張興義，隋躍宇，宋春雨

(中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所中國科學(xué)院黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室，黑龍江哈爾濱150081)

東北典型黑土以富含有機質(zhì)潛在肥力高而著稱，主要分布于大小興安嶺及長白山向松嫩平原過渡的漫川漫崗區(qū)域，南起遼寧省昌圖北至內(nèi)蒙古大興安嶺東麓，沿沈陽－長春－哈爾濱－北安鐵路呈條帶分布，長900 余km，寬200 km 左右，總面積700 余萬hm2，即為東北著名的黑土帶［1］。土地集中連片，土壤肥沃，氣候適宜，墾殖率高達70%以上，成為我國最大商品糧基地的核心區(qū)域［2］。黑土的原始植被多為草甸草原，開墾為農(nóng)田后，原有的天然植物群落與土壤之間的物質(zhì)循環(huán)平衡遭到破壞，加之掠奪式農(nóng)業(yè)經(jīng)營，多年積累的有機物質(zhì)，處于被分解消耗的過程中，黑土發(fā)生了嚴重退化，土壤肥力降低，嚴重威脅了區(qū)域的糧食生產(chǎn)能力和生態(tài)安全［3］。因此黑土退化問題成為關(guān)注的熱點和急需解決的問題［2］。已有的研究主要采用在某個小區(qū)域內(nèi)測定草地及不同開墾年限的農(nóng)田土壤有機質(zhì)含量來確定黑土退化過程［4－5］，結(jié)果反映是某個特定區(qū)域的黑土質(zhì)量變化，同時受不同地塊開墾前土壤有機質(zhì)含量的本底差異的影響，結(jié)果具有局限性。研究通過黑土帶全區(qū)域采樣調(diào)查，從空間區(qū)域尺度分析黑土退化過程，可客觀揭示黑土退化的過程及其總體趨勢，旨在為黑土退化認知和黑土農(nóng)田耕地保育提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域為黑龍江省農(nóng)田黑土主分布區(qū)，主要分布在濱北、濱長鐵路沿線的兩側(cè)，北界直到內(nèi)蒙古交界、南界由雙城、五常一帶延伸到吉林省，西界與松嫩平原的黑鈣土和鹽漬土接壤，東界則可延伸到小興安嶺。位于北緯45°10'～49°38'，東經(jīng)124°55'～132°30'，東西長234 km，南北長486 km。地形大都是在現(xiàn)代新構(gòu)造運動中間歇上升，并受不同程度切割的高平原和山前洪積平原，多為波狀起伏的漫崗地，坡度多為1°～5°。地勢東北部略高，向南、西傾斜，海拔370 m～120 m，轄23 個市縣，松花江和嫩江流經(jīng)該區(qū)域。農(nóng)田黑土面積385.2 hm2，由北向南依次為厚層黑土(黑土層60 cm～100 cm)、中層黑土(黑土層20 cm～60 cm)、薄層黑土(黑土層厚度小于20 cm)。年平均氣溫為0.4 ℃～3.5 ℃，年降雨量為400 mm～600 mm，年有效積溫1 600 ℃～2 700 ℃。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集及化驗分析。參照黑龍江省土壤圖，利用GPS 定位，沿主要公路，在全區(qū)黑土農(nóng)田不規(guī)則取樣。在每個點位，選取有代表性的農(nóng)田，采集耕層(0～20 cm)5 點土壤，充分混合后裝袋，共采集土樣636 個。所有樣品經(jīng)風(fēng)干、剔除雜質(zhì)、研磨、過100 目篩后，用于氮磷鉀含量分析。

樣品的氮、磷、鉀的全量及有效含量的測定參照魯如坤主編的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》［6］。

土壤有機質(zhì)和全量氮含量用意大利產(chǎn)FlashEA1112 型元素分析儀測定。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析。①樣品的描述性分析采用SPSS10.0 軟件包。②開墾歷史:由各縣市縣志、土壤志和統(tǒng)計年鑒獲取。③開墾前土壤有機質(zhì)含量:利用所在區(qū)域縣市土壤志獲取。④1982 年土壤養(yǎng)分含量:利用第二次土壤普查數(shù)據(jù)及所在區(qū)域縣市土壤志獲取。⑤黑土退化過程:以縣域和省域黑土區(qū)為單元，以開墾前草地為起點，2002 年為結(jié)點。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田黑土養(yǎng)分狀況

