石家莊耕地有機(jī)質(zhì)含量時空變異特征研究

石家莊耕地有機(jī)質(zhì)含量時空變異特征研究

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤形成的重要組成部分之一。雖然在土壤中所占比例較小，但對土壤肥力的影響很大。它不僅含有各種養(yǎng)分，而且是土壤養(yǎng)分的重要來源。它還可以改善土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)。各類土壤中,在無障礙因素的條件下,其肥力高低、作物產(chǎn)量多少,在一定程度上與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)。所以了解土壤有機(jī)質(zhì)性狀及其在土壤中的變化規(guī)律,采取各種農(nóng)藝措施提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,對糧食持續(xù)增產(chǎn)具有重要意義。以石家莊地區(qū)為研究區(qū)域,通過對比1982年、1990年和2009年3個不同時段的耕地有機(jī)質(zhì)含量,研究石家莊近30a耕地有機(jī)質(zhì)時空變異趨勢和影響因素,旨為當(dāng)?shù)馗刭|(zhì)量提升和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù),同時對冀中南乃至華北平原其他相似地區(qū)耕地質(zhì)量的提升及科學(xué)管理起到一定的指導(dǎo)作用。1材料和方法1.1氣候、地貌及土壤類型石家莊市位于河北省中南部太行山東麓,地處北緯37°27′～38°47′、東經(jīng)113°30′～115°20′,轄23個縣(市)區(qū),總土地面積為1.58萬km2,其中耕地面積58.83萬hm2。氣候?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候,年總降水量401.1～752.0mm,時空分布不均;常年蒸發(fā)量1569.74mm;無霜期201d;平均年日照時數(shù)2609.9h,≥10℃積溫4300℃,具有豐富的熱資源,可一年兩熟,復(fù)種指數(shù)為1.6。主要種植作物種類為小麥、玉米和瓜菜。石家莊地勢呈西高東低,西部為太行山地中段,東部為滹沱河沖積平原,兩大地貌類型平分秋色;地貌由西向東依次為中山、低山、丘陵、平原。土壤類型以褐土為主,約占60%;土壤亞類以潮褐土為主,占37.24%。土壤成土母質(zhì)主要由黃土物質(zhì)、洪積沖積物和河流沖積物組成,pH值7.8～8.3。1.2土樣、有機(jī)質(zhì)含量測定所有土壤樣品均為耕地耕層的土壤樣品。土壤樣品有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)來源于3個時期:第1時期為1982年全國土壤普查時所采集的土壤樣品(簡稱為“1982年土樣”),共10158個,平均每64.7hm2有1個土樣;第2時期為1990年石家莊耕層養(yǎng)分調(diào)查所采集的土壤樣品(簡稱為“1990年土樣”),共1073個,平均每436hm2有1個土樣;第3時期為2005～2009年間測土配方施肥項目實施過程中所采集的土壤樣品(簡稱為“2009年土樣”),共106685個,平均每5.5hm2有1個土樣。土壤有機(jī)質(zhì)含量測定均采用重鉻酸鉀法。分析石家莊地區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量狀況;分別從地貌和土類上,分析石家莊地區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布特征;分別從縣域和土類上,分析石家莊地區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量時空變異特征。2結(jié)果與討論2.1耕地有機(jī)質(zhì)含量1982～2009年石家莊地區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量總體呈上升趨勢。2009年石家莊地區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量平均為18.1g/kg(不含行唐縣),較1982年(11.5g/kg)和1990年(14.0g/kg)明顯提高,其中90%以上的耕地有機(jī)質(zhì)含量為10～30g/kg(表1)。但各縣(市、區(qū))之間耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量差異明顯,其中石家莊市區(qū)(含礦區(qū))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有機(jī)質(zhì)含量分布2009年石家莊地區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布差異較大。(1)從地貌上看,表現(xiàn)為中前部高、末端低、兩側(cè)居中。