绥化市典型农田黑土有机碳变化特征

刘婉玲，王俊杰，林梓君，曾 婷，陈一民，隋跃宇，焦晓光

（1黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080；2中国科学院东北地理与农业生态研究所，哈尔滨 150081）

0 引言

东北黑土区是中国重要的商品粮生产基地，耕地面积3.6×107hm2[1]，全国粮食总产量的1/4和商品粮的1/3来源于此[2]。黑龙江省黑土面积483万hm2，占全省耕地面积的1/3[3]。黑土有机质含量丰富，有机碳作为有机质的重要组成部分，故土壤有机碳也是衡量土壤肥力的指标之一[4]，同时碳也是植物生长所必需的营养元素，因此研究土壤有机碳的空间变异性可以为精准农业发展、作物稳产高产优质绿色提供重要理论依据[5]。根据第二次土壤普查数据可知东北地区的黑土土壤有机碳含量高达到20.75 g/kg，黑龙江省土壤有机碳含量平均值高达27.43 g/kg[6]。由于近年来土地过度开发、不合理利用、化肥农药的过量施用等原因，黑土面临着有机质减少、厚层黑土数量在下降、土壤结构被破坏、犁底层增厚、土壤通透性变差和水土流失等问题[7-9]。韩秉进等[10]研究指出1979—2002年黑龙江省和吉林省黑土土壤有机质的含量下降；陆访仪等[11]指出1981—2008年海伦市土壤有机碳含量明显下降；尤孟阳等[12]指出1981—2011年黑土农田表层土壤有机碳含量有明显的下降趋势，且不同厚度的黑土层中有机碳含量下降速度不同；郑琳[13]研究表明海伦市农田土壤整体呈现有机碳含量下降且空间差异较大；宋丹[14]基于168个样点得出东北区有机碳含量呈现由南向北逐渐升高的变化趋势；谭琴等[15]研究发现海伦市土壤有机碳含量呈现由东北向西南递减趋势。

在不同时间尺度内研究土壤有机碳的变化，是土壤养分科学管理和施肥合理调控的基础[16-17]。黑龙江省绥化市典型黑土耕地面积173万hm2，约占东北黑土区的1/10[18]，其商品粮产量约占黑龙江省的1/4[19]，因此绥化市的耕地黑土保护对中国粮食安全至关重要。本研究以黑龙江省绥化市的典型农田黑土为研究对象，在时间和空间尺度上揭示绥化市典型农田黑土有机碳演变特征，以期为提高粮食产量、保障粮食安全，农业的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

绥化市地处黑龙江省中南部(45°10′—48°05′N，124°53′—128°35′E)，松嫩平原北部，位于东北黑土带。地势复杂多样，地势东北高，西南低，由低丘陵、高平原和河谷平原组成，海拔高度135～247 m[20]。绥化市总面积34000 km2，耕地面积193万hm2，约占全省耕地总面积的1/7[21]。绥化市位于北半球中温带，属于大陆性季风气候，四季明显[22]，绥化市平均气温在四度以下，积温2500℃左右[23]，无霜期为143天。

1.2 土壤样品采集

依据绥化市行政区域图与绥化市黑土分布图在ArcGIS中绘制出采样点分布图如图1所示。样品的采集分别于2002年和2019年完成，对研究区域每间隔5 km随机采样，选取典型代表性地块，每块地按“W”型采样和4分法收集，共采集表层0～20 cm土样129个。

图1 绥化市采样样点分布图

1.3 土壤样品分析方法

将采集的土样在室内进行风干，取20 g左右土样进行研磨，研磨过程中去除根系，过0.25 mm筛，采用德国产Vario ELⅢ型元素分析仪测定土壤有机碳的含量。

1.4 数据的处理

将所测量的数据进行整理，用Excel 2016和SPSS 20.0软件对数据进行分析，主要是特征值（平均值、中值、极大值、极小值、标准差）和变异系数以及相关性分析。其中变异系数采用Nielsen(1985)划分的标准，即小于10%时为弱变异性，介于10%～100%间为中等变异性，大于100%为强变异性；通过峰度、偏度及K-S检验(P＞0.05)对两期数据进行正态性检验，峰度、偏度小于1且K-S显著性大于0.05时，数据符合正态分布[24-29]。用ArcGIS10.2软件绘制土壤有机碳含量分布图，并使用Rstudio软件绘制箱线图。

