馬富亮, 符素華,2, 羅廣惠

(1.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 100875; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 3.北京市一六五中學(xué), 北京 100010)

東北典型黑土區(qū)坡耕地澇漬地土壤化學(xué)性狀

馬富亮1, 符素華1,2, 羅廣惠3

(1.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 100875; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 3.北京市一六五中學(xué), 北京 100010)

中國(guó)東北典型黑土區(qū)是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，對(duì)我國(guó)糧食安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定起到舉足輕重的作用。作為土壤退化的一種特殊形式，澇漬地嚴(yán)重影響著墾區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在東北典型黑土區(qū)坡面澇漬地及其周圍正常耕地中布設(shè)采樣點(diǎn)，測(cè)定了土壤氧化還原性及相關(guān)指標(biāo)，以揭示坡耕地澇漬土壤與其周圍耕種土壤化學(xué)性質(zhì)的差異，得出澇漬土壤所具有的特殊化學(xué)性狀。結(jié)果表明：澇漬土壤與耕種土壤化學(xué)性質(zhì)差異顯著。澇漬土壤屬于酸性土壤，pH值為5.53，顯著低于耕種土壤，有機(jī)質(zhì)含量較高，且越接近澇漬地中心土壤有機(jī)質(zhì)含量越高。澇漬土壤Eh顯著低于耕種土壤，空間變異范圍較大，但還沒(méi)有達(dá)到強(qiáng)度還原狀態(tài)。澇漬土壤在長(zhǎng)期淹水條件下，大量的Fe3+、一部分高價(jià)錳被迅速還原，與耕種土壤相比，澇漬土壤還原性物質(zhì)總量較高，高出20倍多，亞鐵含量高出12倍還多，二價(jià)錳含量高出約10倍。

黑土區(qū); 坡耕地; 澇漬地; 土壤性狀

中國(guó)東北典型黑土區(qū)是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，對(duì)我國(guó)糧食安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定起到舉足輕重的作用[1]。作為土壤退化的一種特殊形式，澇漬地廣泛分布于東北黑土區(qū)的農(nóng)田耕地中，嚴(yán)重影響著墾區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。我國(guó)共有3 207萬(wàn)hm2澇漬地[2-3]，僅黑龍江省黑河市嫩江縣鶴山農(nóng)場(chǎng)鶴北小流域中的澇漬地面積就占整個(gè)流域面積的4%左右[4]。黑土區(qū)澇漬土壤由于濕度過(guò)大阻礙了農(nóng)機(jī)耕作的連續(xù)性，嚴(yán)重降低了土地利用效率[5-6]。因此，針對(duì)我國(guó)人口眾多、糧食安全壓力巨大的現(xiàn)狀，研究黑土區(qū)澇漬地土壤性狀，提出和實(shí)施有效的治理措施，挖掘單位耕地面積的生產(chǎn)力潛力顯得尤為重要。

根據(jù)前人[7-11]的研究成果可知，與正常耕地相比，澇漬地土壤具有獨(dú)特的性質(zhì)。澇漬地長(zhǎng)期水分飽和的土壤環(huán)境，為土壤成分間發(fā)生氧化還原反應(yīng)提供了必要條件，也是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、產(chǎn)生新物質(zhì)的場(chǎng)所。川口桂三郎[12]認(rèn)為淹水或水分飽和條件下，大氣和土壤之間氣體交換受阻，氧氣只能通過(guò)分子的形式擴(kuò)散進(jìn)入土壤，但分子態(tài)的氧在水中的擴(kuò)散速度非常低，土壤表現(xiàn)出強(qiáng)烈的還原性；徐瑞瑚等[13]對(duì)江漢平原澇漬地的研究結(jié)果表明，澇漬地土壤在低溫、積水和缺氧條件下，氧化還原電位降低，并且有機(jī)質(zhì)在分解過(guò)程中產(chǎn)生大量有機(jī)酸、硫化氫、亞鐵、亞錳等侵害作物根系的有毒物質(zhì)。一般，旱地中還原性物質(zhì)是測(cè)不出來(lái)的，土壤灌水后，還原性物質(zhì)含量會(huì)逐漸增加，還原性物質(zhì)的含量變化受到Eh的控制，還與有機(jī)質(zhì)含量、pH值、淹水時(shí)間等有關(guān)[14]。

