中国稻田土壤有机质时空变化及其驱动因素

李冬初，黄晶，马常宝，薛彦东，高菊生，王伯仁，张杨珠，柳开楼,4，韩天富，张会民

（1湖南农业大学资源环境学院，长沙 410128；2中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；3农业农村部耕地质量监测保护中心，北京 100125；4江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心，江西进贤 331717）

0 引言

【研究意义】土壤有机质与土壤质量密切相关，有机质数量的耗竭和质量的恶化可直接导致土壤生态功能的衰退[1]。土壤有机质的变化受多种因素的影响，具有较强的时空变异性[2-4]。水稻土是中国面积最大、分布最广的耕地土壤，占全国耕地面积的1/5，维持稻田土壤质量和生态功能对我国粮食生产和安全至关重要[5-6]。研究稻田土壤有机质变化对全面了解我国稻田合理施肥以及保障作物高产稳产具有重要指导意义。【前人研究进展】土壤有机质变化方面已开展了较多研究，包括国家尺度、省域尺度，以及典型地区和气候带，土壤类型区等方面。黄耀等基于1980—2000年文献数据的研究表明，全国近60%的农田表层土壤有机质含量上升，有机碳储量总体增加310—400 Tg，其中水稻土和潮土有机质含量增加明显[3]。杨帆等比较测土施肥和全国第二次土壤普查数据，结果表明近30年全国农田耕层土壤有机质提高4.85 g·kg-1，并指出我国农田有机质上升原因可能包括秸秆还田、农作物产量的快速提升、免耕少耕技术推广以及堆肥和绿肥的施用等[4]。TANG等通过14 371个野外监测点，估算出全国陆地生态系统不同土地利用方式碳库特征，认为其与年均气温和降水关系显著，并指出82.9%的碳库存在于0—1 m的土层中[7]。PAN等[8]通过比较国家耕地土壤监测数据和全国第二次土壤普查数据，研究表明全国稻田表层土壤有机碳密度显著高于旱地，其固碳潜力巨大层中。顾成军等分别在不同省域尺度上研究土壤有机质变化特征，认为不同土地利用方式，肥料的大量施用，秸秆还田及其土壤类型等显著影响土壤有机质含量[9-16]。杨玉盛等分别分析了中亚热带山区、黄土丘陵沟壑区、东北黑土区等地带性土壤有机质变化特征，表明不同土地利用方式、土壤类型、土壤覆盖、土壤坡度等影响土壤有机质含量[17-19]。任丽等报道了苹果、柑橘等果树种植区土壤有机质空间分布及其影响因素，并建立了相关模型[20-21]。此外还有较多关于不同点位上的土壤有机质变化研究，多数报道施用有机肥显著提升土壤有机质含量，常规施肥土壤有机质含量呈上升趋势[22-24]。在有机质变化的研究手段上有基于多点位的统计学比较分析[3-4,6-10]，也有基于地统计学方法及GIS技术的时空变异特征分析[12,25]，以及模型分析[11,26-27]。目前，研究较多集中在对土壤有机质驱动因子的探讨，以及土壤有机质结构、形态及功能等研究[28-31]。【本研究切入点】目前国家尺度的农田土壤有机质含量变化研究一方面基于布置在全国各地的长期定位试验点。比如中国农业科学院的肥力与肥料效应监测网长期定位试验[32]，中国科学院CERN台站长期定位试验，以及各地农业科学院系统布置的大量长期定位试验，其研究多基于不同施肥、轮作、耕作等对土壤有机质的影响[22]。另一方面，基于区域尺度上的采样数据或者文献调研数据，通过与第二次土壤普查数据比较，或者通过模型模拟获取全国农田土壤有机质含量变化[3,8]。农业农村部自1988年开始建立国家级耕地质量监测点，其中在中国主要水稻种植区稻田土壤上布置了大量的长期定位监测点。李建军等依托国家耕地质量1988—2012年数据研究了中国稻田土壤基础地力变化特征和长江中下游稻田土壤养分变化特征，结果表明中国稻田土壤基础地力总体呈上升趋势，基础地力与水稻产量同步上升。长江中下游稻田土壤养分含量基本呈上升趋势，土壤肥力总体改善[33-34]。韩天富等依托国家耕地质量1988—2017年数据研究认为施肥尤其是有机肥与无机肥配合施用是维持和提高水稻高产的重要措施[35]。近年来，我国农业结构调整，尤其是种植结构优化和有机替代，化肥减施增效等政策密集影响，土壤面临更加复杂的作物、肥料投入和气候变化。另一方面，基于国家级耕地质量监测点的全国稻田土壤有机质长期、动态、定位等的系统研究和分析相对较少，其变化特征、速率和趋势不明确。【拟解决的关键问题】本研究拟依托338个国家级稻田土壤长期定位监测点，系统分析中国主要水稻种植区稻田土壤有机质变化特征，旨在揭示我国稻田土壤有机质演变规律及区域分异特征，分析稻田土壤有机质变化驱动因素。评价土壤有机质对土壤容重和耕层深度等影响，为稻田土壤合理施肥和作物稳产高效提供科学指导，为耕地地力提升和建设高质量稻田提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 监测点分布概况

