陳夢 劉漢文 馬倩 張奕 李可心 劉志鑫 李洪秀

摘要：以黃河三角洲輕中度鹽堿地典型分布區(qū)（山東省黃河三角洲農(nóng)業(yè)高新技術(shù)示范區(qū)，以下簡稱黃三角農(nóng)高區(qū)）為研究區(qū)域，于２０２１ 年１０ 月采用網(wǎng)格布點法，對該區(qū)域土壤進行野外采樣調(diào)查，利用地統(tǒng)計學(xué)和結(jié)構(gòu)方程模型等方法，探究不同土層有機質(zhì)含量的空間變異規(guī)律與影響因素，以期為輕中度鹽堿地土壤資源合理利用提供參考。 結(jié)果表明，黃三角農(nóng)高區(qū)土壤有機質(zhì)含量[０～２０ ｃｍ 土層為（１５.８５±５.６９） ｇ/ ｋｇ；２０～４０ｃｍ 土層為（１１.５１±４.３２） ｇ/ ｋｇ]屬于４ 級，整體呈現(xiàn)中等變異。 ２０～４０ ｃｍ 土層有機質(zhì)含量的空間相關(guān)和自相關(guān)性高于０～２０ ｃｍ 土層。 有機質(zhì)含量與土壤粉粒含量和黏粒含量均呈顯著正相關(guān)，與含鹽量呈顯著負(fù)相關(guān)。東部濱海地區(qū)有機質(zhì)含量低于中部地區(qū)，呈現(xiàn)耕地>林地>荒地的趨勢，人為利用（耕地、林地）提升了土壤有機質(zhì)含量。 離海距離對土壤有機質(zhì)含量有直接影響，較高的ｐＨ 值和粉黏比是影響土壤有機質(zhì)積累的重要因素。 本研究明確了黃三角農(nóng)高區(qū)不同土層土壤有機質(zhì)分布格局，揭示了土地利用類型對有機質(zhì)含量的影響以及土壤有機質(zhì)積累的限制因素，可為該區(qū)輕中度鹽堿地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃提供參考。

關(guān)鍵詞：輕中度鹽堿地；黃河三角洲；土壤有機質(zhì)；空間異質(zhì)性；空間自相關(guān)

中圖分類號：Ｓ１５９文獻標(biāo)識號：Ａ文章編號：１００１－４９４２（２０２４）０１－０１３９－０８

土壤有機質(zhì)（ＳＯＭ）是土壤維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的關(guān)鍵因素，是表征土壤質(zhì)量和肥力的主要指標(biāo)和重要因子[１] ，在協(xié)調(diào)土壤結(jié)構(gòu)、耕性、養(yǎng)分循環(huán)、水分狀況等方面發(fā)揮重要作用[２－４] 。 土壤有機質(zhì)含量很大程度上受土壤特性、土地利用管理（灌溉和施肥）和周圍環(huán)境條件等的調(diào)節(jié)[５] ，具有較強的差異性和趨勢性。 隨著人口增長與經(jīng)濟發(fā)展，土地利用方式變化程度日益加劇，對土壤有機質(zhì)含量及分布格局的影響也更加強烈。

黃河三角洲是我國典型的濱海鹽堿地分布區(qū)，同時受陸地和海洋的雙重影響，土壤鹽分含量分布不均，鹽堿程度不同，導(dǎo)致該區(qū)域的土壤有機質(zhì)變異情況復(fù)雜[６] 。 前人對于輕、中、重度鹽堿地已展開諸多研究[７] ，重度鹽堿地的研究多以鹽堿地改良治理、生態(tài)保護為目的，注重整個區(qū)域的環(huán)境變化、動態(tài)特征及預(yù)測機制[８－９] ，而輕中度鹽堿地則是以鹽堿地高效利用為前提，注重區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[１０] 。 此前，學(xué)者們已經(jīng)開展了鹽堿地土壤養(yǎng)分、ｐＨ 值、含鹽量等方面的研究[１１－１４] ，然而關(guān)于黃河三角洲濱海鹽堿地土壤狀況的研究報道尚有時滯[１５] ，且少有探討鹽堿地關(guān)鍵指標(biāo)（如ｐＨ 值、鹽分、土壤質(zhì)地）對土壤有機質(zhì)的影響研究。 開展黃河三角洲土壤有機質(zhì)影響因素的研究，將有助于揭示濱海鹽堿土土壤有機質(zhì)難以積累的原因，并為指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