石家莊地貌類型為山麓平原,其中山麓平原中前部(石家莊市區(qū)、高邑、欒城、井陘、藁城、鹿泉、趙縣、正定)耕地土壤有機(jī)質(zhì)平均含量﹥19g/kg,山麓平原末端(辛集、晉州、深澤)耕地土壤有機(jī)質(zhì)平均含量﹤17g/kg,山麓平原兩側(cè)(贊皇、元氏、平山、靈壽、新樂、無極)耕地土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為17～19g/kg(圖1)。(2)從土類上看,表現(xiàn)為褐土高、潮土低。石家莊耕地土壤類型主要是褐土和潮土,1982年第2次土壤普查時兩類土壤有機(jī)質(zhì)含量差異不大,2009年褐土與潮土類土壤有機(jī)質(zhì)含量差異非常明顯,其中潮土區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量增長速度緩慢,年遞增率低于石家莊地區(qū)平均水平。2.3耕地有機(jī)質(zhì)含量的縱向比較將3個時期的耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量(表2)進(jìn)行縱向比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn),1982～2009年石家莊地區(qū)耕地有機(jī)質(zhì)含量總體上一直呈上升趨勢,在時空分布上變化較大。2.3.1耕地質(zhì)量等級1982年石家莊地區(qū)耕地有機(jī)質(zhì)含量普遍偏低,變化區(qū)間為4.4～31.4g/kg,平均含量為11.5g/kg,其中市區(qū)(原郊區(qū),含礦區(qū))含量最高(平均為16.1g/kg),靈壽含量最低(平均為8.6g/kg)。95%的耕地有機(jī)質(zhì)等級為四五級(其中:4級耕地占70%,5級耕地占25%),3級以上耕地僅占0.356%,全區(qū)耕地有機(jī)質(zhì)含量貧乏,屬中下等水平。縣域間的耕地有機(jī)質(zhì)含量差異相對較小,其中市區(qū)(原郊區(qū),含礦區(qū))、平山和井陘含量較高(13～16g/kg),新樂和靈壽含量較低(<10g/kg),其他縣(市、區(qū))有機(jī)質(zhì)含量為10～12g/kg。2.3.2所增土壤有機(jī)質(zhì)含量1990年石家莊耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量平均為13.8g/kg,其中,市區(qū)、井陘和正定含量較高(均>16g/kg),行唐和新樂較低(≤11.0g/kg)。與1982年相比,全市90%以上的耕地有機(jī)質(zhì)含量相對增加,平均增加量2.3g/kg,年平均遞增0.28g/kg。但大部分縣市(無極、趙縣除外)有機(jī)質(zhì)含量最低值較1982年有所降低,這與當(dāng)時農(nóng)民有機(jī)肥積造積極性降低,焚燒秸稈現(xiàn)象普遍有必然的聯(lián)系?？h域的耕地有機(jī)質(zhì)含量較其1982年土壤普查數(shù)據(jù)有了較大差異。其中,山麓平原中部縣(如藁城、趙縣、高邑、無極)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量提升較快;山麓平原下部潮土類的辛集和晉州耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量增速緩慢。2.3.3耕地有機(jī)質(zhì)含量2009年全市耕地有機(jī)質(zhì)含量平均為18.1g/kg,較1990年耕地土壤有機(jī)質(zhì)平均含量提高4.3g/kg,提升幅度31.1%;較1982年土壤普查時耕地土壤有機(jī)質(zhì)平均含量提高6.6g/kg,提升幅度達(dá)57.4%,呈明顯的上升趨勢,年均增幅0.24g/kg(表3)。同時,全市耕地有機(jī)質(zhì)含量等級也有了較為明顯的變化,耕地等級以三四級為主,占90.5%(3級占32.5%,4級占58.0%);一二級地大面積涌現(xiàn),5級地逐年減少(圖2)。與前2次耕地調(diào)查相比,2009年全市耕地有機(jī)質(zhì)含量變化區(qū)間加大(0.4～76.0g/kg),最高值是最低值的190倍。所有縣(市)耕地有機(jī)質(zhì)含量最高值均高于其1982年和1990年;有機(jī)質(zhì)含量最低值除贊皇縣外,其他縣(市、區(qū))均低于其1982年和1990年,延續(xù)1990年以來耕地有機(jī)質(zhì)最低值逐年走低的變化趨勢。究其原因,有機(jī)質(zhì)含量最高值多出現(xiàn)在菜地(保護(hù)地),與石家莊市當(dāng)前蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展加快,有機(jī)肥投入加大有關(guān)。2.3.4土壤肥力等級提升速度慢2005～2009年測土配方施肥土樣化驗數(shù)據(jù)結(jié)果顯示,以藁城、趙縣、高邑、欒城為代表的褐土類土壤耕地有機(jī)質(zhì)含量提升速度較快;而辛集、晉州和深澤潮土類土壤耕地有機(jī)質(zhì)含量提升速度較為緩慢,低于全市有機(jī)質(zhì)提升平均速度。究其原因,可能與潮土區(qū)地下水下降快,土壤有機(jī)質(zhì)礦化率高,不易積累有一定關(guān)系。