东北典型黑土区旱地耕层土壤肥力指标的纬度变化特征及其关系

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尹思佳^,¹, 李慧², 徐志强³, 裴久渤^,¹, 戴继光³, 刘雨薇¹, 李艾蒙¹, 于雅茜¹, 刘维¹, 汪景宽¹

¹沈阳农业大学土地与环境学院/土肥资源高效利用国家工程实验室/农业农村部东北耕地保育重点实验室,沈阳 110866

²沈阳农业大学林学院,沈阳 110866

³辽宁省农业发展服务中心,沈阳 110034

Spatial Variations and Relationships of Topsoil Fertility Indices of Drylands in the Typical Black Soil Region of Northeast China

YIN SiJia^,¹, LI Hui², XU ZhiQiang³, PEI JiuBo^,¹, DAI JiGuang³, LIU YuWei¹, LI AiMeng¹, YU YaXi¹, LIU Wei¹, WANG JingKuan¹

¹College of Land and Environment of Shenyang Agricultural University/National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources/Key Laboratory of Northeast Cultivated Land Conservation of Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Shenyang 110866

²College of Forest of Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866

³Liaoning Agricultural Development Service Center, Shenyang 110034

通讯作者: 裴久渤,E-mail: peijiubo@syau.edu.cn

责任编辑: 李云霞
收稿日期:2020-07-13接受日期:2020-11-25网络出版日期:2021-05-16

基金资助:

国家重点研发计划子课题.2017YFD0200604
国家自然科学基金.41807086
沈阳农业大学博士启动基金.880416042
沈阳农业大学博士启动基金.880416020

Received:2020-07-13Accepted:2020-11-25Online:2021-05-16
作者简介 About authors
尹思佳,E-mail: 15940599410@163.com。

摘要
【目的】明确东北典型黑土区土壤肥力指标的纬度特征及其关系,探究黑土地核心地带肥力调控的问题,为黑土地耕地质量调控和国家粮食稳产增产提供有力支撑。【方法】2018年秋收后,在研究区按纬度梯度采样,测定土壤有机质、酸碱度、全磷、全钾、速效磷、速效钾、碱解氮、容重、大微团聚体质量比等肥力指标和土壤含水量、土壤温度等环境指标,通过主成分分析、冗余分析和相关分析,明确研究区内各指标纬度变化特征及相互关系。【结果】东北典型黑土区土壤肥力指标具有明显的纬度分异特征,除容重属于弱变异外,其他肥力指标均属于中等变异。土壤有机质是该区域影响土壤肥力的核心指标,随纬度升高而增加,与大微团聚体质量比、碱解氮、速效磷、速效钾、全钾、全磷和酸碱度均呈显著正相关;与土壤含水量、土壤温度和容重呈负相关。纬度在46.07°—49.18°之间土壤容重变化对土壤肥力影响较大,纬度在42.99°—45.59°之间的土壤肥力受土壤容重、有机质含量、酸碱度等共同作用。【结论】在46.07°—49.18°范围内,可通过改善土壤容重方法调控土壤肥力指标,而在42.99°—45.59°范围内需要通过测土配方施肥对作物所需的土壤养分进行综合调控。对整个研究区而言,调控土壤有机质仍是当前培肥土壤的主要内容。
关键词： 东北典型黑土区;旱地;土壤肥力指标;纬度特征;相关性

Abstract

【Objective】In order to clarify the latitude characteristics and relationships among soil fertility indices in the typical black soil region of northeast China, clarify the problems of fertility control in the heart of black land and provide strong support for the quality control of black land cultivated land and grain yield stable and increase.【Method】Soil samples were collected following by latitude gradient in the study area after the autumn harvest in 2018. The soil fertility indices, such as soil organic matter, pH, total phosphorus, total potassium, available phosphorus, available potassium, alkali-hydrolyzable nitrogen, bulk density, soil water content, soil temperature the ratio of macro- and micro-aggregates, soil water content and soil temperature, were measured to investigate these indices’ latitudinal variation characteristics and their relationships by means of principal component analysis, redundancy analysis and correlation analysis. 【Result】The soil fertility indices of typical black soil region in Northeast China showed obvious latitudinal variation characteristics. In addition to the weak variation of bulk density, other fertility indices showed medium variation. Soil organic matter was the core influencing index in this region, which was increasing with the increase of latitude, and had a significant positive correlation with the ratio of macro- and micro-aggregates, alkali-hydrolyzable nitrogen, available phosphorus, available potassium, total potassium, total phosphorus and pH. Nevertheless, it was negatively correlated with soil water content, soil temperature and bulk density. The soil fertility indices with latitude between 46.07 ° and 49.18 ° were greatly affected by the change of soil bulk density, while the indices with latitude between 42.99 ° and 45.59 ° were combined action with soil bulk density, organic matter content and pH.【Conclusion】In the latitude range of 46.07 ° to 49.18 °, the soil fertility indices could be regulated by improving soil bulk density, while in the latitude range of 42.99 ° to 45.59 °, the soil nutrient should be comprehensively regulated by soil testing and formulated fertilization. For the whole study area, the regulation of soil organic matte was still an important content of soil fertility.

