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物探与化探, 2024, 48(4): 1103-1113 doi: 10.11720/wtyht.2024.0129

生态地质调查

近40年黑龙江省两大平原土壤有机质时空变化规律

杨贺平,1,2, 赵小静1, 孙江军1

1.黑龙江省自然资源调查院,黑龙江 哈尔滨 150036

2.黑龙江省黑土地水土资源研究重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150036

Spatiotemporal changes of soil organic matter in the Songnen and Sanjiang plains of Heilongjiang Province over 40 years

YANG He-Ping,1,2, ZHAO Xiao-Jing1, SUN Jiang-Jun1

1. Natural Resources Survey Institute of Heilongjiang Province, Harbin 150036, China

2. Key Laboratory of Black Soil and Water Resources Research of Heilongjiang Province, Harbin 150036, China

第一作者: 杨贺平(1972-),男,硕士,高级工程师,主要从事地质矿产及生态地球化学调查研究工作。Email:yhp100@163.com

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2024-03-28   修回日期: 2024-06-13  

基金资助: 中国地质调查局地质调查项目(1212010511217)
中国地质调查局地质调查项目(12120113001000)
中国地质调查局地质调查项目(DD20160316)
中国地质调查局地质调查项目(DD20190520)

Received: 2024-03-28   Revised: 2024-06-13  

摘要

土壤有机质(SOM)时空变化对评估区域土壤质量和土壤固碳潜力具有重要意义。基于1980年黑龙江省第二次土壤普查和2020年黑龙江省土地质量地球化学调查两期土壤数据,运用GIS空间分析方法,对黑龙江省两大平原(松嫩平原和三江平原)近40年表层(0~20 cm)SOM含量时空变化特征进行分析,总结了不同土壤类型、各市县SOM流失分布规律。结果表明:近40年来两大平原表层SOM含量平均值下降5.68×10-3,总体呈下降的趋势,SOM下降的地区主要分布在松嫩平原齐齐哈尔、大庆、绥化西部和三江平原鹤岗、佳木斯西部等地区,以嫩江流域沿岸齐齐哈尔—肇源一带下降幅度最大;沼泽土SOM流失率最高,为-44.68%,草甸土SOM流失贡献率为44.14%,是两大平原SOM流失贡献最多的土壤类型,望奎县、肇源县和大庆市SOM流失面积占比超过72.11%。本研究明晰了40年尺度下两大平原SOM时空变化特征,为区域黑土退化防治重点提供了理论依据。

关键词： 土壤有机质; 时空变化; 规律; 流失; 两大平原

Abstract

The spatiotemporal changes in soil organic matter (SOM) hold great significance forthe elevation of both regional soilquality and the potential of soil carbon sequestration. Based on two periods of soil data from the second soil reconnaissance surveyof Heilongjiang Province in 1980 and thesoil geochemical survey of Heilongjiang Province in 2020, this study analyzed the spatiotemporal changes in SOM content in surface soil (0~20 cm) in the Songnen and Sanjiang plains in Heilongjiang Province over 40 years through spatial analysis in GIS. Furthermore, this study summarized the distribution patterns of SOM lossof different soil types in various cities and counties. The results indicate that the average SOM content in the surface soil in the major two plains decreased by 5.68×10-3over 40 years, generallyexhibiting a downward trend. Areas with decreased SOM are primarily distributed in Qiqihar, Daqing, western Suihua of the Songnen Plain, along with Hegang and western Jiamusi of the Sanjiang Plain, with the largest decreased amplitudeobserved in the Qiqihar Zhaoyuan area along the Nenjiang River basin. Regarding soil types, swampsoils exhibited the highestSOM loss rate (-44.68%), while grassland soilsexhibited a contribution rate for SOM of 44.14%, which established these soilsas the soil type making the most significant contribution to SOM in both plains. The SOM loss area in Wangkui County, Zhaoyuan County, and Daqing City accounted for over 72.11% of the total. This study determines the spatiotemporal changes in SOM in the major two basins in Heilongjiang Province on a scale of 40 years, providing a theoretical basis for the primary prevention and control targets of regional black soil degradation.

