000 年，中国近一半农田土壤有机质呈明显增加趋势，华东和华北地区涨幅最大，而东北地区呈总体下降趋势。杨帆等（2017）指出近30 a 以来中国农田耕层土壤有机质含量呈整体上升趋势。空间尺度上，随着“3S”技术的发展，多种地统计学和地理信息系统技术和模型常用于探究农田土壤有机质的空间分布特征，杨顺华等（2015）和尉芳等（2022）对比分析了普通克里金、地理加权回归模型、偏最小二乘回归模型、地理加权回归扩展模型和随机森林模型等方法对土壤有机质的插值预测精度，其中普通克里金由于其操作简单得到了广泛应用（李龙等2015；严玉梅等，2019）。

陕西省作为中国西北的农业大省，全省粮食作物产量整体保持上升趋势，2020 年陕西省粮食总产量达1274.83 万t（陕西省统计局和国家统计局陕西调查总队，2021），创1998 年以来新高，但在全国粮食产量排行榜中地位依然有待提升，且近年来陕西省耕地资源呈下降趋势。陕西省以往关于土壤养分空间变异特征的研究多集中于实验田、小流域、县域等中小尺度，如濮阳雪华等（2019）研究发现陕北黄土区不同微地形土壤肥力呈现出明显的表聚效应，其中有机质、碱解氮、全氮是土壤肥力较低的主要限制因子；赵业婷（2015）发现关中地区耕地土壤有机质多集中在10 — 20 g · kg-1，平均含量为14.91 g · kg-1，处于陕西省土壤养分分级标准的第5 级，对于大尺度范围如省域尺度的研究仍有待加强。近年来不少关于尺度效应的研究表明不同尺度的数据在反映相同的地物和现象时存在差异性（霍霄妮等，2009），所以探究省域尺度下土壤有机质含量时空变化特征及其影响因素，能够为陕西省土地保育及耕地的持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

陕西省位于中国内陆腹地（东经105°29′ —111°15′，北纬31°42′ — 39°35′），地跨黄河、长江两大水系，总面积为20.56×104km2，由高原、山地、平原和盆地等多种地貌构成，其中黄土高原、丘陵约占陕西省总土地面积的45%，山地约占36%，平原约占19%（陕西省土壤普查办公室，1992）。地势呈南北高、中间低，从北向南依次是风沙滩地区、黄土高原丘陵沟壑区、关中盆地区、秦岭山地、汉江盆地和大巴山区。陕北北部长城沿线属中温带季风气候，关中及陕北大部属暖温带季风气候，陕南属北亚热带季风气候。陕西省土壤类型以黄绵土、黄棕壤、黄褐土、暗棕壤、新积土、风沙土、潮土、粗骨土和黑垆土等为主。玉米、高粱、苹果、杂粮作物是陕北高原常种作物，小麦、玉米是关中地区的主要种植作物，水稻、油菜是陕南地区的主要种植作物。

1.2 样品采集与分析

根据《NT/ T 1634 — 2008，耕地地力调查与质量评价技术规程》（中华人民共和国农业部，2008）要求，结合陕西省实际，于2017 年9 月作物收获后完成采样，按照全面性、均衡性、客观性的原则采集陕西全省耕地土壤样品共705 份，其中陕北高原样品258 份，关中平原样品210 份，陕南山区样品237 份。利用GPS 定位每隔10 km设置1 个10 m×10 m 的采样单元，采用五点布局法采样，采集0 — 20 cm 表层土，采样点分布如图1 所示。样品带回实验室，经风干、去杂、研磨、过筛后用于后续分析，采用重铬酸钾氧化 — 外加热法测定有机质（刘光菘，1996）。

图 1 采样点地理位置Fig. 1 Location of sampling points

1.3 数据来源与处理

单因素方差分析、相关性分析和回归分析均在SPSS 20.0 中完成，运用GS+9.0 软件建立最优半变异函数拟合模型，采用ArcGIS 10.5 软件的空间分析方法莫兰指数法确定空间自相关性，克里金空间插值模块绘制陕西省土壤有机质空间分布图，采用Origin 9.1 和Excel 绘制柱状图。陕西省第二次土壤普查各市及各类型土壤有机质均值及分级占比数据出自《陕西土壤》（陕西省土壤普查办公室，1992），土壤有机质分级标准源自全国第二次土壤普查养分分级标准。

2 结果与分析

2.1 陕西省农田土壤有机质含量时间变化特征

2017 年陕西省农田土壤有机质含量范围为2.54 — 44.90 g · kg-1，均值为15.90 g · kg-1，其中，榆林、延安、铜川农田土壤有机质含量都未达到全省平均水平。陕西省各市土壤有机质含量变异系数在10% — 100%，属于中等程度变异，汉中市土壤有机质含量变异最大，达59%，商洛市土壤有机质含量变异最小，仅12%。方差分析结果表明：汉中市土壤有机质含量显著高于其余各市，榆林、延安及铜川土壤有机质含量显著低于其余各市，安康、宝鸡及咸阳土壤有机质含量差异不显著（P＜0.05）（表1）。

