任頻頻,黃 峰,李保國(guó)
(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,自然資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193)
土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分,對(duì)改善土壤理化性質(zhì)、調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分循環(huán)具有重要作用,是評(píng)價(jià)土地生產(chǎn)力的關(guān)鍵指標(biāo)。掌握土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布特征及其關(guān)聯(lián)因素,可為制定合理的農(nóng)業(yè)種植規(guī)劃及農(nóng)田管理措施提供依據(jù),是實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤可持續(xù)利用的前提。全國(guó)第二次土壤普查以來(lái),我國(guó)大部分地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。了解現(xiàn)階段農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量的現(xiàn)狀及空間分布特征,對(duì)下一步開(kāi)展土壤有機(jī)質(zhì)管理、土壤培肥等具有重要意義。為此,學(xué)者們開(kāi)展了大量研究工作。馬利芳等以新疆阜康市為研究區(qū),綜合運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,研究不同深度土壤鹽分和有機(jī)質(zhì)的空間變異特征。劉憶瑩等采用地理空間插值方法,探討了東北典型黑土區(qū)耕地有機(jī)質(zhì)的空間分布規(guī)律。已有的研究多是基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法評(píng)價(jià)土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異規(guī)律,并進(jìn)一步采用不同的插值方法進(jìn)行區(qū)域可視化。
黃淮海平原作為我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地之一,針對(duì)該地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)時(shí)空變化特征的研究已有諸多報(bào)道。陶雯等對(duì)華北平原引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)土壤資源質(zhì)量的研究結(jié)果表明,灌區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量存在明顯時(shí)空分布差異性。胡景輝等探討了河北山前平原高產(chǎn)類(lèi)型區(qū)土壤養(yǎng)分狀況,結(jié)果表明土壤有機(jī)質(zhì)含量由第二次土壤普查的10.45 g·kg提升至2014—2015 年的19.50 g·kg。賈良良等通過(guò)分析河北省2009—2014 年測(cè)土配方施肥數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)河北全省土壤有機(jī)質(zhì)含量均值為17 g·kg,且自西北向東南方向逐漸降低。然而,前人的研究多是基于田塊尺度或者小區(qū)域尺度展開(kāi),并且單純注重描述土壤有機(jī)質(zhì)含量的時(shí)間變化或空間分布。此外,調(diào)研取樣點(diǎn)范圍小、取樣時(shí)期不統(tǒng)一等是目前研究的普遍現(xiàn)狀。在黃淮海平原全區(qū)域尺度內(nèi)開(kāi)展農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量現(xiàn)狀調(diào)查,并深入分析其空間分布特征,對(duì)該地區(qū)農(nóng)田土壤碳固持和儲(chǔ)量評(píng)估、在宏觀尺度上把握土壤有機(jī)質(zhì)含量的動(dòng)態(tài)分布特征、因地制宜制定相應(yīng)的培肥管理措施具有重要意義。
鑒于此,本研究依托2017 年黃淮海旱作區(qū)土壤肥力調(diào)查項(xiàng)目,從空間自相關(guān)的角度探討了該區(qū)域旱作農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間分布特征,并進(jìn)一步分析了土壤有機(jī)質(zhì)與黏粒含量和容重的空間自相關(guān)關(guān)系,基于劃分的空間自相關(guān)類(lèi)型,淺析了每種空間結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的原因,以期為確定合理的宏觀土壤養(yǎng)分管理單元及土地利用規(guī)劃等提供一定的參考。
