大兴安岭南麓农田土壤团聚体稳定性分析

刘战勇,张佳倩,张向前,厉雅华,迟文峰,张德健*

(1 内蒙古大学生命科学学院,牧草与特色作物教育部重点实验室,呼和浩特 010070;2 内蒙古自治区农牧业科学院,退化农田生态修复与污染治理重点实验室,呼和浩特 010031;3 内蒙古财经大学资源与环境经济学院,呼和浩特 010017)

关键字:团聚体;稳定性;经典统计学;阿荣旗

土壤团聚体是土壤中细小颗粒在有机物等成分的胶结作用下形成的复杂胶体结构[1]。 土壤团聚体结构既可决定土壤的稳定性,又是支持作物生长的重要元素。 土壤团聚体作为土壤结构的基本单元,是土壤的重要组成部分,对土壤抵御外力破坏起着至关重要的作用[2-4]。 土壤团聚体的大小、分布、稳定性能对降水后土壤入渗和土壤抗蚀性产生重要影响[5]。 土壤团聚体的破坏会直接对土壤孔隙造成影响,进而影响土壤通气性、透水性,土壤中水气含量会因此降低,对作物的养分吸收间接产生阻碍[6]。 不合理的耕作方式或其他不当的土地利用都会造成团聚体结构变差,大团聚体破裂,土壤稳定性降低,对作物高产高效产生限制[7]。 土壤团聚体的数量和质量不仅对土壤抗侵蚀能力有显著影响,还影响着土壤肥力[8-10]。阿荣旗位于大兴安岭南麓黑土区,虽然耕地养分比较肥沃,但由于近年来不合理的利用和水土流失加剧,导致土壤养分失调,土壤结构不平衡[11]。

为明确大兴安岭南麓农田土壤团聚体组成及空间分异性,本研究借助地理信息系统(GIS)等技术,采用经典统计学对阿荣旗土壤团聚体组成结构进行分析,以期维护阿荣旗地区土壤团聚体稳定性,保护耕地,阻止土壤肥力继续退化,为进一步了解阿荣旗地区土壤养分提供数据指导,并为构建大兴安岭南麓阿荣旗地区耕地质量评价体系提供基础。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

阿荣旗是呼伦贝尔市岭东三旗市之一,位于东经122°02＇30″—124°05＇40″,北纬47°56＇54″—49°19＇35″,地处内蒙古自治区呼伦贝尔市东南部,与大兴安岭、松嫩平原临近,属于大兴安岭南麓地区。阿荣旗属于温带大陆性半湿润气候,地貌呈中低山-丘陵漫岗地形,地势由西北向东南呈阶梯式下降,年平均气温1.7 ℃,无霜期90—130 d,年均降水量458.4 mm,辖8 个建制镇、4 个少数民族乡、148 个行政村、7 个地方林场和2 个国营农场。 该地区农业资源丰富,有耕地31.44 万hm2,占全境总面积的23.05%,以玉米、大豆、水稻、小麦、马铃薯、南瓜等为主要农作物;土地类型主要有黑土、暗棕壤、草甸土、沼泽土、粗骨土。

1.2 试验方法

于2019 年11 月初,在阿荣旗耕地区采样,耕地主要分布在阿荣旗南部地区亚东镇、六合镇、霍尔奇镇、向阳峪镇、音河达斡尔鄂温克民族乡、新发朝鲜民族乡、得力其尔鄂温克民族乡、查巴奇鄂温克民族乡、复兴镇、三岔河镇、兴安镇11 个乡镇;东亚镇村、四合村、新兴村等98 个村庄。 采用5 点采样法,取0—20 cm 土层混合土样,平均每666.67 hm2设1 个采样点,3 个重复,共采取470 个样点、1 410 份土样。 使用GPS 定位仪测量记录采样点的经纬度、海拔、坡度等,并观察记录耕地作物、田间管理方式等信息,各采样点的分布如图1 所示。 将土样自然风干后,采用机械筛分法测定团聚体组成。

图1 阿荣旗耕地采样点分布图Fig.1 Distribution of cultivated land sampling points in Arong Banner

1.3 数据处理

采用Excel 2010 软件对阿荣旗地区耕地土样团聚体数据进行处理,并对≥2 mm、0.25—2 mm (含0.25 mm)、0.053—0.25 mm(含0.053 mm)、＜0.053 mm 4 种粒径团聚体进行检验分析[12-15]。 利用SPSS 22.0软件的相关模块对阿荣旗各乡镇土壤团聚体进行Kolmogorov-Smirnov(K-S)检验,明确是否服从正态分布(显著性水平α 设定为0.05,置信区间为95%);对呈正态分布的大团聚体采用Pearson 相关性分析,对呈正偏态分布的微团聚体采用Spearman 相关性分析;并进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 Kolmogorov-Smirnov 检定