基于农业农村部在全国不同稻作区布置的土壤监测点及其数据库[35]，选取全国水稻种植区域稻田土壤监测点共338个，根据水稻监测点分省（区）分布情况，结合自然地理区域，本研究监测点位按照数量高低，分布于长江中游（111个），长江下游（82个），华南（80个），西南（47个），东北（18个）。在全国稻田总的338个土壤监测点中，有140个为长期定位监测点，其中长江中游、长江下游、华南、西南和东北分别有52个、29个、31个、22个和6个。

全国稻田土壤长期监测点自1988年开始监测，分别设置无肥对照区和常规施肥区（农民习惯施肥）两个处理。种植制度根据不同区域气候特点分别包括①东北，一年一熟制，种植水稻为主；②长江中游，一年两熟制，种植制度主要为双季稻，部分为水稻-油菜（小麦、烟叶、蔬菜、绿肥等）轮作；③长江下游，一年两熟制，以水稻-小麦（油菜、绿肥等）水旱轮作为主；④西南，一年两熟制，以水稻-小麦（油菜、玉米、冬闲等）水旱轮作为主；⑤华南，一年两熟制（部分三熟制），种植制度主要为双季稻，部分为水稻-蔬菜（烟叶、绿肥等）轮作。各点分别监测肥料养分氮磷钾投入、主要作物产量以及土壤肥力状况。

1.2 样品采集与分析

各监测点按照统一的规范，分别于每年度最后一季作物收获后采集耕层土壤样品。耕层指农业耕作、施肥、灌溉影响区域和作物根系分布的集中层段，其颜色、结构、紧实度都有明显的特征和界线。每个处理采用“S”型采集5—10钻土壤样品，3次重复。土壤样品自然风干，人工除去植物残体和石块后过2 mm 筛，混匀后备用。土壤各指标测定方法依据《土壤分析技术规范》[36]。各监测点每年记录施肥种类、数量，作物籽粒和秸秆产量以及管理措施等，现场根据作物根系分布和土壤颜色、紧实度等指标调查耕层厚度。

1.3 数据处理与统计分析

各稻作区监测点位数量及其代表面积不同，本文利用各省（区）稻田土壤有机质含量的平均值与该省稻田土壤面积比例加权平均后得到各稻作区土壤有机质平均含量[37-38]。

式中，SOM为稻作区土壤有机质平均含量（g·kg-1）；Mi为该区域i省份土壤有机质平均含量（g·kg-1），Ai为i省份稻作土壤面积（104hm2）。

各点数据采用Excel 2016整理计算，运用SigmaPlot 12.0分析并作图，IBM SPSS 22.0进行差异显著性检验（LSD，Duncan (D)，P＜0.05）。

