摘 要
黄河三角洲作为重要的后备土地资源区，面临着土壤盐渍化问题。掌握表层有机质变化及其空间变异规律是盐渍土防治、利用的重要基础。土壤有机质（SOM）是土壤生态系统以及全球碳循环的最重要组成部分。本研究运用统计、GIS等方法采用分层随机抽样的方法，从黄河三角洲垦利县不同土壤深度（表土、底土）采集了30份土壤样品，用于绘制土壤有机碳的空间变异性和估算土壤有机碳储量。结果表明，随深度的增加，各值均相对匀浆，。经过总结分析，土壤有机质的空间差异影响不大。该地区位于地貌平坦的河流三角洲下游，农田基础设施配套良好，排水能力也较好。研究区内的降雨量和地下水位也基本都保持一致，灌溉条件好，水源充分，上述因素使得土壤有机质的空间差异影响不大。
关键词: 黄河三角洲；土壤有机质；空间变异；垦利县；影响因素
Abstract
In this study, the soil samples of Kenli County, a typical agricultural area in the Yellow River Delta were collected and studied. The content of organic matter was determined by potassium dichromate method. The spatial distribution of organic matter was discussed by GIS and other related software analysis. Through summary and analysis, the spatial difference of soil organic matter has little effect. This area is located in the lower reaches of the River Delta with flat landform, and has good farmland infrastructure and drainage capacity. The rainfall and groundwater level in the study area are basically the same, the irrigation conditions are good, the water source is sufficient, the above factors make the spatial difference of soil organic matter have little impact. Although many research results show that soil organic matter may be affected by soil type, soil parent material and other factors, soil type, soil parent material and topography have significant impact on the spatial variation of soil organic matter in this region. The effect of soil texture on the spatial variation of soil organic matter content needs further study.
Key words: Yellow River Delta; Soil organic matter; Spatial variation; Kenli County; Influencing factors
1 研究背景
1.1 研究目的
目前，人类正面临着严峻的人口、资源和环境危机，土壤和土地资源的盐碱化退化仍然十分严重。据联合国教科文组织和联合国粮农组织的不完全统计，我国沙线碱地面积为9913万公顷，主要分布在地势低、地下水位高、半湿润、半干旱和干旱的内陆或沿海地区。黄河三角洲是我国乃至世界上最快的陆生河口三角洲之一。它拥有丰富的自然资源，是我国重要的后备土地资源。然而，受河流、陆地、海洋等动力系统的影响，黄河三角洲地区沙线土面积大、分布广，土地利用变化频繁，生态环境脆弱。土壤盐渍化不仅造成土壤紧实和肥力下降，而且造成农业生产损失，严重威胁区域生态环境，制约经济社会可持续发展。自1971年联合国粮农组织提出土壤退化问题并发表专著《土壤退化》以来，这一问题日益受到关注。随着“全球人类诱发土壤退化评估”（GLASOD）的开展，越来越多的专家学者对盐碱地退化进行了研究，特别是有机质空间变异性。
