石家庄耕地有机质含量时空变异特征研究

石家庄耕地有机质含量时空变异特征研究

土壤有机质是土壤形成的重要组成部分之一。虽然在土壤中所占比例较小，但对土壤肥力的影响很大。它不仅含有各种养分，而且是土壤养分的重要来源。它还可以改善土壤的物理和化学性质。各类土壤中,在无障碍因素的条件下,其肥力高低、作物产量多少,在一定程度上与土壤有机质含量呈正相关。所以了解土壤有机质性状及其在土壤中的变化规律,采取各种农艺措施提高土壤有机质含量,对粮食持续增产具有重要意义。以石家庄地区为研究区域,通过对比1982年、1990年和2009年3个不同时段的耕地有机质含量,研究石家庄近30a耕地有机质时空变异趋势和影响因素,旨为当地耕地质量提升和农业可持续发展提供科学依据,同时对冀中南乃至华北平原其他相似地区耕地质量的提升及科学管理起到一定的指导作用。1材料和方法1.1气候、地貌及土壤类型石家庄市位于河北省中南部太行山东麓,地处北纬37°27′～38°47′、东经113°30′～115°20′,辖23个县(市)区,总土地面积为1.58万km2,其中耕地面积58.83万hm2。气候属大陆性季风气候,年总降水量401.1～752.0mm,时空分布不均;常年蒸发量1569.74mm;无霜期201d;平均年日照时数2609.9h,≥10℃积温4300℃,具有丰富的热资源,可一年两熟,复种指数为1.6。主要种植作物种类为小麦、玉米和瓜菜。石家庄地势呈西高东低,西部为太行山地中段,东部为滹沱河冲积平原,两大地貌类型平分秋色;地貌由西向东依次为中山、低山、丘陵、平原。土壤类型以褐土为主,约占60%;土壤亚类以潮褐土为主,占37.24%。土壤成土母质主要由黄土物质、洪积冲积物和河流冲积物组成,pH值7.8～8.3。1.2土样、有机质含量测定所有土壤样品均为耕地耕层的土壤样品。土壤样品有机质含量数据来源于3个时期:第1时期为1982年全国土壤普查时所采集的土壤样品(简称为“1982年土样”),共10158个,平均每64.7hm2有1个土样;第2时期为1990年石家庄耕层养分调查所采集的土壤样品(简称为“1990年土样”),共1073个,平均每436hm2有1个土样;第3时期为2005～2009年间测土配方施肥项目实施过程中所采集的土壤样品(简称为“2009年土样”),共106685个,平均每5.5hm2有1个土样。土壤有机质含量测定均采用重铬酸钾法。分析石家庄地区耕地土壤有机质含量状况;分别从地貌和土类上,分析石家庄地区耕地土壤有机质含量空间分布特征;分别从县域和土类上,分析石家庄地区耕地土壤有机质含量时空变异特征。2结果与讨论2.1耕地有机质含量1982～2009年石家庄地区耕地土壤有机质含量总体呈上升趋势。2009年石家庄地区耕地土壤有机质含量平均为18.1g/kg(不含行唐县),较1982年(11.5g/kg)和1990年(14.0g/kg)明显提高,其中90%以上的耕地有机质含量为10～30g/kg(表1)。但各县(市、区)之间耕地土壤有机质含量差异明显,其中石家庄市区(含矿区)最高(24.1g/kg),辛集市最低(13.9g/kg),最高含量是最低含量的1.73倍。2.2有机质含量分布2009年石家庄地区耕地土壤有机质含量空间分布差异较大。(1)从地貌上看,表现为中前部高、末端低、两侧居中。