Keywords： soil organic matter; spatiotemporal change; rule; loss; two major plains

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本文引用格式

杨贺平, 赵小静, 孙江军. 近40年黑龙江省两大平原土壤有机质时空变化规律[J]. 物探与化探, 2024, 48(4): 1103-1113 doi:10.11720/wtyht.2024.0129

YANG He-Ping, ZHAO Xiao-Jing, SUN Jiang-Jun. Spatiotemporal changes of soil organic matter in the Songnen and Sanjiang plains of Heilongjiang Province over 40 years[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(4): 1103-1113 doi:10.11720/wtyht.2024.0129

0 引言

土壤有机质(SOM)是衡量土壤肥力高低的重要指标,是植物营养的主要来源,能够刺激植物根系生长,改善土壤物理状况,促进微生物活动,具有高度的保水、保肥能力[1-2]。土壤有机质构成了巨大的土壤有机碳(SOC)库,在自然因素和人类活动共同作用下,土壤碳库不断发生变化,这种变化不仅能改变土壤肥力,而且影响区域乃至全球碳循环[3]。土壤肥力直接决定了农作物生产力的高低及其稳产性[4],而碳循环过程与温室气体浓度及全球变暖密切相关[5]。

近年来,国际学术界越来越重视农田土壤有机碳库的动态变化及其对陆地生态系统和大气CO2的源汇效应[6]。Ladha等[7]通过研究认为,全球农田土壤有机质含量总体呈下降的趋势,存在区域差异性大的特点。李长生[8]利用生物地球化学模型(DNDC)对美国和中国土壤有机碳动态变化进行预测,结果表明美国农田土壤每年净增72.4 Tg碳,而中国农田土壤每年丢失73.8 Tg碳。国内学者大多利用全国第二次土壤普查数据,结合新时期土壤采样数据,对不同时期数据土壤属性进行统计分析,揭示土壤属性时空变化影响因素。黄耀等[3]基于200篇文献数据的调研分析指出,1980~2000年间,华东、华北地区SOC增加明显,东北地区总体呈下降趋势,黑土SOC含量下降显著。姜蓝齐等[9]利用第二次土壤普查与2015年实测数据对松嫩平原0~10 cm农田土壤有机碳密度空间分布及变化特征进行了分析,认为松嫩平原近35年来81.59%的农田土壤有机碳密度呈下降趋势。然而,目前有关黑龙江省SOC动态变化的研究主要集中在以土壤类型法估算SOC储量[10⇓-12],缺少省域尺度的SOC动态分析,尤其是缺少以海量高密度、高精度土壤数据为基础的SOM定量分析对比研究。

黑龙江两大平原(松嫩平原和三江平原)是我国黑土资源的主要分布地区,共有耕地面积1.62亿亩,占全省耕地面积的80%以上[13],在维护国家粮食安全方面发挥着压舱石的作用。20世纪80年代以来,随着化肥逐渐代替有机肥的施用,黑土地在粮食高产丰产的同时,也面临着土壤有机质降低,土地肥力透支的问题。在这样的背景下,本次研究选取黑龙江省两大平原为研究区,通过对第二次土壤普查SOM含量数据和土地质量地球化学调查数据进行空间叠加分析和定量分析,真实、全面、客观地反映自第二次土壤普查以来,两大平原耕地土壤退化现状,为提高黑龙江省耕地质量、区域黑土退化防治重点等提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黑龙江省西部松嫩平原和东部三江平原,地理坐标为122°15'~134°40' E,43°59'~50°00' N,属温带大陆性湿润、半湿润、半干旱季风气候。年平均气温0~4 ℃,年均降水量420~700 mm,区内≥10 ℃有效积温在2 100~2 800 ℃。区内主要河流是黑龙江、松花江、乌苏里江和嫩江,其中黑龙江、乌苏里江是中俄两国界河,嫩江是松花江最大的支流,松花江将分布于张广才岭、小兴安岭东西两侧的两大平原联系在一起,并在同江市汇入黑龙江。黑龙江省两大平原主要由河漫滩和一级阶地组成,地形相对较平缓,主要发育草甸土、暗棕壤、黑土、白浆土和黑钙土,土地肥沃,适宜农业耕种。