20 世纪80 年代第二次土壤普查时期和2017年陕西省耕地土壤有机质含量处于分级占比最大的均为4 级水平（表2）。同时，随着时间的推移，陕西省有机质含量处于5、6 级水平的占比逐渐下降，2、3、4 级水平的占比逐渐上升。2017年陕西省各行政区市中，汉中有机质含量最高，平均为24.62 g · kg-1，榆林有机质含量最低，平均为8.83 g · kg-1，有机质含量顺序为：汉中＞西安＞安康＞咸阳＞宝鸡＞商洛＞渭南＞铜川＞延安＞榆林（表1）。与20 世纪80 年代相比，各市有机质含量均存在不同程度的提升，汉中提升幅度最大，高达143%，其次为咸阳、西安，涨幅达80%以上，铜川、商洛和安康涨幅最小，分别为16%、14%和16%。三大自然区中，2017 年与20世纪80 年代两个时期的有机质含量排序一致，均为：陕南山区＞关中平原＞陕北高原。20 世纪80 年代与2017 年两个时期延安和榆林土壤有机质含量均未达到全省平均水平，2017 年陕西省农田土壤有机质含量是20 世纪80 年代的1.48 倍（图2）。

表2 陕西省第二次土壤普查及2017 年土壤有机质分级情况Tab. 2 Soil organic matter classification in Shaanxi Province during the second soil census and in 2017

2.2 陕西省农田土壤有机质含量空间变化特征

2.2.1 土壤有机质含量空间变异结构特征分析

空间自相关是克里金插值的基础，而莫兰指数是空间自相关系数的一种，其值分布在-1 — 1，用于判别空间是否存在自相关。Moran’s I ＞0 表示空间正相关性，其值越大，空间相关性越明显。Moran’s I＜0 表示空间负相关性，其值越小，空间差异越大。Moran’s I = 0，空间呈随机性。检验结果（表3）表明：其Moran’s I 指数为0.705，说明陕西省土壤有机质具有强烈的空间正相关性、聚集性，即陕西省的土壤有机质含量与该地区的位置有关。Z 得分约为68.021，大于1.96（P＜0.05），认为具有空间自相关性，结果分布在正态分布的两端。结合Moran’s I 值为正，可以得出结果分布在正态分布的右端，为聚集型。P 值为0，表明该结果百分百不为随机数据生成，结果具有可信度。

图2 陕西省农田土壤有机质含量时间变化Fig. 2 Temporal variation of farmland soil organic matter in Shaanxi Province

表3 土壤有机质空间自相关检验Tab. 3 Test of SOM autocorrelation

半方差函数理论模型的建立是克里金插值法的核心。通过计算变差函数，克里金更易实现局部加权插值，克服了一般反距离加权插值结果的不稳定性。运用 GS+9.0 软件对研究区土壤有机质含量进行变异函数拟合（表4，图3），结果表明：陕西省耕地土壤有机质的最佳拟合模型为高斯模型，R2接近1，残差接近于0，说明该模型拟合效果很好，块金系数为72%，介于25% — 75%，表现为中等强度的空间相关性，说明陕西省耕层土壤有机质空间分布受随机性因素和结构性因素的共同作用。

为了更加深入了解研究区内土壤有机质的空间变异特征，用 GS+9.0 软件绘出了 0°、45°、90°、135°方向上的半方差函数图（图4），进一步分析空间变异的各向异性。结果表明：有机质在东西0°方向和南北 90°方向上的变异程度明显高于东北 — 西南45°方向和东南 — 西北 135°方向上的变异程度，说明 0°、90°方向的变异较45°、135°方向复杂，主要是由于陕西省南北地形地貌差异大，成土母质复杂。

表4 土壤有机质含量的半方差函数理论模型和参数Tab. 4 Semivariance model and its parameters for soil organic matter content

图3 土壤有机质各向同性半方差函数图Fig. 3 Isotropic semivariogram of soil organic matter

2.2.2 土壤有机质含量克里金插值制图及分析

克里金插值结果表明：2017 年陕西省耕地土壤有机质整体上呈南高北低的空间分布格局，榆林市土壤有机质含量多低于10 g · kg-1，其中神木市、横山县、定边县局部区域有机质含量略高，延安市南部耕地土壤有机质含量明显高于北部。关中平原土壤有机质含量空间异质性较大，其中宝鸡、西安及咸阳耕地土壤有机质较为丰富，多处于20 — 25 g · kg-1。陕南山区西部耕地土壤有机质明显高于东部，其中留坝县、汉台区、城固县、南郑区和西乡县有机质极其丰富，多高于25 g · kg-1（图5）。

