穆棱河—兴凯湖平原土壤有机碳、全氮的时空变异特征

张一鹤，杨泽，戴慧敏，刘国栋，韩晓萌，李秋燕

(1.中国地质调查局 沈阳地质调查中心，辽宁 沈阳 110034；2.自然资源部 黑土地演化与生态效应重点实验室，辽宁 沈阳 110034；3.辽宁省黑土地演化与生态效应重点实验室，辽宁 沈阳 110034)

0 引言

穆棱河—兴凯湖平原(以下简称穆兴平原)位于我国黑龙江省东南部，黑土层厚，有机质含量高，是中国最大的粮食生产基地，对保障国家粮食安全，发展绿色食品产业有着重要意义[1]。黑土是最肥沃的土壤之一，以有机质含量高、土质肥沃而闻名。黑土位于温带半湿润地区，四季分明，其气候特征为雨热同季。黑土是具有强烈胀缩和扰动特性的黏质土壤，并有季节冻土层。温带季风气候影响下，夏季高温多雨，草甸草本植物生长繁茂，地上和地下都积累了大量的有机物质[2]。土体内盐基遭到淋溶，碳酸盐也移出土体，土壤呈中性至微酸性。季节性上层滞水引起土壤中铁锰还原，并在旱季氧化，形成铁锰结核，特别是亚表层表现更明显。但在漫长而寒冷的冬季(约有120～200 d)，则土壤冻结，微生物活动微弱，因而有机质缓慢分解，并在土壤中积累，逐步形成深厚的有机质层。所以，黑土是由强烈的有机质累积和滞水潴积过程形成的，是一种特殊的草甸化过程。自然状态下，黑土有机质可厚达1 m，养分含量丰富，肥力水平高[3]。

黑土开垦后，有机质含量下降，因母质黏重，土壤侵蚀明显，黑土退化逐渐成为限制东北区域农业发展的重要因素[4]。土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)是陆地土壤碳库和氮库的重要组成部分，是黑土有机质含量重要影响因素之一，对土壤理化性质、生物学特性具有深远的意义，长期以来一直是土壤学相关广大研究学者的研究热点[5-11]。但是在穆兴平原区域尺度上，土壤碳氮关系的时空演变的研究较少。因此，笔者利用第二次土壤普查(1979年)数据和2019年定位采样数据，运用GIS技术和地统计学相结合的方法，对表层土壤SOC和TN的时空变化规律进行研究，探讨穆兴平原表层土壤SOC、TN的时空变异特征，进一步解释土壤SOC、TN变化规律，有助于揭示有机质转化方式和机理，正确评价农田黑土的退化状况和趋势，对制定合理的耕作计划，推进黑土保护战略的实施及黑土资源的可持续发展和利用有重要的理论和实践意义。

1 研究区概况

研究区位于黑龙江省东部偏南，北以完达山为界，南抵兴凯湖之滨，东与俄罗斯接壤，西至张广才岭。行政区隶属虎林市、密山市下辖各县市街道及乡村，均属鸡西市管辖，面积为16 608 km2。穆兴平原属中纬度寒温带湿润、半湿润大陆性季风气候，1月气温最低，月平均气温为-17.9 ℃；7月气温最高，月平均气温为21.5 ℃，年平均气温2.9～3.1 ℃。年平均降水量为526～710 mm，降水多集中在6～9月，占全年降水量的70%。全年日照为2 343.1 d，大于(等于)10 ℃积温(活动积温)为2 654.7 ℃，无霜期为141 d。融雪在2月下旬，结冻期约180 d左右，平均年雷暴日数20 d。研究区主要土地利用为耕地，以水田为主，占工作区总面积的60%；其次为林地和沼泽地，分别占工作区总面积的21%和11%。土壤类型以白浆土为主，其次为暗棕壤、沼泽土及草甸土[1]。

2 样品采集与分析方法

2.1 数据来源

1979年土壤数据来自于第二次全国土壤普查土壤养分元素调查，普查时间为1979～1985年，界定为1979年，本次引用中国科学院南京土壤研究所提供的第二次普查栅格数据。

东北地区1980年、2019年土地利用1∶10万矢量数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所。

2.2 土壤样品的采集

本次土壤样品采集网度为1 km×1 km，基本采样密度为1个点/km2。根据事先设定的坐标进行实地采样，主要采集了农田、林地、园地等位置的土壤，优先选择分布面积最广的农业用地土壤。取样点避开局部低洼地和高岗地，有明显点状污染的地段，有新近搬运的堆积土、垃圾土和水土流失严重的地段以及田埂等处。采样时刮去地表植物凋落物，采集地表至20 cm深处的土柱(采用刻槽方式取样，以保证土样上下的均匀性)，并去除杂草、草根、砾石、砖块、肥料团块等杂物。在农田内，在每处采样点垂直垄沟30 m范围内采集3处土壤样品组合成一件样，若在林地及城市等地域受到限制区域，子坑呈三角形布设。