1.2 数据来源

1980年土壤数据来源于黑龙江省第二次土壤普查时期(1980~1985年)编制的黑龙江省1∶100万土壤有机质含量等级图空间数据及《黑龙江土壤》[14]、《黑龙江省第二次土壤普查数据册》中记录的44 766件农化样品数据。2020年土壤数据来源于“黑龙江省1∶25万土地质量地球化学调查”项目实测获取的65 374件土壤组合分析数据,野外采样时间自2005~2020年,历时16年,累计完成两大平原调查面积25.76万km2。土壤样品采样方法严格按照《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)和《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)规定执行,以4 km2为1个采样大格,基本采样密度为1个点/km2,采样深度为0~20 cm,以GPS定点中心位,在采样点附近100 m范围内采集3~5点以增强土壤样品的代表性,采集的土壤样品质量均大于1 000 g 。样品置于室内通风场地自然风干后,过20目(0.84 mm)尼龙筛后混匀,将1个采样大格中的4件样品组合成为1件分析样,混匀后称重500 g装瓶待测。样品分析测试工作由黑龙江省地质矿产实验测试研究中心、吉林省地质科学研究所、辽宁地质矿产研究所、河北省地矿中心实验室共同承担,用无污染玛瑙球磨机将样品研磨至200目(0.074 mm),采用重铬酸钾容量分析法(VOL)分析土壤有机碳含量,检出限为0.1%。土壤样品插入国家一级标准物质(GBW)进行分析质量监控,通过单个标准物质测量值与标准值对数差(ΔlgC)和相对标准偏差(RSD)来检验分析方法的准确度和精密度。样品分析采用了外部质量监控和内部质量监控相结合的方法保证测试分析质量的可靠性,检出限、报出率以及分析的准确度和精密度均满足规范要求。

土壤类型数据来自黑龙江省1∶50万土壤类型图,土地利用数据来自第一次全国土地调查时期(1984~1997年)编制的黑龙江省1∶50万土地利用现状图,数据格式均为ArcGIS矢量格式。黑龙江省两大平原土壤类型和土地利用现状见图1和图2。

图1

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图1   黑龙江省两大平原土壤类型分布

Fig.1   Soil type in the two great plains of Heilongjiang Province


图2

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图2   黑龙江省两大平原土地利用现状

Fig.2   Situation of land use in the two great plains of Heilongjiang Province


1.3 研究方法与数据处理

1980年土壤数据为SOM含量分析结果,2020年土壤数据为SOC含量分析结果,利用SOM与SOC之间的换算关系统一数据格式,即Van Bemmelen 换算公式(w(SOM)=w(SOC)×1.724)。以1980年SOM含量为初始值,以2020年SOM含量为当前值,SOM变化量为2020年与1980年SOM含量的差值,SOM变化量计算公式为ΔSOM=w(SOM2020)-w(SOM1980)。运用SPSS20.0软件进行统计分析处理,运用ArcGIS 10.2软件对数据进行空间处理与分析制图。

2 结果与分析

2.1 不同时期SOM参数统计

由表1可知,1980年黑龙江省两大平原表层SOM平均值为47.31×10-3,1980~2020年期间SOM平均值减少了5.68×10-3,反映了40年前SOM高,当前SOM下降明显的特点。1980~2020年两大平原表层SOM变异系数由84.34%降低至56.07%,表明2020年SOM变异程度降低,与1980年相比,SOM含量差异明显缩小,空间分布相对较均匀。从SOM含量区间来看,1980年SOM含量变化幅度更大。

表1   1980~2020年黑龙江省两大平原表层土壤(0~20 cm)SOM含量参数统计

Table 1  Statistics of SOM content in surface soil (0~20 cm) in the two great plains of Heilongjiang Province from 1980 to 2020

时期/年样本数最小值/10-3最大值/10-3均值/10-3标准差/10-3变异系数/%
1980447660.10936.0047.3139.9084.34
2020653740.34608.1041.6323.3456.07