图4 土壤有机质各向同性半方差函数图Fig. 4 Isotropic semivariogram of soil organic matter

2.2.3 土壤有机质含量分级特征

陕西省三大自然区耕地土壤有机质含量分级占比明显不同，陕北、关中、陕南耕地土壤有机质最大占比分别处于5 级（6 — 10 g · kg-1）、4 级（10 — 20 g · kg-1）、4 级水平，所占比例对应为43%、68%和42%。陕北耕地土壤有机质多处于5级、4 级水平，关中耕地土壤有机质含量多处于4级水平，陕南地区有机质含量多处于3 级（20 — 30 g · kg-1）、4 级水平（图6a）。榆林耕地土壤有机质5 级水平占比最大，为48%，延安、铜川、渭南、宝鸡、咸阳和商洛土壤有机质4 级水平比例最大，分别为48%、100%、73%、65%、65%和63%，西安、汉中和安康有机质3 级水平比例最大，分别为59%、41%和49%（图6b）。

图5 陕西省农田土壤有机质空间分布图Fig. 5 Spatial distribution of farmland soil organic matter in Shaanxi Province

图6 陕西省各自然区（a）和行政区（b）农田土壤有机质含量分级情况Fig. 6 Classification of soil organic matter in natural areas (a) and administrative areas (b) of Shaanxi Province

2.3 陕西省农田土壤有机质空间变异影响因素

方差分析结果表明：不同坡度等级下陕西省耕地土壤有机质含量存在差异，[10°, 15°)、[15°, 20°)和[20°, 30°]土壤有机质含量差异不显著，但都显著低于＜5°和＞30°耕地土壤有机质含量（P＜0.05）（图7a）。不同海拔梯度下陕西省耕地土壤有机质含量存在明显差异，除[1200, 1600] m和＞1600 m 梯度之间差异不显著，其余各梯度有机质含量都存在显著差异（P＜0.05）（图7b）。此外，随着坡度梯度的增大，有机质含量呈下降趋势，这可能与黄土高原水土流失导致的养分流失有关，而当坡度大于30°时，有机质含量达到最大，主要是由于这些陡坡主要分布在陕南山区山脚，土壤有机质含量高。土壤有机质含量与地形因子的相关分析结果表明：陕西省农田土壤有机质含量与坡度、海拔、经度和纬度显著相关，和坡向相关性不显著（P＜0.01）（表5）。随着海拔的升高，有机质含量呈下降趋势，主要原因可能是高海拔的陕北高原水土流失严重，地力贫瘠，而低海拔区域关中平原地力肥沃，有机质含量丰富，所以呈现出有机质含量随海拔升高而下降的趋势。逐步回归分析结果显示R2= 0.53，表示坡度、海拔、经度和纬度共同解释陕西省农田土壤有机质含量53%的变异量，回归模型的拟合优度较好，同时ANOVA 检验显著性小于0.001，说明该模型具有显著性。

图7 陕西省不同坡度等级（a）和海拔梯度（b）的土壤有机质含量的差异统计Fig. 7 Statistics of soil organic matter contents under different slope grades (a) and elevation gradients (b) in Shaanxi Province

表5 有机质与地形因子的相关分析与回归分析Tab. 5 Correlation analysis of organic matter and topographic factors

式中：x1、x2、x3、x4分别代表坡度、海拔、纬度、经度。

陕西省土壤类型多种多样，全省共有21 个土类，研究选取样本量较大的8 种土壤类型，对其进行方差分析（图8），结果表明：陕西省耕地不同类型土壤有机质含量差异明显。风沙土和黄绵土有机质含量显著低于其余土壤类型（P＜0.05），黄棕壤有机质含量最高，达22.87 g · kg-1，风沙土有机质含量均值最低，仅9.18 g · kg-1，其中有机质含量较低的风沙土和黄绵土主要分布在陕北地区，有机质含量较高的黄褐土和黄棕壤主要分布在陕南地区，由此可推测，陕西省耕地有机质含量空间差异性与土壤类型密切相关。因为粗骨土多分布在凋落物积累较多的区域，土壤持水量较大，有明显的生物积累特征，同样黄棕壤生物循环强烈，腐殖质含量丰富。而风沙土主要分布在干旱半干旱地区，经常受到风蚀，有机质含量低，通常在1 — 6 g · kg-1，黄绵土成土速度远远落后于侵蚀速度，熟土层无法保存，通过耕作又逐年从母质中补充生土，因而土壤有机质含量低。此外，20 世纪80 年代和2017 年不同土壤类型有机质含量高低排序基本一致，均表现为黄棕壤＞黄褐土＞褐土＞黑垆土＞黄绵土＞风沙土（图8）。与20 世纪80 年代相比，各类型土壤有机质含量均存在不同程度的提升，这与各市土壤有机质含量大幅提升的规律一致。