如表1 所示,阿荣旗各乡镇土壤团聚体主要以大团聚体为主,≥2 mm 粒径的大团聚体中,得力其尔乡的土壤团聚体均值最大,为174.88 g,其次是向阳峪镇,新发乡的土壤团聚体均值最小;0.25—2 mm 粒径的大团聚体中,三岔河镇的土壤团聚体均值最大,为129.86 g,其次是新发乡,得力其尔乡的土壤团聚体均值最小;0.053—0.25 mm 粒径的微团聚体中,六合镇的土壤团聚体均值最大,为30.91 g,其次是新发乡,向阳峪镇的土壤团聚体均值最小;＜0.053 mm 粒径的微团聚体中,新发乡的土壤团聚体均值最大,为5.29 g,其次是三岔河镇,得力其尔乡的土壤团聚体均值最小。 综上,阿荣旗各乡镇土壤团聚体中,新发乡≥2 mm 粒径的大团聚体含量最少,＜2 mm 粒径的土壤团聚体含量相对较大,说明新发乡的土壤团聚体稳定性相对较差,破坏相对严重。

表1 阿荣旗各乡镇土壤团聚体数据Kolmogorov-Smirnov 检定Table 1 Kolmogorov-Smirnov verification of soil aggregate data of villages and towns in Arong Banner

根据杨国胜等[16]CV 评估的标准(CV≤10%,为弱变异程度;10% ＜CV ＜100%,为中等变异程度;CV≥100%,为强变异程度)可知,阿荣旗各乡镇土壤团聚体均属于中等变异程度,其中大团聚体的变异度均弱于微团聚体。 ≥2 mm 粒径的大团聚体中,新发乡的土壤团聚体变异度最大,为44.09%,其次是六合镇,音河乡的土壤团聚体变异度最小;0.25—2 mm 粒径的大团聚体中,新发乡的土壤团聚体变异度最大,为29.04%,其次是兴安镇,音河乡的土壤团聚体变异度最小;0.053—0.25 mm 粒径的微团聚体中,六合镇的土壤团聚体变异度最大,为70.96%,其次是新发乡,音河乡的土壤团聚体变异度最小; ＜0.053 mm粒径的微团聚体中,兴安镇的土壤团聚体变异度最大,为91.29%,其次是新发乡,音河乡的土壤团聚体变异度最小。 综上,阿荣旗各乡镇间土壤微团聚体的变异度大于大团聚体,其中,新发乡的土壤团聚体变异度相对较大,尤其大团聚体的变异度最大,音河乡土壤团聚体变异度最小,说明新发乡的土壤团聚体稳定性最小,音河乡的土壤团聚体稳定性最大。

2.2 正态分布

由图2 可知,阿荣旗耕地土壤≥2 mm 和0.25—2 mm 粒径的大团聚体均呈钟形曲线,分别以均值为156.18 g、38.9 g 成中心左右对称,说明阿荣旗地区≥2 mm 和0.25—2 mm 粒径的大团聚体数值呈正态分布;0.053—0.25 mm 和＜0.053 mm 粒径微团聚体的均值分别为22.96 g、3.64 g,不以均值为中心呈左右对称,说明阿荣旗地区0.053—0.25 mm 和＜0.053 mm 粒径的微团体均呈正偏态分布。

2.3 Pearson 和Spearman 相关性分析

由表2 可知,根据Pearson(皮尔逊)相关系数关联度标准:相关系数|r|为0.8—1.0 表示极强相关;0.6—0.8 表示强相关;0.4—0.6 表示中等程度相关;0.2—0.4 表示弱相关;0.0—0.2 表示极弱相关或无相关。 呈正态分布的≥2 mm 与0.25—2 mm 粒径的大团聚体经Pearson 相关性分析,ρ =0.00 ＜0.05,说明≥2 mm 与0.25—2 mm 粒径的大团聚体之间存在显著的相关性;相关系数|r| = | -0.955| =0.955 ＞0.8,说明≥2 mm 与0.25—2 mm 粒径大团聚体之间具有极强的负相关关系。

表2 粒径≥0.25 mm 的大团聚体Pearson 相关性分析Table 2 Pearson correlation analysis of large aggregates with particle size ≥0.25 mm

由表3 可知,对呈正偏态分布的0.053—0.25 mm 与＜0.053 mm 粒径的微团聚体进行Spearman 相关性分析,ρ=0.00,说明0.053—0.25 mm 与＜0.053 mm 粒径微团聚体之间存在显著的相关性,|r| =0.842 ＞0.8,说明0.053—0.25 mm 与＜0.053 mm 粒径微团聚体之间极强的正相关关系。