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按照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)中SOM含量等级划分标准,将SOM含量依次划分为>40×10-3、40×10-3≥w(SOM)>30×10-3、30×10-3≥w(SOM)>20×10-3、20×10-3≥w(SOM)>10×10-3、≤10×10-3共5个等级,不同时期SOM含量等级划分特征统计结果见表2。由表可见,1980~2020年两大平原SOM含量达到一等的土地面积占比从57.01%下降到44.03%,减少了33 438.6 km2;二、三、四、五等土地面积均不同程度增加,其中以二等和四等土地面积增加较多,分别增加了5.53%和4.61%。近40年两大平原SOM含量总体上在减少,SOM一等土地面积减少非常明显,其他等级土地面积均在增加,这主要是由于SOM一等土地面积减少的部分在其他等级土地面积中得到了增加。

表2   1980~2020年黑龙江省两大平原表层土壤(0~20 cm)SOM含量等级划分特征统计

Table 2  Statistics on the classification characteristics of SOM content insurface soil (0~20 cm) in the two great plains of Heilongjiang Province from 1980 to 2020

土壤有机质1980年2020年面积变化/km2
含量/10-3等级面积/km2百分比/%面积/km2百分比/%
>40一等(丰富)146853.857.01113415.244.03-33438.6
>30~40二等(较丰富)59087.022.9473319.528.4714232.5
>20~30三等(中等)46092.317.9049780.619.333688.3
>10~20四等(较缺乏)4672.91.8116525.96.4211853.0
≤10五等(缺乏)864.60.344529.41.763664.8

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2.2 不同时期SOM空间分布

图3为1980年黑龙江省两大平原SOM空间分布。由图可知,以黑土和沼泽土为主要土壤类型分布的地区SOM含量等级高,以风沙土、石质土和盐土为主要土壤类型分布的地区SOM含量等级低;松嫩平原SOM含量由北向南逐渐递减,三江平原SOM含量以中东部地区最高,其他地区以二等和三等居多。1980年两大平原SOM含量整体较高,以>40×10-3等级为主,占总面积的57.01%,主要分布在齐齐哈尔北部、绥化北部、黑河、双鸭山东部、七台河及鸡西等地区,哈尔滨、佳木斯东部和牡丹江地区SOM含量多为三等或四等,SOM五等土地主要分布在松嫩平原齐齐哈尔—大庆地区。

图3

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图3   1980年黑龙江省两大平原表层土壤SOM空间分布

Fig.3   Spatial distribution of SOM in surface soil in the two great plains of Heilongjiang Province in 1980


图4为2020年黑龙江两大平原SOM空间分布图。2020年两大平原SOM总体分布与1980年基本相似,但能够明显看出SOM一等土地分布面积缩小,四等、五等土地面积增加,一等退化为二等的土地主要分布在松嫩平原中部依安、明水、望奎等地区,四等退化为五等的土地主要分布在松嫩平原南部大庆杜尔伯特和肇源等地区。

图4

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图4   2020年黑龙江省两大平原表层土壤SOM空间分布

Fig.4   Spatial distribution of SOM in surface soil in the two great plains of Heilongjiang Province in 2020


2.3 SOM时空变化

2.3.1 SOM时间变化

将ΔSOM在(-10~10)×10-3区间定义为含量变化不明显,以10×10-3为一个等级,正值为增,负值为降,ΔSOM可分为9个等级,表3为1980~2020年黑龙江省两大平原SOM含量等级变化特征统计结果。由表可见,两大平原ΔSOM变化不明显土地面积占比超过一半,为53.49%,ΔSOM增一级土地面积占比为10.09%,增二级以上的土地面积占比仅为1.87%,ΔSOM降一级的土地面积占比为26.78%,降两级以上的土地面积占比为7.76%。松嫩平原相对于三江平原,ΔSOM等级降低的面积比例较大,这可能与三江平原开垦时间相对松嫩平原较晚有关[15]。

表3   1980~2020年黑龙江省两大平原表层土壤(0~20 cm)ΔSOM变化统计

Table 3  Statistical characteristics of ΔSOM in surface soil (0~20 cm) in the two treat plains of Heilongjiang Province from 1980 to 2020