綜上所述，前人對(duì)澇漬土壤化學(xué)性質(zhì)的研究主要集中在水田或地勢(shì)相對(duì)低平和低洼、地下水位高且排水條件較差的區(qū)域，對(duì)于分布于坡面、居于坡中位置的澇漬地研究較少，并且對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)研究大部分拘泥于一個(gè)或少許常規(guī)指標(biāo)，幾乎沒(méi)有較全面的研究，尤其是對(duì)氧化還原狀態(tài)及相關(guān)指標(biāo)缺少系統(tǒng)的研究，況且，由于研究區(qū)域差異較大，前人得出的關(guān)于澇漬土壤性質(zhì)的研究結(jié)論只能借鑒，不能夠完全照搬照用。本文在東北黑土區(qū)坡面澇漬地及其周圍正常耕地中布設(shè)采樣點(diǎn)，測(cè)定耕層土壤氧化還原狀態(tài)及相關(guān)化學(xué)指標(biāo)，比較分析澇漬地土壤與其周圍耕種土壤的差異性，明確該類澇漬地土壤所具有的特殊性質(zhì)，為該類澇漬地的治理后再利用提出切實(shí)可行的實(shí)施方案服務(wù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選在黑龍江省九三農(nóng)墾分局鶴山農(nóng)場(chǎng)境內(nèi)的鶴北小流域。鶴北小流域位于鶴山農(nóng)場(chǎng)場(chǎng)部東北方向，地理位置為48°59′3.37″—49°02′35.7″N，125°15′45.71″—125°20′46.79″E。整個(gè)流域又被9條支溝分為9個(gè)次級(jí)小流域，其中主溝道以西有4條支溝，由南至北將次一級(jí)小流域依次編號(hào)為1，2，3，4號(hào)小流域；主溝道以東有5條支溝，由北至南依次編號(hào)為5，6，7，8，9號(hào)小流域。本研究對(duì)鶴北小流域內(nèi)的坡面澇漬地進(jìn)行了大量的實(shí)地調(diào)查，得到鶴北小流域澇漬地空間分布圖(圖1)，并在坡面澇漬地分布比較集中的7號(hào)和8號(hào)流域選取典型的坡面澇漬地作為研究對(duì)象。

圖1鶴北小流域澇漬地空間分布

研究區(qū)地處大興安嶺南麓，海拔150～383 m。坡崗平緩，坡長(zhǎng)較長(zhǎng)，被當(dāng)?shù)厝朔Q為“漫川漫崗”，屬于典型黑土區(qū)。研究區(qū)為寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬夏氣溫相差比較懸殊。因受季風(fēng)和高緯度影響，全年冷熱、干濕季節(jié)劃分明顯，春季干燥少雨，夏秋兩季濕潤(rùn)多雨且晝夜溫差較大，冬季寒冷漫長(zhǎng)。年平均氣溫-1.5～0.4℃，年內(nèi)溫差變化大，夏季最熱月份為7月，平均氣溫為20.8℃，冬季最冷月份為1月，平均氣溫為-22.5℃。年日照時(shí)間為2 550～2 700 h，全年無(wú)霜期115 d左右。年均降雨量約為470 mm，多集中于6—9月。該區(qū)土壤沉積物主要為第三紀(jì)和第四紀(jì)的砂粒及黏土層，一般呈黃色或紅色。主要土壤類型為黑土，在黑土開墾以前，其自然植被為草原化草甸植物。本研究中供試土壤0—20 cm土層砂粒、粉粒和黏粒含量分別為20.20%，37.14%和42.66%，土壤質(zhì)地為黏土，pH值5.67，有機(jī)質(zhì)含量為5.04%。