為了闡明黑土退化過程，首先要摸清農(nóng)田黑土土壤肥力現(xiàn)狀。于2002 年9 月－11 月秋收后，根據(jù)黑土的分布情況，選擇由北向南的典型地塊，對黑龍江省農(nóng)田黑土進行大樣點調(diào)查。以縣域為單元，黑龍江省整個黑土區(qū)養(yǎng)分現(xiàn)狀為:土壤有機質(zhì)平均為38.9 g·kg－1，變化范圍為23.8 g·kg－1～73.7 g·kg－1;全氮平均含量為2.3 g·kg－1，變化范圍1.7 g·kg－1～3.7 g·kg－1;全磷平均含量為0.6 g·kg－1，變化范圍0.4 g·kg－1～1.0 g·kg－1;全鉀平均含量為19.3 g·kg－1，變化范圍為17.7 g·kg－1～21.2 g·kg－1;堿解氮平均含量為192.2 mg·kg－1，變化范圍為125.5 mg·kg－1～313.2 mg·kg－1;有效磷平均含量為25.7 mg·kg－1，變化范圍為13.7 mg·kg－1～54.2 mg·kg－1;有效鉀平均含量為163.6 mg·kg－1，變化范圍為116.7 mg·kg－1～243.5 mg·kg－1，見表1。土壤有機質(zhì)呈北高南低的分布，主要是由于黑土為地帶性土壤，受氣候影響大，開墾前(原始草地)土壤有機質(zhì)就呈由北向南降低的趨勢分布。北部嫩江縣、五大連池市和北安市農(nóng)田土壤有機質(zhì)平均含量仍高于5%，而南部的部分市縣已不足3%。土壤全氮含量雖與土壤有機質(zhì)含量成極顯著相關(guān)［7］，變化趨勢與土壤有機質(zhì)相同，但變化幅度較土壤有機質(zhì)含量小。全磷含量多在0.6 g·kg－1左右，全鉀含量多在20 mg·kg－1左右，均未呈地帶性分布，全磷含量受土壤自身含量、施肥量和種植作物等多重影響，而全鉀是受黑土母質(zhì)為富含鉀的黃土狀亞黏土的影響，總體較為均勻。有效養(yǎng)分除堿解氮略呈南北變化趨勢外，有效磷和有效鉀無空間分布規(guī)律，主要受施肥影響。

表1 以縣為單位農(nóng)田黑土肥力現(xiàn)狀統(tǒng)計結(jié)果(2002)Tab.1 Statistic result of the fertility of arable Mollisols

同全國其他區(qū)域的農(nóng)田土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量相比，黑龍江省農(nóng)田黑土仍然是最高的，但同時也是下降速度最快的［8］。

2.2 農(nóng)田黑土退化過程

2.2.1 縣域尺度黑土養(yǎng)分的變化。依據(jù)黑龍江省黑土區(qū)各縣土壤志、第二次土壤普查資料、2002 年采集黑龍江省黑土各縣農(nóng)田黑土樣品的測定結(jié)果，歸納為表2。黑龍江省黑土開墾前土壤有機質(zhì)含量以北部的最高，在100 g·kg－1～150 g·kg－1，南部略低，在65 g·kg－1～110 g·kg－1。第二次土壤普查到2002 年20 a的時間里，各縣總體而言土壤有機質(zhì)略有下降，個別縣市略有增加。下降最大的縣市有海倫市、克山縣、巴彥縣，分別下降了11.8 g·kg－1、11.3 g·kg－1、11.9 g·kg－1，平均每年約下降0.585 g·kg－1，年均下降速率高達13.5‰。這3 個縣市都是水土流失較嚴重的縣市，因此可以說水土流失是導(dǎo)致該階段土壤退化的主要因素。變化非常小的縣市主要有嫩江縣、慶安縣、五?？h、依安縣，分別下降了1.0 g·kg－1、1.1 g·kg－1、1.9 g·kg－1、1.6 g·kg－1，平均每年約下降0.07 g·kg－1。這比第二次土壤普查時的平均年下降速度0.1 g·kg－1～0.34 g·kg－1要低的多。

