人為與環(huán)境因子對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)影響的比較研究

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1、人為與環(huán)境因子對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)影響的比較研究——以典型黑土區(qū)和水稻土區(qū)為例*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41571209，41301242）資助SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(Nos.41571209and41301242)郭乃嘉1,2史學(xué)正1,2趙永存1,2?通訊作者，E-mail：yczhao@issas.ac.cn作者簡(jiǎn)介：郭乃嘉（1987-），男，河南新鄉(xiāng)人，博士研究生，主要從事資源環(huán)境與遙感信息研究。njguo@issas.ac.cn收

2、稿日期：2015-12-17；收到修改稿日期：徐勝祥1,2王美艷1,2孔超1,2（1土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京210008）（2中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）摘　要　土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）與農(nóng)田可持續(xù)利用、糧食安全和土壤固碳關(guān)系密切，分析其影響因子意義重大。目前關(guān)于SOM影響因子的研究多涉及單一或少量因素，缺少環(huán)境因子與農(nóng)田管理相結(jié)合的詳細(xì)分析。為綜合分析環(huán)境和人為因素對(duì)農(nóng)田SOM的影響，利用2011年采集于典型黑土樣區(qū)的281個(gè)樣點(diǎn)和水稻土樣區(qū)的193個(gè)樣點(diǎn)，結(jié)合相應(yīng)農(nóng)

3、田管理調(diào)查數(shù)據(jù)，采用雙樣本Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)、Kendallτ相關(guān)分析、隨機(jī)森林模型進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果表明通過綜合環(huán)境與農(nóng)田管理措施數(shù)據(jù)，隨機(jī)森林方法可以較好地預(yù)測(cè)農(nóng)田SOM。該方法對(duì)影響因子重要性的分析顯示出黑土區(qū)水熱條件、黏粒含量影響顯著，水稻土區(qū)田間管理作用明顯。關(guān)鍵詞　土壤有機(jī)質(zhì)；影響因子；農(nóng)田管理；隨機(jī)森林模型中圖分類號(hào)S158.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)，其含量水平能夠影響作物產(chǎn)量[1]，與糧食安全密切相關(guān)。同時(shí)，土壤能夠固定大量的碳[2]，緩解溫室

4、氣體排放對(duì)環(huán)境的影響，SOM含量是土壤有機(jī)碳（SOC）儲(chǔ)量的直接反映。在區(qū)域?qū)用孀R(shí)別農(nóng)田SOM的主要影響因子、分析各因子的作用大小與方式，對(duì)于指導(dǎo)農(nóng)田管理，促進(jìn)糧食增產(chǎn)和土壤固碳具有重要意義。目前區(qū)域?qū)用骊P(guān)于SOM影響因子的研究，按所分析影響因子的性質(zhì)可分為三類。第一類基于氣候、地形和土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。Hobley等[3]在澳大利亞新南威爾士地區(qū)的研究表明降水通過影響植被初級(jí)凈生產(chǎn)力、氣溫通過影響微生物活性、土地利用通過影響作物產(chǎn)量和土壤混合對(duì)SOM產(chǎn)生作用。Follett等[4]在美國大平原、Xiong等[5

5、]在美國佛羅里達(dá)采用氣候和土地利用數(shù)據(jù)研究了SOC的影響因子。此類研究側(cè)重于環(huán)境因子，人為因素的影響只能通過土地利用粗略衡量，不能定量反映人為因素對(duì)SOM的影響。第二類研究主要采用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)以Meta分析方法評(píng)估田間管理措施對(duì)SOM的影響。Tian等[6]利用1980—2012年間的95篇文獻(xiàn)、582對(duì)樣點(diǎn)分析了長(zhǎng)期施肥與秸稈還田對(duì)中國水稻土SOC的影響，結(jié)果表明肥料施用、秸稈還田均能顯著提高稻田SOC含量。采用此類方法，Alvarez[7]研究了氮肥施用和保護(hù)性耕作對(duì)SOC儲(chǔ)量的影響，Ogle等[8]研究了農(nóng)用地利

6、用類型和農(nóng)田管理措施在不同氣候條件下對(duì)SOC儲(chǔ)量的影響。此類研究側(cè)重分析人為因素的影響，缺少與環(huán)境因子的結(jié)合。同時(shí)，其結(jié)果易受數(shù)據(jù)來源和精度的影響，存在一定程度的不確定性。與前兩類研究不同，基于農(nóng)田管理調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域內(nèi)氣候、地形等因素，分析SOM的主要影響因子，其結(jié)果更加全面、可靠。Goidts等[9-10]和Meersmans等[11]在比利時(shí)將土壤數(shù)據(jù)與農(nóng)田管理問卷調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合，對(duì)SOM的演化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明農(nóng)田管理措施、土壤黏粒含量和降水量是該區(qū)SOM演變的主導(dǎo)因子。目前在區(qū)域?qū)用娌捎么祟惙椒?，綜合

7、分析人為與環(huán)境因子對(duì)我國農(nóng)田SOM的影響、定量各影響因子相對(duì)重要性的研究仍十分缺乏。隨機(jī)森林作為一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法已被應(yīng)用于SOC與影響因子的分析[12-14]。該方法能夠反映土壤屬性與各種因子間復(fù)雜的相互作用，提高影響因子對(duì)SOM的解釋能力，并能定量各因子的相對(duì)重要性。基于目前研究的不足和新分析方法的優(yōu)點(diǎn)，本文使用農(nóng)田管理調(diào)查資料、氣象和地形等數(shù)據(jù)，以隨機(jī)森林方法構(gòu)建SOM與影響因素間的模型，定量評(píng)估環(huán)境和農(nóng)田管理措施對(duì)SOM的影響，并對(duì)不同樣區(qū)農(nóng)田SOM主要影響因素的差異進(jìn)行探討。1材料與方法1.1采樣設(shè)計(jì)本文選

8、擇東北典型黑土區(qū)和華中典型水稻土區(qū)的農(nóng)田進(jìn)行研究。這兩個(gè)區(qū)域是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，總共涵蓋了單季玉米、單季大豆、單季水稻和稻—麥輪作等典型種植制度和與之相應(yīng)的施肥、耕作模式。能夠反映旱地和水田兩種土地利用方式下各種田間管理措施對(duì)農(nóng)田SOM的影響。同時(shí)，兩區(qū)域分屬不同氣候帶，具有不同的水熱條件及成土環(huán)境，能夠充分反映氣候、地形對(duì)農(nóng)田SOM的影響。土壤樣點(diǎn)位置分