2024, Vol. 61
2. 山西农业大学生态环境产业技术研究院/土壤环境与养分资源山西省重点实验室, 太原 030031;
3. 山西省耕地质量监测保护中心, 太原 030001
2. Academy of Eco-environment and Industrial Technology, Shanxi Agricultural University; Shanxi Province Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources, Taiyuan 030031, China;
3. Shanxi Farmland Quality Monitoring and Protection Center, Taiyuan 030001, China
耕地是人类赖以生存的最基本生产资料[1]。土壤有机质和全氮含量作为衡量耕地质量和土壤碳、氮库的重要指标[2-3]，其含量高低和时空分布特征的变化会直接影响粮食产量[4-5]。土壤有机质含量不仅是土壤肥力的重要指标之一，也表征土壤碳储量的大小，在耕地质量、环境保护等方面均发挥着至关重要的作用[6]。氮素是植物生长需求量最大的元素，其吸收利用的主要来源是土壤[7]；随着自然因素（气候、成土母质、土壤类型等）和人类活动（施肥方式、田间管理措施等）的改变，土壤有机质和全氮含量会发生变化，其时空演变作用存在明显差异。因此，研究土壤有机质和全氮含量的变化特征并揭示其演变规律对调控区域土壤碳氮及全球碳氮循环有重要意义。
近年来，随着地统计学和地理信息系统（GIS）技术的快速发展，各学者从不同尺度对不同区域耕地土壤有机质和全氮含量的时空变异进行了深入研究。Guo和Jiang[8]通过对鄱阳湖平原农田土壤碳、氮、磷的空间变异特征进行分析，发现其变化受海拔、纬度、土壤类型、秸秆还田方式和施氮量等的影响。刘建玲等[9]研究了30年1978—2008年来太行山山麓平原的土壤养分含量变化，发现30年来有机质含量增加显著，施肥是导致其增加的主要原因。廖宇波等[10]运用GIS、地统计学和数据统计分析方法，研究了北京市大兴区近40年来五个时期（1980、1990、2000、2006、2017）耕地有机质的时空变异特征，发现耕地土壤有机质含量整体上升，其主要受土壤质地、土壤类型、种植作物类型和人为耕作管理活动的影响。孙晓兵等[11]通过对河北省曲周县耕地土壤肥力的研究发现，由于结构性因素和随机性因素的共同影响，2000—2018年耕地土壤有机质和全氮的平均含量均显著增加。目前，社会经济快速发展，耕地面积减少、养分流失等问题日渐突出，土壤有机质和全氮的时空变异特征研究已成为当今土壤学研究的热点之一[12-14]。
黄土高原作为典型的生态脆弱区，有关其土壤养分变异报道较少，且大多集中于静态的变化，缺乏对土壤有机质和全氮时空演变特征的研究，无法对其农业生产提出针对性的指导意见。随着施肥措施和耕作管理等的不断更新，黄土高原耕地土壤的有机质和全氮含量发生明显变化，但其时空演变特征尚不明确。天镇县地处黄土高原东北部，是国家级出口小杂粮质量安全示范区，拥有全国无公害农产品基地县、绿色食品原料标准化生产基地县、农业标准化示范县等多个“国字招牌”，探究其土壤有机质和全氮含量的时空演变特征对于指导黄土高原北部耕地的土壤质量提升具有重要意义。
本研究以黄土高原北部县域天镇县为研究区域，基于1983年、2008年和2019年三个时期的土壤采集数据，利用经典统计学和地统计学等方法对比分析长期以来天镇县耕地土壤有机质、全氮含量及碳氮比的时空演变规律，明确其演变特征，为该县乃至黄土高原耕地质量提升和土地资源科学管理提供依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况黄土高原位于中国中部偏北，包括太行山以西、乌鞘岭以东，秦岭以北、长城以南等广大地区，跨山西省、陕西省北部、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区及河南省等省区，总面积64万km2。黄土高原沟壑纵横，山地与断谷、盆地相间分布。地势起伏大，西北高，东南低。而天镇县位于黄土高原东北部（40°9′8″N~40°40′35″N，113°53′30″E~114°32′30″E），地处晋、冀、蒙三省（自治区）交界处，总面积1 718 km2，为黄土高原典型丘陵沟壑区（图 1）。其地貌复杂，境内群山绵亘、丘陵起伏，平原狭窄。平均海拔1 100 m左右，属大陆性北温带干旱性季风气候，四季分明，夏短冬长，年平均气温6.7℃，降水量359 mm。成土母质为黄土质、洪积物和黄土状母质等，土壤类型主要为栗钙土和草甸土。土壤质地包括轻壤、中壤和重壤。主要种植作物为玉米等杂粮。近30年来，该区域先后开展并推广了测土配方施肥和高标准农田建设等项目。