ΔSOM/10-3变化分级两大平原全域松嫩平原三江平原
面积/km2百分比/%面积/km2百分比/%面积/km2百分比/%
>40增四级38.30.0138.30.0200
30~40增三级190.80.0743.90.03146.90.16
20~30增二级4607.61.791550.90.953056.73.25
10~20增一级26000.710.0911133.96.8114866.815.82
-10~10不明显137768.953.4992388.156.4845380.548.28
-20~-10降一级68976.726.7846587.828.4822388.923.82
-30~-20降二级17273.16.719758.05.977515.28.00
-40~-30降三级2551.80.991923.21.18628.60.67
≤-40降四级163.20.06157.30.105.90.01

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2.3.2 SOM空间变化

图5为两个时期黑龙江省两大平原ΔSOM空间分布。1980~2020年,ΔSOM集中在(-10~10)×10-3级别变化不明显,主要分布在松嫩平原北部黑河、东部绥化和三江平原东部鸡西等地区。SOM降幅主要集中在(-20~-10)×10-3级别,下降的区域主要分布在松嫩平原齐齐哈尔、大庆、绥化西部和三江平原鹤岗、佳木斯西部等地区。降幅最大的区域(<-40×10-3)主要分布在松嫩平原嫩江流域沿岸齐齐哈尔—肇源一带。SOM增幅主要集中在(10~20)×10-3级别,以三江平原佳木斯东部、双鸭山中部等地区SOM增加最明显,松嫩平原SOM增加的区域分布较为零散,齐齐哈尔、大庆、绥化等地均有分布。

图5

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图5   1980~2020年黑龙江省两大平原表层土壤ΔSOM空间分布

Fig.5   Spatial distribution of SOM changes in surface soil in the two great plains of Heilongjiang Province from 1980 to 2020


2.3.3 不同土地利用方式SOM变化

第一次全国土地调查期间编制的黑龙江省土地利用现状图基本能够反映1980年当时两大平原的土地利用现状,本次研究以1980年两大平原土地利用现状作为基准,假设近40年来土地利用方式未发生变化,估算和统计两大平原主要土地利用方式SOM变化情况。两大平原土地利用方式主要是旱地、林地、未利用地、草地和水田,对这5种主要土地利用方式1980~2020年SOM含量等级变化特征进行统计,结果见表4。总体来看,近40年两大平原SOM呈下降的趋势,SOM下降面积是增加面积的2.84倍,不同土地利用方式都存在SOM下降。从不同土地利用方式SOM下降总面积来看,由高到低依次为:旱地>草地>林地>未利用地>水田,其中,旱地SOM下降面积52 509.9 km2,草地SOM下降面积10 825.7 km2。从不同土地利用方式SOM下降面积比例来看,由高到低依次为:草地>旱地>水田>未利用地>林地,其中草地、旱地SOM下降面积比例分别为45.56%和40.17%。SOM变化不明显的土地利用方式主要为林地,占比为68.73%,未利用地、水田SOM增加面积比例相对较大,分别为15.41%和13.69%。可见,草地和旱地是两大平原SOM下降的主要土地利用方式。

表4   1980~2020年两大平原不同土地利用方式表层土壤(0~20 cm)SOM含量等级变化特征统计

Table 4  Statistical characteristics of changes of SOM content levels in surface soil (0~20 cm) under different situation of land use in the two great plains from 1980 to 2020

土地利
用方式		变化分级增四级增三级增二级增一级不明显降一级降二级降三级降四级
ΔSOM/10-3>4030~4020~3010~20-10~10-20~-10-30~-20-40~-30≤-40
旱地面积/km250.74.31872.014235.662089.243361.78254.5871.422.3
比例/%0.720.0031.4310.8947.5033.176.320.670.02
林地面积/km205.21484.04483.236451.98197.62276.8123.410.8
比例/%00.012.808.4568.7315.464.290.230.02
未利用地面积/km231.3167.0671.24083.918120.25586.22613.8813.477.0
比例/%0.100.522.0912.7056.3417.378.132.530.24
草地面积/km26.214.3301.11814.910799.27542.62663.3583.436.4
比例/%0.030.061.277.6445.4531.7411.212.460.15
水田面积/km200202.6920.13817.12474.8771.714.50
比例/%002.4711.2246.5530.189.410.180