Keywords：typical black soil region in northeast China;dryland;soil fertility index;latitude characteristics;correlation

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尹思佳, 李慧, 徐志强, 裴久渤, 戴继光, 刘雨薇, 李艾蒙, 于雅茜, 刘维, 汪景宽. 东北典型黑土区旱地耕层土壤肥力指标的纬度变化特征及其关系[J]. 中国农业科学, 2021, 54(10): 2132-2141 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.10.009
YIN SiJia, LI Hui, XU ZhiQiang, PEI JiuBo, DAI JiGuang, LIU YuWei, LI AiMeng, YU YaXi, LIU Wei, WANG JingKuan. Spatial Variations and Relationships of Topsoil Fertility Indices of Drylands in the Typical Black Soil Region of Northeast China[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(10): 2132-2141 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.10.009

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0 引言

【研究意义】黑土是最珍贵的土壤资源,在我国主要分布在东北地区^[1,2]。该区域因黑土有机质含量高,土壤肥沃,耕性良好,是我国重要的商品粮生产基地,对我国粮食安全起到“压舱石”的作用^[3]。因此,保证东北黑土数量与质量至关重要。但是,随着东北黑土的不断开垦,“重用轻养”越发严重,造成肥力下降,严重影响了该区域农业生产和生态安全,保护黑土地已成为当前国家的重要战略之一^[4]。东北典型黑土区是东北黑土区的核心地带,是我国重要的黄金玉米带,主要呈现为沿纬度梯度的不规则“镰刀弯”型,因此,明确该核心地带土壤肥力指标的纬度特征和关系是调节黑土地土壤肥力和指导施肥与耕作的重要前提^[5],对区域耕地质量调控、粮食稳产增产和生态安全具有重要意义^[6]。【前人研究进展】随着土壤学和地理学的深入融合,土壤肥力单一指标在不同尺度空间地理上的分布和变异特征研究越来越广泛。一般而言,不同海拔和纬度位置土壤类型的差异,引起了土壤结构、养分等性质的不同,且各养分指标存在着空间异质性和相互作用^[7,8]。赵静漪^[9]研究表明大兴安岭的土壤有机质,酸碱度,全量及速效氮、磷、钾含量随纬度的升高而升高。而化学肥料的长期不合理施用,更加剧了土壤肥力指标的变化,使土壤肥力指标的空间差异性和不均衡性加大^[10],造成了土壤养分失衡、酸化及面源污染等问题^[11]。作为土壤肥力重要指标的有机质,受水热条件、农业管理等影响。霍颖等^[12]研究表明,有机质的变化不仅影响各养分指标的有效性,而且也是影响土壤酸碱度、土壤结构变化的重要因素。葛顺峰等^[13]对土壤养分状况研究也表明,养分的有效性常因有机质含量及熟化程度的不同而有明显差异。然而,关于东北黑土地区核心地带多种土壤肥力指标的纬度关系和特征的研究鲜有报道。【本研究切入点】东北典型黑土区是国家重要的玉米主产区,在长期集约化经营下,土壤肥力指标的空间特征及其相互关系是当前黑土地肥力调控亟待明确的问题。因此,本研究通过在该区域内沿纬度梯度采样,测定多种土壤肥力指标,揭示其纬度特征和关系,为东北黑土地肥力调控和质量提升提供基础资料,为国家“藏粮于技、藏粮于地”战略提供理论依据。【拟解决的关键问题】东北典型黑土区沿纬度梯度进行样点采集与各土壤肥力指标测定,分析其沿纬度的空间变化特征,探讨其相互关系。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

东北典型黑土区介于东经123.59°—128.78°,北纬42.41°—50.11°,跨越黑龙江、吉林和辽宁3个省份,是东北黑土区土壤最为肥沃、粮食生产能力最高的区域,是重要的黄金玉米带^[14]。土壤类型主要以黑土和草甸土为主,地貌类型以平原为主,成土母质主要为第四纪沉积物。该区域属于温带大陆性季风气候,以中温带气候区为主,气候南北差异较大,冬季寒冷漫长,春季多风少雨,夏季气温较高;年均温7—11℃,年均降水量450—850 mm,无霜期为120— 150 d,年日照时数2 650—2 750 h^[15]。