2 结果

2.1 土壤有机质含量空间变化

全国稻田耕层土壤有机质平均含量32.4 g·kg-1，变幅在11.3—65.0 g·kg-1（表1）。其中湖南、云南、贵州、广西、广东、江西、黑龙江、吉林、浙江和福建等10省（区）稻田耕层土壤有机质平均含量在30.0 g·kg-1以上。安徽、海南和上海低于25.0 g·kg-1。各稻作区域耕层土壤有机质平均含量高低顺序为长江中游35.1 g·kg-1、华南34.2 g·kg-1、东北33.6 g·kg-1、西南31.0 g·kg-1和长江下游26.3 g·kg-1。由图1可知，根据箱线图统计的各稻作区耕层土壤有机质含量置信区间分别为长江中游20.6—51.2 g·kg-1，华南15.2—48.6 g·kg-1，东北11.9—51.6 g·kg-1，西南18.1—45.4 g·kg-1和长江下游17.2—43.9 g·kg-1。各稻作区稻田耕层土壤有机质含量差异显著。长江中游地区耕层土壤有机质含量显著高于西南地区和长江下游地区（P＜0.05）。从经度分布来看，各区域稻田耕层土壤有机质含量无显著差异。从纬度分布看，N25°—30°和N20°—25°区域稻田耕层土壤有机质含量显著高于＜N20°和N30°—40°区域（P＜0.05）。

表1 不同区域稻田耕层土壤有机质平均含量Table 1 The mean SOM content of paddy soil in plough layer in different regions

2.2 土壤有机质含量的时间变化

2.2.1 全国稻田土壤有机质含量的时间变化 全国140个长期监测点结果表明，常规施肥条件下近30年全国稻田耕层土壤有机质含量总体呈现上升趋势（图2-a）。通过对所有监测点338个点位数据土壤有机质含量的统计，与1988年相比，近30年全国稻田耕层土壤有机质平均含量上升3.49 g·kg-1（图2-b）。回归方程表明稻田耕层土壤有机质年增加速率0.09—0.12 g·kg-1（P＜0.01）。

2.2.2 不同区域稻田土壤有机质含量的时间变化 不同稻作区域长期监测点稻田耕层土壤有机质含量变化见图3。各稻区稻田耕层土壤有机质含量均随耕作时间呈现上升趋势。土壤有机质年增长速率从高到低依次为东北（0.31 g·kg-1·a-1，P＜0.01）、长江下游（0.22 g·kg-1·a-1，P＜0.01）、长江中游（0.19 g·kg-1·a-1，P＜0.05）、华南（0.16 g·kg-1·a-1，P＜0.05）和西南（0.11 g·kg-1·a-1，P＜0.05）。土壤有机质含量年均增速总体表现为从北到南依次降低的趋势。

图1 不同区域稻田耕层土壤有机质含量及随经度和纬度变化Fig.1 The SOM content of paddy soil in different rice cultivation regions and different regions with longitude and latitude

图2 常规施肥下稻田土壤有机质变化(a，长期监测点；b，所有监测点1988、1998、2008、2017年统计)Fig.2 Change of SOM content in paddy soil under conventional fertilization within period of 1988 to 2017(a, data comes from long term monitoring points; b, data comes from all monitoring points in 1988, 1998, 2008, and 2017)

图3 不同稻作区域稻田耕层土壤有机质含量变化Fig.3 Change of SOM content in paddy soil in different region within period of 1988 to 2017

2.2.3 不同区域有机质含量变化的点位特征 通过对不同区域长期监测点有机质含量的定位跟踪，1988—2017年间全国140个长期监测点中，58个监测点稻田土壤有机质含量显著上升，占总量的41.4%（表2）。44个监测点稻田土壤有机质含量显著下降，占总量的31.4%，另外有27.1%的长期监测点稻田土壤有机质含量无显著上升或下降趋势。受到长期监测点地理位置、气候、种植制度、肥料投入等影响，1988—2017年间长江中游地区52个长期定位监测点中，48.1%的监测点土壤有机质含量上升，42.3%的监测点下降，9.1%的监测点无显著变化。华南地区31个长期定位监测点中32.3%监测点的有机质含量上升，25.8%下降，41.9%无显著变化。长江下游地区29个长期定位监测点中41.4%上升，24.1%下降，34.5%无显著变化。西南地区22个长期定位监测点中36.4%上升，22.7%下降，40.9%无显著变化。东北地区6个长期定位监测点中50.0%上升，33.3%下降，16.7%无显著变化。

2.3 土壤有机质含量变化影响因素

土壤有机质含量受土壤类型、气候特征、种植制度以及施肥等的影响。不同区域土壤有机质含量对气温和降水量响应关系不同（图4）。从东到西随经度变化以及从南到北随纬度变化，土壤有机质含量与年均温度相关系数呈下降趋势，两者由正相关逐渐变化为显著负相关（P＜0.05）。从东到西随经度变化，土壤有机质含量与年均降水量在＜E105°、E110°—115°、＞125°区间表现为负相关，在E105°—110°、E115°—120°、E120°—125°区域为正相关（P＜0.05），其相关系数整体表现为两头低，中间高。从南到北随纬度变化，土壤有机质含量与年均降水量由正相关关系逐渐变化为负相关（P＜0.05），相关系数随纬度有下降趋势。