土壤质量可定义为“土壤维持动植物生产力、维持或改善水和空气质量以及支持人类健康和居住的能力”。了解土壤质量对于确定问题区域、提供不利趋势的早期预警信号以及进行可持续农业管理具有重要意义。
提高对土壤质量的认识来源于可靠、准确的土壤质量评价，它是一种有效地结合各种土壤信息对土壤状况进行定量分析的决策工具。选择合适的指标是土壤质量评价的首要步骤。土壤的物理、化学和生物特性能够影响土壤生产，并且对环境变化敏感，通常被选为土壤质量指标。然而，大量评价指标的实验分析由于费时、费力、费用昂贵，在大范围内难以实现。因此，需要开发新的方法，以提高工作效率，减少劳动、时间和费用。最近，越来越多的研究利用GIS研究植物和土壤信息，如土壤湿度、温度和植物覆盖率。与传统的实验分析相比，GIS具有更高的效率和经济性。
黄河三角洲是我国主要的农业土壤类型之一，然而，黄河三角洲土壤营养元素缺乏、结构退化、土地荒漠化等限制因素被大量报道。因此，对黄河三角洲河流土壤质量进行综合评价是一项非常具有价值的工作。
本研究通过对黄河三角洲典型农业县垦利的土壤表层有机质的空间变异研究进行了评价，并根据评价结果分析了土壤质量的限制因素。
1.2 国内外文献综述
伴随这世界生态的发展，人们逐渐认识到，土壤系统是陆地生态系统中最重要的长期有机碳（OC）储层，对全球气候变化有贡献。有机质的主要来源是有机质，有机质在不同的分解阶段由多种动植物残体组成。土壤有机碳含量是土壤有机碳评价不可或缺的内容，其重要性也被其他学者所强调，作为农业生产力、土壤可持续性和质量的重要组成部分。SOM的来源和分解因子在空间和时间上是不同的。而且，它对环境变化很敏感。然而，土壤类型、气候、地形、水文、土地利用、地质等因素影响着它们的分布。有机质通常与细颗粒结合，特别是粘土，大量的SOM往往局限于土壤表面，可能在5到10厘米的深度。因此，大多数土壤研究集中在表层土壤，而不是整个土壤剖面。事实上，已知土壤有机碳（SOC）总量的相当大一部分储存在底土中，而大量（27%-77%）的SOC可能出现在20 cm以上的深度。因此，在生态系统服务环境中不应忽视这一点。
然而，可靠的SOCS评估和监测对于土壤保持以及增加大气碳的缓解策略都是至关重要的；因此，土壤碳储量的微小变化可能会显著影响大气中的（CO2）浓度。这种情况增加了半干旱地区土壤有机质的重要性，因为土壤有机质的广泛分布和持续暴露在极端气候条件下，因为这些地区很少有研究检测土壤有机质。半干旱地区是指干旱指数在0.2~0.5之间，土壤脆弱，或荒漠化或易荒漠化的地区。干旱土壤中储存了多少有机碳仍然是个问题，因为有机碳库往往随着温度呈指数下降，因此，土壤中的有机碳含量较低（低于1%），这可能导致土壤质量和生产力的逐步退化。然而，这些地区可能通过降低大气（CO2）的富集率，在减缓气候变化影响方面发挥关键作用。SOC的空间表示被认为是区域规划、土壤管理、土壤评估和农业实践中非常重要的。遥感和地理信息系统在编制空间图解方面发挥着重要作用。在过去的十年里，各种数字土壤图技术被用来研究自然资源。许多学者通过比较线性回归、普通克立格、协克立格、回归克立格、逆方差加权、样条函数等方法，检验了SOC预测的准确性。然而，并没有一种特别的方法能以最好的精度预测SOC；所有的确定性插值方法的结果往往过于简单化现实。
许多地质统计学方法都将定位样本用于土壤制图。然而，地质统计学能够区分SOC的连续性质，并且能够检测建模期间的随机变化，并且空间自相关被认为是从采样点插值到连续曲面的。在叙利亚东部，干旱和半干旱地区普遍占主导地位，年降水量从中东部的200mm到东南部的不足50mm，代表着巴迪亚生态系统，它是东部和南部沙漠与西部地中海生态系统之间的过渡带。这个多雨地区的土壤特点是有机质含量低，使表土脆弱，可能会经历退化、荒漠化和风蚀。然而，作为这里作物生产关键的有机碳还没有得到广泛的研究；人们认为，如果土壤生产力不能得到改善和提高，这些地区作物产量的提高应与土壤生产力的可持续性相联。
2 研究材料与方法
2.1 研究区概况
本实验的研究地点选在黄河三角洲流域典型农业区，垦利县（如图1所示）位于黄河入海口，具 体 位 置 在 37°24'N— 38°10'N，118°15E—119°19'E。该县属暖温带半湿润季风气候，年平均气温11.9℃，平均降雨量592.2mm。根据联合国粮农组织-联合国教科文组织的系统，垦利的土壤被归类为盐渍土。垦利的主要农作物是棉花。
图1 研究区域和采样点
2.2 研究方法
2.2.1 采样地点