1.2 样品采集

土壤样品于2018年10月1日至4日秋收时期采自研究区0—20 cm土层,采样地种植作物均为玉米。土壤类型为黑土,质地为壤质,地形为平地。参考并改进LIU等^[16]的采样策略在该区域进行布点,本研究采样点沿研究区核心地带纬度梯度按每隔约40 km距离进行选取布设,共计30个样点（表1）,为保证采样点的代表性和统计学意义,每个采样点按品字形进行3次重复采样,重复与重复之间间隔约20 m,每个采样点的每个重复按5点取样后用四分法进行混合处理后采集。此外,采用环刀法对每个重复处的土壤样品进行容重样品采集。将采集的所有土壤样品分别装入自封袋,带回实验室,挑出枯叶、砾石、作物残留根系和其他废弃物,自然风干后,分别过20目和100目筛,用于土壤各肥力指标的测定。

Table 1
表1
表1研究区采样点分布
Table 1Distribution of sampling points in the study area

编号ID	经度Longitude	纬度Latitude	编号 ID	经度Longitude	纬度Latitude	编号 ID	经度Longitude	纬度Latitude	编号 ID	经度Longitude	纬度Latitude	编号 ID	经度Longitude	纬度Latitude
1	124.88°	47.09°	7	125.02°	48.75°	13	126.14°	47.80°	19	126.57°	45.59°	25	125.12°	43.57°
2	125.15°	47.33°	8	125.31°	49.18°	14	125.92°	47.10°	20	126.31°	45.31°	26	124.88°	43.57°
3	125.33°	47.61°	9	125.86°	49.04°	15	126.07°	46.73°	21	126.18°	44.05°	27	124.80°	43.47°
4	125.13°	48.01°	10	126.12°	48.68°	16	126.25°	46.43°	22	126.05°	44.92°	28	124.57°	43.32°
5	124.96°	48.22°	11	126.48°	48.26°	17	126.27°	46.07°	23	125.87°	44.62°	29	124.07°	43.24°
6	124.97°	48.59°	12	126.25°	47.98°	18	126.33°	46.07°	24	125.58°	44.32°	30	123.85°	42.99°

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1.3 测试项目与方法

土壤酸碱度采用电位计法（水土比2.5:1）测定,用pHs-3B 型pH计测定;土壤容重测定采用环刀法;土壤温度和土壤含水量采用便携式土壤水温测定仪测定（德国IMKO,TRIME-PICO64）;碱解氮测定采用NaOH 扩散皿法。速效磷测定采用0.5 mol·L^-1 NaHCO₃ 浸提钼锑抗比色法;速效钾测定采用NH₄OAc火焰光度计法;全磷测定采用NaOH 熔融钼锑抗比色法;全钾测定采用NaOH 熔融火焰光度计法;土壤有机质测定采用重铬酸钾氧化-外加热法测定的土壤有机碳乘以系数1.724 计算得到^[17]。团聚体分级测定采用干筛法^[18],利用团聚体筛分仪（Retsch AS 200, Germany）将团聚体分成≥0.25 mm的大团聚体和<0.25 mm的微团聚体,105℃烘干12 h 后称重,计算大微团聚体质量比。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2016软件进行数据整理和作图、运用Canoco 5和Origin 2020b软件进行主成分分析和相关性分析、方差分析和显著性检验（P<0.05）。

2 结果

2.1 土壤肥力指标的空间特征

由表2可以看出,在纬度42.99°— 49.18°范围内,土壤肥力指标及土壤环境指标的空间分异程度各有不同。参考胡伟等^[19]土壤变异系数的划分等级,CV<0.1为弱变异性;0.1<CV<1为中变异性;CV>1为强变异性。从变异系数来看,土壤速效磷变异系数最大,为77.21%,其次是碱解氮,为70.06%,土壤容重的变异系数最小,为9.32%,pH和土壤温度变异系数也较小,分别为11.11%和15.31%。除土壤容重属于弱变异外,所有土壤肥力指标的变异系数均属于中等变异强度。

Table 2
表2
表2研究区土壤肥力指标的描述性统计
Table 2The descriptive statistics of soil fertility indices in study area