土地利用類型和覆蓋類型對土壤有機質(zhì)的積累有重要影響[１６] 。 根據(jù)有機質(zhì)的分布情況規(guī)劃鹽堿地土地利用格局，對開發(fā)鹽堿地利用潛力和提升有機質(zhì)含量具有重要意義。 鹽堿地區(qū)域土壤水鹽運移頻繁，積鹽與脫鹽現(xiàn)象交替發(fā)生，對不同土層有機質(zhì)含量會產(chǎn)生影響[１３] 。 同時，人類耕作活動，包括有機肥施用、綠肥還田等[１７－１８] 對土壤有機質(zhì)含量有較大影響，會影響土壤有機質(zhì)的垂直分布，長期淺耕會導(dǎo)致亞耕層有機質(zhì)匱乏，易出現(xiàn)“上肥下瘦”現(xiàn)象；亞耕層作為聯(lián)結(jié)表土層與心土層的重要土層，對土壤養(yǎng)分供應(yīng)及作物根系生長具有重要作用[１９－２０] 。 然而，目前相關(guān)研究多集中在０～２０ ｃｍ 土層，對２０～４０ ｃｍ 土層的關(guān)注相對缺乏。

山東省黃河三角洲農(nóng)業(yè)高新技術(shù)示范區(qū)（簡稱黃三角農(nóng)高區(qū)）擔(dān)負(fù)著鹽堿地綜合治理和發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要使命，提升土壤有機質(zhì)含量對發(fā)展現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)尤為重要。 然而，２０１４ 年之后該區(qū)土壤有機質(zhì)分布格局尚不明確，在一定程度上阻礙了區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展。 基于此，本研究以黃三角農(nóng)高區(qū)為例，采用網(wǎng)格布點法對耕層與亞耕層土壤進行野外采樣，利用地統(tǒng)計學(xué)、結(jié)構(gòu)方程模型等分析方法，探究該區(qū)域不同土層土壤有機質(zhì)空間分布格局，分析影響土壤有機質(zhì)含量與空間分布的因素，以期為輕中度鹽堿地土壤資源合理利用提供參考。

１ 材料與方法

１.１ 研究區(qū)概況

黃三角農(nóng)高區(qū)（３７°１０′１３″Ｎ ～ ３７°２１′２６″Ｎ，１１８°３０′６″Ｅ～１１８°５９′４８″Ｅ）位于山東省東營市，覆蓋面積３５０ ｋｍ２。 該區(qū)屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫１２.８ ℃，≥１０ ℃ 的活動積溫４ ３００ ℃，年均降水量７００ ～７５０ ｍｍ，７０％降水集中在７—９ 月，年均無霜期１９８ ～２１１ ｄ，主要作物為玉米、小麥、高粱和棉花。 土壤成土母質(zhì)為黃河沖積物，質(zhì)地以粉土、粉質(zhì)壤土和砂質(zhì)壤土為主，受海陸雙重作用的影響。