表3 粒径＜0.25 mm 微团聚体Spearman 相关性分析Table 3 Spearman correlation analysis of micro aggregates with particle size ＜0.25 mm

2.4 单因素方差分析

由表4、表5 可知,根据单因素方差分析,获得阿荣旗地区土壤团聚体方差齐性检验的显著性均为ρ＜0.05;单因素ANOVA 分析获得≥2 mm 和0.25—2 mm 粒径的大团聚体单因素显著性均为ρ ＜0.05;0.053—0.25 mm 和＜0.053 mm 粒径的微团聚体单因素显著性均为ρ ＞0.05,说明在阿荣旗地区≥2 mm和0.25—2 mm 粒径的土壤大团聚体结构存在显著差异,0.053—0.25 mm 和＜0.053 mm 粒径的微团聚体结构不存在显著差异。

表4 阿荣旗地区耕地土壤团聚体方差齐性检验Table 4 Homogeneity test of variance of soil aggregates in cultivated land in Arong Banner

表5 阿荣旗地区耕地土壤团聚体单因素ANOVA 分析Table 5 Single factor ANOVA analysis of soil aggregates in cultivated land in Arong Banner

3 讨论

本研究表明,大兴安岭南麓阿荣旗地区各乡镇土壤团聚体以大团聚体为主,≥2 mm 粒径的大团聚体占总体团聚体的一半以上,微团聚体含量很少,＞0.25 mm 粒径的团聚体含量越高,土壤结构越稳定、抗侵蚀能力越好[17]。 阿荣旗地区各乡镇土壤团聚体变异度均为中等,且微团聚体的变异度高于大团聚体,可能是大团聚体受到破坏分解为微团聚体增加了微团聚体的不稳定性。 新发乡的土壤大团聚体含量相对较少,微团聚体含量相对较多,且变异度相对较大,说明其土壤团聚体结构破坏相对严重,抗侵蚀能力相对较差。

从正态分布看,≥2 mm 和0.25—2 mm 粒径的土壤大团聚体呈正态分布,0.053—0.25 mm 和＜0.053 mm粒径的微团聚体呈正偏态分布,说明阿荣旗土壤微团聚体总体离散性大于大团聚体,原因可能是微团聚体差异性较大团聚体显著。

从相关性分析看,阿荣旗地区≥2 mm 和0.25—2 mm 粒径的土壤大团聚体呈极强的负相关性;0.053—0.25 mm 和＜0.053 mm 粒径的微团聚体呈极强的正相关性。 原因是团聚体形成受地形、气候、土壤管理措施、土壤属性、土壤微生物活动等物理、化学、生物的共同作用[18],大团聚体可能形成于微团聚体的累积,微团聚体可能形成于黏粒或是大团聚体的周转产物。 大团聚体受到外界因素的干扰后,经过崩解、挤压等作用逐步分解为微团聚体[19]。

从单因素方差分析看,阿荣旗地区土壤团聚体均不呈方差齐性,各乡镇≥2 mm 和0.25—2 mm 粒径的大团聚体稳定性容易受到外界因素影响,0.053—0.25 mm 和＜0.053 mm 粒径的微团聚体结构相对稳定。 土壤团聚体的大小与组成、土地利用方式、土壤管理措施直接或间接影响团聚体的稳定性和土壤质量[20]。 不合理的耕地利用可能会破坏土壤结构的动态平衡,土壤有机物活性、土壤属性和温度、气体浓度、养分有效性和水势压等也会影响土壤团聚体的稳定性[21]。

4 结论

阿荣旗地处大兴安岭南麓黑土区,土壤团聚体整体稳定性较好,但受气候、地形、土壤属性、水土流失和不合理利用的影响,大团聚体稳定性降低,逐渐分解为微团聚体,导致各乡镇间的土壤团聚体存在显著差异,且微团聚体的差异较大团聚体显著,尤其以新发乡的土壤团聚体结构破坏相对严重。 良好的土壤结构有利于土壤中氧气扩散和水分渗透从而提高土壤储水量,有利于土壤保水保肥,从而提高作物的肥料利用率[22]。 非生物的物理作用在团聚体的形成过程中占有相当大的贡献,若能对耕地不合理利用加以改善,增加作物产量、有机碳输入来增加团聚体数量,对防止土壤退化和水土流失予以重视[23-24],将对保护阿荣旗地区土壤团聚体结构,实现大兴安岭南麓农业保护性耕作有显著作用。