1.2 觀測(cè)方法

1.2.1 樣點(diǎn)布設(shè) 通過(guò)野外調(diào)查，在鶴北小流域7號(hào)，8號(hào)流域不同坡面上選取5塊典型澇漬地LZD7-3，LZD8-1，LZD8-3，LZD8-4，LZD8-6進(jìn)行土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定，圖1中顏色較深的為選定的要研究的坡面澇漬地。在選定坡面澇漬地和與其相鄰的坡耕地內(nèi)按照“十”字形進(jìn)行布點(diǎn)取樣。圖2為其中一組坡面澇漬地與坡耕地采樣點(diǎn)分布圖，縱坡方向上，自坡上的耕地穿過(guò)澇漬地中心到坡下的耕地，共布5個(gè)點(diǎn)：分別命名為Z1，Z2，J3，Z4，Z5。橫坡方向上，面對(duì)坡上，自左側(cè)坡耕地穿過(guò)澇漬地中心到右側(cè)的坡耕地布點(diǎn)，分別命名為H1，H2，J3，H4，H5，二者交于坡面澇漬地的中心位置點(diǎn)J3。其中Z2，J3，Z4，H2，H4為澇漬地內(nèi)的點(diǎn)，Z1，Z5，H1，H5為坡耕地內(nèi)的點(diǎn)，每組坡面澇漬地與坡耕地布9個(gè)采樣點(diǎn)，5組共45個(gè)采樣點(diǎn)。

圖2LZD8-3土壤養(yǎng)分采樣點(diǎn)圖

1.2.2 土樣采集與樣品測(cè)定 在各采樣點(diǎn)耕層土壤中用取土鏟取土，放入已編號(hào)的塑封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室，土樣經(jīng)風(fēng)干、研磨、過(guò)篩后用四分法取樣測(cè)定土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量。土壤pH值用電位法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀容量法測(cè)定。測(cè)定方法根據(jù)土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[15]以及北京師范大學(xué)分析測(cè)試中心資料進(jìn)行。

在采樣點(diǎn)耕層土壤中用木質(zhì)鏟子采集鮮土樣和鋁盒樣(用于測(cè)定同期土壤含水量)，將采回的鮮土樣帶回實(shí)驗(yàn)室直接放入冰箱(4℃)內(nèi)保存，待測(cè)定時(shí)用四分法取樣測(cè)定還原性物質(zhì)總量、亞鐵、二價(jià)錳含量。還原性物質(zhì)總量用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定，亞鐵的測(cè)定用鄰菲羅啉比色法測(cè)定，二價(jià)錳的測(cè)定用高碘酸鉀比色法測(cè)定，測(cè)定方法根據(jù)土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[15]進(jìn)行。

土壤氧化還原電位Eh用FJA-5型氧化還原電位去極化法全自動(dòng)測(cè)定儀進(jìn)行原位測(cè)定。由于Eh變異較大，每個(gè)采樣點(diǎn)測(cè)定需7～9次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)軟件(Excel，SPSS等)和Origin軟件對(duì)測(cè)定的土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH值和有機(jī)質(zhì)

澇漬土壤與其相鄰農(nóng)田耕種土壤的pH值及有機(jī)質(zhì)含量均存在顯著差異(表1)，pH值平均值分別為5.53，5.71，屬于偏酸性土壤，這與于君寶[16]和唐羅忠[17]等的研究結(jié)果相似。澇漬土壤的水分含量過(guò)大，長(zhǎng)期處于淹水條件，土壤中缺少氧氣，土壤有機(jī)質(zhì)分解會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)酸和CO2使得澇漬土壤pH值下降。澇漬土壤pH值低于耕種土壤，并且差異達(dá)到顯著水平。澇漬土壤與其相鄰農(nóng)田耕種土壤有機(jī)質(zhì)的平均值分別為61.7 mg/kg和50.3 mg/kg，澇漬土壤有機(jī)質(zhì)高于正常農(nóng)田耕種土壤，并且差異達(dá)到極顯著水平。澇漬土壤長(zhǎng)期淹水，土壤溫度低，通氣條件差，形成的還原環(huán)境不利于有機(jī)質(zhì)分解，使有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高。