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2.3.4 不同土壤类型SOM变化

两大平原土壤类型主要是黑土、草甸土、暗棕壤、白浆土、沼泽土、黑钙土、风沙土和水稻土,对这8种主要土壤类型SOM含量等级变化特征进行统计,结果见表5。近40年来,不同土壤类型土壤总体上以SOM下降为主要特征,但SOM下降差异较大。不同土壤类型SOM下降面积比例由高到低依次为:风沙土58.58%、黑钙土50.43%、草甸土40.99%、黑土36.72%、水稻土31.95%、暗棕壤23.60%、白浆土22.11%、沼泽土12.95%。不同土壤类型SOM增加面积比例由高到低依次为:白浆土25.69%、水稻土14.70%、沼泽土12.31%、草甸土11.98%、暗棕壤10.99%、黑土8.20%、黑钙土7.39%、风沙土6.79%。沼泽土和暗棕壤SOM变化以不明显等级为主,不明显等级占比分别为74.45%和65.42%。

表5   1980~2020年两大平原主要土壤类型表层土壤(0~20 cm)SOM含量等级变化特征统计

Table 5  Statistical characteristics of changes of SOM content levels in surface soil (0~20 cm) of the main soil types in the two great plains from 1980 to 2020

土壤类型变化分级增四级增三级增二级增一级不明显降一级降二级降三级降四级
ΔSOM/10-3>4030~4020~3010~20-10~10-20~-10-30~-20-40~-30≤-40
草甸土面积/km27.411.61629.18589.640202.226114.77539.91299.286.5
比例/%0.010.011.9110.0547.0330.558.821.520.10
暗棕壤面积/km2001284.43925.431018.98608.82489.385.05.1
比例/%002.718.2865.4218.165.250.180.01
黑土面积/km200298.93112.922914.513545.21645.591.00
比例/%000.727.4855.0732.553.950.220
白浆土面积/km200591.95525.812433.44175.51070.919.80
比例/%002.4923.2052.2017.534.500.080
沼泽土面积/km229.829.1546.32107.016480.52348.1422.783.61.1
比例/%0.140.132.489.5674.7510.651.920.380.01
黑钙土面积/km20052.41530.99024.49181.81381.4223.62.5
比例/%000.247.1542.1842.916.461.050.01
风沙土面积/km21.14.213.8354.41906.42058.5932.0201.831.4
比例/%0.020.080.256.4434.6437.4016.943.670.57
水稻土面积/km20062.7461.91905.2810.4330.100
比例/%001.7612.9453.3622.709.2500

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2.4 SOM流失程度分布

人为、气候、植被、地形、土壤类型以及地质条件等多重因素影响着SOM含量及其变化,因此,我们将因各种因素造成的土壤SOM含量减少称之为SOM流失[16]。

2.4.1 不同土壤类型SOM流失分布

不同土壤类型由于形成条件差异较大,土壤中SOM含量也有较大差异。黑龙江省两大平原各种土壤类型SOM较第二次土壤普查时期均有不同程度的流失,类似泥炭土、沼泽土、火山灰、暗棕壤等原始SOM含量较高的土壤类型,其SOM流失量和流失率也较大。由于不同土壤类型所占面积比例不同,用单一的SOM流失率尚不能完全反映出该土壤类型SOM流失对两大平原全域的贡献大小,为解决这一问题,引入SOM面积流失率这一概念,即:面积流失率=面积×流失率。以两大平原为整体,用各土壤类型面积流失率占比(流失贡献率)来衡量该类型SOM流失对两大平原SOM流失的贡献。

表6为1980~2020年两大平原主要土壤类型SOM流失特征统计。从流失率来看,沼泽土的流失率最高,达到-44.68%,黑土、风沙土的流失率较低,仅为-5.56%和-3.33%。从流失贡献率来看,两大平原SOM流失贡献率由高到低土壤类型依次为:草甸土(44.14%)、沼泽土(18.65%)、暗棕壤(18.08%)、白浆土(6.54%)、黑钙土(5.86%)、黑土(4.38%)、水稻土(2.00%)和风沙土(0.35%)。由此可见,沼泽土是两大平原SOM流失程度最高的土壤类型,草甸土SOM流失贡献率高达44.15%,是两大平原SOM流失贡献最多的土壤类型。