１.２ 土壤樣品采集與處理

取樣點的密度對試驗精度有直接影響，且與區(qū)域大小有關(guān)， 小樣帶對取樣密度要求較高[２１－２３] 。 結(jié)合前人研究結(jié)果，最終以２ ｋｍ×２ ｋｍ網(wǎng)格密度為基礎(chǔ)來確定土壤調(diào)查的初始點位，共計９６ 個。 隨后利用最新的遙感影像數(shù)據(jù)（２０２１年１０ 月２２ 日，分辨率為５ ｍ）進行解譯，生成黃三角農(nóng)高區(qū)土地利用類型圖，耕地面積為１２６.２９ｋｍ２，林地面積為２７.３８ ｋｍ２，荒地面積為２９.６０ｋｍ２。 結(jié)合遙感影像數(shù)據(jù)對各初始點位進行目視解譯，綜合考慮土地利用類型、目標(biāo)地點的可到達性、取樣費用、人力、物力、精度等要求，調(diào)整樣點坐標(biāo)。 由于研究區(qū)有大片鹽場，人為擾動過大，暫不考慮在其區(qū)域內(nèi)取樣，最終確定６９ 個樣點，其中耕地區(qū)域５２ 個、林地區(qū)域８ 個、荒地區(qū)域９ 個。野外調(diào)查于２０２１ 年１０ 月２２ 日進行，此時前茬作物已收獲而后茬作物尚未種植且未施用基肥。 每個采樣點?。?個子樣本混合，共采集０ ～２０、２０～４０ ｃｍ 土層土壤樣本１３８ 個，用四分法保留勻質(zhì)土樣１ ｋｇ 以上。 土樣于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干、研磨、過篩后供土壤性質(zhì)測定分析。

１.３ 測定指標(biāo)及方法

測定指標(biāo)包括土壤有機質(zhì)、土壤ｐＨ 值、鹽分和土壤粒徑。 采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定土壤有機質(zhì)含量，電位法（型號：ＰＨＳ－３Ｅ；水土比為５∶１）測ｐＨ 值，殘渣烘干質(zhì)量法[２４] 測定土壤鹽分，土壤粒徑采用Ｍａｒｌｖｅｒｎ Ｍａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ ２０００ Ｆ 激光粒度儀測定[２５] ；采樣點的離海距離采用ＡｒｃＧＩＳ 的鄰域分析工具進行計算。

１.４ 地統(tǒng)計學(xué)和空間自相關(guān)分析

采用半方差函數(shù)探究土壤有機質(zhì)自相關(guān)性，計算公式如下：

１.５ 數(shù)據(jù)處理與分析

采用ＳＰＳＳ ２６.０ 軟件對數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析、Ｐｅａｒｓｏｎ 相關(guān)性分析以及單因素方差分析。計算土壤參數(shù)的最小值和最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)（ＣＶ）；進行Ｋ－Ｓ（Ｐ>０.０５）檢驗，以描述土壤屬性數(shù)據(jù)集的中心趨勢和分布。 不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進行Ｇａｍｍａ 函數(shù)對數(shù)轉(zhuǎn)換。 ＣＶ主要用于評估不同數(shù)據(jù)集的可變性，對異常值和正態(tài)性檢驗進行探索性數(shù)據(jù)分析。 通過在ＳＰＳＳ２６.０ 軟件中進行的相關(guān)性分析，驗證相關(guān)土壤指標(biāo)對土壤有機質(zhì)的影響。 采用ＡｒｃＧＩＳ １０.３ 進行半方差函數(shù)分析、克里金插值與ＬＩＳＡ 聚類圖的繪制。 空間自相關(guān)分析在ＧｅｏＤａ 軟件中進行。 箱線圖及相關(guān)性熱圖采用Ｏｒｉｇｉｎ ２０２１ 進行繪制。結(jié)構(gòu)方程模型在Ａｍｏｓ 軟件中構(gòu)建，以離海距離為外生變量，土壤ｐＨ 值、含鹽量和粉黏比為中間變量，土壤有機質(zhì)含量為內(nèi)生變量，探討離海距離對土壤有機質(zhì)的直接和間接影響。

２ 結(jié)果與分析

２.１ 土壤有機質(zhì)的描述性統(tǒng)計

由表１ 可知，研究區(qū)０ ～ ２０ ｃｍ 土層的有機質(zhì)、砂粒含量均高于２０～４０ ｃｍ 土層。 土壤ｐＨ 值的變異系數(shù)在２.８２％ ～ ３.１２％之間，屬于輕度變異；土壤有機質(zhì)、砂粒、粉粒、黏粒含量的變異系數(shù)在１６.９１％～８０.８３％之間，屬于中度變異；土壤含鹽量變異系數(shù)在２１３.１３％～２２５.３３％之間，屬于重度變異。