本研究中黃淮海平原旱作農(nóng)田的確定:基于2015 年黃淮海地區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖,根據(jù)坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),將地形坡度< 5°、1 km網(wǎng)格內(nèi)旱地占耕地40%以上區(qū)域、并考慮已有野外布點(diǎn)情況的區(qū)域作為旱作農(nóng)田(圖 1)。研究區(qū)位于 32°13′—41°06′N(xiāo),112°24′—119°85′E 之間,涵蓋北京、天津、河北、山東、河南以及安徽的 274 個(gè)縣市,總面積約270 000 km。該區(qū)域地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候帶,雨熱同期特點(diǎn)明顯,春冬寒冷干燥,夏季高溫多雨,年降水量在500~900 mm 之間,年際降水差異較大,年內(nèi)降水季節(jié)分配不均,多集中于夏季,約占全年降水的70%,區(qū)域內(nèi)土壤類(lèi)型以潮土、褐土、砂姜黑土為主,農(nóng)業(yè)種植制度主要為冬小麥-夏玉米輪作,是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域之一。
本研究土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源于2017 年旱作區(qū)土壤肥力調(diào)查項(xiàng)目。土壤采樣點(diǎn)布設(shè)原則和方法如下:通過(guò)采用網(wǎng)格布點(diǎn)與分層抽樣相結(jié)合,在研究區(qū)以15 km × 15 km 網(wǎng)格布點(diǎn)并抽取旱地斑塊(含水澆地),結(jié)合土壤亞類(lèi)進(jìn)行抽樣,同時(shí)考慮種植體系、分布面積和集中程度等因素,主要在潮土、褐土、砂姜黑土等土類(lèi)布設(shè),且保證每種土壤亞類(lèi)均有布設(shè),根據(jù)上述規(guī)則,黃淮海旱作農(nóng)田共設(shè)置267 個(gè)土壤采樣點(diǎn)(圖1)。土壤樣品采集時(shí)間為2017 年5 月,樣地均選擇作物長(zhǎng)勢(shì)良好的小麥地塊,采樣深度為0~40 cm,每10 cm 一個(gè)層次,每點(diǎn)取原狀土和擾動(dòng)土各一種,每種設(shè)3 個(gè)重復(fù)。采集的土樣利用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量,激光粒度儀法測(cè)定土壤機(jī)械組成,環(huán)刀法測(cè)定土壤容重。
圖 1 研究區(qū)高程和樣點(diǎn)分布圖Fig. 1 Map of elevation and sample sites distribution in the study area
空間自相關(guān)是指地理對(duì)象的某一屬性值在相鄰空間位置處取值之間的相互關(guān)系,是對(duì)該屬性空間聚集或分散程度的度量??臻g自相關(guān)現(xiàn)象廣泛存在于地理空間數(shù)據(jù)中,因此,進(jìn)行空間自相關(guān)分析對(duì)深入理解地理對(duì)象的空間分布特征具有重要意義。Moran’s指數(shù)在地理對(duì)象的空間自相關(guān)性研究中具有廣泛應(yīng)用,其不僅能在總體水平上對(duì)空間自相關(guān)現(xiàn)象做出評(píng)價(jià),而且能夠?qū)Φ乩韺傩灾档木奂碗x散程度作進(jìn)一步的區(qū)域可視化。目前,Moran’s指數(shù)在耕地質(zhì)量保護(hù)、土壤重金屬污染、土壤養(yǎng)分與肥力、土壤有機(jī)質(zhì)等研究中得到普遍應(yīng)用??臻g自相關(guān)分為全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)。全局空間自相關(guān)對(duì)屬性值的整體自相關(guān)程度進(jìn)行描述,反映空間鄰域單元屬性值的總體相似程度。本研究中全局空間自相關(guān)采用全局Moran’s指數(shù)描述:
