利用黑土层厚度评价东北黑土区土壤生产力——以鹤北小流域为例

李 骜， 段兴武

(1．华中农业大学 430070， 湖北 武汉； 2．云南大学 亚洲国际河流研究中心， 云南 昆明 650091)

东北黑土区是中国重要的粮食生产基地。据农业部农业信息网公布的统计资料，2011年东北三省的粮食总产量为1.07×1011kg，约占全国总产的18.86%，其中玉米产量占全国的33.06%，大豆占46.78%，人均粮食占有量是全国平均水平的2.4倍，在保障国家粮食安全问题上起着举足轻重的作用，被誉为中国粮食生产的“稳压器”[1-2]。

黑土养分含量丰富、结构良好、土壤肥力极高[3]。自从20世纪初大面积开垦以来，黑土土壤理化性质发生了显著变化[4-8]，土壤生产力显著降低[7-9]，引起黑土土壤生产力变化的原因比较复杂，可主要分为施肥和侵蚀两种。为提高作物产量，自20世纪70年代末80年代初开始，中国开始大量施用化工肥料[10]，化工肥料的施用能显著提高作物产量[11]，同时也能改变土壤的理化性质[12-13]，从而影响到作物品质的提高和土壤肥力的可持续利用[14]。另一方面，在高强度的人为耕作下，黑土区土壤侵蚀严重[1-4]。据水利部松辽水利委员会2002年的统计报告，该区水土流失面积占全区总面积的27%，发育大型切沟2.5×104条余，吞噬耕地面积约3.9 hm2[5]。每年仅黑龙江省流失的土壤就变化在2.0×108～3.0×108m3，流失的养分折合标准化肥5.0×109～6.0×109kg，相当于全省化肥施用总量[6]，严重的侵蚀造成土壤养分损失、土壤质地粗化、持水能力降低，直接导致土壤生产力退化[13]。在这样的前提下，研究简便易行的土壤生产力评价指标可为黑土资源的合理利用和保护提供理论依据和方法参考。

土壤生产力评价方法可分为定性和定量两种[15]。定性评价是通过对田间土壤的实地调查和诊断，对土壤宏观性状进行定性描述，多带有经验性，很难量化[16]。定量评价主要有3种：一是单指标评价；二是多指标表土综合评价，即选取表层土壤多个理化性质指标评价表土生产力；三是多指标土体综合评价，即将整个土体看作是作物生长的环境，选择各个土层的土壤性质指标，将不同深度土层赋予不同的权重，综合、立体地评价土壤生产力，比较有代表性的是土壤生产力指数模型(productivity index, PI)[17]，该模型在国内外获得了广泛应用[18-20]。段兴武等[15]在该模型基础上，根据东北黑土土壤理化性质和作物产量调查结果，构建了适用于东北黑土区的修正的生产力指数模型(modified productivity Index, MPI)并得到多次验证[21-22]。但该模型仍然需要采集剖面土壤样本、测定多项土壤理化指标，不利于野外快速和大范围土壤生产力调查与评价。表层黑土养分含量丰富、土壤结构良好，表层黑土厚度(简称黑土层厚度)便于野外调查，对黑土土壤生产力贡献较大[3]，被认为是衡量黑土退化程度的重要指标[7-8,23]。但时至今日，鲜有探讨黑土层厚度与土壤生产力的研究案例。

本文以位于东北典型黑土区北端的鹤北小流域为案例区，通过调查和分析流域内不同等级土地的土壤厚度及土壤理化性质，构建了黑土层厚度与土壤生产力间的关系，并据此评价典型地块的土壤生产力空间特征及其影响因素。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黑龙江省农垦总局九三分局鹤山农场境内的鹤北小流域，地理坐标为48°59′0″—49°3′0″N，125°16′0″—125°121′0″E，属于寒温带大陆性季风气候，冬季漫长，夏季短促，秋季凉爽初霜早，春季风大，年平均气温-1.5～0.4 ℃，历年最高气温37.9 ℃，最低气温-46.5 ℃，年降水量在400～500 mm，集中于6—9月。该区位于小兴安岭南麓，是小兴安岭向嫩江平原过渡地带，属漫岗丘陵区，坡长一般800～1 500 m，坡度一般1°～4°。自然植被属于温带半湿润草甸草原，土壤属中国发生学分类中的黑土，属中国土壤系统分类中的均腐土[24]。