表1 澇漬土壤與耕種土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量t-test結(jié)果

注：“**”表示p<0.01，差異極顯著；“*”表示p<0.05，差異顯著。

2.2 氧化還原性性狀

澇漬土壤與耕種土壤在氧化還原相關(guān)性質(zhì)上都存在顯著差異。澇漬土壤Eh遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于耕種土壤(表2)。澇漬土壤的Eh變化范圍比較大，均值370.91～603.61 mV變化。澇漬土壤處于中度還原、輕度還原到氧化狀態(tài)之間。受漬害影響較大的土壤中的Fe3+和有機(jī)還原性物質(zhì)被還原，Eh很低，旱作作物會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的濕害。大部分樣點(diǎn)長(zhǎng)期處于輕度還原狀態(tài)，這時(shí)NO3-，Mn4+被還原，旱作將會(huì)受到影響。少部分澇漬土壤處于氧化狀態(tài)，但作物的生長(zhǎng)和種植不受影響，耕種土壤的Eh較大且空間變異比較小，均值709.34～764.72 mv變化(表2)。徐瑞瑚和楊禮茂[13]、唐羅忠等[17]和丁昌璞[18]分別對(duì)江漢平原的澇漬地、濕地和水稻土進(jìn)行了研究，與本研究相比，雖然研究區(qū)域不同，但研究對(duì)象均屬于澇漬地范疇，同樣得出了相似的結(jié)論。決定Eh的體系主要有氧、有機(jī)質(zhì)等。澇漬地內(nèi)土壤漬水，而Eh急劇下降，首先是由于土壤淹水后，土壤孔隙被水占據(jù)，土壤中的含氧量不足。其次，Eh與有機(jī)質(zhì)含量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是由于有機(jī)質(zhì)中有大量的有機(jī)還原性物質(zhì)，有機(jī)體系在決定Eh方面起著很大的作用。

還原性物質(zhì)包括有機(jī)還原性物質(zhì)和無(wú)機(jī)還原性物質(zhì)兩類，其中有機(jī)還原性物質(zhì)約占80%，無(wú)機(jī)還原性物質(zhì)約占20%，還原性物質(zhì)的總量代表了土壤還原性狀態(tài)的數(shù)量指標(biāo)。澇漬土壤的還原性物質(zhì)總量均值為6.31 cmol/kg。由于澇漬地內(nèi)土壤水分空間分布不均，還原性物質(zhì)含量的空間變異較大(表2)，還原性物質(zhì)總量在0.61～12.01 cmol/kg之間變化。一般情況下，旱地的還原性物質(zhì)難以測(cè)出。本研究中測(cè)出的耕種土壤的還原性物質(zhì)總量平均為0.31 cmol/kg，遠(yuǎn)低于澇漬土壤還原性性物質(zhì)總量。這是由于澇漬土壤在淹水控制下產(chǎn)生還原性物質(zhì)，劉志光等[14]對(duì)水稻土進(jìn)行研究表明，水稻土的還原性物質(zhì)總量最高可達(dá)14.92 cmol/kg，本研究中澇漬土壤由于淹水時(shí)間較水稻土短，所以還原性物質(zhì)總量稍低于水稻土。

表2 澇漬土壤與耕作土壤氧化還原性差異t-test結(jié)果

注：“**”表示p<0.01，差異極顯著；“*”表示p<0.05，差異顯著。

澇漬土壤的亞鐵含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耕種土壤(表2)，澇漬土壤的平均亞鐵含量為0.97 cmol/kg，而且變幅比較大。耕種土壤的亞鐵含量均值為0.04 cmol/kg，含量較低，變幅較小，澇漬土壤的亞鐵含量比耕種土壤高出12倍還多(表2)，差異極顯著。前人研究得出無(wú)機(jī)還原性物質(zhì)中亞鐵占60%～80%[14,17]，本研究結(jié)果中澇漬土壤亞鐵含量占無(wú)機(jī)還原物質(zhì)的76.9%，耕種土壤亞鐵含量占無(wú)機(jī)還原物質(zhì)的64.5%，與前人研究結(jié)果一致，澇漬土壤的長(zhǎng)期淹水環(huán)境為土壤中鐵的氧化物與有機(jī)物質(zhì)作用下生成亞鐵等無(wú)機(jī)還原性物質(zhì)提供了條件和場(chǎng)所。