式中,等號(hào)右邊各項(xiàng)含義同式(1)。將局部Moran’s指數(shù)進(jìn)行區(qū)域可視化,通過(guò)構(gòu)建 LISA(Local Indicators of Spatial Association)集聚圖,揭示屬性值的不同空間分布類(lèi)型。本研究采用LISA 圖將土壤有機(jī)質(zhì)的空間自相關(guān)類(lèi)型分為五種結(jié)構(gòu):HH(高-高型)、LL(低-低型)、HL(高-低型)、LH(低-高型)以及NN(非顯著型)。其中,HH 和LL 為正相關(guān)類(lèi)型,表示土壤有機(jī)質(zhì)空間聚合程度較高,即土壤有機(jī)質(zhì)含量高/低的地區(qū)周?chē)恳哺?低,HL 和LH 為負(fù)相關(guān)類(lèi)型,表示土壤有機(jī)質(zhì)呈空間離散特性,即土壤有機(jī)質(zhì)含量高/低的地區(qū)周?chē)康?高,NN 為非顯著型,表示土壤有機(jī)質(zhì)無(wú)明顯聚集或分散特征。此外,研究進(jìn)一步運(yùn)用雙變量局部空間自相關(guān)分析方法,探究土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤黏粒含量/容重的空間自相關(guān)關(guān)系,類(lèi)似單變量空間分析,雙變量局部空間自相關(guān)采用雙變量局部Moran’s指數(shù)進(jìn)行描述,計(jì)算公式如下:
黃淮海平原旱作農(nóng)田不同土層有機(jī)質(zhì)含量的描述統(tǒng)計(jì)特征如表1 所示。由表1 可知,不同土層有機(jī)質(zhì)含量的區(qū)域均值分別為20.11±6.46 (0~10 cm),14.76±5.11(10~20 cm),9.96±4.14(20~30 cm),8.03±3.45 (30~40 cm)g·kg,變異系數(shù)分別為32%、35%、42%、43%。有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度的增加而減少,變異系數(shù)則不斷增大,但均屬中等變異范圍。表層土壤(0~10 cm)有機(jī)質(zhì)含量的極差最大,為33.99 g·kg,底層土壤(30~40 cm)最小,為21.81 g·kg。
表 1 不同土層有機(jī)質(zhì)含量的統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Statistical characteristics of soil organic matter content in different soil layers
不同土層有機(jī)質(zhì)含量的空間分布如圖2 所示。0~10 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量多數(shù)在15 g·kg以上,高值區(qū)域主要分布在河北西部、山東、河南南部和安徽北部地區(qū),有機(jī)質(zhì)含量在20~30 g·kg之間;10~20 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量多數(shù)在10~20 g·kg之間,高值區(qū)域分布類(lèi)似0~10 cm 土層;20~30 cm、30~40 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量多數(shù)在15 g·kg以下,且高值區(qū)域主要分布在研究區(qū)南部,多數(shù)樣點(diǎn)在10~15 g·kg之間,低值區(qū)域主要分布在研究區(qū)北部,多數(shù)樣點(diǎn)在10 g·kg以下。20~30 cm、30~40 cm土層有機(jī)質(zhì)含量總體呈現(xiàn)出“南高北低”的特點(diǎn)。
圖 2 不同土層有機(jī)質(zhì)含量的空間分布Fig. 2 Spatial distribution of soil organic matter content in different soil layers
根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知,研究區(qū)0~10 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量總體處于三級(jí)水平(20~30 g·kg),10~20 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量總體處于四級(jí)水平(10~20 g·kg),20~30 cm、30~40 cm 土層則處于五級(jí)水平(6~10 g·kg)。從空間分布來(lái)看,不同土層之間存在較大差異。0~10 cm土層中,河北西部、山東、河南南部和安徽北部地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量均達(dá)到了三級(jí)水平,上述區(qū)域在10~20 cm 土層的有機(jī)質(zhì)含量多數(shù)在15~20 g·kg之間,接近三級(jí)水平。從地理位置看,河北西部地處太行山山前平原地帶,水資源條件優(yōu)越,是我國(guó)高集約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域之一,為獲得作物高產(chǎn),大量投入水肥和有機(jī)物料,同時(shí)實(shí)施秸稈還田,是導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量較高的重要原因。