2.3 测定项目及方法

样品由具有承担多目标地球化学调查样品分析资质的辽宁地研院有限责任公司承担。该研究的分析指标为2项，分析方法和检出限见表1。

表1 土壤中氮和有机质的分析方法及检出限Table 1 Analytical methods and detection limits of nitrogen and organic matter in soil

土壤样品分析质量采用实验室外部质量监控和内部质量监控相结合，以外部质量监控为主。样品分析过程中采用国家一级标准土样监控分析测试的准确度，采用重复样监控分析测试的精密度，一级标准物质的所有分析指标合格率为100%，重复样合格率符合《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014))中的分析质量控制要求，测试指标报出率均达到100%，异常点重复性检验合格率95.8%。

2.4 数据处理

采用域法识别异常值，即按标准方差的倍数来识别异常值，一般异常值定为样品均值加3倍均方差，然后用正常值最大值代替异常值[5]。利用SPSS25.0软件进行统计分析，地统计软件GS+10.0进行半方差函数计算， Office2016绘制相关表格， ArcGIS10.4、CorelDRAW2018绘制相关图件。

3 结果与分析

3.1 土壤SOC、TN、C/N描述性统计特征

统计结果表明(表2)：研究区2019年表层土壤有机碳含量(SOC)、全氮含量(TN)、碳氮比(C/N)分别在3.47×10-3～52.41×10-3、0.22×10-3～4.30×10-3、4.63～23.75，1979年表层土壤SOC含量、TN含量、C/N分别在9.92×10-3～80.05×10-3、1.00×10-3～7.30×10-3、7.65～16.38，各指标值域范围波动较大；2019年SOC、TN、C/N平均值分别为26.47×10-3、2.23×10-3、11.85，1979年平均值分别为35.60×10-3、3.18 ×10-3、11.18，经过40年，SOC含量下降了25.65%、TN含量下降了29.87%、C/N增加了6.00%。本次研究将变异程度分为3种类型：CV<15%为弱变异性，15%≤CV<35%为中等变异性，CV≥35%为强变异性。2019年SOC、TN、C/N变异系数分别为32.24%、30.38%、10.14%，说明SOC含量、TN含量属于中等变异，C/N属于弱变异；1979年SOC、TN、C/N变异系数分别为51.78%、51.48%、11.66%，说明SOC含量、TN含量属于高度变异，C/N属于弱变异。

表2 研究区土壤SOC、TN和C/N统计特征Table 2 Statistical characteristics of soil SOC, TN and C/N in the study area

3.2 土壤SOC、TN、C/N空间变异结构特征分析

本次研究利用GS+软件对符合正态分布的表层土壤SOC、TN含量进行半方差函数模型拟合，表3中的块金值(C0)代表采样或试验误差与小于采样尺度上耕作施肥管理等随机因素引起的不同程度的变异；基台值(C0+C)代表系统内总变异；块金效应[C0/(C0+C)]代表空间异质性程度，该比值越高则说明数据由非结构性因素引起的空间变异程度较大，而由空间自相关部分引起的空间变异程度较小[12]。研究区表层土壤SOC、TC、C/N的块金值分别为32.2%、32.0%、50%，说明C/N受随机因素引起的空间变异和结构性因素双重影响；SOC、TN则与由结构性因素如土壤类型、地形地貌等引起的空间自相关程度较高。

表3 土壤SOC、TN、C/N半方差函数模型参数Table 3 Soil SOC, TN, C/N semi-variance function model parameters

变程表示具有空间自相关性的最大距离，超过该距离则不存在空间自相关[13]。研究区表层土壤SOC、TC、C/N的变程分别为697.8 km、311 km、61.8 km，SOC和TN的变程都较大，说明SOC和TN在这个较大的空间范围内，其空间自相关性较强。

3.3 土壤SOC、TN、C/N空间插值分析

研究区表层土壤SOC含量、TC含量及C/N空间分布见图1。可以看出，SOC含量呈现东北高西南低的趋势。参照土地质量地球化学评价规范(DZ/T 0295—2016)[14]，SOC、TC不同等级的分布面积和比例见表4，SOC主要处于三等以上水平，属于丰富—中等状态，面积16 296 km2，占总面积的98.12%。可见，研究区土壤SOC含量整体呈现出较丰富和丰富、局部缺乏的分布特征。从研究区表层土壤TN含量空间分布可以看出，TN含量与SOC含量分布趋势相近，也呈现东北高西南低的趋势。TN含量主要处于三等以上水平，属于丰富—较丰富状态，其中一等和二等土壤面积14 428 km2，占总面积的86.87%。可见，研究区土壤TN含量普遍丰富，大部分呈现适中和较丰富，小面积严重缺氮。综上，研究区表层土壤养分比较优越，土壤养分缺乏的占比较少。土壤C/N比在空间分布上呈现南部和北部向中部逐步降低的趋势，大部分区域土壤C/N位于12～14之间，低值区则主要在中部呈带状分布。

图1 土壤SOC、TN、C/N空间分布Fig.1 Spatial distribution of soil SOC, TN and C/N

表4 土壤SOC、TN等级分布面积及比例Table 4 Distribution area and proportion of soil SOC and TN grade