鹤北小流域的面积为28 km2，大部分已开垦为农地，且开垦历史都在60 a以上。开垦之初，通过种植人工林带将各个地块隔开，且无论是起垄或行播均沿林带方向实行机械化作业。流域内共包括41个地块，种植的农作物主要有大豆、小麦和玉米，尤以大豆为主。农业机械化程度高，整地、播种、喷药、施肥、除草和收割等全部实行机械化作业。

1.2 样本采集

本研究根据地形状况，选择流域内20个典型地块调查土壤厚度和剖面土壤理化性质。

(1)黑土厚度调查。从调查地块的坡顶开始每10 m高差布设一个厚度样点，共计布设厚度样点122个。利用半圆钻(长1 m，可加延长杆，直径4 cm)采集土样，将样本以10 cm为间隔按照厚度顺序放入铝盒。为防止打钻过程中将土壤压实，每次打钻厚度控制在30 cm以内，直至采到母质层。全剖面样采完后，参照土壤发生分层标准划分土层，并利用比色卡判定黑土厚度[25]。回室内风干后，再判定一次。

(2)剖面土样采集。根据厚度分析结果，选择其中18个地块参照标准方法采集剖面土样[25]，具体方法如下：在地块中部地形变化不大且黑土层厚度接近地块平均厚度的部位挖取剖面，以20 cm间隔分层采样，直至母质下20 cm为止，18个地块共获取分层土样104个。每层采集3个标准环刀原状土样和1个混合土样。

(3)土壤理化性质测定。环刀样本用于测定土壤容重。混合土壤带回室内风干后参照相关标准[25]测定主要理化指标，包括：有机质含量(OM，g/100g)，机械组成(砂粒(2～0.02 mm)、粉粒(0.02～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)，土壤凋萎湿度PWP(%)，田间持水量FC(%)、有效含水量AWC(%)以及pH值。OM含量用重铬酸钾氧化—外加热法测定；机械组成采用吸管法测定；凋萎湿度和田间持水量用压力膜法测定(压力值分别设为1.5 MPa以及33 kPa)，有效持水量取二者之差；pH值用电位法测定，水土比采用2.5∶1。

1.3 土壤生产力指数计算

土壤生产力采用段兴武等[15]修订的东北黑土区土壤生产力评价模型MPI计算。该模型根据东北黑土的特性，剔除了原模型的容重因子，增加了土壤黏粒含量和有机质含量因子，具体如下：

式中：MPI——土壤生产力指数,范围在0～1，数值越大，表明土壤的生产力越高；Ai——第i层土壤有效水含量的适宜性指数；Di——第i层土壤pH值的适宜性指数；Oi——第i层土壤有机质含量的适宜性指数； CLi——第i层土壤黏粒含量的适宜性指数； WFi——第i层土壤的权重，反映不同土层理化性质对土壤生产力的影响差异。各模型因子的适宜性指数计算参照段兴武等[15]的研究结果。

为了评价模型的精度，收集了鹤山农场调查地块1990—2008年的大豆产量统计资料。其中2007年为重旱灾年份，产量明显比往年偏低。为了剔除气候灾害的影响，在结果分析中没有采用2007年的产量数据。

2 结果与分析

2.1 土壤生产力指数与黑土厚度的关系

利用MPI模型计算了18个地块的土壤生产力指数，各地块的土壤剖面平均理化性质及其生产力指数如表1所示。案例区土壤以壤土为主，有机质含量平均2.04%，18个剖面的黑土层厚度变化在22～90 cm，平均41.56 cm，从整个黑土区上看，较开垦初期显著降低[7-8，26-28]。土壤生产力指数变化在0.32～0.82，平均0.64，不同地块间差异显著。

表1 典型地块土壤剖面平均理化性质指标和土壤生产力指数MPI

MPI与黑土厚度有显著正相关，相关系数0.525(p<0.05)。MPI指数随黑土厚度增加而增加，但在40—50 cm处有一个拐点：当黑土厚度小于40—50 cm时，MPI随黑土厚度增加速度较快；当黑土厚度大于40—50 cm时，MPI随黑土厚度增加速度有所减缓，二者间的关系可用对数函数表达(图1)。这种变化可能与土壤剖面构成有关，40—50 cm处土壤性质有较为明显的变化，下部土壤生产力较低，导致增加速度较小，因此，40—50 cm黑土层厚度可能是黑土保护的一个阈值厚度。

