北京郊区土壤有机质含量的时空变异及其影响因素-中国农业科学

中国农业科学 2006,39(4):764-771ScientiaAgriculturaSinica北京郊区土壤有机质含量的时空变异及其影响因素胡克林1112,余艳,张凤荣,王茹(1中国农业大学资源与环境学院，北京100094；2北京市房屋与土地管理局土地整理中心，北京100013)摘要：【目的】揭示土壤有机质时空变化规律及其影响因素，为土壤肥力评价和管理提供指导。【方法】通过收集和实测北京南郊—大兴区1980、1990和2000年3个不同时期耕层土壤有机质含量的资料，应用地统计学方法对其进行分析。【结果】3个时期土壤有机质的平均含量分别为9.64、12.76和12.89g·kg-1，它们的空间相关距离分别为80.5、59.2和49.0km，呈递减趋势。大兴区土壤有机质含量空间分布呈北高南低之势。从1980年到2000年，有机质含量表现为由低向高逐级累积的规律，具体变化为有机质含量一级和二级的土地面积从无增加到分别占土地总面积的8.0%和14.3%，含量三级的土地面积从23.0%增加到37.1%，四级土地面积减少很少，约为2.19%，五级土地面积减少幅度最大，为50.4%。【结论】秸秆还田和施用有机肥是有机质含量普遍上升的原因，随着作物产量的不断提高，部分地区的有机质入不敷出，呈下降的趋势，应注意土壤的培肥管理。关键词:耕层；土壤有机质；地统计学；时空变异；影响因素TheSpatial-TemporalVariabilityofSoilOrganicMatterandItsInfluencingFactorsinSuburbanAreaofBeijingHUKe-lin1,YUYan1,ZHANGFeng-rong1,WANGRu2(1CollegeofResourceandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100094 ;BeijingHouseandLandManagementBureau,Beijing100013)Abstract:【Objective】Theobjectiveofthisstudywastoexplorethespatial-temporalvariabilityofsoilorganicmatter(SOM)anditsinfluencingfactors,andtoprovideafirmscientificfoundationforsoilfertilityassessmentandmanagement.【Method】SOMcontentinarablelayerin1980,1990and2000inDaxingCountyofBeijingwasobtainedbycollectingdataintheSecondNationalSoilSurvey(SNSS)andrecentmeasures.Thegeneralstatisticsandgeostatisticsmethodswereusedtoanalyzethedata.【Result】TheaverageSOMcontentatdifferenttimeswere9.64g-1-1-1,12.76g·kg·andkg12.69g·,kgrespectively.Thesemivarianceanalysisshowedthattheirspatialcorrelationdistancesatdifferenttimeswere80.5km,59.2kmand49.0km,respectively,showingadescendingtrend.KrigingmethodwasappliedtoestimatetheunobservedpointsandasaresultSOMcontentcontourmapswerederived,andthemapindicatedadecreasingtrendfromnorthtosouthacrossthecountyforSOMcontent.TheSOMcontenthadbeenclassifiedintosixcategories(bellow6,6to10,10to12,12to15,15to20andabove20g -1)accordingtothestandards·kgsetbySNSS.TheSOMchangedslowlyfromlowtohighcategorybasedontheaccumulationofSOMinthelowcategoryfrom1980to2000.Duringthelast20years,theareawiththehighestandthesecondhighestcategoryofSOMcontentchangedfrom0to8.0%and14.3%ofthetotalarea.TheareawiththethirdcategoryforSOMcontentincreasedfrom23.0%to37.1%ofthetotalarea,respectively.TheareawiththeforthcategoryforSOMcontentdecreasedlittle,about2.19%ofthetotalarea.TheareawiththefifthcategoryforSOMcontentdecreasedsharply,about50.4%ofthetotalarea.【Conclusion】SOMcontentincreasingtrendmightbeattributetothewidespreadpracticesofmulchingandorganicmanureapplication.Withtheyieldimprovement,someregionshaveexhibitedSOMdeficitandattentionshouldbepaidtothefertilizationofSOM.Keywords: Arablelayer;Soilorganicmatter;Geostatistics;Spatio-temporalvariability;Affectedfactor收稿日期：2005-09-14；接受日期：2006-01-12基金项目：国家科技攻关计划（ 2004BA520A14C02），国家自然科学基金项目（ 49871005）和长江学者和创新团队发展计划（ IRT0412）资助作者简介：胡克林(1971-)，男，湖北钟祥人，副教授，博士，研究方向为土壤空间变异和溶质运移。 TelFaxE-mail:hukel@4期胡克林等：北京郊区土壤有机质含量的时空变异及其影响因素7650引言大兴区位于北京市城南，永定河下游东岸，属于2，位于东经华北平原的一部分。土地总面积1039km【本研究的重要意义】土壤有机质是土壤肥力的116°13′～116°34′，北纬39°26′～39°51′之间。总的地重要指标，是大气二氧化碳的潜在碳源和汇，是植物势自西北向东南略倾斜，海拔高程在15～45m之间，必需营养元素的主要来源。因而，土壤有机质已经成坡度在0.8%～1.0%左右，全区成土母质为永定河冲积为土壤学、环境化学和地球化学的研究热点之一[1,2]。物，大致分为3个地貌单元：北部为永定河洪积冲积揭示土壤有机质的时空变异规律和掌握其分布状况是扇；南部为永定河冲积平原；西部为永定河河床自然实现土壤可持续利用和区域可持续发展的前提。【前人堤。由西向东偏北，土壤质地由砂变粘（图1）。该区研究进展】国内外已有一些研究者用地统计方法对农属暖温带半湿润季风气候，年平均降雨量568.9mm，田尺度下土壤有机质的空间变异特征进行了研究[3~6]。雨热同季，但季节分配不均，76.2%雨水集中在夏季，研究结果表明，土壤有机质的变异系数属中等变异强既适合于冬小麦等喜凉作物生长，又适合于水稻、花度，存在明显的空间自相关结构，其空间相关距离明生等喜温作物生长，是北京市重要的粮、菜、瓜、果显要大于其它土壤养分，揭示了人为耕作管理措施的生产基地。差异是其空间变异的主要因素。对于区域尺度下土壤有机质空间变异的研究主要集中在黄淮海冲积平原区[7]、黄土高原流域[8]、干旱荒漠区[9]、河北省遵化平原[10]、太湖流域典型地区[11]、四川盆地小流域[12]、亚热带低丘红壤区[13,14]等地区，大多为县级尺度，面积从几十到几千平方公里，主要揭示了区域因素如气候、土壤类型、地形、地貌、土地利用类型、土壤侵蚀等对其空间变异的影响。其中一些研究者还对土壤有机质的时间变异特征进行了研究，少数研究者将土地利用变化对土壤有机质含量的影响也进行了简要分析[10~12]，而对城市郊区土壤有机质的研究还不多见。另外，由于资料难以搜集，研究两个时间段，特别是研究20世纪80年代和20世纪末的土壤有机质时空变异较多，而对于3个以上时间段城市郊区土壤有机质空间变异性及其影响因素的研究在国内外还鲜见报道。【本研究切入点】城市郊区是城乡间的过渡带，近年来随着城市化进程的加快，导致其农业集约化程度和土地利用强度不断提高，尤其是土地利用类型、人为耕作管理措施都发生了较大的变化，这些变化都会对土壤有机质的变化产生重要影响[15]。位于北京南郊的大兴区，从一个以粮食生产为主的农业县演变成北京市重要的蔬菜水果生产基地，具有很强的代表性。【拟解决的关键问题】以该区作为研究区，通过野外调查、采样分析和资料搜集，运用地统计方法对其近20年来3个时期的土壤有机质时空变化规律及其影响因素进行研究，旨在为城市郊区土壤肥力评价和土壤培肥管理提供参考。材料与方法1.1 研究区概况