石家庄地貌类型为山麓平原,其中山麓平原中前部(石家庄市区、高邑、栾城、井陉、藁城、鹿泉、赵县、正定)耕地土壤有机质平均含量﹥19g/kg,山麓平原末端(辛集、晋州、深泽)耕地土壤有机质平均含量﹤17g/kg,山麓平原两侧(赞皇、元氏、平山、灵寿、新乐、无极)耕地土壤有机质平均含量为17～19g/kg(图1)。(2)从土类上看,表现为褐土高、潮土低。石家庄耕地土壤类型主要是褐土和潮土,1982年第2次土壤普查时两类土壤有机质含量差异不大,2009年褐土与潮土类土壤有机质含量差异非常明显,其中潮土区耕地土壤有机质含量增长速度缓慢,年递增率低于石家庄地区平均水平。2.3耕地有机质含量的纵向比较将3个时期的耕地土壤有机质含量(表2)进行纵向比较,结果发现,1982～2009年石家庄地区耕地有机质含量总体上一直呈上升趋势,在时空分布上变化较大。2.3.1耕地质量等级1982年石家庄地区耕地有机质含量普遍偏低,变化区间为4.4～31.4g/kg,平均含量为11.5g/kg,其中市区(原郊区,含矿区)含量最高(平均为16.1g/kg),灵寿含量最低(平均为8.6g/kg)。95%的耕地有机质等级为四五级(其中:4级耕地占70%,5级耕地占25%),3级以上耕地仅占0.356%,全区耕地有机质含量贫乏,属中下等水平。县域间的耕地有机质含量差异相对较小,其中市区(原郊区,含矿区)、平山和井陉含量较高(13～16g/kg),新乐和灵寿含量较低(<10g/kg),其他县(市、区)有机质含量为10～12g/kg。2.3.2所增土壤有机质含量1990年石家庄耕地土壤有机质含量平均为13.8g/kg,其中,市区、井陉和正定含量较高(均>16g/kg),行唐和新乐较低(≤11.0g/kg)。与1982年相比,全市90%以上的耕地有机质含量相对增加,平均增加量2.3g/kg,年平均递增0.28g/kg。但大部分县市(无极、赵县除外)有机质含量最低值较1982年有所降低,这与当时农民有机肥积造积极性降低,焚烧秸秆现象普遍有必然的联系。县域的耕地有机质含量较其1982年土壤普查数据有了较大差异。其中,山麓平原中部县(如藁城、赵县、高邑、无极)耕地土壤有机质含量提升较快;山麓平原下部潮土类的辛集和晋州耕地土壤有机质含量增速缓慢。2.3.3耕地有机质含量2009年全市耕地有机质含量平均为18.1g/kg,较1990年耕地土壤有机质平均含量提高4.3g/kg,提升幅度31.1%;较1982年土壤普查时耕地土壤有机质平均含量提高6.6g/kg,提升幅度达57.4%,呈明显的上升趋势,年均增幅0.24g/kg(表3)。同时,全市耕地有机质含量等级也有了较为明显的变化,耕地等级以三四级为主,占90.5%(3级占32.5%,4级占58.0%);一二级地大面积涌现,5级地逐年减少(图2)。与前2次耕地调查相比,2009年全市耕地有机质含量变化区间加大(0.4～76.0g/kg),最高值是最低值的190倍。所有县(市)耕地有机质含量最高值均高于其1982年和1990年;有机质含量最低值除赞皇县外,其他县(市、区)均低于其1982年和1990年,延续1990年以来耕地有机质最低值逐年走低的变化趋势。究其原因,有机质含量最高值多出现在菜地(保护地),与石家庄市当前蔬菜产业发展加快,有机肥投入加大有关。2.3.4土壤肥力等级提升速度慢2005～2009年测土配方施肥土样化验数据结果显示,以藁城、赵县、高邑、栾城为代表的褐土类土壤耕地有机质含量提升速度较快;而辛集、晋州和深泽潮土类土壤耕地有机质含量提升速度较为缓慢,低于全市有机质提升平均速度。