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图 1 1983年、2008年和2019年三个时期的采样点位分布图 Fig. 1 Distribution of sampling locations for the three periods 1983, 2008 and 2019 |
1983年耕层土壤性质数据来源于第二次土壤普查报告资料。由于1983年的土样数据无经纬度坐标记载，但有地名描述，在本研究中其土样位置主要依据第二次土壤普查资料描述记录的地点信息，同时结合行政区划、地形地貌、土壤类型分布等确定，逐一定位。共整理收集土样数据107组，空间分布相对均匀，有较好的代表性。2008年前后和2019年前后的土壤数据均为实地取样和测定，分别采集土壤样品350个和148个。采样时，以第二次土壤普查形成的土壤类型分布图为参考，根据代表性和均匀性原则，确定采样点位后采用S法采样，每个采样点均随机采取15~20个土样，充分混合后，四分法留取1 kg左右样品，并用GPS确定地理坐标和海拔高程，记录经纬度，具体采样点如图 1所示。将采集的土样带回室内自然风干，剔除动植物残渣等杂质并研磨备用。测定指标包括有机质（SOM）和全氮（TN）。其中土壤有机质用重铬酸钾外加热法测定，全氮采用半微量凯氏法测定。
1.3 数据处理以全国第二次土壤普查的土壤有机质和全氮含量分级标准[15]作参考，将土壤有机质和全氮含量分为六个等级，其中一级到六级有机质含量分别为小于6 g·kg–1、6~10 g·kg–1、10~20 g·kg–1、20~30 g·kg–1、30~40 g·kg–1和大于40 g·kg–1；一级到六级全氮含量分别为小于0.50 g·kg–1、0.50~0.75 g·kg–1、0.75~1.00 g·kg–1、1.00~1.50 g·kg–1、1.50~2.00 g·kg–1和大于2.00 g·kg–1。运用SPSS 26.0对三个时期的数据进行描述性统计分析、正态性检验和单因素方差分析。在GS+9.0中完成不同时期土壤有机质和全氮的最优半方差函数模型拟合，其空间分布图依据最优模型应用ArcGIS 10.7的普通克里格（Ordinary-Kriging）插值法进行分析。
2 结果 2.1 耕地土壤有机质和全氮的统计特征天镇县1983年、2008年和2019年耕地土壤有机质（SOM）、全氮（TN）含量及碳氮比（C/N）的统计特征见表 1。柯尔莫可洛夫-斯米洛夫检验（K-S检验）表明SOM经过对数转换后服从正态分布，TN和土壤C/N经过Box-cox变换后服从正态分布。天镇县1983年SOM含量在2.80~20.00 g·kg–1之间，均值为8.83 g·kg–1。随着时间的推移，SOM和全氮均呈不同程度的上升趋势。2008年和2019年SOM含量平均值分别为11.84和15.00 g·kg–1，分别较1983年增加了30.09%和69.88%。SOM增加速率呈现为阶段性特征，1983—2008年SOM年均增加率为0.20 g·kg–1，2008—2019年为0.29 g·kg–1，年增加速率为前者的1.5倍左右。1983年TN含量在0.16~1.20 g·kg–1之间，平均值为0.55 g·kg–1。2008年和2019年土壤TN含量显著增加，其平均值分别为0.74 g·kg–1和1.03 g·kg–1，1983—2008年土壤TN年均增加0.01 g·kg–1，而2008—2019年土壤TN年均增加量提高，年均增加0.03 g·kg–1，为前者的近三倍。1983年天镇县土壤C/N为6.04~15.80，平均值为9.32；与2008年相比，土壤C/N无显著变化，但在2019年，土壤C/N显著下降，较2008年的平均值降低了9.6%。三个时期SOM、TN和土壤C/N的变异系数在10%~100%之间，均属于中等程度的空间变异性。其中，土壤C/N的变异系数要略低于SOM。