表6   1980~2020年两大平原主要土壤类型表层土壤(0~20 cm)SOM流失特征统计

Table 6  Statistics on the characteristics of SOM content loss in surface soil (0~20 cm) of the main soil types in the two great plains from 1980 to 2020

土壤类型面积/km21980年2020年流失量/
10-3		流失率/%面积流失率流失贡献率/%
样本数平均值/
10-3		样本数平均值/
10-3
草甸土85480.31230851.72166037.6-14.1-27.27-2331047.844.14
暗棕壤47416.9390263.61231150.8-12.8-20.13-954502.218.08
黑土41608.01486943.21045140.8-2.4-5.56-231340.54.38
白浆土23817.3355550.3609943.0-7.3-14.51-345589.06.54
沼泽土22048.2732105.2555458.2-47.0-44.68-985113.618.65
黑钙土21397.0691633.2536328.4-4.8-14.46-309400.65.86
风沙土5503.689215.0136914.5-0.5-3.33-18327.00.35
水稻土3570.3105552.590737.0-15.5-29.52-105395.32.00

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2.4.2 各市县SOM流失分布

黑龙江省两大平原SOM流失(SOM减少量≥1×10-3)面积达88 964.8 km2,占研究区总面积的34.54%。对研究区涉及的70个市县所属土地SOM流失面积及其占调查面积的比例进行统计,将SOM流失面积比例超过30%的42个市县统计结果列表如下。由表7可见,SOM流失面积占调查总面积40%以上的有30个市县,SOM流失面积占调查总面积50%以上的有19个市县,望奎县、肇源县和大庆市SOM流失面积占调查面积72.11%以上,是两大平原SOM流失最严重的市县。

表7   1980~2020年两大平原主要市县表层(0~20 cm)SOM流失面积及所占比例统计

Table 7  Statistics of SOM content loss area and proportion in surface soil (0~20 cm) in the main cities and counties in the two great plains from 1980 to 2020

市区县流失面积/km2调查面积/km2比例/%市区县流失面积/km2调查面积/km2比例/%
望奎县1853.72316.980.01宾县县1503.33263.246.07
肇源县3037.14148.073.22密山市3422.77491.745.69
大庆市3645.25055.372.11桦南县1438.83215.544.75
杜蒙县4219.46041.469.84富裕县1738.94003.543.43
佳木斯市1305.21895.168.87林甸县1487.43493.842.57
绥宾县2156.63344.164.49萝北县1602.93788.242.31
汤原县1329.22167.361.33鸡西市823.71992.141.35
依安县2210.63679.360.08嘉荫县1235.53051.740.49
泰来县2311.33918.558.98鸡东县1109.72770.440.06
明水县1347.22297.858.63甘南县18714778.239.16
肇东市2514.14327.058.10木兰县794.82057.038.64
巴彦县1786.53139.856.90集贤县698.91838.538.01
讷河市3721.76559.356.74哈尔滨市637.71746.336.52
齐齐哈尔市2315.14156.355.70七台河市591.71634.136.21
依兰县1708.23214.053.15青岗县937.62680.434.98
兰西县1296.02484.852.16呼兰区912.62615.634.89
龙江县3058.65888.451.94五常市1427.44112.234.71
林口县1898.43669.151.74勃力县989.42860.634.59
桦川县1091.02151.550.71牡丹江市377.11091.034.56
绥化市1356.92753.049.29肇州县816.92445.233.41
克山县1554.03190.448.71双鸭山市104.9327.332.05