细砂Finesand砂壤Sandloam轻壤Lightloam中壤Middleloam图1 大兴区土壤质地Fig.1 DistributionmapofsoiltextureinDaxingCounty1.2 样品的采集和分析通过收集第二次土壤普查资料和其它课题资料得到1980年和1990年土壤有机质资料。对于2000年取样方案如下：以第二次土壤普查为背景，尽量靠近原样点采集土样，样点布局考虑了土地利用方式和土壤类型。采用GPS定位，每一样点在直径10m范围内选择3～5个0～20cm耕层土样混合，按四分法取分析样品1.5kg，全区共布设了322个样点（图2）。土壤有机质采用重铬酸钾氧化-外热源法测定。1.3 数据处理数据采用地统计学软件 GS+（5.3）处理，有机质含量的空间分布图采用 Sufer7.0软件进行绘制。不同时段有机质差值的计算方法是：通过限定相同的 x和y坐标原点，以及相同的间距，用GS+（5.3）软件插值后，得到有1983个块值的krg文件（大兴界内），用excel处理该文件，得到不同时段有机质含量的差766 中 国 农 业 科 学 39卷年及含量差的表层土壤有机质含量均近似服从正态分2布（χ检验）。3个时期土壤有机质的变异系数相差不大，范围为 0.26～0.30，属中等变异强度，这与已有[7,10]的一些研究结论相同 。从1980到2000年，前10年土壤有机质含量差的变异系数为 0.42，属中等变异强度，后10年含量差的变异系数为 8.72，属高变异强采样点Samplingsite1980年、1990年和2000年土壤有机质的平均含区政府Countyseat-1量分别为9.64、12.76和12.89g·kg。随着时间的递Km增，表现为递增的趋势，但增加的幅度不一样，从1980年到1990年，平均增加了-13.09g·kg，而从1990年-1到2000年，仅增加了0.18g·kg。图22000年取样点分布图3个不同时期土壤有机质含量的范围也不同，Fig.2Samplingsitesin20001980年的最大值为18.65g-1-1·kg，最小值为2.96g·kg，两者相差约-16倍，极差为15.7g·kg；1990年的最大值，再用Sufer7.0软件绘制差值的空间分布图。-1-1值为23.2g·kg，最小值为4.0g·kg，相差约6倍，-1年的最大值达到了26.012结果与分析极差为19.2g·kg；2000-1，最小值仅为-1倍，极差为3.44g·kg，相差约8g·kg2.1大兴区土壤有机质含量的统计特征值-122.6g·kg，随着时间的递增，最大值和最小值之差呈从表1中偏度和峰度系数知，1980、1990、2000上升趋势。表1大兴区土壤有机质含量的描述性统计Table1Thedescriptivestatisticsofsoilorganicmatter(SOM)inDaxingCounty(g-1)·kg项目1）样点数分布类型偏度峰度最小值最大值均值±标准差变异系数ItemsSamplepointsTypeofdistributionSkewnessKurtosisMinMaxMean±SDCVOM1980294正态Normal0.420.512.9618.659.64±2.670.28OM1990179正态Normal0.36-0.234.0023.2012.76±3.780.30OM2000322正态Normal0.851.483.4426.0112.89±3.300.26OM1990-19801983正态Normal0.390.01-0.196.683.09±1.310.42OM2000-19901983正态Normal0.310.26-4.325.260.18±1.578.72OM2000-19801983正态Normal1.64-0.33-0.9511.253.28±2.130.651）OM1980、OM1990及OM1990-1980分别表示1980、1990年的土壤有机质含量及其含量差，其余类似OM1980,OM1990andOM1990-1980standsfortheSOMcontentin1980,1990andthedifferencevaluesbetweenin1990and1980,respectively2.2大兴区不同时期土壤有机质的空间结构分析定范围内均存在空间相关性。