3影響石家莊耕地有機(jī)含量的變化因素和改善措施3.1影響耕地有機(jī)含量的變化因素3.1.1減少土地補(bǔ)徑第2次土壤普查時,石家莊耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量普遍較低,原因主要是家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制剛剛實行,作物秸稈多被用作燃料,遺留在土壤中的生物量很小,土壤有機(jī)質(zhì)得不到基本補(bǔ)償;其次是畜牧業(yè)非常薄弱,不能產(chǎn)生更多牲畜糞便補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)。20世紀(jì)80年代后期至今,隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的不斷提高,石家莊地區(qū)大力推廣實施秸稈還田技術(shù),秸稈(主要成分是纖維素和半纖維素)經(jīng)土壤微生物分解后形成較多的有機(jī)質(zhì),從而提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量。3.1.2立地條件的推廣應(yīng)用影響農(nóng)作物產(chǎn)量的增石家莊大田種植作物主要是小麥和玉米。隨著農(nóng)民收入的增加,對土地的投入逐漸增加,由于新品種和新技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用以及化肥施用量的增加,使得農(nóng)作物產(chǎn)量大幅度提高(圖3),同時副產(chǎn)品量(秸稈產(chǎn)量)也在增長,大量秸稈還田對提高土壤有機(jī)質(zhì)含量起到至關(guān)重要的作用,這也是石家莊平原區(qū)糧食主產(chǎn)縣(市、區(qū))有機(jī)質(zhì)含量普遍較高的主要原因。3.1.3推行藥物種植隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)得到調(diào)整,蔬菜種植面積不斷增大,由1982年的4.1萬hm2增加到1990年的5.2萬hm2,2009年石家莊地區(qū)蔬菜種植面積迅速發(fā)展到了15.7萬hm2。農(nóng)民們?yōu)榱颂岣呤卟似焚|(zhì)和增加收入,加大了蔬菜地有機(jī)肥的施用量,使土壤有機(jī)質(zhì)含量提高,這也是市區(qū)、高邑、欒城、藁城等蔬菜種植大縣(市、區(qū))土壤有機(jī)質(zhì)含量增長速度較快的原因之一。3.1.4羊業(yè)存量和豬現(xiàn)存量增加到三維隨著農(nóng)村聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制的落實,一家一戶的經(jīng)營模式逐步形成,以家庭為單元的畜牧產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展,牛存欄量由1982年的5.70萬頭增加到2009年的151.14萬頭,羊存欄量由1982年的46.18萬只增加到2009年的242.51萬只,豬存欄量由1982年的161.46萬頭增加到2009年的522.89萬頭(圖4)。飼養(yǎng)牲畜將消耗大量的農(nóng)作物秸稈,秸稈過腹后產(chǎn)生的糞便以及家禽產(chǎn)生的糞便都是優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥的重要來源,飼養(yǎng)量增加產(chǎn)生的大量糞便對提高耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量起到了很大作用。3.2為提高河北省耕地的機(jī)質(zhì)量3.2.1改善土壤理化性狀李月華等研究結(jié)果顯示,隨著秸稈還田年限的增加,土壤有機(jī)質(zhì)含量提高,年均遞增0.3g/kg,同時有效改善土壤的理化性狀,提高耕地質(zhì)量水平。石家莊地區(qū)種植模式多為小麥-玉米一年兩熟制,常年小麥種植面積36萬hm2、玉米種植面積32萬hm2,年秸稈還田量約為15t/hm2,按照秸稈有機(jī)質(zhì)含量15%計算,耕地有機(jī)質(zhì)含量年增加2250kg/hm2,秸稈還田后對提升耕地有機(jī)質(zhì)含量具有十分重要的作用。3.2.2提高耕地有機(jī)質(zhì)含量飼養(yǎng)大牲畜,增加存欄量,是秸稈過腹還田的主要途徑。廣辟肥源,增施有機(jī)肥是提高耕地有機(jī)質(zhì)含量最直接的措施。1頭牛每年產(chǎn)生糞便約12400kg,1頭豬每年產(chǎn)生糞便約1934kg,百只家禽每年產(chǎn)生糞便約4500kg,這些糞便是優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥原料,是提高土壤有機(jī)質(zhì)不可缺少的組成部分。3.2.3營養(yǎng)成分和活性沼液是有機(jī)物經(jīng)沼氣池制取沼氣后的液體殘留物,不僅含有作物生長所必需的氮、磷、鉀、微量元素和氨基酸等多種營養(yǎng)物質(zhì),而且含有丁酸和維生素B12等活性、抗性物質(zhì)和微生物,有促進(jìn)作物生長和控制病害發(fā)生的雙重作用,是一種高效優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥。據(jù)石家莊土肥站試驗結(jié)果,冬小麥噴施沼液后產(chǎn)量較對照增加10%左