２.２ 土壤有機質(zhì)的空間異質(zhì)性分析

２.２.１ 土壤有機質(zhì)含量的半方差分析 半方差函數(shù)分析結(jié)果表明，０～２０ ｃｍ 和２０～４０ ｃｍ 土層有機質(zhì)含量的變異函數(shù)分別符合高斯模型和球面模型。 研究區(qū)０～２０ ｃｍ 土層塊基比為８７.１％，表示有機質(zhì)空間相關(guān)性較弱；２０～４０ ｃｍ 土層有機質(zhì)塊基比為５０.１％，表現(xiàn)為中度的空間相關(guān)性；０ ～２０ ｃｍ 土層有機質(zhì)的變程為７６.５９ ｋｍ，２０～４０ ｃｍ土層為１４.４３ ｋｍ，表明有機質(zhì)含量在該范圍內(nèi)分布連續(xù)，空間相關(guān)性的范圍遠大于２ ｋｍ×２ ｋｍ 的采樣間隔，側(cè)面驗證了本研究取樣設(shè)計的科學(xué)性（表２）。

２.２.２ 土壤有機質(zhì)的空間分布 采用普通Ｋｒｉｇ￣ｉｎｇ 法在ＡｒｃＧＩＳ 中進行插值模擬，獲得不同深度土壤有機質(zhì)的空間分布情況（圖１）。 研究區(qū)各土層土壤有機質(zhì)的空間分布均呈現(xiàn)出帶狀和斑塊形狀，土壤有機質(zhì)含量整體表現(xiàn)為中部高四周低的趨勢，低含量區(qū)主要分布在東部濱海地區(qū)。

２.２.３ 土壤有機質(zhì)的Ｍｏｒａｎ ｓ 指數(shù)（Ｉ） 分析 空間自相關(guān)分析結(jié)果表明（圖２Ａ、Ｂ），０～２０、２０～４０ｃｍ 土層土壤有機質(zhì)含量的Ｍｏｒａｎｓ Ｉ 值分別為０.７７０、０.８４８，在空間上均呈現(xiàn)較強的正相關(guān)，下層土壤有機質(zhì)的空間自相關(guān)性強于上層土，且具有一定的聚集性分布規(guī)律。

土壤有機質(zhì)局部空間分布表現(xiàn)為正相關(guān)ＨＨ型和ＬＬ 型以組團形式集聚分布，負(fù)相關(guān)ＨＬ 型和ＬＨ 型無明顯的集中區(qū)域，０～２０ ｃｍ 土層沒有ＨＨ型高集聚區(qū)，２０～４０ ｃｍ 土層顯示ＨＨ 型高集聚區(qū)分布于內(nèi)陸中部地區(qū)，兩土層ＬＬ 型低集聚區(qū)分布于東部濱海地區(qū)，其他類型不具有空間集聚特征（圖２Ｃ、Ｄ）。

２.３ 土壤有機質(zhì)含量的影響因素分析

由圖３Ａ 可知，土地利用類型對土壤有機質(zhì)含量有顯著影響。 耕地和林地有機質(zhì)含量無顯著差異，但均顯著高于荒地。 耕地和林地０ ～ ２０、２０～４０ ｃｍ 土層之間存在顯著差異，０～２０ ｃｍ 土層有機質(zhì)含量顯著高于２０～４０ ｃｍ 土層，荒地兩個土層間差異不顯著。 Ｐｅａｒｓｏｎ 相關(guān)分析（圖３Ｂ）表明，０～２０ ｃｍ 土層和２０～４０ ｃｍ 土層有機質(zhì)含量均與土壤粉粒和黏粒含量呈顯著正相關(guān)，與含鹽量呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤ｐＨ 值和砂粒含量與０～２０ｃｍ 土層有機質(zhì)含量也呈極顯著負(fù)相關(guān)。