土壤肥力指标 Soil fertility index	最小值 MIN	最大值 MAX	平均值 MN	标准差 SD	变异系数 CV (%)
有机质Organic matter (g·kg^-1)	10.00	61.61	30.54	11.82	38.72
pH	4.67	7.76	6.15	0.68	11.11
碱解氮Alkali-hydrolyzale nitrogen (mg·kg^-1)	15.05	292.52	114.81	80.44	70.06
全钾Total K (g·kg^-1)	11.38	52.55	29.43	15.59	52.95
全磷Total P (g·kg^-1)	0.30	1.11	0.63	0.21	33.96
速效钾Available K (mg·kg^-1)	17.89	150.03	74.77	37.28	49.86
速效磷Available P (mg·kg^-1)	0.62	86.39	33.22	25.65	77.21
容重Bulk density (g·cm^-3)	0.89	1.29	1.09	0.10	9.32
大微团聚体质量比Mass ratio of macro- and micro-aggregates	4.59	60.63	21.22	13.73	64.71
含水量Water content (%)	14.37	31.05	20.31	0.04	21.10
温度Temperature (℃)	8.37	16.43	12.47	1.91	15.31

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由图1可以看出,随着纬度的变化,土壤肥力指标及土壤环境指标都有不同程度的波动。随着纬度升高,土壤有机质、酸碱度、全磷、全钾、速效磷、速效钾,以及碱解氮都有一定的上升;容重、土壤含水量及土壤温度随纬度的升高而下降。从采样数据总体看,土壤有机质和容重的离散程度较小,且与纬度拟合的关系相对更好。

图1

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图1研究区土壤肥力指标的纬度变化特征

样本数n=30（每个样点3次重复）
Fig. 1Soil fertility indices variations under latitude gradient in study area

Number of sampling points n=30 (3 replications for each sampling point)

2.2 土壤肥力指标的主成分和冗余分析

图2所示的主成分分析表明,采样点在主成分1上具有明显的分异现象,纬度在46.07°—49.18°之间的采样点主要分布在主成分1的负半轴,纬度在42.99°—45.59°之间的采样点主要分布在主成分1的正半轴。由冗余分析（图3）可以看出,采样点在纬度分异影响下的土壤肥力指标关系存在差异。总体看,采样点在主成分1上具有明显的分异现象,纬度在46.07°—49.18°之间的采样点主要分布在主成分1的负半轴,纬度在42.99°—45.59°之间的采样点主要分布在主成分1的正半轴。土壤有机质、大微团聚体质量比、速效养分、全量养分、碱解氮与纬度成正相关,其中有机质与纬度的相关性最强,土壤容重、土壤温度与纬度及其他土壤肥力指标呈负相关,而土壤含水量与纬度和多数土壤肥力指标的空间关系均较弱。

图2

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图2研究区土壤肥力指标的主成分分析

图中数字为采样点编号
Fig. 2Principal component analysis of soil fertility indices in study area

Numbers in Fig.2 are the sample ID

图3

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图3研究区土壤肥力指标的冗余分析

OM:有机质Organic matter,AN:碱解氮Alkali-hydrolyzale nitrogen,TK:全钾Total K,TP:全磷Total P,速效钾:Available K,AP:速效磷Available P,BD:容重Bulk density,AR:大微团聚体质量比Mass ratio of macro- and micro-aggregates,WC:含水量Water content,pH:酸碱度,Laititude:纬度,Tem:温度 Temperature,n=30（每个样点3次重复 3 replications for each sampling point）。下同 The same as below
Fig. 3Redundancy analysis of soil fertility indices in study area

2.3 土壤肥力指标的相关分析

从图4可以看出,土壤有机质、酸碱度、速效钾、全钾、速效磷、全磷、碱解氮含量与纬度成正相关,土壤容重、土壤温度与纬度成负相关,而土壤含水量与纬度无显著相关性。除含水量外,土壤有机质含量与其他肥力指标都有很好的相关性,且与土壤容重、土壤温度呈显著负相关。而土壤容重与有机质含量成正相关,与全磷、全钾、速效磷、速效钾、碱解氮含量和土壤酸碱度成负相关。土壤酸碱度除了与纬度、土壤有机质、全磷含量成显著正相关,与容重成显著负相关外,与其他肥力指标无显著相关性。大微团聚体质量比与土壤有机质、全磷、全钾,碱解氮和速效磷含量呈显著正相关,与其他肥力指标无相关性。除土壤含水量外,土壤全磷含量与其他土壤肥力指标均呈显著相关。其中与土壤容重呈负相关,与其他肥力指标呈正相关。土壤全钾含量与大微团聚体质量比、土壤有机质、全磷、碱解氮、速效磷、速效钾含量呈显著正相关,与土壤容重和温度呈显著负相关。除土壤含水量和酸碱度外,土壤速效磷含量与其他土壤肥力指标均显著相关,且与土壤容重和温度呈负相关。土壤速效钾含量与有机质含量呈正相关,与容重呈负相关。土壤碱解氮含量与土壤有机质、全磷、全钾、速效磷含量和大微团聚体质量比呈正相关,与土壤容重和土壤温度呈负相关。