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表 1 1983年、2008年和2019年天镇县土壤有机质、全氮及碳氮比的描述性统计特征 Table 1 Descriptive statistical characteristics of soil organic matter, total nitrogen and carbon to nitrogen ratio in Tianzhen County in 1983, 2008 and 2019 |
对1983年、2008年和2019年三个时期耕地SOM和TN数据进行半方差函数模型的拟合，对比分析各个模型的决定系数与残差，各指标半方差函数模型得出的相应参数见表 2。由此可见，1983年SOM和TN的最优拟合模型为高斯模型，2008年的SOM和TN及2019年的TN的最优拟合模型为指数模型，而2019年SOM的最优拟合模型为球状模型。不同的模型参数表明不同模型拟合的效果且均能很好地反映各个指标的空间分布特征。
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表 2 1983年、2008年和2019年天镇县土壤有机质和全氮变异函数理论模型及其参数 Table 2 Theoretical models of soil organic matter and total nitrogen variation functions and their parameters in Tianzhen County in 1983, 2008 and 2019 |
块金值表示试验误差和小于取样尺度的变异，块基比则可用来表示空间自相关性[1]。一般地，块基比小于25%说明其受到结构性因素（自然因素）影响程度较大；块基比在25%~75%之间说明其受到结构性因素和非结构性因素（随机因素）的共同影响；块基比大于75%说明其受到非结构性因素的影响程度较大[1]。由表 2可知，1983年、2008年和2019年SOM的变程分别为80 020、3 300和50 680 m，呈先减小后增大的趋势，其块基比由1983年的22.0%增至2008年的47.7%和2019年的49.8%，说明1983年SOM主要受到结构性因素的影响，表现为强烈的空间自相关性，2008年和2019年则受到结构性因素和非结构性因素共同作用，且受到非结构性因素的影响逐渐增强，人为活动干扰对其影响越来越大。这与曹婧等[16]的研究结果相一致，其研究发现2017陕西省的耕地SOM也表现为中等强度的空间自相关性，其SOM空间分布受随机性因素和结构性因素的共同作用。1983年土壤TN的块基比为14.9%，呈现强烈的空间自相关性，2008年和2019年分别升至49.7%和38.5%，其空间自相关性降低，受到结构性因素和非结构性因素共同作用，这与赵业婷[17]发现的土壤养分的块金系数均在25%~75%之间的研究结果相一致。
2.2.2 不同时期耕地土壤有机质和全氮的时空分布特征根据半方差函数模型，利用ArcGIS 10.7的普通克里格插值法对整个研究区域进行空间插值。结合全国第二次土壤普查养分分级标准，通过ArcGIS 10.7对其进行分析、评价及面积占比统计，分析天镇县1983—2019年SOM和TN的时空演变特征。
2019年天镇县SOM含量（图 2）、等级占比（表 3）较1983年发生明显变化。1983年SOM含量处于偏低水平，大部分区域SOM含量在6~10 g·kg–1之间，处于五级水平的占比达78.6%，多分布于中部乡镇，而SOM含量较高的地区为北部的新平镇和东部的南高崖乡，其SOM含量大部分在10~20 g·kg–1，处于四级水平，占比为19.8%。2008年天镇县大部分区域SOM含量呈现南低北高的分布格局，以含量在10~20 g·kg–1之间为主，占比为88.1%，低值区分布在中部偏南地区，主要为赵家沟乡、南河堡乡南部以及贾家屯乡西部；2019年较2008年SOM含量整体有明显增加，两个时期空间分布特征相似，大部分区域SOM含量仍在10~20 g·kg–1，占比达90.2%；SOM含量较高的地区在北部新平镇和东部南高崖乡的部分区域，其SOM含量处于20~30 g·kg–1之间，占比达4.5%。总体而言，天镇县SOM含量虽逐年上升，但平均仍处于10~20 g·kg–1，属于四级水平，整体偏低，需积极育土培肥。