結(jié)構(gòu)方程模型結(jié)果表明（圖４），離海距離對０～２０ ｃｍ 土層有機質(zhì)含量的影響大于２０～４０ ｃｍ 土層。

離海距離通過直接和間接效應(yīng)共同影響０～２０ ｃｍ 土層有機質(zhì)含量，直接影響表現(xiàn)為離海越遠（自東向西）土壤有機質(zhì)含量越高，間接影響表現(xiàn)為通過土壤ｐＨ 值的影響，間接效應(yīng)值為０.２４。 在２０～４０ ｃｍ 土層中，只表現(xiàn)出離海距離對ｐＨ 值和含鹽量的影響。

３ 討論

３.１ 土壤有機質(zhì)的空間變異及分布格局

本研究結(jié)果表明，黃三角農(nóng)高區(qū)０～２０ ｃｍ 土層有機質(zhì)含量高于２０～４０ ｃｍ 土層，這與馬貴仁等[２８] 在河套灌區(qū)典型示范區(qū)的研究結(jié)果及白晨赟等[２９] 在黃土塬區(qū)的研究結(jié)果一致，原因是植物輸入（包括作物殘茬、根系分泌物等）與人為影響（有機肥輸入等） 都優(yōu)先作用于上層土壤[２８－２９] 。０～２０ ｃｍ土層有機質(zhì)的空間相關(guān)性較弱，說明隨機性因素（如灌溉、耕作措施和土壤改良等）主導(dǎo)了有機質(zhì)空間變異，結(jié)構(gòu)性因素（如氣候、地形、土壤類型等）影響較小[３０] 。 ２０～４０ ｃｍ 土層有機質(zhì)具有中等空間相關(guān)性，自然屬性的影響要高于人為耕作措施[３１] 。 同時莫蘭指數(shù)分析結(jié)果顯示，２０～４０ ｃｍ 土層有機質(zhì)空間自相關(guān)性強于０ ～ ２０ｃｍ 土層，同樣驗證了隨土層深度的增加，其由隨機性影響因素向結(jié)構(gòu)性影響因素的轉(zhuǎn)變[２８，３２] ，與陳思明等[３３] 的研究結(jié)果一致。

本研究中，土壤有機質(zhì)含量由內(nèi)陸向濱海地區(qū)逐漸降低。 海洋對濱海鹽堿地有機質(zhì)含量有負(fù)面影響，海水入侵導(dǎo)致地下水水位和礦化度較高，土壤鹽漬化嚴(yán)重，土壤黏粒含量少，保水保肥性差，不利于有機質(zhì)在土壤中積聚[３４－３６] 。 此外，人為開墾較少，也使得土壤有機質(zhì)低集聚區(qū)分布于東部濱海地區(qū)[３５] ；而中部地區(qū)受耕種歷史、人為改良等因素的影響促進了有機質(zhì)的積累[２８] 。