图8 陕西省不同类型土壤有机质含量在20 世纪80 年代 — 2017 年的变化Fig. 8 Temporal variation of different types of soil organic matter content in Shaanxi Province from 1980s to 2017

3 讨论

3.1 长期耕种下陕西省耕地土壤有机质时间变化

近40 a 以来，陕西省农田耕层土壤有机质含量呈整体上升趋势，2017 年陕西省农田土壤有机质平均含量是20 世纪80 年代全国第二次土壤普查时期的1.48 倍，这与于洋（2016）和严玉梅等（2019）的观点一致。与第二次土壤普查相比，陕西省各个行政区有机质含量都存在不同程度的提升。耕地土壤有机质含量的动态变化主要取决于土壤中有机物（作物残茬）输入与降解之间的平衡（杨景成等，2003），中国目前50%的粮食产量依赖化学肥料，多年来大量化学肥料的投入，粮食产量大幅提高，输入土壤的作物残茬和根系数量增多，因此有机质含量得以提升。此外，也有研究表明过量施氮引起的土壤酸化可以通过降低微生物活性和增加保护有机质的矿物量来抑制有机质的分解，进而促进土壤有机质的累积（Zhang et al，2020）。合理的有机肥和化肥配比是提高土壤有机质含量和实现土壤生产功能的关键，在土壤肥力水平较低的情况下，施用化肥能够有效提高土壤的有机质含量（宋永林等，2002）。据统计，2017 年陕西省化肥施用量约为1980 年的8 倍，肥料结构也发生了改变，钾肥和复合肥比例大幅提升（王建兴等，2018），所以，长期施肥是导致陕西省耕地土壤有机质含量近40 a 以来有所提升的间接原因。此外，近年来大力推广的秸秆还田、绿肥种植等保护性耕作措施通过直接增加外源有机物质是陕西省农田土壤有机质含量增加的重要原因之一。2008 年陕西省发布了关于加快推进农作物秸秆综合利用的实施意见，陕西省秸秆大力还田，同时全省各地绿肥产业发展逐渐成熟。研究表明：秸秆还田主要通过影响腐殖质含量来调节土壤有机质，丰富的微生物活动使得秸秆中有机态养分加速分解释放，可使土壤中的有机质上升达30%（孟莹等，2012），此外，绿肥是农田中重要的有机肥源，压入绿肥500 kg · hm-2，平均相当于向土壤中加入有机物质1000 kg、磷素1 kg、氮素2.5 kg、钾素2 kg（潘剑玲等，2013）。虽然陕西省耕地土壤有机质含量整体有所提升，但由于各地施肥、耕作方式、作物种类等都存在差异，如陕北地区实施水土保持措施和撂荒制的耕作方式，陕南地区的旱地改水田土地利用方式的改变，关中地区城镇周边蔬菜地规模扩大的作物类型改变，在这些因素的共同作用下，陕西省各市耕地有机质提升幅度存在差异。

3.2 长期耕种下陕西省耕地土壤有机质空间变化

陕西省农田耕层土壤有机质含量范围在2.54 — 44.90 g · kg-1，均在50 g · kg-1以下，与黄昌勇（2000）的观点一致。土壤具有高度空间异质性的特征是土壤养分存在空间变异的重要原因。陕西省农田土壤有机质呈现南高北低的空间分布特征，存在明显的空间异质性，这与陕西省地形地貌、气候条件及成土母质等结构性因素和耕作、施肥等随机因素密切相关。不同类型土壤有机质含量差异很大，低的不足5 g · kg-1，高的在200 g · kg-1以上（黄昌勇，2000）。陕西省北部土壤类型主要是风沙土及黄绵土，保水保肥能力差，相比于塿土为主的关中地区和黄棕壤为主的陕南地区，该区域土壤有机质含量低，一方面主要由于干旱少雨，生物量较低，投入的有机物较少。另一方面，风沙土及黄绵土土壤黏粒含量较低，不容易形成有机无机复合体，黏粒对有机质的保护作用较低，腐殖化系数相对较低。第三，气候会直接影响到植物的生长、土壤中微生物活动以及土壤呼吸速率，进而影响土壤有机质含量；陕西省南北气候差异大，自南向北降水量逐渐减少，气温逐渐升高（表6），这是导致陕西省有机质南高北低的重要原因之一。此外，陕西省地形地貌复杂，地形因子不仅可以通影响土壤养分的迁移和植被类型的空间分布（陕西省土壤普查办公室，1992），还可以通过水土流失和土壤侵蚀作用影响有机质的空间分布，这也是导致陕西省有机质存在明显空间异质性的重要原因。