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图 2 1983年、2008年和2019年天镇县土壤有机质（SOM，上）及全氮（TN，下）的空间分布图 Fig. 2 Spatial distribution of soil organic matter(SOM, Top) and total nitrogen(TN, Bottom) in Tianzhen County in 1983, 2008 and 2019 |
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表 3 1983年、2008年和2019年土壤有机质和全氮含量面积比例 Table 3 Area ratios of soil organic matter and total nitrogen content in 1983, 2008 and 2019 |
图 2、表 3结果表明，1983年土壤TN含量呈现西部低、东部高的分布格局，大部分区域土壤TN含量在0.5~0.75 g·kg–1之间，处于五级水平，占比达53.7%；TN含量较低的区域主要分布在西南部，其含量大多小于0.5 g·kg–1，处于六级水平，占比为38.3%。TN含量较高的地区为北部的逯家湾镇和东部的南高崖乡的部分地区，TN含量处于四级水平，其含量多在0.75~1.00 g·kg–1，其中南高崖乡东部TN含量高达1.5 g·kg–1左右。2008年土壤TN含量有明显增加，主要以TN含量在0.5~0.75 g·kg–1之间的土壤为主，占比为61.6%，而TN含量在0.75~1.00 g·kg–1的土壤面积占比增至38.3%，其主要分布在中北部和东部。2019年土壤TN含量较2008年显著增加，其呈现由南向北逐渐增加的趋势，其中北部的TN含量增长较大，其TN含量为1.50~2.00 g·kg–1（三级水平）的土壤面积占比最高为44.0%。1983年TN含量多为0.50 g·kg–1左右，而2019年土壤TN含量均在1.00 g·kg–1以上，增加幅度最高可达1.70 g·kg–1。
2.2.3 不同时期耕地土壤有机质和全氮的变化率1983—2008年大部分乡镇SOM含量年均变化率为正值，年均增加0~5%的土壤面积占比达89.0%（图 3）。其中新平镇东北部、米薪关镇和南高崖乡的交汇处SOM含量年均变化率为负值，其土壤面积占比为2.3%（表 4）；而在2008—2019年期间，南部的贾家屯乡和赵家沟乡的部分区域的SOM含量年均变化率为负值；而其他乡镇大部分区域SOM含量年均变化率均为正值，县域北部的新平镇和逯家湾镇部分区域的SOM年均增长率最大，达5%~10%，其土壤面积占比为1.8%。整体而言，1983—2008年SOM含量的年均变化率较大。
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图 3 土壤有机质含量（上）和全氮含量（下）年均变化率 Fig. 3 Annual average rate of change in soil organic matter(Top) and total nitrogen content(Bottom) |
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表 4 土壤有机质和全氮年均变化率面积比例 Table 4 Area ratios of annual average change rates of soil organic matter and total nitrogen |
由图 3可知，TN含量年均变化率和SOM含量年均变化率的变化趋势相似，在1983—2008年新平镇东北部、米薪关镇和南高崖乡的交汇处及南高崖乡东部TN含量呈现下降趋势，其下降的土壤面积占比约为4.9%（表 4），其他乡镇大部分地区均呈上升趋势，其中TN含量年均增加0~5%的土壤面积占比为91.3%。而在2008—2019年期间，各乡镇的TN含量年均变化率均表现出增加的趋势，尤其是北部的新平镇和逯家湾镇，其大部分区域的TN含量年均变化率为5%~10%，土壤面积占比为9.8 %。总体而言，近36年来天镇县土壤TN含量西北地区增速快，东南地区增速慢。