澇漬土壤的二價(jià)錳含量均值為0.23 cmol/kg，而耕種土壤二價(jià)錳含量平均值為0.02 cmol/kg(表2)，澇漬土壤的二價(jià)錳含量比耕種土壤高出約10倍，差異極顯著。非澇漬土壤處于氧化條件下，土壤中錳絕大部分以一氧化物的形式存在，所以耕種土壤不含或者含有很少二價(jià)錳，而澇漬土壤中一定數(shù)量的高價(jià)錳被迅速還原，但由于氧化還原性空間分布不均，二價(jià)錳的空間變異也很大。同樣，川口桂三郎[12]、丁昌璞和于天仁[19]分別對(duì)水田和旱地進(jìn)行了對(duì)比研究，也得出一致的結(jié)論。錳的氧化還原反應(yīng)原理與鐵相似，二價(jià)錳是澇漬土壤中的氧化錳與有機(jī)物質(zhì)相互作用形成，而且錳的還原性反應(yīng)更為敏感。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)澇漬土壤與耕種土壤部分化學(xué)性狀的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：澇漬土壤與耕種土壤化學(xué)性質(zhì)差異顯著。澇漬土壤屬于酸性土壤，pH值為5.53，顯著低于耕種土壤，有機(jī)質(zhì)含量較高，且越接近澇漬地中心土壤有機(jī)質(zhì)含量越高。澇漬土壤Eh顯著低于耕種土壤，空間變異范圍較大，但還沒(méi)有達(dá)到強(qiáng)度還原狀態(tài)。澇漬土壤在長(zhǎng)期淹水條件下，大量的Fe3+、一部分高價(jià)錳被迅速還原，與耕種土壤相比，澇漬土壤還原性物質(zhì)總量較高，高出20倍多，亞鐵含量高出12倍還多，二價(jià)錳含量高出約10倍，且均達(dá)到極顯著水平。

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SoilChemicalCharacteristicsoftheWaterloggedLandonSlopeCroplandinTypicalBlackSoilRegionofNortheastChina

MA Fuliang1, FU Suhua1,2, LUO Guanghui3

(1.SchoolofGeography,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.BeijingNo.165HighSchool,Beijing100010,China)

The typical black soil zone in northeast China is an important commodity grain production base and plays crucial roles in the national food security and economic stability. As a special form of soil degradation, waterlogged lands severely affect the agricultural production in reclamation regions. The objective of this study was to analyze the differences of soil chemical characteristics between waterlogged land and the normal cultivated land and to try to find the special soil chemical characteristics of waterlogged land. The sampling points were set in and around the waterlogged land on the slope cropland in typical black soil region of northeast China. The oxidation and reduction properties-related indicators of soil were measured. The results showed that the differences in soil chemical characteristics between waterlogged land and the normal cultivated land were significant. The soil pH value (5.53) in waterlogged land is significantly lower than that of the normal cultivated land. The soil in waterlogged land has higher organic matter and the higher organic matter is found in the central zone of the waterlogged land. Eh in waterlogged land is lower and the spatial variation range is larger than that of normal cultivated land. But the soil in waterlogged land has not reach the strength reduction status. Much Fe3+and part of manganese ion with high valence are reduced rapidly because the soil in waterlogged land keeps high water content for a long term. The total reducing substances, ferrite iron content and bivalent manganese content of waterlogged soil are 20 times, 12 times and 10 times higher than those of the normal cultivated soil, respectively.

black soil; slope cropland; waterlogged land; soil property

2016-10-04

：2016-10-17

國(guó)家自然科學(xué)基金(41571259);國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41530858);中國(guó)科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)引進(jìn)計(jì)劃資助

馬富亮(1985—),男,山東夏津人,博士研究生,主要從事土壤水分運(yùn)動(dòng)方面的研究。E-mail:flma0620@163.com

符素華(1973—),女,四川岳池人,教授,主要從事土壤侵蝕與水土資源管理方面的研究。E-mail:suhua@bnu.edu.cn

S153.6+1; S153.6+2

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：1005-3409(2017)05-0051-04