2002 年，在黑龍江省黑土帶上的23 個市縣中，有12 個縣市土壤全氮含量較第二次土壤普查時的含量降低，主要發(fā)生在第二次土壤普查全氮含量較高的市縣中，降低最多的兩個縣為綏棱縣和呼蘭縣，20 a中平均每年降低0.0325 g·kg－1。其余11 個縣市土壤全氮含量不但沒降低，還略有上升，主要發(fā)生在第二次土壤普查全氮含量較低的市縣中，其中以哈爾濱市增加的最多，平均每年增加0.044 g·kg－1。

土壤全磷含量除賓縣、五常縣、哈爾濱市、青岡縣、克山縣、望奎縣略有增加外，其余各市縣均降低。這與我國大部分土壤全磷含量由于施入土壤中的磷肥大部分被固定而致使土壤全磷含量增加的趨勢不一致，主要是由于黑土中的磷約有三分之二的磷以有機態(tài)存在，而其它土壤多以無機態(tài)存在不同。據(jù)黑龍江省農(nóng)科院土肥所1983 年－1985 年的田間實驗結(jié)果，施入黑土農(nóng)田中的磷只有13%被固定，因此磷肥施用對農(nóng)田黑土的全磷含量的影響遠不如對我國中原土壤的影響。目前磷肥的施用量還不能使黑土農(nóng)田的磷素達到平衡。降低最大的市縣有依安縣、呼蘭縣、五大連池市、海倫市，在第二次土壤普查時該4 市縣土壤全磷含量均較高，20 a 間全磷含量年平均減少0.012 8 g·kg－1。

表2 以縣為單位農(nóng)田黑土有機質(zhì)隨開墾年限的變化Tab.2 Dynamic of soil organic matter content after reclamation

土壤全鉀含量有一半縣市在下降，且同土壤有機質(zhì)、全氮、全磷的含量下降數(shù)量相比，土壤全鉀下降的數(shù)量僅次于土壤有機質(zhì)，20 a 鉀素年平均減少0.160 g·kg－1。主要是由于土壤鉀是不可再生元素，長期重氮磷肥的施用，輕鉀肥，致使鉀素過度消耗，通過收獲物大量移出農(nóng)田所致。哈爾濱市鉀素下降量最大也說明了這一點，20 a 鉀素年平均減少0.295 g·kg－1。

2.2.2 省域尺度土壤有機質(zhì)演變。為了闡明黑土退化過程，選取占典型黑土面積總量70%的黑龍江省農(nóng)田黑土有機質(zhì)含量變化加以研究。綜合前人的研究結(jié)果，結(jié)合各縣和黑龍江省土壤志以及第二次土壤普查結(jié)果，以開墾為起點，2002 年區(qū)域采樣測定結(jié)果為結(jié)點，以土壤有機質(zhì)為指標(biāo)，歸納為黑土的退化過程及強度如圖1 所示。黑龍江省黑土開墾前土壤有機質(zhì)含量在80 g·kg－1～100 g·kg－1，變化范圍為65 g·kg－1～150 g·kg－1。在最初的開墾后20 a 里，土壤有機質(zhì)約下降了30%，之后下降速度逐漸變緩，主要是由于活性組分含量逐漸降低;在開墾年限達到80 a 以后，年下降速度低于2‰，最后進入緩慢下降和相對平衡階段，土壤有機質(zhì)的演變方向取決于黑土農(nóng)田的輸入和獲取量，既可能由于輸入的不足，造成黑土進一步退化，也可能由于人們重視土壤培肥，增加農(nóng)田的輸入，使黑土向培肥方向發(fā)展。2002 年黑龍江省典型黑土區(qū)農(nóng)田黑土土壤有機質(zhì)平均含量為38.9 g·kg－1，開墾后黑土有機質(zhì)已下降了約60%。從第二次土壤普查起的20 a 間，農(nóng)田黑土土壤有機質(zhì)仍以年平均5‰的速率在下降，表明黑土退化不容忽視，如不加以及時保育，勢必要降低黑土農(nóng)田生產(chǎn)力。孟凱依據(jù)黑土退化的強度，將黑土退化分為退化的初級階段、退化的發(fā)展階段和退化的危機階段3 個階段。處于發(fā)展階段的主要集中在北部，中部多處于發(fā)展階段，南部及中部水土流失嚴重的縣市處于危機階段［9］。