图1 典型地块黑土厚度与土壤生产力指数MPI间的关系

2.2 利用黑土厚度评价地块土壤生产力

利用建立的MPI与黑土厚度之间的关系，计算了20个地块122个厚度样点的MPI及其平均值(表2)。为了验证黑土厚度评价土壤生产力的可行性，统计了各地块MPI与1990—2008年平均大豆单产及当地土地等级之间的关系。结果表明，地块平均MPI与大豆单产为显著正相关，与当地土地等级为负相关(图2)，MPI随大豆产量增加而增加，随土地等级增高(1等地土壤质量最高，5等地土壤质量最低)而降低，表明利用黑土厚度评价黑土土壤生产力可行。

表2 典型地块平均黑土厚度及MPI变化

图2 土壤生产力指数MPI与大豆产量及土地等级间的关系

为了分析地块土壤生产力的空间差异，在ArcGIS中利用克里金插值方法得到各个地块的黑土厚度及MPI的空间分布(图3)。122个样点黑土厚度变化在15～125 cm，平均厚度为36.84 cm，其中85%以上样点的黑土厚度小于50 cm。根据本文研究结果，随着侵蚀程度的加剧，这些样点的土壤生产力将迅速降低，未来土壤侵蚀导致土壤生产力下降不容忽视。为了维持生产力水平，必须采取行之有效的水土保持措施，如等高耕作、免耕等。20个地块MPI变化在0.48～0.84，平均0.62，与东北典型黑土区的研究结果相比[15]，本案例区生产力水平变幅较小，均值略高，属中等生产力水平。

黑土厚度与MPI空间分布一致：总体从坡顶到坡底，土壤厚度增大，土壤生产力水平增加。高生产力土壤主要分布在底部地块，如6-2-1和6-2-2号地块；坡顶地块土壤生产力最低，如6-5和9-5号地块；位于坡中的大部分地块生产力水平居中。从地块内部土壤生产力差异看，等高或接近等高耕作地块的土壤生产力水平差异较小，如9-7，9-7-1，9-7-2，6-2-1和6-2-2号地块等，而以顺坡、接近顺坡或与等高线有明显交叉耕作的地块，土壤生产力差异较大，如6-3-2，6-3-4，6-4-2和6-4-5号地块等。

图3 鹤北流域典型地块黑土厚度及土壤生产力指数MPI空间分布

已有研究表明，尽管黑土区水土流失面积较大，但侵蚀的土壤物质大部分没有进入河道，而是在低洼部位堆积下来，形成侵蚀和堆积共存的土壤物质再分布景观特征[29]。阎百兴等[9]的研究结果也表明，漫岗区黑土从坡脚到坡顶侵蚀程度逐渐增加，由此造成的土壤质量也逐渐降低。这些与本研究结果一致。流域内农地坡度大部分小于3°，除等高耕作外没有其他水土保持措施。研究发现，等高耕作地块土壤生产力较高，且空间差异不大，顺坡或与等高线交叉耕作地块土壤生产力较低且空间差异较大，说明耕作方式对土壤侵蚀影响的重要性。顺坡耕作导致坡上黑土加速侵蚀，使结构良好、土壤肥力水平高的表层黑土沉积于坡度较缓的坡脚地区[29-31]。作为三北防护林体系重要组成部分的东北地区，在20世纪70—80年代建设了大面积的防护林带[32]。这些防护林逐渐成为黑土区农地的天然地块边界，且决定了地块的耕作方向(一般耕作方向都是平行于地块长边)。案例区当前林带的顺坡布设，导致小流域内地块的耕作以顺坡为主，这无疑加剧了土壤侵蚀速率和生产力退化进程，因此，将来在考虑林带更新时，应注意林带的等高布设，以便于等高耕作实施，从而减缓侵蚀速率，保护黑土生产力。

3 结 论

(1)黑土厚度与土壤生产力呈对数关系，随着黑土厚度增加，土壤生产力水平逐渐增加，但在40—50 cm处有较明显的变化，小于该厚度时，生产力随厚度增加显著；大于该厚度时，生产力随厚度增加速度减缓，从而推测40—50 cm黑土厚度可能是黑土生产力保护的厚度阈值，应进一步深入研究。

(2)利用黑土厚度评价土壤生产力简易可行，结果得到了大豆单产及当地土地质量等级的验证。案例区土壤生产力总体从坡顶到坡脚有明显增加趋势，等高或接近等高耕作地块的土壤生产力较高，且地块内生产力空间差异小，顺坡、接近顺坡或与等高线交叉耕作的地块，土壤生产力空间差异较大，耕作方式是导致该区黑土生产力水平退化的重要原因。建议将来林带更新时，应将林带位置及方向等的选择与机械化水土保持耕作措施的实施相结合，以减缓黑土侵蚀速率，保护黑土生产力。

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