3 讨论 3.1 影响土壤有机质含量和全氮变化的主要因素耕地是人类赖以生存的物质基础，而SOM和TN作为耕地质量的核心关键，其含量的高低是衡量耕地质量及肥力好坏的标准[7]。本研究发现，近30年来，随着农业生产水平的提高和精耕细作农业种植模式的推广，天镇县耕地土壤SOM和TN含量从1983年到2019年间有了明显的提升（表 1）。半方差分析结果显示，SOM和TN受结构性因素和随机性因素共同影响（表 2）。
3.1.1 自然因素1983—2019年天镇县各乡镇大部分SOM和TN含量均出现不同程度的上升趋势，但仍处于中等偏低水平，大多处于四级水平（图 2和表 3）。相关分析表明，天镇县1983年的SOM与TN含量呈极显著的正线性相关（r=0.941，P＜0.001）。而2008年和2019年的SOM与TN含量也呈极显著的正线性相关（r=0.633，P＜0.001；r=0.619，P＜0.001），但其相关系数较1983年相对较小，因此SOM和TN的变化状况表现出一定的相似性，这与前人研究的结果[18-19]较为一致。
不同地形地貌的光热及水分条件不同，会影响到SOM的矿化和腐殖化过程，从而影响SOM和TN含量[20]。SOM的积累与分解直接影响着氮素在土壤中的贮存和转化，对土壤中的氮素含量起着主导作用。天镇县高程在900~2 000 m左右，本研究按照高程范围将其划分为四组（表 5），其中在高程1 000~1 200 m和大于1 400 m范围内的SOM和TN含量变化较大。研究发现，三个时期1 000~1 200 m高程范围下中等水平的SOM含量（10~20 g·kg–1）和TN含量（0.75~1.00 g·kg–1）的占比逐渐增加，SOM含量占比由1983年的38.7%增至2019年的74.1%，TN含量占比由1983年的25.0%增至70.6%。这是由于该高程范围下，地势较为平坦，条件便利，农业比较发达，农民的投入和管理水平较高，使得SOM和TN含量较高。而在三个时期大于1 400 m高程范围下SOM含量和TN含量的占比逐渐降低，SOM含量占比由1983年的35.5%降至2019年的7.4%，TN含量占比由1983年的50.0%降至8.8%。造成该现象的原因可能是该高程下大多是丘陵和坡耕地，农民的投入较低，SOM和TN含量降低。
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表 5 不同年份和高程土壤有机质和全氮含量分级占比 Table 5 Graded proportion of organic matter and soil total nitrogen content in different years and altitudes/% |
有研究表明，不同的土壤类型，其成土过程、矿物组成和发育程度不同，这可能会影响土壤TN和SOM含量[19，21-23]。将采样点与土壤图进行叠加分析（表 6），天镇县主要的土壤类型包括栗钙土和草甸土。草甸土土层较厚，有机物质生长量较大，分解缓慢，十分有利于SOM的积累。而栗钙土主要成土母质为花岗片麻岩砂页岩、石灰岩及玄武岩等风化物，多为残积母质或坡积物，且气候干燥少雨。天镇县作物为一年一熟，受降水、母质条件影响，栗钙土钙积效果明显，养分中等，SOM的合成速度和合成量少，而矿化分解的速度很快，导致SOM积累较少[22-23]。但本研究发现天镇县栗钙土和草甸土的SOM含量和TN含量的差异并不显著（表 6），这与大部分研究的结果均不相同，可能的原因是研究区域的土壤质地不同，其通过影响土壤养分转化及有效性影响TN和SOM的含量[24]。天镇县全县轻壤和中壤的面积最大，占全县耕地总面积的86.67%。据统计，天镇县65%的草甸土质地为轻壤，其物理性砂粒大于50%，因此通透性好，土壤中的有机碳与氮素易被矿化，积累较少[25]，且全县的草甸土多为盐化草甸土，其SOM和TN含量本身较低；而栗钙土质地多为中壤和重壤，土壤长期处于嫌气状态，更利于SOM和氮素的积累与储存。土壤类型与质地相结合，以及其他因素的综合作用下，整体上栗钙土和草甸土SOM及TN含量的差异不显著。