圖1 黑土有機質(zhì)隨開墾年限下降過程Fig.1 The decline process of soil organic matter content after reclamation

土壤有機質(zhì)的演變方向取決于黑土農(nóng)田的輸入和獲取量，既可能由于輸入的不足，造成黑土進一步退化，也可能由于人們重視土壤培肥，增加農(nóng)田的輸入，使黑土向培肥方向發(fā)展。第二次土壤普查到2002 年20 a 間，拜泉縣、哈爾濱市、雙城市、青岡縣、阿城市，分別上升了14.0 g·kg－1、5.6 g·kg－1、1.7 g·kg－1、1.1 g·kg－1、0.8 g·kg－1，平均每年約上升了0.232 g·kg－1，拜泉縣提升的最多。拜泉縣是國家生態(tài)治理的重點縣之一，是黑土區(qū)近些年來國家、省、地方政府生態(tài)治理投入資金最大的縣，經(jīng)過20多a 的生態(tài)治理生態(tài)環(huán)境大為改觀，土壤養(yǎng)分正在上升，為黑土區(qū)持續(xù)發(fā)展的成功代表。哈爾濱市農(nóng)田黑土地處郊區(qū)，主要是保護地種植，每年有機肥和化肥的投入量是非常大的，土壤養(yǎng)分狀況也向好的方向發(fā)展。雙城市和阿城市為黑土區(qū)開墾年限最長的縣市，長的已達150 a～200 a，已進入平衡穩(wěn)定期，由于近些年來增大了化肥的投入，使輸入大于了輸出，土壤養(yǎng)分也向好的方向發(fā)展。該結(jié)果表明通過增加退化黑土農(nóng)田的投入或生態(tài)保育，可遏止黑土退化，提升農(nóng)田質(zhì)量。

3 討 論

黑土退化過程。以往對黑土退化過程的研究以汪景寬2000 年在黑龍江省北安的調(diào)查最為代表，測定了開墾的年限分別為0 (荒地)、5a、10 a、20 a、40 a、60 a 和100 a 0～20 cm 表層黑土有機質(zhì)含量，得出開墾20 a、40 a 和100 a 較開墾前分別下降了48%、54%和67%［4］。得出退化過程趨勢一致、有機質(zhì)下降速度略高于本區(qū)域研究的調(diào)查結(jié)果，由于在不同地塊的結(jié)果放在一時間序列比較，可能存在的地塊間的土壤差異，對結(jié)果造成影響。此外，汪景寬等的研究為黑龍江省北安市一個小區(qū)域(點)的調(diào)查結(jié)果，區(qū)域上存在局限性。

黑土有機碳相對穩(wěn)定性。開墾后黑土有機碳前期快速下降，爾后下降速度逐漸降低，已在國內(nèi)外形成共識。這個過程約需100 a 以上的時間，關(guān)鍵是在此之后會再朝何方向發(fā)展。綜合國內(nèi)外研究成果和本研究結(jié)果，可歸納為三個方向。一是在管理總體不變的情況下，在某一氣候區(qū)，黑土碳趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)，只是年際有小的波動，總體不變。于君寶等2004 年通過對未開墾的荒地(開墾0)、開墾5 a、20 a、30 a、40 a、50 a、100 a、130 a 和200 a 的典型農(nóng)田黑土有機碳調(diào)查得出開墾130 a 后其含量基本維持在同一水平而不再下降，每年腐殖化形成有機碳的數(shù)量與礦化有機碳數(shù)量相近，達到平衡狀態(tài)［5］。二是土壤有機碳進一步下降，向不可逆轉(zhuǎn)的方向發(fā)展，主要發(fā)生在水土流失嚴重的區(qū)域，黑土層因侵蝕逐漸被剝離，最終消失呈“破皮黃”［10］。三是呈緩慢上升趨勢，主要是隨著向農(nóng)田中的投入增加，諸如增加化肥、有機肥和秸稈還田等，是退化黑土朝培育的方向發(fā)展。

東北農(nóng)田黑土退化嚴重，且仍呈發(fā)展的趨勢，但通過耕地保育和生態(tài)治理，黑土退化可被緩解或遏止，嚴重退化的也可被培肥。

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