2 结果与分析

2.1 绥化市典型农田黑土有机碳描述性统计特征

2.1.1 2002年绥化市典型农田黑土有机碳描述性特征从表1中可以看出，绥化市整体的129个采样点的土壤有机碳含量范围是10.66～35.85 g/kg，均值为22.02 g/kg，标准差为4.97，变异系数为22.57%，2002年的采样区域内的土壤有机碳含量最低值为10.66 g/kg，最大值是35.85 g/kg，最大值和最小值相差较大，说明绥化市整体的土壤有机碳分布较为分散，不同地区的分布情况差异较大，根据养分分级标准，绥化市整体处于三级水平，部分地区的有机碳含量能达到二级水平，绥化市整体的变异系数在10%～100%之间，属于中等变异。在采样的8个市县里，海伦市的有机碳含量平均值是最大的，北林区的有机碳含量的均值是最小的，其余市县的平均值大小是绥棱县＞庆安县＞明水县＞青冈县＞望奎县＞兰西县。采样区域内有机碳含量的最大值是海伦市是35.85 g/kg，最小值是绥棱县是10.66 g/kg，但是从表1中可以看出，绥棱县的最大值可以排到第二位，最小值是所有市县中最小的，平均值却可以排到第二位，而且绥棱县的变异系数也是最大的，所以说绥棱县的有机碳含量离散程度大，差异明显。

从表1中可以看出，2002年望奎县的变异系数是最小的，变异系数是7.72%小于10%，属于弱变异性，绥棱县的变异系数是33.42%，变异性在采样区域内是最大的，但仍在10%～100%之间，属于中等变异。根据养分分级标准，望奎县、北林区和兰西县的土壤有机碳含量均值在10～20 g/kg之间，处于四级即中等水平，其他市县土壤有机碳含量平均值都在20～30 g/kg之间，处于三级水平即中等水平，所以说绥化市整体的有机碳含量处于三、四级水平，有机碳含量较为丰富。

2.1.2 2019年绥化市典型农田黑土有机碳描述性特征从表1中可以看出，2019年绥化市的129个采样点的有机碳含量范围在11.48～36.39 g/kg之间，均值为21.67 g/kg，根据养分分级标准，绥化市整体处于三级水平，标准差为4.87，变异系数为22.47%，处于10%～100%之间，属于中等变异。2019年的采样区域内的土壤有机碳含量最小值为11.48 g/kg，最大值是36.39 g/kg，最大值和最小值相差较大，说明绥化市整体的土壤有机碳分布较为分散，不同地区的分布情况差异较大。

表1 2002年和2019年绥化市土壤有机碳含量

虽然2019年绥化市整体的有机碳含量平均值比2002年有机碳含量均值有所下降，但是均值最大的地区还是海伦市，均值为25.75 g/kg，均值的最小值不再是北林区而是兰西县，均值最小值为17.42 g/kg；绥化市有机碳含量最大值依旧是海伦市的36.39 g/kg，最小值最小的地区是庆安县，不再是绥棱县，2002年庆安县的最小值是排在第一位的，2019年却下降到了最后一位，而且2019年庆安县的有机碳含量变异系数30.46%，相对于2002年的15.37%上升很多，足以看出17年来庆安县的有机碳含量变化很大，2019年的有机碳含量离散程度更大；望奎县的有机碳含量平均值从2002年的19.77 g/kg到2019年22.73 g/kg，增加了2.96 g/kg，而且最大值和最小值都在增加，变异系数也从原来的7.72%，增加到18.42%，说明2019年有机碳含量离散程度更大；北林区的有机碳含量平均值虽然也有增加，但是变异系数下降了。

从表1中可以看出2019年青冈县的变异系数为9.91%，兰西县的变异系数为7.93%，都小于10%属于弱变异性，而2002年青冈县和兰西县变异系数分别为11.04%和11.4%，都在10%～100%之间属于中等变异，变异系数下降了，说明2019年青冈县和兰西县的有机碳含量离散程度更小。2019年北林区和兰西县依旧处于四级水平，而其他市县依旧处于三级水平，只有望奎县从2002年的四级水平变为三级水平，但绥化市整体依然处于第三、四级水平。