1980年、1990年和2000在选取土壤有机质的半方差模型时，首先计算出年土壤有机质的空间相关距离分别为80.5、59.2和r(h)-h的散点图，然后用不同类型的模型进行拟合，49.0km，明显大于一些丘陵地区土壤有机质的变程得到模型的参数，选取决定系数最好的模型类型，最值[13,14]。随着时间的递增，变程逐渐递减，然而不同后用Cross-Validation方法来检验模型的拟合参数[16]。时段减小的幅度不一样，从1980年到2000年，前10本研究选用了高斯型和球状模型来描述土壤有机质的年减小的幅度较大，约20km，后10年减小约10km。空间结构，结果见表2。变程减小表示有机质的空间相关范围减小，这表明人表2中的C0为块金值，表示由随机部分引起的空为活动对其影响越来越大，事实也是如此，自从20间异质性；Sill为基台值；R2为决定系数，变程也叫世纪80年代实施家庭联产承包制以来，各家各户对土空间最大相关距离。所有半方差函数模型的决定系数地的使用和管理情况不同，土地利用方式发生了较大均在0.90以上，说明模型的选取符合要求。的改变。大兴区80年代种植水稻较多，逐渐调整到以由表2可见，不同时期表层土壤有机质含量在一种植小麦、玉米、瓜果和蔬菜等为主，而且秸秆还田4期胡克林等：北京郊区土壤有机质含量的时空变异及其影响因素767数量、施肥状况的差异很大，导致了其空间相关范围性占总的空间异质性的程度[3]，1980年、1990年和迅速下降，故变程减幅较大。到1990年以后，由于各2000年的该比值分别为17%、29%和26%，均小于家各户种植制度、施肥管理措施相对稳定，所以有机50%，说明土壤有机质的空间异质性由系统变异引起质的变程减幅较小。的占主导地位，存在着明显的空间自相关格局。1980表2中C0/（Sill）表示由随机因素所引起的异质年的该比值<25%，表明土壤有机质有很强的空间相关表2大兴区土壤有机质的半方差函数模型性，1990年和2000年的该比值在25%和75%之间，表明具有中等程度的空间相关性，其相关性减弱，这Table2ThesemivariogrammodelsofSOMinDaxing和变程反映的结论是一致的。County有机质模型类型C0Sill变程R22.3大兴区土壤有机质含量的时空分布特征C0/Sill根据前面所得到的土壤有机质半方差函数模型，SOMModelRangeOM1980高斯型4.2824.90.1780.50.96利用Kriging最优内插法，绘制了该区3个不同时期GaussianOM1990球型7.2524.80.2959.20.98及不同时段土壤有机质含量差的等值线图。OM2000Spherial4.2518.50.2649.00.99由图3可见，3个不同时期土壤有机质含量的空球型间分布规律基本一致，总体趋势是北高南低，南部位Spheriala.1980 b.1990 c.2000d.1990-1980 e.2000-1990 f.2000-19801990-1980，2000-1990，2000-1980分别表示相应年份有机质含量的差值1990-1980,indicatetheSOMdifferencecontentbetweenin1990and1980,theothersarethesame图3大兴区表层土壤有机质含量（-1-1g·kg）及不同时段变化量（g·kg）的空间分布Fig.3 ContourmapsofSOMcontentandtheirchangesduringthelast20yearsinDaxingCounty于定福庄、大辛庄和榆垡镇之间的一局部地区，其有 质含量的最高区域主要分布在西北角，而含量最低的机质含量明显高于周围的其它地区。 1980年土壤有机 区域主要集中在该区中心部位和最南边的南各庄区768中国农业科学39卷域。1990年和2000年土壤有机质含量最高的区域转壤有机质含量动态变化规律为：1980年土壤有机质含移到靠近城区东北角的地方，而含量最低的区域主要量的最高等级为三级。到1990年，新增二级地230.5集中在最南边的一个区域。从1980年到1990年，全km2，占总面积的22.2%。到2000年，二级地面积减区土壤有机质含量均有不同程度的提高，其中提高最少，部分变成了一级地（图3-b和3-c），一级和二级快的区域主要分布在靠近城区东北角的地方，高达6土地分别占土地总面积的8.0%和14.3%，两者总面积-1为2，基本上等于1990年二级土地的面积。g·kg，该区中心和东边部分区域有机质含量基本保持232.1km不变（图3-d）。