研究區(qū)山東縣市地處引黃灌區(qū),水資源條件較好,主要土壤類(lèi)型為潮土,農(nóng)業(yè)資源條件優(yōu)越,完善的農(nóng)田管理措施使土壤有機(jī)質(zhì)含量處在一個(gè)較高的水平。位于引黃灌區(qū)的中國(guó)科學(xué)院禹城試驗(yàn)站長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果表明,長(zhǎng)期平衡施肥顯著增加了該地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量,2016 年德州市土壤有機(jī)質(zhì)含量為16.3 g·kg,與第二次土壤普查相比,增加了5.47 g·kg。0~20 cm 土層中,河南南部和安徽北部的部分區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量同樣維持在一個(gè)較高的水平,該地區(qū)土壤類(lèi)型主要為砂姜黑土,是一種典型的中低產(chǎn)土壤,該區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高,與近年來(lái)針對(duì)砂姜黑土改良的增施有機(jī)肥、秸稈還田等農(nóng)田管理措施有一定的關(guān)系。
20~30 cm、30~40 cm 土層中,土壤有機(jī)質(zhì)含量多數(shù)降到了15 g·kg以下,處在四級(jí)水平或五級(jí)水平的標(biāo)準(zhǔn)。全國(guó)第二次土壤普查以來(lái),我國(guó)大部分地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈上升趨勢(shì),耕作措施、施肥方式、灌溉、秸稈還田等農(nóng)田管理措施對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化起決定性的作用。有研究指出,長(zhǎng)期均衡施肥,可顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)量,但這種增加主要集中在0~20 cm 的土層。化肥通過(guò)使作物生長(zhǎng)繁茂,根茬、枝葉等殘留量增多,間接增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。然而,黃淮海平原種植制度比較單一,尤其是河北和山東地區(qū),連年的冬小麥-夏玉米輪作,使得根系分布和下扎深度年際變化小,連年的玉米季免耕、小麥季旋耕導(dǎo)致土壤耕層變淺、犁底層變厚變硬,同時(shí),農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度高,土壤亞表層長(zhǎng)期受機(jī)械耕作壓實(shí),減弱了根系對(duì)下層土壤的穿透,從而使根茬在深層土壤的殘留減少。此外,現(xiàn)行的旋耕耕作制度深度一般在15 cm 左右,秸稈旋耕還田、免耕還田也使得表層土壤有機(jī)質(zhì)含量高于深層土壤。
不同土層有機(jī)質(zhì)含量的空間自相關(guān)分析結(jié)果表明:0~10 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量的全局空間自相關(guān)特征并不顯著(-1.96 <= -1.909 9 < 1.96);10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量的全局Moran’s值分別為0.038 8、0.038 9、0.059 1,且相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化值均大于檢驗(yàn)臨界值1.96,表明各層次均呈現(xiàn)出顯著的空間正相關(guān)特性(< 0.05),土壤有機(jī)質(zhì)含量有空間聚集的趨勢(shì)。
圖3 揭示了在95%的置信水平下,0~10 cm 土層大部分土壤樣點(diǎn)表現(xiàn)出隨機(jī)分布特點(diǎn),并無(wú)顯著的局部空間自相關(guān)特征,這與全局空間自相關(guān)結(jié)果一致。10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm 土層中,HL、LL 型樣點(diǎn)主要分布在河北平原和魯西北地區(qū),且以LL 型為主,表明這些區(qū)域除少數(shù)樣點(diǎn)(HL 型)外,有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)低值聚集的空間分布結(jié)構(gòu)。HH和LH 型在10~20 cm 土層中集中分布在河南中南部區(qū)域,在20~30 cm 土層中主要分布在河南南部,在30~40 cm 土層中則主要分布在河南南部和安徽北部區(qū)域,不同土層中的具體分布差異較大。