究其原因,可能与潮土区地下水下降快,土壤有机质矿化率高,不易积累有一定关系。3影响石家庄耕地有机含量的变化因素和改善措施3.1影响耕地有机含量的变化因素3.1.1减少土地补径第2次土壤普查时,石家庄耕地土壤有机质含量普遍较低,原因主要是家庭联产承包责任制刚刚实行,作物秸秆多被用作燃料,遗留在土壤中的生物量很小,土壤有机质得不到基本补偿;其次是畜牧业非常薄弱,不能产生更多牲畜粪便补充土壤有机质。20世纪80年代后期至今,随着农业机械化水平的不断提高,石家庄地区大力推广实施秸秆还田技术,秸秆(主要成分是纤维素和半纤维素)经土壤微生物分解后形成较多的有机质,从而提高了土壤有机质含量。3.1.2立地条件的推广应用影响农作物产量的增石家庄大田种植作物主要是小麦和玉米。随着农民收入的增加,对土地的投入逐渐增加,由于新品种和新技术的大面积推广应用以及化肥施用量的增加,使得农作物产量大幅度提高(图3),同时副产品量(秸秆产量)也在增长,大量秸秆还田对提高土壤有机质含量起到至关重要的作用,这也是石家庄平原区粮食主产县(市、区)有机质含量普遍较高的主要原因。3.1.3推行药物种植随着市场经济的发展,农业种植结构得到调整,蔬菜种植面积不断增大,由1982年的4.1万hm2增加到1990年的5.2万hm2,2009年石家庄地区蔬菜种植面积迅速发展到了15.7万hm2。农民们为了提高蔬菜品质和增加收入,加大了蔬菜地有机肥的施用量,使土壤有机质含量提高,这也是市区、高邑、栾城、藁城等蔬菜种植大县(市、区)土壤有机质含量增长速度较快的原因之一。3.1.4羊业存量和猪现存量增加到三维随着农村联产承包责任制的落实,一家一户的经营模式逐步形成,以家庭为单元的畜牧产业迅速发展,牛存栏量由1982年的5.70万头增加到2009年的151.14万头,羊存栏量由1982年的46.18万只增加到2009年的242.51万只,猪存栏量由1982年的161.46万头增加到2009年的522.89万头(图4)。饲养牲畜将消耗大量的农作物秸秆,秸秆过腹后产生的粪便以及家禽产生的粪便都是优质有机肥的重要来源,饲养量增加产生的大量粪便对提高耕地土壤有机质含量起到了很大作用。3.2为提高河北省耕地的机质量3.2.1改善土壤理化性状李月华等研究结果显示,随着秸秆还田年限的增加,土壤有机质含量提高,年均递增0.3g/kg,同时有效改善土壤的理化性状,提高耕地质量水平。石家庄地区种植模式多为小麦-玉米一年两熟制,常年小麦种植面积36万hm2、玉米种植面积32万hm2,年秸秆还田量约为15t/hm2,按照秸秆有机质含量15%计算,耕地有机质含量年增加2250kg/hm2,秸秆还田后对提升耕地有机质含量具有十分重要的作用。3.2.2提高耕地有机质含量饲养大牲畜,增加存栏量,是秸秆过腹还田的主要途径。广辟肥源,增施有机肥是提高耕地有机质含量最直接的措施。1头牛每年产生粪便约12400kg,1头猪每年产生粪便约1934kg,百只家禽每年产生粪便约4500kg,这些粪便是优质的有机肥原料,是提高土壤有机质不可缺少的组成部分。3.2.3营养成分和活性沼液是有机物经沼气池制取沼气后的液体残留物,不仅含有作物生长所必需的氮、磷、钾、微量元素和氨基酸等多种营养物质,而且含有丁酸和维生素B12等活性、抗性物质和微生物,有促进作物生长和控制病害发生的双重作用,是一种高效优质的有机肥。据石家庄土肥站试验结果,冬小麦喷施沼液后产量较对照增加10%左