从1990年到2000年（图3-e），土壤三级土地从1980年的238.9km2增加到1990年的有机质含量有增有减，其中东半部分有机质含量呈增385.1km2，到2000年其面积略有下降，减少到335.4加的趋势，而西半部分有机质含量呈下降的趋势。东km2；四级土地面积呈增加趋势，到2000年增加到半部分提高最快的区域主要分布在靠近城区东北角的38.3%；五级土地面积变化幅度最大，1980年有596.8-1km2，占全区面积的57.5%，1990年减少到2地方，高达5g·kg，西半部分降低最快的区域主要分48.2km，-1年总2，20年来总布在该区西北角，达4g·kg。从1980年至2000仅占4.6%，到2000年又增加到73.4km的来看（图3-f），全区土壤有机质含量总体呈上升趋的降低幅度为50.40%。从不同等级分布来看，1980势，增加最快的区域主要分布在靠近城区东北角的地年五级地占绝大部分，四级和三级地占42.5%，1990方，增加最慢的区域主要分布在该区西北角。年和2000年四级和三级地占绝大部分，约占70%，由表3可知，在1980年到2000年这20年间，土一级和二级地约占22%。表3 不同时期土壤有机质含量的空间分布统计结果Table3 ThestatisticalresultsofSOMcontentfordifferentcategoriesatdifferenttimesinDaxingCounty时间面积和比例不同等级的有机质含量范围SOM-1content（g·kg）fordifferentcategoriesTimeAreaandpercentageⅠⅡⅢⅣⅤⅥ>2015~2012~1510~126~10<61980面积Area(km2)--238.9202.3597.9-占总面积的比例Percentage(%)--23.019.5057.5-1990面积Area(km2)-230.5385.1375.248.2-占总面积的比例Percentage(%)-4.6-2000面积Area(km2)83.3148.8335.4398.273.4-占总面积的比例Percentage(%)8.014.332.338.37.1-由以上分析可知，从1980年到2000年，随着时镇的土壤有机质含量明显高于其它地区。这些地区还间的推移，土壤有机质含量等级的变化表现为，由低与城区相邻，基本上已经城市化，消纳了大量的城市向高逐级累积递推的趋势。首先由1980年的五级地转粪便、垃圾和生活污水，也使此区的有机质含量较高。变成四级地，四级地再转变成三级地，到1990年，部有机质含量次高区位于北部新凤河和凤河两岸，该区分三级再转变成了二级地，到2000年，部分二级地又质地主要是轻壤，新凤河是大兴城区的主要排污河道，转变成一级地，这也说明了土壤有机质含量的提高是接纳了附近造纸厂和肥料厂的大量污水，所以其两岸一个渐进的过程，对于土壤有机质的培肥过程也应遵灌区有机质含量也较高。在南部的一局部地区，土壤循这一规律。质地也主要为轻壤，也容易积累有机质，这可能是该2.4大兴区土壤有机质含量的影响因素区有机质高于其它南部地区的原因之一；而其它区域在同一气候条件下，有机质含量主要受土壤质地、土壤质地主要是砂土，不利于有机质的累积，导致有土地利用方式、人为耕作管理措施等因素的影响[17,18]。机质含量较低。首先，土壤质地与土壤有机质含量密切相关。从前面其次，土地利用方式也是有机质含量高低的主要的分析可知，大兴区土壤有机质含量的空间分布趋势影响因素之一，全区共有水田、水浇地、菜地、旱地、与土壤质地的分布规律基本一致。大兴区东部和北部果园、林地等9种土地利用类型[19]。由表4可见，大地区土壤质地较重，多为中壤或轻壤（图1），利于有兴区土地利用类型在近15年中发生了很大的变化，水机质的积累，位于此区的亦庄、红星和鹿圈这3个乡田面积大量下降，由1980年的273.2km2下降到19964期胡克林等：北京郊区土壤有机质含量的时空变异及其影响因素769年的22.9km2，下降了10多倍，这与近年来永定河上有机质含量偏低。大兴区西半部分的砂土区，近年来游来水量减少（经常断流），该区大量开采地下水，导由于西瓜的种植面积不断扩大，而有机肥施用很少，致地下水位下降迅速有关。水浇地面积大幅增加，从导致了其有机质含量呈下降的趋势。199.5km2增加到420.16km2，占到土地总面积的另外，人为耕作管理措施是影响土壤有机质含量40.4%，成为该区主要土地利用类型，广泛分布于各的另一个主要因素。从3个不同时期土壤有机质的变乡镇。而旱地面积有所下降，菜地和林地都略有增加。程递减来看，人为因素的影响越来越大。全国第二次菜地从2.9%增加到5.4%。果园面积增加幅度较大，土壤普查时有机质的肥力水平是自然与人工复合作用从8.98km2增加到109.66km2。