型 黑土区土壤侵蚀对土壤质量和玉米产量的影响研究

Abstract

黑土区的土壤侵蚀导致黑土质量下降和作物减产，严重威胁国家粮食安全。因此， 研究黑土区土壤侵蚀对土壤质量和作物产量的影响，为针对性的开展黑土资源保护提 供重要科学依据，也对保障国家粮食安全具有重要意义。本论文以典型黑土区黑龙江 省哈尔滨市宾县东山沟流域为研究区，采用野外调查、室内分析、核素示踪和 GIS 技术相结合的研究方法，研究了流域土壤侵蚀空间分布特征，分析了流域土壤质量主 要指标特征，基于指标全集和最小数据集指标评价了流域土壤质量，剖析了土壤侵蚀 对土壤质量的影响，构建了土壤侵蚀和土壤质量对玉米产量影响的经验模型。主要研 究结论如下： （1）分析了黑土区流域土壤侵蚀&mdash;沉积空间分布特征。流域土壤侵蚀－沉积速 率介于-7122.25 ~ 5471.70 t km -2 yr -1 之间，平均值是-830.10 t km -2 yr -1 ，表明流域以侵 蚀为主。在流域尺度，侵蚀和沉积呈交错分布，流域上游以侵蚀为主，流域中游侵蚀 与沉积并存，而下游地区主要发生沉积。在坡面尺度，坡中部侵蚀最严重，坡上部侵 蚀较弱，而坡脚主要表现为沉积。流域侵蚀速率与坡度、坡长均呈极显著的幂函数关 系，而坡度对侵蚀的影响大于坡长。 （2）阐明了流域土壤质量指标特征及其对侵蚀-沉积的响应。分析的 15 个包含 土壤物理学、化学和微生物学的土壤质量指标特征及空间分布特征，不同土壤质量主 要指标空间分布趋势不同。流域土壤质量空间分布与流域侵蚀&mdash;沉积空间分布呈相反 趋势；土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、脲酶、碱性磷酸酶微生物量氮受土壤侵 蚀影响显著，说明土壤侵蚀是影响土壤养分、酶活性和微生物量的重要因素。 （3）评价了流域土壤质量水平。基于相关分析和主成分分析，选取 15 个土壤质 量主要指标作为指标全集，筛选出 7 个土壤指标（黑土层厚度、土壤团聚体平均重量 直径、有机质、全氮、pH、碱性磷酸酶、微生物生物量氮）作为评价土壤质量最小 数据集指标。基于指标全集估算的流域和坡面土壤质量综合指数平均值分别为 0.419 和 0.471。基于最小数据集评估流域和坡面土壤质量综合指数平均值皆为 0.453，说明筛选的土壤质量评价最小数据集指标具有很好的代表性。两种评价结果均表明流域土 壤质量以低等水平和较低水平为主，说明研究流域土壤质量退化严重 。 土壤质量在流 域空间分布表现为：下游＞中游＞上游，在坡面分布表现为：坡下部＞坡上部＞坡中 部。 （4）研究了流域 2009-2013 年玉米产量特征及其空间分布。流域玉米产量在年 内和年间变化均存在差异。整个流域玉米产量表现为：下游 ＞ 中游 ＞ 上游。坡面 玉米产量最大值分布在坡下部，最小值分布在坡中部。基于土壤质量指标全集（TDS） 和最小数据集（MDS）评价的土壤质量综合指数均与玉米产量关系较好，但以最小 数据集评价的土壤质量综合指数与玉米产量的关系更好，再次表明构建的评价流域土 壤质量的最小数据集指标有较好适宜性。 （5）剖析了土壤侵蚀和土壤质量对玉米产量的影响。流域和坡面两个尺度上玉 米产量空间分布与土壤质量相对应，而其与土壤侵蚀空间分布呈相反趋势。流域玉米 产量与土壤侵蚀速率呈极显著负相关关系，与土壤沉积速率关系不显著；建立了土壤 质量与玉米产量的关系模型，且模型有效性较好。构建了玉米产量与土壤侵蚀速率和 土壤质量综合指数的关系模型。 关键词：土壤侵蚀；土壤质量；玉米产量；空间分布；关系模型；典型黑土区</p