图4 稻田土壤有机质含量与年均温度和降水量相关关系随经度和纬度变化Fig.4 The relationships between the SOM content and annual average air temperature, precipitation following change with longitude and latitude

从现有监测点位水稻土类型来看（图5-a），潜育型水稻土的稻田耕层土壤有机质平均含量为38.9 g·kg-1，显著高于其他类型水稻土（P＜0.05）。耕层土壤有机质含量受种植制度影响相对较少，一年三熟制稻田耕层土壤有机质平均含量要略高于一年两熟和一年一熟制稻田（图5-b）。土壤有机质与氮肥投入响应关系表明，在投入量0—200 kg·hm-2·a-1下，土壤有机质与氮肥投入呈负相关（图5-c，P＜0.05）。年投入量200—300 kg·hm-2·a-1下，土壤有机质与氮肥投入呈极显著正相关（P＜0.01）。年投入量大于300 kg·hm-2·a-1下，土壤有机质与氮肥年投入量极显著负相关（P＜0.01）。

2.4 土壤有机质变化与土壤容重和耕层深度关系

土壤有机质含量与土壤容重及耕层深度存在响应关系。通常情况下有机质含量高，其土壤疏松，结构好，容重低，耕层深厚。通过对我国稻田耕层土壤602组有机质含量与容重数据做线性回归获得容重与土壤有机质含量的经验方程：y（容重g·cm-3）=-0.0049×SOM(g·kg-1) + 1.3739 （R2= 0.1198,n= 602）（图6-a）。同样，对670组耕层深度数据与土壤有机质含量获得经验方程：y（SOM g·kg-1）=0.2879×T（耕层厚度 cm）+ 25.3651（R2= 0.0120,n= 670）（图6-b）。

3 讨论

3.1 土壤有机质时空变化特征

20世纪80年代以来，随着我国农业投入的增加和农业科技快速发展，水稻总产量持续上升，农作物秸秆资源数量和还田比例持续增加，我国稻田耕层土壤有机质含量整体呈现上升趋势。本研究得出近30年全国稻田耕层有机质含量平均增加约3.49 g·kg-1，年均增速0.09—0.12 g·kg-1。与前人观点基本相似[3-4]。从区域来看，受到各地水热条件、种植模式和肥料投入等影响，稻田土壤有机质含量上升速率存在差异，年均递增速率呈现从南到北依次增加趋势，结果与李建军等的观点相似[39]。我国稻田土壤也存在提升和发展不平衡状况，在全国耕地质量长期监测点位中，约2/3以上的点位稻田土壤有机质含量保持稳定或呈增加趋势，其结果略低于黄耀等文献调研结果[3]。受时间跨度、点位和数据来源等影响，以往研究大多基于文献调研或模型模拟研究国家尺度农田土壤有机质动态变化[2-4]。本研究依托国家级耕地质量长期定位监测点，具有长期稳定，定位精准，能真实反应农业生产方式和投入变化情况，数据可靠性高等特点。

图5 不同水稻土类型（a）、种植制度（b）以及氮肥投入量（c）稻田的耕层土壤有机质含量变化Fig.5 The change of SOM content with different paddy soil types (a), different cropping systems (b) and N fertilizer applications (c)

图6 稻田土壤有机质与土壤容重（a）及耕层深度（b）的关系Fig.6 Correlations between bulk density and SOM content (a), SOM and plough depth (b) content for the plough layers of the paddy soil

我国稻田土壤有机质提升技术措施主要包括农作物秸秆还田、施用有机肥或化肥有机肥配施以及种植绿肥[40-42]。稻田耕层土壤有机质含量明显高于全国耕地土壤以及旱地耕作土壤[4]，其中10个省份超过30.0 g·kg-1。在不同区域，稻田土壤有机质含量呈现明显的时空变异性[2-4]。长江中游和华南为我国典型双季稻产区，水稻生产水平普遍较高，具有较好的水热条件，有利于秸秆腐解，其稻田土壤有机质含量整体较高。长江中游、华南和东北稻田耕层土壤有机质含量较西南和长江下游高，原因可能是与后两地为我国典型水旱轮作区域，稻田水旱交替加速土壤有机质分解有关[43-44]。