2.2 绥化市典型农田黑土有机碳空间分布特征

2002年绥化市土壤有机碳含量空间分布如图2（左）所示，从图中我们可以看出，绥化市有机碳含量分布是东南部地区的土壤有机碳含量较低，土壤有机碳含量分布呈现东西部地区的含量比中部地区高，整体来看，绥化市有机碳含量呈现着从南到北逐渐升高的趋势，从两边向中间先降低在升高的趋势。海伦市的土壤有机碳含量整体分布较高，部分地区处于二级水平即丰富水平，而北林区和兰西县的整体土壤有机碳含量分布较低，其他市县的土壤有机碳含量分布较为均匀。明水县、青冈县和兰西县有机碳含量在空间上的分布都是从西向东逐渐减少，海伦市和绥棱县有机碳含量分布是从东北向西南方向先降低在升高最后在降低，庆安县、望奎县和北林区有机碳含量分布是从北向南逐渐减少的。

2019年绥化市土壤有机碳含量空间分布如图2（右）所示，从图中可以看出，绥化市有机碳含量分布依旧是东南部地区的土壤有机碳含量较低，绥化市有机碳含量呈现着从南到北逐渐升高的趋势，从两边向中间先降低在升高的趋势，和2002年比整体分布趋势没有太大变化。结合各市县的有机碳含量分布，可以看出海伦市的土壤有机碳含量较其他市县的有机碳含量多，北林区和兰西县整体的土壤有机碳含量相对较少，其他市县的土壤有机碳含量分布较为均匀。明水县的有机碳含量是从西向东先减少在增加的分布，海伦市的有机碳含量分布是从东北向西南先升高再降低，绥棱县有机碳含量是从西南向东北呈现降低趋势，青冈县有机碳含量分布是从西向东逐渐增加，庆安县、望奎县、北林区和兰西县的有机碳含量分布是从北向南逐渐减少。

图2可以看出，绥化市整体的有机碳含量分布是在减少的，但是整体的有机碳含量分布依旧是从北向南逐渐降低，从两边向中间先减少再升高的趋势。从整体来看海伦市、绥棱县和庆安县的部分地区有机碳含量下降非常明显，望奎县北部的有机碳含量上升明显。

2.3 2002—2019年绥化市典型农田黑土有机碳含量变化

结合表1、表2和图2可以看出，2002—2019年绥化市整体的土壤有机碳含量从10.66～35.85 g/kg变化到11.48～36.39 g/kg，虽然最大值和最小值都有增加，但是平均值下降了1.6%，变异系数下降了0.1%，整体来说绥化市的土壤有机碳含量呈现下降趋势。望奎县和北林区的土壤有机碳含量均值是上升的，其中望奎县的平均值上升了14.97%，其他市县的有机碳含量都是下降的，其中以兰西县下降的最多，下降了9.88%；只有明水县、庆安县和望奎县的变异系数是上升的，以庆安县的变异系数变化最大，提高了15.09%，其余市县的变异系数都是下降，兰西县下降了3.47%。

结合表1和图3中可以看出2019年绥化市整体土壤有机碳含量的中值和2002年土壤有机碳含量的中值相比是下降的，从图3中也可以看出2002年和2019年的各个采样点的数据分布情况，两个时期的有机碳含量分布比较相似，低于中值的数据分布较为集中，总体来看绥化市的土壤有机碳含量范围变大。2002年有机碳含量范围最大的是绥棱县，最大值和最小值相差21.11 g/kg，含量范围最小的是兰西县，最大值和最小值相差6.48 g/kg，2019年有机碳含量范围最大是海伦市，最大值和最小值相差18.77 g/kg，含量范围最小的依旧是兰西县，最大值和最小值相差5.39g/kg，海伦市、绥棱县、青冈县和兰西县的含量范围虽然有所缩小，但是青冈县的变化最大，明水县、庆安县、望奎县和北林区的有机碳含量范围增大，其中绥棱县变化最大。

图3 绥化市的土壤有机碳含量

3 结论

2002—2019年，绥化市整体的土壤有机碳含量平均值下降了0.35 g/kg，整体变异系数下降了0.1%。望奎县和北林区的土壤有机碳含量平均值有所上升，其余市县的有机碳含量都是下降的，下降程度顺序是兰西县＞绥棱县＞庆安县＞青冈县＞海伦市＞明水县。2002年和2019年绥化市整体的土壤有机碳含量在空间上的分布都是从两边向中间先降低再升高的情况，从南向北有机碳含量逐渐升高，依旧是东北部分的有机碳含量比西南地区要高。这17年来绥化市的土壤有机碳含量在下降，但是整体的养分分级都是处于第三、四级水平，没有太大的变化。