圖 3 不同土層有機(jī)質(zhì)含量局部空間自相關(guān)LISA(Local Indicators of Spatial Association)集聚圖Fig. 3 LISA(Local Indicators of Spatial Association)maps of local spatial autocorrelation of soil organic matter content in different soil layers
從空間自相關(guān)的分析結(jié)果來(lái)看,0~10 cm 土層有機(jī)質(zhì)含量在區(qū)域分布上并無(wú)地理位置上的相關(guān)性。由于表層土壤(0~10 cm)更容易受到人類(lèi)活動(dòng)和自然因素的影響,其有機(jī)質(zhì)含量并無(wú)顯著空間自相關(guān)性,反映了表層土壤有機(jī)質(zhì)含量在空間結(jié)構(gòu)特征上的隨機(jī)性。10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm土層中,有機(jī)質(zhì)含量均呈現(xiàn)出顯著的空間正相關(guān)特征,并且隨著土層深度的增加,正相關(guān)性增強(qiáng),空間結(jié)構(gòu)趨于明顯。陳思明等的研究結(jié)果表明,隨著土層深度的增加,結(jié)構(gòu)性因素增強(qiáng),隨機(jī)性因素減少,土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間分布趨向規(guī)則。此外,10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm 土層中,LL/HL型樣點(diǎn)集中分布在河北平原和魯西北地區(qū),且在不同土層的分布具有一定的相似性,表明這些地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量在空間水平方向以及土壤垂直分層上均具有一定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。農(nóng)業(yè)種植制度單一(冬小麥-夏玉米輪作),以及所帶來(lái)的連年固定的農(nóng)業(yè)管理措施,是造成上述分布特征的重要原因。相反,HH/LH 型樣點(diǎn)在不同土層的空間分布差異較大。研究區(qū)南部的河南、安徽地區(qū)土壤類(lèi)型包括潮土、砂姜黑土、黃褐土、褐土等,豐富的土壤類(lèi)型是導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量空間差異較大的重要原因之一。此外,種植結(jié)構(gòu)多元化、農(nóng)業(yè)管理措施的地域差異性也會(huì)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量分布產(chǎn)生重要影響。
LISA 集聚圖中,HL 和LH 型樣點(diǎn)的存在反映了局部地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間異向性。除了土壤母質(zhì)、土壤類(lèi)型的影響,黃淮海地區(qū)耕地地塊破碎、小農(nóng)戶(hù)種植管理比重大,導(dǎo)致農(nóng)田管理措施具有較大的地域差異性,從而使得土壤有機(jī)質(zhì)含量出現(xiàn)“低值環(huán)繞高值”(HL 型)以及“高值環(huán)繞低值”(LH 型)的空間分布結(jié)構(gòu)。在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,HL型樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)含量高于周邊地區(qū)的原因可做進(jìn)一步分析,以期為周邊低有機(jī)質(zhì)含量區(qū)培肥土壤、提升地力提供參考;LH 型則可以借鑒周邊高有機(jī)質(zhì)含量農(nóng)田的管理措施等,促使向HH 型轉(zhuǎn)化。
基于空間自相關(guān)理論,進(jìn)一步探討有機(jī)質(zhì)含量與黏粒含量/土壤容重的雙變量空間自相關(guān)特征,相應(yīng)結(jié)果解釋如下:全局Moran’s值表示土壤有機(jī)質(zhì)與黏粒含量/土壤容重的全局空間自相關(guān)性;局部空間自相關(guān)中,HH 表示土壤有機(jī)質(zhì)含量高的區(qū)域,其周?chē)寥罉狱c(diǎn)的黏粒含量/土壤容重也高,其他4種自相關(guān)類(lèi)型的含義與此類(lèi)似。與傳統(tǒng)的數(shù)理相關(guān)分析相比,雙變量空間自相關(guān)分析對(duì)識(shí)別兩個(gè)地理要素在空間上的同向/異向分布特征,揭示其空間分布結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
