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东北黑土区是我国重要的粮食生产基地,在维持粮食安全方面扮演着重要角色。合理评价黑土区土壤生产力并确定其容许土壤流失量,不仅可以指导农业生产,而且是保护黑土资源的重要依据。论文通过实地调查研究区21个黑土土种典型剖面的土壤理化性质及其所在地块的作物产量,结合盆栽试验结果建立了东北黑土区土壤生产力评价模型,并利用该模型评价了长期土壤侵蚀对土壤生产力的影响,计算了主要黑土土种的T值。主要内容和结论包括:
1.建立了东北黑土区土壤生产力评价指数模型MPI。根据黑土理化性质与作物产量的关系分析,结合聚类选择模型参数,利用盆栽试验结果确定有机质指标适宜性函数,修订了土壤生产力指数模型PI,建立了研究区土壤生产力指数模型MPI。与原模型相比,增加了有机质含量以及黏粒含量两个指标,剔除了容重指标。验证分析结果表明MPI模型模拟效果优于PI模型。
2.评价了21个黑土土种的土壤生产力现状。研究区21个土种的MPI指数变化于0.21-0.85,平均0.52。从亚类看,黑土亚类多被开垦为农地,开垦年限较长,土壤退化比较普遍,MPI较低,变化于0.21-0.58,平均0.47。草甸黑土多发育在水分条件良好的坡脚或低地,黑土层深厚,机质含量高,具有较高的:MPI,变化于0.36-0.85,平均0.55。白浆化黑土多分布在岗地,尽管下层土壤黏重且养分含量低,但上部黑土层深厚,有机质含量丰富,有效持水能力高,具有较高的MPI,变化于0.53-0.85,平均0.66。从空间分布上看,高生产力土种主要分布研究区中部,低生产力土种主要分布在研究区南北两端。研究区南端为黑土向棕壤土过度的地区,土壤开垦历史悠久,黑土层薄,养分含量低,生产性能较差;研究区北端为黑土向棕色森林土过渡的地区,坡度较大,养分含量低,土壤黏重,综合生产性能较低。
3.评价了长期土壤侵蚀对研究区土壤生产力的影响。随着土壤深度的增加,土壤容重、土壤黏粒含量、土壤粉粒含量以及土壤pH值都有增加趋势,而土壤有效持水能力、砂粒含量、有机质含量、碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量都有减少趋势,可见随着侵蚀厚度增加,土壤生产性趋于降低。脆弱性指数V是侵蚀单位厚度土壤导致的土壤生产力指数降低率,研究区V值变化在变化于-0.0025 cm-1至-0.0093 cm-1,平均-0.005 cm-1,每侵蚀1cm土壤,黑土损失的土壤生产力指数平均为0.005。若换算成降低百分率,则每侵蚀1cm降低的,MPI降低率变化在0.35%-1.83%之间,平均1.05%。从亚类上来看白浆化黑土V值变化于-0.0058cm-1至-0.0093 cm-1,平均-0.0081cm-1;典型黑土V值变化于-0.0025 cm-1至-0.0091 cm-1,平均-0.005 cm-1;草甸黑土V值变化于-0.0026 cm-1至-0.0073 cm-1,平均-0.004cm-1。白浆化黑土因受表下白浆层的影响而脆弱性高。从空间分布上看高脆弱性土壤主要分布在研究区南部和松花江以北明水以南的岗地。在当前的侵蚀速率下,侵蚀1年土壤生产力下降0.03%-0.17%,平均0.1%;50年下降1.61%-8.43%,平均4.83%;100年下降3.21%-16.85%,平均9.67%;500年降14.5%-76.8%,平均下降43.9%。随着侵蚀的持续发生,土壤生产力降低程度不断加重,侵蚀500年后,研究区88%面积的土壤生产力降低率超过25%,降低率大于50%占6%。长期土壤侵蚀对研究区土壤生产力的影响非常严重,从而威胁到我国的粮食安全。
4.通过对比生产力指数模型法、厚度法和成土速率法,确定了基于维持可持续土壤生产力的T值计算方法。成土速率法计算的T值为106 t/km2·a,由于难以获得不同土种的成土速率,该T值仅适宜作为区域宏观T值的最高标准;厚度法计算的T值平均为392 t/km2·a,该方法所用资料单-容易获得,但不能反映剖面土壤性状对土壤生产力的影响,无法表征因土壤侵蚀导致的土地生产力下降;生产力模型法同时考虑了当前生产力指数MPI0及土壤侵蚀脆弱性指数V,较厚度法和成土速率法更具机理性,符合维持长期土壤生产力的宗旨,是合理的T值计算方法。
5.计算了研究区21个黑土土种的T值。研究区21个黑土土种的T值变化于68-358 t/km2·a,平均141 t/km2·a,较现有国家行业标准低29.5%。不同土壤亚类的T值依次为:白浆化黑土<黑土<草甸黑土。从空间分布上看研究区中部T值较高,而南北两端则较低。以松花江为界,向北至明水的小兴安岭西部丘陵漫岗区的土壤表现为高生产力指数MPI与高脆弱性V相对应,表明当前生产性能好,但随着土壤侵蚀的发生,生产力指数下降幅度大,土壤侵蚀的潜在危险性大,是水土流失重点治理和预防的地区。明水以北至研究区北部的丘陵漫岗区的土壤MPI和V值都很低,土壤质量令人堪忧,应重点培肥土壤。松花江以南的张广才岭西部地区,MPI空间分布与V值空间分布呈反向关系:松花江以南至德惠之间分布的土壤具有高MPI和低V值的特点,土壤生产性能高,抗侵蚀能力较强。德惠以南的土壤具有低MPI0和高V值的特点,由于长期遭受侵蚀,土壤生产性能较差,且随着土壤侵蚀的发生,生产力指数下降快,是土壤侵蚀高危险区域,不仅应重点加强土壤侵蚀治理,还要加大土壤培肥力度。