未利用耕地大大减少，的结果。自20世纪80年代以来，中国推行家庭联产从172.56km2减少到25.24km2。承包责任制后，农民的积极性得到了极大的提高，有1980年位于该区天堂河农场和半壁店附近以及最机肥的施用量逐年增长较快，而且秸秆还田自1986南边的南各庄两个土地未利用区，经过开垦后，其土年的2.5万多公顷增加到1990的14.7万公顷。此时段，壤有机质含量都有所提高。1980年大兴区北部多分布有机肥的施入量超过作物带走的量，所以有机质含量水田和菜地，由于水田多处于还原状态，有机质分解普遍呈上升趋势，有机质含量上升的幅度也最大。随速度较慢，得到累积，含量普遍较高，1996年该区土着作物产量的不断增加，到目前，大兴的冬小麦产量地利用类型主要是菜地、水浇地、果园，由于大兴区-1多在4500～6000kg·ha，夏玉米产量在6000～7000是北京市蔬菜主要供应地，农民注重对菜地的投入和-1[18]kg·ha，消耗了大量的土壤有机质，部分地区的有管理，因而菜地的有机质含量普遍较高。旱地主要分机质入不敷出，所以出现了自1990年到2000年西部布在大兴区南部榆垡、南各庄、安定、半壁店的砂土大部分地区有机质含量普遍降低的现象，此时段有机区，无论是土壤质地还是土地利用类型，都决定了其质的含量有盈有亏，总体含量基本不变。表41980年和1996年大兴区土地利用类型Table4Thedifferentlandusepatternsin1980and1996inDaxingcounty(km2)年份水田水浇地旱地菜地果园林地建设用地水域未利用地YearPaddyfieldIrrigatedlandRainedlandVegetablesOrchardForestlandBuildinglandWaterbodyIdleland1980273.24199.5128.1830.1813.298.98132.9383.79172.56(26.2%)(19.1%)(12.3%)(2.9%)(1.3%)(0.9%)(12.7%)(8.0%)(16.6%)199622.94420.1635.3956.09109.6642.87246.5580.5825.24(2.2%)(40.4%)(3.4%)(5.4%)(10.6%)(4.1%)(23.7%)(7.8%)(2.4%)资料来源于北京农业区划办公室DatacomefromtheregionalmanagementofficeofBeijing3讨论的事实，本文的研究很好地反映了这一点。由于土壤有机质的变化是一个长期渐变的过程，研究发现大兴区土壤有机质含量主要受土壤质对其时空变异规律的研究也应是长期的。另外，土地地、土地利用方式、人为耕作管理措施等因素影响。利用方式及其变化对土壤有机质含量的影响是一个十土壤质地越重，越利于有机质的累积，其含量就越高，分复杂的过程，这些都需要进一步深入研究。这与黄绍文等[20]的研究结果一致。大兴区各种土地利4结论用类型中水田、菜地和果园土壤的有机质含量较高，这与已有的研究结果也一致[17]。荒地经过开垦后，其1980年、1990年和2000年大兴区表层土壤有机有机质含量在一定程度上得到了提高，这与以往的研-1质的平均含量分别为9.64、12.76和12.89g·kg，其究结果不一样[13]，主要是本研究区的荒地主要是沙中前10年其含量平均增加了-13.09g·kg，后10年仅地，与开垦后施用有机肥有关。-1增加了0.18g·kg；它们的空间相关距离分别为80.5、以往对于两个时期土壤有机质时空变异特征的研59.2和49.0km，呈递减趋势，说明人为因素的影响在究，虽然反映出近20年土壤有机质含量呈上升的总趋增强。势[7,19]，但有可能掩盖了近年来局部地区由于土地集3个时期大兴区土壤有机质含量的空间分布特征约化程度和利用强度高所导致的土壤有机质含量下降均呈北高南低之势。从1980年到2000年，有机质含770 中 国 农 业 科 学 39卷量表现为由低向高逐级累积递推的规律，具体变化为有机质含量为一级和二级的土地从无到有，增加面积分别占土地总面积的8.0%和14.3%；含量为三级的土地面积从23.0%增加到37.1%，四级土地面积变化很小，减少的面积约占土地总面积的2.2%，五级土地面积减少幅度最大，减少的面积占土地总面积的50.4%。自从推行家庭联产承包责任制后，秸秆还田和施用有机肥是有机质含量普遍上升的原因，随着作物产量的不断提高，部分地区的有机质入不敷出，呈下降的趋势，应注意土壤的培肥管理。

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