图4

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图4研究区土壤肥力指标的相关性热图

*:P<0.05,**:P<0.01
Fig. 4Correlation heat map of soil fertility indices in study area

3 讨论

土壤肥力指标是维持土壤质量的基本性质,也是影响作物生长和品质的关键因子^[20]。由于长期“重用轻养”,东北典型黑土区土壤肥力各指标间的空间特征和相互关系迥异。其中有机质在该区域与纬度关系最为密切,且与其他大多数肥力指标呈正相关的指标,也是培肥土壤的核心指标^[21]。因此,在该区域提升土壤有机质是培肥土壤、应对土壤退化的核心任务,对土壤肥力其他指标,特别是对土壤有效养分影响显著^[22]。

本研究中,土壤有机质、碱解氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾、大微团聚体质量比和酸碱度,均随纬度的增大而升高。土壤有机质、碱解氮、全磷、全钾与纬度之间的关系拟合的更好,有机质与纬度之间的关系拟合的最好,随纬度的升高而升高,这与王秀红等^[23]的研究一致。在东北典型黑土区由南向北有机质含量逐步升高。此外,随着纬度由南向北的增加,土壤中的全量与速效养分含量也随之加大,这与李婷等^[24]研究一致。我国高纬度地区温度相对较低,雨量较少,淋溶较弱有利于养分的积累。

主成分分析表明,采样点在纬度42.99°—45.59°和46.07°—49.18°上具有明显的分异现象,冗余分析和相关分析也进一步证明了纬度在42.99°—45.59°之间的土壤肥力指标差异主要表现在土壤容重上,纬度在46.07°—49.18°之间差异主要表现在有机质、碱解氮、全磷、全钾、酸碱度等指标上。不同土壤肥力指标与纬度的关系表现为有机质与纬度的正相关性最强,容重与纬度的负相关性最强,且有机质与各其他指标（碱解氮、速效磷、速效钾、全钾、全磷含量和酸碱度）之间呈显著正相关,与土壤容重和温度呈显著负相关,这与各指标与纬度的拟合结果一致,与任科宇^[25]、盛茂银^[26]、张淑香^[27]、廖育林等^[28]在研究有机质与土壤养分关系方面研究结果一致。本研究中土壤有机质与其他土壤肥力指标具有一定空间关系,是重要的土壤肥力指标,除与土壤容重和土壤温度呈现负相关外,有机质与其他肥力指标关系总体上呈现随纬度增加而升高的趋势。此外,酸碱度也是影响土壤肥力的重要因子,对土壤中的物理、化学、生物过程有着重要的影响^[29],影响着土壤养分的有效性和微生物的结构与活性^[30]。本研究中84%的采样点酸碱度均呈现为酸性,是在纬度46.07°—49.18°之间的最大差异贡献因子,且与土壤有机质呈显著正相关,因此可以通过增施有机肥、石灰、微生物菌剂等方式提升土壤有机质来缓解土壤酸化^[31]。而大团聚体和微团聚体的相对质量比是判定土壤质量好坏的重要因子^[32],主要以0.25 mm为界限对其进行分类。本研究中,大微团聚体质量比与土壤有机质也呈显著正相关,这与陈晓芬等^[33]的研究一致,反映出大团聚体适宜比例对土壤有机质提升具有重要影响,能够提升土壤持肥能力,提高土壤结构稳定性^[34],因此,调节土壤有机质对改善土壤结构和促进土壤良好团聚体形成具有直接作用^[35]。

4 结论

东北典型黑土区土壤肥力指标具有明显的纬度分异性,其中在46.07°—49.18°范围内,土壤容重和土壤温度是影响土壤肥力的重要指标;在42.99°—45.59°范围内,除土壤容重和土壤温度外各土壤肥力指标间的影响关系紧密,需要通过综合调控来进行培肥土壤。土壤有机质是该区域影响土壤肥力的核心指标,与其他土壤肥力指标在空间上存在显著影响关系,因此,在该区域应继续采取有机质提升措施来进行培肥土壤,防止土壤质量下降。

参考文献原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子

[1]

康日峰, 任意, 吴会军, 张淑香. 26年来东北黑土区土壤养分演变特征
中国农业科学, 2016,49(11):2113-2125.