根据土地利用，土壤，地貌和植被类型等因素设置采样点。我们设置了81个采样点，并获得了187组土壤数据，采样点的分布如图2所示。采用五点采样法收集地表土壤样品，并使用手持GPS定位器读取每个采样点的坐标。现场调查日期为2019年4月27日至5月1日。
图2 研究土壤样品的面积和分布
2.2.2 样品处理与分析
将采集完毕的土壤样品带入实验室进行风干、研磨等处理。然后分别通过孔径 2 mm 和0.25 mm筛，以备理化性质测量。其中，土壤有机质测量用重铬酸钾法。
2.2.3 数据处理
为了研究地形因素对土壤有机质含量的影响，记录了相应采样点的海拔地形信息，利用 SPSS 13.0进行相关分析，探讨地形因素和土壤有机质的相关性。采用 ArcGIS 9.2软件中的地统计模块，通过土壤有机质数据进行普通克里格插值（OK）运算，绘制有机质空间分布图。
3 结果分析
3.1 土壤有机质含量统计特征
如表 1 所示，研究区土壤有机质含量最小值是5.00 g / kg，最大值是28.10 g / kg，平均值为11.37 g / kg，同时偏态系数为0.98，接近于 1，属于中等偏态分布。从土壤肥力标准来看，有机质含量较低。变异系数为 27.19%，说明该区域有机质含量比较集中，多数集中在 11 g / kg，与中位数和平均值较为接近，总体变异强度不是很大。
表1 垦利县土壤有机质描述性统计
|
数据序列 |
最小值/( g·kg－1) |
最大值 /( g·kg－1) |
平均值 /( g·kg－1) |
中位数/( g·kg－1) |
偏态系数 |
峰态系数 |
标准差 /( g·kg－1) |
变异系数/% |
|
原始数据 |
5 |
28.1 |
11.37 |
11 |
0.98 |
4.8 |
3.09 |
27.19 |
|
对数变换 |
1.16 |
3.34 |
2.4 |
2.4 |
0.07 |
3.16 |
0.26 |
— |
3.2 土壤有机质含量空间分布特征
采用普通克里格插值方法，对研究区土壤有机质含量进行插值运算。因绝大部分土壤样点中有机质含量都在 10～15 g /kg 之间，利用克里格进行插值会进一步平滑掉极值点，如果按此方法划分华北地区相关土壤肥力标准，来进行空间属性特征表达，样点的数据大多会聚集在相近的色调内，在空间上将展示不出明显的变异特点。为了更好地显示区域有机质变异情况，采用了自然间断法将研究区划分为 5 个不同土壤有机质等级的区间（图3）：高、高、中、低或极低。低等级土壤占优势，占71.85%。其次是中等年级（25.52%）。在高等级和特高等级土壤中，土壤面积分别为0.21%和0%。
如图 3 .2所示，研究区中部、西部、北部土壤有机质含量均为 10 ～13.5 g/kg，属于中等肥力水平，除个别地方外，整体上显示较为均一。东部有狭长条带状区域，有机质分布相对偏高，原因可能是由于该处靠近黄河口，有机质冲积丰富。出现块状形状。。高含量区域南部有机质含量较低，2 个小区域对比明显，这是由于南边含量较低的区域。
影响土壤质量的主要因素包括气候、地形、土壤类型、植物种类和农业管理。垦利市土壤有机质空间变异是决定土壤质量的重要因素，农业管理和地理位置是主要影响因素。通过适宜的耕作措施调整土壤盐渍化是提高土壤质量的关键。改良管理可包括：1）增加有机肥料施用量，2）土地平整，3）覆盖残茬，4）淋洗灌溉等。20世纪80年代以来，我国农业集约化生产开始蓬勃发展，由于化肥施用量大、耕作频繁，大部分农田出现了土壤退化现象。因此，不合理的农业管理也是影响土壤质量可持续性的一个因素。根据评价结果，采取适当的农业管理措施（保护性耕作、精确施肥）以改善土壤质量是必要的。
图3 研究区土壤有机质分布
3.3 影响因素分析及讨论
3.3.1 温度
在本研究中，考虑到土壤有机质和有机碳储量在横向和空间方向上的变化，这种变化可以作为微地貌和或土壤管理实践的一个功能，缓解系统变化。黄河三角洲流域，是水量充沛的地区，其环境条件不利于有机质的发育和积累，这些因素造成非生物胁迫，导致低生物量的形成。此外，有机碳在高温的条件下更容易氧化，可能会对有机质的空间变异造成影响。例外的是，在幼发拉底河地区的类似土壤中，土壤有机碳略高于这些土壤；这归因于该地区40多年来一直处于集约农业轮作状态。由此可见，土壤有机碳主要储存在表层土壤中。
本研究所选的地区是黄河三角洲，河口是陆地和海洋之间的连接区域，容易受到全球气候变化的影响。例如，水的变暖导致河口浮游植物开花的时间和幅度发生了变化，极端天气条件（如旋风事件）造成了山洪暴发，反过来增加了河流的贡献。排入邻近河口，由于全球变暖对河口水文循环的影响，海平面上升，导致更上游的海水入侵增加。基于这些原因，已经采取了一些措施来评估沿海地区的脆弱性，以便可以在沉积，土地沉降，土地复垦和开垦方面进行适当的管理。