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3 讨论

本文基于黑龙江省第二次土壤普查与土地质量地球化学调查所获取的土壤样本实测数据来反映近40年黑龙江两大平原表层SOM时空变化规律。与姜蓝齐等[9]通过对近40年松嫩平原0~10 cm农田土壤有机碳密度(SOCD)进行估算后,认为松嫩平原SOCD呈下降趋势,平均减少0.19 kg/m2的结论相符;与刘国栋等[17]对三江平原1980~2010年表层(0~20 cm)SOC储量变化进行研究,得出SOC储量30年减少了293. 07 Tg,下降45.70%的结论也基本一致。以往诸多学者对松嫩平原、三江平原的SOC和SOM时空变化进行研究,多是基于二期数据进行对比分析,虽然在土壤深度、研究区范围、研究方法等方面存在一定的差异,但对于两大平原而言,均得出SOM下降的结论[18⇓⇓-21]。本次研究采用黑龙江省第二次土壤普查编制的SOM含量等级图作为SOM变化的基准图件,但这样对SOM初始值极高或极低区SOM变化失去了对比参照的具体数据,也就意味着当SOM含量大于40×10-3的一等土地或SOM含量小于10×10-3的五等土地,无论原始SOM含量有多高或多低,只要本次分析测试结果SOM含量仍然大于40×10-3或小于10×10-3,就认为没有发生SOM流失,这将会在一定程度上低估了SOM原始含量特高或特低地区实际SOM的流失程度。

无论从SOM含量变化参数统计结果还是从SOM等级面积性变化统计特征来看,两大平原SOM大量流失已经是一个确凿的事实。受GIS空间分析的局限性,将SOM含量变化区间在(-10~10)×10-3的土地定为SOM变化不明显的土地,这可能会增大SOM含量变化不明显的区域面积。本次研究以1980年两大平原土地利用方式作为基准,统计了不同土地利用方式下SOM变化特征,但该方法的理论前提是假设40年来土地利用方式不发生变化,但实际上自第二次土壤普查以来,两大平原土地利用方式发生了较大的变化。尽管研究方法上存在一定的局限性,但本次研究旨在从不同角度全面、系统地反映黑龙江省两大平原40年尺度下SOM的时空变化特征规律,而不是作为SOM变化的预测模型,故而具有一定的参考和学术价值。

从SOM下降面积比例来看,草地和旱地是SOM下降的主要土地利用方式,风沙土是SOM下降的主要土壤类型。草地SOM下降受气候变化和人类活动双重影响,随着温室效应的加剧,土壤温度升高、微生物活动频繁,加速了SOC的分解;另一方面,过度放牧导致地表植被覆盖度下降,土壤易发生风蚀和水蚀,引发土壤退化。旱地SOM下降明显与旱地所占面积比例最大有一定的关系,再者,不合理的耕作方式也是旱地SOM下降的主要原因,相对于水田,旱地土壤更容易受地表径流引起的水土流失。风沙土主要集中分布在松嫩平原大庆地区,该区土壤多呈碱性,盐分含量高,初始SOM含量低,随着生态环境的日益恶化加剧了SOM的流失。草甸土对两大平原SOM流失贡献率最高,这主要是因为草甸土是两大平原面积最大的土壤类型,占研究区总面积的33.77%,单从流失率来看,草甸土属于中等水平,沼泽土的SOM流失率更高,达到了-44.68%。望奎县、肇源县和大庆市SOM流失面积占比超过72.11%,这为两大平原SOM流失防治重点提供了有利依据。

4 结论

1)近40年来,两大平原SOM总体呈下降趋势,平均值下降5.68×10-3,SOM一等土地面积明显减少,其他等级SOM面积均有增加;SOM变化不明显等级面积占比53.49%,SOM下降以降一级和降二级为主,SOM增加以增一级为主,松嫩平原比三江平原SOM下降面积比例大。

2)松嫩平原SOM变化呈东北增加、西南减少的空间分布格局,三江平原SOM变化空间分布上呈东增西减的趋势,SOM降幅最大的区域主要分布在嫩江流域沿岸齐齐哈尔—肇源一带,增幅最大的区域主要分布在佳木斯东部和双鸭山中部等地区。

3)不同土地利用方式SOM下降面积比例由高到低依次为:草地>旱地>水田>未利用地>林地;不同土壤类型SOM下降面积比例由高到低依次为:风沙土>黑钙土>草甸土>黑土>水稻土>暗棕壤>白浆土>沼泽土。

4)沼泽土是两大平原SOM流失程度最高的土壤类型,草甸土是两大平原SOM流失贡献最多的土壤类型;望奎县、肇源县和大庆市是两大平原SOM流失最严重的市县,应采取有效措施来缓解黑土有机质流失的问题。

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