2.3.1 黏粒含量 各個(gè)土層有機(jī)質(zhì)含量和黏粒含量之間均呈現(xiàn)出顯著的數(shù)理相關(guān)關(guān)系(< 0.01),相關(guān)系數(shù)分別為0.39、0.47、0.43、0.60。土壤有機(jī)質(zhì)和黏粒含量的全局空間自相關(guān)結(jié)果表明:除0~10 cm 土層兩者無(wú)顯著空間自相關(guān)關(guān)系外,其余層次有機(jī)質(zhì)含量與黏粒含量均呈現(xiàn)顯著的全局空間正相關(guān)性,表明有機(jī)質(zhì)與黏粒含量的空間分布具有一定的同向性。有機(jī)質(zhì)和黏粒含量的LISA 集聚圖(圖4)進(jìn)一步揭示了兩者的空間分布特征:不同土層中,LL 型和HL 型主要分布在河北平原和山東西北部地區(qū),尤其在0~20 cm 土層中,HL 型集中分布在太行山山前平原以及山東引黃灌區(qū)一帶;HH 型和LH型則主要分布在河南東南部和安徽北部地區(qū)。
一般而言,土壤中黏粒含量越多,有機(jī)質(zhì)越容易被吸附和積累,兩者之間具有較大的關(guān)聯(lián)性。本研究中,土壤有機(jī)質(zhì)含量與黏粒含量具有較好的數(shù)理相關(guān)關(guān)系;LISA 集聚圖中,HH/LL 型土壤樣點(diǎn)在空間上印證了上述理論。然而也有研究表明,土壤黏粒、粉粒含量與土壤有機(jī)質(zhì)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,而土壤砂粒與土壤有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系,造成這種結(jié)果差異的原因可能是研究區(qū)域的不同,以及所帶來(lái)的農(nóng)田管理措施的差異性。本研究中,研究區(qū)北部的河北平原和魯西北地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量較低與土壤黏粒含量偏低有較大的關(guān)系(LL 型主導(dǎo)),HL型樣點(diǎn)的存在則表明局部地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)管理的優(yōu)越性,使之維持在一個(gè)較高的水平。研究區(qū)南部的LH 型地區(qū)土壤黏粒含量較高,相應(yīng)的有機(jī)質(zhì)含量卻處在一個(gè)較低的水平,這些地區(qū)應(yīng)被視為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的“有機(jī)質(zhì)含量異常點(diǎn)”,不適當(dāng)?shù)娜祟?lèi)活動(dòng),如頻繁耕作、秸稈移除或焚燒等,一方面會(huì)加速土壤有機(jī)質(zhì)的消耗,另一方面使其得不到補(bǔ)充,從而使有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)偏低。
圖 4 不同土層有機(jī)質(zhì)含量和黏粒含量的局部空間自相關(guān)LISA 集聚圖。注:HH(高-高型)、LH(低-高型)、HL(高-低型)、LL(低-低型)、NN(非顯著型)Fig. 4 LISA (Local Indicators of Spatial Association) maps of local spatial autocorrelation of soil organic matter content and clay content.Note:HH (High-High),LH (Low-High),HL (High-Low),LL (Low-Low),NN (Nonsignificant)
2.3.2 容重 土壤容重是土壤物理性狀的一項(xiàng)重要指標(biāo),反映了土壤的緊實(shí)度、孔隙狀況和結(jié)構(gòu)特征。黃淮海旱作農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)和容重之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)系數(shù)表明兩者之間并未有顯著的相關(guān)關(guān)系。土壤有機(jī)質(zhì)與容重的全局空間自相關(guān)結(jié)果表明:總體水平上,各個(gè)土層有機(jī)質(zhì)含量與容重均呈現(xiàn)顯著的空間正相關(guān)性(<0.05)。有機(jī)質(zhì)與容重的LISA集聚圖(圖5)中:0~10 cm、10~20 cm 土層HH/LH型主要分布在河南中南部和安徽北部地區(qū);LL/HL型主要分布在河北平原和魯西北地區(qū),且HL 型主要分布在太行山山前平原及引黃灌區(qū)一帶。20~30 cm 土層中,各自相關(guān)類(lèi)型的空間分布較表層變化較大,且NN 型的樣點(diǎn)增多。30~40 cm 土層中,LL/HL 型主要分布在河北和山東西北部地區(qū),HH/LH 型則主要分布在河南地區(qū)。20~40 cm 土層各自相關(guān)類(lèi)型的空間分布差異較大。