3.3.2 水生植物
水生环境中的溶解性有机物（DOM）具有许多生物地球化学功能，包括为水生生物区系提供能量和养分。在水生环境中，微量元素（例如铁和铜）是从沉积物和陆地来源中提供的，其主要成分是流域地区的土壤。藻类光合作用所需的Fe离子以二价和三价离子的形式存在于天然水中。亚铁离子容易被氧化成三价铁离子，然后在中性或碱性条件下水解并沉淀。但是，水体中的铁离子可通过与DOM形成水溶性复合物而保持溶解状态，然后将其作为水生生物的铁源。腐殖质（HS）是深色的天然有机物，其是从尸体和环境中各种生物的代谢产物中二次产生的。水中溶解的HS（DHS）根据其在低pH时的溶解度差异而分类为腐殖酸和富里酸。黄腐酸，可溶于河水中的DOM和DHS的来源是流域土壤，沉积物，大气沉积物和水生生物。在日本，森林覆盖的山区约占土地的60％。在这些山区的阔叶林或日本雪松和柏树次生林下形成的冈比亚溶胶构成了主要的土壤类型（占总面积的53％）。由此可见黄河三角洲带的水生植物也对有机质含量造成了较大影响。
3.3.3 人类活动
1970年代以前，我国的经济发展水平仍然很低，对社会经济用水的需求很少，因此，黄河的生态水供应充足，生态水被占用等问题。几乎没有社会水。随着黄河沿岸耕地面积的增加，以及工业化和城市化水平的提高，城乡居民对农业灌溉用水，工业生产用水和生活用水的需求激增，导致水资源短缺，加剧了黄河的生态用水，甚至逐渐被完全占用。从1970年代到1990年代，停产危机连续几年发生在黄河下游，严重威胁着黄河的健康。生态水的可持续供应是河流健康发展的保证，也是黄河流域经济社会可持续发展的前提。国务院以“ 1987年调水计划”为代表，启动了一揽子配水计划和调度管理办法，以保证生态水量，通过储备生态水解决黄河截流问题。数量，这在一定程度上划定了社会的水“消耗”与生态学的“储水”之间的界限。这一系列政策和行动的实质是，他们明确指出，作为主要用水者之一的河流，也享有将河流水用作资源的权利，即生态水权。受这一制度的约束，黄河最终终止了其长达27年的截流历史，黄河的基本生态水权已经实现。但是，克服截断问题并不意味着黄河（尤其是下游）的生态水权得到了切实保障。一方面，黄河截流app靖实际上是肤浅的，而不是功能性的，由于占领和社会水权的侵犯，实际的生态用水量仍低于理想的生态需水量。另一方面，黄河沿岸各省的经济和社会发展之后，排入黄河的废水量迅速增加，这导致许多河段的水质没有提高的事实。与生态水相比，不能满足水生生物对水的需求，对河道的生态功能的充分发挥产生负面影响。 因此，从这种程度来讲，黄河三角洲流域也较不易发生空间异质化。
4 研究结论与展望
4.1 研究结论
本研究主要对黄河三角洲流域典型农业区，垦利县的土壤进行取样研究，用重铬酸钾法，测定有机质含量，通过GIS等相关软件分析，探讨有机空间分布变化。经过总结分析，土壤有机质的空间差异影响不大。
（1）该地区位于地貌平坦的河流三角洲下游，农田基础设施配套良好，排水能力也较好。
（2）研究区内的降雨量和地下水位也基本都保持一致，灌溉条件好，水源充分，上述因素使得土壤有机质的空间差异影响不大。
（3）虽然众多研究结果表明土壤有机质可能受到土壤类型、成土母质等因素影响，但是土壤类型、成土母质、地形对本区域土壤有机质空间变异存在显著影响。而土壤质地等对土壤有机质含量空间变异的影响则需要进一步研究。
4.2 展望
这项研究的目的是黄研究河三角洲土壤表层有机质的空间变异。气候变化情景预测，极端事件现象将在雨季干旱时期再次出现。这些降雨失调可能导致雨养农业单产大幅下降。因此，在许多撒哈拉以南国家，农业生产和粮食获取将受到严重影响，对粮食安全产生严重影响。在这种情况下，至关重要的是更好地了解土壤水分胁迫情况下耕作土壤的功能。以及有机质对作物的影响。开花期是玉米生产对缺水更为敏感的步骤。揭示了在开花期施加胁迫时，收获指数受土壤水分胁迫的影响。在农业实践中，通过使用矿物或有机肥料来管理土壤肥力对于确保可持续的农业生产至关重要。许多学者的结果表明，土壤有机质可以改变土壤水分动态，植物根系，最终改变谷类作物的性能。当降雨量少或不足时，施肥对产量的积极影响会降低。有机肥料施肥的土壤比没有肥料施肥的土壤干燥更快。众所周知，有机改良剂，例如植物残渣，肥料或堆肥，对土壤的物理和化学性质都有好处。在各地区，很少有实验研究来评估缺水条件下有机物在农业土壤中的作用。因此，在干旱及雨季季节建立了一个实验检验的假设是有机物的添加，特别是其应用方式的局限性或扩散性，可以使培养物和土壤特性适应土壤水分胁迫。可以更好的对实际生产给出指导意见及建议。
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