３.２ 土壤有機質(zhì)的影響因素

土地利用方式可以通過改變土壤機械組成來影響土壤有機質(zhì)含量[１６] 。 有研究表明，由于灌溉和施肥相關(guān)養(yǎng)分的額外供應(yīng)，耕地的有機質(zhì)含量顯著高于其他土地利用類型[３７] ，白晨赟等[２９] 研究發(fā)現(xiàn)林地土壤有機質(zhì)含量高于荒地。 本研究中，土壤有機質(zhì)含量呈現(xiàn)耕地>林地>荒地，與前人研究結(jié)果一致。 相對林地和荒地，耕地受到人為擾動和外源有機質(zhì)輸入影響更大，而林地復(fù)雜的根系增強了土壤黏結(jié)性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，利于土壤黏粒的形成[３７] ，荒地植被覆蓋率低、生物量小，植被凋落物輸入量少，導(dǎo)致土壤有機質(zhì)補充不足[３８] 。 耕地、林地表層土壤有機質(zhì)含量顯著高于次表層，原因是林地植被能減輕風(fēng)蝕，且大量枯落物殘留地表被微生物腐解歸還于土壤，有利于有機質(zhì)在表層積累，而荒地表層植被覆蓋較少，易受侵蝕，有機質(zhì)含量較低[３９] 。 有機質(zhì)投入（如植物殘留）和產(chǎn)出（如有機質(zhì)分解）決定了有機質(zhì)的動態(tài)變化，受氣候條件、植被類型、土壤性質(zhì)、土地利用和管理實踐諸多因素控制[３５] 。 結(jié)構(gòu)方程模型結(jié)果表明，離海距離通過直接和間接效應(yīng)共同影響上層土壤有機質(zhì)含量，導(dǎo)致了土壤有機質(zhì)由西至東逐漸減少，離海距離對有機質(zhì)的直接影響與成土母質(zhì)和土壤的形成年代有關(guān)，水平方向上溫度、水分等環(huán)境因子變化會影響到土壤母質(zhì)的風(fēng)化、礦物質(zhì)的分解與合成，以及土壤物質(zhì)淋溶與積累進而造成土壤有機質(zhì)的水平差異[４０] 。 土壤ｐＨ值和粉黏比是土壤有機質(zhì)提升的限制性因素，相關(guān)性分析結(jié)果也表明，ｐＨ 值與土壤有機質(zhì)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與前人的研究結(jié)果一致[３０，４１] 。 ｐＨ 值對有機質(zhì)的影響較為復(fù)雜，首先，當(dāng)ｐＨ 值大于７時，隨ｐＨ 值的升高土壤氧化酶活性升高進而促進有機質(zhì)的降解[４２] ；其次，較高的土壤ｐＨ 值會導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)差或土壤團聚體分解，使土壤礦物質(zhì)和有機質(zhì)之間的結(jié)合較弱或有機質(zhì)的解吸，失去對有機質(zhì)的保護[３５] ；再次，高ｐＨ 值土壤的物理化學(xué)條件較差，對地上部植物生長不利，導(dǎo)致土壤中有機質(zhì)的輸入較少[４３] 。 有機質(zhì)含量與黏粒含量呈極顯著正相關(guān)，而與砂粒含量顯著負(fù)相關(guān)，粉黏比高表明風(fēng)化程度高，有機質(zhì)不易積累[４４] 。通常，黏粒較多或砂粒較少的土壤中有機質(zhì)含量較高[１１] 。 砂粒含量較高的土壤具有良好的透氣性，但缺乏對有機質(zhì)的保護，有機質(zhì)礦化速率快；黏粒含量較多的土壤中細小顆粒能夠吸附有機質(zhì)結(jié)合形成有機—無機復(fù)合體，起到很好的保護作用，可降低有機質(zhì)礦化速度，利于有機質(zhì)積累和維持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[３４，４５] 。

４ 結(jié)論

黃三角農(nóng)高區(qū)土壤有機質(zhì)含量較缺乏，其０～２０、２０～４０ ｃｍ 土層均值含量均屬于４ 級標(biāo)準(zhǔn)，且表現(xiàn)為上層土高于下層土。 土壤有機質(zhì)整體呈現(xiàn)中等變異，變異程度隨土層深度加深而逐漸增加。２０～４０ ｃｍ 土層土壤有機質(zhì)的空間相關(guān)性和空間自相關(guān)性均高于０ ～ ２０ ｃｍ 土層，結(jié)構(gòu)性因素對２０～４０ ｃｍ 土層有機質(zhì)含量空間變異的影響更大。土壤有機質(zhì)的空間分布呈現(xiàn)出條帶、斑塊狀分布格局，整體表現(xiàn)為中部高四周低。 土壤有機質(zhì)含量呈現(xiàn)耕地>林地>荒地的規(guī)律。 土壤有機質(zhì)受離海距離的直接影響和ｐＨ 值與粉黏比的間接影響，且較高的ｐＨ 值和粉黏比是該區(qū)土壤有機質(zhì)提升的限制性因素。 在黃三角農(nóng)高區(qū)土地利用過程中，關(guān)注土壤堿性的中和與土壤質(zhì)地的改善有助于提升土壤有機質(zhì)含量。 本研究可為黃三角農(nóng)高區(qū)鹽堿地現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

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