本文是一篇农业管理论文，本文以绥化 8 个县（市、区）典型农田黑土土壤碳氮 17 年间的时间和空间变化特征为研究对象，对 2002 年绥化市典型农田黑土土壤有机碳和全氮以及 2019年绥化市典型农田黑土土壤有机碳和全氮的时间和空间变化特征进行了研究。
第 1 章 绪论
1.1 研究的背景与意义
1.1.1 研究背景
黑土地作为我国耕地中的“大熊猫”近年来受到广泛关注，尤其是习近平总书记在 2018 年和 2020 年两次赴东北黑土区考察调研，使得农田黑土土壤养分分布特征更加受到人们的密切关注[1]。在全球新冠病毒肆虐的大背景下，欧美等国纷纷爆发粮食危机，从而引发粮荒，保障粮食产量和粮食安全问题就显得尤为重要。东北地区的黑土分布范围是我们国家非常重要的商品粮基地，一直以北大仓的形象出现在我国人民面前[2]，据数据统计，截止 2020 年，黑龙江省生产了 7541 万吨的商品粮，实现粮食产量的连续 17 年丰收的壮举。从 2010 年开始，黑龙江省的粮食输出量就是全国第一，按照目前黑龙江的粮食产量可以养活一亿中国人，足以见得东北黑土地在我国农田耕地中所占的地位是举足轻重的[3]。
东北黑土区作为北半球黑土区中面积最小，开垦强度最大的区域，黑土土壤养分的退化会大大影响我国粮食安全和生态环境安全[4]。其中黑土有机质的含量就从开垦前的 100 ~ 120 g/kg 下降到如今的 35 ~ 45 g/kg，可以看出东北黑土的退化十分严重，所以当下之急就是要保护这一块珍贵的“大熊猫”土地[5]。在粮食产量提高的前提下，高强度的耕作模式以及土壤侵蚀两者影响下，导致土壤有机质大量迁移，并且含量迅速损耗，大量研究证明了土壤团聚体的周转速率在人类耕种时期变快，从而扰乱了黑土中土壤有机质的稳定过程；与此同时黑土在风化侵蚀的过程中破坏土壤团聚体，使有机质暴露矿化，土壤有机质逐渐减少，最终造成农田黑土土壤退化[6]。土壤肥力大小可以说是直接决定土壤根本属性的要素，可以补给植物生长所满足的营养、热量等条件，而土壤中碳、氮两个元素是土壤肥力的不可或缺的组成要素[7]，碳、氮循环能促进作物生长得更好，替作物补给源源不断的营养，如果土壤碳、氮供应不足就会造成粮食减产从而导致粮食安全问题。
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1.2 国内外研究现状及进展
1.2.1 土壤碳氮储量的研究进展
土壤是每个国家生存和发展的最基本要素，没有土壤地球将无法为人类生存提供最基础的保障，世界万物将消失殆尽[24]。所以土壤作为地球的基础为维系生态平衡以及各个国家经济社会的可持续发展起到关键作用[25]。土壤有机质含量是衡量土壤肥力重要指标[26]。土壤有机碳占土壤有机质六成以上，土壤中九成以上的氮素以有机氮的形式存在于土壤有机质中[27]。土壤有机质含量决定土壤中碳氮两种元素的含量分布[28]。大气中的碳氮循环可以直接影响大气中气体含量，土壤中的碳氮就成为调节温室气体以及地球气候变化的关键因素[29]。土壤是地球碳库的重要部分，地球土壤（1 m）碳库 2500 Gt，有机碳库约占 62 %（1550 Gt）[30]，是大气含碳量、陆地植被含碳量多三倍[31]，土壤有机碳较小改变都会使地球大气二氧化碳浓度发生较大变化，从而导致气候发生不同程度的变化[32]，稳定的土壤含碳量是应对土地退化和气候变化的主要途径[33]。
地球中碳含量输入与输出的平衡是土壤有机碳变化维持平衡标准，植物的根系在地下进行分解以及地面植物发生凋落形成有机碳是土壤有机碳、主要输入方式，土壤微生物的分解以及土壤呼吸作用是有机碳的输出方式[34]。Johnson[35]等提出了土壤有机碳的损失和积累模型，认为土壤在人类开发以及其他动物利用后，造成土壤有机碳含量损失，通过长时间的土地合理利用、管理措施，碳库重新积累达到新平衡，但这个平衡只能达到原本损失的 60 %左右[30]。国外关于土壤有机碳储量的研究开展得较早，但是二十世纪 60 年代前生态学和土壤学家们研究成果比较微小，并且在各自领域有不同的差异性，90 年代数据库变得完善，以及统计方法多样性和地理信息系统技术应用，估测结果也变得准确[36]。生命带、土壤类型、植被类型或模型法是土壤碳储量研究方法[37]。生命带法和土壤类型法具有代表性被广泛利用[38-39]。我国土壤碳储量研究起步较晚，王绍强[40]等已经描绘了两千多个典型土壤剖面，并计算了其分布面积大约达到了很大的总量；于东升[41]等在七千多个庞大的土壤剖面数据面前，利用 GIS，结果为 89.1 Pg，在中国是最具代表性的结果。不少学者对小尺度、特定生态系统和区域的土壤有机碳储量进行了多种研究[42-44]，得出我国土壤有机碳储量具有突出的地域性，整体表现是西北高寒草甸区含量大于东北北部的针叶林、草甸区和南方亚热带阔叶林区含量大于北方干旱区。