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表 6 不同年份不同土壤类型下土壤有机质和全氮的变化特征 Table 6 Variation characteristics of soil organic matter and total nitrogen in different years and different soil types |
施肥状况和田间管理等人为活动也是影响SOM和TN时空演变特征的重要因素。20世纪70年代末开始，农民实施家庭联产承包责任制，化肥工业兴起，农户对耕地的化肥投入日益增多，粮食产量逐步提高，输入土壤的作物残茬和根系数量增多，因此SOM含量得以提升[16]。20世纪90年代后，工业化迅速发展、国家重视耕地保护以及农户加大化肥投入等均为SOM和TN含量的增加提供了契机[10]。此外，增加氮肥投入量可增加作物的生物量，增加SOM，从而间接提高了土壤TN含量[26]。不同种植制度下的土壤氮素含量也有所差异，不同作物对氮素的需求不同，导致其氮素积累量不同[27]。不同作物的根系分泌物会导致根际微生物种类上的差异[28-29]，这也会影响土壤氮素循环和转化[30]。相较于1984年化肥施用总量6 710 t（折纯量），2019年化肥施用量总量达14 820 t，施肥量大幅度提升，作物生物量提高，残留于土壤中根系量和还田秸秆量增加，从而使得SOM和TN含量也大幅上升[31]。本研究搜集统计了天镇县近二十年主要作物玉米的农业生产施肥和产量情况，发现在2008年后测土配方施肥技术得到有效普及，农用化肥施用量有所提高，由2008年的8 863 t增至2018年的9 608 t，但在施肥结构上，越来越注重养分均衡，重视配方施肥。虽然农民的氮肥投入由2008年的6 074 t降至2018年的5 255 t，复合肥投入由2008年的682 t增至2018年的1 739 t，但玉米产量在不断上升，由2008年的100 171 t增至2018年的146 487 t，因此秸秆总量也在逐年增长，使得大量的有机物质进入土壤，还田量大幅提升，从而促进SOM和TN的积累[32]。2009年山西省发布了关于推荐山西省农业主导品种和主推技术的通知，大力推进农作物秸秆综合利用的实施，每年收获季节政府也会严格查处焚烧秸秆现象，上述措施均进一步促进了秸秆还田的推行。研究[33]表明秸秆还田主要是通过影响腐殖质含量来调节SOM，丰富的微生物活动使得秸秆中有机态养分加速分解释放，优化有机碳结构并提高稳定性，从而增加土壤的有机碳储量。
3.2 土壤碳氮变化的环境意义土壤C/N常被用来衡量土壤的碳氮营养平衡状况，可作为土壤质量的敏感指标[7]，较单独的土壤碳氮指标，能更全面阐述碳氮的变化特点。天镇县2008年SOM含量为1983年的1.34倍，TN含量为1983年的1.35倍；其土壤C/N无明显变化，但变异系数升高。2019年SOM含量为2008年的1.27倍，TN含量为2008年的1.39倍，其土壤C/N由9.33降至8.43，变异系数显著降低，这与川中丘陵区[34]的结果不同，可能的原因是川中丘陵区人口密集，土地垦殖系数提高，化学氮肥大量施用，逐渐改变了土壤中的碳氮比例。因此，需加强不同区域之间土壤碳氮比的空间变异及影响因素探究，以便更加深入和精确估测土壤碳氮储量[35]。
土壤C/N也是衡量土壤肥力的最重要指标之一。C/N的增加在一定程度上能够抑制微生物分解碳和氮的能力，并且减缓土壤碳和氮的矿化速度[36]，从而达到增加土壤中碳和氮含量的效果。保持合理的碳氮含量和土壤C/N，是提高土壤固碳、固氮能力的重要手段[7]。在农业生产中，一是要合理地施用氮肥，提高氮肥利用率。二是增施农家肥和绿肥，鼓励更多地施用有机肥，改善土壤理化性质和碳氮含量。三是推广秸秆还田技术，提高粮食产量并实现农业的可持续发展。
4 结论天镇县1983—2019年SOM和TN含量整体呈现上升趋势，土壤碳氮比由9.33降至8.43，变异系数显著降低，其碳氮的相关系数下降，需要进行适当调控。SOM和TN时空演变格局由主要受结构性因素的影响转变为受结构性和随机性因素影响。1983年SOM和TN主要受到土壤类型等结构因素的影响，2019年主要受到施肥措施和秸秆还田等的影响。时空变化方面，大部分区域的SOM和TN含量呈增加趋势，1983—2008年县域西北部的SOM和TN增幅最为明显，2008—2019年县域北部的SOM和TN含量增加较多。
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