圖 5 不同土層有機(jī)質(zhì)和容重的局部空間自相關(guān)LISA 集聚圖。注:HH(高-高型)、LH(低-高型)、HL(高-低型)、LL(低-低型)、NN(非顯著型)Fig. 5 LISA (Local Indicators of Spatial Association) maps of local spatial autocorrelation of soil organic matter and bulk density in different soil layers. Note:HH (High-High),LH (Low-High),HL (High-Low),LL (Low-Low),NN (Nonsignificant)
通常情況下,農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量越多,越容易促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成,從而使土壤中大小孔隙增多,容重降低。然而本研究中,土壤有機(jī)質(zhì)含量與容重之間并沒(méi)有顯著的數(shù)理相關(guān)關(guān)系。有研究表明,耕作對(duì)容重的影響較大,耕作能改善表層土壤孔隙狀況,使表層土壤容重減小,免耕則會(huì)使表層土壤容重增加。冬小麥-夏玉米輪作、夏玉米季免耕冬小麥季旋耕是黃淮海旱作農(nóng)田普遍的種植制度和耕作制度。連年固定的種植模式使得作物根系分布和下扎深度年際變化較小,對(duì)下層土壤的穿透減少,減弱對(duì)底層土壤的疏松作用。此外,連年的旋耕、農(nóng)機(jī)具的壓實(shí)等,促使土壤亞表層變厚變硬,容重增大。農(nóng)業(yè)措施對(duì)土壤容重、有機(jī)質(zhì)含量帶來(lái)了垂直分布上的影響,而各地區(qū)在具體耕作管理上的不同,則造成了兩者的地域差異性,從而使兩者之間關(guān)系復(fù)雜化。本研究中,土壤有機(jī)質(zhì)和容重的LISA 集聚圖揭示了兩者在空間上的同向/異向分布特征,為區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)調(diào)控提供了一定參考。例如,對(duì)HH 型地區(qū)來(lái)說(shuō),在維持現(xiàn)有有機(jī)質(zhì)含量的前提下,可考慮深松等耕作方式,疏松深層土壤,增大孔隙度,減小容重,為作物根系生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的土壤物理環(huán)境。LH 型地區(qū)應(yīng)在注重提高土壤有機(jī)質(zhì)含量的同時(shí),適當(dāng)降低土壤容重,比如秸稈深耕還田等。LL 型地區(qū)則應(yīng)在維持或降低現(xiàn)有土壤容重的情況下,通過(guò)增施有機(jī)肥等方法提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。HL 型地區(qū)可認(rèn)為是相對(duì)比較理想的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)示范區(qū),例如太行山山前平原一帶以及山東引黃灌區(qū)一帶。需要指出的是,土壤有機(jī)質(zhì)培肥、作物根系生長(zhǎng)最適容重等耕層特征的構(gòu)建,需要在現(xiàn)有實(shí)際情況的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良和完善,并結(jié)合各地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況,因地制宜實(shí)施農(nóng)業(yè)管理。
隨著土層深度的增加,有機(jī)質(zhì)含量的空間分布結(jié)構(gòu)趨于明顯。有機(jī)質(zhì)含量與黏粒含量之間存在顯著的數(shù)理相關(guān)關(guān)系;兩者的空間分布結(jié)構(gòu)中,HL/LH(高-低/低-高)型反映了在土壤黏粒含量影響的基礎(chǔ)上,人類(lèi)活動(dòng)等對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加或減少作用。有機(jī)質(zhì)含量與土壤容重之間無(wú)顯著的數(shù)理相關(guān)關(guān)系;兩者的空間分布結(jié)構(gòu)中,HL(高-低)型樣點(diǎn)“有機(jī)質(zhì)含量較高,同時(shí)土壤容重較低”,是相對(duì)理想的分布結(jié)構(gòu);LH(低-高)型樣點(diǎn)“有機(jī)質(zhì)含量低,同時(shí)土壤容重高”,屬于相對(duì)不理想的空間分布結(jié)構(gòu)。有機(jī)質(zhì)與黏粒含量的空間分布結(jié)構(gòu)更明顯;0~10 cm、10~20 cm 土層較20~30 cm、30~40 cm土層的空間分布結(jié)構(gòu)更明顯;農(nóng)業(yè)管理措施及其地域差異性是造成上述分布結(jié)構(gòu)在空間水平方向及土壤垂直分層方向上差異化的重要原因。