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第 2 章 材料与方法
2.1 研究区概况
绥化市位于黑龙江省中南部，松嫩平原北部，其地域轮廊犹如在松花江、嫩江汇合的江段上跃向小兴安岭西麓的一条鲤鱼，其头朝东北，尾在西南，斜卧在塞北的松嫩平原上如图 2-1 所示[92]。地形复杂多样，地势东北高，西南低，由低丘陵、高平原和河谷平原组成，绥化市海拔高度 135 至 247 米如图 2-2 所示坡度小于 3°[93]。绥化市地处中国黑土区的关键核心区域如图 2-3 所示，包括庆安县、绥棱县、海伦市、望奎县、北林区、兰西县、明水县、青冈县、肇东县和安达市，绥化地理坐标范围在北纬 45°10′至 48°05'，东经 124°53′至 128°35'。绥化市总面积三万四千多平方公里，绥化市耕地面积 2905 万亩，约占全省耕地总面积的七分之一[94]。
图 2-1 绥化市区域图
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2.2 土壤样品的采集及分析方法
2.2.1 土壤样品采集
依据绥化市黑土分布图、绥化市行政区域图、绥化市地形、地势分布图，然后将绥化市行政区域图、绥化市地形、地势分布图与绥化市黑土分布图在 ArcG IS中绘制出采样点分布图如图 2-4 所示。根据所采集样点对研究区域每间隔 5 公里随机采样，选取典型代表性地块，每块地按“W”型采样和 4 分法收集，共采集表层 0 ～ 20 cm 土样 129 个，同时用 GPS 定位其经纬度坐标，记录地形地貌，田间生产管理方式以备分析之用。样品的采集分别于 2002 年和 2019 年完成，2002 年采样点根据全国第二次土壤普查所选取样点进行采样，2002 年课题组收集的黑土土样与2019 年样点完全一致，然后将 2002 年保存的样品和 2019 年所采土壤样品进行实验室分析得出两期数据从而得到 2002 年及 2019 年绥化市典型农田黑土土壤碳氮时空分布特征。
图 2-3 绥化市采样样点分布图
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第 3 章 结果与分析 ........................................ 15
3.1 绥化市典型农田黑土土壤碳氮的描述性统计特征 .......................... 15
3.1.1 2002 年绥化市典型农田黑土土壤碳氮的描述性统计特征 ........................ 15
3.1.2 2019 年绥化市典型农田黑土土壤碳氮的描述性统计特征 ........................ 16
结论 .......................... 50
第 3 章 结果与分析
3.1 绥化市典型农田黑土土壤碳氮的描述性统计特征
3.1.1 2002 年绥化市典型农田黑土土壤碳氮的描述性统计特征
绥化市 2002 年典型农田黑土土壤养分的描述性统计分析如表 3-1 所示，在绥化市 2002 年典型农田黑土土壤养分采集的 129 个样本中，土壤有机碳含量范围在10.66 ~ 35.85 g/kg 之间，土壤全氮含量在 1.33 ~ 3.31 g/kg 之间。绥化市 2002 年典型农田黑土土壤有机碳含量平均 22.02 g/kg，土壤全氮含量平均 2.16 g/kg，根据养分含量分级标准，绥化土壤有机碳含量处于第三级即中等水平，土壤全氮处于第一级即丰富水平。在采集的 129 个土壤样本中，有机碳含量中位数 20.98，标准差4.97，全氮含量中位数为 2.16，标准差为 0.33，由此可以看出绥化市 2002 年典型农田黑土有机碳的含量离散程度较大，不同地区之间有机碳含量差异较大而全氮含量离散程度较小，绥化市各地区之间全氮含量差异不大。绥化市 2002 年典型农田黑土土壤养分含量的极值差异较大，其中土壤有机碳极值最高 35.85 g/kg，最低10.66 g/kg，土壤全氮极值最高 3.31 g/kg，最低 1.33 g/kg。绥化 2002 年土壤有机碳和全氮的变异系数在 10 ~ 100 %之间，两者属于中等变异，变异强度为：有机碳变异强度大于全氮变异强度，2002 年绥化市典型农田黑土土壤有机碳峰度 3.19，偏度 0.8，K-S 检验 0.12，土壤全氮峰度 3.64，偏度 0.32，K-S 检验系数 0.05，结合峰度偏度联合法以及 K-S 正态性检验可知 2002 年绥化