3.2 土壤有机质变化因素分析

稻田土壤有机质主要来源作物根茬、秸秆、绿肥还田，有机物料投入等。土壤有机质含量在固持和分解中维持动态平衡，影响稻田土壤有机质含量的因素有气候、土壤类型、地形、施肥和耕作措施等[2,45-47]。温度和水分是决定土壤有机质输入和分解的气候因子，其一方面影响作物产量，制约土壤有机质输入量；另一方面对土壤水热状况和微生物活动产生深远影响[48]。本研究表明，高纬度地区，稻田土壤有机质含量与年均温度显著负相关，说明温度越高，有机质分解越快。低纬度地区，稻田土壤有机质含量与年均温度呈正相关，温度越高，越有利于作物生长，累积更多的碳投入[48-49]。从东到西，稻田土壤有机质含量与年均温度由正相关，转变为负相关，长江下游、华南地区东部年均气温对土壤有机质积累起促进作用，而到西南地区，年均气温则对土壤有机质分解起主导作用。从稻田土壤有机质与年降水量关系来看，在＜E105°、E110°—115°、＞E125°区间，降水加剧了有机质分解，两者表现为负相关，在E105°—110°、E115°—120°、E120°—125°区域，随着降水量增加，稻田淹水时间和淹水量增加，产生还原环境，有利于缓解土壤有机质矿化分解，增加土壤有机质积累[46]。随着纬度增加，稻田土壤有机质与年降水量之间相关系数有下降趋势。总体而言，温度和水分二者的综合配置影响稻田土壤有机质含量的地带性分布。

施肥是影响土壤有机质至关重要的因素。长期施肥显著提高土壤有机质含量[50-52]。全国耕地质量监测数据揭示稻田土壤有机质与肥料投入存在响应关系。合适的氮肥年投入量（200—300 kgN·hm-2·a-1）能提升土壤有机质含量，较低和过高氮肥年投入量均不利于土壤有机质含量提升。目前南方的长江下游、长江中游和华南等区域稻田氮肥年投入量普遍较高。因此，减肥是必然选择，土壤有机质含量提升要与化肥减施有机结合，协调发展。就我国现有肥料投入水平来看，生产上应该以“减氮”为原则，采用秸秆还田和有机肥替代部分化肥，达到减施、提质和增效目的。水稻土类型和种植制度等主要通过土壤水热状况、微生物种群和外源投入等对稻田土壤有机质含量产生影响。

3.3 有机质与土壤容重及耕层深度的关系

土壤有机质对土壤质量及功能的调节起关键作用，较低的土壤有机质会降低土壤结构的稳定性。研究表明，土壤有机质提升有利于增加土壤孔隙，降低土壤容重，增厚土壤耕层[53-55]。WU和CALLESEN等[55-56]分别利用中国矿质土壤和加拿大森林土壤拟合土壤容重与有机质含量。本研究得出稻田土壤有机质含量与土壤容重响应关系，与PAN等[8]结果基本一致。通过拟合的经验方程，可用来补充缺失土壤容重值，为计算稻田土壤碳库储量提供支撑。

土壤有机质有利于构建肥沃土壤耕层。相反，合适土壤耕层深度有利于土壤微生物活动，影响土壤有机质累积和分解。本研究结果也表明，稻田土壤有机质含量与耕层深度呈正相关关系（P＜0.01），但两者相关性不如土壤容重，耕层深度可能与稻田管理措施，比如土壤翻耕深度、次数、以及机械化耕作管理等有关[56]。

4 结论

近30年全国稻田耕层土壤有机质含量平均上升3.49 g·kg-1，从南到北土壤有机质含量年均增速依次增加。不同区域稻田土壤有机质对年均气温和降水量响应关系不一样。从东部到西部以及纬度从低到高，土壤有机质含量与年均气温相关性由正相关转变为负相关。氮肥年投入量、水稻土类型以及种植制度等对稻田土壤有机质产生影响。稻田土壤有机质含量与土壤容重及耕层深度有响应关系，提升土壤有机质有利于降低土壤容重，土壤有机质含量随土壤耕层增加而呈上升趋势。