3.4 土壤SOC、TN空间变异影响因素分析

3.4.1 不同土壤类型下SOC、TN含量变化

不同土壤类型具有不同的矿物组成、成土过程、发育程度及耕作管理措施[15-17]，因而其土壤特性存在差异，故导致不同土壤类型下SOC、TN含量不同。如表5，研究区表层土壤SOC含量以如下趋势递减：沼泽土>草甸土>白浆土>黑土>暗棕壤>水稻土，与1979年相比，沼泽土SOC含量下降23.89×10-3，草甸土下降2.65×10-3，白浆土下降1.14×10-3，黑土下降5.22×10-3，暗棕壤下降16.06×10-3，水稻土增加2.59×10-3。土壤TN含量以如下趋势递减：沼泽土>白浆土>草甸土>黑土>暗棕壤>水稻土，与1979年相比，沼泽土TN含量下降2.17×10-3，白浆土下降0.29×10-3，草甸土下降0.34×10-3，黑土下降0.61×10-3，暗棕壤下降1.56×10-3，水稻土增加0.01×10-3。土壤C/N以如下趋势递减：暗棕壤>水稻土>黑土>草甸土>沼泽土>白浆土，与1979年相比，暗棕壤C/N含量增加0.75，水稻土增加1.30，黑土增加0.64，草甸土增加0.11，白浆土增加1.13，沼泽土增加0.15。

表5 不同土壤类型下SOC、TN、C/N含量特征Table 5 Content characteristics of SOC, TN and C/N in different soil types

3.4.2 土地利用方式改变对土壤SOC、TN含量的影响

土地利用方式改变对表层土壤SOC含量、TC含量及C/N的影响如表6所示。经过40年的开垦，湿地开垦为旱地，SOC含量下降13.12×10-3；湿地开垦为水田，SOC含量下降11.81×10-3；林地开垦为旱地，SOC含量下降11.39×10-3；草地开垦为旱地，SOC含量下降3.60×10-3；40年间土地利用方式一直为旱地的，SOC含量下降4.84×10-3，一直为水田的，SOC含量上升1.43×10-3。自然生态系统转变为农田引起土壤SOC含量减少，分析其原因，一是农田在耕作和种植的过程中，增加了对土壤的扰动，增加土壤微生物的活性，进而加快了有机质的分解速率；二是林草被作物取代后使初级生产固定的碳素向土壤中的分配比例降低，收割减少地上生物量中碳素向土壤的输入[18]。

表6 主要开垦类型土壤SOC、TN、C/N含量变化Table 6 Changes of soil SOC, TN and C/N contents in main reclamation types

经过40年的开垦，湿地开垦为旱地，TN含量下降1.25×10-3；湿地开垦为水田，TN含量下降1.20×10-3；林地开垦为旱地，TN含量下降1.19×10-3；草地开垦为旱地，TN含量下降0.44×10-3；40年土地利用方式一直为旱地，TN含量下降0.58×10-3，一直为水田，TN含量下降0.08×10-3。开垦土壤TN含量都在下降，主要原因可能是TN含量和SOC含量相关性极高，所以SOC含量降低，导致TN含量随之降低。

经过40年的开垦，湿地开垦为旱地，C/N含量增加0.19；湿地开垦为水田，C/N含量增加0.51；林地开垦为旱地，C/N含量增加1.05；草地开垦为旱地，C/N含量增加0.72；40年土地利用方式一直为旱地的，C/N含量增加0.93，一直为水田的，C/N含量增加0.92。土地利用方式主要通过土壤养分输入控制土壤碳氮积累和释放速度来影响土壤碳氮含量[19-21]。水田C/N升高，主要因为水田处于淹水低温状态，有机碳分解缓慢易于积累，从而使C/N处于增加水平[22-25]。

4 结论

1)2019年研究区表层土壤SOC、TN含量及C/N比平均值分别为26.47×10-3、2.23×10-3、11.85，1979年平均值分别为35.60×10-3、3.18×10-3、11.18。经过40年开垦，SOC含量下降了25.65%，TN含量下降了29.87%，C/N增加了6.00%。表层土壤SOC、TN表现为中等程度的空间变异性，C/N表现为弱变异的空间变异性，其空间分布受结构性因素和随机性因素的共同影响，空间自相关范围较大。研究区表层土壤SOC、TC、C/N的变程分别为697.7 km、311 km、61.8 km，SOC和TN的变程都较大。

2)研究区表层土壤SOC含量主要处于三等以上水平，整体呈现出较丰富和丰富、局部缺乏的分布特征。表层土壤TN含量主要处于三等以上水平，土壤TN含量普遍丰富，大部分呈现适中和较丰富，小面积严重缺氮。由此可见研究区表层土壤养分比较优越，土壤养分缺乏的占比较少。

3)研究区表层土壤SOC、TN、C/N在不同土壤类型、不同土地利用类型下的养分含量呈一定的差异。表层土壤SOC含量与1979年相比，不同土壤类型SOC、TN含量都在下降，只有水稻土增加；开垦导致SOC、TN含量都在下降。土壤类型和土地利用方式变化等因素对研究区土壤养分的空间变异程度有着显著影响。